وبلاگ

بر اساس نسبیت عام گردش خورشید به دور خود یک میدان گرانش مغناطیسی تولید می‌کند و تأثیر این میدان بر مدارهای سیاره‌ای ابتدا به وسیله دسیتر[5] [5] و سپس به شکلی عام‌تر توسط لنز و تیرینگ[6] [4] نشان داده شد و مشخص شد که سهم گرانش مغناطیسی در حرکت تقدیمی حضیض سیارات در مقایسه با حرکت اصلی گرانش الکتریکی، باید کوچک‌تر و در جهت مخالف باشد؛ در حقیقت معلوم شد که حرکت تقدیمی لنز-تیرینگ[7]  بسیار کوچک‌تر از آن است که در حال حاضر مشخص شود.

 

 

از طرف دیگر شواهدی از میدان گرانش مغناطیسی زمین توسط سیوفولینی[8] و به وسیله ماهواره‌های گستره لیزری لاجیوس I و II ارائه شد [6]. سیوفولینی پیشنهاد کرد که اندازه گیری دقیق این میدان به وسیله ژیروسکوپ های ابر رسانا در ماهواره‌ی واقع در مدار قطبی در اطراف زمین صورت گیرد که یکی از اهداف پروژه GP-B سازمان ناسا می‌باشد [40،7].

 

 

گرانش خطی شده[9]، یکی از روش‌های تقریب زدن در نسبیت عام است که در آن جملات غیرخطی از متریک فضا زمان نادیده گرفته می‌شوند تا علاوه بر ساده‌تر سازی مطالعه برخی مسائل، بتوان همچنان پاسخ‌های تقریبی قابل قبولی به دست آورد. در یک تقریب میدان ضعیف، از تقارن‌های پیمانه‌ای به صورت هم شکلی دیفرانسیلی[10]  استفاده می‌شود که در آن بنا به تعریف η تغییر شکل نمی‌دهد. تقریب میدان ضعیف در یافتن مقادیر بعضی از ثابت‌ها در معادلات میدان اینشتین و متریک شوارتزشیلد مفید است.

 

 

در فصل اول به کلیات گرانش و نسبیت عام پراخته می‌شود، سپس در فصل دوم، با شروع از معادلات میدان اینشتین، معادلات ماکسول

 گرانش الکترومغناطیسی استخراج می‌شود و تانسور متریک مربوط به ان بدست می‌آوریم و نیز نشان داده می‌شود که سقوط آزاد در میدان جسم متحرک با جرم زیاد را می‌توان به عنوان حرکت تحت نیروی لورنتزی در نظر گرفت که به وسیله میدان‌های گرانشی به وجود آمده است. سپس قضیه‌ی لارمور در گرانش بیان می‌شود.

 

 

در فصل سوم، فرمول‌بندی لاگرانژی از رویکرد اختلال خطی را که در پژوهش‌های مربوط به گرانش مغناطیسی مورد استفاده می‌باشد ارائه می‌شود. در فصل چهارم، اثر ساعت، اثر جفت شدگی اسپین –چرخش –گرانش و اثر میدان گرانشی بر انتشار سیگنال‌ها تشریح می‌شود و با استفاده از اثر میدان گرانشی بر انتشار سیگنال‌ها، اختلاف زمان انتشار را در حضور یک منبع چرخان بدست می‌آوریم و پیشنهادهایی در این به اره مطرح می‌گردد. هدف اصلی ما در این پایان نامه تشریح و توضیح برخی از اثرات میدان گرانش مغناطیسی است.

 

 

[1] Clock effect

 

 

[2]  G. Holzm¨uller

 

 

[3]  F. Tisserand

 

 

[4] Gravitoelectric

 

 

[5] de Sitter

 

 

[6] Thirring

 

 

[7] Lense-Thirring precession

 

 

[8] Ciufolini

 

 

[9] Linearized Gravity

 

 

