hotchpotch/wikipedia-multilingual-ir-pairs huggingface dataset:
قرص صلب
القُرْصُ الصُّلْبُ (بالإنكليزية: hard drive disk واختصاره HDD) أو محرك الأقراص الصلبة (HDD) هو جهاز تخزين بيانات كهروميكانيكي يستخدم التخزين المغناطيسي لحفظ واسترجاع البيانات. يتكون الجهاز من أقراص دوارة مغطاة بمادة مغناطيسية، وترتبط بها رؤوس مغناطيسية تتحرك عبر ذراع متحرك لقراءة وكتابة البيانات على أسطح الأقراص. ما يميز محرك الأقراص الصلبة هو أنه نوع من التخزين غير المتطاير، أي أنه يحتفظ بالبيانات حتى عند إيقاف تشغيل الجهاز.
قرص صلب
تم تقديم محركات الأقراص الصلبة لأول مرة في عام 1956 من قبل شركة آي بي إم، ومنذ ذلك الحين أصبحت الجهاز السائد للتخزين الثانوي في أجهزة الكمبيوتر العامة. في البداية، استخدمت هذه المحركات بشكل رئيسي في الخوادم وأجهزة الكمبيوتر المكتبية، وما زالت تحتفظ بهذا الدور حتى اليوم. ومع تطور التكنولوجيا، ظهرت محركات الأقراص ذات الحالة الصلبة (SSDs) كمنافس قوي لمحركات الأقراص الصلبة، حيث تتمتع SSDs بميزات عديدة مثل السرعة العالية وكثافة التخزين الجيدة والموثوقية الأفضل، ما جعلها تحل محل محركات الأقراص الصلبة في العديد من التطبيقات الحديثة، خصوصًا في الأجهزة المحمولة مثل الهواتف الذكية والأجهزة اللوحية.
رغم المنافسة من SSDs، لا تزال محركات الأقراص الصلبة تهيمن على سوق الخوادم والتخزين الكبير الحجم، وذلك بفضل سعاتها التخزينية الكبيرة وسعرها المنخفض مقارنة بمحركات الأقراص ذات الحالة الصلبة. ومع مرور الوقت، بدأت الفجوة بين محركات الأقراص الصلبة و SSDs تتقلص، حيث شهدت SSDs انخفاضًا في التكلفة مما جعلها أكثر تنافسية في بعض التطبيقات.
قرص صلب
عند الحديث عن الخصائص الأساسية لمحركات الأقراص الصلبة، نجد أن السعة تعد واحدة من أهم العوامل. تحدد سعة محرك الأقراص بوحدات قياس مثل التيرابايت (TB) والجيجابايت (GB)، لكن المستخدم قد لا يحصل على السعة الكاملة التي يعلن عنها نظرًا لأن جزءًا من السعة يخصص لنظام الملفات ونظام التشغيل، إضافة إلى التكرار المدمج لأغراض تصحيح الأخطاء.
من ناحية الأداء، تتأثر محركات الأقراص الصلبة بعدة عوامل، مثل متوسط وقت الوصول، الذي يشير إلى الوقت الذي يحتاجه محرك الأقراص لتحريك الرأس إلى المسار المطلوب. كما يعتمد الأداء أيضًا على سرعة دوران الأقراص (المقاسة بالدورات في الدقيقة)، حيث يحدد زمن الوصول بناءً على هذه السرعة. وأخيرًا، يعتمد معدل البيانات على السرعة التي تنقل بها البيانات بين محرك الأقراص والأنظمة.
أما فيما يتعلق بالأحجام، فإن محركات الأقراص الصلبة الحديثة تأتي بشكلين أساسيين: 3.5 بوصة، الذي يُستخدم بشكل رئيسي في أجهزة الكمبيوتر المكتبية، و2.5 بوصة، الذي يستخدم في الغالب لأجهزة الكمبيوتر المحمولة. وتوصل توصيل محركات الأقراص الصلبة بالأنظمة من خلال واجهات متعددة مثل SATA وUSB وSAS وPATA، التي تتيح التواصل بين المحرك والأنظمة.
على الرغم من التحديات التي تواجه محركات الأقراص الصلبة في ظل النمو المتزايد لتكنولوجيا التخزين بالذاكرة الفلاش، لا يزال محرك الأقراص الصلبة يحتفظ بموقعه القوي في العديد من الأسواق بفضل كفاءته في التخزين الكبير والتكلفة المنخفضة.
قرص صلب تاريخ
في عام 1957، تم شحن أول محرك أقراص صلبة من إنتاج شركة آي بي إم، وهو محرك التخزين 350، كمكون لنظام آي بي إم 305 RAMAC. كان المحرك كبيرًا جدًا (بحجم يقارب ثلاجتين كبيرتين)، وقادر على تخزين خمسة ملايين حرف من ستة بتات (حوالي 3.75 ميجابايت) باستخدام 52 قرصًا (بـ 100 سطح). كان المحرك مزودًا بذراع واحدة تحتوي على رأسين للقراءة والكتابة، يتحركان بين الأقراص لتخزين واسترجاع البيانات. وقد تبعت هذه التقنية محركات أخرى مثل آي بي إم 355 وآي بي إم 7300 وآي بي إم 1405.
