چهارشنبه، مرداد ۲۵، ۱۳۸۵

داستان پایان‌نامه‌ی من _ قسمت سوّم

تامسون به درستي دريافت كه الكترون يكي از اجزاي اصلي تشكيل‌دهنده‌ي ماده است، امّا در برابر سؤالي كه فوراً در پي كشف او مطرح شد، جواب مناسبي ارائه نكرد. سؤوال اين بود كه اگر ذرّاتي با بار منفي و جرم بسيار كم در درون ماده هستند، پس جرم عمده‌ي ماده از كجاست و همچنين بار مثبتي كه بايد اين بار منفي را خنثي كند (چون ماده‌ي معمولي از نظر الكتريكي خنثي است) چه منشأي دارد؟ پاسخ او به اين سؤوال همان مدل كيك كشمشي (يا يك چيزي در همين مايه‌ها) بود.

لازم بود اين مدل مورد بررسي تجربي قرار گيرد. رادرفورد اين كار را انجام داد. آزمايشي كه او انجام داد به اين شكل بود كه باريكه‌اي از ذرّات آلفا (كه اكنون مي‌دانيم در واقع همان هسته‌هاي هليوم هستند: دو پروتون و دو نوترون) را به سوي ورقه‌اي بسيار نازك از طلا فرستاد (ورقه‌ي طلا را بمباران كرد). اگر مدل تامسون براي ساختار ماده درست مي‌بود، بايد تمامي ذرّات آلفا با كمي انحراف از ورقه عبور مي‌كردند، امّا هيچ كدام نبايد دچار انحراف شديد در مسير خود مي‌شد. امّا در عمل مشاهده شد كه تعداد خيلي كمي از ذرّات آلفا از ورقه‌ي طلا «پس زده شدند»، يعني تقريباً در عكس جهتي كه به سمت آن رفته بودند، از سمت آن برگشتند. معني اين پديده آن بود كه آنها با ذرّاتي بسيار سنگين‌تر از خود برخورد كرده‌بودند و نسبت بسيار كم ذرّات پس‌رانده شده نشان مي‌داد كه اين ذرّات بسيار سنگين بايد سطح(حجم) بسيار كمي را در ساختار ورقه(بلور) طلا اشغال كرده‌باشند. الكترونهاي تامسون به وضوح نمي‌توانستند عامل مهمّي در اين پس زدگي ذرّات آلفا باشند، چرا كه جرم بسيار كمي داشتند. پس رادرفورد به درستي نتيجه گرفت كه ذرّات بسيار سنگيني كه در ساختار ورقه‌ي طلا بودند، «هسته»هاي بسيار سنگين و داراي بار مثبت بودند كه ... كه چي؟ الكترونها چي؟ اين اوّلين بار بود كه لزوم تدوين چيزي به نام «مدل اتمي» احساس شد. حالا مي‌دانستند كه در درون ماده دو چيز وجود دارد: الكترونهاي سبك با بار منفي و هسته‌هاي سنگين با بار مثبت. همچنين مي‌دانستند كه بيشتر حجم ماده را آن الكترونها پر مي‌كنند، نه هسته‌ها (يعني سخت‌ترين و سنگين‌ترين و متراكم‌ترين موادّي كه تاكنون ديده يا درباره‌اش شنيده‌ايد، عمدتاً توخالي است!). حالا اين اجزاي سبك و سنگين چه «آرايشي» در درون ماده داشتند؟ بديهي‌ترين پاسخ كه به ذهن فيزيكدانان آن موقع رسيد، مدلي مانند سيستم منظومه‌ي شمسي بود، با اين تفاوت كه اين بار نيروي نگه‌دارنده‌ي مدار، گرانشي نبود، بلكه الكترومغناطيسي بود. پس جناب رادرفورد مدلي پيشنهاد كرد كه به مدل سيّاره‌اي رادرفورد براي اتم معروف شد: هسته‌هاي سنگين و داراي بار مثبت در مكانهاي نسبتاً ثابتي در درون اتم قرار داشتند و الكترونها مانند زمين و ديگر سيّارات منظومه‌ي شمسي كه به گرد خورشيد بر مدارهاي بيضي‌شكل مي‌چرخند، به دور هسته‌هاي اتم مي‌گردند. رادرفورد هسته‌ي سبك‌ترين اتم، هيدروژن را، پروتون نام نهاد. شكل زير طرح كلّي دستگاه آزمايش رادرفورد را نشان مي‌دهد.


