به بخش مقالات انجمن فیزیک خوش آمدید

کوانتوم به زبان آدمیزاد قسمت اول

مدل اتمی بور
پیدایش واژه ی اتم به معنای امروزی آن، به چندقرن پیش بازمی گردد، زمانیکه برای اولین بار دانشمندی یونانی به نام دموکریت، اتم را کوچکترین جز سازنده ی تمام مواد عالم، معرفی کرد. این واژه از نظر لغوی به معنای غیرقابل تقسیم است.
اما بعدها توسط دانشمندی انگلیسی به نام دالتون معلوم شد که اتم ها واقعاً قابل تقسیم بوده و شامل پروتون های با بار مثبت و الکترون های با بار منفی و البته نوترون های خنثی هستند. این مدل ساده و پیش پا افتاده تا اوایل قرن بیستم، تغییر زیادی نکرد و تقریباً دست نخورده باقی ماند.
اما انگار قرار بود قرن بیست به یک قرن تاریخی تبدیل شود، چرا که شک و شبهه ها در مورد ساختار اتم، شدت گرفت.
در سال ۱۹۱۱، ارنست رادرفورد به لطف آزمایش مشهور خود یعنی ورقه ی طلا، مدل سیاره ای اتم را پیشنهاد داد.طبق این مدل، هر اتمی متشکل از یک هسته ی مثبت و الکترون های منفی هستند که این الکترون ها مانند سیاره هایی به دور هسته می چرخند.
اما این مدل، یک نقص بزرگ داشت، اگر اتم ها از این مدل پیروی می کردند، کاملاً ناپایدار بودند، زیرا الکترون ها تمام انرژی خود را به خاطر شتاب ثابت ساطع کرده و تقریباً  فوراً به درون هسته سقوط می کردند.
اما اوضاع این طور باقی نماند و در سال ۱۹۱۳ یک فیزیکدان دانمارکی به نام نیلز بور، مدل تازه ای برای اتم را بنیان نهاد..مدل بور بسیار شبیه به مدل سیاره ای است.
اما بور سه قاعده را برای حفظ پایداری اتم ها درنظرگرفت:
الکترون ها حول هسته و در مدارهایی دایره مانند و بدون تابش نور می چرخند. مدارها در هر فاصله ی دلخواهی از هسته قرار نگرفته اند، بلکه صرفاً در ترازهای انرژی مجازی که مضربی از ثابت کاهش یافته ی پلانک هستند، قرار دارند. (ثابت پلانک کاهش یافته، مقدار ثابت پلانک تقسیم بر مقدار ۲ است).
بنابراین از اینجا معلوم شد که کوانتش یا مقادیر معین انرژی (یا مقادیر گسسته ی انرژی) تنها مختص نور نبوده، بلکه می توان آن را در مورد مواد هم به کار برد (در این مورد الکترون ها).
الکترون ها می توانند از یک مدار به مدار دیگر جهش کنند. زمانیکه الکترون ها از یک مدار با انرژی پایین تر به مدار با انرژی بالاتر می روند، یک کوانتوم نور را جذب می کند. این فرآیند، برانگیختگی نامیده می شود و الکترون هایی که در تراز انرژی بالاتری نسبت به تراز انرژی اولیه شان قرار بگیرند، الکترون های برانگیخته نامیده می شوند.الکترون هایی که در تراز انرژی اولیه شان قرار دارند، در واقع در حالت پایه خود هستند.
اثرفوتوالکتریک
طبق مدل اتمی بور، برای فرستادن الکترون ها به ترازهای بالاتر اتمی باید به صورت تابش الکترومغناطیسی به آنها انرژی دهیم.اگر مقدار این انرژی به اندازه ی کافی، زیاد باشد، الکترون قادر به ترک اتم خواهد شد.این پدیده، اثر فتوالکتریک نامیده شده و الکترون هایی که به این روش آزاد می شوند، فوتوالکترون نام دارند.
اجازه دهید باز هم برای فهم بهتر، یک آزمایش را تصور کنیم.وقتی به الکترون های داخل اتم نور بتابانیم، بعضی از این الکترون ها از لایه ی اتمی جدا شده و تبدیل به فوتوالکترون می شوند.
فیزیک کلاسیک می گوید انرژی فوتوالکترون ها باید وابسته به شدت نور باشد، چرا که در این نظریه، تابش شدیدتر (یعنی نور درخشان تر) به معنای انرژی بالاتر است.
اما این وابستگی هیچگاه در تجربه مشاهده نشد، بلکه از نظر تجربی ثابت شده بود که انرژی الکترون های تابشی فقط به فرکانس تابش بستگی دارد، بعلاوه، وجود فرکانس آستانه هم یک تناقض دیگر بود.(فرکانس آستانه، حداقل انرژی لازم برای کندن الکترون از اتم است).
در واقع اگر نوری پایین تر از فرکانس آستانه به اتم بتابانیم، هیچ الکترونی آزاد نمی‌شود، حتی اگر تابش بسیار شدید باشد.با توجه به مشاهدات بالا، فیزیک کلاسیکی قادر به توضیح اثر فوتوالکتریک نیست.
همانطور که در بخش اول این مقاله دیدیم، آزمایش یانگ شاهدی بر ماهیت موجی نور بود.اما برای توضیح اثر فوتوالکتریک دانشمندان مجبور بودند نور را به صورت مجموعه ای از ذرات فرض کنند.
