تاريخچه كوانتوم ( قسمت دوم )

2
1182

در سال 1896 تامسن هنوز سرگرم كار با اشعه كاتدي بود كه فيزيكداني فرانسوي به نام آنري بكرل كشف كرد كه عنصر سنگين اورانيوم همواره از خود اشعه اي ساطع مي كند كه مانند اشعه ايكس رنتگن به گازها قابليت هدايت الكتريكي مي دهد. سپس اين سوال طرح شد كه آيا فقط اورانيوم است كه اين خاصيت را دارد يا عناصر شيميائي ديگري نيز هستند كه چنين رفتار مي كنند . شيميداني لهستاني به نام ماري كوري كه همسر پي يركوري فيزيكدان فرانسوي بود برآن شد كه پاسخ را بيابد. او با شوهرش در آزمايشگاهي محقر در پاريس آغاز بكار كردند و در سال 1898 موفق به كشف تابش سنگ معدني پيچبلند شد آنها پس از تجزيه شيميائي وقت گير و دقيقي توانستند جزء فعال اين ماده را جدا كند كه معلوم شد خود مركب از دو عنصر بسيار فعال است كه يكي از اين عناصر را به ياد ميهن ماري لهستان «پولوتونيوم » نام نهادند و ديگري را «راديوم » خواندند.

رادفر در سال 1898 مصمم شد راديواكتيويته را مورد مطالعه تفصيلي قرار دهد و به زودي پي برد كه در اين تابش دو دسته پرتو شركت دارد و آنها را پرتوهاي آلفا و بتا خواند در حالي كه پژوهش بيشتر همكارانش نشان داد كه در واقع اصلا پرتوئي در كار نيست و آنچه هست ذره است . تا سال 1903 آنها به اين نتيجه رسيدند كه اتم هاي مواد راديواكتيويته خود به خود مي شكنند. درسال 1907 رادفر به انگلستان برگشت و به دانشگاه منچستر رفت . او با همكاري هانس گايگر كه امروزه به عنوان مخترع شمارشگر گايگر معروف است كشف كرد كه ذرات آلفا از هر عنصر راديواكتيوي كه ناشي شده باشد همان طيفي را ايجاد مي كند كه اتم هاي گاز هليوم پديد مي آورند .ضمنا جرم آنها نيز برابر جرم اين اتم هاست . پس نتيجه آن شد كه ذرات اشعه آلفا همان اتم هاي گاز هليوم هستند. پژوهش در مورد اشعه بتا نشان داد كه ذرات آن الكترونهائي باسرعت بسيار است بنابراين مشخص گرديد كه وقتي اتم هاي مواد راديو اكتيو مي شكند در واقع چه اتفاق مي افتد.
181316_422051231172233_1534101916_n
در سال 1900 فيزيكداني فرانسوي به نام پل ويلار كشف كرده بود كه در تابش راديو اكتيو اشعه ديگري نيز وجود دارد. بررسي هاي او نشان مي داد كه اين اشعه نافذتر از اشعه ايكس است اما همانند آن رفتار مي كند. او اين يكي را اشعه گاما ناميد ولي چون پرتو هاي آلفا وبتا هر دو بجاي پرتو ذره از كار در آمده بودند نتايج كار ويلار مورد ترديد قرار گرفت .

شواهد و قرائن نشان داد كه تامسن حق داشته و الكترون ذره اي كوچك تر از اتم است . الكترون داراي بار الكتريكي منفي بود و بار منفي اش معادل بار الكتريكي مثبت ذرات هليوم(آلفا) بود و از آنجا كه اتم در حالت عادي از لحاظ الكتريكي خنثي بود رادفر در سال 1911 نظريه اي براي اتم ارائه داد. طرح رادفر اين بود كه هر اتم داراي يك مغز يا هسته است. اين هسته داراي بار الكتريكي مثبت است و جرم آن عمده جرم اتم را تشكيل مي دهد .

در سال 1912 يك سال پس از آن كه مدل اتمي رادفر ارائه شد نيلس بر فيزيكدان دانماركي در منچستر نظريه اتمي فوق العاده قدرتمند خود را مطرح كرد. مدل بر جانشين مدل رادفر شد.

پژوهش هاي ديگري نيز كه در پايان قرن نوزدهم انجام گرفته بود بر مدل اتمي بر صحه مي گذاشت. اين مدل توضيح مي داد كه چرا خطوط طيف عنصر هيدروژن با طول موج هائي تابع يك سري معين ظاهر مي شد كه با سري رياضي ساده اي كه يوهان بالمر در سال 1885كشف كرده بود مطابقت پيدا مي كرد .

