فوتون‌ها، الکترون‌ها و اتم‌ها – قسمت اول

بیگ بنگ: ماکسول، هرتز و چند دانشمند دیگر، پایه‌های این نظریه را که نور، موج الکترومغناطیسی است، استحکام بخشیدند. پدیده‌هایی نظیر تداخل، پراش و قطبش، ماهیت موجی نور را تأیید کردند.

Photonاما پدیده‌های بسیاری، از آن‌ جمله گسیل و جذب تابش الکترومغناطیسی جنبه‌های کاملاً متفاوتی از ماهیت نور نشان دادند. معلوم شد که انرژی یک موج الکترومغناطیسی، کوانتیده است و به صورت بسته‌های شبه ذره با انرژی مشخص، موسوم به فوتون یا کوانتومی، گسیل یا جدب می‌شوند. انرژی یک فوتون منفرد، متناسب با بسامد تابش است.

انرژی‌های مربوط به حرکت‌های درون اتم نیز کوانتید‌ه‌اند و برای نوع مشخصی از اتم‌های منفرد، نمی‌توانند هر مقدار دلخواه را داشته باشند و فقط به صورت مقادیر ناپیوسته‌ای موسوم به ترازهای انرژی، امکان بروز دارند. دو ایده‌ی فوتون و ترازهای انرژی، درک ما را از مشاهدات متعدد و گوناگونی که فهم آن‌ها بدون تکیه بر این ایده‌ها بسیار دشوار می‌نمودند، بسیار آسان کرد. در بین این مشاهدات، می‌توان از

گسیل و جذب طول‌ موج‌های مشخص توسط عناصر گازی‌شکل، گسیل الکترون از سطحی که نور بر آن می‌تابد، کار لیزرها و تولید و پراکندگی پرتو ایکس نام برد. با بررسی ترازهای انرژی و فوتون‌ها، به آستانه‌ی مکانیک کوانتومی می‌رسیم که پدید‌ آورنده‌ی تغییرات مهمی در دیدگاه‌های ما از ماهیت امواج الکترومغناطیسی و خود ماده است.

maxresdefaultاما سوال این است که نور چگونه تولید می‌شود؟ هانریش هرتس، امواج الکترومغناطیسی را با ایجاد تشدید در مدار (L-C) به وجود آورد. وی بسامدهایی در حدود ۱۰ به توان ۸ هرتز ایجاد کرد. در حالی‌که بسامد نور مرئی در حدود ۱۰ به توان ۱۵ هرتز و به مراتب بالاتر از بیشترین بسامدهای قابل وصول در مدار‌های الکترونیکی است. در اواخر قرن نوزدهم، بعضی از فیزیک‌دانان به این باور رسیدند که برای تولید امواج در این گستره‌ی بسامد، باید بارهای الکتریکی درون اتمی به ارتعاش در آیند. اما برپایه‌ی این باورها نتوانستند بعضی از داده‌های آزمایشی را تفسیر کنند. در سال‌های آغازین دهه‌ی ۱۹۰۰ تفسیر سه فرایند در نظر فیزیک‌دانان دشوار بود:

به طور خلاصه در مورد طیف خطی باید گفت که می‌توان به کمک یک منشور یا توری پراش، یک باریکه‌ی نور را به طیف‌های آن تجزیه کرد. اگر چشمه‌ی نور، یک جسم جامد مثلاً یک رشته‌ی لامپ و یا یک مایع باشد، طیف پیوسته است. و نوری شامل همه‌ی طیف‌ها از آن گسیل می‌شود. اما اگر نور از تخلیه‌ی بار الکتریکی در یک گاز مثلاً در لامپ‌های نئونی یا داغ‌شدن نمک قابل تبخیر نظیر نمک طعام در یک شعله به دست‌ آید، فقط چند رنگ به صورت خط‌های باریک و جدا از یکدیگر ظاهر می‌شوند. هر یک از این خطوط رنگین تصویری از شکاف دستگاه طیف‌سنج است که با زاویه‌ی معینی منحرف شده‌اند. این زاویه‌ی انحراف، تابع طول موج نور است. طیفی که به این صورت به دست می‌آید، طیف‌ خطی نامیده می‌شود. و هر خط به یک طول موج مشخص تعلق دارد.

