فيزيك و كاربردهاي آن در فناوري

فيزيك علم شناختن قانون هي عمومي و كلي حاكم بر رفتار ماده و انرژي است. كوشش هي پيگير فيزيكدانان در اين راه سبب كشف بسياري از قانون هي اساسي، بيان نظريه ها و آشنايي با بعضي پديده هي طبيعي شده است. هرچند اين موفقيت ها در برابر حجم ناشناخته ها، اندك است ليكن تلاش همه جانبه و پرشتاب دانشمندان اميد بسيار آفريده كه انسان مي تواند رازهاي هستي را دريابد. انسان در يكي دو قرن اخير، با بهره گيري از روش علمي و ابزارهي دقيق توانسته است در هر يك از شاخه هي علم، به ويژه فيزيك دنياي روشن و شناخته شده خود را وسعت بخشد. در اين مدت با دنيلي بي نهايت كوچك ها آشنا شده، به درون اتم راه يافته تا انواع نيروهاي بنيادي طبيعت را شناخته، الكترون و ويژگي هاي آن را دريافته و طيف گسترده امواج الكترومغناطيسي را كشف كرده است.
فيزيك كه تا اواخر قرن نوزدهم مباحث مكانيك، گرما، صوت، نور و الكتريسيته را شامل مي شد، اكنون در اوايل قرن بيست و يكم در اشتراك با ساير علوم (مانند شيمي، زيست شناسي و...) روز به روز گسترده تر و ژرفاتر شده و بيش از ۳۰ موضوع و مبحث مهم را در برگرفته است (دانشنامه فيزيك تعداد شاخه هاي فيزيك را ۳۳ مورد معرفي كرده است.)

فناوري:
فناوري، چگونگي استفاده از علم، ابزار، راه و روش بري انجام كارها و برآوردن نيازها است. به عبارت ديگر فناوري به كارگيري آگاهي هاي انسان براي تغيير در محيط به منظور رفع نيازها است. اگر علم را فرآيند شناخت طبيعت تعريف كنيم، فناوري فرآيند انجام كارها خواهد بود.در گذشته مثلاً در كشور ايران تا حدود يك صد سال پيش، زندگي ساده و ابتدايي بود و كارها با ابزارهاي ساده و روش هاي اوليه انجام مي شد. كشاورزي، حمل و نقل، تجارت، ساختمان سازي با روش هاي سنتي و ابزارهايي كه در طول زمان از راه تجربه به دست آمده بود صورت مي گرفت.
گرچه انسان به برخي از قانون هاي طبيعي دست يافته بود ليكن علم و عمل كمتر اثر متقابل در يكديگر داشتند. دانشمندان راه خود را مي پيمودند و صنعتگران و ابزاركاران به راه خود مي رفتند تا آنكه عصر جديد آغاز شد و تمدني به وجود آمد كه همه چيز در راه مصالح زندگي انسان و توانايي او به كار گرفته شد.
در سال ۱۶۶۳ ميلادي «جامعه سلطنتي لندن» تاسيس شد و هدف خود را ارتقاي سطح علوم مربوط به امور و پديده هاي طبيعي و هنرهاي مفيد از طريق آزمايش و تجربه به نفع «ابناي بشر» انتخاب كرد. چهار سال بعد فرهنگستان علوم فرانسه در پاريس شكل گرفت و بر مفيد واقع شدن علم تاكيد فراوان شد. اعضاي اين فرهنگستان براي هرچه به ثمر رساندن تحقيقات علمي در زندگي انسان، به تلاش پرداخته و از اين بابت حقوق دولتي دريافت مي كردند.(۱)
در سال ۱۸۵۳ موزه علوم لندن با نام «هيات معتمدين دايره علم و هنر و موزه ملي علم و صنعت» گشايش يافت اما نزديك تر شدن علم و صنعت سبب شد كه در سال ۱۸۸۲ بخش هاي مختلف اين موسسه در هم ادغام شود و سازمان جديدي با نام «دايره علوم كاربردي و تكنولوژي» تاسيس شود.

•نقش فيزيك در فناوري
علم، كوشش در جهت دانايي و فناوري تلاشي در جهت توانايي است. اين هر دو اثر متقابل در هم داشته اند. دانش سبب شد كه ابزارها و روش ها كامل تر شوند و ابزارها نيز دقت انسان را در اندازه گيري ها و رسيدن به نتايج علمي بيشتر كرده است.
اكنون بسياري از موضوع ها و مباحث فيزيك پيامدهاي كاربردي داشته و عملاً در فناوري ها موثر بوده است. فناوري هي ارتباطات، فناوري هاي حمل ونقل (خشكي، دريايي، هوايي و فضايي)،فناوري هاي توليد (كشاورزي-صنعتي)، فناوري هاي استخراج انواع معادن و فناوري هاي ساختمان و انواع ماشين ها و فناوري هاي آموزشي وابسته به دانش مكانيك، الكتريسيته، الكترومغناطيس، ترموديناميك، فيزيك هسته اي، نورشناسي، فيزيك بهداشت، فيزيك پزشكي و... است.
در اين مقاله فقط به نقش فيزيك در فناوري هاي بهداشت و درمان مي پردازيم تا مشخص شود چه اندازه فيزيك در تشخيص و درمان بيماري ها و بهداشت محيط مؤثر است.