في عام 1961، أعلنت آي بي إم عن محرك الأقراص 1301، الذي حل محل محرك 350 ومحركات الأقراص السابقة. كان محرك 1301 يتكون من وحدة واحدة أو اثنتين تحتويان على 25 قرصًا لكل منهما، وقطر كل قرص يبلغ 24 بوصة، تميز باستخدام 48 رأسًا، بحيث يتحرك كل مشط أفقيًا ككتلة واحدة، مع رأس واحد لكل سطح. استخدم المحرك أنظمة هيدروليكية لضمان تموضع دقيق للرؤوس. كان محرك 1301 قادرًا على تخزين حوالي 21 مليون بايت، ووقت الوصول له يبلغ ربع ثانية.
قرص صلب تاريخ
في عام 1962، قدمت آي بي إم أيضًا محرك الأقراص 1311، الذي كان بحجم الغسالة تقريبًا واحتوى على أقراص قابلة للإزالة. اعتبر هذا النوع من محركات الأقراص ثوريًا في تلك الفترة، إذ مكن المستخدمين من شراء حزم إضافية وتبادلها حسب الحاجة، مثلما كان يتم مع بكرات الشريط المغناطيسي. أصبح هذا النموذج من محركات الأقراص قابلة للإزالة هو القرص النموذجي في معظم الأنظمة حتى وصل إلى سعة 300 ميجابايت في الثمانينيات.
في عام 1963، قدمت آي بي إم محرك الأقراص 1302، الذي احتوى على مسارات مضاعفة لكل أسطوانة مقارنة بـ1301. كما استخدم رأسًا لكل مسار، مما حسّن الكفاءة بشكل كبير.
في عام 1973، قدمت آي بي إم محرك الأقراص "Winchester"، الذي تميز بوجود رؤوس ثابتة يمكنها الهبوط على منطقة خاصة عند إيقاف تشغيل المحرك بدلاً من سحبها بالكامل. وقد ساعدت هذه التقنية في تقليل التكلفة بشكل كبير. وعلى الرغم من أن محركات "Winchester" الأولى احتوت على أقراص قابلة للإزالة، إلا أنه في النماذج اللاحقة تم التخلي عن هذه الميزة واستخدمت الأقراص غير القابلة للإزالة.
قرص صلب تاريخ
في عام 1974، طورت آي بي إم محرك الذراع المتأرجح، الذي سمح للرؤوس بالعمل بشكل أكثر كفاءة. كما استمرت الشركة في تحسين محركات الأقراص بتقنيات جديدة مثل تقليل قطر الأقراص إلى 8 بوصات ثم 5.25 بوصة، ما جعلها أكثر ملائمة لأجهزة الكمبيوتر الشخصية. بحلول أواخر السبعينيات، أصبح من الممكن استخدام محركات أقراص صلبة بقطر 3.5 بوصة و2.5 بوصة بفضل تحسينات التصميم وتقنيات التصنيع.
مع بداية الثمانينيات، ظلت محركات الأقراص الصلبة مكلفة ونادرة في أجهزة الكمبيوتر. ومع ذلك، بحلول أواخر الثمانينيات، شهدت هذه التكنولوجيا انخفاضًا في التكاليف بحيث أصبحت محركات الأقراص الصلبة ميزة قياسية في جميع الأجهزة، باستثناء الأجهزة الأكثر بساطة.
قرص صلب تاريخ
في أوائل الثمانينيات، بيعت معظم محركات الأقراص الصلبة لمستخدمي أجهزة الكمبيوتر الشخصي كنظام فرعي إضافي خارجي، إذ لم يتم بيع النظام الفرعي باسم الشركة المصنعة لمحرك الأقراص، بل تحت اسم الشركة المصنعة للنظام الفرعي نفسه مثل Corvus Systems وTallgrass Technologies، أو باسم الشركة المصنعة للجهاز مثل Apple ProFile. في عام 1983، أدخلت شركة آي بي إم محرك أقراص صلبة داخلي بسعة 10 ميجابايت مع جهاز الكمبيوتر آي بي إم PC/XT، وبعد ذلك بفترة قصيرة، أصبحت محركات الأقراص الصلبة الداخلية خيارًا شائعًا في أجهزة الكمبيوتر الشخصية.
ظلّت محركات الأقراص الصلبة الخارجية شائعة لفترة أطول مع أجهزة Apple Macintosh، حيث زودت العديد من أجهزة الكمبيوتر هذه بين عامي 1986 و1998 بمنفذ SCSI الذي يسهل إضافة التخزين الخارجي. كانت أجهزة الكمبيوتر القديمة من ماكنتوش، مثل ماكنتوش 128K وماكنتوش 512K وMacintosh Plus، تفتقر إلى حجرات محركات الأقراص الصلبة الداخلية، وبالتالي كانت أقراص SCSI الخارجية هي الخيار الوحيد للتوسع في التخزين.
