نگاهى به نقش فيزيك و كاربردهاى آن در فناورى

دايره علوم كاربردى
و تكنولوژى

اسفنديار معتمدى

فيزيك علم شناختن قانون هاى عمومى و كلى حاكم بر رفتار ماده و انرژى است. كوشش هاى پيگير فيزيكدانان در اين راه سبب كشف بسيارى از قانون هاى اساسى، بيان نظريه ها و آشنايى با بعضى پديده هاى طبيعى 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 مى تواند رازهاى هستى را دريابد. انسان در يكى دو قرن اخير، با بهره گيرى از روش علمى و ابزارهاى دقيق توانسته است در هر يك از شاخه هاى علم، به ويژه فيزيك دنياى روشن و شناخته شده خود را وسعت بخشد. در اين مدت با دنياى بى نهايت كوچك ها آشنا شده، به درون اتم راه يافته تا انواع نيروهاى بنيادى طبيعت را شناخته، الكترون و ويژگى هاى آن را دريافته و طيف گسترده امواج الكترومغناطيسى را كشف كرده است.
فيزيك كه تا اواخر قرن نوزدهم مباحث مكانيك، گرما، صوت، نور و الكتريسيته را شامل مى شد اكنون در اوايل قرن بيست و يكم در اشتراك با ساير علوم (مانند شيمى، زيست شناسى 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 هاى فيزيك را ۳۳ مورد معرفى كرده است.)
•فناورى
فناورى، چگونگى استفاده از علم، ابزار، راه و روش براى انجام كارها و برآوردن نيازها است. به عبارت ديگر فناورى به كارگيرى آگاهى هاى انسان براى تغيير در محيط به منظور رفع نيازها است. اگر علم را فرآيند شناخت طبيعت تعريف كنيم، فناورى فرآيند انجام كارها خواهد بود.در گذشته مثلاً در كشور ايران تا حدود يك صد سال پيش، زندگى ساده و ابتدايى بود و كارها با ابزارهاى ساده و روش هاى اوليه انجام مى شد. كشاورزى، حمل ونقل، تجارت، ساختمان سازى با روش هاى سنتى و ابزارهايى كه در طول زمان از راه تجربه به دست آمده بود صورت مى گرفت.
گرچه انسان به برخى از قانون هاى طبيعى دست يافته بود ليكن علم و عمل كمتر اثر متقابل در يكديگر داشتند. دانشمندان راه خود را مى پيمودند و صنعتگران و ابزاركاران به راه خود مى رفتند تا آنكه عصر جديد آغاز شد و تمدنى به وجود آمد كه همه چيز در راه مصالح زندگى انسان و توانايى او به كار گرفته شد.
در سال ۱۶۶۳ ميلادى «جامعه سلطنتى لندن» تاسيس شد و هدف خود را ارتقاى سطح علوم مربوط به امور و پديده هاى طبيعى و هنرهاى مفيد از طريق آزمايش و تجربه به نفع «ابناى بشر» انتخاب كرد. چهار سال بعد فرهنگستان علوم فرانسه در پاريس شكل گرفت و بر مفيد واقع شدن علم تاكيد فراوان شد. اعضاى اين فرهنگستان براى هرچه به ثمر رساندن تحقيقات علمى در زندگى انسان، به تلاش پرداخته و از اين بابت حقوق دولتى دريافت مى كردند.۱
در سال ۱۸۵۳ موزه علوم لندن با نام «هيات معتمدين دايره علم و هنر و موزه ملى علم و صنعت» گشايش يافت اما نزديك تر شدن علم و صنعت سبب شد كه در سال ۱۸۸۲ بخش هاى مختلف اين موسسه در هم ادغام شود و سازمان جديدى با نام «دايره علوم كاربردى و تكنولوژى» تاسيس شود.
•نقش فيزيك در فناورى
علم، كوشش در جهت دانايى و فناورى تلاشى در جهت توانايى 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 گيرى ها و رسيدن به نتايج علمى بيشتر كرده است.