Light-Spectrumدر اوایل قرن نوزدهم، دانشمندان کشف کردند که هر عنصر در شکل گازی خود، صاحب تعدادی خطوط مشخص طیف است. مثلاً هیدروژن تعدادی از خط طیف‌ خاص خود را دارد و خطوط طیف سدیم با هیدروژن، کاملاً متفاوت‌اند. فیزیک‌دانان به کمک خطوط طیف، به شناسایی عناصر دست یافتند و این خطوط، به ابزار ارزشمندی در شناخت عناصر تبدیل شد. در اصل طیف یک عنصر اثر انگشت آن عنصر می‌باشد. برای مثال، اخترشناسان خطوط طیف بیش از صد مولکول مختلف را در فضای بین ستاره‌ای مشاهده کرده‌اند که بعضی از آنها در زمین یافت نمی‌شوند. طیف مشخصه‌ی یک اتم، به ساختار داخلی آن ارتباط دارد. اما کوشش برای فهم چگونگی این ارتباط بر اساس مکانیک کلاسیک و الکترودینامیک فیزیک خلاصه شده در سه قانون نیوتن و چهار قانون معادلات ماکسول، با موفقیت همراه نبود.

در مورد اثر فوتوالکتریک باید گفت که در مورد نور نیز رازهای کشف‌ نشده‌ای وجود داشت. در سال ۱۸۸۷ میلادی، هرتس در حین آزمایش‌هایی در زمینه‌ی امواج الکترومغناطیسی، اثر فوتوالکتریک را کشف کرد. وقتی پرتو‌های نور به سطح یک فلز برخورد می‌کنند، برخی از الکترون‌های نزدیک به سطح، انرژی کافی برای چیرگی بر اثر جاذبه‌ی یون‌های مثبت موجود در فلز را به دست می‌آورده و به درون فضای مجاور فرار می‌کنند. تحقیقات بیشتر در این زمینه، نکات مبهمی را به وجود آورد که رفع آنها به کمک قوانین اپتیک کلاسیک ممکن نبود.

4747474مسئله‌ی حل‌نشده‌ی دیگر در زمینه‌ی گسیل و جذب پرتوها، تولید و پراکندگی پرتو ایکس بود که در سال ۱۸۹۵ کشف شد. این پرتوها در لوله‌های با ولتاژ بالای تخلیه‌ی الکتریکی تولید می‌شدند، اما معلوم نبود که آنها چرا و چگونه تولید می‌شوند و یا طول موج آنها که از طول موج نور مرئی به مراتب کوچک‌ترند، به چه عواملی بستگی دارد. از اینها پیچیده‌تر، وقتی این پرتوها به سطح فلز بتابند، طول موج پرتوهای پراکنده‌ شده از سطح، بیشتر از طول موج پرتوهای تابشی اولیه هستند.

مثل اینکه نور آبی بر سطح آینه‌ای بتابد و بازتاب آن نور سرخ باشد. همه‌ی این پدیده‌ها و چندین پدیده‌ی دیگر به طور جدی به این نتیجه ختم شدند که اپتیک کلاسیک، هر چند در بیان ساختار آینه‌ و عدسی، تداخل و قطبش و دیگر موارد موفق بود، اما با محدودیت روبه‌رو شد. اینک معلوم شده است که پدیده‌های محدود‌کننده‌، ناشی از ماهیت کوانتومی تابش است. امواج الکترومغناطیس همراه با حفظ ماهیت موجی خود، خواص ذره‌ای نیز دارند. به ویژه انرژی این امواج، به صورت بسته‌هایی موسوم به فوتون یا کوانتوم، گسیل و جذب می‌شوند که متناسب با طول موج تابش‌اند.

ادامه دارد »»»

نویسنده اسماعیل جوکار/ سایت علمی بیگ بنگ

منابع:

فیزیک هالیدی، رزنیک، واکر، جلد‌های دوم و سوم

فیزیک دانشگاهی، سرز و زیمانسکی – جلد چهارم

فیزیک جدید ۱ و ۲ نشر پیام نور

فیزیک کوانتومی استفان گاسیوروویچ

image_pdfimage_print
(22 نفر , میانگین : 4٫95 از 5)
لینک کوتاه مقاله : http://bigbangpage.com/?p=34857
اسماعیل جوکار

اسماعیل جوکار

نویسنده این مطلب: اسماعیل جوکار، دانشجوی مقطع کارشناسی فیزیک، علاقمند به فیزیک، نجوم و کیهان شناسی می باشد و به عنوان نویسنده در وب سایت بیگ بنگ فعالیت می کند.

شما ممکن است این را هم بپسندید

۲ پاسخ‌ها

  1. afshin گفت:

    یه خواهش دارم و اون اینکه شبه ذره و مفاهیم کلیدی دیگری از این دست که برای اکثر خوانندگان نا آشنا ست رو به صورت دانشنامه تو سایت قرار بدید.
    سپاس

پاسخ دهید

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