کوانتای انرژی اینشتین (فوتون‌ها) – قسمت دوم

اینشتین با توجه به کاربردهای ویژه‌ای که در اصل موضوع کوانتوم یافت به تعبیر ذرات نور رسید و مهم‌تر از آن در یکی از مقاله‌های ۱۹۰۵ نشان داد که نتایج تجربی، گواهی برانگیزاننده‌ای در مورد وجود ذرات نور ارائه می‌کند که تناقض اساسی با آزمایش‌های قبلی بر مبنای نظریه‌ی به ظاهر غیر قابل رد موجی دارد.

مهمترین دلیل تجربی اینشتین،  “اثر فوتوالکتریک”  بود. اثر مزبور به این معنی است که با افشاندن نور ماورای بنفش به سطح صاف فلزی که در خلاء تهیه شده، جریان الکتریکی تولید می‌شود. فیلیپ لنارد در اواخر دهه‌ی ۱۸۹۰ و اوایل دهه‌ی ۱۹۰۰ جریان فوتوالکتریک را مطالعه کرد (لنارد همان کسی بود که بعدها از روی عداوت و با رویکردی ضد یهودی در جهت اخراج اینشتین از آلمان کوشید و سرانجام موفق شد). لنارد کشف کرد که جریان خروجی از فلز “مورد هدف”، محتوی الکترون‌هایی است که می‌توان انرژی جنبشی آنها را به دقت اندازه گرفت و الکترون‌های منتشر شده، انرژی خود را از پرتو نوری کسب می‌کنند که روی سطح فلز می‌تابد. اگر دیدگاه کلاسیک اتخاذ شود (یعنی امواج نوری همانند امواج اقیانوس بر سطح فلز می‌کوبند و الکترون‌ها همانند سنگریزه‌های پراکنده روی ساحل‌اند)، ضرورتاً با قوی‌تر شدن تابش یعنی هنگامی که امواج با انرژی بیشتری ضربه می‌زنند، هر الکترون انرژی بیشتری می‌گیرد. اما این چیزی نبود که لنارد مشاهده کرد. او در ۱۹۰۲ کشف کرد که گرچه تعداد کل الکترون‌های رها شده از سطح فلز در هر ثانیه متناسب با شدت تابش افزایش می‌یابد، اما انرژی الکترون‌های تنها، مستقل از شد نور است.‌

10655662-large (1)

اینشتین نشان داد در صورتی‌که بتوان تابش را مجموعه‌ای از فوتون‌های ذره‌گونه انگاشت، می‌توان این وجه معماگونه‌ی اثر فوتوالکتریک را درک کرد. او فرایندی ساده برای انتقال انرژی از فوتون‌ها به الکترون‌های فلز پیشنهاد کرد:

«« بر مبنای این مفهوم که نور برخوردکننده محتوی (فوتون‌ها) به بزرگی hv است … فرد می‌تواند خروج الکترون‌ها توسط نور را به روش زیر تصویر کند. (فوتون‌ها) به سطح بیرونی جسم (فلز) نفوذ می‌کند و حداقل بخشی از انرژی آنها به انرژی جنبشی الکترون‌ها تبدیل می‌شود. ساده‌ترین راه برای تصور این مطلب این است که (فوتون) کل انرژی خود را به یک الکترون تنها انتقال می‌دهد. می‌توانیم فرض کنیم این اتفاقی است که می‌افتد.»»

هر فوتون جذب یک الکترون می‌شود و همه‌ی انرژی‌اش را به آن الکترون انتقال می‌دهد. هنگامی که الکترون انرژی جنبشی فوتون را می‌گیرد، از سط فلز رها می‌شود و جریان الکتریکی تولید می‌کند. همان‌طور که الکترون مسیر خود را از میان ازدحام اتم‌های فلز می‌یابد، انرژی از دست می‌دهد. بنابراین انرژی‌اش هنگام خروج از فلز معادل انرژی گرفته شده از فوتون‌ منهای مقدار انرژی از دست رفته در فلز است.

pelec1

اگر انرژی از دست‌ رفته الکترون را با p و انرژی گرفته شده از فوتون، یعنی همان انرژی که در ابتدا به الکترون داده شده، با hv پلانک (v اکنون بسامد نور فرابنفش تابیده است) و انرژی باقی مانده در فرایند فوتوالکتریک را با E که انرژی الکترون خروجی از فلز است نشان دهیم، می‌توان نوشت:

E =  hv-p

تصویر اینشتین در مورد الکترون‌های کنده‌ شده از اهداف فلزی در مواجهه‌ی فوتون-الکترون، به سادگی بی‌نظمی مورد مشاهده لنارد را توضیح می‌دهد. هر برهم‌کنشی بدون توجه به شدت نور، انتقال انرژی فوتون به الکترون مشابهی‌ را موجب می‌شود. بنابراین الکترون‌های الحاقی به جریان فوتوالکتریک از یک قسمت خاص هدف فلزی، بدون توجه به اینکه حاصل برخورد یک فوتون یا بی‌شمار فوتون در ثانیه به فلز باشد، انرژی یکسانی دارند. این توضیح گرچه به نحو تحسین‌برانگیزی ساده است، باید برای مخاطبان شکاک اینشتین به همان اندازه‌ی بقیه‌ی استدلال‌هایش دور از دسترس به نظر آمده باشد. طبق نظر جیمز جینز، نظریه‌پرداز بریتانیایی، این قاعده که یک فوتون جذب یک الکترون می‌شود، «« نه تنها برای کشتن دو پرنده با یک سنگ بلکه کشتن یک پرنده را با دو سنگ نیز منع می‌کند.»»

نظریه‌ی فوتون اینشتین بیش از هر چیز دیگری که او در فیزیک به آن دست یافت، با عدم اعتماد و شکاکیت مواجه شد. این عدم پذیرش کلی تا ۱۹۲۶ ادامه یافت که گیلبرت لوئیس اصطلاح جاافتاده‌ی امروزی ” فوتون” را معرفی کرد. آنچه اینشتین با شهودش به سادگی آن را دریافت تا ۲۰ سال بعد همواره پرسش‌برانگیز می‌نمود. این امر چیزی شبیه رسیدن به کوهی از مشاهدات بود که جایگاه دائمی فوتون‌ها را در دنیای نظریه‌ی کوانتوم به آن بدهد.

در حالی‌که اینشتین سیاحت جسورانه‌ خود را در قلمرو کوانتوم آغاز کرده بود، پلانک به منتقد اصلی نظریه‌ی خود بدل شد. به نظر می‌آید که پلانک از این امر که کار ساختن نظریه‌ی کوانتوم به اینشتین و نسل جدید واگذار می‌شود، ناراحت نبود. شاید هم خوشحال بود. او در اواخر عمر بدون حس طنز شخصی نوشت:

«« یک حقیقت جدید علمی با متقاعدکردن مخالفانش و وادار ساختن آنان به دیدن نور پیروز نمی‌شود،‌بلکه بر عکس از آن‌رو پیروز می‌شود که نسل جدیدی بزرگ می‌شوند که با آن آشنا هستند»».

ادامه دارد…

منبع:  کتاب زندگی و زمانه فیزیک‌دانان پیشرو از گالیله تا هاوکینگ نوشته‌ی ویلیام اچ. کراپر

لینک قسمت اول

image_pdfimage_print
(11 نفر , میانگین : 1٫00 از 5)
لینک کوتاه مقاله : http://bigbangpage.com/?p=2456
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

یک پاسخ

  1. alien گفت:

    سلام.بفیه قسمت ها چی شد؟

پاسخ دهید

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