اكنون بسيارى از موضوع ها و مباحث فيزيك پيامدهاى كاربردى داشته و عملاً در فناورى ها موثر بوده است. فناورى هاى ارتباطات، فناورى هاى حمل ونقل (خشكى، دريايى، هوايى و فضايى)،فناورى هاى توليد (كشاورزى _ صنعتى)، فناورى هاى استخراج انواع معادن و فناورى هاى ساختمان و انواع ماشين ها و فناورى هاى آموزشى وابسته به دانش مكانيك، الكتريسيته، الكترومغناطيس، ترموديناميك، فيزيك هسته اى، نورشناسى، فيزيك بهداشت، فيزيك پزشكى و... است.
در اين مقاله فقط به نقش فيزيك در فناورى هاى بهداشت و درمان مى پردازيم تا مشخص شود چه اندازه فيزيك در تشخيص و درمان بيمارى ها و بهداشت محيط موثر است.
•نقش فيزيك در تشخيص بيمارى ها
پزشكان براى تشخيص بيمارى ها از انواع وسايل ساده مانند دماسنج و فشارسنج، گوشى طبى (استتوسكوپ) تا دستگاه هاى بسيار پيچيده مانند ميكروسكوپ الكترونى، ليزر و هولوگراف كه همه براساس قانون هاى فيزيك طراحى و ساخته شده استفاده مى كنند. در اين قسمت به ساختمان و طرز كار برخى از آنها مى پردازيم.
• راديوگرافى و راديوسكوپى
راديوگرافى عكسبردارى از بدن با پرتوهاى ايكس و راديوسكوپى مشاهده مستقيم بدن با آن پرتوها است. در عكاسى معمولى از نورى كه از چيزها بازتابش مى شود و بر فيلم عكاسى اثر مى كند استفاده مى شوند در صورتى كه در راديوگرافى پرتوهايى را كه از بدن مى گذرند به كار مى برند.
پرتوهاى ايكس را نخستين بار در سال ۱۸۹۵ ميلادى، ويلهلم كنراد رنتيگن استاد فيزيك دانشگاه ورتسبورگ آلمان كشف كرد. اين كشف بسيار شگفت انگيز بود و خبر آن با سرعت در روزنامه هاى جهان منتشر شد. جالب است كه رنتيگن بر روى پرتوهاى كاتدى كار مى كرد و به طور اتفاقى متوجه شد كه وقتى اين پرتوها، كه همان الكترون هاى سريع هستند به مواد سخت و فلزات سنگين برخورد مى كنند پرتوهاى ناشناخته اى توليد مى شود او اين پرتوها را پرتو ايكس به معنى مجهول ناميد.
پرتوهاى ايكس قدرت نفوذ و عبور بسيار زياد دارند. به آسانى از كاغذ، مقوا، چوب، گوشت و حتى فلزهاى سبك مانند آلومينيوم مى گذرند، ليكن فلزهاى سنگين مانند سرب مانع عبور آنها مى شود. اشعه ايكس از استخوان هاى بدن كه از مواد سنگين تشكيل شده اند عبور نمى كنند در صورتى كه از گوشت بدن به آسانى مى گذرند. همين خاصيت سبب شده كه آن را براى عكسبردارى از استخوان هاى بدن به كار برند و محل شكستگى استخوان ها را مشخص كنند. براى عكسبردارى از روده و معده هم از پرتوهاى ايكس استفاده مى شود ليكن براى اين كار ابتدا به شخص مايعاتى مانند سولفات باريم مى خورانند تا پوشش كدرى اطراف روده و معده را بپوشاند و سپس راديوگرافى صورت مى دهند.
كشف پرتوهاى ايكس كه به وسيله رنتيگن عملى شد سرآغاز فعاليت هاى دانشمندانى مانند تامسون، بور، رادرفورد، مارى كورى، پيركورى، باركلا و بسيارى ديگر شد به طورى كه نه فقط چگونگى توليد، تابش و اثرهاى پرتو ايكس و گاما و نور شناخته شد بلكه خود اشعه ايكس يكى از ابزارهاى شناخت درون ماده شد و انسان را با جهان بى نهايت كوچك ها آشنا كرد و انرژى عظيم اتمى را در اختيار بشر قرار داد.
