عبدوالعامري
08-19-2010, 02:12 AM
:(88):
إسحاق نيوتن (Sir Isaac Newton)
عاش ما بين 25 ديسمبر 1642 - 20 مارس 1727, بالتقويم القيصري آنذاك أو 4 يناير 1643 - 31 مارس 1727 بالتقويم الغريغوري. عالم إنجليزي، كيميائي، وفيلسوف. قدّم نيوتن ورقة علمية وصف فيها قوة الجاذبية الكونية ومهد الطريق لعلم الميكانيكا الكلاسيكية عن طريق قوانين الحركة. يشارك نيوتن ليبنيز الحق في تطوير علم الحسبان التفاضلي والمتفرع من الرياضيات.
الإنجازات الإضافيّة
نيوتن كان الأول في برهنة أن الحركة الأرضية وحركة الأجرام السماوية تُحكم من قبل القوانين الطبيعية ويرتبط إسم العالم نيوتن بالثورة العلمية. يرجع الفضل لنيوتن بتزويد القوانين الرياضية لأثبات نظريات كيبلر والمتعلقة بحركة الكواكب.
قام بالتوسع في إثباتاته وتطرّق إلى ان مدار المذنّبات ليس بالضرورة بيضاوي! ويرجع الفضل لنيوتن في إثباته ان الضوء الأبيض هو مزيج من أضواء متعددة وأن الضوء يتكون من جسيمات صغيرة.
سيرته
وُلد نيوتن في وولسثروب في مقاطعة لينكنشاير. مات أبوه ولا زال نيوتن في بطن أمه وقبل ولادته بـ 3 أشهر، وتركته والدته لتعيش مع زوجها الجديد بعد عامين من ولادة نيوتن وتركت الطفل نيوتن ليترعرع في كنف جدّته.
درس الثانوية في مدرسة "جراثام" وفي العام 1661 إلتحق بكلّية ترينيتي في كيمبريدج. كانت المدرسة آنفة الذكر تتبع منهج ارسطو الفلسفي إلا ان نيوتن كان يفضل تدارس الفلاسفة المعاصرين آنذاك من أمثال ديكارت، غاليليو، كويرنيكوس، و كيبلر.
في العام 1665 بدأ نيوتن بتطوير معادلات رياضية لتصبح فيما بعد بعلم الحسبان. مباشرة وبعد حصول نيوتن على الشهادة الجامعية في العام 1665، أغلقت الجامعة أبوابها كإجراء وقائي ضد وباء الطاعون الذي اجتاح اوروبا ولزم نيوتن البيت لمدة عامين تفرّغ خلالها للحسبان، والعدسات، وقوانين الجاذبية.
في العام 1667 أصبح نيوتن عضو في هيئة التدريس في كلية ترينيتي وقام بنشر الورقة العلمية والمتعلقة بـ "التّحليل بالمتسلسلة اللا نهائيّة".
قام كل من نيوتن و ليبنيز على حدة بتطوير نظرية المعادلات التفاضلية واستعمل الرجلان رموز مختلفة في وصف المعادلات التفاضلية ولكن تبقى الطريقة التي إتّبعها ليبنيز أفضل من الحلول المقدّمة من نيوتن ومع هذا، يبقى إسم نيوتن مقرون بأحد رموز العلم في وقته.
قضى نيوتن الخمس وعشرين السنة الأخيرة من حياته في خصومة مع ليبنيز والذي وصفه نيوتن بالمحتال!
سميت بأسمه نيوتن (وحدة) قياس تخليدآ له ولما قدمه للعلم.
البصريات
درُس نيوتن البصريات من العام 1670-1672، في هذه الفترة، تحقّق من إنكسار الضوء وبرهن على أن الضوء الأبيض ممكن ان ينقسم الى عدة ألوان عند مروره خلال المنشور ومن الممكن بالتالي تجميع حزمة الألوان تلك من خلال عدسة منشور آخر ليتكون الضوء الأبيض من جديد. باستنتاجه هذا، تمكن نيوتن من إختراع التلسكوب العاكس ليتغلب على مشكلة الألوان التي تظهر في التلسكوبات المعتمدة على الضوء المنكسر.
عاد نيوتن لعمله البحثي في الجاذبية وتأثيرها على مدار الكواكب مستنداً على القواعد التي أرساها كيبلر في قوانين الحركة، وبعد التشاور مع هوك و فلامستيد، نشر نيوتن إستنتاجاته في العام 1684 والتي تناولت قوانين الحركة.
نشر نيوتن الورقة "برينسيبيا" في العام 1687 بتشجيع ودعم مالي من إيدموند هالي. في هذه الورقة، سطّر نيوتن القوانين الكونية الثلاثة والمتعلقة بالحركة ولم يستطع أحد أن يعدل على هذه القوانين لـ 300 سنة أخرى!
بعد إصدار نيوتن لنظرية برينسيبيا، أصبح الرجل مشهوراً على المستوى العالمي واستدار من حولة المعجبون وكان من ضمن هذه الدائرة الرياضي السويسري نيكولاس فاتيو دي دويلير والذي كوّن مع نيوتن علاقة متينة إستمرت حتى العام 1693 وأدّت نهاية هذه العلاقة الى إصابة نيوتن بالإنهيار العصبي.
تمكن نيوتن من ان يصبح عضواً في البرلمان في الأعوام 1689-1690 وكذلك في العام 1671 ولكن لم تذكر سجلات الجلسات أي شيء يذكر عن نيوتن بإستثناء أن قاعة الجلسة كانت باردة وأنه طلب أن يُغلق الشبّاك ليعمّ الدفء!
