کوانتای انرژی اینشتین (فوتون‌ها) – قسمت دوم

1
543

اينشتين با توجه به كاربردهاي ويژه‌اي كه در اصل موضوع كوانتوم يافت به تعبير ذرات نور رسيد و مهم‌تر از آن در يكي از مقاله‌هاي 1905 نشان داد كه نتايج تجربي، گواهي برانگيزاننده‌اي در مورد وجود ذرات نور ارائه مي‌كند كه تناقض اساسي با آزمايش‌هاي قبلي بر مبناي نظريه‌ي به ظاهر غير قابل رد موجي دارد.

مهمترين دليل تجربي اينشتين،  “اثر فوتوالكتريك”  بود. اثر مزبور به اين معني است كه با افشاندن نور ماوراي بنفش به سطح صاف فلزي كه در خلاء تهيه شده، جريان الكتريكي توليد مي‌شود. فيليپ لنارد در اواخر دهه‌ي 1890 و اوايل دهه‌ي 1900 جريان فوتوالكتريك را مطالعه كرد (لنارد همان كسي بود كه بعدها از روي عداوت و با رويكردي ضد يهودي در جهت اخراج اينشتين از آلمان كوشيد و سرانجام موفق شد). لنارد كشف كرد كه جريان خروجي از فلز “مورد هدف”، محتوي الكترون‌هايي است كه مي‌توان انرژي جنبشي آنها را به دقت اندازه گرفت و الكترون‌هاي منتشر شده، انرژي خود را از پرتو نوري كسب مي‌كنند كه روي سطح فلز مي‌تابد. اگر ديدگاه كلاسيك اتخاذ شود (يعني امواج نوري همانند امواج اقيانوس بر سطح فلز مي‌كوبند و الكترون‌ها همانند سنگريزه‌هاي پراكنده روي ساحل‌اند)، ضرورتاً با قوي‌تر شدن تابش يعني هنگامي كه امواج با انرژي بيشتري ضربه مي‌زنند، هر الكترون انرژي بيشتري مي‌گيرد. اما اين چيزي نبود كه لنارد مشاهده كرد. او در 1902 كشف كرد كه گرچه تعداد كل الكترون‌هاي رها شده از سطح فلز در هر ثانيه متناسب با شدت تابش افزايش مي‌يابد، اما انرژي الكترون‌هاي تنها، مستقل از شد نور است.‌

10655662-large (1)

اينشتين نشان داد در صورتي‌كه بتوان تابش را مجموعه‌اي از فوتون‌هاي ذره‌گونه انگاشت، مي‌توان اين وجه معماگونه‌ي اثر فوتوالكتريك را درك كرد. او فرايندي ساده براي انتقال انرژي از فوتون‌ها به الكترون‌هاي فلز پيشنهاد كرد:

«« بر مبناي اين مفهوم كه نور برخوردكننده محتوي (فوتون‌ها) به بزرگي hv است … فرد مي‌تواند خروج الكترون‌ها توسط نور را به روش زير تصوير كند. (فوتون‌ها) به سطح بيروني جسم (فلز) نفوذ مي‌كند و حداقل بخشي از انرژي آنها به انرژي جنبشي الكترون‌ها تبديل مي‌شود. ساده‌ترين راه براي تصور اين مطلب اين است كه (فوتون) كل انرژي خود را به يك الكترون تنها انتقال مي‌دهد. مي‌توانيم فرض كنيم اين اتفاقي است كه مي‌افتد.»»

هر فوتون جذب يك الكترون مي‌شود و همه‌ي انرژي‌اش را به آن الكترون انتقال مي‌دهد. هنگامي كه الكترون انرژي جنبشي فوتون را مي‌گيرد، از سط فلز رها مي‌شود و جريان الكتريكي توليد مي‌كند. همان‌طور كه الكترون مسير خود را از ميان ازدحام اتم‌هاي فلز مي‌يابد، انرژي از دست مي‌دهد. بنابراين انرژي‌اش هنگام خروج از فلز معادل انرژي گرفته شده از فوتون‌ منهاي مقدار انرژي از دست رفته در فلز است.

pelec1

اگر انرژي از دست‌ رفته الكترون را با p و انرژي گرفته شده از فوتون، يعني همان انرژي كه در ابتدا به الكترون داده شده، با hv پلانك (v اكنون بسامد نور فرابنفش تابيده است) و انرژي باقي مانده در فرايند فوتوالكتريك را با E كه انرژي الكترون خروجي از فلز است نشان دهيم، مي‌توان نوشت:

E =  hv-p

تصوير اينشتين در مورد الكترون‌هاي كنده‌ شده از اهداف فلزي در مواجهه‌ي فوتون-الكترون، به سادگي بي‌نظمي مورد مشاهده لنارد را توضيح مي‌دهد. هر برهم‌كنشي بدون توجه به شدت نور، انتقال انرژي فوتون به الكترون مشابهي‌ را موجب مي‌شود. بنابراين الكترون‌هاي الحاقي به جريان فوتوالكتريك از يك قسمت خاص هدف فلزي، بدون توجه به اينكه حاصل برخورد يك فوتون يا بي‌شمار فوتون در ثانيه به فلز باشد، انرژي يكساني دارند. اين توضيح گرچه به نحو تحسين‌برانگيزي ساده است، بايد براي مخاطبان شكاك اينشتين به همان اندازه‌ي بقيه‌ي استدلال‌هايش دور از دسترس به نظر آمده باشد. طبق نظر جيمز جينز، نظريه‌پرداز بريتانيايي، اين قاعده كه يك فوتون جذب يك الكترون مي‌شود، «« نه تنها براي كشتن دو پرنده با يك سنگ بلكه كشتن يك پرنده را با دو سنگ نيز منع مي‌كند.»»

نظريه‌ي فوتون اينشتين بيش از هر چيز ديگري كه او در فيزيك به آن دست يافت، با عدم اعتماد و شكاكيت مواجه شد. اين عدم پذيرش كلي تا 1926 ادامه يافت كه گيلبرت لوئيس اصطلاح جاافتاده‌ي امروزي ” فوتون” را معرفي كرد. آنچه اينشتين با شهودش به سادگي آن را دريافت تا 20 سال بعد همواره پرسش‌برانگيز مي‌نمود. اين امر چيزي شبيه رسيدن به كوهي از مشاهدات بود كه جايگاه دائمي فوتون‌ها را در دنياي نظريه‌ي كوانتوم به آن بدهد.

در حالي‌كه اينشتين سياحت جسورانه‌ خود را در قلمرو كوانتوم آغاز كرده بود، پلانك به منتقد اصلي نظريه‌ي خود بدل شد. به نظر مي‌آيد كه پلانك از اين امر كه كار ساختن نظريه‌ي كوانتوم به اينشتين و نسل جديد واگذار مي‌شود، ناراحت نبود. شايد هم خوشحال بود. او در اواخر عمر بدون حس طنز شخصي نوشت:

«« يك حقيقت جديد علمي با متقاعدكردن مخالفانش و وادار ساختن آنان به ديدن نور پيروز نمي‌شود،‌بلكه بر عكس از آن‌رو پيروز مي‌شود كه نسل جديدي بزرگ مي‌شوند كه با آن آشنا هستند»».

ادامه دارد…

منبع:  كتاب زندگي و زمانه فيزيك‌دانان پيشرو از گاليله تا هاوكينگ نوشته‌ي ويليام اچ. كراپر

لینک قسمت اول



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.

یک دیدگاه