آیا تقسیمات ماده ، می تواند تا بینهایت ادامه پیدا کند؟

برای پیدا کردن پاسخ این پرسش باید آزمایش دیگری انجام دهید:

آزمایش : نوگ یک سنجاق را در روغن زیتون فرو ببرید و فوری آن را در لیوانی که دارای آب سرد وارد کنید. روغن در سطح آب پخش می شود. آیا روغن تمام سطح لیوان را پوشانده است؟ اگر خیر؛ آیا لکه روغن به هم پیوسته است یا به صورت چند تکه جدا از هم است؟ اگر لکه روغن تمام سطح آب را پوشانده یا به صورت یکپارچه است ، آزمایش  را تکرار کنیداین بار در یک بشقاب آب بریزید و سنجاق آغشته به روغن را در آب فرو ببرید. زمانی خواهد رسید که لکه روغن یکپارچگی خود را از دست می دهد و به چند تکه تقسیم میشود. بنابراین، باید پذیرفت که روغن زیتون نیز از ذرات کوچکی تشکیل شده است که یک قطره آن می تواند درسطح آب گسترده می شود و لایه نازکی را تشکیل دهد، ولی این گستردگی نمی تواند تا بینهایت ادامه پیدا کند. به بیان دیگر، وقتی که لایه ای بسیار نازک درست شد که ضخامت آن درحدود قطر یک ذره است ، دیگر لایه از آن نازکتر نمی شود. بنابراین ، می توان گفت که مواد مورد بحث پیوسته نیستند و از ذرات بسیارکوچکی تشکیل شده اند.

همانطور که در دوره ابتدایی وراهنمایی تحصیل دیده اید ، آزمایشهای را قبلا دیده اید برای مثال، می دانید که هرگاه در آب خالص چند قطره اسید سولفوریک یا چند تکه سود یا مقداری سولفات سدیم حل کنیم  و در داخل محلول دو میله زغالی بگذارین و میله ها را به یک باتری وصل کنیم، در عمل، آب به ئیدروژن  و اکسیژن تجزیه می شود. پس ، مولکلهای آب خود را از اجزای کوچکتری تشکیل شده اند. حتما می دانید که این اجزاء را اتم می نامند. همچنین می دانید که مواد مرکب، از اتمهای و مواد ساده ؛ از اتمهای یکسان تشکیل شده اند.

اجزای اتم و چگونگی قرار گرفتن آنها

آیا اتمها تجزیه ناپذیرند؟

نظریه تمی دالتن نیز مانند هر نظریه علمی دیگر توانست بسیاری از پدیده های علمی آن زمان را توجیه کندو به بسیاری از پرسشها پاسخ دهد، ولی از توجیه برخی پدیده ها عاجز بود و مانند هر نظریه خوب دیگر سوالهای تازه بسیار مطرح کرد. به عنوان مثال، این سوال مطرح شد: در اتمهای مواد مرکب چه نیرویی اتمهای ساده را درکنار یکدیگر را یک اتمسفر گرمایی احاطه کرده است که به هنگام ترکیب دو عنصر، اتمسفر گرمایی این دو عنصر همپوشانی می کنند که وبه همین سبب نیز از واکنش ندارد و به همین دلیل این مواد یک اتمی هستند. دالتن برای این قسمت از نظریه خود دلیل تجربی نداشت.

دانشمندان سالها پیش از دالتن با الکتریسیته مالشی( ساکن) آشنایی داشتند که نظریه اتمی دالتن نمی توانست این پدیده را توجیه کند. بازهم دالتن پاسخی داشت و آن این بود که الکتریسیته چیزی است که برماده عارض می شود وجزء ذات ماده نیست.

با ساخته شدن پیلهای الکتروشیمیایی و انجام شدن آزمایشهای الکترولیز ، توانایی نظریه دالتن برای توجیه واقعیتها کمتر شد و سرانجام این مدل از توجیه خصلت رایو اکتیوی  و اشعه کاتدی به کلی عاجز ماند. این واقعیتها زمانی قابل توجیه بود که در اتمها، اجزای دارای بار الکتریکی وجود داشته باشند ومدل اتمی دالتن (اتم غیر قابل تقسیم) نمی توانست این پدیده ها را توجیه کند.

چگونه اجزای دارای بار الکتریکی اتم شناخته شدند؟

هنگامی که اولین پیل الکتروشیمیایی ساخته شد، دانشمندان سعی کردند تا رفتار مواد را در برابر این پدیده جدید مورد آزمایش قرار دهند. جریان الکتریسته را از محلول آبی نمکها، بازها و اسیدها عبور دادند که در بسیاری از موارد نتیجه عمل تجزیه آب به ئیدروژن و اکسیژن بود. بر اثر عبور جریان الکتریسته از نمکها یا ئیدروکسیدهای مذاب ، عنصرهای جدیدی کشف شد قوانین کیفی وکمی برای الکترولیز در حالتهای گوناگون پیدا شد. نتایجی را که دانشمندان در مورد رفتار مواد رفتار مواد در برابر جریان الکتریسته پیدا کردند می توان به صورت زیر خلاصه کرد"

1-                    جامدات به دو دسته تقسیممی شوند. دسته اول رسانای الکتریسیته  هستند، که بیشتر از فلزات تشکیل می شوند ؛، و دسته دوم مواد نارسانا.

2-                    مایعات- و از جمله آب  معمولاًٌ رسانای جریان الکتریسته نیستند. ولی هرگاه در آب مواد دیگری به ویژه نمکها  حل شده باشند، محلول حاصل جریان الکتریسته را عبور می دهد. رسانایی الکتریکی این محلولها  نیز یکسان نیست، برخی رسانای نسبتاً خوبی هستند وبرخی دیگر رسانای الکتریسته نیستند. ولی اگر ذوب شوند، تقریباً به خوبی محلول آبی خود جریان الکتریسته را عبور می دهند.