پرتوهاى ايكس در پزشكى و بهداشت براى پيشگيرى، تشخيص و درمان به كار مى رود به طورى كه در فناورى هاى مربوطه يكى از ابزارهاى اساسى است.
•سونوگرافى
سونوگرافى عكسبردارى با امواج فراصوت است. فراصوت امواج مكانيكى مانند صوت ۲ است كه بسامد آن بيش از ۲۰ هزار هرتز است. اين امواج را مى توان با استفاده از نوسانگر پتروالكتريك يا نوسانگر مغناطيسى توليد كرد.
خاصيت پيزوالكتريك عبارت است از ايجاد اختلاف پتانسيل الكتريكى در دو طرف يك بلور هنگامى كه آن بلور تحت فشار يا كشش قرار گيرد و نيز انبساط و انقباض آن بلور هنگامى كه تحت تاثير يك ميدان الكتريكى واقع شود. بنابراين هرگاه از يك بلور كوارتز تيغه متوازى السطوحى عمود بر يكى از محورهاى بلور تهيه كنيم و اين تيغه را ميان دو صفحه نازك فولادى قرار دهيم و آن دو صفحه را به اختلاف پتانسيل متناوبى وصل كنيم، تيغه كوارتز با همان بسامد جريان منبسط و منقبض مى شود و به ارتعاش درمى آيد و در نتيجه امواج فراصوت توليد مى كند. پديده پيزوالكتريك در سال ۱۸۸۰ به وسيله پيركورى كشف شد و از آن علاوه بر توليد امواج فراصوتى، در ميكروفن هاى كريستالى و فندك استفاده مى شود.
امواج فراصوتى داراى انرژى بسيار زياد است و مى تواند سبب بالا رفتن دماى بافت هاى بدن انسان، سوختگى و تخريب سلول ها شود. از اين امواج در دريانوردى، صنعت و پزشكى استفاده مى شود.
در پزشكى براى تشخيص، درمان و تحقيقات اين امواج را به كار مى برند. دستگاهى كه براى عكسبردارى به كار مى رود اكوسكوپ۳ يا سونوسكوپ۴ است. اساس كار عكسبردارى با امواج فراصوت بازتابش امواج است در اين عمل دستگاه گيرنده و فرستنده موجود است و از بسامدهاى ميان يك ميليون تا پانزده ميليون هرتز استفاده مى كنند. دستگاه مولد ضربه هاى موجى در زمان هاى بسيار كوتاه يك تا پنج ميليونيم ثانيه را در حدود ۲۰۰ ضربه در ثانيه مى فرستد و اين ضربه ها در بدن نفوذ مى كند و چنانچه به محيطى برخورد كند كه غلظت آن با محيط قبلى متفاوت باشد پديده بازتابش روى مى دهد و با توجه به غلظت نسبى دو محيط مقدارى از انرژى ضربه هاى فراصوت بازتابش مى شود. دستگاه گيرنده اين امواج را دريافت مى كند و به كمك دستگاه الكترونى و يك اسيلوسكوپ آن را به نقطه يا نقاط نورانى به تصوير تبديل مى كند. عكسبردارى با فراصوت را براى تشخيص بيمارى هاى قلب، چشم، اعصاب، پستان، كبد و لگن انجام مى دهند.