قرص صلب تاريخ
في العقد الأول من القرن الواحد والعشرين، بدأ ظهور محركات الأقراص الصلبة يشهد تحسنًا كبيرًا بفضل زيادة كثافة التخزين. ومع بداية العقد الثاني، بدأت ذاكرة NAND تحل محل محركات الأقراص الصلبة في التطبيقات التي تتطلب قابلية النقل أو الأداء العالي. أدى ذلك إلى تحسين أداء NAND بشكل أسرع من محركات الأقراص الصلبة، مما جعل التطبيقات التي تعتمد على محركات الأقراص الصلبة تتراجع.
في عام 2018، وصلت سعة أكبر محرك أقراص صلبة إلى 15 تيرابايت، بينما وصلت سعة أكبر محرك أقراص SSD إلى 100 تيرابايت. كان من المتوقع أن تصل سعة محركات الأقراص الصلبة إلى 100 تيرابايت بحلول عام 2025، لكن مع حلول عام 2019، عدلت هذه التوقعات لتصل إلى 50 تيرابايت بحلول عام 2026. في نفس الوقت، بدأت محركات الأقراص الصلبة ذات الحجم الأصغر (مثل 1.8 بوصة وأقل) تختفي تدريجيًا بحلول عام 2010، في حين أن تقنيات تخزين الحالة الصلبة (NAND) قد حققت تحسنًا أكبر في التكلفة والأداء، مما جعلها الخيار المفضل على محركات الأقراص الصلبة في الكثير من التطبيقات.
شهدت صناعة محركات الأقراص الصلبة دخولها مرحلة النضج خلال العقد الأول من القرن الواحد والعشرين، إذ بدأت المبيعات تتباطأ مما قد يشير إلى دخولها مرحلة الانحدار. تأثرت صناعة محركات الأقراص الصلبة بشكل كبير بين عامي 2011 و2013 بسبب فيضانات تايلاند، التي تسببت في إتلاف مصانع التصنيع وزيادة تكاليف الإنتاج. ومع انخفاض الطلب، أغلقت شركة ويسترن ديجيتال في عام 2019 آخر مصنع لها في ماليزيا، مما يعكس تحولًا أكبر نحو إنتاج محركات الأقراص ذات الحالة الصلبة.
قرص صلب التكنولوجيا
تسجل محركات الأقراص الصلبة الحديثة البيانات عبر مغنطة طبقة رقيقة من مادة مغناطيسية على جانبي القرص. تمثل التغييرات في اتجاه المغنطة بتات البيانات الثنائية. عند قراءة البيانات، يتم اكتشاف هذه التغييرات في المغنطة. يتم ترميز بيانات المستخدم باستخدام مخططات ترميز معينة، مثل الترميز المحدود بطول التشغيل، الذي يحدد كيفية تمثيل التحولات المغناطيسية في البيانات.
يتكون تصميم القرص الصلب النموذجي من محور يحمل أقراصًا دائرية تُسمى الأطباق، والتي تحتوي على البيانات المسجلة. تُصنع الأطباق من مواد غير مغناطيسية، مثل سبائك الألومنيوم أو الزجاج أو السيراميك، وتُغطى بطبقة رقيقة من مادة مغناطيسية بسماكة تتراوح بين 10 إلى 20 نانومتر، مع طبقة خارجية من الكربون للحماية.
تدور الأقراص الصلبة الحديثة بسرعات تتراوح بين 4200 دورة في الدقيقة (لأجهزة المحمول الموفرة للطاقة) و15000 دورة في الدقيقة (لأجهزة الخوادم عالية الأداء)، حيث تتراوح السرعات الشائعة في محركات الأقراص الصلبة المخصصة للمستهلكين بين 5400 و7200 دورة في الدقيقة.
قرص صلب التكنولوجيا
تتم كتابة البيانات وقراءتها من القرص أثناء دورانه بواسطة رؤوس قراءة وكتابة، التي تُوضع بالقرب من السطح المغناطيسي للقرص. وتُستخدم هذه الرؤوس للكشف عن التغييرات في المغناطيسية وتعديلها. في المحركات الحديثة، يخصص رأس واحد لكل سطح قرص مغناطيسي على المغزل، وتحرك الرؤوس بواسطة ذراع مشترك عبر الأقراص أثناء دورانها. ويُستخدم محرك ملف صوتي أو محرك متدرج لتحريك الذراع.
تستخدم تقنيات لتقليل تأثيرات الحرارة على البيانات المخزنة على الأقراص الصلبة، حيث يمكن أن تتسبب الحرارة في فقدان الاستقرار المغناطيسي المعروف بالـ "حد المغناطيسي الفائق". لمواجهة هذه المشكلة، تطلى الأطباق بطبقتين مغناطيسيتين متوازيتين، بحيث تكون الطبقتان مغناطيسيتين في اتجاهين متعاكسين، مما يعزز كل منهما الآخر.