في العام 1703 أصبح نيوتن رئيساً للأكاديمية الملكية وتمكن من خلق عداوة مع الفلكي جون فلامستيد بمحاولته سرقة كاتالوج الملاحظات الفلكية التابع لفلامستيد. منحته الملكة آن لقب فارس في العام 1705. لم يتزوج نيوتن قط ولم يكن له أطفال مسجّلون وقد مات في مدينة لندن ودفن في مقبرة ويست مينيستر آبي.
الإلكـترونيات وقوانين نيوتن
سلوك الجزيء المشحون في المجال الكهرومغناطيسي تعمل الوسائل الإلكترونية بمبدأ التحكم في الشحنات الكهربية، التي تتحرك خلال أشباه الموصلات أو الغازات أو الفراغ، وباستخدام هذه الوسائل في دوائر متصلة بطرق معينة، أمكن التحكم في الطاقة الكهربية، أو تحويلها إلى صور مختلفة، أو معالجة إشارات كهربية مختلفة، للوصول إلى معلومات مفيدة. ومن ضمن عائلة الوسائل الإلكترونية الحديثة، تلك المصنعة من الجوامد Solid-state، مثل الوصلات الثنائية diode ، والوصلات الثلاثيةtransistor . وسيستخدم فيما يلي لفظ الترانزيستور شائع الاستخدام، والدوائر المتكاملة Integrated circuits، التي تُعد تطويراً للوسائل الأقدم، مثل: الصمامات الإلكترونية، التي تتحرك فيها الأجسام المشحونة في وسط غازي أو في الفراغ، وقد انقرضت تلك الصمامات، وأصبحت لا تستخدم في الوقت الحالي إلا في استخدامات نادرة. بدأ علم الإلكترونيات الحديثة عام 1883 مع اكتشاف العالم أديسون Edison لظاهرة أطلق عليها اسمه، حيث كان يدرس تطوير مصباح الإضاءة، وأدخل في تركيبه لوحاً معدنياً إضافياً بجوار الفتيلة، ولاحظ إمكانية التحكم في التيار الكهربي المار في الطرف الموصل بهذا اللوح الإضافي؛ بعد ذلك استخدم العالم فليمنج J.A.Fleming عام 1897، ظاهرة أديسون لاكتشاف الإشارات اللاسلكية، و في عام 1906 أدخل العالم لي دي فورست Lee de Forest تعديلاً على صمام فليمنج، فأنتج أول صمام ثلاثي، الذي يُعدّ البداية الحقيقة للمسار الحالي لعلوم الإلكترونيات. استمر تطور الصمامات، واستحداث أنواع ووظائف جديدة، إلى أن تطورت أبحاث أشباه الموصلات عام 1948، حيث أنتج أول صمام ثلاثي من المواد شبه الموصلة، وأطلق عليه اسم "الترانزيستور"، وحتى الآن مازالت الدوائر التي تعتمد على أشباه الموصلات هي أساس التقدم الحالي في الإلكترونيات.
الذرة، الإلكترون، البروتون، النيوترون، الفوتون
في نهاية القرن التاسع عشر، كان من المعتقد أن الذرة هي أصغر مكونات المادة، وهي غير قابلة للتجزيء، ولكن بعد ذلك وضع العالم نيلز بوهر Niels Bohr تصوراً لتركيب الذرة أقرب في شكله للمجموعة الشمسية؛ وقد نجح تصور بوهر في تفسير العديد من الظواهر الطبيعية، مثل تفسير طيف الامتصاص، و طيف الانبعاث line spectra ، و كذلك تفسير الأشعة السينية، وحركة التيار الكهربي خلال الغازات؛ ورغم هذا النجاح، لم تستمر نظرية بوهر لفترة طويلة، نتيجة إخفاقها في تفسير العديد من الظواهر الأخرى. بعد ذلك ظهرت النظرية الذرية الحديثة، حيث أضيفت الخواص الموجية بالإضافة للخواص المادية للإلكترون، واستبدلت المدارات الإلكترونية بمستويات للطاقة.
يتكون التيار المار بين أقطاب صمام أديسون، أساساً من تيار من الشحنات السالبة، لإلكترونات، التي تُعد الآن العنصر الأساس في بناء علم الإلكترونيات، وهي أصغر وحدة كهربية، وغير قابلة للتجزيء، إذ لم يكتشف حتى الآن أجسام مشحونة أصغر منها. أثبتت القياسات التجارب، في أوائل القرن العشرين، أن كل الإلكترونات تحمل نفس الكمية من الشحنة الكهربية. وفي عام 1910 نجح العالم ميليكان في قياس الشحنة الكهربية للإلكترون، ووجدها ثابتة، وهي تساوي:
1,602 10 -19 كولوم، وكتلته تساوى 9,106 10 -31 كيلوجرام.
تتكون الذرة من إلكترونات، تتحرك حول مجموعة من الجزيئات، تتجمع في نواة مركزية، تمثل معظم كتلة الذرة، وبها كل الشحنات الموجبة موجودة في الذرة؛ علماً بأن عدد الإلكترونات يساوي الرقم الذري للعنصر، وهو، أيضاً يعادل الشحنة الموجبة للنواة. أما النواة فهي تتكون من بروتونات و نيوترونات بأعداد متغيرة؛ البروتون جزئ يحمل شحنة موجبة، تساوي عددياً الشحنة السالبة للإلكترون، وكتلته تساوي تقريباً كتلة ذرة الهيدروجين، التي تتكون نواتها من بروتون واحد فقط. أما النيوترون فهولا يحمل شحنات كهربية، وكتلته تزيد قليلاً على كتلة البروتون؛ توجد النيوترونات في أنوية ذرات جميع العناصر، عدا ذرة الهيدروجين، وتكون هي و البروتونات المكون الأساسي لبناء النواة.
