X
تبلیغات
chemistri2011
شیمی

 

 

+ نوشته شده در  20 Dec 2011ساعت 8:54 PM  توسط سروش نادری فر  | 

This article is about the form of radiation. For the method of imaging, see Radiography. For imaging in a medical context, see Radiology. For other uses, see X-ray (disambiguation). Not to be confused with X-wave. X-rays are part of the electromagnetic spectrum
X-radiation (composed of X-rays) is a form of electromagnetic radiation. X-rays have a wavelength in the range of 0.01 to 10 nanometers, corresponding to frequencies in the range 30 petahertz to 30 exahertz (3×1016 Hz to 3×1019 Hz) and energies in the range 120 eV to 120 keV. They are shorter in wavelength than UV rays and longer than gamma rays. In many languages, X-radiation is called Röntgen radiation, after Wilhelm Conrad Röntgen, who is usually credited as its discoverer, and who had named it X-radiation to signify an unknown type of radiation.[1] Correct spelling of X-ray(s) in the English language includes the variants x-ray(s) and X ray(s).[2] XRAY is used as the phonetic pronunciation for the letter x. X-rays from about 0.12 to 12 keV (10 to 0.10 nm wavelength) are classified as "soft" X-rays, and from about 12 to 120 keV (0.10 to 0.01 nm wavelength) as "hard" X-rays, due to their penetrating abilities.[3] Hard X-rays can penetrate solid objects, and their most common use is to take images of the inside of objects in diagnostic radiography and crystallography. As a result, the term X-ray is metonymically used to refer to a radiographic image produced using this method, in addition to the method itself. By contrast, soft X-rays hardly penetrate matter at all; the attenuation length of 600 eV (~2 nm) X-rays in water is less than 1 micrometer.[4] The distinction between X-rays and gamma rays has changed in recent decades. Originally, the electromagnetic radiation emitted by X-ray tubes had a longer wavelength than the radiation emitted by radioactive nuclei (gamma rays).[5] Older literature distinguished between X- and gamma radiation on the basis of wavelength, with radiation shorter than some arbitrary wavelength, such as 10−11 m, defined as gamma rays.[6] However, as shorter wavelength continuous spectrum "X-ray" sources such as linear accelerators and longer wavelength "gamma ray" emitters were discovered, the wavelength bands largely overlapped. The two types of radiation are now usually distinguished by their origin: X-rays are emitted by electrons outside the nucleus, while gamma rays are emitted by the nucleus.[5][7][8][9] Contents [hide]  1 Units of measure and exposure 2 Sources 3 Detectors 3.1 Photographic plate 3.2 Photostimulable phosphors 3.3 Geiger counter 3.4 Scintillators 3.5 Image intensification 3.6 Direct semiconductor detectors 3.7 Scintillator plus semiconductor detectors 4 Visibility 5 Medical uses 5.1 Plain X-rays 5.2 Computer tomography 5.3 Fluoroscopy 5.4 Radiotherapy 5.5 Health risks 5.6 Shielding 6 Other uses 7 History 7.1 Discovery 7.1.1 Johann Hittorf 7.1.2 Ivan Pulyui 7.1.3 Nikola Tesla 7.1.4 Fernando Sanford 7.1.5 Philipp Lenard 7.1.6 Hermann von Helmholtz 7.1.7 Wilhelm Röntgen 7.1.8 Thomas Edison 7.1.9 Russell Reynolds 7.1.10 Frank Austin and the Frost brothers 7.2 20th century and beyond 8 See also 9 Notes 10 External links [edit] Units of measure and exposure As electromagnetic radiation, X-rays follow the following laws: as a wave, the wavelength where f is the frequency of the radiation and v is its phase velocity (in a vacuum, c, the speed of light, 3×108 metres per second); as a particle, the energy of a photon is E = hf, where f is the frequency and h is Planck's constant, 4.1356×10−15 in units of electron-volt · seconds; combined, ; The measure of X-rays ionizing ability is called the exposure: The coulomb per kilogram (C/kg) is the SI unit of ionizing radiation exposure, and it is the amount of radiation required to create one coulomb of charge of each polarity in one kilogram of matter. The roentgen (R) is an obsolete traditional unit of exposure, which represented the amount of radiation required to create one electrostatic unit of charge of each polarity in one cubic centimeter of dry air. 1.00 roentgen = 2.58×10−4 C/kg However, the effect of ionizing radiation on matter (especially living tissue) is more closely related to the amount of energy deposited into them rather than the charge generated. This measure of energy absorbed is called the absorbed dose: The gray (Gy), which has units of (joules/kilogram), is the SI unit of absorbed dose, and it is the amount of radiation required to deposit one joule of energy in one kilogram of any kind of matter. The rad is the (obsolete) corresponding traditional unit, equal to 10 millijoules of energy deposited per kilogram. 100 rad = 1.00 gray. The equivalent dose is the measure of the biological effect of radiation on human tissue. For X-rays it is equal to the absorbed dose. The sievert (Sv) is the SI unit of equivalent dose, which for X-rays is numerically equal to the gray (Gy). The Roentgen equivalent man (rem) is the traditional unit of equivalent dose. For X-rays it is equal to the rad or 10 millijoules of energy deposited per kilogram. 1.00 Sv = 100 rem. Medical X-rays are a significant source of man-made radiation exposure, accounting for 58% in the United States in 1987, but since most radiation exposure is natural (82%), medical X-rays only account for 10% of total American radiation exposure.[10] Reported dosage due to dental X-rays seems to vary significantly. Depending on the source, a typical dental X-ray of a human results in an exposure of perhaps, 3,[11][12] 40,[13] or as many as 900[14][15] mrems (30 to 9,000 μSv). [edit] Sources X-ray K-series spectral line wavelengths (nm) for some common target materials.[16] Target Kβ₁ Kβ₂ Kα₁ Kα₂ Fe 0.17566 0.17442 0.193604 0.193998 Co 0.162079 0.160891 0.178897 0.179285 Ni 0.15001 0.14886 0.165791 0.166175 Cu 0.139222 0.138109 0.154056 0.154439 Zr 0.70173 0.68993 0.78593 0.79015 Mo 0.63229 0.62099 0.70930 0.71359 Hand mit Ringen (Hand with Rings): print of Wilhelm Röntgen's first "medical" X-ray, of his wife's hand, taken on 22 December 1895 and presented to Ludwig Zehnder of the Physik Institut, University of Freiburg, on 1 January 1896[17][18] There are a number of sources of X-ray radiation. In 2006 in the United States the environment (outer space and the earth) and medical imaging accounted for nearly 50% of exposure each.[19] X-rays can be generated by an X-ray tube, a vacuum tube that uses a high voltage to accelerate the electrons released by a hot cathode to a high velocity. The high velocity electrons collide with a metal target, the anode, creating the X-rays.[20] In medical X-ray tubes the target is usually tungsten or a more crack-resistant alloy of rhenium (5%) and tungsten (95%), but sometimes molybdenum for more specialized applications, such as when soft X-rays are needed as in mammography. In crystallography, a copper target is most common, with cobalt often being used when fluorescence from iron content in the sample might otherwise present a problem. The maximum energy of the produced X-ray photon is limited by the energy of the incident electron, which is equal to the voltage on the tube, so an 80 kV tube cannot create X-rays with an energy greater than 80 keV. When the electrons hit the target, X-rays are created by two different atomic processes: X-ray fluorescence: If the electron has enough energy it can knock an orbital electron out of the inner electron shell of a metal atom, and as a result electrons from higher energy levels then fill up the vacancy and X-ray photons are emitted. This process produces an emission spectrum of X-rays at a few discrete frequencies, sometimes referred to as the spectral lines. The spectral lines generated depend on the target (anode) element used and thus are called characteristic lines. Usually these are transitions from upper shells into K shell (called K lines), into L shell (called L lines) and so on. Bremsstrahlung: This is radiation given off by the electrons as they are scattered by the strong electric field near the high-Z (proton number) nuclei. These X-rays have a continuous spectrum. The intensity of the X-rays increases linearly with decreasing frequency, from zero at the energy of the incident electrons, the voltage on the X-ray tube. So the resulting output of a tube consists of a continuous bremsstrahlung spectrum falling off to zero at the tube voltage, plus several spikes at the characteristic lines. The voltages used in diagnostic X-ray tubes, and thus the highest energies of the X-rays, range from roughly 20 to 150 kV.[21] Both of these X-ray production processes are significantly inefficient, with a production efficiency of only about one percent, and hence, to produce a usable flux of X-rays, most of the electric power consumed by the tube is released as waste heat. The X-ray tube must be designed to dissipate this excess heat. In medical diagnostic applications, the low energy (soft) X-rays are unwanted, since they are totally absorbed by the body, increasing the dose. Hence, a thin metal sheet, often of aluminum, called an X-ray filter, is usually placed over the window of the X-ray tube, filtering out the low energy components in the spectrum. This is called hardening the beam. Radiographs obtained using X-rays can be used to identify a wide spectrum of pathologies. Because the body structures being imaged in medical applications are large compared to the wavelength of the X-rays, the X-rays can be analyzed as particles rather than waves. (This is in contrast to X-ray crystallography, where their wave-like nature is more important because the wavelength is comparable to the sizes of the structures being imaged.) To make an X-ray image of human or animal bones, short X-ray pulses illuminate the body or limb, with radiographic film placed behind it. Any bones that are present absorb most of the X-ray photons by photoelectric processes. This is because bones have a higher electron density than soft tissues. Note that bones contain a high percentage of calcium (20 electrons per atom), potassium (19 electrons per atom) magnesium (12 electrons per atom), and phosphorus (15 electrons per atom). The X-rays that pass through the flesh leave a latent image in the photographic film. When the film is developed, the parts of the image corresponding to higher X-ray exposure are dark, leaving a white shadow of bones on the film. To generate an image of the cardiovascular system, including the arteries and veins (angiography) an initial image is taken of the anatomical region of interest. A second image is then taken of the same region after iodinated contrast material has been injected into the blood vessels within this area. These two images are then digitally subtracted, leaving an image of only the iodinated contrast outlining the blood vessels. The radiologist or surgeon then compares the image obtained to normal anatomical images to determine if there is any damage or blockage of the vessel. A specialized source of X-rays which is becoming widely used in research is synchrotron radiation, which is generated by particle accelerators. Its unique features are X-ray outputs many orders of magnitude greater than those of X-ray tubes, wide X-ray spectra, excellent collimation, and linear polarization.[22] [edit] Detectors [edit] Photographic plate The detection of X-rays is based on various methods. The most commonly known methods are photographic plates, photographic film in cassettes, and rare earth screens. Regardless of what is "catching" the image, they are all categorized as "Image Receptors" (IR). Before the advent of the digital computer and before the invention of digital imaging, photographic plates were used to produce most radiographic images. The images were produced right on the glass plates. Photographic film largely replaced these plates, and it was used in X-ray laboratories to produce medical images. In more recent years, computerized and digital radiography has been replacing photographic film in medical and dental applications, though film technology remains in widespread use in industrial radiography processes (e.g. to inspect welded seams). Photographic plates are mostly things of history, and their replacement, the "intensifying screen", is also fading into history. The metal silver (formerly necessary to the radiographic & photographic industries) is a non-renewable resource. Thus it is beneficial that this is now being replaced by digital (DR) and computed (CR) technology. Where photographic films required wet processing facilities, these new technologies do not. The digital archiving of images utilizing these new technologies also saves storage space. Since photographic plates are sensitive to X-rays, they provide a means of recording the image, but they also required much X-ray exposure (to the patient), hence intensifying screens were devised. They allow a lower dose to the patient, because the screens take the X-ray information and intensify it so that it can be recorded on film positioned next to the intensifying screen. The part of the patient to be X-rayed is placed between the X-ray source and the image receptor to produce a shadow of the internal structure of that particular part of the body. X-rays are partially blocked ("attenuated") by dense tissues such as bone, and pass more easily through soft tissues. Areas where the X-rays strike darken when developed, causing bones to appear lighter than the surrounding soft tissue. Contrast compounds containing barium or iodine, which are radiopaque, can be ingested in the gastrointestinal tract (barium) or injected in the artery or veins to highlight these vessels. The contrast compounds have high atomic numbered elements in them that (like bone) essentially block the X-rays and hence the once hollow organ or vessel can be more readily seen. In the pursuit of a non-toxic contrast material, many types of high atomic number elements were evaluated. For example, the first time the forefathers used contrast it was chalk, and was used on a cadaver's vessels. Unfortunately, some elements chosen proved to be harmful – for example, thorium was once used as a contrast medium (Thorotrast) – which turned out to be toxic in some cases (causing injury and occasionally death from the effects of thorium poisoning). Modern contrast material has improved, and while there is no way to determine who may have a sensitivity to the contrast, the incidence of "allergic-type reactions" are low. (The risk is comparable to that associated with penicillin.[citation needed]) [edit] Photostimulable phosphors An increasingly common method is the use of photostimulated luminescence (PSL), pioneered by Fuji in the 1980s. In modern hospitals a photostimulable phosphor plate (PSP plate) is used in place of the photographic plate. After the plate is X-rayed, excited electrons in the phosphor material remain 'trapped' in 'colour centres' in the crystal lattice until stimulated by a laser beam passed over the plate surface. The light given off during laser stimulation is collected by a photomultiplier tube and the resulting signal is converted into a digital image by computer technology, which gives this process its common name, computed radiography (also referred to as digital radiography). The PSP plate can be reused, and existing X-ray equipment requires no modification to use them. [edit] Geiger counter Initially, most common detection methods were based on the ionization of gases, as in the Geiger-Müller counter: a sealed volume, usually a cylinder, with a mica, polymer or thin metal window contains a gas, a cylindrical cathode and a wire anode; a high voltage is applied between the cathode and the anode. When an X-ray photon enters the cylinder, it ionizes the gas and forms ions and electrons. Electrons accelerate toward the anode, in the process causing further ionization along their trajectory. This process, known as a Townsend avalanche, is detected as a sudden current, called a "count" or "event". In order to gain energy spectrum information, a diffracting crystal may be used to first separate the different photons. The method is called wavelength dispersive X-ray spectroscopy (WDX or WDS). Position-sensitive detectors are often used in conjunction with dispersive elements. Other detection equipment that is inherently energy-resolving may be used, such as the aforementioned proportional counters. In either case, use of suitable pulse-processing (MCA) equipment allows digital spectra to be created for later analysis. For many applications, counters are not sealed but are constantly fed with purified gas, thus reducing problems of contamination or gas aging. These are called "flow counters". [edit] Scintillators Some materials such as sodium iodide (NaI) can "convert" an X-ray photon to a visible photon; an electronic detector can be built by adding a photomultiplier. These detectors are called "scintillators", filmscreens or "scintillation counters". The main advantage of using these is that an adequate image can be obtained while subjecting the patient to a much lower dose of X-rays. [edit] Image intensification radiograph taken during cholecystectomy X-rays are also used in "real-time" procedures such as angiography or contrast studies of the hollow organs (e.g. barium enema of the small or large intestine) using fluoroscopy acquired using an X-ray image intensifier. Angioplasty, medical interventions of the arterial system, rely heavily on X-ray-sensitive contrast to identify potentially treatable lesions. [edit] Direct semiconductor detectors Since the 1970s, new semiconductor detectors have been developed (silicon or germanium doped with lithium, Si(Li) or Ge(Li)). X-ray photons are converted to electron-hole pairs in the semiconductor and are collected to detect the X-rays. When the temperature is low enough (the detector is cooled by Peltier effect or even cooler liquid nitrogen), it is possible to directly determine the X-ray energy spectrum; this method is called energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX or EDS); it is often used in small X-ray fluorescence spectrometers. These detectors are sometimes called "solid state detectors". Detectors based on cadmium telluride (CdTe) and its alloy with zinc, cadmium zinc telluride, have an increased sensitivity, which allows lower doses of X-rays to be used. Practical application in medical imaging started in the 1990s. Currently amorphous selenium is used in commercial large area flat panel X-ray detectors for mammography and chest radiography. Current research and development is focused around pixel detectors, such as CERN's energy resolving Medipix detector. Note: A standard semiconductor diode, such as a 1N4007, will produce a small amount of current when placed in an X-ray beam. A test device once used by Medical Imaging Service personnel was a small project box that contained several diodes of this type in series, which could be connected to an oscilloscope as a quick diagnostic. Silicon drift detectors (SDDs), produced by conventional semiconductor fabrication, now provide a cost-effective and high resolving power radiation measurement. Unlike conventional X-ray detectors, such as Si(Li)s, they do not need to be cooled with liquid nitrogen. [edit] Scintillator plus semiconductor detectors With the advent of large semiconductor array detectors it has become possible to design detector systems using a scintillator screen to convert from X-rays to visible light which is then converted to electrical signals in an array detector. Indirect Flat Panel Detectors (FPDs) are in widespread use today in medical, dental, veterinary and industrial applications. The array technology is a variant on the amorphous silicon TFT arrays used in many flat panel displays, like the ones in computer laptops. The array consists of a sheet of glass covered with a thin layer of silicon that is in an amorphous or disordered state. At a microscopic scale, the silicon has been imprinted with millions of transistors arranged in a highly ordered array, like the grid on a sheet of graph paper. Each of these thin film transistors (TFTs) is attached to a light-absorbing photodiode making up an individual pixel (picture element). Photons striking the photodiode are converted into two carriers of electrical charge, called electron-hole pairs. Since the number of charge carriers produced will vary with the intensity of incoming light photons, an electrical pattern is created that can be swiftly converted to a voltage and then a digital signal, which is interpreted by a computer to produce a digital image. Although silicon has outstanding electronic properties, it is not a particularly good absorber of X-ray photons. For this reason, X-rays first impinge upon scintillators made from e.g. gadolinium oxysulfide or caesium iodide. The scintillator absorbs the X-rays and converts them into visible light photons that then pass onto the photodiode array. [edit] Visibility While generally considered invisible to the human eye, in special circumstances X-rays can be visible. Brandes, in an experiment a short time after Röntgen's landmark 1895 paper, reported after dark adaptation and placing his eye close to an X-ray tube, seeing a faint "blue-gray" glow which seemed to originate within the eye itself.