در سال1900 پلانك عنوان كرده بود كه تشعشع نه به صورت جرياني پيوسته بلكه در قالب پيمانه ها يا كوانتوم هاي مجزا ئي از انرژي است و تعداد كوانتوم ها و بنابراين مقدار كل انرژي هر چه باشد طول موج تشعشع كوتاه تر خواهد بود. كه اين امر در سال 1905 نيز مورد تائيد انیشتین نيز قرار گرفت كه خودش سرگرم تجزيه و تحليل پديده فتوالكتريك بود كه در آن در اثر تابش امواج كوتاه ماوراي بنفش بر يك سطح فلزي الكترون آزاد مي شد.

مسئله اي كه انیشتین پيش روي داشت اين بود كه انرژي الكترون ها به شدت نور ماوراي بنفش بستگي نداشت اما به طول موج آن بستگي داشت. اما دقيقا همان نتيجه اي است كه اگر نور بصورت كوانتومي يعني در پيمانه هاي مجزاي انرژي باشد انتظار مي رود.

كار روي جزئيات نظريه كوانتوم – نظريه مربوط به پيمانه هاي مجزاي موج انرژي – به وسيله چند فيزيكدان رياضي انجام گرفت كه برجسته ترينشان لوئي دوبروگلي و اروين شرودينگر و پل ديراك و ورنرهايزنبرگ بودند.

هايزنبرگ در سال 1927 اصل عدم قطعيت خود را مطرح كرد او نشان داد كه همين فرض كه انرژي در كوانتوم ها مجزا حركت مي كند بدين معناست كه زوج هاي متغيري مانند زمان و انرژي را كه همواره بر يكديگر اثر دارند نمي توان به دقت تمام معين كرد. هر چه يكي دقيق تر تعريف شود ديگري را با دقت كمتري مي توان تعريف كرد. و هميشه مقداري عدم قطعيت ولو بسيار اندك وجود دارد. ولي همه فيزيكدانان حاضر به پذيرفتن اين اصل نبودند گرچه پيامد قطعي كوانتومي بودن انرژي به نظر مي رسيد. همين اصل موجب شد انیشتین نظريه كوانتوم را رد كند.

نظريه اتم بر همچنين مي توانست زمينه اي نظري براي جدول تناوبي عناصر شيميائي فراهم آورد كه آن را نخستين بار شيميداني روسي به نام ديميتري مندليف در سال 1890 ترسيم كرده بود.
توضيح جدول مندليف توجه را به هسته جلب كرد كه رادفر قبلا نشان داده بود كه بسيار كوچك و در واقع حدود ده هزار بار كوچك تر از خود اتم است. استن در سال 1919 كشف كرده بود كه گاز نئون مي تواند در اشكال متفاوتي وجود داشته باشد داراي اوزان اتمي متفاوتي باشد اما از لحاظ خواص شيميائي فرقي نكند به عبارت ديگر آنها نيز مي توانند داراي چنين ايزوتوپ هائي باشند. در همان سال (1919) رادفر اتم نيتروژن را با ذرات آلفا بمباران كرد و هسته آن را از هم پاشيد حاصل اين فروپاشي ذراتي با بار مثبت بود كه پروتون نام گرفتند.

تحقيقاتي كه تا سال 1920 انجام پذيرفت چنين نتيجه اي در بر داشت كه اتم يقينا داراي اجزاي كوچك تري است. به علاوه بمباران هسته اتم نيتروژن به وسيله رادفر راهگشاي تكنيك قوي و جديدي شده بود كه خود به نوبه طلايه دار همه روش هاي تجزيه ي مصنوعي اتم شد كه در سال 1932 براي شكستن هسته اتم ليتيم مورد استفاده جان كاكرافت و ارنست والتن قرار گرفت.

گام بعدي در جهت كشف ساختمان هسته در سال 1932 برداشته شد كه عضو ديگري از اتم پژوهي رادفر به نام جيمز چدويك نوترون را كشف كرد كه ذره اي در هسته با جرمي به زيادي جرم پروتون ولي فاقد بار الكتريكي . اين بلافاصله موجب تصحيح بي قاعدگي اكسيژن در جدول تناوبي شد. در اين ميان مطالعات بيشتري در مورد تباهي راديواكتيو انجام گرفته انجام گرفته بود و به ويژه در اين مورد كه وقتي يك هسته راديو اكتيو انجام گرفته بود و بويژه در اين مورد كه وقتي يك هسته راديو اكتيو از خود ذرات بتا ساطع مي كند دقيقا چه اتفاقي مي افتد. در سال 1928 پل ديراك از ديدگاهي نظري به اين نتيجه رسيده بود كه انتشار ذرات بتا فقط در صورتي قابل توضيح است كه يك ذره زير اتمي جديد درست در لحظه اي كه ذره بتا هسته را ترك مي گويد به وجود آيد. در سال 1932 كارل اندرسن در انستيتو تكنولوژي كاليفرنيا دقيقا همين ذره را مشاهده كرد و آن را پوزيترون ناميد. با اين حال توليد ذره بتا هنوز با مسائلي همراه بود كه تا سال 1934 حل نشد. در اين سال يك فيزيك دان ايتاليائي به نام انريكو فرمي كه بعدها براي اجتناب از فاشيسم در ايتاليا به ايالات متحده مهاجرت كرد. با استفاده از ذره اي موسوم به نوترينو توضيح كاملي ارئه داد.

نظريه فرمي درمورد توليد ذره بتا منشا نظرات تازه ديگري شد اما سوالاتي نيز مطرح كرد به ويژه اين كه پروتون ها و نوترون ها چگونه در هسته در كنار هم مي مانند. در سال 1935 يك فيزيكدان ژاپني به نام هيدكي يوكاوا با استفاده از ذره اي ديگر توضيحي ارائه داد. اين ذره كه مزون نام داشت در درون هسته مثل نوعي چسب عمل مي كرد و نيروي لازم را فراهم مي آورد.

نتيجه :

با كشف نوترينوها مزون ها و حتي ذرات مرموزتر برخوردار از عامل غرابت نظريه اتم و اجزاي تشكيل دهنده آن از ميانه دهه 1950 وارد مرحله جديد و پيچيده اي شده است ذرات هسته اي جديد تكثير پيدا مي كنند و فيزيكدانان هسته اي همچنان به دنبال واحدهاي بنيادي ترند. همزمان با اين امر سه ذره جديد ديگر مطرح شد كه بر اساس كتاب بيداري فينگن ها اثر جيمز جويس اين سه ذره به كوارك معروف شدند. كوارك واژه اي آلماني است و به معني هيچ مي باشد و هنوز هيچ كواركي مشاهده نشده است ولي شواهدي ازمري گلمان و ديگران در ايالات متحده نشان مي دهد كه به زودي ممكن است نظريه مجسم تري در مورد هسته اتم ارائه شود و با نظرات اخير درباره جاذبه ارتباط پيدا كند و لذا با يك نظريه ميدان واحد طرحي همه شمول پديد آورد كه جهان كوچك هسته و جهان بزرگ هستي را در بزرگترين مقياس در بر بگيرد.

پيشرفت علمي ديگر كه از نظريات راجع به اتم و كوانتوم ناشي شده پيدايش فيزيك جامدات بوده است. نگاهي تازه به رفتار خواص و ساختمان جامدات اين امر باعث بررسي مجدد قوه مغناطيسي مواد هادي الكتريسيته و مواد عايق آن و مواد حد واسط موسوم به نيمه هادي شده است. بررسي نيمه هادي ها داراي عميق ترين نتايج عملي و هم نظري بوده است . همچنين بررسي منجر به اختراع ترانزيستور در سال 1948 در ايالات متحده توسط جان باردين والتربريتن و ويليام شاكلي و ظهور مدارهاي ميكرومينياتوري «چيپ هاي معروف» در قلب ميكرو كامپيوترهاي جديد و به دنبال آن آگاهي پيدايش رشته مهم «آگاهي مصنوعي» شد. پيامد ديگر كه در پژوهش علمي و نيز در تكنولوژي و پزشكي كاربردي استفاده عملي زيادي داشته است ليزر و همتاي موج كوتاهش ميزر است در اين دستگاه ها نور و امواج داراي طول موج بسيار كوتاه (ميكروويو) با استفاده از تكنيك هائي برگرفته از فيزيك اتمي توليد مي شود. اين امواج بسيار كوتاه به شكلي غير عادي ظاهر مي شوند زيرا تمامي بازده تشعشعي آن ها داراي موج هائي هماهنگ و هم فاز است و از اين رو پرتوي باريك با انرژي بسيار بالا پديد مي آورد. از كاربردهاي اين امواج ساخت دستگاه هائي براي سنجش بسيار دقيق است . پس فيزيك در قرن بيستم ابزارهاي قوي و جديدي هم براي پژوهش نظري وهم براي استفاده در هرگامي از زندگي فراهم آورده است.

لینک قسمت اول
منابع:
1- تاريخ علم – نوشته كالين ا.رنان ترجمه ي حسن افشار
2- تلاش سازندگان عصراتم – آلوين مك كاري ،ترجمه دكتراحمدغريب ودكترجمشيدكمالي
3- آشنائي با اورانيوم ، نوشته دكترخزانه وروشن ضمير



ارسال یک پاسخ

لطفا دیدگاه خود را وارد کنید!
لطفا نام خود را در اینجا وارد کنید

این سایت از اکیسمت برای کاهش هرزنامه استفاده می کند. بیاموزید که چگونه اطلاعات دیدگاه های شما پردازش می‌شوند.

2 دیدگاه‌ها

  1. 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