الفوتون ليس أحد الوحدات البنائية للمادة، ولكنه يمثل أحد الجزيئات الأساسية التي تدخل في تفسير النظرية الذرية الحديثة، وهو كمٌّ من الطاقة، وليست له كتلة بالمعنى المتعارف عليه، ولكن ترتبط معه كتلة إشعاعية متغيرة تكافئ طاقته طبقا لعلاقة أينشتين Einstein الشهيرة:
وتعتمد كمية الطاقة التي يحملها الفوتون، على تردد الإشعاع المرتبط به؛ باستخدام تعريف الفوتون، يمكن تفسير سلوك أشعة الضوء المرئي، والأشعة الحرارية، والموجات الكهرومغناطيسية، والأشعة السينية، وأشعة الليزر …ألخ.
تسارع الإلكترون في المجال الكهربي تؤدي الوسائل الإلكترونية وظائفها من خلال حركة الإلكترون، تحت تأثير مجال كهربي أو مجال مغناطيسي، وتخضع تلك الحركة إلى قوانين الديناميكا البسيطة، إذ إنها تتم في وسط قليل الكثافة الإلكترونية، أي أنه يمكن إهمال التأثير المتبادل مع الإلكترونات المحيطة، من تصادم وقوى تجاذب أو تنافر، وكذلك يمكن إهمال تأثير قوى الجاذبية العامة، مقارنة بالقوة الناشئة عن المجال الكهربي؛ من قوانين الكهربية نجد أن القوة المؤثرة على إلكترون، نتيجة لوجوده في مجال كهربي، تعرف بالعلاقة:
F = q E ……….. 1
حيث F هي القوة المؤثرة على الشحنة الموجبة، التي قيمة شحنتها q ، وموجودة في مجال كهربي شدتهE ، وإذا كانت تلك الشحنة هي التي يحملها الإلكترون، وقيمتها e ، وإشارتها سالبة؛ تكون القوة المؤثرة هي:
F = - e E ……… 2
ومن قوانين نيوتن Newton للحركة نعلم أن:
F = m a………3
وبمقارنة المعادلة 2 ، 3 نخلص إلى أن:
حيث a هي عجلة تسارع الإلكترون، نتيجة وجوده في المجال
الكهربي E ؛ اتجاه مسار التسارع يكون في اتجاه القطب الموجب المسبب للمجال الكهربي، ويتبع الإلكترون في حركته خطوط المجال.
إذا تحرك الإلكترون بين نقطتين فرق الجهد الكهربي بينهما V، فإن طاقة حركته تزداد وتصل سرعته v إلى القيمة المعروفة بالعلاقة التالية:
حيث v هي السرعة المكتسبة للإلكترون، وV فرق الجهد بين نقطتي بداية ونهاية الحركة، وm هي كتلة الإلكترون، وe قيمة شحنته الكهربية؛
بصفة عامة إذا انتقل إلكترون خلال فرق جهد قيمته فولت واحد تزداد طاقته بقيمة تساوي:
Ve = 1.60 10 -19 1 = 1.6 10 -19 joule = 1 e v
يعرف هذا المقدار من الطاقة بمصطلح إلكترون فولت electron volt ويختصرev ، وهذه الوحدة تستخدم عادة للتعبير عن الجسيمات ذات السرعات الكبيرة.
خلال الفترة من 1910 إلى 1916، أجرى العالم روبرت ميليكانR. A. Millikan تجربة نقطة الزيت الشهيرة، لتحديد الشحنة الكهربية الإلكترون، وتوصّل إلى أن شحنة الإلكترون تساوي 1,590 10 -19 كولوم؛ هذه النتيجة قريبة جداً من النتائج الأكثر دقة لشحنة الإلكترون، التي تم التوصل إليها حالياً، وهي 1.602 × 10 -19 كولوم. استخدم ميليكان الجهاز الموضح في الشكل الرقم 87 ، الذي يتكون من حجرة مزدوجة الجدار، تحتوي على لوحين من المعدن، وباللوح العلوي ثقب مركزي صغير يسمح بمرور قطرات صغيرة من الزيت؛ حيث يتولد بين اللوحين مجال كهربي شدته E، وبين للوحين فولتومتر لقياس فرق الجهد بينهما، ويمكن ملاحظة حركة قطرة الزيت بواسطة ميكروسكوب خاص. قام ميليكان بدفع بعض قطرات من الزيت بواسطة الرشاش من خلال الثقب العلوي، فهبطت تلك القطرات تحت تأثير وزنها، ولكن أثناء حركتها تعرضت للأشعة السينية التي تؤين جزيئات الهواء بين اللوحين، فتنطلق بعض الإلكترونات التي تلتصق بقطرات الزيت؛ اكتسبت قطرات الزيت شحنات سالبة، واختار إحدى القطرات المناسبة، وافترض أن شحنتها تساوي q، إذا كانت كتلة قطرة الزيتm ، فإنه في حالة عدم وجود مجال كهربي بين اللوحين، تتحرك قطرة الزيت إلى أسفل، تحت تأثير وزنها فقط، الذي يساويg m، ولكن عند توصيل فرق جهد كهربي V بين اللوحين المعدنيين يتولد بينهما مجال كهربي حيث d هي المسافة بين اللوحين؛ هذا المجال يؤثر في شحنة قطرة الزيت q بقوة إلى أعلى F، تساوي:
غيّر ميليكان قيمة فرق الجهد بين اللوحين، حتى لاحظ تعلق قطرة الزيت بين اللوحين، أي تتساوى القوة التي تحركها إلى أسفل مع القوة التي تدفعها إلى أعلى، أي أن:
وبالتالي أمكنه حساب شحنة قطرة الزيت q و هي تساوي كرر ميليكان التجربة، آلاف المرات بتغيير شحنة القطرة بتعريضها تعريضاً متغيراً لأشعة اكس، فوجد أن شحنة القطرة تساوى دائما مضاعفات صحيحة للمقدار 1,590 × 10-19 فاستنتج من ذلك أن هذا المقدار، هو أقل شحنة يمكن أن تحملها القطرة، وهي شحنة الإلكترون e.