•نقش فيزيك در تشخيص بيماري ها
پزشكان براي تشخيص بيماري ها از انواع وسايل ساده مانند دماسنج و فشارسنج، گوشي طبي (استتوسكوپ) تا دستگاه هاي بسيار پيچيده مانند ميكروسكوپ الكتروني، ليزر و هولوگراف كه همه براساس قانون هي فيزيك طراحي و ساخته شده استفاده مي كنند. در اين قسمت به ساختمان و طرز كار برخي از آنها مي پردازيم.

• راديوگرافي و راديوسكوپي
راديوگرافي عكسبرداري از بدن با پرتوهاي ايكس و راديوسكوپي مشاهده مستقيم بدن با آن پرتوها است. در عكاسي معمولي از نوري كه از چيزها بازتابش مي شود و بر فيلم عكاسي اثر مي كند استفاده مي شوند در صورتي كه در راديوگرافي پرتوهايي را كه از بدن مي گذرند به كار مي برند.
پرتوهي ايكس را نخستين بار در سال ۱۸۹۵ ميلادي، "ويلهلم كنراد رنتيگن" استاد فيزيك دانشگاه ورتسبورگ آلمان كشف كرد. اين كشف بسيار شگفت انگيز بود و خبر آن با سرعت در روزنامه هاي جهان منتشر شد. جالب است كه رنتيگن بر روي پرتوهاي كاتدي كار مي كرد و به طور اتفاقي متوجه شد كه وقتي اين پرتوها، كه همان الكترون هاي سريع هستند به مواد سخت و فلزات سنگين برخورد مي كنند پرتوهي ناشناخته اي توليد مي شود او اين پرتوها را پرتو ايكس به معني مجهول ناميد.
پرتوهاي ايكس قدرت نفوذ و عبور بسيار زياد دارند. به آساني از كاغذ، مقوا، چوب، گوشت و حتي فلزهي سبك مانند آلومينيوم مي گذرند، ليكن فلزهاي سنگين مانند سرب مانع عبور آنها مي شود. اشعه ايكس از استخوان هاي بدن كه از مواد سنگين تشكيل شده اند عبور نمي كنند در صورتي كه از گوشت بدن به آساني مي گذرند. همين خاصيت سبب شده كه آن را بري عكسبرداري از استخوان هاي بدن به كار برند و محل شكستگي استخوان ها را مشخص كنند. براي عكسبرداري از روده و معده هم از پرتوهي ايكس استفاده مي شود ليكن براي اين كار ابتدا به شخص مايعاتي مانند سولفات باريم مي خورانند تا پوشش كدري اطراف روده و معده را بپوشاند و سپس راديوگرافي صورت مي دهند.
كشف پرتوهي ايكس كه به وسيله رنتيگن عملي شد سرآغاز فعاليت هي دانشمنداني مانند تامسون، بور، رادرفورد، ماري كوري، پيركوري، باركلا و بسياري ديگر شد به طوري كه نه فقط چگونگي توليد، تابش و اثرهاي پرتو ايكس و گاما و نور شناخته شد بلكه خود اشعه ايكس يكي از ابزارهي شناخت درون ماده شد و انسان را با جهان بي نهايت كوچك ها آشنا كرد و انرژي عظيم اتمي را در اختيار بشر قرار داد.
پرتوهاي ايكس در پزشكي و بهداشت براي پيشگيري، تشخيص و درمان به كار مي رود به طوري كه در فناوري هاي مربوطه يكي از ابزارهاي اساسي است.