[23] Upon hearing this, Röntgen reviewed his record books and found he too had seen the effect. When placing an X-ray tube on the opposite side of a wooden door Röntgen had noted the same blue glow, seeming to emanate from the eye itself, but thought his observations to be spurious because he only saw the effect when he used one type of tube. Later he realized that the tube which had created the effect was the only one powerful enough to make the glow plainly visible and the experiment was thereafter readily repeatable. The knowledge that X-rays are actually faintly visible to the dark-adapted naked eye has largely been forgotten today; this is probably due to the desire not to repeat what would now be seen as a recklessly dangerous and potentially harmful experiment with ionizing radiation. It is not known what exact mechanism in the eye produces the visibility: it could be due to conventional detection (excitation of rhodopsin molecules in the retina), direct excitation of retinal nerve cells, or secondary detection via, for instance, X-ray induction of phosphorescence in the eyeball with conventional retinal detection of the secondarily produced visible light. Though X-rays are otherwise invisible it is possible to see the ionization of the air molecules if the intensity of the X-ray beam is high enough. The beamline from the wiggler at the ID11 at ESRF is one example of such high intensity.[24] [edit] Medical uses Main article: Medical imaging Head CT scan (transverse plane) slice–a modern application of medical radiography A chest radiograph of a female, demonstrating a hiatus hernia Since Röntgen's discovery that X-rays can identify bone structures, X-rays have been use for medical imaging. The first medical use was less than a month after his paper on the subject.[25] In 2010, 5 billion medical imaging studies were done worldwide.[26] Radiation exposure from medical imaging in 2006 made up about 50% of total ionizing radiation exposure in the United States.[19] [edit] Plain X-rays Main article: Radiograph X-rays are useful in the detection of pathology of the skeletal system as well as for detecting some disease processes in soft tissue. Some notable examples are the very common chest X-ray, which can be used to identify lung diseases such as pneumonia, lung cancer or pulmonary edema, and the abdominal X-ray, which can detect intestinal obstruction, free air (from visceral perforations) and free fluid (in ascites). X-rays may also be used to detect pathology such as gallstones (which are rarely radiopaque) or kidney stones which are often (but not always) visible. Traditional plain X-rays are less useful in the imaging of soft tissues such as the brain or muscle. X-rays are also commonly used in dentistry, as X-ray imaging is useful in the diagnoses of common oral problems, such as cavities. [edit] Computer tomography Imaging alternatives for soft tissues are computed axial tomography (CAT or CT scanning).[27] [edit] Fluoroscopy Fluoroscopy is another X-ray test methodology. This method may use a contrast material. Examples include cardiac catheterization (to examine for coronary artery blockages) and Barium swallow (to examine for esophageal disorders). [edit] Radiotherapy The use of X-rays as a treatment is known as radiation therapy and is largely used for the management (including palliation) of cancer; it requires higher radiation energies than for imaging alone. [edit] Health risks abdominal radiograph of a pregnant woman Diagnostic X-rays (primarily from CT scans due to the large dose used) increase the risk of developmental problems and cancer in those exposed.[28][29][30] X rays are classified as a carcinogen by both the World Health Organization's International Agency for Research on Cancer and the U.S. government.[26][31] It is estimated that 0.4% of current cancers in the United States are due to computed tomography (CT scans) performed in the past and that this may increase to as high as 1.5-2% with 2007 rates of CT usage.[32] Experimental and epidemiological data currently do not support the proposition that there is a threshold dose of radiation below which there is no increased risk of cancer.[33] However, this is under increasing doubt.[34] It is estimated that the additional radiation will increase a person's cumulative risk of getting cancer by age 75 by 0.6–1.8%.[35] The amount of absorbed radiation depends upon the type of X-ray test and the body part involved.[36] CT and fluoroscopy entail higher doses of radiation than do plain X-rays. To place the increased risk in perspective, a plain chest X-ray or dental X-ray will expose a person to the same amount from background radiation that we are exposed to (depending upon location) every day over 10 days.[37] Each such X-ray would add less than 1 per 1,000,000 to the lifetime cancer risk. An abdominal or chest CT would be the equivalent to 2–3 years of background radiation, increasing the lifetime cancer risk between 1 per 1,000 to 1 per 10,000.[37] For instance, the effective dose to the torso from a CT scan of the chest is about 5 mSv.[38] This is compared to the roughly 40% chance of a US citizen developing cancer during their lifetime.[39] Accurate estimation of effective doses due to CT is difficult with the estimation uncertainty range of about ±19% to ±32% for adult head scans depending upon the method used.[40] Fathers exposed to diagnostic X-rays are more likely to have infants who contract leukemia, especially if exposure is closer to conception or includes two or more X-rays of the lower gastrointestinal (GI) tract or lower abdomen.[41] The risk of radiation is greater to unborn babies, so in pregnant patients, the benefits of the investigation (X-ray) should be balanced with the potential hazards to the unborn fetus.[42][43] In the US, there are an estimated 62 million CT scans performed annually, including more than 4 million on children.[36] Avoiding unnecessary X-rays (especially CT scans) will reduce radiation dose and any associated cancer risk.[44] [edit] Shielding X-rays generated by peak voltages below Minimum thickness
of lead 75 kV 1.0 mm 100 kV 1.5 mm 125 kV 2.0 mm 150 kV 2.5 mm 175 kV 3.0 mm 200 kV 4.0 mm 225 kV 5.0 mm 300 kV 9.0 mm 400 kV 15.0 mm 500 kV 22.0 mm 600 kV 34.0 mm 900 kV 51.0 mm Lead is the most common shield against X-rays because of its high density (11340 kg/m3), stopping power, ease of installation and low cost. The maximum range of a high-energy photon such as an X-ray in matter is infinite; at every point in the matter traversed by the photon, there is a probability of interaction. Thus there is a very small probability of no interaction over very large distances. The shielding of photon beam is therefore exponential (with an attenuation length being close to the radiation length of the material); doubling the thickness of shielding will square the shielding effect. The following table shows the recommended thickness of lead shielding in function of X-ray energy, from the Recommendations by the Second International Congress of Radiology.[45] [edit] Other uses Other notable uses of X-rays include X-ray crystallography in which the pattern produced by the diffraction of X-rays through the closely spaced lattice of atoms in a crystal is recorded and then analysed to reveal the nature of that lattice. A related technique, fiber diffraction, was used by Rosalind Franklin to discover the double helical structure of DNA.[46] X-ray astronomy, which is an observational branch of astronomy, which deals with the study of X-ray emission from celestial objects. X-ray microscopic analysis, which uses electromagnetic radiation in the soft X-ray band to produce images of very small objects. X-ray fluorescence, a technique in which X-rays are generated within a specimen and detected. The outgoing energy of the X-ray can be used to identify the composition of the sample. Industrial radiography uses X-rays for inspection of industrial parts, particularly welds. Paintings are often X-rayed to reveal the underdrawing and pentimenti or alterations in the course of painting, or by later restorers. Many pigments such as lead white show well in X-ray photographs. X-ray spectromicroscopy has been used to analyse the reactions of pigments in paintings. For example, in analysing colour degradation in the paintings of van Gogh [47] Airport security luggage scanners use X-rays for inspecting the interior of luggage for security threats before loading on aircraft. Border control truck scanners use X-rays for inspecting the interior of trucks. X-ray fine art photography X-ray hair removal, a method popular in the 1920s but now banned by the FDA.[48] Shoe-fitting fluoroscopes were popularized in the 1920s, banned in the US in the 1960s, banned in the UK in the 1970s, and even later in continental Europe. Roentgen Stereophotogrammetry is used to track movement of bones based on the implantation of markers X-ray photoelectron spectroscopy is a chemical analysis technique relying on the photoelectric effect, usually employed in surface science. Each dot, called a reflection, in this diffraction pattern forms from the constructive interference of scattered X-rays passing through a crystal. The data can be used to determine the crystalline structure. X-ray fine art photography of needlefish by Peter Dazeley [edit] History [edit] Discovery German physicist Wilhelm Röntgen is usually credited as the discoverer of X-rays because he was the first to systematically study them, though he is not the first to have observed their effects. He is also the one who gave them the name "X-rays", though many referred to these as "Röntgen rays" (and the associated X-ray radiograms as, "Röntgenograms") for several decades after their discovery and to this day in some languages, including Röntgen's native German, though "X-ray" overtook popular usage in English by 1980.[49] X-rays were found emanating from Crookes tubes, experimental discharge tubes invented around 1875, by scientists investigating the cathode rays, that is energetic electron beams, that were first created in the tubes. Crookes tubes created free electrons by ionization of the residual air in the tube by a high DC voltage of anywhere between a few kilovolts and 100 kV. This voltage accelerated the electrons coming from the cathode to a high enough velocity that they created X-rays when they struck the anode or the glass wall of the tube. Many of the early Crookes tubes undoubtedly radiated X-rays, because early researchers noticed effects that were attributable to them, as detailed below. Wilhelm Röntgen was the first to systematically study them, in 1895.[50] The important early researchers in X-rays were Ivan Pulyui, William Crookes, Johann Wilhelm Hittorf, Eugen Goldstein, Heinrich Hertz, Philipp Lenard, Hermann von Helmholtz, Nikola Tesla, Thomas Edison, Charles Glover Barkla, Max von Laue, and Wilhelm Conrad Röntgen. [edit] Johann Hittorf German physicist Johann Hittorf (1824–1914), a co-inventor and early researcher of the Crookes tube, found when he placed unexposed photographic plates near the tube, that some of them were flawed by shadows, though he did not investigate this effect. [edit] Ivan Pulyui In 1877 Ukrainian-born Pulyui, a lecturer in experimental physics at the University of Vienna, constructed various designs of vacuum discharge tube to investigate their properties.[51] He continued his investigations when appointed professor at the Prague Polytechnic and in 1886 he found that sealed photographic plates became dark when exposed to the emanations from the tubes. Early in 1896, just a few weeks after Röntgen published his first X-ray photograph, Pulyui published high-quality X-ray images in journals in Paris and London.[51] Although Pulyui had studied with Röntgen at the University of Strasbourg in the years 1873–75, his biographer Gaida (1997) asserts that his subsequent research was conducted independently.[51] [edit] Nikola Tesla In April 1887, Nikola Tesla began to investigate X-rays using high voltages and tubes of his own design, as well as Crookes tubes. From his technical publications, it is indicated that he invented and developed a special single-electrode X-ray tube,[52][53] which differed from other X-ray tubes in having no target electrode. The principle behind Tesla's device is called the Bremsstrahlung process, in which a high-energy secondary X-ray emission is produced when charged particles (such as electrons) pass through matter. By 1892, Tesla performed several such experiments, but he did not categorize the emissions as what were later called X-rays. Tesla generalized the phenomenon as radiant energy of "invisible" kinds.[54][55] Tesla stated the facts of his methods concerning various experiments in his 1897 X-ray lecture before the New York Academy of Sciences.[56] Also in this lecture, Tesla stated the method of construction and safe operation of X-ray equipment. His X-ray experimentation by vacuum high field emissions also led him to alert the scientific community to the biological hazards associated with X-ray exposure.[57] [edit] Fernando Sanford X-rays were generated and detected by Fernando Sanford (1854–1948), the foundation Professor of Physics at Stanford University, in 1891. From 1886 to 1888 he had studied in the Hermann Helmholtz laboratory in Berlin, where he became familiar with the cathode rays generated in vacuum tubes when a voltage was applied across separate electrodes, as previously studied by Heinrich Hertz and Philipp Lenard. His letter of January 6, 1893 (describing his discovery as "electric photography") to The Physical Review was duly published and an article entitled Without Lens or Light, Photographs Taken With Plate and Object in Darkness appeared in the San Francisco Examiner.[58] [edit] Philipp Lenard Philipp Lenard, a student of Heinrich Hertz, wanted to see whether cathode rays could pass out of the Crookes tube into the air. He built a Crookes tube (later called a "Lenard tube") with a "window" in the end made of thin aluminum, facing the cathode so the cathode rays would strike it.[59] He found that something came through, that would expose photographic plates and cause fluorescence. He measured the penetrating power of these rays through various materials. It has been suggested that at least some of these "Lenard rays" were actually X-rays.[60] [edit] Hermann von Helmholtz Hermann von Helmholtz formulated mathematical equations for X-rays. He postulated a dispersion theory before Röntgen made his discovery and announcement. It was formed on the basis of the electromagnetic theory of light.[61] However, he did not work with actual X-rays. [edit] Wilhelm Röntgen 1896 plaque published in "Nouvelle Iconographie de Salpetriere", a medical journal. In the left a hand deformity, in the right same hand seen using radiography. The authors designated the technique as Röntgen photography. On November 8, 1895, German physics professor Wilhelm Röntgen stumbled on X-rays while experimenting with Lenard and Crookes tubes and began studying them. He wrote an initial report "On a new kind of ray: A preliminary communication" and on December 28, 1895 submitted it to the Würzburg's Physical-Medical Society journal.[62] This was the first paper written on X-rays. Röntgen referred to the radiation as "X", to indicate that it was an unknown type of radiation. The name stuck, although (over Röntgen's great objections) many of his colleagues suggested calling them Röntgen rays. They are still referred to as such in many languages, including German, Russian, Japanese and Dutch. Röntgen received the first Nobel Prize in Physics for his discovery.[63] There are conflicting accounts of his discovery because Röntgen had his lab notes burned after his death, but this is a likely reconstruction by his biographers:[64] Röntgen was investigating cathode rays with a fluorescent screen painted with barium platinocyanide and a Crookes tube which he had wrapped in black cardboard so the visible light from the tube wouldn't interfere. He noticed a faint green glow from the screen, about 1 meter away. He realized some invisible rays coming from the tube were passing through the cardboard to make the screen glow. He found they could also pass through books and papers on his desk. Röntgen threw himself into investigating these unknown rays systematically. Two months after his initial discovery, he published his paper. Röntgen discovered its medical use when he made a picture of his wife's hand on a photographic plate formed due to X-rays. The photograph of his wife's hand was the first ever photograph of a human body part using X-rays. When she saw the picture, she said "I have seen my death."