[10] Deffeomorphism

پلاسما که اغلب به عنوان حالت چهارم ماده اشاره شده است، در پشت سر جامدات، مایعات و گازها قرار دارد.گازی داغ است که الکترون های آن به دور هسته اتمی از طریق یک فرایند شناخته شده به عنوان یونیزاسیون متلاشی می شوند، پلاسما به نظر می رسد مثل یک ماده واقعا عجیب و غریب است. اما در آن چه چیزی هست؟ پلاسما نقش اساسی در شکل گیری جهان ما ایفا کرده است. در پی انفجار بزرگ، کل جهان شامل پلاسما بوده و حتی امروزه دانشمندان بر این باورند که که 99٪ از جهان قابل مشاهده در حالت پلاسما است.   لذا پلاسما، در واقع حالت اول ماده است. آن حالتی از ماده است که به طوری اساسی منبع اصلی انرژی برای جهان باقی مانده است:

همجوشی ستارگان تعادل پیچیده ای بین نیروی رو به خارج ناشی از گرمای واکنش همجوشی  است که در قلب ستاره وجود دارد و نیروی رو به داخل ناشی از گرانش است. در واقع، این جرم ستاره است که آن را از رفتن  به ابرنواختر حفظ می نماید.

 

ایجاد و حفظ یک واکنش همجوشی هسته ای پایدار بر روی زمین به منظور تولید توان برای دانشمندان برای تحقیق در چند دهه شده است. ثابت شده که همجوشی یک کار بسیار مشکل ،  در مقابل شکافت است. پس از  آنکه نوترون در سال 1932 توسط جیمز چادویک کشف شد، پیشرفت سریع به سوی دستیابی به شکافت هسته ای انجام شد. در  سال1942 دانشمندان نشان دادند که چگونه تولید واکنش های زنجیره ای شکافت کنترل می شود. در 26 ژوئن سال 1954، اولین نیروگاه هسته ای در جهان در شهر اوبنینسک (Obninsk)، در نزدیکی مسکو در اتحاد جماهیر شوروی سابق بنا شد. این  نیروگاه 5 مگا وات برق تولید می کرد که کافی برای تولید  برق  مورد نیاز حدود 2000 خانه  بود که مطابق با  استانداردهای امروز که در آن یک نیروگاه هسته ای معمولی می تواند حدود mW2 1000برق تولید کند، بسیار ناچیز بود. با این حال، شاهکار ی باور نکردنی حاصل از کشف علمی برای پیاده سازی تجاری در بیش از دو دهه باقی ماند.
اما چرا شکافت نیاز به استفاده از هسته های سنگین، اغلب شامل مواد رادیواکتیو دارد که خطرات ایمنی و بهداشتی را در برخواهد داشت. ایمنی راکتورهای شکافت بعد از حادثه تری مایل آیلند در سال 1979 و بحران چرنوبیل در سال 1986 تحت نظارت شدید بود. واکنش های همجوشی، از سوی دیگر، معمولا شامل هسته های  سبک  می باشند و در نتیجه مواد غیر رادیو اکتیو ایجاد می کنند.
با اعتقاد به اینکه مسئله همجوشی را  نمی توان به سادگی شکافت حل کرد دولت ها در اواسط قرن بیستم اینکا را آغاز کردند، بودجه طرح های پژوهشی طبقه بندی شده در همجوشی. به زودی درک شد، با این حال تلفیقی از یک کار بسیار مشکل تر مطرح  شد و همکاری بین المللی نیاز بود تا این مشکل را حل کند. در سال 1958 دولت ایالات متحده موضوع محرمانه تحقیقات همجوشی مغناطیسی را  به منظور باز کردن یک گفت و گوی بین المللی مطرح کرد..
همکاری بین المللی عملکردی  شبیه  به عملکرد DNA  در تحقیقات همجوشی است. به نظر می رسد که حل مشکل همجوشی تنها توسط یک کشور کاری بیش از حد دشوار است. و با این حال، حتی امروزه بیش از پنجاه سال پس از تحقیقات همجوشی محرمانه ، راکتور همجوشی تجاری هنوز هم وجود ندارد. اما ممکن است در این مورد با کمک یک همکاری جدید بین المللی برای ساخت اولین راکتور همجوشی جهان در جنوب فرانسه تغییر کند که تحت عنوان .ITER  معروف  است و ممکن است بهترین امید در این زمینه برای حل مشکل باشد.
این فصل قصد دارد به تجزیه و تحلیل مسائل مرتبط با دستیابی به واکنش های همجوشی پایدار بپردازد و همچنین یک نمای کلی از طرح های مختلف راکتور را ارائه نماید.

