چهارشنبه، آذر ۰۸، ۱۳۸۵

داستان پایان‌نامه‌ی من_ قسمت چهارم


فیزیكدان دانماركی، نیلس بوهر(1885- 1962) را باید در زمره‌ی بزرگترین فیزیكدانهای قرن بیستم به شمار آورد و من قصد داشتم برای این پست ترجمه‌ای از مقاله‌ای را كه ولفگانگ پائولی به مناسبت شصتمین سالروز تولّد بوهر در اینجا نوشته‌بود تهیه كنم كه نهایتاً دیدم بهتر است اگر دوست داشتید خودتان زحمت خواندنش را بكشید. در آن مقاله پائولی(كه خودش فیزیكدان نظری بی‌نظیری بوده) كارهای علمی برجسته‌ی بوهر را برشمرده و توضیح داده. البته دریافت این مقاله از سایت PROLA نیاز به عضویت دارد و اگر احیاناً خواستید آن مقاله را بخوانید می‌توانید فایلش را از اینجا بگیرید.

كار بزرگی كه بوهر انجام داد، در واقع سرآغاز راه فیزیك اتمی بود. همان طور كه در پست قبلی هم گفتم، رادرفورد بر اساس آزمایش‌های پراكندگی ذرّات آلفا از هسته‌های سنگین، به این نتیجه رسید كه فضای داخلی اتمها عمدتاً خالی است و بیشتر جرم هر اتم در یك توده‌ی مركزی واقع است كه بار مثبت دارد و حجم آن نسبت به حجم خود اتم ناچیز است. همچنین نسبت بار الكتریكی به جرم، برای این توده‌ی مركزی، یا همان هسته، خیلی كمتر از الكترون است، چرا كه كلّ اتم در حالت عادّی بار خالص ندارد و بر این مبنا بار الكتریكی مجموع الكترونهای یك اتم باید با بار الكتریكی هسته‌ی آن برابر باشد و علامت این بارها هم باید مخالف هم باشند. الكترون در آن زمان شناخته‌شده بود(ار كارهای تامسون) و نسبت بار به جرم آن از آزمایش رابرت میلیكان(كه آزمایش بسیار جالب و دقیقی بود و میلیكان به خاطر آن برنده‌ی جایزه‌ی نوبل شد) به دست آمده‌بود.

بنابر این رادرفورد تصویری از اتم به دست داد كه نسبت به تصویر تامسون بسیار متفاوت و البته درست‌تر بود، امّا مدل رادرفورد اشكالاتی داشت. این مدل، كه به مدل سیاره‌ای هم شهرت یافت، الكترونها را مانند سیاراتی فرض می‌كرد كه بر اثر نیروی جاذبه‌ی الكتریكی كه میان هر الكترون با هسته وجود دارد، به دور هسته می‌چرخند. چنین تصویری بلافاصله با مشكل روبرو می‌گردد. بر اساس نظریه‌ی الكترومغناطیس كلاسیك ماكسوِل، كه در آن زمان یكی از چارچوبهای بنیادی فیزیك بود(و هنوز هم هست)، هر وقت یك جسم باردار با شتاب حركت كند، از خودش امواج الكترومغناطیسی ساطع می‌كند. منظور از شتاب، تغییر سرعت در واحد زمان است و چون سرحت یك كمیت برداری است، هر وقت یك جسم روی مسیری منحنی(مثلاً دایره‌ای) حركت كند، حتماً دارای شتاب است. پس اگر الكترون هم در اتم روی مسیری دایره‌ای، یا به هر شكل روی مسیری منحنی حركت كند، حتماً شتاب خواهد داشت و چون بار دارد، طبق تئوری ماكسوِل امواج الكترومغناطیسی از خود ساطع خواهدكرد. این امواج طبعاً حامل انرژی هستند. پس الكترون با تابش امواج الكترومغناطیسی به تدریج باید انرژی خود را از دست بدهد و به تدریج روی مدارهای كوچكتری دور هسته حركت كند، تا این كه در نهایت انرژی لازم برای حركت را از دست بدهد و روی هسته سقوط كند. یعنی بر این اساس، اوّلاً تمامی موادّی كه در اطراف ما هستند می‌باید به طور پیوسته از خود تابش الكترومغناطیسی ساطع كنند و ثانیاً تمامی مواد باید به تدریج نابود شوند، چرا كه فروریختن ساختار اتم به معنی نابودی ساختار ماده است و هر جسمی به كسر بسیار كوچكی از حجم خود فرومی‌ریزد. این چیزی است كه در جهان واقع مشاهده نمی‌شود. یعنی اوّلاً اجسام مادّی در اطراف ما به طور پیوسته تابش نمی‌كنند و ثانیاً ساختار آنها به تدریج یا به یك باره فرو نمی‌ریزد.

