تاریخچه کوانتوم ( قسمت دوم )

در سال ۱۸۹۶ تامسن هنوز سرگرم کار با اشعه کاتدی بود که فیزیکدانی فرانسوی به نام آنری بکرل کشف کرد که عنصر سنگین اورانیوم همواره از خود اشعه ای ساطع می کند که مانند اشعه ایکس رنتگن به گازها قابلیت هدایت الکتریکی می دهد. سپس این سوال طرح شد که آیا فقط اورانیوم است که این خاصیت را دارد یا عناصر شیمیائی دیگری نیز هستند که چنین رفتار می کنند . شیمیدانی لهستانی به نام ماری کوری که همسر پی یرکوری فیزیکدان فرانسوی بود برآن شد که پاسخ را بیابد. او با شوهرش در آزمایشگاهی محقر در پاریس آغاز بکار کردند و در سال ۱۸۹۸ موفق به کشف تابش سنگ معدنی پیچبلند شد آنها پس از تجزیه شیمیائی وقت گیر و دقیقی توانستند جزء فعال این ماده را جدا کند که معلوم شد خود مرکب از دو عنصر بسیار فعال است که یکی از این عناصر را به یاد میهن ماری لهستان «پولوتونیوم » نام نهادند و دیگری را «رادیوم » خواندند.

رادفر در سال ۱۸۹۸ مصمم شد رادیواکتیویته را مورد مطالعه تفصیلی قرار دهد و به زودی پی برد که در این تابش دو دسته پرتو شرکت دارد و آنها را پرتوهای آلفا و بتا خواند در حالی که پژوهش بیشتر همکارانش نشان داد که در واقع اصلا پرتوئی در کار نیست و آنچه هست ذره است . تا سال ۱۹۰۳ آنها به این نتیجه رسیدند که اتم های مواد رادیواکتیویته خود به خود می شکنند. درسال ۱۹۰۷ رادفر به انگلستان برگشت و به دانشگاه منچستر رفت . او با همکاری هانس گایگر که امروزه به عنوان مخترع شمارشگر گایگر معروف است کشف کرد که ذرات آلفا از هر عنصر رادیواکتیوی که ناشی شده باشد همان طیفی را ایجاد می کند که اتم های گاز هلیوم پدید می آورند .ضمنا جرم آنها نیز برابر جرم این اتم هاست . پس نتیجه آن شد که ذرات اشعه آلفا همان اتم های گاز هلیوم هستند. پژوهش در مورد اشعه بتا نشان داد که ذرات آن الکترونهائی باسرعت بسیار است بنابراین مشخص گردید که وقتی اتم های مواد رادیو اکتیو می شکند در واقع چه اتفاق می افتد.
181316_422051231172233_1534101916_n
در سال ۱۹۰۰ فیزیکدانی فرانسوی به نام پل ویلار کشف کرده بود که در تابش رادیو اکتیو اشعه دیگری نیز وجود دارد. بررسی های او نشان می داد که این اشعه نافذتر از اشعه ایکس است اما همانند آن رفتار می کند. او این یکی را اشعه گاما نامید ولی چون پرتو های آلفا وبتا هر دو بجای پرتو ذره از کار در آمده بودند نتایج کار ویلار مورد تردید قرار گرفت .

شواهد و قرائن نشان داد که تامسن حق داشته و الکترون ذره ای کوچک تر از اتم است . الکترون دارای بار الکتریکی منفی بود و بار منفی اش معادل بار الکتریکی مثبت ذرات هلیوم(آلفا) بود و از آنجا که اتم در حالت عادی از لحاظ الکتریکی خنثی بود رادفر در سال ۱۹۱۱ نظریه ای برای اتم ارائه داد. طرح رادفر این بود که هر اتم دارای یک مغز یا هسته است. این هسته دارای بار الکتریکی مثبت است و جرم آن عمده جرم اتم را تشکیل می دهد .

در سال ۱۹۱۲ یک سال پس از آن که مدل اتمی رادفر ارائه شد نیلس بر فیزیکدان دانمارکی در منچستر نظریه اتمی فوق العاده قدرتمند خود را مطرح کرد. مدل بر جانشین مدل رادفر شد.

پژوهش های دیگری نیز که در پایان قرن نوزدهم انجام گرفته بود بر مدل اتمی بر صحه می گذاشت. این مدل توضیح می داد که چرا خطوط طیف عنصر هیدروژن با طول موج هائی تابع یک سری معین ظاهر می شد که با سری ریاضی ساده ای که یوهان بالمر در سال ۱۸۸۵کشف کرده بود مطابقت پیدا می کرد .

در سال۱۹۰۰ پلانک عنوان کرده بود که تشعشع نه به صورت جریانی پیوسته بلکه در قالب پیمانه ها یا کوانتوم های مجزا ئی از انرژی است و تعداد کوانتوم ها و بنابراین مقدار کل انرژی هر چه باشد طول موج تشعشع کوتاه تر خواهد بود. که این امر در سال ۱۹۰۵ نیز مورد تائید انیشتین نیز قرار گرفت که خودش سرگرم تجزیه و تحلیل پدیده فتوالکتریک بود که در آن در اثر تابش امواج کوتاه ماورای بنفش بر یک سطح فلزی الکترون آزاد می شد.