بعلاوه ما همیشه به دنبال روش‌های آسان برای پی بردن به این خواص هستیم چراکه روش‌های آزمایشگاهی بسیار زمان‌بر و پرهزینه هستند.در این پایان‌نامه سعی شده است که با استفاده از ابزار مکانیک آماری به روشی آسان برای محاسبه و تخمین مدول بالک جامدات دست‌یابیم. در آخر نتایج خود را با داده‌های آزمایشگاهی مقایسه می‌کنیم. انشاا… که مطالب این پایان‌نامه مفید و مورداستفاده قرار گیرد.                                                                                                        

 

 

1-2 انرژی آزاد هلمهولتز[1]

 

 

از انرژی آزاد هلمهولتز F میتوان برای به دست آوردن فشار P یک جامد استفاده کرد. برای تعداد زیادی از جامدات در سرامیک‌ها و ژئوفیزیک ،F دارای سه بخش است:

 

 

 

 

 

 

 

 

(1-1)

 

که  پتانسیل یک شبکه ایستا در صفر مطلق است،  انرژی ارتعاشی به دلیل حرکت اتم‌ها به‌طوری‌که هر یک مجبور به ارتعاش اطراف نقطه شبکه‌اند و  پتانسیل ناشی از الکترون‌ها است. در بعضی جامدات، پتانسیل‌های دیگری از قبیل مغناطیس کنندگی و اثرات اپتیکی سهیم‌اند ولی در این کار این پتانسیل‌ها مهم نیستند  زیرا تا حد زیادی به نارساناها وابسته‌اند.

 

 

تعداد زیادی از مواد معدنی عایق‌اند، در چنین مواردی  را می‌توان نادیده گرفت اما در مورد آهن نباید نادیده گرفته شود. در اینجا سه تابع ترمودینامیکی وجود دارد که به‌وسیله آن P و V به دیگر متغیرهای ترمودینامیکی ربط داده می‌شود.

 

 

انرژی آزاد هلمهولتز

 

 

 

 

 

 

 

 

(2-1)

 

انرژی گیبس[2]

 

 

 

 

 

 

 

 

(3-1)

 

آنتالپی[3]

 

 

 

 

 

 

 

 

(4-1)

 

که  آنتروپی[4]،  انرژی داخلی،  آنتالپی است. گاهی اوقات  و  انرژی‌های آزاد نامیده می‌شوند. در سیستم‌های ترمودینامیکی که حجم و دما متغیرهای مستقل‌اند رابطه (2-1) مناسب است، درنتیجه انرژی آزاد هلمهولتز برای بسیاری از مشتقات به‌کارگیری خواهد شد.از طرفی دستگاه بیشتر از مقدار کاری که در فرآیند همدما انجام می‌دهد انرژی آزاد هلمهولتز از دست می‌دهد. به نحو مشابه تغییر انرژی آزاد گیبس دستگاه به مراتب بیشتر از کار غیر فشار حجمی است که در دما و فشار ثابت انجام می‌شود. معادله حالت فشار برحسب متغیرهای  و  به شکل روبرو تعریف می‌شود:  (5-1)        معادله حالت از  به دست خواهد آمد. به‌ویژه در معادله  (5-1)  همچون معادله حالت ،سهم دگرشکلی را برای  را در نظر نمی‌گیریم، به این دلیل که نادیده گرفتن سهم دگرشکلی قابل توجیه است زیرا فشار در قیاس با تنش برشی بزرگ‌تر است.