•سونوگرافي
سونوگرافي عكسبرداري با امواج فراصوت است. فراصوت امواج مكانيكي مانند صوت (۲) است كه بسامد آن بيش از ۲۰ هزار هرتز است. اين امواج را مي توان با استفاده از نوسانگر پتروالكتريك يا نوسانگر مغناطيسي توليد كرد.
خاصيت پيزوالكتريك عبارت است از ايجاد اختلاف پتانسيل الكتريكي در دو طرف يك بلور هنگامي كه آن بلور تحت فشار يا كشش قرار گيرد و نيز انبساط و انقباض آن بلور هنگامي كه تحت تاثير يك ميدان الكتريكي واقع شود. بنابراين هرگاه از يك بلور كوارتز تيغه متوازي السطوحي عمود بر يكي از محورهي بلور تهيه كنيم و اين تيغه را ميان دو صفحه نازك فولادي قرار دهيم و آن دو صفحه را به اختلاف پتانسيل متناوبي وصل كنيم، تيغه كوارتز با همان بسامد جريان منبسط و منقبض مي شود و به ارتعاش درمي آيد و در نتيجه امواج فراصوت توليد مي كند. پديده پيزوالكتريك در سال ۱۸۸۰ به وسيله "پيركوري" كشف شد و از آن علاوه بر توليد امواج فراصوتي، در ميكروفن هاي كريستالي و فندك استفاده مي شود.
امواج فراصوتي داري انرژي بسيار زياد است و مي تواند سبب بالا رفتن دماي بافت هاي بدن انسان، سوختگي و تخريب سلول ها شود. از اين امواج در دريانوردي، صنعت و پزشكي استفاده مي شود.
در پزشكي بري تشخيص، درمان و تحقيقات اين امواج را به كار مي برند. دستگاهي كه براي عكسبرداري به كار مي رود اكوسكوپ (۳) يا سونوسكوپ (۴) است. اساس كار عكسبرداري با امواج فراصوت بازتابش امواج است در اين عمل دستگاه گيرنده و فرستنده موجود است و از بسامدهي ميان يك ميليون تا پانزده ميليون هرتز استفاده مي كنند. دستگاه مولد ضربه هاي موجي در زمان هاي بسيار كوتاه يك تا پنج ميليونيم ثانيه را در حدود ۲۰۰ ضربه در ثانيه مي فرستد و اين ضربه ها در بدن نفوذ مي كند و چنانچه به محيطي برخورد كند كه غلظت آن با محيط قبلي متفاوت باشد پديده بازتابش روي مي دهد و با توجه به غلظت نسبي دو محيط مقداري از انرژي ضربه هي فراصوت بازتابش مي شود. دستگاه گيرنده اين امواج را دريافت مي كند و به كمك دستگاه الكتروني و يك اسيلوسكوپ آن را به نقطه يا نقاط نوراني به تصوير تبديل مي كند. عكسبرداري با فراصوت را بري تشخيص بيماري هاي قلب، چشم، اعصاب، پستان، كبد و لگن انجام مي دهند.

 •وسايل الكتروپزشكي
بخشي از وسايل تشخيص بيماري ها، دستگاه هايي هستند كه براساس قانون هاي مربوط به الكتريسيته و الكترونيك ساخته و به كار گرفته مي شوند. نمونه اي از اين دستگاه ها عبارتند از الكتروكارديوگراف، الكتروبيوگراف و الكترو آسفالوگراف. اين دستگاه ها مي توانند با رسم نمودارهايي وضع سلامت يا بيماري را بري پزشك مشخص كنند. ممكن است اين دستگاه ها مجهز به نوسان نگار باشند و در نتيجه نمودارها مستقيماً بر روي يك صفحه تلويزيون مشاهده شود. نمونه اين دستگاه ها كارديوسكوپ است كه معمولاً در اتاق بيمار قرار مي گيرد و بر آن منحني ضربان قلب بيمار مشاهده مي شود. در الكتروكارديوگراف به جاي آنكه منحني ها مستقيماً ديده شود آن منحني ها (نمودارها) بر روي نواري از كاغذ ثبت و ضبط مي شود و پزشك از روي آنها مي تواند وضعيت قلب و نوع بيماري را تشخيص دهد.
الكتروآنسفالوگرافي دستگاهي است كه با آن بيماري هايي چون صرع، تومورهاي مغزي، ضربه، اعتياد به دارو و الكل تشخيص داده مي شود و كار اين دستگاه با استفاده از فعاليت هاي الكتريكي كه در سطح بدن ظاهر مي شود، صورت مي گيرد. اندازه گيري ها نشان مي دهد كه در قشر مغز تغييرات پتانسيل الكتريكي منظمي انجام مي شود. «اين پتانسيل هاي الكتريكي به استثناي حالت بيهوشي عميق يا قطع جريان خون به مغز هميشه وجود دارند. هنگامي كه قشر مغز خراب شود، اين نقش تغيير مي كند. با قرار دادن الكترودهاي پهن يا الكترودهاي سوزني شكل بر روي پوست سر مي توان امواج را از پوست سر به سمت دستگاه ثبات هدايت كرد ... اين امواج نتيجه پتانسيل هاي كار نورون هاي عصبي قشر مغزند كه در سطح مغز ظاهر مي شوند ... خاصيت مهم اين امواج بسامد آنها است. گستره معمولي اين بسامد از يك تا ۶۰ هرتز تغيير مي كند ... اين امواج برحسب بسامد، ولتاژ، محل هاي تلاقي، شكل امواج و نقش هايي كه دارند، ارزيابي مي شوند.»