منذ عام 2005، أدخلت تقنية التسجيل العمودي (PMR)، التي تتيح زيادة كثافة التسجيل، وتسمح بتخزين المزيد من البيانات في المساحة نفسها. في 2004، ظهرت وسائط تسجيل ذات كثافة أعلى باستخدام طبقات مغناطيسية ناعمة وصلبة مقترنة، مما حسن من قدرة الكتابة مع الحفاظ على استقرار حراري عالٍ.
قرص صلب التكنولوجيا
تسمح تقنية MAMR (FC-MAMR) بتحقيق سعات تسجيل أكبر دون الحاجة إلى مواد جديدة للأطباق، حيث تستخدم موجات ميكروويف لتسجيل بتات أصغر على الأقراص، مما يزيد من كثافة المساحة.
يحتوي القرص الصلب النموذجي على محركين كهربائيين يعملان معًا لتحريك الأقراص ورؤوس القراءة/الكتابة. يتكون المحرك المغزلي من دوار خارجي متصل بالأقراص، حيث يدور الأقراص بسرعات معينة، بينما تثبت لفائف الجزء الثابت في مكانها. أما المحرك الذي يحرك رؤوس القراءة/الكتابة فيحرك الذراع التي تحمل هذه الرؤوس عبر الأقراص الدوارة. توصل رؤوس القراءة/الكتابة إلكترونيًا من خلال كابلات دوائر مطبوعة رفيعة إلى مكبرات الصوت المثبتة عند محور المحرك.
قرص صلب التكنولوجيا
رؤوس القراءة/الكتابة نفسها تتحرك بواسطة محرك مغناطيسي دائم ومحرك ملف متحرك. يتكون المحرك من لوحة معدنية تحتوي على مغناطيس عالي التدفق من النيوديميوم والحديد والبورون (NIB)، حيث يعمل الملف المتحرك أسفل هذه اللوحة لتحريك الذراع مع الرأس. يُستخدم مغناطيس NIB ثانٍ في بعض المحركات لتحسين الأداء. الملف نفسه يكون على شكل رأس سهم، مصنوع من سلك مغناطيسي نحاسي مزدوج الطلاء، ويتميز بوجود طبقة عازلة داخلية وطبقة بلاستيك حراري خارجية.
تتحكم الإلكترونيات في المحرك وحركة الأقراص من خلال أنظمة رد الفعل المؤازرة. تتيح هذه الأنظمة تحسين الدقة في حركة رؤوس القراءة/الكتابة عن طريق ضبط محرك الملف الصوتي. ردود الفعل المؤازرة تعمل على تحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء لمستشعرات GMR، مما يسمح بتحقيق دقة أكبر في موضع الرأس. كما تستخدم محركات ميكرو أو ملي لتحسين دقة التحكم في حركة الرأس.
تستخدم الأقراص الصلبة الحديثة محركات مغزلية تحمل السوائل، مما يعزز من أدائها ويسهم في ضمان استقرار عمليات القراءة والكتابة. كما أنها قادرة على جدولة عمليات القراءة والكتابة بكفاءة عالية على أسطح الأقراص، ويمكنها أيضًا إعادة تعيين القطاعات التالفة على الوسائط لتوفير الأداء الأمثل.
قرص صلب ملاحظات
مصطلحات عدة متفواتة تستخدم لوصف مختلف الأقراص الصلبة ومن ضمنها التخزين على القرص، disk file، جهاز تخزين بوصول مباشر (DASD)، CKD disk، وجهاز تخزين وينشستر (بعد IBM 3340). المصطلح "DASD" يتضمن أجهزة أخرى بجانب الأقراص.
كربون
الكربون هو عنصر كيميائي له الرمز C و العدد الذرّي 6، ويقع ضمن عناصر الدورة الثانية وعلى رأس المجموعة الرابعة عشر (المجموعة الرابعة وفق ترقيم المجموعات الرئيسية) في الجدول الدوري وذلك كعنصر مجموعة رئيسي، حيث أنّ مجموعته تسمّى باسمه مجموعة الكربون. يصنّف الكربون ضمن اللا فلزّات، وهو عنصر رباعي التكافؤ، بحيث أنّ لديه أربع إلكترونات متاحة من أجل تشكيل روابط تساهميّة، كما أنّ له القدرة على الارتباط مع ذرّات كربون أخرى لتشكيل سلاسل كربونيّة طويلة، كما يرتبط مع عدد من العناصر الأخرى، بحيث يشكّل الملايين من المركّبات العضويّة. يتوافر الكربون في كل أشكال الحياة العضويّة وهو أساس الكيمياء العضويّة، كما يوجد الكربون بصيغته اللاعضويّة في العديد من المركّبات والتي من أشهرها ثنائي أكسيد الكربون وأملاح الكربونات.