[65] [edit] Thomas Edison A simplified diagram of a water cooled X-ray tube In 1895, Thomas Edison investigated materials' ability to fluoresce when exposed to X-rays, and found that calcium tungstate was the most effective substance. Around March 1896, the fluoroscope he developed became the standard for medical X-ray examinations. Nevertheless, Edison dropped X-ray research around 1903 after the death of Clarence Madison Dally, one of his glassblowers. Dally had a habit of testing X-ray tubes on his hands, and acquired a cancer in them so tenacious that both arms were amputated in a futile attempt to save his life. In 1901, U.S. President William McKinley was shot twice in an assassination attempt. While one bullet only grazed his sternum, another had lodged somewhere deep inside his abdomen and could not be found. "A worried McKinley aide sent word to inventor Thomas Edison to rush an X-ray machine to Buffalo to find the stray bullet. It arrived but wasn't used." While the shooting itself had not been lethal, "gangrene had developed along the path of the bullet, and McKinley died of septic shock due to bacterial infection" six days later.[66] [edit] Russell Reynolds Having heard of Wilhelm Röntgen's discovery, and whilst still at Winchester School, England, Russel Reynolds made an X-ray set in 1896. Having been made only the year after the discovery of the phenomenon, the X-ray set is considered one of the worlds oldest and was donated to the London Science Museum, UK in 1938, where it can still be seen.[67] In 2009 the British public voted the X-ray machine the most important modern discovery". Dr. Russell Reynolds died in 1964 in his 85th year, he was considered one of British radiology's "most distinguished seniors".[68] [edit] Frank Austin and the Frost brothers The first medical X-ray made in the United States was obtained using a discharge tube of Pulyui's design. In January 1896, on reading of Röntgen's discovery, Frank Austin of Dartmouth College tested all of the discharge tubes in the physics laboratory and found that only the Pulyui tube produced X-rays. This was a result of Pulyui's inclusion of an oblique "target" of mica, used for holding samples of fluorescent material, within the tube. On 3 February 1896 Gilman Frost, professor of medicine at the college, and his brother Edwin Frost, professor of physics, exposed the wrist of Eddie McCarthy, whom Edwin had treated some weeks earlier for a fracture, to the X-rays and collected the resulting image of the broken bone on gelatin photographic plates obtained from Howard Langill, a local photographer also interested in Röntgen's work.[25] [edit] 20th century and beyond A male technician taking an X-ray of a female patient in 1940. This image was used to argue that radiation exposure during the X-ray procedure would be negligible. The many applications of X-rays immediately generated enormous interest. Workshops began making specialized versions of Crookes tubes for generating X-rays and these first generation cold cathode or Crookes X-ray tubes were used until about 1920. Crookes tubes were unreliable. They had to contain a small quantity of gas (invariably air) as a current will not flow in such a tube if they are fully evacuated. However as time passed the X-rays caused the glass to absorb the gas, causing the tube to generate "harder" X-rays until it soon stopped operating. Larger and more frequently used tubes were provided with devices for restoring the air, known as "softeners". These often took the form of a small side tube which contained a small piece of mica: a substance that traps comparatively large quantities of air within its structure. A small electrical heater heated the mica and caused it to release a small amount of air, thus restoring the tube's efficiency. However the mica had a limited life and the restore process was consequently difficult to control. In 1904, John Ambrose Fleming invented the thermionic diode valve (vacuum tube). This used a hot cathode which permitted current to flow in a vacuum. The idea was quickly applied to X-ray tubes and thus heated cathode X-ray tubes, called Coolidge tubes, replaced the troublesome cold cathode tubes by about 1920. Two years later, physicist Charles Barkla discovered that X-rays could be scattered by gases and that each element had a characteristic X-ray. He won the 1917 Nobel Prize in Physics for this discovery. Max von Laue, Paul Knipping and Walter Friedrich observed for the first time the diffraction of X-rays by crystals in 1912. This discovery, along with the early works of Paul Peter Ewald, William Henry Bragg and William Lawrence Bragg gave birth to the field of X-ray crystallography. The Coolidge tube was invented the following year by William D. Coolidge which permitted continuous production of X-rays; this type of tube is still in use today. ROSAT (Röntgensatellit) image of X-ray fluorescence and occultation of the X-ray background by the Moon The use of X-rays for medical purposes (to develop into the field of radiation therapy) was pioneered by Major John Hall-Edwards in Birmingham, England. In 1908, he had to have his left arm amputated owing to the spread of X-ray dermatitis.[69] The X-ray microscope was invented in the 1950s. The Chandra X-ray Observatory, launched on July 23, 1999, has been allowing the exploration of the very violent processes in the universe which produce X-rays. Unlike visible light, which is a relatively stable view of the universe, the X-ray universe is unstable, it features stars being torn apart by black holes, galactic collisions and novas or neutron stars that build up layers of plasma that then explode into space. An X-ray laser device was proposed as part of the Reagan Administration's Strategic Defense Initiative in the 1980s, but the first and only test of the device (a sort of laser "blaster", or death ray, powered by a thermonuclear explosion) gave inconclusive results. For technical and political reasons, the overall project (including the X-ray laser) was de-funded (though was later revived by the second Bush Administration as National Missile Defense using different technologies). [edit] See also Backscatter X-ray Detective quantum efficiency High energy X-rays Industrial CT scanning N ray Neutron radiation Radiologic technologist Resonant inelastic X-ray scattering (RIXS) Small angle X-ray scattering (SAXS) X-ray absorption spectroscopy X-ray generation X-ray marker X-ray nanoprobe X-ray optics X-ray reflectivity X-ray vision X-ray welding [edit] Notes ^ Novelline, Robert. Squire's Fundamentals of Radiology. Harvard University Press. 5th edition. 1997. ISBN 0674833392. ^ "X-ray". Oxford English Dictionary. Oxford University Press. 2nd ed. 1989. ^ Holman, Gordon; Benedict, Sarah (1996-09-23). "Hard X-Rays". Solar Flare Theory Educational Web Pages. Goddard Space Flight Center. http://hesperia.gsfc.nasa.gov/sftheory/xray.htm. Retrieved 2011-03-09.  ^ "Physics.nist.gov". Physics.nist.gov. http://physics.nist.gov/cgi-bin/ffast/ffast.pl?Formula=H2O>ype=5&range=S&lower=0.300&upper=2.00&density=1.00. Retrieved 2011-11-08.  ^ a b Dendy, P. P.; B. Heaton (1999). Physics for Diagnostic Radiology. USA: CRC Press. p. 12. ISBN 0750305916. http://books.google.com/?id=1BTQvsQIs4wC&pg=PA12.  ^ Charles Hodgman, Ed. (1961). CRC Handbook of Chemistry and Physics, 44th Ed.. USA: Chemical Rubber Co.. p. 2850.  ^ Feynman, Richard; Robert Leighton, Matthew Sands (1963). The Feynman Lectures on Physics, Vol.1. USA: Addison-Wesley. pp. 2–5. ISBN 0201021161.  ^ L'Annunziata, Michael; Mohammad Baradei (2003). Handbook of Radioactivity Analysis. Academic Press. p. 58. ISBN 0124366031. http://books.google.com/?id=b519e10OPT0C&pg=PA58&dq=gamma+x-ray.  ^ Grupen, Claus; G. Cowan, S. D. Eidelman, T. Stroh (2005). Astroparticle Physics. Springer. p. 109. ISBN 3540253122.  ^ US National Research Council (2006). Health Risks from Low Levels of Ionizing Radiation, BEIR 7 phase 2. National Academies Press. pp. 5, fig.PS–2. ISBN 030909156X. http://books.google.com/?id=Uqj4OzBKlHwC&pg=PA5. , data credited to NCRP (US National Committee on Radiation Protection) 1987 ^ X-Rays. Doctorspiller.com (2007-05-09). Retrieved on 2011-05-05. ^ X-Ray Safety. Dentalgentlecare.com (2008-02-06). Retrieved on 2011-05-05. ^ Section One: Introduction to Radioactive Materials Office of Health, Safety and Security, archived on December 16 2008 from the original ^ Space Weather. Solarstorms.org. Retrieved on 2011-05-05. ^ X-Ray Dangers. Powerattunements.com. Retrieved on 2011-05-05. ^ David R. Lide, ed (1994). CRC Handbook of Chemistry and Physics 75th edition. CRC Press. pp. 10–227. ISBN 0-8493-0475-X.  ^ Kevles, Bettyann Holtzmann (1996). Naked to the Bone Medical Imaging in the Twentieth Century. Camden, NJ: Rutgers University Press. pp. 19–22. ISBN 0813523583.  ^ Sample, Sharro (2007-03-27). "X-Rays". The Electromagnetic Spectrum. NASA. http://science.hq.nasa.gov/kids/imagers/ems/xrays.html. Retrieved 2007-12-03.  ^ a b Medical Radiation Exposure Of The U.S. Population Greatly Increased Since The Early 1980s, Science Daily, March 5, 2009 ^ Whaites, Eric; Roderick Cawson (2002). Essentials of Dental Radiography and Radiology. Elsevier Health Sciences. pp. 15–20. ISBN 044307027X. http://books.google.com/?id=x6ThiifBPcsC&dq=radiography+kilovolt+x-ray+machine.  ^ Bushburg, Jerrold; Anthony Seibert, Edwin Leidholdt, John Boone (2002). The Essential Physics of Medical Imaging. USA: Lippincott Williams & Wilkins. p. 116. ISBN 0683301187. http://books.google.com/?id=VZvqqaQ5DvoC&pg=PT33&dq=radiography+kerma+rem+Sievert.  ^ Emilio, Burattini; Antonella Ballerna (1994). "Preface". Biomedical Applications of Synchrotron Radiation: Proceedings of the 128th Course at the International School of Physics -Enrico Fermi- 12–22 July 1994, Varenna, Italy. IOS Press. p. xv. ISBN 9051992483. http://books.google.com/books?id=VEld4080nekC&pg=PA129. Retrieved 2008-11-11.  ^ Frame, Paul. "Wilhelm Röntgen and the Invisible Light". Tales from the Atomic Age. Oak Ridge Associated Universities. http://www.orau.org/ptp/articlesstories/invisiblelight.htm. Retrieved 2008-05-19.  ^ Eæements of Modern X-Ray Physics. John Wiley & Sons Ltd,. 2001. pp. 40–41. ISBN 0-471-49858-0.  ^ a b Spiegel, Peter K (1995). "The first clinical X-ray made in America—100 years". American Journal of Roentgenology (Leesburg, VA: American Roentgen Ray Society) 164 (1): 241–243. ISSN 1546-3141. PMID 7998549. http://www.ajronline.org/cgi/reprint/164/1/241.pdf.  ^ a b Roobottom CA, Mitchell G, Morgan-Hughes G (2010). "Radiation-reduction strategies in cardiac computed tomographic angiography". Clin Radiol 65 (11): 859–67. doi:10.1016/j.crad.2010.04.021. PMID 20933639.  ^ Herman, Gabor T. (2009). Fundamentals of Computerized Tomography: Image Reconstruction from Projections (2nd ed.). Springer. ISBN 978-1-85233-617-2  ^ Hall EJ, Brenner DJ (2008). "Cancer risks from diagnostic radiology". Br J Radiol 81 (965): 362–78. doi:10.1259/bjr/01948454. PMID 18440940.  ^ Brenner DJ (2010). "Should we be concerned about the rapid increase in CT usage?". Rev Environ Health 25 (1): 63–8. doi:10.1515/REVEH.2010.25.1.63. PMID 20429161.  ^ De Santis M, Cesari E, Nobili E, Straface G, Cavaliere AF, Caruso A (2007). "Radiation effects on development". Birth Defects Res. C Embryo Today 81 (3): 177–82. doi:10.1002/bdrc.20099. PMID 17963274.  ^ "11th Report on Carcinogens". Ntp.niehs.nih.gov. http://ntp.niehs.nih.gov/ntp/roc/toc11.html. Retrieved 2010-11-08.  ^ Brenner DJ, Hall EJ (2007). "Computed tomography—an increasing source of radiation exposure". N. Engl. J. Med. 357 (22): 2277–84. doi:10.1056/NEJMra072149. PMID 18046031.  ^ Upton, AC; National Coluncil on Radiation Protection and Measurements Scientific Committee 1–6 (2003). "The state of the art in the 1990s: NCRP report No. 136 on the scientific bases for linearity in the dose-response relationship for ionizing radiation". Health Physics 85 (1): 15–22. doi:10.1097/00004032-200307000-00005. PMID 12852466.  ^ Calabrese, EJ; Baldwin, LA (2003). "Toxicology rethinks its central belief". Nature 421 (6924): 691–2. doi:10.1038/421691a. PMID 12610596. http://www.cerrie.org/committee_papers/INFO_9-F.pdf.  ^ Berrington, A; de Gonzalez, A; Darby, S (2004). "Risk of cancer from diagnostic X-rays: estimates for the UK and 14 other countries". Lancet 363 (9406): 345–351. doi:10.1016/S0140-6736(04)15433-0. PMID 15070562.  ^ a b Brenner DJ and Hall EJ (2007). "Computed tomography- an increasing source of radiation exposure". New England Journal of Medicine 357 (22): 2277–2284. doi:10.1056/NEJMra072149. PMID 18046031. http://www.nejm.org/doi/full/10.1056/NEJMra072149.  ^ a b Radiologyinfo.org, Radiological Society of North America and American College of Radiology ^ Caon, M., Bibbo, G. & Pattison, J. (2000). "Monte Carlo calculated effective dose to teenage girls from computed tomography examinations". Radiation Protection Dosimetry 90 (4): 445–448.  ^ "National Cancer Institute: Surveillance Epidemiology and End Results (SEER) data". Seer.cancer.gov. 2010-06-30. http://seer.cancer.gov/csr/1975_2006/browse_csr.php?section=2&page=sect_02_table.11.html#table1. Retrieved 2011-11-08.  ^ Gregory, KJ; Bibbo, G; Pattison, JE (2008). "On the uncertainties in effective dose estimates of adult CT head scans". Medical physics 35 (8): 3501–10. Bibcode 2008MedPh..35.3501G. doi:10.1118/1.2952359. PMID 18777910.  ^ Xiao-Ou, Shu; et al (December 1994). "Association of paternal diagnostic X-ray exposure with risk of infant leukemia". Cancer Epidemiology, Biomarkers & Prevention (American Association for Cancer Research) 3 (8): 645. ISSN 1538-7755. PMID 7881337. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/7881337.  ^ Stewart, Alice M; Webb, J.W.; Giles, B.D.; Hewitt, D. (1956). "Preliminary Communication: Malignant Disease in Childhood and Diagnostic Irradiation In-Utero". Lancet 271 (6940): 447. doi:10.1016/S0140-6736(56)91923-7. PMID 13358242.  ^ "Pregnant Women and Radiation Exposure". eMedicine Live online medical consultation. Medscape. 28 December 2008. http://emedicinelive.com/index.php/Women-s-Health/pregnant-women-and-radiation-exposure.html. Retrieved 2009-01-16. [dead link] ^ Donnelly, CF (2005). "Reducing radiation dose associated with pediatric CT by decreasing unnecessary examinations". American Journal Roentgenology 32 (2): 242–244. PMID 15671393.  ^ Alchemy Art Lead Products – Lead Shielding Sheet Lead For Shielding Applications. Retrieved 2008-12-07. ^ Kasai, Nobutami; Masao Kakudo (2005). X-ray diffraction by macromolecules. Tokyo: Kodansha. pp. 291–2. ISBN 3540253173. http://books.google.com/books?id=_y5hM5_vx0EC&pg=PA291.  ^ Monico, Letizia; Van Der Snickt, Geert; Janssens, Koen; De Nolf, Wout; Miliani, Costanza; Verbeeck, Johan; Tian, He; Tan, Haiyan et al. (2011). "Degradation Process of Lead Chromate in Paintings by Vincent van Gogh Studied by Means of Synchrotron X-ray Spectromicroscopy and Related Methods. 1. Artificially Aged Model Samples". Analytical Chemistry 83 (4): 1214–1223. doi:10.1021/ac102424h. PMID 21314201.  Monico, Letizia; Van Der Snickt, Geert; Janssens, Koen; De Nolf, Wout; Miliani, Costanza; Dik, Joris; Radepont, Marie; Hendriks, Ella et al. (2011). "Degradation Process of Lead Chromate in Paintings by Vincent van Gogh Studied by Means of Synchrotron X-ray Spectromicroscopy and Related Methods. 2. Original Paint Layer Samples". Analytical Chemistry 83 (4): 1224–1231. doi:10.1021/ac1025122. PMID 21314202. http://www.vangogh.ua.ac.be/ac1025122_part2.pdf.  ^ X-ray hair removal, Hair Facts ^ http://books.google.com/ngrams/graph?content=Roentgenogram%2Cxray&year_start=1800&year_end=2000&corpus=0&smoothing=3 ^ The history, development, and impact of computed imaging in neurological diagnosis and neurosurgery: CT, MRI, DTI: Nature Precedings DOI: 10.1038/npre.2009.3267.5. ^ a b c Gaida, Roman; et al. (1997). "Ukrainian Physicist Contributes to the Discovery of X-Rays". Mayo Foundation for Medical Education and Research. Archived from the original on 2008-05-28. http://web.archive.org/web/20080528172938/http://www.meduniv.lviv.ua/oldsite/puluj.html. Retrieved 2008-04-06.  ^ Morton, William James, and Edwin W. Hammer, American Technical Book Co., 1896. p. 68. ^ U.S. Patent 514,170, Incandescent Electric Light, and U.S. Patent 454,622, System of Electric Lighting. ^ Cheney, Margaret, "Tesla: Man Out of Time". Simon and Schuster, 2001. p. 77. ISBN 0743215362 ^ Thomas Commerford Martin (ed.), "The Inventions, Researches and Writings of Nikola Tesla". Page 252 "When it forms a drop, it will emit visible and invisible waves. [...]". (ed., this material originally appeared in an article by Nikola Tesla in The Electrical Engineer of 1894.) ^ Nikola Tesla, "The stream of Lenard and Roentgen and novel apparatus for their production", Apr. 6, 1898. ^ Cheney, Margaret, Robert Uth, and Jim Glenn, "Tesla, master of lightning". Barnes & Noble Publishing, 1999. p. 76. ISBN 0760710058 ^ Wyman, Thomas (Spring 2005). "Fernando Sanford and the Discovery of X-rays". "Imprint", from the Associates of the Stanford University Libraries: 5–15.  ^ Thomson, Joseph J. (1903). The Discharge of Electricity through Gasses. USA: Charles Scribner's Sons. pp. 182–186. http://books.google.com/?id=Ryw4AAAAMAAJ&pg=PA138.  ^ Thomson, 1903, p.185 ^ Wiedmann's Annalen, Vol. XLVIII ^ Stanton, Arthur (1896-01-23). "Wilhelm Conrad Röntgen On a New Kind of Rays: translation of a paper read before the Würzburg Physical and Medical Society, 1895" (Subscription-only access). Nature 53 (1369): 274–6. Bibcode 1896Natur..53R.274.. doi:10.1038/053274b0. http://www.nature.com/nature/journal/v53/n1369/pdf/053274b0.pdf.  see also pp. 268 and 276 of the same issue. ^ Karlsson, Erik B. (9 february 2000). "The Nobel Prizes in Physics 1901-2000". Stockholm: The Nobel Foundation. http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/articles/karlsson/. Retrieved 24 November 2011.  ^ Peters, Peter (1995). "W. C. Roentgen and the discovery of x-rays". Ch.1 Textbook of Radiology. Medcyclopedia.com, GE Healthcare. http://www.medcyclopaedia.com/library/radiology/chapter01.aspx. Retrieved 2008-05-05.  ^ Crane, Louise (13 August 2010). "Image of the Month: The left hand of Anna Roentgen". Wellcome Trust. http://wellcometrust.wordpress.com/2010/08/13/wellcome-image-of-the-month-the-left-hand-of-anna-roentgen/. Retrieved 17 December 2010.  ^ National Library of Medicine. "Could X-rays Have Saved President William McKinley?" Visible Proofs: Forensic Views of the Body. ^ "Icons Of Invention: Reynolds' X-ray set, 1896". London: Science Museum. http://www.makingthemodernworld.org.uk/icons_of_invention/medicine/1880-1939/IC.049/. Retrieved 11 February 2011.  ^ "Russell J. Reynolds, C.B.E., M.B.B.S., F.R.C.P., F.F.R., D.M.R.E.". The British Journal of Radiology. British Institute of Radiology. 1965. doi:10.1259/0007-1285-38-445-71-a. http://bjr.birjournals.org/cgi/content/abstract/38/445/71. Retrieved 11 February 2011.  ^ Birmingham City Council: Major John Hall-Edwards [edit] External links Wikimedia Commons has media related to: X-ray Look up x-ray in Wiktionary, the free dictionary. Historical X-ray tubes Example Radiograph: Fractured Humerus A Photograph of an X-ray Machine X-ray Safety An X-ray tube demonstration (Animation) 1896 Article: "On a New Kind of Rays" "Digital X-Ray Technologies Project" What is Radiology? a simple tutorial 50,000 X-ray, MRI, and CT pictures MedPix medical image database Index of Early Bremsstrahlung Articles Extraordinary X-Rays – slideshow by Life magazine
+ نوشته شده در  20 Dec 2011ساعت 8:44 PM  توسط سروش نادری فر  | 