3-                    محلول برخی از مواد، مانند شکر، به کلی جریان الکتریسته را عبور نمی دهد.

4-                    نمکها در حالت جامد ررسانای الکتریسته نیستند،ولی اگر ذوب شوند، تقریباً به خوبی محلول آبی خود جریان الکتریسته را عبور می دهند.

5-                    رسانایی الکتریسته نمکها، خواه در حالت مذاب یا محلول با رسانایی الکتریکی فلزها متفاوت است.

سرانجام نوبت به گازها رسد و آزمایشهای گوناگونی در این مورد صورت گرفت که نتیجه آن کشف اشعه کاتدی بود.

چگونه اشعه کاتدی به شناختن اجزای اتم کمک کرد؟

جریان الکتریسیته با ولتاژ معمولی از گازها عبور نمی کند و حتی با ولتاژ خیلی زیاد هم ، وقتی که فاصله الکترودها زیاد باشد، از هوا یا گازهای دیگر عبور نخواهد کرد. در فشار معمولی برای عبور جریان الکتریسیته از گازی مانند هوا ولتاژی در حدود 000/30 ولت به ازای هر سانتیمتر فاصله الکترودهای لازم است. ولی هرگاه فشار گاز درون لوله را کاهش دهیم تا به حدود 01/0 اتمسفر برسد، جریان الکتریسیته عبور خواهد کرد و بسته به نوع گاز رنگ خاصی نیز تولید می شود. در این شرایط باید در گاز نیز، مانند محلول ، ذرات دارای بار الکتریکی پدید آمده باشد. پیدایش ذرات دارای بار الکتریکی در صورتی قابل توضیح و توجیه  است که درون اتم اجزایی با بار الکتریکی وجود داشته باشد که به هنگام عبور جریان الکتریسته برخی از آنها از اتم جدا شده باشند. پس این « اتم غیر قابل تقسیم » می تواند به اجزای دارای بار الکتریکی تبدیل شود، هرگاه تخلیه را ادامه دهیم و از فشار گاز درون لوله بازهم بکاهیم تا به حدود   اتمسفر برسد، روشنایی درون لوله از میان می رود، ولی بدنه لوله درخشندگی سبز رنگی پیدا می کند . دانشمندان برای اطمینان از اینکه این روشنایی نتیجه بمباران بدنه لوله  به وسیله ذرات دارای بار الکتریکی است ، بارها این آزمایش را تکرار کردند، و در نتیجه ، قبول کردند که در این حالت نوعی پرتو نامرئی از کاتد ( قطب منفی) خارج می شود که بر اثر برخورد با بدنه لوله نور مرئی پدید می آورد . این پرتو را اشعه کاتدی نامیدند. آزمایشهای گوناگونی با کاتدهایی از جنسهای مختلف و همچنین با تغییر گاز درون لوله صورت گرفت ؛ ولی خواص این اشعه به این عوامل بستگی نداشت . آزمایشهای  بسیاری نیز برای تعیین جنس این اشعه  به این عوامل بستگی نداشت . آزمایشهای بسیاری نیز برای تعیین جنس این اشعه همیشه در میدان الکتریکی به سمت قطب مثبت منحرف می شوند، بنابراین دارای بار الکتریکی منفی هستند و جنس آنها نه به جنس کاتد بستگی دارد و نه به جنس گاز درون لوله .

به طوری که ملاحظه می شود اشعه کاتدی ، مانند امواج نورانی به خط مستقیم منتشر می شود. آیا امواج نورانی مانند اشعه کاتدی در یک حوزه مغناطیسی منحرف می شوند؟ جهت انحراف اشعه کاتدی نیز نشان می دهد که باید دارای بار الکتریکی منفی باشد. اشعه کاتدی می تواند پروانه ای را به چرخش در آورد، آیا نور در شرایط کاتدی به جای آنکه یک دسته شعاع مانند شعاع نورانی – باشد، باید به عنوان جریانی از ذرات بسیار ریزی که دارای بار منفی است در نظر گرفته می شود.این جریان از اتمهای فلزی کاتد خارجی از اتمهای فلز کاتد خارج می شود. این ذرات دارای بار منفی در سال 1847 الکترین و در سال 1891 الکترون نام گرفتند و ما امروزه انها را به همین نام می شناسیم.

جزءمثبت اتم چیست؟

همه دانشمندان این نکته را می دانستند که یک اتم روی هم رفته خنثی است، یعنی در ظاهر نه بار الکتریکی مثبت دارد و نه بار الکتریکی منفی . با شناخته شدن الکترون معلوم شد که ظاهر با واقعیت یکی نیست و در اتم ذرات دارای بار منفی وجود دارد. پس، باید در اتم خنثی به همان اندازه بار الکتریکی مثبت وجود داشته باشد. ذرات منفی الکترون هستند که شناخته شده اند. ذرات مثبت چطور ؟ چه نوع ذراتی هستند و چه مشخصاتی دارند؟ هنوز نمی دانیم ، ولی مطئمنیم که وجود دارند؟ و به طوری که گفته شد، دانشمندان ذرات مثبتی مانند یون⁺H  را شناسایی کرده بودند و حتی جرم و با الکتریکی انها را اندازه گرفته بودند. ولی این نکته که این ذره نیز مانند الکترون یکی از اجزای سازنده کلیه اتمها باشد به شدت مورد تردید بود.دانشمندان به دنبال ذره مثبتی بودند که در برابر الکترون جزء مثبت سازنده کلیه اتمها باشد.