كربون
يوجد الكربون في الطبيعة بالشكل الحرّ على شكل عدة متآصلات أشهرها الألماس والغرافيت. تختلف الخواص الفيزيائيّة لعنصر الكربون حسب طبيعة الارتباط في المتآصل، فبينما يكون الألماس شفّافاً وصلداً وضعيف الموصليّة للكهرباء، فإنّ الغرافيت، على العكس من ذلك، يكون على شكل مادّة سوداء سهلة التفتّت، ذات موصليّة جيّدة للكهرباء. من المتآصلات الأخرى للكربون كلّ من الأنابيب النانويّة الكربونيّة والغرافين، اللّذَين لهما أعلى ناقليّة حراريّة من بين المواد المعروفة. للكربون ثلاثة نظائر معروفة، وهي الكربون-12 12C، والكربون-13 13C، بالإضافة إلى النظير المشعّ كربون-14 14C، والذي يستخدم في التأريخ الإشعاعي.
يتوفّر الكربون بشكل كبير في الطبيعة، فهو يحتلّ المرتبة الخامسة عشر في ترتيب وفرة العناصر في القشرة الأرضيّة من حيث التركيز، والرابع في الوفرة في الكون من حيث الكتلة. يعدّ الكربون ثاني أكثر العناصر وفرةً في جسم الإنسان من حيث الكتلة. يوجد الكربون بشكل مرتبط في العديد من المنتجات الطبيعيّة مثل صخور الكربونات وثنائي أكسيد الكربون وفي النفط وفي الفحم وفي الخثّ، بالإضافة إلى وجوده على شكل هيدرات الميثان في قاع المحيطات. نظراً للأهميّة الحيويّة للكربون، وتنوّعه وتشكيله لعدد كبير وضخم من المركّبات العضويّة، فإنّ الكربون يعدّ من العناصر الأساسيّة لوجود الحياة.
كربون التاريخ وأصل التسمية
اشتقّ لفظ كربون carbon من اللفظ اللاتيني carbo والذي يعني الفحم، في حين أنّ اللفظ الفرنسي charbon يعني الفحم النباتي. بالمقابل فإنّه في اللغة الألمانية يسمّى Kohlenstoff، والتي تعني مادّة الفحم.
يعدّ الكربون أحد أقدم العناصر اكتشافاً، وكان معروفاً على شكل سناج أو على شكل فحم نباتي بالنسبة للحضارات الأولى للبشريّة، ويعتقد أنّ الصينيّون كانوا أوّل من عرف الكربون على شكل ألماس، وذلك حوالي 2500 سنة قبل الميلاد.
كربون التاريخ وأصل التسمية
في سنة 1722، أظهر رينيه أنطوان فيرشو دي ريومور أنّه يمكن تحويل الحديد إلى فولاذ من خلال امتصاص مادّة، لم يعرف حينها أنّها الكربون، وفي سنة 1772، بيّن أنطوان لافوازييه أنّ الألماس هو شكل من أشكال الكربون؛ وذلك عندما قام بحرق عيّنات من الفحم النباتي والألماس، وأظهر أنّها لا تنتج بذلك أيّ ماء، وأنّ المادّتين تطلقان نفس الكميّة من ثنائي أكسيد الكربون لكلّ غرام. وفي سنة 1779، أظهر كارل فلهلم شيله أنّ الغرافيت، والذي كان يُظنّ أنّه شكل من أشكال الرصاص، ما هو إلّا أحد أشكال الكربون، وأنّه مماثل للفحم النباتي. في سنة 1786، أكّد كلّ من العلماء كلود لوي برتوليه وغاسبار مونج، بالإضافة إلى فاندرمون، أنّ غالبيّة الغرافيت هي عبارة عن كربون، وذلك عن طريق إجراء عمليّة أكسدة له في وسط من الأكسجين، وذلك بأسلوب مماثل لما قام به لافوازييه على الألماس. وبنشرهم للتجربة قاموا باقتراح اسم الكربون (الاسم اللاتيني carbonum) وذلك للعنصر المكوّن للغرافيت، والذي قام لافوازييه لاحقاً بإدراجه ضمن العناصر الكيميائيّة في نصٍّ نشره سنة 1789.
في القرن العشرين، أضيف متآصل جديد للكربون في سنة 1985 باكتشاف الفوليرين، وذلك على عدّة أشكال من ضمنها بنى نانويّة مثل بوكمينستر فوليرين والأنابيب النانويّة الكربونيّة. حصل المكتشفون روبرت كيرل وهارولد كروتو وريتشارد سمولي على جائزة نوبل في الكيمياء سنة 1996 نتيجة ذلك الاكتشاف. أدّى تطوّر الأبحاث في الفترة الأخيرة إلى ظهور أشكال جديدة من الكربون مثل الكربون الزجاجي، وإلى اكتشاف حقيقة أن الكربون اللابلّوري، ليس لابلّورياً بالشكل التام.