Nuclear magnetic resonance spectroscopy

From Wikipedia, the free encyclopedia
Jump to: navigation, search
A 900MHz NMR instrument with a 21.2 T magnet at HWB-NMR, Birmingham, UK

Nuclear magnetic resonance spectroscopy, most commonly known as NMR spectroscopy, is a research technique that exploits the magnetic properties of certain atomic nuclei to determine physical and chemical properties of atoms or the molecules in which they are contained. It relies on the phenomenon of nuclear magnetic resonance and can provide detailed information about the structure, dynamics, reaction state, and chemical environment of molecules.

Most frequently, NMR spectroscopy is used by chemists and biochemists to investigate the properties of organic molecules, though it is applicable to any nucleus possessing spin. This can range from small compounds analyzed with 1-dimensional proton or carbon-13 NMR to large proteins or nucleic acids using 3 or 4-dimensional techniques. The impact of NMR spectroscopy on the natural sciences has been substantial, and can be applied to a wide variety of samples in solution and solid state.

Contents

[hide]

[edit] Basic NMR techniques

The NMR sample is prepared in a thin-walled glass tube - an NMR tube.

When placed in a magnetic field, NMR active nuclei (such as 1H or 13C) absorb electromagnetic radiation at a frequency characteristic of the isotope. The resonant frequency, energy of the absorption and the intensity of the signal are proportional to the strength of the magnetic field. For example, in a 21 tesla magnetic field, protons resonate at 900 MHz. It is common to refer to a 21 T magnet as a 900 MHz magnet, although different nuclei resonate at a different frequency at this field strength.

In the Earth's magnetic field the same nuclei resonate at audio frequencies. This effect is used in Earth's field NMR spectrometers and other instruments. Because these instruments are portable and inexpensive, they are often used for teaching and field work.

[edit] Chemical shift

Depending on the local chemical environment, different protons in a molecule resonate at slightly different frequencies. Since both this frequency shift and the fundamental resonant frequency are directly proportional to the strength of the magnetic field, the shift is converted into a field-independent dimensionless value known as the chemical shift. The chemical shift is reported as a relative measure from some reference resonance frequency. (For the nuclei 1H, 13C, and 29Si, TMS (tetramethylsilane) is commonly used as a reference.) This difference between the frequency of the signal and the frequency of the reference is divided by frequency of the reference signal to give the chemical shift. The frequency shifts are extremely small in comparison to the fundamental NMR frequency. A typical frequency shift might be 100 Hz, compared to a fundamental NMR frequency of 100 MHz, so the chemical shift is generally expressed in parts per million (ppm).[1] To detect such small frequency differences the applied magnetic field must be constant throughout the sample volume. High resolution NMR spectrometers use shims to adjust the homogeneity of the magnetic field to parts per billion (ppb) in a volume of a few cubic centimeters.

Example of the chemical shift: NMR spectrum of hexaborane B6H10 showing peaks shifted in frequency, which give clues as to the molecular structure. (click to read interpretation details)

By understanding different chemical environments, the chemical shift can be used to obtain some structural information about the molecule in a sample. The conversion of the raw data to this information is called assigning the spectrum. For example, for the 1H-NMR spectrum for ethanol (CH3CH2OH), one would expect three specific signals at three specific chemical shifts: one for the CH3 group, one for the CH2 group and one for the OH group. A typical CH3 group has a shift around 1 ppm, a CH2 attached to an OH has a shift of around 4 ppm and an OH has a shift around 2–3 ppm depending on the solvent used.

Because of molecular motion at room temperature, the three methyl protons average out during the course of the NMR experiment (which typically requires a few ms). These protons become degenerate and form a peak at the same chemical shift.

The shape and size of peaks are indicators of chemical structure too. In the example above—the proton spectrum of ethanol—the CH3 peak would be three times as large as the OH. Similarly the CH2 peak would be twice the size of the OH peak but only 2/3 the size of the CH3 peak.

Modern analysis software allows analysis of the size of peaks to understand how many protons give rise to the peak. This is known as integration—a mathematical process which calculates the area under a curve. The analyst must integrate the peak and not measure its height because the peaks also have width—and thus its size is dependent on its area not its height. However, it should be mentioned that the number of protons, or any other observed nucleus, is only proportional to the intensity, or the integral, of the NMR signal, in the very simplest one-dimensional NMR experiments. In more elaborate experiments, for instance, experiments typically used to obtain carbon-13 NMR spectra, the integral of the signals depends on the relaxation rate of the nucleus, and its scalar and dipolar coupling constants. Very often these factors are poorly known - therefore, the integral of the NMR signal is very difficult to interpret in more complicated NMR experiments.

[edit] J-coupling

Multiplicity Intensity Ratio
Singlet (s) 1
Doublet (d) 1:1
Triplet (t) 1:2:1
Quartet (q) 1:3:3:1
Quintet 1:4:6:4:1
Sextet 1:5:10:10:5:1
Septet 1:6:15:20:15:6:1

Some of the most useful information for structure determination in a one-dimensional NMR spectrum comes from J-coupling or scalar coupling (a special case of spin-spin coupling) between NMR active nuclei. This coupling arises from the interaction of different spin states through the chemical bonds of a molecule and results in the splitting of NMR signals. These splitting patterns can be complex or simple and, likewise, can be straightforwardly interpretable or deceptive. This coupling provides detailed insight into the connectivity of atoms in a molecule.

Coupling to n equivalent (spin ½) nuclei splits the signal into a n+1 multiplet with intensity ratios following Pascal's triangle as described on the right. Coupling to additional spins will lead to further splittings of each component of the multiplet e.g. coupling to two different spin ½ nuclei with significantly different coupling constants will lead to a doublet of doublets (abbreviation: dd). Note that coupling between nuclei that are chemically equivalent (that is, have the same chemical shift) has no effect of the NMR spectra and couplings between nuclei that are distant (usually more than 3 bonds apart for protons in flexible molecules) are usually too small to cause observable splittings. Long-range couplings over more than three bonds can often be observed in cyclic and aromatic compounds, leading to more complex splitting patterns.

For example, in the proton spectrum for ethanol described above, the CH3 group is split into a triplet with an intensity ratio of 1:2:1 by the two neighboring CH2 protons. Similarly, the CH2 is split into a quartet with an intensity ratio of 1:3:3:1 by the three neighboring CH3 protons. In principle, the two CH2 protons would also be split again into a doublet to form a doublet of quartets by the hydroxyl proton, but intermolecular exchange of the acidic hydroxyl proton often results in a loss of coupling information.

Coupling to any spin ½ nuclei such as phosphorus-31 or fluorine-19 works in this fashion (although the magnitudes of the coupling constants may be very different). But the splitting patterns differ from those described above for nuclei with spin greater than ½ because the spin quantum number has more than two possible values. For instance, coupling to deuterium (a spin 1 nucleus) splits the signal into a 1:1:1 triplet because the spin 1 has three spin states. Similarly, a spin 3/2 nucleus splits a signal into a 1:1:1:1 quartet and so on.

Coupling combined with the chemical shift (and the integration for protons) tells us not only about the chemical environment of the nuclei, but also the number of neighboring NMR active nuclei within the molecule. In more complex spectra with multiple peaks at similar chemical shifts or in spectra of nuclei other than hydrogen, coupling is often the only way to distinguish different nuclei.

[edit] Second-order (or strong) coupling

The above description assumes that the coupling constant is small in comparison with the difference in NMR frequencies between the inequivalent spins. If the shift separation decreases (or the coupling strength increases), the multiplet intensity patterns are first distorted, and then become more complex and less easily analyzed (especially if more than two spins are involved). Intensification of some peaks in a multiplet is achieved at the expense of the remainder, which sometimes almost disappear in the background noise, although the integrated area under the peaks remains constant. In most high-field NMR, however, the distortions are usually modest and the characteristic distortions (roofing) can in fact help to identify related peaks.

Second-order effects decrease as the frequency difference between multiplets increases, so that high-field (i.e. high-frequency) NMR spectra display less distortion than lower frequency spectra. Early spectra at 60 MHz were more prone to distortion than spectra from later machines typically operating at frequencies at 200 MHz or above.

[edit] Magnetic inequivalence

More subtle effects can occur if chemically equivalent spins (i.e. nuclei related by symmetry and so having the same NMR frequency) have different coupling relationships to external spins. Spins that are chemically equivalent but are not indistinguishable (based on their coupling relationships) are termed magnetically inequivalent. For example, the 4 H sites of 1,2-dichlorobenzene divide into two chemically equivalent pairs by symmetry, but an individual member of one of the pairs has different couplings to the spins making up the other pair. Magnetic inequivalence can lead to highly complex spectra which can only be analyzed by computational modeling. Such effects are more common in NMR spectra of aromatic and other non-flexible systems, while conformational averaging about C-C bonds in flexible molecules tends to equalize the couplings between protons on adjacent carbons, reducing problems with magnetic inequivalence.

[edit] Correlation spectroscopy

Correlation spectroscopy is one of several types of two-dimensional nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy or 2D-NMR. This type of NMR experiment is best known by its acronym, COSY. Other types of two-dimensional NMR include J-spectroscopy, exchange spectroscopy (EXSY), Nuclear Overhauser effect spectroscopy (NOESY), total correlation spectroscopy (TOCSY) and heteronuclear correlation experiments, such as HSQC, HMQC, and HMBC. Two-dimensional NMR spectra provide more information about a molecule than one-dimensional NMR spectra and are especially useful in determining the structure of a molecule, particularly for molecules that are too complicated to work with using one-dimensional NMR. The first two-dimensional experiment, COSY, was proposed by Jean Jeener, a professor at Université Libre de Bruxelles, in 1971[citation needed]. This experiment was later implemented by Walter P. Aue, Enrico Bartholdi and Richard R. Ernst, who published their work in 1976.[2]

[edit] Solid-state nuclear magnetic resonance

A variety of physical circumstances does not allow molecules to be studied in solution, and at the same time not by other spectroscopic techniques to an atomic level, either. In solid-phase media, such as crystals, microcrystalline powders, gels, anisotropic solutions, etc., it is in particular the dipolar coupling and chemical shift anisotropy that become dominant to the behaviour of the nuclear spin systems. In conventional solution-state NMR spectroscopy, these additional interactions would lead to a significant broadening of spectral lines. A variety of techniques allows to establish high-resolution conditions, that can, at least for 13C spectra, be comparable to solution-state NMR spectra.

Two important concepts for high-resolution solid-state NMR spectroscopy are the limitation of possible molecular orientation by sample orientation, and the reduction of anisotropic nuclear magnetic interactions by sample spinning. Of the latter approach, fast spinning around the magic angle is a very prominent method, when the system comprises spin 1/2 nuclei. A number of intermediate techniques, with samples of partial alignment or reduced mobility, is currently being used in NMR spectroscopy.

Applications in which solid-state NMR effects occur are often related to structure investigations on membrane proteins, protein fibrils or all kinds of polymers, and chemical analysis in inorganic chemistry, but also include "exotic" applications like the plant leaves and fuel cells.

[edit] Biomolecular NMR

[edit] Proteins

Much of the recent innovation within NMR spectroscopy has been within the field of protein NMR, which has become a very important technique in structural biology. One common goal of these investigations is to obtain high resolution 3-dimensional structures of the protein, similar to what can be achieved by X-ray crystallography. In contrast to X-ray crystallography, NMR is primarily limited to relatively small proteins, usually smaller than 35 kDa, though technical advances allow ever larger structures to be solved. NMR spectroscopy is often the only way to obtain high resolution information on partially or wholly intrinsically unstructured proteins. It is now a common tool for the determination of Conformation Activity Relationships where the structure before and after interaction with, for example, a drug candidate is compared to its known biochemical activity. Proteins are orders of magnitude larger than the small organic molecules discussed earlier in this article, but the basic NMR techniques and some of the NMR theory also applies. Because of the much higher number of atoms present in a protein molecule in comparison with a small organic compound, the basic 1D spectra become crowded with overlapping signals to an extent where direct spectra analysis becomes untenable. Therefore, multidimensional (2, 3 or 4D) experiments have been devised to deal with this problem. To facilitate these experiments, it is desirable to isotopically label the protein with 13C and 15N because the predominant naturally occurring isotope 12C is not NMR-active, whereas the nuclear quadrupole moment of the predominant naturally occurring 14N isotope prevents high resolution information to be obtained from this nitrogen isotope. The most important method used for structure determination of proteins utilizes NOE experiments to measure distances between pairs of atoms within the molecule. Subsequently, the obtained distances are used to generate a 3D structure of the molecule by solving a distance geometry problem.

[edit] Nucleic acids

Nucleic acid NMR is the use of NMR spectroscopy to obtain information about the structure and dynamics of nucleic acid molecules, such as DNA or RNA. As of 2003, nearly half of all known RNA structures had been determined by NMR spectroscopy.[3]

Nucleic acid NMR uses similar techniques as protein NMR, but has several differences. Nucleic acids have a smaller percentage of hydrogen atoms, which are the atoms usually observed in NMR, and because nucleic acid double helices are stiff and roughly linear, they do not fod back on themselves to give "long-range" correlations.[4] The types of NMR usually done with nucleic acids are 1H or proton NMR, 13C NMR, 15N NMR, and 31P NMR. Two-dimensional NMR methods are almost always used, such as correlation spectroscopy (COSY) and total coherence transfer spectroscopy (TOCSY) to detect through-bond nuclear couplings, and nuclear Overhauser effect spectroscopy (NOESY) to detect couplings between nuclei that are close to each other in space. [5]

Parameters taken from the spectrum, mainly NOESY cross-peaks and coupling constants, can be used to determine local structural features such as glycosidic bond angles, dihedral angles (using the Karplus equation), and sugar pucker conformations. For large-scale structure, these local parameters must be supplemented with other structural assumptions or models, because errors add up as the double helix is traversed, and unlike with proteins, the double helix does not have a compact interior and does not fold back upon itself. NMR is also useful for investigating nonstandard geometries such as bent helices, non-Watson–Crick basepairing, and coaxial stacking. It has been especially useful in probing the structure of natural RNA oligonucleotides, which tend to adopt complex confromations such as stem-loops and pseudoknots. NMR is also useful for probing the binding of nucleic acid molecules to other molecules, such as proteins or drugs, by seeing which resonances are shifted upon binding of the other molecule.[5]

[edit] Carbohydrates

Carbohydrate NMR is the application of NMR to structural and conformational analysis of carbohydrate molecules. The study of carbohydrate chemistry today relies heavily on NMR spectroscopy. It is a tool that allows the carbohydrate chemist to determine the structure of monosaccharides and oligosaccharides from synthetic and natural sources. It is also a useful tool for determining sugar conformations.

Modern high field strength NMR instruments used for carbohydrate samples, typically 500 MHz or greater, are able to run a suite of 1D and 2D experiments to determine primary structure and conformation of carbohydrate compounds.

[edit] See also

[edit] References

  1. ^ James Keeler. "Chapter 2: NMR and energy levels" (reprinted at University of Cambridge). Understanding NMR Spectroscopy. University of California, Irvine. http://www-keeler.ch.cam.ac.uk/lectures/Irvine/chapter2.pdf. Retrieved 2007-05-11. 
  2. ^ Martin, G.E; Zekter, A.S., Two-Dimensional NMR Methods for Establishing Molecular Connectivity; VCH Publishers, Inc: New York, 1988 (p.59)
  3. ^ . doi:10.1002/cbic.200300700. 
  4. ^ Addess, Kenneth J.; Feigon, Juli (1996). "Introduction to 1H NMR Spectroscopy of DNA". In Hecht, Sidney M.. Bioorganic Chemistry: Nucleic Acids. New York: Oxford University Press. ISBN 0195084675. 
  5. ^ a b Wemmer, David (2000). "Chapter 5: Structure and Dynamics by NMR". In Bloomfield, Victor A., Crothers, Donald M., and Tinoco, Ignacio. Nucleic acids: Structures, Properties, and Functions. Sausalito, California: University Science Books. ISBN 0935702490
+ نوشته شده در  13 Aug 2011ساعت 2:49 PM  توسط سروش نادری فر  | 

+ نوشته شده در  7 Apr 2011ساعت 11:31 AM  توسط سروش نادری فر  | 

بیوشیمی علمی است که درباره ترکیبات و واکنشهای شیمیایی در موجودات زنده بحث می‌کند.

 

دید کلی

اساس شیمیایی بسیاری از واکنشها در موجودات زنده شناخته شده است. کشف ساختمان دو رشته‌ای دزاکسی ریبونوکلئیک اسید (DNA) ، جزئیات سنتز پروتئین از ژنها ، مشخص شدن ساختمان سه بعدی و مکانیسم فعالیت بسیاری از مولکولهای پروتئینی ، روشن شدن چرخه‌های مرکزی متابولیسم وابسته بهم و مکانیسمهای تبدیل انرژی و گسترش تکنولوژی Recombinant DNA (نوترکیبی DNA) از دستاوردهای برجسته بیوشیمی هستند. امروزه مشخص شده که الگو و اساس مولکولی باعث تنوع موجودات زنده شده است.

تمامی ارگانیسمها از باکتریها مانند اشرشیاکلی تا انسان ، از واحدهای ساختمانی یکسانی که به صورت ماکرومولکولها تجمع می‌یابند، تشکیل یافته‌اند. انتقال اطلاعات ژنتیکی از DNA به ریبونوکلئیک اسید (RNA) و پروتئین در تمامی ارگانیسمها به صورت یکسان صورت می‌گیرد. آدنوزین تری فسفات (ATP) ، فرم عمومی انرژی در سیستمهای بیولوژیکی ، از راههای مشابهی در تمامی جانداران تولید می‌شود.

تاثیر بیوشیمی در کلینیک

مکانیسمهای مولکولی بسیاری از بیماریها ، از قبیل بیماری کم خونی و اختلالات ارثی متابولیسم ، مشخص شده است. اندازه گیری فعالیت آنزیمها در تشخیص کلینیکی ضروری می‌باشد. برای مثال ، سطح بعضی از آنزیمها در سرم نشانگر این است که آیا بیمار اخیرا سکته قلبی کرده است یا نه؟بررسی DNAدر تشخیص ناهنجاریهای ژنتیکی ، بیماریهای عفونی و سرطانها نقش مهمی ایفا می کند. سوشهای باکتریایی حاوی DNA نوترکیب که توسط مهندسی ژنتیک ایجاد شده است، امکان تولید پروتئینهایی مانند انسولین و هورمون رشد را فراهم کرده است. به علاوه ، بیوشیمی اساس علایم داروهای جدید خواهد بود. در کشاورزی نیز از تکنولوژی DNA نوترکیب برای تغییرات ژنتیکی روی ارگانیسمها استفاده می‌شود.

گسترش سریع علم و تکنولوژی بیوشیمی در سالهای اخیر ، محققین را قادر ساخته که به بسیاری از سوالات و اشکالات اساسی در مورد بیولوژی و علم پزشکی جواب بدهند. چگونه یک تخم حاصل از لقاح گامتهای نر و ماده به سلولهای عضلانی ، مغز و کبد تبدیل می‌شود؟ به چه صورت سلولها با همدیگر به صورت یک اندام پیچیده درمی‌آیند؟ چگونه رشد سلولها کنترل می‌شود؟ علت سرطان چیست؟ مکانیسم حافظه کدام است؟ اساس مولکولی اسکیزوفرنی چیست؟

مدلهای مولکولی ساختمان سه بعدی

وقتی ارتباط سه بعدی بیومولکولها و نقش بیولوژیکی آنها را بررسی می‌کنیم، سه نوع مدل اتمی برای نشان دادن ساختمان سه بعدی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

مدل فضا پرکن (Space _ Filling)

این نوع مدل ، خیلی واقع بینانه و مصطلح است. اندازه و موقعیت یک اتم در مدل فضا پرکن بوسیله خصوصیات باندها و شعاع پیوندهای واندروالسی مشخص می‌شود. رنگ مدلهای اتم طبق قرارداد مشخص می‌شود.

مدل گوی و میله (ball _ and _ Stick)

این مدل به اندازه مدل فضا پرکن ، دقیق و منطقی نیست. برای اینکه اتمها به صورت کروی نشان داده شده و شعاع آنها کوچکتر از شعاع واندروالسی است.

مدل اسکلتی (Skeletal)

ساده‌ترین مدل مورد استفاده است و تنها شبکه مولکولی را نشان می‌دهد و اتمها به وضوح نشان داده نمی‌شوند. این مدل ، برای نشان دادن ماکرومولکولهای بیولوژیکی از قبیل مولکولهای پروتئینی حاوی چندین هزار اتم مورد استفاده قرار می‌گیرد.

فضا

در نشان دادن ساختمان مولکولی ، بکار بردن مقیاس اهمیت زیادی دارد. واحد آنگستروم ( )، بطور معمول برای اندازه‌گیری طول سطح اتمی مورد استفاده قرار می‌گیرد. برای مثال ، طول باند C _ C ، مساوی 1،54 آنگستروم می‌باشد. بیومولکولهای کوچک ، از قبیل کربوهیدراتها و اسیدهای آمینه ، بطور تیپیک ، طولشان چند آنگستروم است. ماکرومولکولهای بیولوژیکی ، از قبیل پروتئینها ، 10 برابر بزرگتر هستند. برای مثال ، پروتئین حمل کننده اکسیژن در گلبولهای قرمز یا هموگلوبین ، دارای قطر 65 آنگستروم است. ماکرومولکولهای چند واحدی 10 برابر بزرگتر می‌باشند. ماشینهای سنتز کننده پروتئین در سلولها یا ریبوزومها ، دارای 300 آنگستروم طول هستند. طول اکثر ویروسها در محدوده 100 تا 1000 آنگستروم است. سلولها بطور طبیعی 100 برابر بزرگتر هستند و در حدود میکرومتر (μm) می‌باشند. برای مثال قطر گلبولهای قرمز حدود 7μm است. میکروسکوپ نوری حداقل تا 2000 آنگستروم قابل استفاده است. مثلا میتوکندری را می‌توان با این میکروسکوپ مشاهده کرد. اما اطلاعات در مورد ساختمانهای بیولوژیکی از مولکولهای 1 تا آنگستروم با استفاده از میکروسکوپ الکترونی X-ray بدست آمده است. مولکولهای حیات ثابت می‌باشند.

زمان لازم برای انجام واکنشهای بیوشیمیایی

راکسیونهای شیمیایی در سیستمهای بیولوژیکی به وسیله آنزیمها کاتالیز می‌شوند. آنزیمها سوبستراها را در مدت میلی ثانیه ( ) به محصول تبدیل می‌کنند. سرعت بعضی از آنزیمها حتی سریعتر نیز می‌باشد، مثلا کوتاهتر از چند میکروثانیه ( ). بسیاری از تغییرات فضایی در ماکرومولکولهای بیولوژیکی به سرعت انجام می‌گیرد. برای مثال ، باز شدن دو رشته هلیکسی DNA از همدیگر که برای همانندسازی و رونویسی ضروری است، یک میکروثانیه طول می‌کشد. جابجایی یک واحد (Domain) از پروتئین با حفظ واحد دیگر ، تنها در چند نانوثانیه ( ) اتفاق می‌افتد. بسیاری از پیوندهای غیر کووالان مابین گروههای مختلف ماکرومولکولی در عرض چند نانوثانیه تشکیل و شکسته می‌شوند. حتی واکنشهای خیلی سریع و غیر قابل اندازه گیری نیز وجود دارد. مشخص شده است که اولین واکنش در عمل دیدن ، تغییر در ساختمان ترکیبات جذب کننده فوتون به نام رودوپسین می‌باشد که در عرض اتفاق می‌افتد.

انرژی

ما بایستی تغییرات انرژی را به حوادث مولکولی ربط دهیم. منبع انرژی برای حیات ، خورشید است. برای مثال ، انرژی فوتون سبز ، حدود 57 کیلوکالری بر مول (Kcal/mol) بوده و ATP ، فرمول عمومی انرژی ، دارای انرژی قابل استفاده به اندازه 12 کیلوکالری بر مول می‌باشد. برعکس ، انرژی متوسط هر ارتعاش آزاد در یک مولکول ، خیلی کم و در حدود 0،6 کیلوکالری بر مول در 25 درجه سانتیگراد می‌باشد. این مقدار انرژی ، خیلی کمتر از آن است که برای تجزیه پیوندهای کووالانسی مورد نیاز است، (برای مثال 83Kcal/mol برای پیوند C _ C). بدین خاطر ، شبکه کووالانسی بیومولکولها در غیاب آنزیمها و انرژی پایدار می‌باشد. از طرف دیگر ، پیوندهای غیر کووالانسی در سیستمهای بیولوژیکی بطور تیپیک دارای چند کیلوکالری انرژی در هر مول می‌باشند. بنابراین انرژی حرارتی برای ساختن و شکستن آنها کافی است. یک واحد جایگزین در انرژی ، ژول می‌باشد که برابر 0،239 کالری است.