مسئله ای که انیشتین پیش روی داشت این بود که انرژی الکترون ها به شدت نور ماورای بنفش بستگی نداشت اما به طول موج آن بستگی داشت. اما دقیقا همان نتیجه ای است که اگر نور بصورت کوانتومی یعنی در پیمانه های مجزای انرژی باشد انتظار می رود.

کار روی جزئیات نظریه کوانتوم – نظریه مربوط به پیمانه های مجزای موج انرژی – به وسیله چند فیزیکدان ریاضی انجام گرفت که برجسته ترینشان لوئی دوبروگلی و اروین شرودینگر و پل دیراک و ورنرهایزنبرگ بودند.

هایزنبرگ در سال ۱۹۲۷ اصل عدم قطعیت خود را مطرح کرد او نشان داد که همین فرض که انرژی در کوانتوم ها مجزا حرکت می کند بدین معناست که زوج های متغیری مانند زمان و انرژی را که همواره بر یکدیگر اثر دارند نمی توان به دقت تمام معین کرد. هر چه یکی دقیق تر تعریف شود دیگری را با دقت کمتری می توان تعریف کرد. و همیشه مقداری عدم قطعیت ولو بسیار اندک وجود دارد. ولی همه فیزیکدانان حاضر به پذیرفتن این اصل نبودند گرچه پیامد قطعی کوانتومی بودن انرژی به نظر می رسید. همین اصل موجب شد انیشتین نظریه کوانتوم را رد کند.

نظریه اتم بر همچنین می توانست زمینه ای نظری برای جدول تناوبی عناصر شیمیائی فراهم آورد که آن را نخستین بار شیمیدانی روسی به نام دیمیتری مندلیف در سال ۱۸۹۰ ترسیم کرده بود.
توضیح جدول مندلیف توجه را به هسته جلب کرد که رادفر قبلا نشان داده بود که بسیار کوچک و در واقع حدود ده هزار بار کوچک تر از خود اتم است. استن در سال ۱۹۱۹ کشف کرده بود که گاز نئون می تواند در اشکال متفاوتی وجود داشته باشد دارای اوزان اتمی متفاوتی باشد اما از لحاظ خواص شیمیائی فرقی نکند به عبارت دیگر آنها نیز می توانند دارای چنین ایزوتوپ هائی باشند. در همان سال (۱۹۱۹) رادفر اتم نیتروژن را با ذرات آلفا بمباران کرد و هسته آن را از هم پاشید حاصل این فروپاشی ذراتی با بار مثبت بود که پروتون نام گرفتند.

تحقیقاتی که تا سال ۱۹۲۰ انجام پذیرفت چنین نتیجه ای در بر داشت که اتم یقینا دارای اجزای کوچک تری است. به علاوه بمباران هسته اتم نیتروژن به وسیله رادفر راهگشای تکنیک قوی و جدیدی شده بود که خود به نوبه طلایه دار همه روش های تجزیه ی مصنوعی اتم شد که در سال ۱۹۳۲ برای شکستن هسته اتم لیتیم مورد استفاده جان کاکرافت و ارنست والتن قرار گرفت.

گام بعدی در جهت کشف ساختمان هسته در سال ۱۹۳۲ برداشته شد که عضو دیگری از اتم پژوهی رادفر به نام جیمز چدویک نوترون را کشف کرد که ذره ای در هسته با جرمی به زیادی جرم پروتون ولی فاقد بار الکتریکی . این بلافاصله موجب تصحیح بی قاعدگی اکسیژن در جدول تناوبی شد. در این میان مطالعات بیشتری در مورد تباهی رادیواکتیو انجام گرفته انجام گرفته بود و به ویژه در این مورد که وقتی یک هسته رادیو اکتیو انجام گرفته بود و بویژه در این مورد که وقتی یک هسته رادیو اکتیو از خود ذرات بتا ساطع می کند دقیقا چه اتفاقی می افتد. در سال ۱۹۲۸ پل دیراک از دیدگاهی نظری به این نتیجه رسیده بود که انتشار ذرات بتا فقط در صورتی قابل توضیح است که یک ذره زیر اتمی جدید درست در لحظه ای که ذره بتا هسته را ترک می گوید به وجود آید. در سال ۱۹۳۲ کارل اندرسن در انستیتو تکنولوژی کالیفرنیا دقیقا همین ذره را مشاهده کرد و آن را پوزیترون نامید. با این حال تولید ذره بتا هنوز با مسائلی همراه بود که تا سال ۱۹۳۴ حل نشد. در این سال یک فیزیک دان ایتالیائی به نام انریکو فرمی که بعدها برای اجتناب از فاشیسم در ایتالیا به ایالات متحده مهاجرت کرد. با استفاده از ذره ای موسوم به نوترینو توضیح کاملی ارئه داد.