كربون الوفرة الطبيعيّة
يأتي الكربون في المرتبة الرابعة من حيث وفرة العناصر الكيميائيّة في الكون بعد الهيدروجين والهيليوم والأكسجين. يدخل عنصر الكربون في تركيب الشمس والنجوم والمذنّبات، وفي تركيب الغلاف الجوّي لأغلب الكواكب. تحوي بعض الأحجار النيزكيّة على كمّيّات مكروئيّة من الألماس، والتي تشكّلت عندما كانت المجموعة الشمسيّة لا تزال في مرحلة القرص الكوكبي؛ كما تتشكّل هذه الألماسات المكروئيّة نتيجة الضغط الهائل ودرجات الحرارة المرتفعة عند مواقع ضربات الأحجار النيزكيّة.
يعتقد العلماء أنّ حوالي 20% من الكربون الموجود في الكون هو على شكل هيدروكربون عطري متعدّد الحلقات (PAHs)، حيث يظنّ أنّ لهذه المركّبات دوراً في عملية التولّد التلقائي أثناء تخليق الكون، وتشكّلت بعد عدّة بلايين من السنين من حدوث الانفجار العظيم، ثم انتشرت في الكون، وأنّ لها دوراً في ولادة النجوم والكواكب خارج المجموعة الشمسيّة.
كربون الوفرة الطبيعيّة
يتطلّب تشكّل نوى ذرّية من الكربون في النجوم حدوث تصادمات ثلاثيّة متزامنة لجسيمات ألفا داخل لبّ النجوم العملاقة أو العماليق الضخمة، وفي لبّ النجوم الموجودة في الفرع الأفقي، وذلك في عملية تدعى تخليق العناصر (أو عملية ألفا الثلاثيّة). بالتالي فإنّ الكربون لم يتشكّل أثناء الانفجار العظيم، ولكنّه انتشر في الكون على شكل رماد نتيجة انفجار المستعرّات العظمى، وذلك كجزء من المادة التي شكّلت الجيل الثاني والثالث من المجموعات النجميّة الحاوية على الكواكب المتشكّلة من أمثال هذا الرماد. إنّ المجموعة الشمسيّة هي واحدة من أنظمة الجيل الثالث تلك.
بالإضافة إلى عمليّة ألفا الثلاثية، فإنّ آلية دورة كربون-نيتروجين-أكسجين (دورة CNO) هي من آليات الاندماج النووي، والتي تولّد الطاقة في النجوم، ويقوم الكربون فيها بدور الحفّاز من أجل استمراريّة التفاعل. يمكن قياس الانتقالات الدورانيّة لأشكال النظائر المختلفة من أحادي أكسيد الكربون (مثل 12CO و 13CO و C18O) وذلك في مجال أطوال موجة دون الميليمتر، ويستخدم ذلك من أجل دراسة النجوم المتشكّلة حديثاً في السحب الجزيئيّة.
كربون الوفرة الطبيعيّة
يعدّ الكربون عنصراً أساسياً من أجل استمرار الحياة في غلاف الأرض الحيوي. يقدّر أن الغلاف الصخري للأرض يحوي 2000 جزء في المليون ppm من الكربون في نواة الأرض، وحوالي 120 ppm من الكربون في الغلاف الخارجي وفي القشرة الأرضيّة. ممّا يعني أنّ هناك حوالي 4360 مليون غيغاطن من الكربون في غلاف الأرض الصخري، وذلك يتضمّن وجود الكربون على صيغة الهيدروكربونات، والتي تعدّ الأساس الكيميائي في الفحم والنفط والغاز الطبيعي. تقدّر احتياطات الفحم بحوالي 900 غيغاطن، في حين أنّ احتياطيات النفط هي حوالي 150 غيغاطن. هناك مصادر غير تقليدية مثل غاز الأردواز، والتي تقدّر احتياطاته عالميّاً بحوالي 540 غيغاطن من الكربون. بالإضافة إلى ما ذكر، فإنّ الكربون يوجد بكمّيّات كبيرة على شكل صخور الكربونات مثل الحجر الجيري والدولوميت والرخام وغيرها.
كربون الوفرة الطبيعيّة
يوجد الكربون متّحداً مع الأكسجين على شكل ثنائي أكسيد الكربون الغازي في غلاف الأرض الجوّي (حوالي 810 غيغاطن من الكربون)، وبشكل منحلّ في مياه المحيطات (حوالي 36 ألف غيغاطن من الكربون). كما يوجد على شكل هيدرات الميثان في أعماق البحار وفي المناطق القطبيّة، وتتفاوت تقديرات كمية الكربون فيها من 500 إلى 2500 غيغاطن، وتصل إلى 3000 غيغاطن. يعدّ الغرافيت أكثر متآصلات الكربون انتشاراً، حيث يوجد بكمّيّات كبيرة في الهند والمكسيك وغرينلاند وروسيا والولايات المتحدة الأمريكيّة. في حين أنّ الألماس يوجد بكثرة في أفريقيا، وخاصة في دول مثل جنوب أفريقيا وناميبيا وبوتسوانا وجمهورية الكونغو وسيراليون.
