چرا بیشتر حجم اتم را فضای خالی تشکیل می­ دهد؟

بیگ بنگ: جان دالتونِ شیمی­دان، نظریه­ ای بر این مضمون ارائه کرد که تمام مواد و اشیاء از ذراتی به نام اتم ساخته شده ­اند و این نظریه حتی تا بعد از دو قرن، توسط جامعه علمی مورد قبول می­ باشد. اتم­ها از هسته ­ای بسیار کوچک و الکترون­ هایی به مراتب کوچکتر تشکیل شده ­اند که این الکترون­ ها با فاصله ­ای زیاد به دور هسته در حال گردش ­اند.

به گزارش بیگ بنگ، میزی را تصور کنید که میلیاردها بار بزرگتر از اندازۀ معمولی خود است؛ در این حالت اتم­های این میز به اندازه هندوانه خواهند بود. اما با این وجود، هسته واقع در مرکز و الکترون­ های در حال گردش به دور آن، هنوز قابل مشاهده نخواهند بود. پس چرا هنوز انگشتان ما و حتی نوری از میان فواصل موجود در این اتم­ ها عبور نمی­ کند؟

برای فهمیدن آن،ما باید به الکترون­ ها توجه کنیم. متاسفانه بیشتر آنچه که ما در مدارس آموخته­ ایم بسیار برای ما ساده­ سازی شده­ اند. بر خلاف آنچه که ممکن است در مدارس به شما آموخته باشند، در واقع حرکت الکترون­ ها به دور هسته اتم، به شکل حرکت زمین به دور خورشید نیست. به جای آن، الکترون­ ها را مانند دسته ­ای از زنبورها یا پرندگان تصور کنید که حرکت جداگانه این موجودات قابل مشاهده نمی­باشد اما با این وجود شما حرکت کلی آنها را در دسته، مشاهده می­ کنید.

الکترون­ها می ­رقصند!

در حقیقت، الکترون­ ها می­ رقصند. کلمۀ بهتری برای توصیف آن وجود ندارد. اما الگوی این رقص تصادفی نیست. بلکه چیزی شبیه به سالن رقص که در آن الگوی مشخصی برای حرکت زوجین وجود دارد و این الگو با معادله­ ای به نام معادله شرودینگر مشخص شده است. این الگوها انواع مختلفی دارند. برخی از آنها کند و ملایم مانند حرکات رقص والتز و برخی از آنها سریع و پرانرژی مانند حرکات رقص چارلستون می ­باشند.

هر الکترون الگوی خاص به خود را دنبال می کند اما گاهی اوقات این الگو تغییر پیدا می­ کند و این تغییر زمانی اتفاق می ­افتد که الکترونی دیگر در حال استفاده از الگوی حرکتی جدید مورد نظر نباشد. هیچ دو الکترونی در یک اتم از الگوی حرکتی یکسانی تابعیت نمی­ کنند. این قانون با نام اصل طرد پاولی شناخته می­ شود. با اینکه الکترون­ ها هیچ وقت خسته نمی­ شوند، تغییر الگوی حرکت به یکی از انواع  سریع تر آن، مصرف انرژی را به دنبال دارد و زمانی که الکترونی الگوی حرکتی کندتری را انتخاب می­ کند، انرژی از دست می­ دهد.

پس زمانی که انرژی بصورت تابش نور بر یک الکترون می­ تابد، الکترون انرژی جذب کرده و الگوی حرکتی سریع تری را انتخاب می­ کند.از آنجایی که الکترون­ ها مشتاق جذب انرژی و تغییر الگوی حرکتی خود می ­باشند، باریکۀ نور قادر به عبور از میان اتم­ های اشیاء(میز) نمی­باشد. بعد از مدت زمان بسیار کوتاهی، الکترون­ ها این انرژی جذب شده را، احتمالا به شکل نور، از دست می­ دهند. تغییرات در الگوی حرکتی الکترون­ها و از دست دادن دوباره انرژی بصورت نور باعث بازتاب نور و رنگ­ ها شده و ما میز را بصورت جامد مشاهده می­ کنیم.

مقاومت در زمان لمس

پس چرا وقتی ما میز را لمس می­ کنیم، محکم به نظر می­ رسد؟ احتمالا پاسخ بسیاری از پایگاه­ های اینترنتی این است که دلیل این اتفاق، دافعه می­ باشد و دو ذره با بار منفی، یکدیگر را دفع می­ کنند. اما این پاسخ نادرست می­ باشد و نشان می­ دهد نباید به دنیای اینترنت اعتماد کرد. دلیل سختی میز، رقص الکترون ­ها می­ باشد. اگر شما میز را لمس کنید، الکترون­ های موجود در اتم­ های دستانتان به الکترون­ های میز نزدیک می­ شوند. با نزدیک شدن الکترون ­های یک اتم به هسته اتمی دیگر، الگوی رقص آن دچار تغییر می­ شود.

دلیل این اتفاق این است که الکترونی در سطح انرژی پایین اتمی، قادر به انجام الگوی حرکتی قبلی در نزدیکی اتم جدید نیست. زیرا آن فضا توسط الکترونی از هسته مقابل گرفته شده است. الکترون تازه وارد باید در نقشی جدید و پرانرژی ظاهر شود. این انرژی توسط نور تامین نمی­ شود بلکه توسط نیروی وارده توسط انگشتان شما در زمان لمس میز تامین می­ شود.

بنابراین در نزدیک کردن دو اتم به یکدیگر انرژی مصرف می­ شود زیرا که تمام الکترون­ های دو اتم ناچار به تغییر الگوی حرکتی خود به سطحی بالاتر و پرانرژی­ تر می­ باشند. نزدیک کردن تمام اتم­ های انگشت و میز به یکدیگر مقادیر بسیار بالایی از انرژی را می­ طلبد که این مقدار بیش از توان ماهیچ­ه ای شما می­ باشد. به این دلیل شما میز را در زمان لمس آن محکم حس می­ کنید.

نوشته: راجر بارلو/ استاد دانشگاه هادرزفیلد- محقق و مدیر موسسه بین المللی برنامه های شتاب دهنده

ترجمه: رضا کاظمی/ سایت علمی بیگ بنگ

منبع: theconversation.com

image_pdfimage_print
(15 نفر , میانگین : 4٫73 از 5)
لینک کوتاه مقاله : http://bigbangpage.com/?p=64995
رضا کاظمی

رضا کاظمی

دانشجوی کارشناسی مترجمی انگلیسی و علاقمند به مطالب علمی نجومی میباشد و در زمینه انتشار مقاله با وب سایت بیگ بنگ همکاری می کند.

شما ممکن است این را هم بپسندید

۷ پاسخ‌ها

  1. پوپک گفت:

    این تحلیل نسبتاً نزدیک به واقعیت بود ولی هنوز ماهیت واقعی و البته حقیقی نور و ماده تا حد زیادی مبهمه. مثلا اینکه اصلا چرا ماده نور رو منعکس میکنه و بازتاب میده و اینکه دقیقا علت رقص الکترون ها چیه !؟

  2. سید محمد مهدی رئیس زاده گفت:

    رادرفورد قطر هسته ی اتم طلا رو ۱۰ به توان منهای ۱۵ متر و قطر کلی اتم طلا رو ۱۰ به توان منهای ۱۰ متر اندازه گرفت
    شاید کمی عجیب به نظر برسه ولی اگه ما به اندازه ی ۱ متر هسته ی طلا رو داشته باشیم الکترون ها در فاصله ی ۵۰ کیلومتری اون می چرخن!
    حالا آیا واقعا بیش تر حجم اتم رو فضای خالی تشکیل نداده؟

  3. M hk گفت:

    خیلی جالب بود. خصوصا قضیه لمس اجسام همیشه برای من سوال بود. اما آیا میشه نحوه حرکت دادن میز رو هم با به این طریق توجیه کرد؟

  4. بهنام سرخیل گفت:

    عالی بود.
    به ویژه موضوع علت سختی جامدات.
    با سپاس

  5. افشین گفت:

    واقعا از مترجم متن آقای رضا کاظمی ممنونم
    بخاطر انتخاب موضوع های خوبشون

  6. عرفان گفت:

    به نظر من در فرایند شناخت درونی اتم رادرفورد و پرفسور شرودینگر بیشترین نقش رو داشتن
    ارنست رادرفورد = بازگشت ذرات آلفا با زاویه ای نزدیک به ۱۸۰ درجه مانند این است که شما یک گلوله ی توپ را به سمت یک دستمال کاغذی پرتاب کنید و آن گلوله به سمت شما برگردد

پاسخ دهید

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