حركة الإلكترون في المجال المغناطيسي
إذا تحرك إلكترون كتلته m وشحنته e بسرعة v في مجال مغناطيسي كثافة فيضه B، واتجاهه عمودي على مستوى حركة الإلكترون، الشكل الرقم 88 ، نجد أن الفيض المغناطيسي يؤثر في الإلكترون، بقوة مغناطيسية تساوي حاصل ضرب كثافة الفيض المغناطيسي، وشحنة الإلكترون وسرعته أي أن:
FB = B x e x v
ويكون اتجاه هذه القوة عمودياً على اتجاه كل من المجال المغناطيسي، واتجاه حركة الإلكترون، ونتيجة لذلك يتحرك الإلكترون، في مسار منحنى دائري، نصف قطره يساوي R ، ويمكن حسابه من اتزان الإلكترون تحت تأثير القوة FB والقوة الطاردة المركزية نتيجة الحركة الدورانية ونتيجة لاتزان الإلكترون تتساوى القوتين، ويكون ومن هذه العلاقة نستنتج النسبة بين شحنة الإلكترون وكتلته في عام 1897، نجح العالم جى.جى.تومسون J .J . Thomson في إجراء تجربة معملية ناجحة لقياس الشحنة النوعية للإلكترون Specific charge e / m، باستخدام أنبوبة أشعة مهبط بها هواء تحت ضغط 0.01 مم زئبق، قاعدتها مغطاة بمادة قابلة للتوهج عند سقوط أي جسيمات مشحونة عليها، مثل جسيمات أشعة المهبط> حصل تومسون على تيار من الإلكترونات، بتعجيل الإلكترونات التي تنفصل عن المهبط K ، الشكل الرقم 89 ، بواسطة الجهد الموجب المطبق على المصعد A؛ تمر الإلكترونات من ثقب صغير موجود في مركز المصعد، وفي غياب المجالات الكهربية والمغناطيسية، ويكون مسار هذه لإلكترونات مستقيماً، ويصطدم بمركز شاشة الصمام P الذي يتوهج. بعد ذلك طبق تومسون فرق جهد V بين ألواح الانحراف، فتولد بينهما مجال كهربي، شدته E ويساوي:
وتتأثر الإلكترونات بقوة Fe = - e E
ونتيجة لذلك ينحرف الإلكترون إلى أعلى، ويصطدم بالشاشة في النقطة P ’ بعد ذلك قام تومسون بتطبيق مجال مغناطيسي، شدته Bعن طريق ملفات خاصة، موجودة حول عنق أنبوبة أشعة المهبط، فيؤثر على الإلكترونات بقوة fm تساوي fm = - B e v
وتحكم تومسون في شدة المجال المغناطيسي، حتى عاد شعاع الإلكترونات لموقعه الأصلي P ، وهذا يعنى أن تأثير القوتين fe وfm متعادل، أي أن:
e E = B e v
أي أن سرعة تحرك الإلكترون، تساوي النسبة بين شدة المجال الكهربي، وشدة المجال المغناطيسي، وبالتعويض بقيمة v في العلاقة التي تحدد الشحنة النوعية للإلكترون حصل تومسون على العلاقة التالية:
وبمعرفة قيمة نصف قطر المسار الدائري للإلكترون من الشكل الهندسي، وأبعاد أنبوبة أشعة المهبط، تمكن تومسون من حساب قيمة الشحنة النوعية للإلكترون، وهي تساوي 1,7589 10 11. صمام أشعة المهبط Cathode - Ray Tube يُعد صمام أشعة المهبط من التطبيقات المهمة لمبادئ الحركة البالستيكية للإلكترونات، وله استخدامات عديدة حالياً، في المعامل لدراسة ورؤية العديد من الظواهر المرتبطة بالدوائر الإلكترونية، وكذلك هو وسيلة الرؤية للاستقبال التليفزيوني وللأنظمة الرادارية. تركيز شعاع الإلكترونات في المجال الكهربي تتسارع الإلكترونات في اتجاه خطوط المجال، حيث إن هذا الاتجاه هو اتجاه القوة المؤثرة عليها، فإذا تم تركيب مجموعة من الإلكترودات كما في الشكل الرقم 90 ، حيث إن المصعد والمهبط أجسام أسطوانية، ويطبق عليها فرق جهد V ؛ الإلكترونات التي تدخل من
الثقب A الموجود في المهبط تتشتت حتى تصل إلى المنطقة بين المصعد والمهبط، فتتعرض لقوى مائلة للداخل تعمل على تجميع معظم الإلكترونات، وتركيز الشعاع عند نقطة واحدة P على الشاشة؛ وفي تصميم المصعد B ثقب مركزي يسمح بمرور الحزمة المستقيمة من شعاع الإلكترونات، واستبعاد الإلكترونات التي لم تأخذ الاتجاه المناسب لتتجمع في النقطة P ؛ وبالتحكم في قيمة الجهدV يمكن تحديد بعد النقطةP التي يتركز ويتجمع فيها شعاع الإلكترونات. يلاحظ أن النظرية الذرية الحديثة تصف الإلكترون بخواص موجية، وخواص مادية، فبالنسبة إلى الخواص الموجية للإلكترون، يتضح أن تركيبة المصعد والمهبط بالصورة الموضحة، تكافئ العدسة المجمعة بالنسبة للأشعة الضوئية، وكما أن العدسة المجمعة تؤثر تأثيرات مختلفة على الموجات الضوئية ذات الأطوال الموجية المختلفة، ونجد أن تركيز الشعاع الإلكتروني هو الآخر يعتمد على الطول الموجي المرتبط بالإلكترون، والمعرف بقانون بلانك Plank طبقاً للعلاقة: وطول الموجة في هذه الصورة مرتبط بطاقة الإلكترون، أيضاً.