کشف اشعه مثبت چه کمکی به شناختن ساختمان اتم  کرد؟

در اولین روزهایی که تلاش برای عبور داد جریان الکتریسته از گازها جریان داشت و توانستند با بالا بردن ولتاژ و کم کردن فشار گاز درون لوله این کار را انجام بدهند، یک سوال مهم ذهن دانشمندان را به خود مشغول می داشت و آن این بود که چرا گاز دورن لوله ، رنگی می شود. این رنگ مربوط به چیست ؟ با کشف کاتدی و از میان رفتن  رنگ در لوله اشعه به طور موقت فراموش شد. البته یک دانشمند هرگز یک مساله علمی را به فراموشی نمی سپارد . در این مورد نیز این طور نتیجه گیری شد که رنگ ، مربوط به ذرات مثبت بوده است. چون ذرات منفی بی رنگ  و نامرئی بودند.

در آزمایشهای گوناگونی  که از لوله ها وگازها و کاتدهای مختلف برای تولید اشعه کاتدی استفاده می شد، بعضی از دانشمندان نیز از کاتد سوراخ سوراخ استفاده کردند. در این حال ، یک دسته شعاع نورمرئی  در پشت کاتد ظاهر شد که رنگ آن بستگی به جنس گاز درون لوله داشت  و شبیه همان رنگی بو که پیش از پیدایش اشعه کاتدی در داخل لوله ظاهر می شد. آزمایشهای گوناگون در مورد این اشعه نشان داد که :

1- در میدان الکتریکی به سمت   قطبی منفی منحرف می شود. پس باید دارای با الکتریکی مثبت باشد. به همین دلیل نیز آن را اشعه مثبت نامیدند.

2- در میدان مغناطیسی ( البته  با شدت بسیار زیادتر از مقدار به کار رفته برای اسعه کاتدی )در خلاف اشعه کاتدی ، عمود بر میدان ، منحرف می شود. یک بار دیگر نتیجه می شود که دارای بار مختلف  جهت با اشعه کاتدی است وچون برای انحراف آن باید شدت میدان خیلی بیشتر باشد، پس جرم ذرات آن بسیار بیشتر است.

3- یک دسته اشعه باریک آن به هنگام انحراف در میدان مغناطیسی بر خلاف  اشعه کاتدی بسیار گسترده می شود و به صورت  یک دسته اشعه پهن در می آید. پس باید ذرات ان دارای سرعتهای گوناگون باشند که این امر می تواند به علت داشتن بار یا جرم گوناگون باشد.

4- مقدار  آن بسیار متغیر وبسیار کوچکتر از مقدار   محاسبه شده برای اشعه کاتدی ( الکترون ) است.

5- جرم ذرات ان بسیار بیشتر از جرم الکترونها و معمولا در حدود جرم اتمها یا مولکولهای گازی شکل اولیه است.

با توجه به این نتیجه گیریها ؛ می توان از ضرب کردن  اندازه گیری شده در جرم اتمی یا مولکولی گاز به کار رفته مقدار بار هر ذره  را پیدا کرد. در این مورد نیز مقدار بار الکتریکی به دست آمده مضرب صحیحی از یک مقدار معین، یعنی همان   است . پس ، در هر اتم ذرات مثبتی  وجود دارد که بار الکتریکی آنها معادل بار الکترون(  است ÷س در هر اتم ذرات مثبتی وجود دارد که بار الکتریکی آنها معادل بار الکتریکی و جرم آنها  در حدود 1840   برابر جرم الکترون است. این ذرات مثبت پروتون نامیده شدند.

آیا در اتم به جز الکترون و پروتون جزء دیگری نیز وجود دارد؟

پاسخ این پرسش نیز مانند بسیاری از پرسشهای دیگری که در مورد ساختمان اتم مطرح شده بود نیاز به آزمایشها و برسیهای متعدد داشت. در آن زمان جرم اتمی شناخته شده بود و دانشمندان می توانستند مقدار تقریبی آن را محاسبه کنند. چون جرم الکترون مقدار بسیار ناچیزی است، نمی تواند در مقدار محاسبه شده جرم اتمی تاثیر چندانی داشته باشد. جرم پروتونهای دریک عنصر نیز نمی تواند تمام جرم اتم را شامل شود. دانشمندان برای حل این مشکل چنین تصور کردند که در هر اتم عده ای از الکترونها با عده ای از پروتونها یکدیگر را خنثی  می کنند. وبه صورت جفت الکترون – پروتون در اتم قرار می گیرند . عده ای پروتون آزاد وجود دارد که معادل همان عدد اتمی عنصر است و به همان میزان نیز الکترون در اتم موجود است.  برای مثال ، در کتاب درسی شیمی سال چهارم سال چهارم متوسطه که در سال 1324 چاپ شده است ، آمده است که در اکسیژن 16 الکترون و 16 پروتون موجود است . از این 16 الکترون  و درهسته می چرخند دانشمندان تلاش می کردند تا این جفت الکترون پروتون را به طور مستقل به دست آورند. اکنون به بررسی برخی زا شواهد و دلایل برای اثبات  یا رد وجود یک ذره مستقل ، یا همان جفت الکترون – پروتون می پردازیم.