 

 

1-3 معادله‌های اساسی ترمودینامیک

 

 

 

برحسب ، معادله‌های اساسی ترمودینامیک به‌صورت زیر هستند:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(6-1)

(7-1)

(8-1)

(9-1)

(10-1)

(11-1)

 

که  ظرفیت گرمایی ویژه در حجم ثابت است ،    مدول حجمی ،  ضریب انبساط حجمی است. فشار به‌صورت زیر داده می‌شود:

 

 

 

 

 

 

 

 

(12-1)

 

همچنین  را برحسب(10-1) و (11-1) به‌صورت زیر است:

 

 

 

 

 

 

 

 

(13-1)

 

4-1 فشار معادله حالت

 

 

برای یک نارسانا از   و  که  انرژی گرمایی و  انرژی ارتعاشی دمای صفر است. که یک‌ترم کوچک ناشی از مکانیک کوانتومی است که بیان مناسب‌تر برای  که در آن اثرات  و اثرات گرمایی به‌صورت واضح جداشده‌اند به‌صورت زیر است:

 

 

 

 

 

 

 

 

(14-1)

 

که  بیان‌گر صفر مطلق است. با استفاده از معادله (9-1) و(14-1) داریم :

 

 

 

 

 

 

 

 

(15-1)

 

بر اساس معادله (5-1) و (15-1) ،  یک تابع  و  به‌جز در صفر مطلق که  است.در اینجا از معادله (15-1) همچون یک تعریف استاندارد  برای جامدات دی‌الکتریک بدون الکترون آزاد استفاده می‌کنیم:

 

 

 

 

 

 

 

 

(16-1)

 

و فرمول پایه زیر را داریم :

 

 

 

 

 

 

 

 

(17-1)

 

فرض کنید  به‌وسیله متغیر بدون بعد  جایگزین شود، که اغلب اتساع نامیده می‌شود، ،که در اینجا فشردگی(تراکم) نامیده می‌شود، که زیرنویس صفر نشان‌دهنده  در فشار صفر است. صورت دیگر معادله (17-1) به‌صورت زیر است:

 

 

 

 

 

 

 

 

(18-1)

 

برای یک فلز در دمای بالا، همچون آهن در هسته زمین، یک جمله،  باید به معادله(18-1) اضافه شود به این دلیل که انرژی آزاد الکترون‌ها (  در1 )مهم می‌شود[1].

 

 

5-1 دیدگاه ماکروسکوپیک

 

 

مطالعه هر شاخه از فیزیک با جدا کردن ناحیه محدودی از فضا یا قسمت محدودی از ماده از محیط آن آغاز می‌شود. قسمت برگزیده که موردتوجه قرار می‌گیرد، سیستم، و هرچه که در خارج آن قرار دارد و در نحوه رفتار آن نقش مستقیم دارد، محیط خوانده می‌شود. وقتی یک سیستم انتخاب شد، قدم بعدی توصیف آن برحسب کمیت‌هایی است که به رفتار سیستم یا برهم‌کنش‌های آن با محیط، یا هر دو مربوط‌اند. به‌طورکلی دو دیدگاه وجود دارد که پذیرفتنی است، دیدگاه ماکروسکوپیکی و دیدگاه میکروسکوپی.

 

 

[1] Helmholtz Free energy

 

 

[2] Gibbs

 

 

[3] Enthalpy

 

 

[4] Entropy

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

پیشگفتار

 

 

اخیراً برهمکنش گرافن عامل دار با چند نوع آنزیم مورد بررسی قرار گرفته است. عامل دار کردن گرافن موجب شد تا پایداری گرمایی و عملکرد آنزیم ها بهبود یابد. این یافته هم در صنعت و هم حوزه زیست مولکولی می تواند مورد استفاده قرار گیرد. یکی از حوزه های کاری در نانو زیست فناوری، طراحی و ساخت نانو مواد برای استفاده در زیست شناسی است. تاکنون گزارش های متعددی از اثر نانو مواد روی بافت ها، سلول ها و زیست مولکول ها منتشر شده است که مکانیسم این تاثیرات غالباً شناخته شده نیست. بنابراین لازم است تا