طبق این فرض، الکترون ها امواج الکترومغناطیسی را به صورتی که مکانیک کلاسیک پیش بینی می کرد، دریافت نمی کردند، بلکه  آنها ذرات نور (فوتون) را جذب می کنند.فوتون ها همان بسته های انرژی بودند که پلانک آنها را برای حل مسئله ی تابش جسم سیاه پیشنهاد کرد.
اما اینشتین نخستین کسی بود که ماهیت ذره ای این کوانتوم ها را درک کرد و با استفاده از آنها معمای اثر فوتوالکتریک را حل کرد.اگر نور را به صورت مجموعه ای از ذرات فرض کنیم، اثر فوتوالکتریک به آسانی توضیح داده می شود.
افزایش شدت تابش باعث افزایش تعداد فوتون های موج الکترومغناطیسی می شود، اما انرژی هر فوتون، تغییری نمی کند!
در نتیجه اگر نور شدیدتری را به اتم بتابانیم، انرژی فوتوالکترون ها تغییر نمی کند، زیرا الکترون ها تنها می توانند یک فوتون را جذب کنند.
(مطابق قانون سوم بور).
اما با افزایش شدت نور، تعداد الکترون های تابش شده (فوتو الکترون ها) بیشتر می‌شود، چرا که در این حالت فوتون های بیشتری در امواج الکترومغناطیسی برای جذب شدن وجود دارد.
اثر فوتوالکتریک
شکل ۶- طرح ساده ای از اثر فوتوالکتریک
دوگانگی موج ذره
نور یک موج -ذره است!
انرژی هر الکترون را می توان با توجه به انرژی هر فوتون محاسبه کرد.
برای اینکار باید فرکانس تابش را از معادله ی پلانک E=h.f محاسبه کنیم (E انرژی یک فوتون است).
از طرفی با فرض کوانتیزه بودن تابش، می توان فرکانس آستانه را هم توضیح داد: فوتون های با فرکانس پایین، انرژی کافی برای کندن الکترون را ندارند، بنابراین اثر فوتوالکتریک رخ نمی دهد، به همین سادگی!
آلبرت اینشتین همچنین معادله ای را برای محاسبه ی اندازه حرکت یک فوتون (λ : طول موج امواج الکترمغناطیسی) بدست آورد:
p=h/λ
وقتی الکترون، یک فوتون را جذب می کند در واقع تمام انرژی آن را بدست می آورد.
بخشی از این انرژی صرف جداسازی الکترون از اتم می شود  (انرژی فرکانس آستانه) و انرژی باقی مانده به انرژی جنبشی تبدیل می شود.
انرژی کلی یک فوتوالکترون را می توان با استفاده از معادله ی زیر محاسبه نمود که در آن W انرژی فرکانس آستانه است:
E=W+½ mv2
اگرچه آزمایش یانگ ماهیت موجی نو را ثابت می کند، اما اثر فوتوالکتریک نور را به صورت مجموعه ای از ذرات فرض می کند و نتیجه ی کلی این می شود که نور ماهیتی دوگانه دارد، یعنی هم موج است و هم ذره!
امواج مادی
پس از آنکه با آزمایش یانگ و اثر فوتو الکتریک، ماهیت عجیب و دوگانه ی (ذره-موج) نور ثابت شد، در سال ۱۹۲۴، یک فیزیکدان جوان فرانسوی بنام لویی دوبروی، ایده ی بسیار جسورانه تری را مطرح کرد.
او بیان کرد که  این ماهیت دوگانه تنها به نور محدود نمی شود، بلکه هر ماده ای را می توان  به صورت یک موج در نظر گرفت.
البته همانطور که در تاریخ علم، ایده های جسورانه همیشه در ابتدا با مخالفت شدید مواجه می شدند، این ایده ی انقلابی هم در ابتدا پذیرفته نشد.
اما در نهایت معلوم شد که دوبروی درست گفته و وجود این موج مادی را می توان با کمک آزمایش یانگ ثابت کرد.
تمام جزییات مانند آزمایش اصلی یانگ بود، اما این بار به جای تابش الکترومغناطیس (فوتون) از الکترون استفاده شد و جالب اینکه باز هم همان الگوهای تداخلی ایجاد شد!
در نتیجه ثابت شد که ذرات (در اینجا الکترون) هم دارای ماهیت موجی هستند.
ارتباط بین اندازه حرکت یک شی و طول موج آن، با معادله ی زیر بیان می شود:
λ=h/p
طبق معادله ی بالا، با افزایش اندازه حرکت شی، طول موج ماده، کاهش می یابد. به عبارت دیگر اشیای بزرگتر، طول موج کمتری دارند و به همین دلیل است که ما خاصیت موجی اشیای ماکروسکوپی را نمی بینیم.
بنابراین در مکانیک کوانتوم، موج و ماده دو روی یک سکه هستند!
گاهی ماهیت موجی و گاهی ماهیت ذره ای پدیدار می شود و این یکی از اصول عجیب و اساسی مکانیک کوانتوم است

پیوندها

لینک های مفید وب


Designed By: shabakeye IT

طراحی و پیاده سازی توسط طرای سایت پردازش پیشرو

کلیه ی حقوق این سایت متعلق به انجمن معلمان فیزیک فارس می باشد،هر گونه کپی برداری از مطالب این سایت با ذکر منبع امکان پذیر می باشد

سال 99 سال رشد اقتصادی در ایران اسلامی