آیا همه اتمهای یک عنصر یکسان  ، هستند؟

 به یاد دارید که دانشمندان به هنگام مطالعه  اشعه مثبت متوجه شدند که اشعه باریکی از آن میدان مغناطیسی ، پس از انحراف ، به دسته پهنی تبدیل می شود. این موضوع در موردی که گاز درون لوله خالص باشد نیز معمولاً صدق می کند. گسترده  شدن اشعه نشانه ان است که میزان انحراف ذرات موجود در آن موجود در آن یکنواخت نبوده است ، یعنی بعضی از ذرات بیشتر و برخی کمتر منحرف شده اند. میزان انحراف بیشتر است، و دیگری جرم ذره که هرچه بیشتر باشد، انحراف  بیشتر است، و دیگری جرم ذره که هر چه بیشتر باشد ، انحراف کمتر است.بنابراین ، ذرات موجود در اشعه مثبت حاصل از یک ماده خالص باید از یکی این دو نظر( یا هر دو) تفاوت داشته باشند. تا مسن در دستگاهی ، که

 

 

 

 

 

 

 

 

 

تصویر آن در این صفحه می بینید، اشعه مثبت را تولید کرد و برای آن ذرات مختلف را از یکدیگر تفکیک کند آن را از دستگاهی شامل یک  میدان الکتریکی و یک میدان مغناطیسی  عمود بر هم عبور داد . هرگاه اشعه  از یک نوع یون ازیک ماده خالص تشکیل شده باشد، تحت تاثیر این دو میدان به یک سهمی  شکل قبل تبدیل خواهد شد.

مدلهای اتمی کدامند.

پس از آنکه مسلم شد در اتم اجزای دارای بار الکتریکی منفی ( الکترون ) و اجزای دارای بار مثبت (پرتون ) وجود دارد، این سئوال برای دانشمندان مطرح شد که ذرات منفی و مثبت به چه ترتیب در اتم قرار قرار گرفته اند؟

براساس شواهد تجربی به دست آمده وبرای توجیه واقعیتهای کشف شده تا ان زمان دو فرضیه یا دو مدل  مختلف برای اتم پیشنهاد شد که دلایلی برای اثبات هریک وجود داشت. می دانیم که یک فرضیه تا امتحان نشده است آنچنان اعتباری ندارد که بتوان از آن در موارد گوناگون استفاده کرد. حال ببینیم این دو مدل کدامند و دلایل اثبات هریک چیست؟

الف- مدل اتمی تا مسن

در سال 1904 که وجود ذرات دارای بار منفی و مثبت ( الکترون و پروتون )  در اتم مسلم شده بود، شاید هیچ کس بیشتر از تا مسن ( به سبب مطالعات زیادش در این رشته صلاحیت نداشت. که درباره چگونگی قرار گرفتن این اجزاء در اتم اظهار نظر کند. بیایید با تا مسن برای پیشنهاد مدل مناسبی برای اتم همگام شویم: ابتدا ببینیم چه اطلاعاتی موجود است:

1-                 هر  اتم شماره معینی در حدود نصف عدد  مربوط به جرم اتمی یا همان طور که امروزه می گوییم. عدد جرمی الکترون وجود  دارد.

2-                 در دستگاه تولید اشعه کاتدی ، اتمهای ماده تشکیل دهنده کاتد به آسانی الکترونهای  خود را از دست می دهند.

3-                 الکترونها ذراتی بسیار کوچک با جرم بسیار کم هستند وجرم اتم به طور کلی مربوط به اجزائی دیگر موجود در اتم است.

4-                 با آنکه جرم پروتونها بسیار بیشتر از الکترونهاست، ولی مقدار بار الکتریکی آنها با بارالکتریکی الکترونها برابر است.

5-                 منشا اشعه مثبت با اشعه کاتدی متفاوت است و این اشعه از برخورد الکترونهای پر انرژی به اتمههای گازی شکل درون لوله اشعه کاتدی ، پدید می آیند. ساده ترین و کم جرم ترین اشعه مثبت از گاز ئیدروژن پدید می آید. که یون مثبت آن در حدود دو هزار برابر الکترون جرم دارد.

حال به نتیجه گیری می پردازیم: چون بخش مثبت اتم قسمت اعظم جرم اتم را شامل می شود، منطقی به نظر می رسد که قسمت اصلی  حجم اتم نیز در اختیار اجزای مثبت باشد. چون الکترونها آسانتر از پروتونها از اتم جدا می شوند؛ پس باید پیوستگی الکترونها به اتم خیلی کمتر از پروتونها باشد. بنابراین :

اتم ئیدروژن عبارت است از کره ای به شعاع تقریبی یک انگستروم شامل بار مثبت که یک الکترون در مرکز آن قرار گرفته و به نحوی به آن متصل است. اتم عنصرهای هلیم، لیتیم ؛ و بریلیم نیز هریک کره ای با بار مثبت هستند که چون بیش از یک الکترون دارند و الکترونهای دارای بار الکتریکی همنام  یکدیگر را می رانند، پس الکترونهای آنها را در دورترین فاصله ممکن از یکدیگر قرار می گیرند، شکل زیر مل اتمی این چهار عنصر را نشان میدهد.

 

 

 

 

 

 

 

افزایش شماره الکترون باعث می شود. که الکترونها بیشتر یکدیگر را دفع کنند و چهار الکترون اول در چهار راس یک چهار وجهی قرار گیرند و الکترونهای بعدی در لایه جدیدی بالاتر از چهار وجهی ، وارد شوند. شاید رابطه ای میان ساختمان لایه ای و جدول تناوبی موجود باشد.

تا مسن، براساس همین مدل اتمی ، سعی کرد خواص تناوبی و چگونگی پیوند یافتن اتمها با یکدیگر را نیز توجیه کند.