ارتباطات قابل بازگشت بیومولکولها

ارتباطات قابل برگشت بیومولکولها از سه نوع پیوند غیر کووالانسی تشکیل شده است. ارتباطات قابل برگشت مولکولی ، مرکز تحرک و جنبش موجود زنده است. نیروهای ضعیف و غیر کووالان نقش کلیدی در رونویسی DNA ، تشکیل ساختمان سه بعدی پروتئینها ، تشخیص اختصاصی سوبستراها بوسیله آنزیمها و کشف مولکولهای سیگنال ایفا می‌کنند. به علاوه ، اکثر مولکولهای بیولوژیکی و پروسه‌های درون مولکولی ، بستگی به پیوندهای غیر کووالانی همانند پیوندهای کووالانی دارند. سه پیوند اصلی غیر کووالان عبارت است از: پیوندهای الکترواستاتیک ، پیوندهای هیدروژنی و پیوندهای واندروالسی آنها از نظر ژئومتری ، قدرت و اختصاصی بودن با هم تفاوت دارند. علاوه از آن ، این پیوندها به مقدار زیادی از طرق مختلف در محلولها تحت تاثیر قرار می‌گیرند

+ نوشته شده توسط سروش نادری فر
+ نوشته شده در  7 Apr 2011ساعت 11:30 AM  توسط سروش نادری فر  | 

ریشه لغوی

واژه پلیمر از دو واژه یونانی Poly و Meros مشتق شده است و به معنی بسپار است.

مقدمه

بشر نخستین ، آموخته بود چگونه الیاف پروتئینی پشم و ابریشم و الیاف سلولزی پنبه و کتان را عمل آورد، رنگرزی کند و ببافد. بومیان جنوبی از لاستیک طبیعی ، برای ساختن اشیاء کشسان و پارچه‌های ضد آب استفاده می‌کردند. پلی کلروپرن ، نخستین لاستیک سنتزی است که در آمریکا تهیه شد و گسترش یافت. پلی بوتادین ، نخستین کائوچوی سنتزی است که آلمانی‌ها به نام بونا- اس به مقدار کافی تهیه کردند. بوتیل کائوچو ، یکی از چهار لاستیک سنتزی است که اکنون به مقدار بیشتری تهیه و مصرف می‌شود.

تاریخچه

نخستین لاستیک مصنوعی ، سلولوئید است که از نیترو سلولز و کافور توسط "پارکر" در سال 1865 تهیه شد. ولی در سال 1930، عمل پلیمریزاسیون و الکلاسیون کشف شد و در صنعت بکار گرفته شد. در این دوران ، آمونیاک برای تولید مواد منفجره ، تولوئن برای TNT و بوتادین و استیرن برای تولید لاستیک مصنوعی به مقدار زیادی از نفت تولید شد.

سیر تحولی

استات سلولز در سال 1894 توسط "بران دکرس" سنتز شد و در سال 1905 توسط "میلس" کامل شد. در سال 1900، "رم" ، پلیمریزاسیون ترکیبات آکریلیک را آغاز کرد و در سال 1901، "اسمیت" نخستین فتالات گلسیرین (یا فتالات گلسیریل) را تهیه کرد. در اواسط قرن بیستم در آلمان ، "اشتودینگر" ، قانون مهم ساختار مولکولهای بزرگ را وضع کرد. در سال 1934، کارخانه (ICI) موفق به تهیه مولکولهای بزرگ پلی اتیلن شد.

"دوپن" بطور منظم در زمینه تراکم مواد بررسیهایی انجام دارد که در نتیجه ، به تهیه پلی آمیدها یعنی الیاف
نایلون نایل شد و الیاف پلی آمید را از کاپرولاکتام تهیه کرد که به الیاف پرلون شهرت یافت.

نقش و تاثیر پلیمرها در زندگی

کاغذ ، چوب ، نایلون ، الیاف پلی استر ، ظروف ملامین ، الیاف پلی اتیلن ، اندود تفلون ظروف آشپزی ، نشاسته ، گوشت ، مو ، پشم ، ابریشم ، لاستیک اتومبیل و... ، ماکرومولکولهایی هستند که روزانه با آنها برخورد می‌کنیم.

تصویر

مفاهیم مرتبط با شیمی پلیمر

در مورد پلیمرها با مفاهیمی همچون خواص فیزیکی و مکانیکی ، مکانیسم پلیمر شدن ، فرآورش پلیمرها روبرو هستیم.

خواص فیزیکی و مکانیکی پلیمرها

در بر گیرنده مفاهیم زیر است:

مورفولوژی ، رئولوژی ،
انحلال پذیری ، وزن مولکولی ، روشهای آزمودن ، روشهای شناسایی.

مکانیسم پلیمری شدن

از سه طریق زیر است:

پلیمرشدن تراکمی ، پلیمرشدن افزایشی ، کوپلیمرشدن.

فرآورش پلیمرها

در برگیرنده مباحث زیر است:

پر کننده‌ها ، توان دهنده‌ها ، نرم سازها ، پایدار کننده‌ها، عمل آورنده‌ها ، رنگ‌ها و غیره.

شاخه‌های شیمی مرتبط با شیمی پلیمر

شیمی پلیمر با مباحث زیر در ارتباط است:


چند کاربرد مهم پلیمرها

پلی آمید (نایلون)

برای تهیه الیاف ، طناب ، تسمه ، البسه ، پلاستیک صنعتی ، جایگزین فلز در ساخت غلتک یا تاقان ، بادامک ، دنده ، وسایل الکتریکی بکار می‌رود.

پلی استر

بصورت الیاف ، جهت تهیه انواع لباسها ، نخ لاستیک ، بصورت لایه برای تهیه نوار ضبط صوت و فیلم بکار می‌رود.

تصویر

پلی اتیلن (کم‌چگالی ، شاخه‌دار)

بصورت لایه ورقه در صنایع بسته بندی ، کیسه پلاستیکی ، الیاف پارچه بافتنی ، بسته‌بندی غذای منجمد ، پرده ، پوشش پلاستیکی ، عایق ، سیم و کابل ، بطری بکار می‌رود.

پلی استیرل

برای تهیه رزینهای تبادل یونی ، انواع کوپلیمرها ، رزینهای ABC ، مواد اسفنجی ، وسایل نوری ، وسایل خانگی ، اسباب بازی ، مبلمان بکار می‌رود.
+ نوشته شده در  16 Jan 2011ساعت 2:27 PM  توسط سروش نادری فر  | 

ترمودینامیک شیمیایی

تعیین سمت و سوی واکنش

ترمودینامیک شیمیایی در عمل ، برقراری چهارچوبی برای تعیین امکان پذیربودن یا خود به خود انجام شدن تحولی فیزیکی یا شیمیایی معین است. به عنوان مثال ، ممکن است به حصول معیاری جهت تعیین امکان پذیر بودن تغییری از یک فاز به فاز دیگر بطور خود به خود مانند تبدیل گرافیت به الماس یا با تعیین سمت و سوی خود به خود انجام شدن واکنشی زیستی که در سلول اتفاق می‌افتد، نظر داشته باشیم.

در حلاجی این نوع مسائل ، چند مفهوم نظری و چند تابع ریاضی دیگر بر مبنای قوانین اول و دوم ترمودینامیک و برحسب توابع انرژی گیبس ابداع شده‌اند که شیوه‌های توانمندی برای دستیابی به پاسخ آن مسائل ، در اختیار قرار داده‌اند.

تعادل

پس از تعیین شدن سمت و سوی تحولی طبیعی ، ممکن است علم بر میزبان پیشرفت آن تا رسیدن به تعادل نیز مورد توجه باشد. به عنوان نمونه ، ممکن است حداکثر راندمان تحولی صنعتی یا قابلیت انحلال دی‌اکسید کربن موجود در هوا ، در آبهای طبیعی یا تعیین غلظت تعادلی گروهی از متابولیتها ( Metabolites ) در یک سلول مورد نظر باشد. روشهای ترمودینامیکی ، روابط ریاضی لازم برای محاسبه و تخمین چنین کمیت‌هایی را بدست می‌دهد.

گرچه هدف اصلی در ترمودینامیک شیمیایی ، تجزیه و تحلیل در بررسی امکان خود به خود انجام شدن یک تحول و تعادل می‌باشد، ولی علاوه بر آن ، روشهای ترمودینامیکی به بسیاری از مسائل دیگر نیز قابل تعمیم هستند. مطالعه تعادلهای فاز ، چه در سیستم‌های ایده آل و چه در غیر آن ، پایه و اساس کار برای کاربرد هوشمندانه روشهای استخراج ، تقطیر و تبلور به عملیات متالوژی و درک گونه‌های کانی‌ها در سیستم‌های زمین‌ شناسی می‌باشد.

تغییرات انرژی

همین طور ، تغییرات انرژی ، همراه با تحولی فیزیکی یا شیمیایی ، چه به صورت کار و چه به صورت گرما مورد توجه جدی قرار دارند؛ این تحول ممکن است احتراق یک سوخت ، شکافت هسته اورانیوم یا انتقال یک متابولیت در بستر گرادیان غلظت باشد.

مفاهیم و روشهای ترمودینامیکی ، نگرشی قوی برای درک چنان مسائلی را فراهم می آورد که در شیمی فیزیک مورد بررسی قرار می‌گیرند.

تصویر

الکتروشیمی

تمام واکنش‌های شیمیایی ، اساسا ماهیت الکتریکی دارند؛ زیرا الکترونها ، در تمام انواع پیوندهای شیمیایی (به راههای گوناگون) دخالت دارد. اما الکتروشیمی ، بیش ار هر چیز بررسی پدیده های اکسایش- کاهش (Oxidation - Reduction) است. روابط بین تغییر شیمیایی و انرژی الکتریکی ، هم از لحاظ نظری و هم از لحاظ عملی حائز اهمیت است.

از واکنش‌های شیمیایی می‌توان برای تولید انرژی الکتریکی استفاده کرد، (در سلولهایی که "سلولها یا پیلهای ولتایی" یا "سلولهای گالوانی" نامیده می‌شوند) و انرژی الکتریکی را می‌توان برای تبادلات شیمیایی بکار برد (در سلولهای الکترولیتی). علاوه بر این، مطالعه فرایندهای الکتروشیمیایی منجر به فهم و تنظیم قواعد آن گونی از پدیده های اکسایش- کاهش که خارج از این گونه سلولها یا پیلها روی می دهد نیز می‌شود.

سینتیک شیمیایی (Chemical Kinetic)

سینتیک شیمیایی عبارت از بررسی سرعت واکنش‌های شیمیایی است. سرعت یک واکنش شیمیایی را عوامل معدودی کنترل می‌کنند. بررسی این عوامل ، راههایی را نشان می‌دهد که در طی آنها ، مواد واکنش‌دهنده به محصول واکنش تبدیل می‌شوند. توضیح تفضیلی مسیر انجام واکنش بر مبنای رفتار اتم‌ها ، مولکول‌ها و یون‌ها را "مکانیسم واکنش" می‌نامیم.

در ترمودینامیک و الکتروشیمی ، کارها پیش‌بینی انجام واکنش بود؛ اما مشاهدات صنعتی ، نتایج ترمودینامیک شیمیایی را به نظر تایید نمی‌کند. در این حالت نبایستی فکر کنیم که پیش بینی ترمودینامیک اشتباه بوده است؛ چون ترمودینامیک کاری با میزان پیشرفت واکنش و نحوه انجام فرایندها ندارد. نظر به اهمیت انجام فرایندها از نظر بهره زمانی ، لازم است که عامل زمان در بررسی فرایندها وارد شود.

به عنوان مثال ، کاتالیزورهای بخصوصی به نام "آنزیم‌ها" در تعیین این که کدام واکنش در سیستمهای زیستی با سرعت قابل ملاحظه به راه بیافتد، عواملی مهم هستند. مثلا مولکول "تری فسفات آدنوزین" (Adnosine triphosphate) از لحاظ ترمودینامیکی در محلولهای آبی ناپایدار بوده و باید هیدرولیز گردیده و به "دی فسفات آدنوزین" و یک فسفات معدنی تجزیه شود. در صورتی که این واکنش در غیاب آنزیمی ویژه ، "آدنوزین تری فسفاتاز" ، بسیار کند می‌باشد.

در واقع همین کنترل ترمودینامیکی سمت و سوی واکنش‌ها به همراه کنترل سرعت آنها توسط آنزیمهاست که موجودیت سیستمی با تعادل بسیار ظریف ، یعنی سلول زنده را مقدور می‌سازد. بیشتر واکنش‌های شیمیایی طی مکانیسمهای چند مرحله‌ای صورت می‌گیرند. هرگز نمی‌توان اطمینان داشت که یک مکانیسم پیشنهاد شده ، بیانگر واقعیت باشد. مکانیسم واکنشها تنها حدس و گمانهایی بر اساس بررسیهای سینتیکی‌اند.

ارتباط شیمی فیزیک با سایر علوم

همانطور که عنوان شد و از نام شیمی فیزیک پیداست، این علم ، مسائل و پدیده‌های شیمیایی را با اصول و قوانین فیزیک توجیه می‌کند و ارتباط تنگاتنگی میان شیمی و فیزیک برقرار می‌کند. علاوه بر آن ، روابط بسیار پیچیده شیمیایی با زبان ریاضی ، مرتب و طبقه‌بندی شده و قابل فهم می‌گردد. بسیاری از پدیده‌های زیستی مانند سوخت و ساز مواد غذایی در سلولهای بدن با علم شیمی فیزیک توجیه می‌شود و این ، ارتباط شیمی فیزیک را با زیست شناسی و به تبع آن پزشکی بیان می‌کند.

بسیاری از پدیده های طبیعی که به صورت خود به خودی انجام می‌گیرد، همانند تبدیل خود به خودی الماس به گرافیت ، با علم شیمی فیزیک توجیه می‌شود.

تصویر

کاربردهای شیمی فیزیک

ارتباط شیمی فیزیک با سایر علوم ، کاربردهای اقتصادی و اجتماعی این علم را بیان می‌کند. به عنوان مثال ، با مطالعه الکتروشیمی ، به پایه و اساس پدیده‌های طبیعی مانند خوردگی فلزات پی برده و می‌توان از ضررهای اقتصادی و اجتماعی چنین پدیده‌هایی جلوگیری کرده و یا این پدیده‌ها را به مسیری مفید برای جامعه سوق داد. علاوه بر آن ، کاربرد قوانین ترمودینامیک مانند "نقطه اتکیتک" در جلوگیری از ضررهای جانی و مالی پدیده‌های طبیعی مانند یخ بندان بعد از بارش برف ، بسیار مفید می‌باشد (مخلوط کردن برف و نمک بر اساس نقطه اتکیتک).

فراموش نکنیم که تمامی باطری‌ها و پیلهایی که وسایل زندگی ما با نیروی آنها بکار گرفته می‌شوند، براساس قوانین شیمی فیزیک ساخته شده‌اند.
+ نوشته شده در  16 Jan 2011ساعت 2:18 PM  توسط سروش نادری فر  | 

 

  

مقدمه

پس از گذشت تقریبا نیم سده از پرتاب نخستین موشک به فضا ، فناوریهای بکار رفته در ساخت موتورهای موشک ، دست خوش دگرگونیهایی گشته است. موتورهای سوخت مایع و سوخت جامد از این جمله هستند. در حال حاضر جدیدترین فناوری بکار رفته در ساخت موتور موشک ، موتور یونی است که از حالت چهارم ماده ، یعنی پلاسما بهره می‌برد. جالب است بدانید که ایده‌ پیشرانش الکتریکی از همان ابتدا توسط وارنرفن براون در دهه 1930 شکل گرفت؛ ولی او کارش را با سامانه‌های پیشران شیمیایی آغاز کرد.