 برهمکنش میان نانو مواد و زیست مولکول ها مورد بررسی قرار گیرد. آنزیم ها نوعی از زیست مولکول ها هستند که واکنش های زیستی را مدیریت می کنند. آنچه اکنون مورد توجه پژوهشگران بوده است تنظیم فعالیت  و پایداری آنزیم ها است. درسال های اخیر تنظیم کننده های آنزیمی مختلفی از پروتئین ها گرفته تا پپتیدها و مولکول های آلی سنتزی کشف شده است که به نظر می رسد نانو مواد می توانند به عنوان جایگزینی برای این تنظیم کننده ها باشد.از طرف دیگر شبیه سازی دینامیک مولکولی سیستم های ابعاد کوچک که شامل مولکول های زیستی هستند، اهمیت زیادی در علم نانو،  بیوفیزیک و بیوشیمی دارند. در این پایان نامه سعی خواهیم کرد به بررسی دینامیک پروتئین آنتی میکروبیال(2OTQ) در مجاورت گرافن و آب با استفاده از شبیه­سازی دینامیک مولکولی (MD) بپردازیم این پروتئین در طول شبیه سازی اثرات جالبی از خود نشان می دهد.

 

 

تبیین مسئله

 

 

در این پایان نامه حرکت و دینامیک پروتئین در سطح گرافن را یکبار در محیط آبی و یکبار هم در محیط بدون آب  شبیه سازی کرده ایم. این مسئله با استفاده از دینامیک مولکولی شبیه سازی شده است. در اینجا سیستم شبیه سازی حاوی یک گرافن، یک پروتئین و مقداری آب است که در یک جعبه ی مکعبی شکل قرار دارند. بررسی ها در راستای محور z انجام شده است. پروتئین و گرافن را در داخل جعبه شبیه سازی قرار داده می شوند. سپس یکبار تعداد زیادی مولکول آب تقریبآ(14700) را در این جعبه قرار داده تا مولکول های پروتئین و گرافن در داخل آب قرار بگیرند. تعداد این مولکول های آب بستگی به ابعاد جعبه، گرافن و پروتئین دارد و بعد برهمکنش را بررسی می شود. بار دوم برهمکنش پروتئین و آب را در محیط بدون آب بررسی شده و بعد پتانسیل ها را تعریف می شود. بعد سیستم تحت تاثیر این پتانسیل ها و نیروهایی که وارد می شود شروع به حرکت می کند. در حین حرکت مولکول ها خواص ترمودینامیکی و هندسی مسئله را حساب کرده و بصورت خروجی دریافت می شود. نرم افزاری که این شبیه سازی را با آن انجام شده لمپس1[1] بوده و از کد  C++نیز استفاده شده است. پروتئینی که در این پایان نامه استفاده شده (2OTQ) می باشد. سایز این پروتئین کوچک و دارای طول شش رزیجو است. تعداد اتم های موجود در این پروتئین در حدود 143 اتم می باشد. این پروتئین دارای خاصیت ضد باکتری و ضدمیکروب است و معروف به آنتی میکروبیال می باشند. از میدان نیرویی(میدان نیروی چارم227) [2و3] که مخصوص پروتئین ها است نیز استفاده شده است. توضیحات کامل این میدان نیرو در فصل 4 آورده شده است [12و4و8] .

بعد از کشف اتفاقی نشت بار الکتریکی از الکتروسکوپها، محققان عموماً توافق کردند که این نشت واقعاً توسط یک تابش نفوذی با منشأ کیهانی، کاملاً متفاوت با پرتوهای x و رادیو اکتیو ایجاد شده است. اتمهای رادیو اکتیو سه نوع متفاوت از تابش بنامهای  و  و  را تولید می کنند که توسط ارنست رادر فورد [1]در سال 1903 کشف شد. رادرفورد نشان داد که تابشهای  و  شامل ذراتی هستند که ذرات  همان هسته اتمهای هلیوم و ذرات  شبیه الکترونها و پرتوهای کاتودی هستند. به نظر می رسد پرتو گاما به پرتوهای x نفوذ کننده بیشتر شبیه هستند تا به ذرات. اما سرانجام دانشمندان دریافتند که پرتوهای کیهانی خصوصیاتی متفاوت از همه اینها دارند. سالها طول کشید تا طبیعت پرتوهای کیهانی شناخته شود. زیرا هنگامی که آنها به اتمسفر نفوذ می کنند، انواع متفاوتی دارند و ویژگیهای مربوط به آنها را به شکل پیچیده ای تغیر می کند. پرتو های کیهانی اولیه که از بیرون اتمسفر به زمین نزدیک می شوند با اتمهای موجود در استراتوسفر برخورد می کنند و پرتو کیهانی CR)) ثانویه ای را تولید می کنند که آنها نیز برخوردهای مربوط به خود را خواهند داشت. این پرتوهای کیهانی ثانویه مسؤل نشت بار در الکتروسکوپ هستند. پرتوهای کیهانی در واقع اتمهای کاملاً یونیزه شده پر انرژی هستند که در سراسر جهان پخش می شوند و بطور پیوسته با نرخ حدود  1000 ذره در واحد متر مربع در ثانیه با زمین برخورد می کنند. بیشتر پرتو کیهانی اولیه پروتونها هستند، هسته اتمهای هیدروژن، این تعجب آور نیست که هیدروژن فراوانترین عنصر در جهان است. در زمین هیدروژن