ب- مدل اتمی ناگااوکا

در همان سال 1904 دانشمند دیگری از گوشه دیگری از جهان نظریه دیگری ابراز داشت.این دانشمند هانتارو ناگااوگا، فیزیکدان فیزیکدان ژاپنی بود. ناگااوکا با همان همان اطلاعاتی که تا مسن در اختیار داشت نتیجه متفاوتی گرفت. بیایید با او نیز در پیشنهاد مدل اتمی اش همگام شویم:

« چون الکترون به آسانی از اتم جدا می شود، پس باید الکترونها در خارج اتم و قسمت مثبت در داخل اتم قرار گرفته باشد. در این صورت ، برخورد الکترون ( اشعه کاتدی ) به اتمهای گازی عنصری می تواند الکترونهای آن را براند و آن را به یون مثبت تبدیل کند و به این ترتیب اشعه مثبت پدید آید. بنابراین :

اتم عبارت از یک هسته مرکزی شامل بار مثبت و در نتیجه تمام جرک اتم است که به وسیله الکترونهای دارای بار منفی احاطه شده است، همان طور که حلقه های زحل خود کرده زحل را در میان گرفته اند.»

 

 

 

 

 

 

 

تئوری اتمی بور

نیلزبور (1962-1885)  فیزیکدان دانمارکی که از شاگردان تامسون وراترفوربود در سال 1913 با استفاده از :

1-                 مدل اتمی را ترفورد

2-                 تئوری کوانتایی پلانک

3-                 خطوط منفصل طیف عناصر و اکتشافات بالمر وریدبرگ در این زمینه مدل اتمی خود را طراحی و پیشنهاد نمود.

پس از اکتشافات کیرشهف و بونزن در زمینه طیف نگاری ، فیزیکدانان بر روی خطوط طیفی عناصر، بررسی ها و تحقیقات بسیاری را انجام دادند. ده ها هزار خطوط طیفی ، عناصر گوناگون را به دقت اندازه گیری کرده و با نظم و ترتیب خاصی در جدول بلند بالایی مرتب نموده  بودند. تا اینکه « سرانجام یوهان یا کوب بالمر  آلمانی (1898-1825)  برای اولین مرتبه سیسمتی در هرج و مرج این اعداد پیدا کرد. او در  شصت سالگی متوجه شد که چهار خط طیفی در قسمت مربی طیف هیدروژن نامنظم قرار نگرفته اند، بلکه سلسله ای را تشکیل می دهند که می توان به صورت یگانه فرمول نوشت:

     که در آن 2  , n=   و 6و5و4 و3 =k    و   می باشد.

در حقیقت تئوری اتمی نوین را با این فرمول بالمر شروع شد، بالمری که از دوران جوانی تحت تاثیر فلسفه فیثاغورس بود.

در همین راستا در سال 1890 فیزیکدان سوئدی یوهان رابرت ریدبرگ (1919-1845) پیشنهاد کرد فرمول بالمر را به صورت دیگری بنویسند، که تا امروز شکل خود را حفظ کرده است.

در اینجا c سرعت  نور ؛ و R برابر با   می باشد. R را ثابت ریدبرگ برای اتم هیدروژن می نامند.

در حقیقت کوشش برای درک ساختمان طیف همان تلاش کورکورانه برای کشف رمز متنی نا آشنا را به یاد می آورد. این کار طاقت فرسا بیش از یک ربع قرن به طول کشید. و سرانجام این نیلزبور بود که کلید رمز را کشف کرد.

دیدیم که مکانیک کلاسیک از حل تناقضات تئوری اتمی راترفورد عاجز مانده بود. و الکترون چرخنده به دور هسته مثبت اتم ، می بایستی خیلی سریع  پس از انتشار پرتوهایی به داخل هسته سقوط کند.

بورکار خود از اتم ساده هیدروژن که دارای یک الکترون ویک پروتون است شروع کرد. اصول بور در این مورد به شرح   زیر است :

اصل اول : در اتم هیدروژن الکترون با جرم m فاصله r از پروتون و سرعت v در مسیری دایره شکل به دور پروتون می چرخد. چون الکترون نه از اتم خارج می شود و نه به داخل هسته سقوط می کند، پس دو نیروی گریز از مرکز ونیروی جذب به مرکز باهم برابرند .

یعنی                     یا    

 

 

 

 

در نتیجه مطابق اصل اول بور: مدار هایی در اتم وجود دارد که الکترون بر انها می چرخد بدون آنکه تشعشع کند.

اصل دوم : در حرکت دورانی عامل گشتاور مداری یعنی (L ) به جرم (m ) شعاع مدار  ( r) و سرعت دوران v بستگی دارد یعنی  که برای قمرهای مصنوعی این مقادیر متفاوت است. بور ثابت کرد که فرق الکترون در اتم با قمر مصنوعی یا ماهواره در آن است که گشتاور مداری (L  ) آن نمی تواند انتخابی  و دلخواه باشد. بلکه معادل مضرب صحیحی از مقدار  است یعنی :

 وبه این ترتیب ، بور مدارهای ثابت و مشخصی را در اتم از میان انبوه مدارهای متصوره متمایز می سازد. در مقام تشبیه می توان گفت همانطوری که برای دنده های اتومبیل  حالت حد وسط وجود ندارد، یعنی بین دنده و نمی توان دنده دیگری گرفت ، مدارهای اتم نیز بر همین منوال هستند.