بوهر مدلی را پیشنهاد كرد كه بر اساس آن الكترون در یك سری «مدارهای مُجاز» می‌تواند به دور هسته بچرخد و در این مدارها تابش نمی‌كند(این كه چرا تابش نمی‌كند بعدها معلوم شد). در ضمن الكترون در هر یك از این مدارها(یا ترازها) انرژی مشخّصی دارد و اگر از یك تراز به ترازی با انرژی كمتر برود، تفاوت انرژی این دو تراز را به صورت تابش یك فوتون از اتم بیرون می‌اندازد. در ضمن اگر الكترونی كه حالا به تراز كم‌انرژی‌تر رفته یك فوتون دریافت كند(از بیرون اتم) كه انرژی آن دقیقاً به اندازه‌ی اختلاف انرژی تراز فعلی الكترون و ترازی با انرژی بالاتر باشد، الكترون(یا اتم) این فوتون را جذب می‌كند و به تراز بالاتر می‌رود. بوهر همچنین فرمولی تجربی و در عین حال ساده برای انرژی الكترون در اتم هیدروژن(ساده‌ترین اتم) به دست آورد كه طول موجهای مختلف را برای انواع فوتون‌هایی كه اتم هیدروژن می‌تواند از خود گسیل كند پیش‌بینی می‌كرد. این فرمول، كه(فقط) یك عدد ثابت تجربی داشت، طیف تابشی اتم هیدروژن را با دقّت زیاد پیش‌بینی می‌كرد و این شگفتی بزرگی بود. یعنی بوهر هم چگونگی تولید شدن نور از فرآیندهای اتمی را توضیح داده‌بود و هم این كه چرا هر اتم فقط طول موج‌های خاصّی را از خودش گسیل(و یا به طور عكس، به خودش جذب) می‌نماید را توجیه كرد و اندازه‌ی دقیق این طول موج‌ها را برای اتم هیدروژن با یك فرمول ساده و شگفت‌انگیز ارائه نمود.

ایده‌ی كوانتومی بودن به شكل جدیدی در نظریه‌ی بوهر ظاهر شده‌بود. قبلاً پلانك از ایده‌ی كوانتومی بودن تابش الكترومغناطیسی برای توضیح تابش جسم سیاه استفاده كرده‌بود، امّا مفهوم پلّه‌‌پلّه بودن انرژی در یك سیستم، برای نخستین بار در تئوری بوهر مطرح شد: این كه یك الكترون درون یك اتم هر انرژی دلخواهی ندارد و فقط روی مدارهای معینی با انرژی‌های مشخّص می‌تواند باشد و چون تفاوت این انرژی‌ها هم مقدارهای معینی است، تابش اتمی هم فقط با طول موج‌های معینی انجام می‌شود.

با كار درخشان بوهر، دوران طلایی كوانتوم آغاز شد.

برچسب‌ها: ,

0 Comments:

ارسال یک نظر

Links to this post:

ایجاد یک پیوند

<< Home