•وسايل الكتروپزشكى
بخشى از وسايل تشخيص بيمارى ها، دستگاه هايى هستند كه براساس قانون هاى مربوط به الكتريسيته و الكترونيك ساخته و به كار گرفته مى شوند. نمونه اى از اين دستگاه ها عبارتند از الكتروكارديوگراف، الكتروبيوگراف و الكترو آسفالوگراف. اين دستگاه ها مى توانند با رسم نمودارهايى وضع سلامت يا بيمارى را براى پزشك مشخص كنند. ممكن است اين دستگاه ها مجهز به نوسان نگار باشند و در نتيجه نمودارها مستقيماً بر روى يك صفحه تلويزيون مشاهده شود. نمونه اين دستگاه ها كارديوسكوپ است كه معمولاً در اتاق بيمار قرار مى گيرد و بر آن منحنى ضربان قلب بيمار مشاهده مى شود. در الكتروكارديوگراف به جاى آنكه منحنى ها مستقيماً ديده شود آن منحنى ها (نمودارها) بر روى نوارى از كاغذ ثبت و ضبط مى شود و پزشك از روى آنها مى تواند وضعيت قلب و نوع بيمارى را تشخيص دهد.
الكتروآنسفالوگرافى دستگاهى است كه با آن بيمارى هايى چون صرع، تومورهاى مغزى، ضربه، اعتياد به دارو و الكل تشخيص داده مى شود و كار اين دستگاه با استفاده از فعاليت هاى الكتريكى كه در سطح بدن ظاهر مى شود، صورت مى گيرد. اندازه گيرى ها نشان مى دهد كه در قشر مغز تغييرات پتانسيل الكتريكى منظمى انجام مى شود. «اين پتانسيل هاى الكتريكى به استثناى حالت بيهوشى عميق يا قطع جريان خون به مغز هميشه وجود دارند. هنگامى كه قشر مغز خراب شود، اين نقش تغيير مى كند. با قرار دادن الكترودهاى پهن يا الكترودهاى سوزنى شكل بر روى پوست سر مى توان امواج را از پوست سر به سمت دستگاه ثبات هدايت كرد... اين امواج نتيجه پتانسيل هاى كار نورون هاى عصبى قشر مغزند كه در سطح مغز ظاهر مى شوند ... خاصيت مهم اين امواج بسامد آنها است. گستره معمولى اين بسامد از يك تا ۶۰ هرتز تغيير مى كند... اين امواج برحسب بسامد، ولتاژ، محل هاى تلاقى، شكل امواج و نقش هايى كه دارند، ارزيابى مى شوند.»۵
• اسكن (تهيه طرح هاى سه بعدى از بدن)
در سال هاى ۷۰-۱۹۶۰ براى تشخيص بيمارى ها چهار روش جديد ابداع شد: الف _ گرمانگارى: نخستين روش گرمانگارى بود كه در سال ۱۹۶۲ عرضه شد. مى دانيم كه هر جسمى كه دمايش بالاتر از صفر مطلق (۲۷۳- درجه سلسيوس) باشد از خود امواجى تابش مى كند كه به نام امواج گرمايى معروف است. از اين خاصيت يعنى انتشار امواج گرمايى از بدن انسان استفاده شده و اختلاف دماى قسمتى از بدن را به صورت تصويرى رنگى تهيه مى كنند. اين روش براى تحقيق و بررسى رگ هاى خونى سطحى بدن مفيد است و با آن مى توان از وجود تومورها نيز باخبر شد.
ب- توموگرافى: پرتوهاى ايكس مى توانند از بافت هاى نرم بگذرند، ليكن ميزان جذب يا عبور آنها به غلظت بافت بستگى دارد. چنانچه پرتو ايكس در مسير خود از غده اى بگذرد، ميزان جذب آن نسبت به وضعيتى كه غده وجود نداشته باشد، تفاوت مى كند. به كمك كامپيوتر مى توانند تصويرى را كه از بدن گرفته اند، پردازش كنند و اطلاعات دقيق مربوط به ساختمان بدن و وجود غده را مشخص نمايند. عملى كه با كمك پرتو ايكس و كامپيوتر براى تعيين غده ها صورت مى گيرد را توموگرافى مى نامند.