اصل سوم: از دو شرط قبلی بور براحتی مقادیر انرژی و شعاع  مدار ثابت بدست می آید .یعنی    و     مدارهای ثابت یا سطوح انرژی اتم را عدد اصلی کوانتومی نام نهاده اند . که با اعداد صحیح یعنی 1و2و3و... و یا با حروف k و L وm و ...  نمایش می دهند. الکترونها هنگام عبور از سطح n به سطح k ( اگر n مداری بالاتر از k باشد مقداری انرژی برابر با  تشعشع می کنند که فرکانس تشعشی آن با  استفاده از فرمول آینشتاین تعیین می شود. یعنی :

طبق اصل سوم : بور وقتی الکترون روی مدارهای ثابتی حرکت می کند نمی تواند نور تابش کند و تابش نور فقط در اثر پرش الکترون از یک مداربه مدار دیگر امکان پذیر است. بور معتقد بود که فرکانس نور تابش شده ارتباطی به فرکانس حرکت دورانی الکترون ندارد، و فقط مربوط به اختلاف انرژی بین مدار ابتدایی و مدارها انتهایی است یعنی :           

 

(بدهی است که  همان مقدار انرژی است که می بایستی به الکترون داد تا از مدار K به مدار n پرش کند.)

نخستین موفقیت تئوری  بور محاسبه شعاع اتم هیدروژن بود. یعنی در حالتی که اتم تحریک نشده و اتم از یک مدار الکترونیکی  تشکیل شده است (n -1   ) در این صورت شعاع اتم برابر می شود با :

                                                                         

این بدان معناست که ابعاد اتم  محاسبه شده از روی فرمول بور(     ) با آنچه نظریه سینتیک  گازها پیش بینی کرده بود، تطبیق می کند. و سرانجام نظریه بور تشریح می کند که چگونگی خواص طیف خطی به ساختمان درونی اتم مربوط است .و این  ارتباط به وسیله همان ثابت پلانک (h) جامه عمل می پوشد این دیگر غیر منتظره بود، ثابت کوانتومومی h که در نظریه تشعشعات دمایی ظهور کرده بود. هرگز احتمال نمی رفت که با اتمها و اشعه پخش شده از اتمها رابطه داشته باشدو از همین جا بود که مکانیک کوانتومی به وسیله تئوری بور جانشین مکانیک کلاسیک گردید.

بوربا خود اندیشیده بود. که اگر حرکت الکترونهای اتم و نور نشر شده ، هر دو ، کوانتومی باشند، پس انتقال یک الکترون از سطح کوانترم بیشتر به سطح کوانترم کمتر در یک اتم باید همراه باشد با نشر کوانترم کمتر در یک اتم باید همراه باشد با نشر کوانترم نوری که در آن hv برابر است با اختلاف انرژی میان دو سطح . به عبارت دیگر مقدار انرژی کوانتومی که به الکترون می دهیم تا به مدار بالاتری برود، الکترون، همان انرژی را به هنگام بازگشت به مدار سابقش از خود تشعشع می نماید: انگیزه بازگشت  الکترون به مدار سابقش نیز به دلیل وجود نیروی  جاذبه  هسته اتم می باشد.

با توجه به روابط زیر:

1-                 انتقال الکترون از مدارهای دیگر به مدار اول= ایجاد خطوط سری های لیمان در طیف

2-                 انتقال الکترون از دیگر مدارهای به مدار دوم= ایجاد خطوط  سرهای بالمر در طیف

3-                 انتقال الکترون از دیگر مدارها به مدار سوم = ایجاد خطوط سری های پاشن در طیف

4-                 انتقال الکترون از دیگر مدارها به مدار چهارم = ایجاد خطوط سرهای پفوند در طیف

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

بور نشان داد که طیف، بیوگرافی اتم، و در واقع بیوگرافی الکترونهاست ، اگر درجه حرارت عناصر را افزایش دهیم، الکترون ، زمان بسیار کمی در مدارهای داخلی می ماند، و اتم در حالت تحریک قرار می گیرد. در چنین شرایطی ؛ در هر ثانیه میلیونها فوتون صادر می شود و با افزایش درجه حرارت ، مقدار آنها تصاعدی افزایش می یابد. ( قانون استفان –بولتزمان) البته نه تنها  تعداد فوتونها در حال افزایش است ، بلکه فاصله پرش الکترونهها نیز بیشتر می شود. پرشهای  کوتاه اولیه ، جای خویش را به پرشهای بزرگتر داده و وقتی  الکترونها مدارهای اخیر را ترک می کنند؛ فوتونهای شدیدتری تولید می گردد. هر اندازه انرژی فوتون بیشتر باشد فرکانس آن بالاتر و طول موجش کوتاهتر می شود و در این صورت نور تابشی  متمایل به ناحیه بنفش خواهد بود ( قانون وین)

 

نارساییهای مدل اتمی بور

« فیزیک کلاسیک می توانست درخشندگی خطوط طیف را محاسبه کند، ولی نمی توانست دلیلی برای منشا آن بیابد. تئوری بور قادر بود که منشا خطوط طیف را تشریح کند، ولی نمی توانست شدت خطوط طیف را بدست دهد. از اینرو بور نتیجه گرفت که دو  تئوری  را در مناطقی که کم و بیش باهم موافقند یعنی در ناحیه طول موج بلند ، باید باهم به کاربرد که این بیان به اصل تطابق بور معروف شده است.

اصل تطابق که نخستین  بار در سال 1916 از سوی بور مطرح شده است، هدفش ایجاد پلی میان پدیده های گسسته  میکروفیزیک ( مانند فرو پاشی) که از سوی فیزیک کوانتومی بیان شده است از یک طرف، و پدیده های در ظاهر پیوسته در سطح ماکروسکوپیک ( مانند احتراق ) از طرف دیگر است که فیزیک کلاسیک همچنان یک وسیله بررسی مناسبی  به شمار می آید، حال آنکه اگر بخواهیم به درون اتمها راه یابیم ،؛ آنگاه باید به اجبار دیدگاه خود  تغییر دهیم و عینک کوانتومی به چشم گذاریم.