• اسكن (تهيه طرح هاي سه بعدي از بدن)
در سال هاي ۷۰-۱۹۶۰ براي تشخيص بيماري ها چهار روش جديد ابداع شد:
الف) گرمانگاري: نخستين روش گرمانگاري بود كه در سال ۱۹۶۲ عرضه شد. مي دانيم كه هر جسمي كه دمايش بالاتر از صفر مطلق (۲۷۳- درجه سلسيوس) باشد از خود امواجي تابش مي كند كه به نام امواج گرمايي معروف است. از اين خاصيت يعني انتشار امواج گرمايي از بدن انسان استفاده شده و اختلاف دماي قسمتي از بدن را به صورت تصويري رنگي تهيه مي كنند. اين روش بري تحقيق و بررسي رگ هاي خوني سطحي بدن مفيد است و با آن مي توان از وجود تومورها نيز باخبر شد.
ب) توموگرافي: پرتوهي ايكس مي توانند از بافت هي نرم بگذرند، ليكن ميزان جذب يا عبور آنها به غلظت بافت بستگي دارد. چنانچه پرتو ايكس در مسير خود از غده اي بگذرد، ميزان جذب آن نسبت به وضعيتي كه غده وجود نداشته باشد، تفاوت مي كند. به كمك كامپيوتر مي توانند تصويري را كه از بدن گرفته اند، پردازش كنند و اطلاعات دقيق مربوط به ساختمان بدن و وجود غده را مشخص نمايند. عملي كه با كمك پرتو ايكس و كامپيوتر براي تعيين غده ها صورت مي گيرد را توموگرافي مي نامند.
پ) هولوگرافي (تمام نگاري): دنيس گابور فيزيكدان نوع جديدي از عكاسي را در سال ۱۹۴۷ ابداع كرد كه بعداً در موارد گوناگون از جمله در پزشكي از آن استفاده شد. هولوگرافي براساس خواص امواج متكي است و تصويري كه از ريزشيء گرفته مي شود، سه بعدي است. در اين طريقه تصويري كه از هر عضو بدن گرفته مي شود، كاملاً همه قسمت هاي اطراف آن عضو ديده مي شود. بري تهيه عكس سه بعدي معمولاً از پرتوهاي ليزر استفاده مي شود.
ت) دستگاه تشديد مغناطيسي NMR :اساس اين دستگاه بر اين خاصيت است كه هسته اتم هاي خاصي در صورت قرار گرفتن در ميدان مغناطيسي امواجي از خود تابش مي كنند كه قابل رديابي است. اين پديده در سال ۱۹۴۰ شناخته شد و كاربرد آن در پزشكي بري نخستين بار در سوئد توسط «اريش اودبلاد» (5) و از دهه ۱۹۵۰ شروع شد.
در سال ۱۹۷۳ در انگليس از طريق رديابي تابش تراكم اتم هي هيدروژن در بافت هي مختلف بدن نخستين تصوير NMR  تهيه شد. از سال ۱۹۷۷ به بعد تصوير از مغز نيز به اين وسيله گرفته شد.

------- پي نوشت ها --------
1- هنرهاي مفيد: پس از گذشت بيش از سه قرن، بعيد به نظر مي رسد كه دريابيم آن چهل تن عضو جامعه سلطنتي از كلمه «هنرهاي مفيد» چه منظوري داشتند كه به تعبير خود آنان مي بايست از كاربرد معلومات علمي الهام مي گرفت. البته با رجوع به مباحث اوليه آنان روشن مي شود كه آنها مكانيزه كردن روند صنايع را به طور اخص در سر داشتند كه قبلاً شروع شده بود و پيش بيني مي شد كه تا آغاز انقلاب صنعتي در يك قرن بعد به طور كامل شكوفا شود. نتيجتاً «هنرهاي مفيد» را مي توان با تكنولوژي آن روز معادل دانست. اختراعات و اكتشافات قرن بيستم صفحه ۱۴
۲- صوت، امواج مكانيكي با بسامد ۲۰ تا ۲۰ هزار هرتز است. امواج كمتر از ۲۰ هرتز را فروصوت و امواج بالاتر از ۲۰ هزار هرتز را فراصوت مي نامند.
۳- Echoscope
۴- Sonoscope
۶- Erich Odeblad

منبع : نقل از سايت بنياد علمي نظريه CPH