كربون الإنتاج
توجد هناك ترسّبات طبيعيّة حيويّة من الغرافيت في عدّة مناطق من العالم، ولكنّ أهمّها من الناحية الاقتصاديّة هي الخامات الموجودة في الصين والهند والبرازيل وكوريا الشماليّة. إنّ ترسّبات الغرافيت هي ذات أصل متحوّل وتوجد بشكل مترافق مع معادن الكوارتز والميكا والفلدسبار في صخور الشيست والنايس بالإضافة إلى الحجر الرملي المتحوّل والحجر الجيري، وذلك على شكل عدسات أو عروق قد تصل سماكتها أحياناً إلى متر واحد أو أكثر. من السهل تعدين الكمّيّات الكبيرة الواضحة من الغرافيت، في حين أنّ الكمّيّات الأصغر من ترسّبات الغرافيت يستحصل عليها من سحق الصخر الأمّ الحاوي على الترسّبات، ومن ثمّ بإجراء عمليّة تعويم للغرافيت، والذي يتميّز بخفّته فيطفو على السطح.
كربون الإنتاج
هناك ثلاثة أنواع من الغرافيت الطبيعي، إمّا أن يكون لابلّورياً، أو على شكل قطع قشريّة متبلورة، أو على شكل كتل أو عروق متجمّعة. إنّ الغرافيت اللابلّوري هو أقلّها من حيث السعر والجودة، وهو ينتشر في الصين وأغلب أوروبا وفي المكسيك والولايات المتحدة الأمريكية. أمّا قطع الغرافيت القشريّة المتبلورة فهي أقلّ انتشاراً، ولكنّها ذات جودة أعلى من الغرافيت اللابلّوري، وبالتالي فإنّ سعرها يصل إلى حوالي أربعة أضعاف سعر الغرافيت اللابلّوري. تنتشر القطع القشريّة من الغرافيت في النمسا وألمانيا والبرازيل وكندا ومدغشقر. بالمقابل، فإنّ أفضل أنواع الغرافيت هو الذي يأتي على شكل كتل أو عروق متجمّعة، وهو يتوفر تجارياً في سريلانكا.
حسب بيانات الماسح الجيولوجي الأمريكي، كان الإنتاج العالمي من الغرافيت الطبيعي سنة 2010 حوالي 1.1 مليون طن، وكانت حصّة الصين من هذا الإنتاج حوالي 800 ألف طن، مقابل 130 ألف طن للهند، و 76 ألف طن للبرازيل، و 30 ألف لكوريا الشماليّة، و 25 ألف طن لكندا.
كربون الإنتاج
إنّ تعدين الألماس من خامته يقوم على استخدام جزء صغير من الخامة الفعليّة، حيث أنّ الخامة تسحق بشكل يتمّ فيه الانتباه إلى عدم تحطيم الألماسات الكبيرة، بحيث أن الجسيمات تفصل في النهاية وتصنّف حسب الكثافة. في الوقت الراهن، تجري عمليّة تحديد مكان وجود الألماسات في القسم الغنيّ من الخامة باستخدام تقنيّة فلورية الأشعة السينية، وبعد ذلك تتمّ خطوات الفصل النهاية بأسلوب يدوي. في الماضي، وقبل استخدام تقنيّة الأشعة السينيّة، كانت عملية الفصل تتمّ باستخدام أحزمة مدهونة بالشحم، حيث أنّ للألماس قابليّة للالتصاق بالشحم أكبر من غيره من المعادن الأخرى الموجودة في الخامة.
تاريخيّاً كان يعتقد بوجود الألماس في ترسبات الطمي في جنوب الهند فقط. على أساس ذلك، كانت الهند إحدى الدول الرائدة في إنتاج الألماس، وذلك من وقت اكتشافه حوالي القرن التاسع قبل الميلاد، وحتّى أواسط القرن التاسع عشر. بعد ذلك انخفض الإنتاج، وظهرت دول أخرى منتجة مثل البرازيل، والتي كانت أول منتج للألماس غير الهند، وذلك سنة 1725.
كربون الإنتاج
بدأ إنتاج الألماس من المعادن الأساسيّة مثل الكمبرليت واللامبرويت لأول مرة في سنوات عقد 1870، وذلك بعد اكتشاف حقول الألماس في جنوب أفريقيا. زاد الإنناج مع مرور الوقت، حيث يقدّر أنّه منذ ذلك الحين فقد استخرج بشكل تراكمي إجمالي حوالي 4.5 مليار قيراط. إنّ حوالي 20% من تلك الكمّيّة المستخرجة كانت في السنوات الخمسة بين (2002 - 2007)، وبين سنتي 1997 و 2007 بدأت تسعة مناجم جديدة عملها في إنتاج الألماس وذلك في كل من كندا وزيمبابوي وأنغولا وروسيا.