اما ویلیام براگ (1942-1862) ، دانشمند انگلیسی در پی اعتراض به اصل تطابق بور اعلام  می کند که : « اصل تطابق بور ماننند آن است که در روزهای زوج هفته ، مذهب کلاسیک ، و در روزهای فرد هفته مذهب کوانتیک را تبلیغ کنیم در این صورت دانش به دو خدا معتقد می شود، که این خود دلیلی است بر نارسایی تئوری بور»

« تئوری بور برای طیف هیدروژن و طیف اتمهایی که آخرین لایه آنها تک الکترونی است بسیار موفق بود، اما در مورد  اتمهایی که در آخرین لایه الکترونی خود، دو یا بیش از دو الکترون دارند ، میان تئوری و آزمایش آنها اختلاف دیده می شد. آزمایش همچنین نشان میدهد که وقتی نمونه ای از یک عنصر در میدان الکتریکی و یا میدان مغناطیسی قرار می گیرد، در طیف خطی آن خطوط اضافی پیدا می شود برای مثال  در یک میدان مغناطیسی هر خط معمولی طیف به چند خط باریکتر تجزیه می گردد. ولی تئوری بور نمی تواند به طور کمی علت این تجریه را توجیه کند.

 

 

 

 

 

 

 تکامل تئوری بور

آرنولود یوهان ویلهلم زمر فلد (1951-1868)، یکی از استادان آلمانی در پی اطلاع از مدل بور و مدارهای دایروی متحد المرکز او با خود گفت: اگر اتم شبیه به منظومه شمسی است ، پس الکترونها در چنین سیستمی نه تنها در مدارهای دایره شکل ، بلکه باید در مدارهای بیضی شکل نیز در حال چرخش باشند.

چون در روی یک مدار بیضی شکل ، سرعت الکترون نمی تواند ثابت باشد. باعث تعییرات انرژی جنبشی می گردد، که این تغییرات نیز می بایستی کوانتیکی باشند. در نتیجه، برای الکترون تنها بعضی از مدارهای بیضی شکل مجاز می گردند. وبه این ترتیب دومین عدد کوانتایی بوجود می آید. که گشتاور زوایه ای (L) نام دارد.

این عدد در حقیقت ضریب بیضی بودن مدار را تعیین می کند. به این معنی که با مفروض بودن (n) پهنای مدارات بیضی آن چنان خواهد بود که عدد مداری کوانتومی (L) بتواند اعداد صحیح از صفر تا (n-1)  را بپذیرد ، برای مثال اگر (3n-) باشد ، مدار اتم دارای (L) های 0و1و2 می شود

به عبارت دیگر با در نظر داشتن نظریه نسبیت آینشتاین، چنین به نظر می رسد که انرژی الکترونها در بیضی های مختلف کمی باهم تفاوت دارند. به همین جهت هم ، باید سطح انرژی در اتم را با دو عدد کوانتومی (n) و (L)  شمار ه بندی کرد . وبه همین دلیل هم با خطوط طیفی حاصل از گذار الکترونها از سطوحی با (n) های گوناگون باید دارای ساختار ظریفی باشد ، یعنی به چند خط ظریفتر تجزیه شده باشد.

فردریک پاشن بنابر به خواهش زمر فلد این نتیجه تئوری را آزمود ، و تایید کرد که برای مثال خط هلیوم  که مطابقت دارد با گذار سطح n-4 به سطح n=3 در حقیقت از 13 خط بسیار نزدیک به هم تشکیل شده است. به عبارت دیگر ثابت شد که هر مدار یا سطح انرژی الکترونی ازلایه های انرژی مختلفی تشکیل یافته است . برای هر لایه فرعی نیز اسمی خاص در نظر گرفته شد. مانندL=0 یا S ، L=1 ، 2S= ، و 3L= یا F

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ولی حتی این عدد کوانتومی n و L هم نتوانستند همه ویژگیهای طیف را توضیح دهند برای نمونه اگر اتم تشعشع کننده ای را در میدان مغناطیسی قرار دهیم ، آن وقت خطوط طیف به کلی طور دیگری تقسیم می شوند. ( در سال 1896 پیتر زیمان نیز تجزیه خطوط طیفی را در میدان مغناطیسی مشاهده کرده بود.)

فیزیکدانان برای توجیه این مسئله به این نتیجه رسیدنند که ، می توان یک الکترون را با گشتاور زاویه ای مربوطه اش شبیه جریان الکتریکی که در حلقه های سیم پیچ موتور الکتریکی جریان دارد، مجسم نمود. چون جریان الکتریکی در داخل حلقه ، تولید میدان مغناطیسی می کند. لذا می توان گفت: حرکت الکترون در یک مدار مسدود نیز میدان مغناطیسی می نماید. مقدار ( m) مشخص کننده این میدان است وچون ( m) حاصل از گشتاور زاویه ای الکترون است لذا مقادیر مجاز آن مربوط به ارزش عدد کوانتومی گشتاور زاویه ای ( L) می باشد سرانجام ( m) را عدد مغناطیسی کوانتومی نامیدند تئوری و تجرهب نشان میددهد که ( m) می تواند کلیه مقادیر عددی کامل از (L -) تا ( L)به انضمام صفر را داشته باشد. برای مثال اگر       باشد m های آن (2-و1- و0و1و2) می شود.