إسحاق نيوتن (Sir Isaac Newton)
عاش ما بين 25 ديسمبر 1642 - 20 مارس 1727, بالتقويم القيصري آنذاك أو 4 يناير 1643 - 31 مارس 1727 بالتقويم الغريغوري. عالم إنجليزي، كيميائي، وفيلسوف. قدّم نيوتن ورقة علمية وصف فيها قوة الجاذبية الكونية ومهد الطريق لعلم الميكانيكا الكلاسيكية عن طريق قوانين الحركة. يشارك نيوتن ليبنيز الحق في تطوير علم الحسبان التفاضلي والمتفرع من الرياضيات.
الإنجازات الإضافيّة
نيوتن كان الأول في برهنة أن الحركة الأرضية وحركة الأجرام السماوية تُحكم من قبل القوانين الطبيعية ويرتبط إسم العالم نيوتن بالثورة العلمية. يرجع الفضل لنيوتن بتزويد القوانين الرياضية لأثبات نظريات كيبلر والمتعلقة بحركة الكواكب.
قام بالتوسع في إثباتاته وتطرّق إلى ان مدار المذنّبات ليس بالضرورة بيضاوي! ويرجع الفضل لنيوتن في إثباته ان الضوء الأبيض هو مزيج من أضواء متعددة وأن الضوء يتكون من جسيمات صغيرة.
سيرته
وُلد نيوتن في وولسثروب في مقاطعة لينكنشاير. مات أبوه ولا زال نيوتن في بطن أمه وقبل ولادته بـ 3 أشهر، وتركته والدته لتعيش مع زوجها الجديد بعد عامين من ولادة نيوتن وتركت الطفل نيوتن ليترعرع في كنف جدّته.
درس الثانوية في مدرسة "جراثام" وفي العام 1661 إلتحق بكلّية ترينيتي في كيمبريدج. كانت المدرسة آنفة الذكر تتبع منهج ارسطو الفلسفي إلا ان نيوتن كان يفضل تدارس الفلاسفة المعاصرين آنذاك من أمثال ديكارت، غاليليو، كويرنيكوس، و كيبلر.
في العام 1665 بدأ نيوتن بتطوير معادلات رياضية لتصبح فيما بعد بعلم الحسبان. مباشرة وبعد حصول نيوتن على الشهادة الجامعية في العام 1665، أغلقت الجامعة أبوابها كإجراء وقائي ضد وباء الطاعون الذي اجتاح اوروبا ولزم نيوتن البيت لمدة عامين تفرّغ خلالها للحسبان، والعدسات، وقوانين الجاذبية.
في العام 1667 أصبح نيوتن عضو في هيئة التدريس في كلية ترينيتي وقام بنشر الورقة العلمية والمتعلقة بـ "التّحليل بالمتسلسلة اللا نهائيّة".
قام كل من نيوتن و ليبنيز على حدة بتطوير نظرية المعادلات التفاضلية واستعمل الرجلان رموز مختلفة في وصف المعادلات التفاضلية ولكن تبقى الطريقة التي إتّبعها ليبنيز أفضل من الحلول المقدّمة من نيوتن ومع هذا، يبقى إسم نيوتن مقرون بأحد رموز العلم في وقته.
قضى نيوتن الخمس وعشرين السنة الأخيرة من حياته في خصومة مع ليبنيز والذي وصفه نيوتن بالمحتال!
سميت بأسمه نيوتن (وحدة) قياس تخليدآ له ولما قدمه للعلم.
البصريات
درُس نيوتن البصريات من العام 1670-1672، في هذه الفترة، تحقّق من إنكسار الضوء وبرهن على أن الضوء الأبيض ممكن ان ينقسم الى عدة ألوان عند مروره خلال المنشور ومن الممكن بالتالي تجميع حزمة الألوان تلك من خلال عدسة منشور آخر ليتكون الضوء الأبيض من جديد. باستنتاجه هذا، تمكن نيوتن من إختراع التلسكوب العاكس ليتغلب على مشكلة الألوان التي تظهر في التلسكوبات المعتمدة على الضوء المنكسر.
عاد نيوتن لعمله البحثي في الجاذبية وتأثيرها على مدار الكواكب مستنداً على القواعد التي أرساها كيبلر في قوانين الحركة، وبعد التشاور مع هوك و فلامستيد، نشر نيوتن إستنتاجاته في العام 1684 والتي تناولت قوانين الحركة.
نشر نيوتن الورقة "برينسيبيا" في العام 1687 بتشجيع ودعم مالي من إيدموند هالي. في هذه الورقة، سطّر نيوتن القوانين الكونية الثلاثة والمتعلقة بالحركة ولم يستطع أحد أن يعدل على هذه القوانين لـ 300 سنة أخرى!
بعد إصدار نيوتن لنظرية برينسيبيا، أصبح الرجل مشهوراً على المستوى العالمي واستدار من حولة المعجبون وكان من ضمن هذه الدائرة الرياضي السويسري نيكولاس فاتيو دي دويلير والذي كوّن مع نيوتن علاقة متينة إستمرت حتى العام 1693 وأدّت نهاية هذه العلاقة الى إصابة نيوتن بالإنهيار العصبي.
تمكن نيوتن من ان يصبح عضواً في البرلمان في الأعوام 1689-1690 وكذلك في العام 1671 ولكن لم تذكر سجلات الجلسات أي شيء يذكر عن نيوتن بإستثناء أن قاعة الجلسة كانت باردة وأنه طلب أن يُغلق الشبّاك ليعمّ الدفء!
في العام 1703 أصبح نيوتن رئيساً للأكاديمية الملكية وتمكن من خلق عداوة مع الفلكي جون فلامستيد بمحاولته سرقة كاتالوج الملاحظات الفلكية التابع لفلامستيد. منحته الملكة آن لقب فارس في العام 1705. لم يتزوج نيوتن قط ولم يكن له أطفال مسجّلون وقد مات في مدينة لندن ودفن في مقبرة ويست مينيستر آبي.