 کمی در اتمسفر وجود دارد. اما مقدار زیادی در مولکولهای آب اقیانوس یافت می شود. هیدروژن 94 درصد اتمهای خورشید را تشکیل می دهد و عنصری است که در طول واکنشهای همجوشی اتمهای سنگین تر دیگر در دماهای بالا تشکیل می شود. برخی از همجوشی ها، خیلی بیشتر در جریان توسعه جهان اتفاق افتادند اما در انبساط بعد از انفجار بزرگ، همجوشی های دیگر هنوز درون ستاره ها ودر طی انفجارهای ابرنواختری در حال رخ دادن هستند. تشکیل هسته های پیچیده در واکنشهای همجوشی، سنتز هسته ای نامیده می شود.

 

 

بعد از هیدروژن فراوانترین عنصر در خورشید وستاره ها  و همچنین در تابشهای کیهانی هلیوم است. در میان پرتوهای کیهانی هلیوم، ده بار کمتر از هیدروژن یافت می شود. هسته هلیوم مربوط به پرتو کیهانی اغلب ذره  نامیده می شود. در منظومه شمسی همه اتمها به جز هیدروژن و هلیوم، روی هم مقدارشان تنها حدود 1% فراوانی هیدروژن است. براستی هستی فعلی ما دلیلی عالی برای مراحل سنتزهسته ای دارد. باریکه پرتو کیهانی اولیه همچنین شامل تعداد اندکی از الکترونها و پرتوهای گاماست. پرتوهای گاما بالاترین انرژی از تابش الکترومغناطیسی را دارند. طیف تابش الکترومغناطیس از امواج رادیویی با بلندترین طول موج تا پرتوهای گاما با کوتاهترین طول موج تشکیل شده است. تفاوت اصلی بین پرتوهای کیهانی ذرات و پرتوهای گاما اینست که پرتوهای گاما نه جرم دارند و نه بار الکتریکی  پروتونها، ذرات  و هسته های سنگین تر بارهای مثبت دارند و الکترونها بار منفی دارند. فوتونهای پرتو گاما، تنها ذرات پرتوکیهانی با جرم صفر نیستند. نوترینوها در بسیاری از واکنشهای هسته ای مانند آنهایی که در حال رخ دادن در خورشید هستند، آزاد شده اند و نیز در برخی واپاشیهای رادیواکتیو تولید می شوند که نه جرم دارند ونه بار الکتریکی.

 

 

پرتوهای کیهانی پیوسته زمین را بمباران می کنند و در هر لحظه در حال عبور از بدن  ما هستند. آشکار سازی آنها آنقدر مشکل است که اگرچه وجودشان اولین بار در اوایل دهه 1930تأیید شده بود اما تا سال1953 کشف نشده بودند. پس می توان گفت پرتوهای کیهانی بیشتر شامل پروتونها (هسته اتمهای هیدروژن)، حدود 9درصد هلیوم، مقداری هسته های سنگین تر و درصد کمی از الکترونها هستند. زمین بطور پیوسته توسط این ذرات بمباران می شود و این ذرات با اتمها در استراتوسفر، برای تولید ذرات بیشتر برخورد می کنند که می توانند بطور کامل در اتمسفر یا در برخی مواقع در عمق زیر زمین آشکارسازی شوند.

 

 

[1] Ernest Rutherford