پ- هولوگرافى (تمام نگارى): دنيس گابور فيزيكدان نوع جديدى از عكاسى را در سال ۱۹۴۷ ابداع كرد كه بعداً در موارد گوناگون از جمله در پزشكى از آن استفاده شد. هولوگرافى براساس خواص امواج متكى است و تصويرى كه از ريزشىء گرفته مى شود، سه بعدى است. در اين طريقه تصويرى كه از هر عضو بدن گرفته مى شود، كاملاً همه قسمت هاى اطراف آن عضو ديده مى شود. براى تهيه عكس سه بعدى معمولاً از پرتوهاى ليزر استفاده مى شود.
ت- دستگاه تشديد مغناطيسى NMR) ) :اساس اين دستگاه بر اين خاصيت است كه هسته اتم هاى خاصى در صورت قرار گرفتن در ميدان مغناطيسى امواجى از خود تابش مى كنند كه قابل رديابى است. اين پديده در سال ۱۹۴۰ شناخته شد و كاربرد آن در پزشكى براى نخستين بار در سوئد توسط «اريش اودبلاد»۶ و از دهه ۱۹۵۰ شروع شد.
در سال ۱۹۷۳ در انگليس از طريق رديابى تابش تراكم اتم هاى هيدروژن در بافت هاى مختلف بدن نخستين تصوير NMR تهيه شد. از سال ۱۹۷۷ به بعد تصوير از مغز نيز به اين وسيله گرفته شد.
منابع و مآخذ:
۱- ايزديان، حبيب الله _ بيوفيزيك، حفاظت در مقابل اشعه _ دانشگاه تهران
۲- ترور آى. ويليامز _ اختراعات و اكتشافات در قرن بيستم _ ترجمه لاله صاحبى _ انتشارات يگانه - ۱۳۷۵
۳- بلت، فرانك.ج _ فيزيك پايه _ ترجمه: ناصر مقبلى، محمد خرمى _ انتشارات فاطمى.
۴- كارل آرنيو، برندا سى نيو _ فيزيك در خدمت علوم بهداشت _ ترجمه على اصغر تكالو _ آستان قدس
۵- معتمدى، اسفنديار _ فيزيك زنده _ انتشارات مدرسه
۶- معتمدى، اسفنديار _ ماوراى صوت _ انتشارات مدرسه
۷- هشترودى، دكتر محسن _ جهان انديشه، دانش و هنر _ كتابفروشى دهخدا
۸- هسل هوارد فليتر _ آشنايى با فيزيك در پرستارى _ ترجمه جهانشاه ميرزابيگى، پروين عزالدين زنجانى _ مركز نشر دانشگاهى
پى نوشت ها:
۱- هنرهاى مفيد: پس از گذشت بيش از سه قرن، بعيد به نظر مى رسد كه دريابيم آن چهل تن عضو جامعه سلطنتى از كلمه «هنرهاى مفيد» چه منظورى داشتند كه به تعبير خود آنان مى بايست از كاربرد معلومات علمى الهام مى گرفت. البته با رجوع به مباحث اوليه آنان روشن مى شود كه آنها مكانيزه كردن روند صنايع را به طور اخص در سر داشتند كه قبلاً شروع شده بود و پيش بينى مى شد كه تا آغاز انقلاب صنعتى در يك قرن بعد به طور كامل شكوفا شود. نتيجتاً «هنرهاى مفيد» را مى توان با تكنولوژى آن روز معادل دانست. اختراعات و اكتشافات قرن بيستم صفحه ۱۴
۲- صوت، امواج مكانيكى با بسامد ۲۰ تا ۲۰ هزار هرتز است. امواج كمتر از ۲۰ هرتز را فروصوت و امواج بالاتر از ۲۰ هزار هرتز را فراصوت مى نامند.
۳- Echoscope
۴- Sonoscope
۵- فيزيك در پرستارى، تاليف هسل هوارد فليتر. ترجمه: جهانشاه ميرزابيگى و پروين عزالدين زنجانى، مركز نشر دانشگاهى. ص ۳۹۶.
۶- Erich Odeblad
روزنامه شرق