الإلكـترونيات وقوانين نيوتن
سلوك الجزيء المشحون في المجال الكهرومغناطيسي تعمل الوسائل الإلكترونية بمبدأ التحكم في الشحنات الكهربية، التي تتحرك خلال أشباه الموصلات أو الغازات أو الفراغ، وباستخدام هذه الوسائل في دوائر متصلة بطرق معينة، أمكن التحكم في الطاقة الكهربية، أو تحويلها إلى صور مختلفة، أو معالجة إشارات كهربية مختلفة، للوصول إلى معلومات مفيدة. ومن ضمن عائلة الوسائل الإلكترونية الحديثة، تلك المصنعة من الجوامد Solid-state، مثل الوصلات الثنائية diode ، والوصلات الثلاثيةtransistor . وسيستخدم فيما يلي لفظ الترانزيستور شائع الاستخدام، والدوائر المتكاملة Integrated circuits، التي تُعد تطويراً للوسائل الأقدم، مثل: الصمامات الإلكترونية، التي تتحرك فيها الأجسام المشحونة في وسط غازي أو في الفراغ، وقد انقرضت تلك الصمامات، وأصبحت لا تستخدم في الوقت الحالي إلا في استخدامات نادرة. بدأ علم الإلكترونيات الحديثة عام 1883 مع اكتشاف العالم أديسون Edison لظاهرة أطلق عليها اسمه، حيث كان يدرس تطوير مصباح الإضاءة، وأدخل في تركيبه لوحاً معدنياً إضافياً بجوار الفتيلة، ولاحظ إمكانية التحكم في التيار الكهربي المار في الطرف الموصل بهذا اللوح الإضافي؛ بعد ذلك استخدم العالم فليمنج J.A.Fleming عام 1897، ظاهرة أديسون لاكتشاف الإشارات اللاسلكية، و في عام 1906 أدخل العالم لي دي فورست Lee de Forest تعديلاً على صمام فليمنج، فأنتج أول صمام ثلاثي، الذي يُعدّ البداية الحقيقة للمسار الحالي لعلوم الإلكترونيات. استمر تطور الصمامات، واستحداث أنواع ووظائف جديدة، إلى أن تطورت أبحاث أشباه الموصلات عام 1948، حيث أنتج أول صمام ثلاثي من المواد شبه الموصلة، وأطلق عليه اسم "الترانزيستور"، وحتى الآن مازالت الدوائر التي تعتمد على أشباه الموصلات هي أساس التقدم الحالي في الإلكترونيات.
الذرة، الإلكترون، البروتون، النيوترون، الفوتون
في نهاية القرن التاسع عشر، كان من المعتقد أن الذرة هي أصغر مكونات المادة، وهي غير قابلة للتجزيء، ولكن بعد ذلك وضع العالم نيلز بوهر Niels Bohr تصوراً لتركيب الذرة أقرب في شكله للمجموعة الشمسية؛ وقد نجح تصور بوهر في تفسير العديد من الظواهر الطبيعية، مثل تفسير طيف الامتصاص، و طيف الانبعاث line spectra ، و كذلك تفسير الأشعة السينية، وحركة التيار الكهربي خلال الغازات؛ ورغم هذا النجاح، لم تستمر نظرية بوهر لفترة طويلة، نتيجة إخفاقها في تفسير العديد من الظواهر الأخرى. بعد ذلك ظهرت النظرية الذرية الحديثة، حيث أضيفت الخواص الموجية بالإضافة للخواص المادية للإلكترون، واستبدلت المدارات الإلكترونية بمستويات للطاقة.
يتكون التيار المار بين أقطاب صمام أديسون، أساساً من تيار من الشحنات السالبة، لإلكترونات، التي تُعد الآن العنصر الأساس في بناء علم الإلكترونيات، وهي أصغر وحدة كهربية، وغير قابلة للتجزيء، إذ لم يكتشف حتى الآن أجسام مشحونة أصغر منها. أثبتت القياسات التجارب، في أوائل القرن العشرين، أن كل الإلكترونات تحمل نفس الكمية من الشحنة الكهربية. وفي عام 1910 نجح العالم ميليكان في قياس الشحنة الكهربية للإلكترون، ووجدها ثابتة، وهي تساوي:
1,602 10 -19 كولوم، وكتلته تساوى 9,106 10 -31 كيلوجرام.
تتكون الذرة من إلكترونات، تتحرك حول مجموعة من الجزيئات، تتجمع في نواة مركزية، تمثل معظم كتلة الذرة، وبها كل الشحنات الموجبة موجودة في الذرة؛ علماً بأن عدد الإلكترونات يساوي الرقم الذري للعنصر، وهو، أيضاً يعادل الشحنة الموجبة للنواة. أما النواة فهي تتكون من بروتونات و نيوترونات بأعداد متغيرة؛ البروتون جزئ يحمل شحنة موجبة، تساوي عددياً الشحنة السالبة للإلكترون، وكتلته تساوي تقريباً كتلة ذرة الهيدروجين، التي تتكون نواتها من بروتون واحد فقط. أما النيوترون فهولا يحمل شحنات كهربية، وكتلته تزيد قليلاً على كتلة البروتون؛ توجد النيوترونات في أنوية ذرات جميع العناصر، عدا ذرة الهيدروجين، وتكون هي و البروتونات المكون الأساسي لبناء النواة.
الفوتون ليس أحد الوحدات البنائية للمادة، ولكنه يمثل أحد الجزيئات الأساسية التي تدخل في تفسير النظرية الذرية الحديثة، وهو كمٌّ من الطاقة، وليست له كتلة بالمعنى المتعارف عليه، ولكن ترتبط معه كتلة إشعاعية متغيرة تكافئ طاقته طبقا لعلاقة أينشتين Einstein الشهيرة:
وتعتمد كمية الطاقة التي يحملها الفوتون، على تردد الإشعاع المرتبط به؛ باستخدام تعريف الفوتون، يمكن تفسير سلوك أشعة الضوء المرئي، والأشعة الحرارية، والموجات الكهرومغناطيسية، والأشعة السينية، وأشعة الليزر …ألخ.
تسارع الإلكترون في المجال الكهربي تؤدي الوسائل الإلكترونية وظائفها من خلال حركة الإلكترون، تحت تأثير مجال كهربي أو مجال مغناطيسي، وتخضع تلك الحركة إلى قوانين الديناميكا البسيطة، إذ إنها تتم في وسط قليل الكثافة الإلكترونية، أي أنه يمكن إهمال التأثير المتبادل مع الإلكترونات المحيطة، من تصادم وقوى تجاذب أو تنافر، وكذلك يمكن إهمال تأثير قوى الجاذبية العامة، مقارنة بالقوة الناشئة عن المجال الكهربي؛ من قوانين الكهربية نجد أن القوة المؤثرة على إلكترون، نتيجة لوجوده في مجال كهربي، تعرف بالعلاقة:
F = q E ……….. 1
حيث F هي القوة المؤثرة على الشحنة الموجبة، التي قيمة شحنتها q ، وموجودة في مجال كهربي شدتهE ، وإذا كانت تلك الشحنة هي التي يحملها الإلكترون، وقيمتها e ، وإشارتها سالبة؛ تكون القوة المؤثرة هي:
F = - e E ……… 2
ومن قوانين نيوتن Newton للحركة نعلم أن:
F = m a………3
وبمقارنة المعادلة 2 ، 3 نخلص إلى أن:
حيث a هي عجلة تسارع الإلكترون، نتيجة وجوده في المجال
الكهربي E ؛ اتجاه مسار التسارع يكون في اتجاه القطب الموجب المسبب للمجال الكهربي، ويتبع الإلكترون في حركته خطوط المجال.
إذا تحرك الإلكترون بين نقطتين فرق الجهد الكهربي بينهما V، فإن طاقة حركته تزداد وتصل سرعته v إلى القيمة المعروفة بالعلاقة التالية:
حيث v هي السرعة المكتسبة للإلكترون، وV فرق الجهد بين نقطتي بداية ونهاية الحركة، وm هي كتلة الإلكترون، وe قيمة شحنته الكهربية؛
بصفة عامة إذا انتقل إلكترون خلال فرق جهد قيمته فولت واحد تزداد طاقته بقيمة تساوي:
Ve = 1.60 10 -19 1 = 1.6 10 -19 joule = 1 e v
يعرف هذا المقدار من الطاقة بمصطلح إلكترون فولت electron volt ويختصرev ، وهذه الوحدة تستخدم عادة للتعبير عن الجسيمات ذات السرعات الكبيرة.
خلال الفترة من 1910 إلى 1916، أجرى العالم روبرت ميليكانR. A. Millikan تجربة نقطة الزيت الشهيرة، لتحديد الشحنة الكهربية الإلكترون، وتوصّل إلى أن شحنة الإلكترون تساوي 1,590 10 -19 كولوم؛ هذه النتيجة قريبة جداً من النتائج الأكثر دقة لشحنة الإلكترون، التي تم التوصل إليها حالياً، وهي 1.602 × 10 -19 كولوم. استخدم ميليكان الجهاز الموضح في الشكل الرقم 87 ، الذي يتكون من حجرة مزدوجة الجدار، تحتوي على لوحين من المعدن، وباللوح العلوي ثقب مركزي صغير يسمح بمرور قطرات صغيرة من الزيت؛ حيث يتولد بين اللوحين مجال كهربي شدته E، وبين للوحين فولتومتر لقياس فرق الجهد بينهما، ويمكن ملاحظة حركة قطرة الزيت بواسطة ميكروسكوب خاص. قام ميليكان بدفع بعض قطرات من الزيت بواسطة الرشاش من خلال الثقب العلوي، فهبطت تلك القطرات تحت تأثير وزنها، ولكن أثناء حركتها تعرضت للأشعة السينية التي تؤين جزيئات الهواء بين اللوحين، فتنطلق بعض الإلكترونات التي تلتصق بقطرات الزيت؛ اكتسبت قطرات الزيت شحنات سالبة، واختار إحدى القطرات المناسبة، وافترض أن شحنتها تساوي q، إذا كانت كتلة قطرة الزيتm ، فإنه في حالة عدم وجود مجال كهربي بين اللوحين، تتحرك قطرة الزيت إلى أسفل، تحت تأثير وزنها فقط، الذي يساويg m، ولكن عند توصيل فرق جهد كهربي V بين اللوحين المعدنيين يتولد بينهما مجال كهربي حيث d هي المسافة بين اللوحين؛ هذا المجال يؤثر في شحنة قطرة الزيت q بقوة إلى أعلى F، تساوي:
غيّر ميليكان قيمة فرق الجهد بين اللوحين، حتى لاحظ تعلق قطرة الزيت بين اللوحين، أي تتساوى القوة التي تحركها إلى أسفل مع القوة التي تدفعها إلى أعلى، أي أن:
وبالتالي أمكنه حساب شحنة قطرة الزيت q و هي تساوي كرر ميليكان التجربة، آلاف المرات بتغيير شحنة القطرة بتعريضها تعريضاً متغيراً لأشعة اكس، فوجد أن شحنة القطرة تساوى دائما مضاعفات صحيحة للمقدار 1,590 × 10-19 فاستنتج من ذلك أن هذا المقدار، هو أقل شحنة يمكن أن تحملها القطرة، وهي شحنة الإلكترون e.
حركة الإلكترون في المجال المغناطيسي
إذا تحرك إلكترون كتلته m وشحنته e بسرعة v في مجال مغناطيسي كثافة فيضه B، واتجاهه عمودي على مستوى حركة الإلكترون، الشكل الرقم 88 ، نجد أن الفيض المغناطيسي يؤثر في الإلكترون، بقوة مغناطيسية تساوي حاصل ضرب كثافة الفيض المغناطيسي، وشحنة الإلكترون وسرعته أي أن:
FB = B x e x v
ويكون اتجاه هذه القوة عمودياً على اتجاه كل من المجال المغناطيسي، واتجاه حركة الإلكترون، ونتيجة لذلك يتحرك الإلكترون، في مسار منحنى دائري، نصف قطره يساوي R ، ويمكن حسابه من اتزان الإلكترون تحت تأثير القوة FB والقوة الطاردة المركزية نتيجة الحركة الدورانية ونتيجة لاتزان الإلكترون تتساوى القوتين، ويكون ومن هذه العلاقة نستنتج النسبة بين شحنة الإلكترون وكتلته في عام 1897، نجح العالم جى.جى.تومسون J .J . Thomson في إجراء تجربة معملية ناجحة لقياس الشحنة النوعية للإلكترون Specific charge e / m، باستخدام أنبوبة أشعة مهبط بها هواء تحت ضغط 0.01 مم زئبق، قاعدتها مغطاة بمادة قابلة للتوهج عند سقوط أي جسيمات مشحونة عليها، مثل جسيمات أشعة المهبط> حصل تومسون على تيار من الإلكترونات، بتعجيل الإلكترونات التي تنفصل عن المهبط K ، الشكل الرقم 89 ، بواسطة الجهد الموجب المطبق على المصعد A؛ تمر الإلكترونات من ثقب صغير موجود في مركز المصعد، وفي غياب المجالات الكهربية والمغناطيسية، ويكون مسار هذه لإلكترونات مستقيماً، ويصطدم بمركز شاشة الصمام P الذي يتوهج. بعد ذلك طبق تومسون فرق جهد V بين ألواح الانحراف، فتولد بينهما مجال كهربي، شدته E ويساوي:
وتتأثر الإلكترونات بقوة Fe = - e E
ونتيجة لذلك ينحرف الإلكترون إلى أعلى، ويصطدم بالشاشة في النقطة P ’ بعد ذلك قام تومسون بتطبيق مجال مغناطيسي، شدته Bعن طريق ملفات خاصة، موجودة حول عنق أنبوبة أشعة المهبط، فيؤثر على الإلكترونات بقوة fm تساوي fm = - B e v
وتحكم تومسون في شدة المجال المغناطيسي، حتى عاد شعاع الإلكترونات لموقعه الأصلي P ، وهذا يعنى أن تأثير القوتين fe وfm متعادل، أي أن:
e E = B e v
أي أن سرعة تحرك الإلكترون، تساوي النسبة بين شدة المجال الكهربي، وشدة المجال المغناطيسي، وبالتعويض بقيمة v في العلاقة التي تحدد الشحنة النوعية للإلكترون حصل تومسون على العلاقة التالية:
وبمعرفة قيمة نصف قطر المسار الدائري للإلكترون من الشكل الهندسي، وأبعاد أنبوبة أشعة المهبط، تمكن تومسون من حساب قيمة الشحنة النوعية للإلكترون، وهي تساوي 1,7589 10 11. صمام أشعة المهبط Cathode - Ray Tube يُعد صمام أشعة المهبط من التطبيقات المهمة لمبادئ الحركة البالستيكية للإلكترونات، وله استخدامات عديدة حالياً، في المعامل لدراسة ورؤية العديد من الظواهر المرتبطة بالدوائر الإلكترونية، وكذلك هو وسيلة الرؤية للاستقبال التليفزيوني وللأنظمة الرادارية. تركيز شعاع الإلكترونات في المجال الكهربي تتسارع الإلكترونات في اتجاه خطوط المجال، حيث إن هذا الاتجاه هو اتجاه القوة المؤثرة عليها، فإذا تم تركيب مجموعة من الإلكترودات كما في الشكل الرقم 90 ، حيث إن المصعد والمهبط أجسام أسطوانية، ويطبق عليها فرق جهد V ؛ الإلكترونات التي تدخل من
الثقب A الموجود في المهبط تتشتت حتى تصل إلى المنطقة بين المصعد والمهبط، فتتعرض لقوى مائلة للداخل تعمل على تجميع معظم الإلكترونات، وتركيز الشعاع عند نقطة واحدة P على الشاشة؛ وفي تصميم المصعد B ثقب مركزي يسمح بمرور الحزمة المستقيمة من شعاع الإلكترونات، واستبعاد الإلكترونات التي لم تأخذ الاتجاه المناسب لتتجمع في النقطة P ؛ وبالتحكم في قيمة الجهدV يمكن تحديد بعد النقطةP التي يتركز ويتجمع فيها شعاع الإلكترونات. يلاحظ أن النظرية الذرية الحديثة تصف الإلكترون بخواص موجية، وخواص مادية، فبالنسبة إلى الخواص الموجية للإلكترون، يتضح أن تركيبة المصعد والمهبط بالصورة الموضحة، تكافئ العدسة المجمعة بالنسبة للأشعة الضوئية، وكما أن العدسة المجمعة تؤثر تأثيرات مختلفة على الموجات الضوئية ذات الأطوال الموجية المختلفة، ونجد أن تركيز الشعاع الإلكتروني هو الآخر يعتمد على الطول الموجي المرتبط بالإلكترون، والمعرف بقانون بلانك Plank طبقاً للعلاقة: وطول الموجة في هذه الصورة مرتبط بطاقة الإلكترون، أيضاً.