يك نكته‌ي مهم درباره‌ي آزمايشهاي تامسون و رادرفورد اين است كه روشهايي كه آنها به كار بردند، مانند استخراج الكترون از كاتد گرم، و يا بمباران ورقه‌ي فلز با باريكه‌ي ذرّات، هنوز هم در انواع و اقسام وسايل كاربردي و تحقيقات آزمايشگاهي به كار مي‌روند.

نكته‌ي بسيار مهم و شايد بتوان گفت تصادف بسيار زيبائي كه درباره‌ي آزمايش رادرفورد وجود دارد آن است كه محاسبه‌ي سطح مقطع برخورد (يعني توزيع زاويه‌اي تعداد ذرّات پراكنده شده در واحد زمان از واحد سطح) اين آزمايش در چارچوب مكانيك كلاسيك دقيقاً به همان نتيجه‌اي مي‌رسد كه از مكانيك كوانتومي(كه در آن زمان هنوز وجود نداشت) به دست مي‌آيد و اين مسأله كمك بزرگي به تكوين نظريه‌ي رادرفورد كرد.

مدل رادرفورد و كشفيّات او گام بزرگي رو به جلو بودند، امّا مدل اتمي او بر اساس فيزيك آن زمان (يعني مكانيك نيوتني و الكترومغناطيس كلاسيك) داراي ناسازگاري دروني بود: اگر الكترونها به دور هسته مي‌چرخند، چون ذرّاتي داراي بار هستند، طبق الكتروديناميك كلاسيك بايد از خود پرتوهاي الكترومغناطيس تابش كنند. اين تابش باعث كاهش انرژي آنها مي‌شود كه طبق مكانيك كلاسيك بايد منجر به كوچك‌تر شدن تدريجي مدار آنها به دور هسته شود. با ادامه‌ي اين روند سرانجام بايد مدار به قدري كوچك و انرژي جنبشي الكترونها به دور هسته به قدري كم شود كه الكترونها روي هسته سقوط كنند و ساختار اتم فرو بريزد. اين مدل پايداري اتمهاي ماده و در نتيجه پايداري خود ماده را توضيح نمي‌داد.

اين پايان كار فيزيك كلاسيك در توصيف پديده‌هاي اتمي بود. مكانيك كوانتومي داشت متولّد مي‌شد و البتّه همزمان با مكانيك كوانتومي، كودك ديگري هم پا به عرصه‌ي فيزيك نهاد: نسبيّت خاص. مقدم اين دو نونهال در همه‌ جاي دنياي علم گرامي داشته‌نشد و عجيب آن كه كسي كه كه به عنوان يكي از شخصيّتهاي بزرگ و مهم در تكوين فيزيك كوانتومي از او ياد مي‌شود، بدترين و شايد بشود گفت موذيانه‌ترين مخالفتها را با كشفيّات جديد در فيزيك كوانتومي كرد. نام او نيلز بوهر است و اگر خدا بخواهد، در پست بعدي از اين سري به او و كارش خواهم‌پرداخت. با وجود همه‌ي اين مخالفتها و گاهي دشمني‌ها، اين دو كودك به خوبي رشد كردند و چند دهه بعد كه تبديل به دو موجود رشد يافته و توانا شدند، به وصلت هم درآمدند. حاصل اين وصلت دقيق‌ترين نظريه‌ي علمي‌اي است كه تاكنون بشر به آن رسيده‌است: نظريه‌ي كوانتومي ميدانها.

برچسب‌ها: ,

0 Comments:

ارسال یک نظر

Links to this post:

ایجاد یک پیوند

<< Home