يستحصل على الألماس في الولايات المتحدة الأمريكيّة في ولايات أركنساس وكولورادو ومونتانا، بالمقابل، فإنّ أكثر مكامن الألماس أهميّة من الناحية الاقتصاديّة هي في روسيا وأستراليا وبوتسوانا وجمهورية الكونغو الديمقراطية.
كربون النظائر
للكربون نظيرين مستقرّين ومتوفّرين طبيعيّاً، وهما كربون-12 12C وكربون-13 13C. يشكّل الكربون-12 ما مقداره 98.93% من الوفرة الطبيعيّة للكربون على الأرض، في حين أنّ الكربون-13 يشكّل نسبة 1.07% المتبقيّة. يزداد تركيز 12C في المواد الحيويّة لأنّ التفاعلات الكيميائيّة الحيويّة لها تمييز للكربون-12 على حساب الكربون-13. قام الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية (IUPAC) سنة 1961 باعتماد النظير كربون-12 كأساس للكتلة الذريّة، بالتالي فإنّ وحدة الكتل الذريّة تعادل 1/12 من كتلة النظير 12C. يستخدم النظير 13C في تجارب الرنين المغناطيسي النووي (NMR) من أجل تعيين الارتباط في ذرات الكربون في المركّبات العضويّة.
كربون النظائر
هناك نظير مشع متوفّر طبيعياً للكربون، وهو كربون-14 14C، والذي يوجد في كمّيّات نزرة على سطح الأرض بتراكيز تصل إلى جزء في التريليون (10^12)، أي ما يعادل (0.0000000001%)، وذلك في الغلاف الجوي للأرض أو في الترسّبات السطحيّة، خاصة في الخثّ والمواد العضويّة الأخرى. يبلغ عمر النصف لهذا النظير المشع 5730 سنة، وهو يضمحلّ على النمط بيتّا −β بطاقة مقدارها 0.158 ميغا إلكترون فولت. بسبب قصر العمر النسبي للاضمحلال الإشعاعي للكربون-14، فهو من حيث الافتراض غير موجود في الصخور ذات العمر السحيق، ولكنّه في المقابل يتشكّل في طبقات الجوّ العليا (التي هي دون الستراتوسفير وفوق التروبوسفير)، وذلك من التأثير المتبادل (التآثر) بين النتروجين والأشعّة الكونيّة. إنّ نسبة الكربون-14 في الجوّ والكائنات الحيّة هي تقريباً ثابتة، ولكنّها تتناقص بعد وفاتها وطمرها في التراب. في هذه الحالة، يستفاد من معرفة الفرق في نسبة الكربون-14 في مجال تقدير عمر الأجسام الكربونيّة التي لها أعمار حوالي 40 ألف سنة، باستخدام تقنية التأريخ بالكربون المشعّ.
هناك 15 نظيراً معروفاً للكربون، أقصرها عمراً هو للنظير كربون-8، والذي يضمحلّ من خلال إصدار بروتوني واضمحلال ألفا، حيث أنّ عمر النصف له يبلغ 1.98739x10−21 ثانية. يكون للنظير الغريب كربون-19 19C نواة من النمط هالو.
كربون الخواص الفيزيائيّة
للكربون أعلى نقطة تسامي بين العناصر الكيميائيّة، والتي تبلغ حوالي 3900 كلفن. ليس للكربون نقطة انصهار عند الضغط النظامي، حيث أن النقطة الثلاثيّة له هي عند ضغط مقداره 10.8 ± 0.2 ميغاباسكال، ودرجة حرارة مقدارها 4600 ± 300 كلفن (~4330 °س). يتسامى الكربون في المصباح القوسي الكربوني، والذي تصل درجات الحرارة فيه إلى حوالي 5800 كلفن (5530 °س). بالتالي، فإنّه وبغضّ النظر عن شكل المتآصل فإنّ الكربون يبقى صلباً عند درجات حرارة أعلى من درجات انصهار فلزات مثل التنغستن أو الرينيوم.
للكربون خواص مغناطيسية معاكسة، وتختلف قيمة القابليّة المغناطيسيّة في الغرافيت حسب المستوي الفراغي، فيكون بذلك متباين الخواص، إذ أنّ القيمة في المستوي الموازي تبلغ  = −85 · 10−6، وفي المستوي العمودي للطبقات  = −450 · 10−6. بالمقابل فإنّ للألماس في هذه الناحية متوحّد الخواص، حيث أنّ القيمة لديه ثابتة ومقدارها  = −22 · 10−6.
كربون الخواص الفيزيائيّة
على العموم، تختلف الخواص الفيزيائيّة التفصيليّة للكربون حسب شكل ارتباط الذرات في الأشكال المختلفة من المتآصلات، والتي تشمل مثلاً أقسى مادة موجودة في الطبيعة وهي الألماس، مقابل واحدة من أكثر المواد نعومة وهي الغرافيت. في الجدول التالي مقارنة بين الخواص الفيزيائيّة لكل من الألماس والغرافيت: