فوتون‌ها، الكترون‌ها و اتم‌ها – قسمت اول

3
745

بیگ بنگ: ماكسول، هرتز و چند دانشمند ديگر، پايه‌هاي اين نظريه را كه نور، موج الكترومغناطيسي است، استحكام بخشيدند. پديده‌هايي نظير تداخل، پراش و قطبش، ماهيت موجي نور را تأييد كردند.

Photonاما پديده‌هاي بسياري، از آن‌ جمله گسيل و جذب تابش الكترومغناطيسي جنبه‌هاي كاملاً متفاوتي از ماهيت نور نشان دادند. معلوم شد كه انرژي يك موج الكترومغناطيسي، كوانتيده است و به صورت بسته‌هاي شبه ذره با انرژي مشخص، موسوم به فوتون يا كوانتومي، گسيل يا جدب مي‌شوند. انرژي يك فوتون منفرد، متناسب با بسامد تابش است.

انرژي‌هاي مربوط به حركت‌هاي درون اتم نيز كوانتيد‌ه‌اند و براي نوع مشخصي از اتم‌هاي منفرد، نمي‌توانند هر مقدار دلخواه را داشته باشند و فقط به صورت مقادير ناپيوسته‌اي موسوم به ترازهاي انرژي، امكان بروز دارند. دو ايده‌ي فوتون و ترازهاي انرژي، درك ما را از مشاهدات متعدد و گوناگوني كه فهم آن‌ها بدون تكيه بر اين ايده‌ها بسيار دشوار مي‌نمودند، بسيار آسان كرد. در بين اين مشاهدات، مي‌توان از

گسيل و جذب طول‌ موج‌هاي مشخص توسط عناصر گازي‌شكل، گسيل الكترون از سطحي كه نور بر آن مي‌تابد، كار ليزرها و توليد و پراكندگي پرتو ايكس نام برد. با بررسي ترازهاي انرژي و فوتون‌ها، به آستانه‌ي مكانيك كوانتومي مي‌رسيم كه پديد‌ آورنده‌ي تغييرات مهمي در ديدگاه‌هاي ما از ماهيت امواج الكترومغناطيسي و خود ماده است.

maxresdefaultاما سوال اين است كه نور چگونه توليد مي‌شود؟ هانريش هرتس، امواج الكترومغناطيسي را با ايجاد تشديد در مدار (L-C) به وجود آورد. وي بسامدهايي در حدود 10 به توان 8 هرتز ايجاد كرد. در حالي‌كه بسامد نور مرئي در حدود 10 به توان 15 هرتز و به مراتب بالاتر از بيشترين بسامدهاي قابل وصول در مدار‌هاي الكترونيكي است. در اواخر قرن نوزدهم، بعضي از فيزيك‌دانان به اين باور رسيدند كه براي توليد امواج در اين گستره‌ي بسامد، بايد بارهاي الكتريكي درون اتمي به ارتعاش در آيند. اما برپايه‌ي اين باورها نتوانستند بعضي از داده‌هاي آزمايشي را تفسير كنند. در سال‌هاي آغازين دهه‌ي 1900 تفسير سه فرايند در نظر فيزيك‌دانان دشوار بود:

به طور خلاصه در مورد طيف خطي بايد گفت كه مي‌توان به كمك يك منشور يا توري پراش، يك باريكه‌ي نور را به طيف‌هاي آن تجزيه كرد. اگر چشمه‌ي نور، يك جسم جامد مثلاً يك رشته‌ي لامپ و يا يك مايع باشد، طيف پيوسته است. و نوري شامل همه‌ي طيف‌ها از آن گسيل مي‌شود. اما اگر نور از تخليه‌ي بار الكتريكي در يك گاز مثلاً در لامپ‌هاي نئوني يا داغ‌شدن نمك قابل تبخير نظير نمك طعام در يك شعله به دست‌ آيد، فقط چند رنگ به صورت خط‌هاي باريك و جدا از يكديگر ظاهر مي‌شوند. هر يك از اين خطوط رنگين تصويري از شكاف دستگاه طيف‌سنج است كه با زاويه‌ي معيني منحرف شده‌اند. اين زاويه‌ي انحراف، تابع طول موج نور است. طيفي كه به اين صورت به دست مي‌آيد، طيف‌ خطي ناميده مي‌شود. و هر خط به يك طول موج مشخص تعلق دارد.

Light-Spectrumدر اوايل قرن نوزدهم، دانشمندان كشف كردند كه هر عنصر در شكل گازي خود، صاحب تعدادي خطوط مشخص طيف است. مثلاً هيدروژن تعدادي از خط طيف‌ خاص خود را دارد و خطوط طيف سديم با هيدروژن، كاملاً متفاوت‌اند. فيزيك‌دانان به كمك خطوط طيف، به شناسايي عناصر دست يافتند و اين خطوط، به ابزار ارزشمندي در شناخت عناصر تبديل شد. در اصل طيف يك عنصر اثر انگشت آن عنصر مي‌باشد. براي مثال، اخترشناسان خطوط طيف بيش از صد مولكول مختلف را در فضاي بين ستاره‌اي مشاهده كرده‌اند كه بعضي از آنها در زمين يافت نمي‌شوند. طيف مشخصه‌ي يك اتم، به ساختار داخلي آن ارتباط دارد. اما كوشش براي فهم چگونگي اين ارتباط بر اساس مكانيك كلاسيك و الكتروديناميك فيزيك خلاصه شده در سه قانون نيوتن و چهار قانون معادلات ماكسول، با موفقيت همراه نبود.

در مورد اثر فوتوالكتريك بايد گفت كه در مورد نور نيز رازهاي كشف‌ نشده‌اي وجود داشت. در سال 1887 ميلادي، هرتس در حين آزمايش‌هايي در زمينه‌ي امواج الكترومغناطيسي، اثر فوتوالكتريك را كشف كرد. وقتي پرتو‌هاي نور به سطح يك فلز برخورد مي‌كنند، برخي از الكترون‌هاي نزديك به سطح، انرژي كافي براي چيرگي بر اثر جاذبه‌ي يون‌هاي مثبت موجود در فلز را به دست مي‌آورده و به درون فضاي مجاور فرار مي‌كنند. تحقيقات بيشتر در اين زمينه، نكات مبهمي را به وجود آورد كه رفع آنها به كمك قوانين اپتيك كلاسيك ممكن نبود.

4747474مسئله‌ي حل‌نشده‌ي ديگر در زمينه‌ي گسيل و جذب پرتوها، توليد و پراكندگي پرتو ايكس بود كه در سال 1895 كشف شد. اين پرتوها در لوله‌هاي با ولتاژ بالاي تخليه‌ي الكتريكي توليد مي‌شدند، اما معلوم نبود كه آنها چرا و چگونه توليد مي‌شوند و يا طول موج آنها كه از طول موج نور مرئي به مراتب كوچك‌ترند، به چه عواملي بستگي دارد. از اينها پيچيده‌تر، وقتي اين پرتوها به سطح فلز بتابند، طول موج پرتوهاي پراكنده‌ شده از سطح، بيشتر از طول موج پرتوهاي تابشي اوليه هستند.

مثل اينكه نور آبي بر سطح آينه‌اي بتابد و بازتاب آن نور سرخ باشد. همه‌ي اين پديده‌ها و چندين پديده‌ي ديگر به طور جدي به اين نتيجه ختم شدند كه اپتيك كلاسيك، هر چند در بيان ساختار آينه‌ و عدسي، تداخل و قطبش و ديگر موارد موفق بود، اما با محدوديت روبه‌رو شد. اينك معلوم شده است كه پديده‌هاي محدود‌كننده‌، ناشي از ماهيت كوانتومي تابش است. امواج الكترومغناطيس همراه با حفظ ماهيت موجي خود، خواص ذره‌اي نيز دارند. به ويژه انرژي اين امواج، به صورت بسته‌هايي موسوم به فوتون يا كوانتوم، گسيل و جذب مي‌شوند كه متناسب با طول موج تابش‌اند.

ادامه دارد »»»

نویسنده اسماعیل جوکار/ سایت علمی بیگ بنگ

منابع:

فيزيك هاليدي، رزنيك، واكر، جلد‌هاي دوم و سوم

فيزيك دانشگاهي، سرز و زيمانسكي – جلد چهارم

فيزيك جديد 1 و 2 نشر پيام نور

فيزيك كوانتومي استفان گاسيوروويچ



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.

3 دیدگاه‌ها

  1. 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