نظریه فرمی درمورد تولید ذره بتا منشا نظرات تازه دیگری شد اما سوالاتی نیز مطرح کرد به ویژه این که پروتون ها و نوترون ها چگونه در هسته در کنار هم می مانند. در سال ۱۹۳۵ یک فیزیکدان ژاپنی به نام هیدکی یوکاوا با استفاده از ذره ای دیگر توضیحی ارائه داد. این ذره که مزون نام داشت در درون هسته مثل نوعی چسب عمل می کرد و نیروی لازم را فراهم می آورد.

نتیجه :

با کشف نوترینوها مزون ها و حتی ذرات مرموزتر برخوردار از عامل غرابت نظریه اتم و اجزای تشکیل دهنده آن از میانه دهه ۱۹۵۰ وارد مرحله جدید و پیچیده ای شده است ذرات هسته ای جدید تکثیر پیدا می کنند و فیزیکدانان هسته ای همچنان به دنبال واحدهای بنیادی ترند. همزمان با این امر سه ذره جدید دیگر مطرح شد که بر اساس کتاب بیداری فینگن ها اثر جیمز جویس این سه ذره به کوارک معروف شدند. کوارک واژه ای آلمانی است و به معنی هیچ می باشد و هنوز هیچ کوارکی مشاهده نشده است ولی شواهدی ازمری گلمان و دیگران در ایالات متحده نشان می دهد که به زودی ممکن است نظریه مجسم تری در مورد هسته اتم ارائه شود و با نظرات اخیر درباره جاذبه ارتباط پیدا کند و لذا با یک نظریه میدان واحد طرحی همه شمول پدید آورد که جهان کوچک هسته و جهان بزرگ هستی را در بزرگترین مقیاس در بر بگیرد.

پیشرفت علمی دیگر که از نظریات راجع به اتم و کوانتوم ناشی شده پیدایش فیزیک جامدات بوده است. نگاهی تازه به رفتار خواص و ساختمان جامدات این امر باعث بررسی مجدد قوه مغناطیسی مواد هادی الکتریسیته و مواد عایق آن و مواد حد واسط موسوم به نیمه هادی شده است. بررسی نیمه هادی ها دارای عمیق ترین نتایج عملی و هم نظری بوده است . همچنین بررسی منجر به اختراع ترانزیستور در سال ۱۹۴۸ در ایالات متحده توسط جان باردین والتربریتن و ویلیام شاکلی و ظهور مدارهای میکرومینیاتوری «چیپ های معروف» در قلب میکرو کامپیوترهای جدید و به دنبال آن آگاهی پیدایش رشته مهم «آگاهی مصنوعی» شد. پیامد دیگر که در پژوهش علمی و نیز در تکنولوژی و پزشکی کاربردی استفاده عملی زیادی داشته است لیزر و همتای موج کوتاهش میزر است در این دستگاه ها نور و امواج دارای طول موج بسیار کوتاه (میکروویو) با استفاده از تکنیک هائی برگرفته از فیزیک اتمی تولید می شود. این امواج بسیار کوتاه به شکلی غیر عادی ظاهر می شوند زیرا تمامی بازده تشعشعی آن ها دارای موج هائی هماهنگ و هم فاز است و از این رو پرتوی باریک با انرژی بسیار بالا پدید می آورد. از کاربردهای این امواج ساخت دستگاه هائی برای سنجش بسیار دقیق است . پس فیزیک در قرن بیستم ابزارهای قوی و جدیدی هم برای پژوهش نظری وهم برای استفاده در هرگامی از زندگی فراهم آورده است.

لینک قسمت اول
منابع:
۱- تاریخ علم – نوشته کالین ا.رنان ترجمه ی حسن افشار
۲- تلاش سازندگان عصراتم – آلوین مک کاری ،ترجمه دکتراحمدغریب ودکترجمشیدکمالی
۳- آشنائی با اورانیوم ، نوشته دکترخزانه وروشن ضمیر

image_pdfimage_print
(9 نفر , میانگین : 2٫78 از 5)
لینک کوتاه مقاله : http://bigbangpage.com/?p=770

سمیر الله وردی

کارشناس عمران، علاقمند به نجوم، کیهان شناسی، فیزیک و تکنولوژی های جدید می باشد و بعنوان نویسنده علمی- نجومی در وب سایت بیگ بنگ فعالیت می کند.

شما ممکن است این را هم بپسندید

۲ پاسخ‌ها

  1. زهرا گفت:

    بچه ها سایت شما دیوونه کنندست!! خسته نباشین.. به همین خوبی ادامه بدین 🙂

  2. zahra گفت:

    سلام خسته نباشید
    لطفا میشه درباره واپاشی الفازا به صورت کوانتومی مطلب بذارید؟خیلی بهش احتیاج دارم ولی تا الان هیچی پیدا نکردم.ممنون میشم

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *