آشنایی با نیرو و انرژی پتانسیل (الکتریکی)
از آنجائيكه درك مفهومي و علمی تئوریها و مدلهای اتمی و خواص و رفتار اتمها نيازمند داشتن آشنايي مقدماتي با مبحث نيرو و انرژي پتانسيل الكتريكي است، در ابتدا با نيروهاي الكتريكي و برخي خواص آنها و انرژي پتانسيل به صورت مقدماتي آشنا مي شويم.
نیرو
در فیزیک، یک نیرو (Force) هر گونه تاثیری است که باعث شود برای یک شی تغییر خاصی در حرکت، جهت یا هندسه رخ دهد. بعبارت دیگر، یک نیرو می تواند باعث شود یک شی جرم دار تغییر سرعت بدهد (که شامل شروع به حرکت از حال سکون نیز می شود) یا می تواند باعث شود یک شی انعطاف پذیر تغییر شکل بدهد یا می تواند منجر به هر دو شود. بطور شهودی نیرو می تواند کشش یا هل بین دو شی در نظر گرفته شود. نیرو یک کمیت برداری است و هم اندازه و هم جهت برای توصیف کامل یک نیرو بایستی مشخص شوند. نیرو در سیستم SI با واحد نیوتن (N) اندازه گیری می شود و معمولا با سمبل F نشان داده می شود. در ضمن بایستی توجه داشت که بنابر قانون سوم نیوتن ما همواره با یک جفت نیرو بصورت عمل و عکس العمل سر و کار داریم. بعبارتی اگر جسم 1 به جسم 2 نیرویی برابر F اعمال کند، جسم 2 هم به جسم 1 نیرویی دقیقا برابر F در جهت خلاف اعمال خواهد کرد. بعنوان مثال موقع ضربه زدن به توپ با پا، باندازه همان نیرویی که از طرف پا به توپ وارد می شود، از طرف توپ به پا نیرو در جهت معکوس وارد می شود.
نیروهای موجود در طبیعت به 4 دسته: نیروهای الکتریکی و مغناطیسی ( الکترومغناطیس )، نیروهای گرانشی، برهم کنش های هسته ای قوی و برهم کنش های هسته ای ضعیف طبقه بندی می شوند.
برهم کنش های هسته ای قوی و ضعیف، برهم کنش های مربوط به داخل هسته بوده و در تحلیل ساختار هسته و واکنش های هسته ای حائز اهمیت هستند. این برهم کنش ها در تعیین آرایش الکترونی اتم ها یا ساختار مولکول ها و مواد نقش ندارند.
نیروی گرانشی نیرویی است که دو ذره یا جسم به علت داشتن جرم به همدیگر وارد می کنند. اندازه نیروی گرانشی تنها زمانی قابل توجه و دارای اهمیت است که اجسام یا ذرات دارای جرم فوق العاده زیادی باشند. در دنیای اتم ها و مولکول ها به علت ناچیز بودن جرم ذرات نیروی گرانشی ناچیز است و این نیرو نیز تقریبا نقشی در تعیین آرایش الکترونی اتم ها، ساختار مولکول ها و مواد ندارد.
تمام نیروهای اطراف ما در زندگی روزمره به استثنای نیروی وزنمان از جنس نیروهای الکتریکی و مغناطیسی هستند. مثلاً نیروی اصطکاک، نیروی عمود بر سطح، نیروی کشش نخ، نیروی کشسانی همه از جنس نیروهای الکتریکی و مغناطیسی هستند. این نیروها مهم ترین نیروها در تعیین ساختار اتم ها، مولکول ها و مواد هستند.
به طور خیلی ساده نیروهای الکتریکی نیروهایی هستند که اجسام یا ذرات باردار به خاطر داشتن بار به هم وارد می کنند و نیروهای مغناطیسی نیروهایی هستند که آهن رباها یا قطب های مغناطیسی به هم وارد می کنند. در فیزیک نیروهای الکتریکی و مغناطیسی دو روی یک سکه هستند و با معادلات یکسانی (روابط ماکسول) رفتار آنها در مبحثی از فیزیک به نام الکترودینامیک بررسی می شود. الکتریسته ساکن که حالت خاصی از الکترودینامیک است، بطور خلاصه به بررسی اجسام باردار و تاثیرات آنها بر روی هم در حالت سکون می پردازد. در سطح ساده می توان از روابط و معادلاتی که در الکتریسته ساکن برای توصیف این نیروها استفاده می شود، برای درک بهتر نحوه تعیین ساختار اتم ها، مولکول ها و مواد توسط این نیروها استفاده کرد.
در مبحث الکتروستاتیک یا الکتریسیته ساکن مطرح می شود که دو ذره باردار ساکن با اندازه بارهای q1 و q2 به فاصله r از هم به هم نیروهای الکتریکی وارد می کنند که راستای این نیروها در راستای خط واصل دو ذره باردار قرار دارند و جهت آنها اگر بارها ناهمنام ( q1q2<0 معادل با یک بار مثبت و یک بار منفی) باشند، به صورت جاذبه و اگر بارها همنام ( q1q2>0 معادل با دو بار مثبت یا دو بار منفی) باشند، به صورت دافعه است:
اندازه آنها نیز از رابطه زیر محاسبه می شود :
اندازه نیروی الکتریکی برحسب نیوتن : (N) F
قدر مطلق اندازه بارها برحسب کولن (C): q1 و q2
فاصله مراکز ذرات باردار از هم برحسب متر(m)r:
مثال
: در پایدار
ترین حالت اتم
هیدروژن می
توان به طور
تقریبی فرض
کرد که
الکترون در
فاصله
میانگین 
از
هسته قرار
دارد. نیروی
الکتریکی بین
الکترون و
هسته را برای
اتم هیدروژن بر
حسب نیوتن به
دست آورید.
و 
حل:
مقدار این نیرو برای ما ناچیز است، اما برای ذره ای به کوچکی الکترون فوق العاده زیاد است. میتوان ادعا نمود که برای تعیین تاثیر نیرو نسبت اندازه نیرو به جرم معیار بهتری در مقایسه با فقط اندازه نیرو است. در اینصورت تاثیر یک چنین نیرویی برای الکترون با توجه به جرمش (me=9.1×10-31 kg) معادل تاثیر یک نیروی 4.5×1024 نیوتنی بر روی یک انسان با جرم 50 کیلوگرم است).
*****
با
توجه به فرمول
قبلی، اندازه
نیروی الکتریکی
متناسب با
حاصل ضرب
اندازه
بارهاست و با
مجذور فاصله بین
آنها رابطه
عکس دارد (
).
مثال زیر از
این نکته
استفاده می
کند.
مثال : دو بار ذره ای q1 و q2 به فاصله r از هم به هم نیروی F را وارد می کنند. برای هریک از حالات زیر مقدار نیرو را برحسب F به دست آورید:
حل:
a) 2F b)1.5F c) 4F d) 0.25F e) 18F/5 f) 60F
*****
مثال : فرض کنید دو بار q1 و q2 با اندازه بار ثابت به فاصله r از هم قرار دارند. در یک نمودار به طور تقریبی اندازه نیروی الکتریکی را برحسب فاصله آنها از هم رسم کنید.
حل:
با توجه به اینکه اندازه نیروی الکتریکی (F) با فاصله (r) رابطه عکس دارد، با کاهش فاصله اندازه نیرو افزایش می یابد و بالعکس با افزایش فاصله اندازه نیرو کاهش می یابد. بنابراین نمودار به طور تقریبی به صورت زیر خواهد بود:
*****
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
**************************************************
سایت: www.youngchemist.com
مولف: محمد شاهی
نظرات، پیشنهادات و انتقادات: chemistry.shahi@gmail.com
**************************************************
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||