 




موشکهای مرسوم همان موشکهایی هستند که وقتی به صحنه پرتاب شاتل فضایی یا مأموریت آپولو فکر می‌کنید در ذهنتان نقش می‌بندد. دود شعله بسیار بسیار عظیمی از گازها بر می‌خیزد. موشکهای مرسوم مقادیر بسیار عظیمی نیروی پرتاب تولید می‌کنند تا اجسام را در فضا قرار دهند و مانند هواپیمای جت ، آتش بازی و یا بادکنک رها شده ، از پدیده‌ای موسوم به پیشرانش استفاده می‌کنند. در اصل موشک به دلیل خروج مواد با فشار زیاد همچون گازهای داغ از عقب آن ، به سمت جلو حرکت می‌کند. گازها از سوختن در مجاورت اکسیژن یا ماده دیگری به نام اکسید کننده شکل می‌گیرند. یون ، یک اتم یا مولکول باردار است. علت باردار بودن ، آن است که تعداد الکترونها در اتم یا مولکول با تعداد پروتونها برابر نیست.

پیشران چیست؟

اساس کار موشکها قانون سوم نیوتن است: هر کنشی ، واکنشی برابر و در جهت مخالف دارد. برای اینکه موشکها به سمت جلو خیز بردارند، باید چیزی به سمت عقب خیز بردارد. آن چیز پیشران است. پیشران ماده‌ای است که از عقب راکت فضاپیما با فشار خارج می‌شود و باعث رانش به سمت جلو یا نیروی پرتاب می‌شود. غالبا پیشران نوعی سوخت است که با یک اکسید کننده می‌سوزد تا حجم زیادی از گازهای بسیار داغ تولید کند. این گازها منبسط می‌شوند؛ تا جایی که با شدت از عقب موشک خارج شوند و نیروی پرتاب یا پیشرانش تولید کنند.

گاهی اوقات پیشران نمی‌سوزد، و بطور مستقیم از فضاپیما خارج می‌شود و تولید نیروی پرتاب یا پیشرانش می‌کند. در رانش یونی ، پیشران از اتمهای باردار الکتریکی ساخته شده است که بر اساس خاصیت مغناطیسی از عقب فضاپیما خارج می‌شوند. برای پیشرانه‌های کوچکتر ، یک گاز متراکم از عقب فضاپیما خارج می‌شود.

یون چیست و اتمها چگونه باردار می‌شوند؟

یون یک اتم یا مولکول باردار است. علت باردار یون آن است که تعداد الکترونها در اتم یا مولکول با تعداد پروتونها برابر نیست. یک اتم می‌تواند بسته به اینکه تعداد الکترونها بیشتر یا کمتر از تعداد پروتونها باشد، بار منفی یا مثبت بدست آورد. وقتی که یک اتم توسط اتمی دیگر جذب شود، چون تعداد الکترونها و پروتونهای آن برابر نیست، به آن "یون" گفته می‌شود. اگر اتم الکترونهای بیشتری نسبت به پروتون داشته باشد، یون منفی یا آنیون خوانده می‌شود.

یک اتم باردار الکترون اضافی یا کمبود الکترون دارد. در سامانه دی اس 1 اتمها تا زمانی که بسیتر پر انرژی و ناپایدار شوند، گرما می‌بینند. سپس با الکترونهایی که توسط یک اشعه کاتدی در محفظه پیشران تخلیه شده‌اند برخورد می‌کنند. وقتی که الکترونها در محفظه پیشران با اتمها برخورد می‌کنند باعث می‌شوند که تعدادی از الکترونهای موجود در اتم از آن جدا شوند. این توده بسیار گرم و باردار اتم همراه با الکترونهای مجزا تبدیل به پلاسما می‌شود.



عکس پیدا نشد

پلاسما چیست؟

پلاسما به عنوان چهارمین حالت ماده شناخته می‌شوند. سه نوع دیگر جامد ، مایع و گاز هستند. پلاسما ابری از پروتون ، نوترون و الکترون است که در آن الکترونها از مولکولها و اتمهای خودشان جدا شده‌اند و به پلاسما این امکان را می‌دهند که بیشتر مانند هر سه آنها (پروتون ، نوترون و الکترون) رفتار کند تا مثل توده‌ای از اتمها ، پلاسما بیشتر شبیه گاز است؛ زیرا اتمها با یکدیگر رابطه مشخصی ندارند، اما متفاوت از یک گاز رفتار می‌کند. به گفته دانشمندان پلاسما دارای رفتار جداگانه است. یعنی می‌تواند مانند یک مایع جاری شود و یا اینکه می‌تواند ناحیه‌ای را اشغال کند که در آن اتمها مانند آجرهایی به یکدیگر چسبیده‌اند.

یونها چگونه شتاب می‌گیرند؟

یونها رفتار مغناطیسی دارند. مانند یک آهنربا جذب چیزهایی با بار مخالف می‌شوند و از چیزهایی که بار مواق دارند دفع می‌شوند. سامانه الکتریکی پیشرانش یونی در دی اس 1 از این اصل جهت شتاب دادن به یونها بهره می‌برد. یک یون مثبت به سمت یک شیء با بار منفی شتاب می‌گیرد و از شیء با بار مثبت دور می‌شود. مقدار نیروی جاذبه و دافعه بستگی به اختلاف بار اشیای جذب شونده و دفع شونده دارد. هر چه این اختلاف -که اختلاف پتانسیل خوانده می‌شود- بیشتر باشد، یونها سریعتر حرکت می‌کنند و هر چه شیء بار بیشتری داشته باشد، یون سعی می‌کند سریعتر به سمت آن حرکت کند.

پیشرانش الکتریکی خورشیدی یا پسرانش یونی

پیشرانش الکتریکی خورشیدی از خاصیت الکتریسیته و مغناطیس جهت راندن یک سفینه در فضا بهره می‌برد. الکتریسیته از صفحه‌های خورشیدی سفینه حاصل می‌شود و به اتمهای داخل محفظه ، بار الکتریکی مثبت می‌دهد. این اتمهای باردار توسط میدان مغناطیسی به سمت عقب سفینه رانده و سپس توسط دافعه مغناطیسی به خارج از سفینه پرتاب می‌شوند. این مانند اتفاقی است که وقتی شما دو قطب هم نام دو آهنربا را نزدیک یکدیگر می‌کنید رخ می‌دهد؛ آنها همدیگر را دفع می‌کنند. این رگبار منظم خارج شونده از سفینه ، نیروی پرتاب لازم برای حرکت به جلوی سفینه را در فضا ایجاد می‌کند.

هر وسیله برای حرکت باید سوخت حمل کند، موتورهای یونی روشی ارائه می‌کنند که در آن سفینه‌های فضایی برای حرکت در فضا ، بر خلاف موشکهای مرسوم نیازی به حمل مقادیر زیاد سوخت ندارند. این روش مزایای زیادی دارد. یکی اینکه هر چه سفینه سوخت کمتری حمل کند، سبکتر خواهد بود و راحت‌تر به فضا می‌رود. مزیت دیگر این است که چون سفینه به سوخت کمتری نیاز دارد، خیلی زود سوختش تمام نمی‌شود تا از کار بیفتد. بیشتر انرژی داخل موشک یونی توسط الکتریسیته تأمین می‌شود که می‌تواند توسط صفحه‌های خورشیدی در حین پروار تولید شود.

تفاوت موتور یونی با موتورهای مرسوم

هر دو نوع موتور ، سفینه را توسط تولید نیروی پرتاب به جلو می‌رانند. این نیروی پرتاب توسط ماده ای پیشران که از عقب سفینه خارج می شود به وجود می آید. موتورهای یونی با موتورهای شیمیایی (موتورهایی که با سوخت مایع یا جامد کار می کمنند)، در چگونکی تولید نیروی پرتاب و به دست آوردن انرژی متفاوتند. موتورهای شیمیایی توسط مخلوط سوخت با یک ماده ی اکسید کننده کار می کنند. این کار باعث می شود که گاز منبسط شود و با فشار از عقب موتور خارج شود و نیروی پرتاب تولید کند.

موتورهای شیمیایی موتورهایی با جرم محدود هستند. به این معنی که مقدار توان و نیرویی که یک موتور شیمیایی تولید می‌کند، بستگی به این دارد که موشک چه مقدار سوخت و مواد اکسید کننده بتواند حمل کند. وقتی ماده پیشران تمام شود، موشک نمی‌تواند سریعتر حرکت کند. با وجود این ، موتورهای یونی متفاوت از موتورهای شیمیایی کار می‌کنند. موتورهای یونی به مقدار بسیار کوچک گاز شتابی اعمال می‌کند که با سرعت بسیار بالایی خارج شوند. برعکس ، موتورهای شیمیایی مقدارهای فراوان گاز را با سرعت کمتری به بیرون می‌رانند.

این به آن معنی است که موتورهای یونی سوخت بسیار کمتری استفاده می‌کنند. موتورهای یونی ، موتورهایی با انرژی محدود هستند؛ نه با جرم محدود. بنابراین تمام شدن گاز مسأله‌ای زیاد مهمی برای آنها به حساب نمی‌آید. محدودیتی که برای موتورهای یونی وجود دارد این است که بطور معمول ، تمام برق صرف تغذیه موتور یونی می‌شود. موتورهای یونی محدود به این هستند که یک موشک چه مقدار انرژی یا برق می‌تواند حمل کند، یا اینکه صفحه‌های خورشیدی آن چه مقدار انرژی می‌توانند جمع آوری کنند.



 

ضربه ویژه

ضربه ویژه به معنی تغییرات اندازه حرکت بر واحد جرم برای سوخت موشک است. به عبارت دیگر زمانی که سوخت استفاده شود، میزان فشار جلو برنده چه قدر است. سرعت یک موشک در مقایسه با وزنش به نیروی پرتاب بستگی دارد که تقریبا مقدار ماده پیشرانی است که از عقب موشک با سرعت خارج می‌شود. هر چه سرعت خروج پیشران از عقب موشک بیشتر باشد، موشک با سرعت بیشتری حرکت می‌کند یا بار بیشتری را می‌تواند حمل کند. ضربه ویژه پیشران موشک ، میزان تقریبی سرعت پیشرانی است که از عقب موشک به بیرون می‌جهد.

موشکی با ضربه ویژه زیاد ، نسبت به موشکی با ضربه ویژه کم ، به سوخت کمتری احتیاج دارد. هر چه ضربه ویژه زیادتر باشد به ازای مقدار سوختی که به بیرون می‌جهد، فشار بیشتری تولید می‌شود. یا به بیانی دیگر ، ضربه ویژه مشخص می‌کند که چه مقدار سوخت باید مصرف شود تا فشار مناسبی بدست آید.

عاقبت یونها پس از ترک فضاپیما

شلیک یونهای مثبت به بیرون از عقب فضاپیما ، آن را به جلو حرکت می‌دهد. در همین زمان پرتویی از الکترون با بار منفی از یک خنثی کننده کاتدی به بیرون شلیک می‌شود. چون بارهای مثبت و موتورهای گاز سرد از نظر قابلیت کنترل شبیه به سوخت مایع ، اما سبکتر و ساده‌تر هستند. این موتورها در اصل مخزنهای فشار بالایی هستند که بین حالت باز و بسته تغییر وضعیت می‌دهند. عملکرد آنها کمی شبیه اسپری رنگ است، زمانی که در یچه آن باز است، مواد تحت فشار داخل آن به بیرون می‌جهند.

موتورهای یونی با موتورهای سوخت جامد و سوخت مایع تفاوت دارند. آنها موتورهایی با نیروی پرتاب پایین محسوب می‌شوند که می‌توانند برای مدتهای بسیار طولانی کار کنند. عمر موشکهای شیمیایی بطور معمول از چند ثانیه تا چند روز است، در حالی که طول عمر موتورهای یونی در هر کجا می‌تواند از چند روز تا چند ماه متغیر باشد.

پیشرانه یون زنون

یک موتور از همان اصل مرسوم کنش و واکنش استفاده می‌کند، اما نوآوری بزرگی که صورت گرفته ، بازده بالای آن است. گاز زنون که از هلیوم یا نئون سنگینتر است، به داخل موتور یونی جریان پیدا می‌کند و در آن جا باردار می‌شود و اتمهایش تبدیل به یون می‌گردند. به محض انجام این عمل ، یونهای زنون در معرض یک ولتاژ الکتریکی قرار می‌گیرند. با برقدار شدن یک جفت میله در حدود 1300 ولت که در داخل موتور تعبیه شده‌اند، یونها به بیرون پرتاب شدند، نیرویی در جهت عکس حرکت خود به موتور وارد می‌کنند و باعث راندن آن به جلو می‌شوند.

یونهای زنون با سرعت 35 کیلومتر بر ثانیه حرکت می‌کنند. این سرعت 10 برابر سرعت گازهای خروجی از موتور موشکهای مرسوم است، بنابراین موتورهای یونی می‌توانند تا 10 برابر بیشتر فشار تولید کنند. بکار گیری موتورهای یونی به دلیل نیاز کمتر به سوخت ، راهی برای انجام مأموریتهای مهیج و بلند پروازانه در پهنه بی‌کران منظومه شمسی و فضا به حساب می‌آید. موتورهای یونی در هر لحظه مقدار بسیار کمی گاز زنون مصرف می‌کنند. به آن معنی که نیروی پرتاب بسیار کمی تولید می‌شود.

اگر یک ورق کاغذ بر روی دستتان قرار دهید، همان فشاری را حس خواهید کرد که موتور یونی آن فشار را برای راندن یک فضاپیما تولید می‌کند. تقریبا چهار روز یا بیشتر طول می‌کشد تا تنها یک کیلوگرم زنون به مصرف برسد. دی اس 1 با مصرف کمتر از 74 کیلوگرم زنون سرعتی در حدود ¾ کیلومتر بر ثانیه پیدا می‌کند. این مقدار در میان سایر موشکها یک رکورد محسوب می‌شود. دی اس 1 می‌تواند سرعت بیشتر از این هم بدست آورد؛ ولی مأموریت آن این نیست که تندتر و تندتر برود. بنابراین از بیشینه سرعت خود استفاده نمی‌کند. کارکرد آن 678 روز است؛ یعنی بسیار طولانی‌تر از هر سامانه موشکی دیگر. پروژه داون در هر دوی این موارد یعنی سرعت و ماندگاری می‌تواند از دیگر سامانه‌ها پیشی بگیرد. در آینده سرعت و ماندگاری موتورهای یونی بیشتر هم خواهد شد.

برای اطلاعات بیشتر به سایتهای زیر مراجعه کنید

  • www-pao.ksc.nasa.gov/kspao/captions/1997/aug/97pc1287.htm
  • www.qrg.northwestern.edu/projects/vss/docs/Propulsion/zoom-splar-ion.htm
  • www.science.nasa.gov
  • www.boeing.com/satellite
  • www.vectorsite.net

+ نوشته شده در  16 Jan 2011ساعت 1:54 PM  توسط سروش نادری فر  | 

• فناوري نانو چيست؟

به طور كلي اين فناوري عبارت از كاربرد ذرات در ابعاد نانو است. يك نانومتر، يك ميلياردم متر است. از دو مسير به اين ابعاد مي توان دسترسي پيدا كرد. يك مسير دسترسي از بالا به پايين و ديگري طراحي و ساخت از پايين به بالا است. در نوع اول، ساختارهاي نانو با كمك ابزار و تجهيزات دقيق از خرد كردن ذرات بزرگ تر حاصل مي شوند. در طراحي و ساخت از پايين به بالا كه عموما آن را فناوري مولكولي نيز مي نامند، توليد ساختارها، اتم به اتم و يا مولكول به مولكول توليد و صورت مي گيرند. به عقيده مدير اجرايي موسسه نانوتكنولوژي انگلستان، فناوري نانو ادامه و گسترش روند مينياتوريزه كردن است و به اين طريق توليد مواد، تجهيزات و سامانه هايي با ابعاد نانو انجام مي شود. درحقيقت فناوري نانو به ما امكان ساخت طراحي موادي را مي دهند كه كاملا داراي خواص و اختصاصات جديد هستند.

به بيان ديگر اين نوع فناوري چيزهايي را كه در اختيار داريم با خصوصيات جديد در اختيار قرار مي دهد و يا آنها را از مسيرهاي نويني مي سازد. اما گويا صنايع داروسازي از مدت ها قبل به ساخت ذرات ريز مشغول بوده اند. به نظر پروفسور Buckton، طي سخنراني كه در كنفرانس علوم دارويي انگلستان (BPC) انجام داد ادعا نمود كه فناوري نانو در داروسازي اصطلاح تازه به كار گرفته شده اي براي فناوري توليد ذرات در اندازه ميكروني (particles Micro) است كه از سال ها قبل تهيه و ساخته مي شده اند. پس چه چيزي در اين بين جديد خواهد بود؟ به عقيده مدير اجرايي موسسه فناوري نانو انگليس، دستيابي و ساخت دستگاه هاي آناليز پيشرفته و ابداع روش هاي آناليز نوين سبب مي شود تا ما بتوانيم رفتار مواد را به دقت مورد شناسايي قرار دهيم و از اين رهگذر بتوانيم آنها را با ظرافت خاصي دستكاري كنيم.

• تغيير در خصوصيات دارويي

كاربرد فناوري نانو در پزشكي تاثيرات مهمي دارد. شركت Elan يكي از شركت هايي است كه از فناوري نانو در تغيير ذرات دارويي استفاده مي كند. اين شركت فرايند آسياب كردن كريستال هاي نانو را در اختيار دارد كه اجازه مي دهد بعد از اين پروسس، ذراتي مانند داروي Sirolimns متعلق به شركت Wyeth كه اجبارا مي بايست در فرمولاسيون محلول خوراكي به كار برند، بهبود يافته و آن را بتوانند به فرم قرص ارايه نمايند. يعني با تهيه ذرات نانو فرم محلول اين ماده به فرم جامد تبديل مي شوند. داروي Sirolimns به عنوان يك تضعيف كننده سيستم ايمني همراه ساير فرآورده هاي دارويي در موارد پيوند اعضا مانند پيوند كليه به كار مي رود. اين شركت مدعي است كه با كاهش سايز ذره سرعت انحلال Sirolimns به مقداري كه بتواند به فرم قرص ارايه شود افزايش مي يابد. از نظر تجاري اين نوع فناوري آسياب نمودن فقط مختص داروهاي با حلاليت بسيار ضعيف است، اما به عقيده اين شركت 40 الي 50 درصد فرآورده هاي جديد (NCE) تقريبا در اين رده قرار مي گيرد. فناوري نانو همچنين در زمينه داروهاي پپتيدي كه عمدتا براي محفوظ ماندن از متابوليسم مي بايست به فرم تزريقي تجويز شوند به كمك آمده است و شرايطي را مي تواند فراهم نمايد تا آنها را بتوان از طريق ساير روش هاي داروسازي ونيز مورد پذيرش بيمار تجويز كرد.

شركت Xstal Bio كه با دانشگاه هاي Glasgow Strathelyde همكاري مي كند، توانسته است كريستال هاي نويني بسازد كه با ذرات پروتئيني پوشش داده شده اند. مدير اجرايي شركت Xstal Bio معتقد است كه اغلب شركت ها، براي تهيه ذرات نانو از مسير خرد كردن ذرات بزرگ تر به ذرات كوچك تر استفاده مي كنند، اما آنها فرايندي را در اختيار دارند كه مستقيما ذرات كوچك از آن تهيه مي شود، بدون آنكه احتياج به فرايند زيادتري داشته باشند. اين فرمولاسيون انسولين استنشاقي را انجام مي دهد. بيماران مي توانند به سادگي با اسپري كردن و تنفس آن، پودر خشك انسولين و يا يك پروتئين ديگري را دريافت كنند. براي اينكه اين راه تجويز به طور موثر در اختيار باشد، ذرات محتوي آن بايد آنقدر ريز باشند تا بتوانند در بخش هاي عمقي مجاري تنفسي نفوذ كنند والبته آنقدر ريز هم نباشد تامبادا پس از مصرف از دهان و بيني خارج شوند. بنابر اين شركت Xstal Bio مسير اثباتي خاصي را پشت سر گذرانده است و هم اكنون اين فرآورده در بيماران تحت آزمايش است. فناوري نانو در زمينه تشخيص ساده بيماري ها، تصويربرداري ها و برآوردسريع از كارايي مصرف دارو در افراد نيز كاربردهايي دارد. به طور كلي اين فناوري در توليد اعضاي مصنوعي، كاشت داروها، استفاده از تشخيص هاي فردي در كنترل آزمايش هاي درون تني و تشخيصي و داروسازي نوين كاربرد دارد. درخصوص آخرين مواردي كه اشاره شد، يعني مونيتورينگ تشخيصي و داروسازي، اين فناوري قادر است ريز وسيله داروهايي بسازد تا پس از كاشتن آن در بدن و كمك آن، سطح خوني مواد بيولوژيك درون بدن دائما تحت كنترل باشد و در صورت نياز مقداري دارو آزاد و ارايه شود.

• ژن درماني

يكي ديگر از كاربردهاي فناوري نانو در زمينه دارو رساني ژن هاست. Vector هاي موجود، ويروس هاي اصلاح شده روي سيستم ايمني بدن داراي اثراتي هستند، بنابراين تحقيقات روي ساخت، ذرات نانو كه قابليت حمل ژن ها را داشته باشند از موارد مورد نياز مي باشد. ساير روش هاي آزادسازي و دارو رساني به منظور افزايش تاثير دارو و كاهش اثرات جانبي آنها نيز وجود دارند كه مورد تحقيق مي باشند. به طور مثال كاربرد پوشش هايي كه تحت تابش نور فعال مي شوند براي كاربرد داروهاي خاص در استخوان ها به كار گرفته مي شود از اين موارد هستند. اين نوع داروها عمدتا به علت نوع پوشش دادن آنها، غيرمحلول باقي مي مانند و در استخوان ها جذب مي شوند. اين پوشش ها پس از قرار گرفتن در معرض نور و تابش به فرم محلول درآمده و اجازه مي دهند تا دارو به محل اثر خود رسيده و تاثير نمايد. اين تحقيقات همچنين بر روي ذرات مغناطيسي كه به كمك آن بتوان داروها را به محل اصلي هدايت نمود نيز انجام مي شوند. پوشش ذرات غير نانو با پليمرهايي نظير پلي اتيلن گليكول نيز از مواردي است كه به كمك آن داروها را مي توان به محل اصلي هدايت نمود. اين روش سبب مي شود تا اختصاصات دارو تغيير ننمايد و دارو از متابوليسم در كبد درامان باقي بماند. اين راه دارورساني نيز به زودي در درمان در دسترس قرار خواهد گرفت. علي رغم آنكه امروزه ممكن است فناوري نانو در مقايسه با علوم رايج و كاربردي بيشتر از يك عبارت باب روز جلب توجه نكند، اما اصلا نبايد از توانمندي هاي آتي آن غفلت كرد.

• تحليل

مهندسي ذرات و دارو رساني نوين از مهم ترين فصل هاي مشترك دارو رساني با فناوري نانو است، به علت پيشرفت در روندهاي ساخت ذرات و فرمولاسيون هاي دارويي امكان دارو رساني فرآورده هاي جديد كه عمدتا از نوع پپتيدها و پروتئين ها مي باشند امكان پذير شده است. هم راستاي اين پيشرفت ها صنعت ساخت پليمرهاي دارويي امكان تهيه حامل هاي مناسب براي دارو رساني به محل هاي اثر مورد نظر را فراهم كرده است. اميد است با يك بازنگري كلي پيرامون توانمندي هاي موجود در مراكز تحقيقاتي داخلي و امكان سنجي براي انجام پروژه هاي نانو در عرصه دارو رساني بتوان از ظرفيت هاي بالقوه در راستاي كاربردي نمودن فناوري نانو در دارو رساني بهره برداري نمود. متقابلا پژوهشگران نيز مي بايستي با درك مناسب از موقعيت فراهم شده و توجه صنايع دارويي از اين فناوري، خود را به طور علمي و عملي براي ورود در اين عرصه مهيا نمايند و با ارايه دستاوردهاي قابل كاربرد، حفظ اعتمام متقابل سرمايه گذاران و گسترش روز افزون اين رويكرد در بين صنايع دارويي اقدام نمايند.
+ نوشته شده در  13 Jan 2011ساعت 3:2 PM  توسط سروش نادری فر  | 


شیمی چیست؟

تاریخچه
واژه شیمی خود داستان درازی دارد. ریشه این نام در واژه کیمیاست. خاستگاه واژه کیمیا را برخی از یونانی دانسته‌اند و چیستی کار کیمیاگری دگرساختن مس به طلا بود. این واژه و داستان دانش شگفت انگیز پشت آن به همراه دانشش به عربی وارد شد و اروپاییان با این واژه و دانش آن از راه عرب‌ها آشنا شدند و این دانش را با نام alchemy شناختند. آنگاه آن را در میان خود پروردند تا در سده‌های نزدیک به ریخت فرانسه شیمی به زبان ما بازگشت. دانش شیمی به دو گرایش شیمی محض و شیمی کاربردی تقسیم می‌شود.

نگاه گذرا

تیوری اتمی پایه و اساس علم شیمی است. این تیوری بیان می‌دارد که تمام مواد از واحدهای بسیار کوچکی به نام اتم تشکیل شده‌اند. یکی از اصول و قوانینی که در مطرح شدن شیمی به عنوان یک علم تأثیر به‌سزایی داشته، اصل بقای جرم است. این قانون بیان می‌کند که در طول انجام یک واکنش شیمیایی معمولی، مقدار ماده تغییر نمی‌کند. (امروزه فیزیک مدرن ثابت کرده که در واقع این انرژی است که بدون تغییر می‌ماند و همچنین انرژی و جرم با یکدیگر رابطه دارند.)
این مطلب به طور ساده به این معنی است که اگر ده‌هزار اتم داشته باشیم و مقدار زیادی واکنش شیمیایی انجام پذیرد، در پایان ما همچنان بطور دقیق ده‌هزار اتم خواهیم داشت. اگر انرژی از دست رفته یا به‌دست‌آمده را مد نظر قرار دهیم، مقدار جرم نیز تغییر نمی‌کند. شیمی کنش و واکنش میان اتم‌ها را به تنهایی یا در بیشتر موارد به‌همراه دیگر اتم‌ها و به‌صورت یون یا مولکول (ترکیب) بررسی می‌کند.
این اتم‌ها اغلب با اتم‌های دیگر واکنش‌هایی را انجام می‌دهند. (برای نمونه زمانی‌که آتش چوب را می‌سوزاند واکنشی است بین اتم‌های اکسیژن موجود در هوا و اتم‌های کربن و هیدروژن درون چوب). گاهی نیز نور بر آنها(واکنش بین اتم‌ها) تأثیر می‌گذارد(فتوکاتالیست). (یک عکس بر اثر دگرگونی‌هایی که نور بر روی مواد شیمیایی فیلم عکاسی ایجاد می‌کند شکل می‌گیرد.)
یکی از یافته‌های بنیادین و جالب دانش شیمی این بوده‌است که اتم‌ها روی‌هم‌رفته همیشه به نسبت برابر با یکدیگر ترکیب می‌شوند. سیلیس دارای ساختمانی است که نسبت اتم‌های سیلیسیوم به اکسیژن در آن یک به دو است. امروزه ثابت شده‌است که استثناهایی در زمینهٔ قانون نسبت‌های معین وجود دارد(مواد غیر استوکیومتری).
یکی دیگر از یافته‌های کلیدی شیمی این بود که زمانی که یک واکنش شیمیایی مشخص رخ می‌دهد، مقدار انرژی که بدست می‌آید یا از دست می‌رود همواره یکسان است. این امر ما را به مفاهیم مهمی مانند تعادل ، ترمودینامیک می‌رساند.
شیمی فیزیک بر پایهٔ فیزیک پیشرفته (مدرن) بنا شده‌است. اصولاً می‌توان تمام سیستم‌های شیمیایی را با استفاده از تیوری مکانیک کوانتوم شرح داد. این تیوری از لحاظ ریاضی پیچیده بوده و عمیقاً شهودی است. به هر حال در عمل و بطور واقعی تنها بررسی سیستم‌های سادهٔ شیمیایی قابل بررسی با مفاهیم مکانیکی کوانتوم امکان‌پذیر است و در اکثر مواقع باید از تقریب استفاده کرد(مانند تیوری کاری دانسیته). بنابراین درک کامل مکانیک کوانتوم برای تمامی مباحث شیمی کاربرد ندارد؛ زیرا نتایج مهم این تیوری (بخصوص اربیتال اتمی) با استفاده از مفاهیم ساده‌تری قابل درک و به‌کارگیری هستند.
با اینکه در بسیاری موارد ممکن است مکانیک کوانتوم نادیده گرفته شود، مفهوم اساسی که پشت آن است، یعنی کوانتومی کردن انرژی، چنین نیست. شیمی‌دان‌ها برای بکارگیری کلیه روش‌های طیف نمایی به آثار و نتایج کوانتوم وابسته‌اند، هرچند که ممکن است بسیاری از آنها از این امر آگاه نباشند. علم فیزیک هم ممکن است مورد بی توجهی واقع شود، اما به هر حال برآیند نهایی آن (مانند رزونانس مغناطیسی هسته‌ای) پژوهیده و مطالعه می‌شود.
یکی دیگر از تیوری‌های اصلی فیزیک مدرن که نباید نادیده گرفته شود نظریه نسبیت است. این نظریه که از دیدگاه ریاضی پیچیده‌است، شرح کامل فیزیکی علم شیمی است. خوشبختانه مفاهیم نسبیتی تنها در برخی از محاسبات خیلی دقیق ساختمان هسته، به‌ویژه در عناصر سنگین‌تر، کاربرد دارند و در عمل تقریباً با شیمی پیوند ندارند.
بخش‌های اصلی دانش شیمی عبارت‌اند از:
* شیمی تجزیه، که به تعیین ترکیبات مواد و اجزای تشکیل دهنده آن‌ها می‌پردازد.
* شیمی آلی، که به مطالعهٔ ترکیبات کربن‌دار، غیر از ترکیباتی چون دو اکسید کربن (دی اکسید کربن) می‌پردازد.
* شیمی معدنی، که به اکثریت عناصری که در شیمی آلی روی آنها تاکید نشده و برخی خواص مولکولها می‌پردازد.
* شیمی فیزیک، که پایه و اساس کلیهٔ شاخه‌های دیگر را تشکیل می‌دهد، و شامل ویژگی‌های فیزیکی مواد و ابزار تیوری بررسی آنهاست.
دیگر رشته‌های مطالعاتی و شاخه‌های تخصصی که با شیمی پیوند دارند عبارت‌اند از: علم مواد، مهندسی شیمی، شیمی بسپار، شیمی محیط زیست و داروسازی.

شاخه‌های شیمی

* شیمی آلی
* شیمی معدنی
* شیمی تجزیه
* شیمی فیزیک
* سینتیک شیمیایی
* تعادل شیمیایی
* اسیدها و بازها
* الکترو شیمی
* زیست‌شیمی (بیوشیمی)
و
* رادیو شیمی

ریشه‌یابی

کلمه شیمی (انگلیسی:chemistry) در اصل از کلمه یونانی کیمِیا (χημεία) به معنای «به هم فشردن»، «با هم ساختن»، «جوش دادن» و «آلیاژ» و … گرفته شده‌است. همینطور می‌تواند از کلمه فارسی کیمیا به معنی «طلا» و کلمه فرانسوی alkemie یا عربی الکیمیا (هنر دگرگونی) گرفته شده باشد.
کاری از: علیرضا پیشنماز احمدی
+ نوشته شده در  13 Jan 2011ساعت 2:59 PM  توسط سروش نادری فر  |