کم کم مدل اتمی بور ازحالت ساده اولیه دور می شد. اعداد کوانتومی n,L, m معین کننده مدارهای ثابت اتمی هستند که به طور مجزا و منفرد مشخص شده اند ومیدانهای خارجی نظیر الکتریکی و مغناطیسی روی حرکت الکترونهای اتم تاثیر می گذارند ( تجزیه سطوح انرژی )، و این بلافاصله روی ساختار پرتو نوری که اتم پخش می کند ثاثیر می گذارند.      ( تجزیه سطوح انرژی )، و این بلافاصله روی ساختار پرتو نوری که اتم پخش می کند تاثیر می نماید. (تجزیه خطوط طیفی )

پرسش بعدی این بود که چرا خط D سدیم حتی در صورت عدم وجود میدان مغناطیسی باز هم از دو خط بسیار به هم نزدیک D  و D مرکب می باشد؟

تفکرات یکی از شاگردان زمر فلد به نام ولفگان پائولی فیزیکدان سوئیسی (1985-1900) در مورد این مسئله سرانجام  درسال 1924 به کشف اسپین الکترون منجر شد. اسپین در لغت انگلیسی به مفهوم  دوک وئ چرخیدن است که در اینجا به مفهوم گشتاور دورانی یک ذره به دور خودش بحساب می آید . پائولی با خود اندیشید که هر دو خط D و D  با گذار همانندی از سطح به سطح مطابقت دارند.(شکل 11-2 )

 

 

 

 

 

 

 

اما با این همه آنها دو گانه هستند. پس باید یک سطح، دو سطح فوقانی    وجود داشته باشد. و به علاوه نوعی عدد تکمیلی کوانتومی به نام عدد کوانتومی اسپین می بایستی آنها را از بقیه متمایز گرداند. او فرض کرد که اسپین الکترونها فقط می تواند دو مقدار       را قبول کند. ( زیرا الکترون در دو جهت مختلف می تواند به دو خود بچرخد.

از نظر پائولی تصور عینی این خواص غیر ممکن است اما سال بعد جورج یوجین اولنبک (1974-1900) و ساموئل آبراهم گوداشمیت ( متولد 1902) که هر دو هلندی بودند ، مدل عینی برای توضیح این خاصیت الکترون را پیدا کردند. فرض آنها این بود که الکترون حول محور خودن می چرخد. چنین مدلی نتیجه مستقیم تشابه موجود بین اتم و منظومه شمسی بود. زیرا زمین تنها بر روی مدار بیضوی  خود به دور خورشید می چرخد ، بلکه حول محور خود هم می گردد. با این فرق که الکترون بر خلاف زمین می تواند در دو جهت چپ و راست به دور محور خود بچرخد.و این تشابه را کمپتون در سال 1921 و گرونیک در سال 1923 یاد آور شده بودند. ولی پائولی با تشبیه آنان مخالفت داشت.

به هر حال با توجه به این نکته که الکترون دارای بار الکتریکی است. گردش آن در دو جهت مخالف مطابق شکل 11-3 باعث پیدایش قطبهای مغناطیسی و در نتیجه موجب نیروی جاذبه میان آنها می گردد. این نیروی ربایش مغناطیسی ، تا حدوی نیروی رانش الکتریکی میان الکترونها  را جبران می کند در ترسیم ترازهای انرژی جفت الکترون یک اربیتال را به وسیله دو فلش موازی و مختلف الجهت    نشان می دهند.

 

 

حال دیگر همه چیز در سر جای خود قرار گرفته بود. انرژی  S 3 در اتم سدیم تغییری نمی کند چون با گشتاور 0=L تطبیق می کند، اما سطح P 3 به دو سطح مختلف انرژی تجزیه می شود. و به همین دلیل هم به جای دو خط ، نزدیک به هم مشاهده می کنیم.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

اصل ممانعت پائولی

مطابق اصل ممعانت پائولی ، در اتم دو الکترون نمی تواند همه اعداد کوانتایشان یعنی تمام n,l,s,m آنها یکی باشد، و می بایستی حداقل در یکی از آنها چهار عدد باهم اختلاف داشته باشند. وبه این ترتیب بود که پائولی توانست  ساختمان درونی عناصر را بر حسب طرز پر شدن پوسته های الکترونی آنها توضیح بدهد.

بر خطوط طیفی همان گذشت که بر هیروگلیفهای مصری گذشت . به این معنی که تا زمانی که آنها را می خواندند، آنها فقط برای هیرو گلیفهای و طیفها گشوده شد برای همگان جالب شدند.

طیفهای قابل رؤیت اتمها نتیجه جابجایی الکترونهایی است که پیوند آنها نسبت به سایرین سست تر می باشد. ولی در هنگام بیشترین تحریک الکتریکی ؛ از اتمها ، اشعه ایکس منتشر می شود، پرتوهایی با انرژی زیاد که حاصل جابجایی  الکترونهای نزدیک به هسته می باشند. هنگایمکه اند فلزی را به وسیله الکترونهای پرشتاب بمباران می کنند. اشعه ایکسی که از آند منتشرمی گردد. مشخص کننده عنصر تشکیل دهنده آند می باشد. به همین دلیل در سال 1912 هنری موزلی (1915-1887)از اهالی انگلستان ؛ که از شاگردان را ترفورد بود به دنبال تشکیل طیف اشعه ایکس برای کلیه عناصر، متوجه شد که:

1-                 هر عنصری طیف مخصوص به خود دارد.

2-                 فرکانس پرتو ایکس متناسب با جرم اتمی عنصر به کار رفته در آند زیاد می شود. موزلی  با استفاده از مدلهای اتمی بور و راترفورد متوجه شدو که فرکانس پرتوایکس باید مشخص کننده بار هسته اتم نشر دهنده باشد. بنابراین ، او توانست نتایج آزمایشهای خود را در یک فرمول تجربی ، بگنجاند، یعنی :     در این فرمول B و C برای کلیه عناصر، مقادیر ثابتی هستند ، Z عدد صحیحی  است که مقدارش به تدریج در جدول تناوبی و یا به عبارت دیگر تعداد بارهای مثبت هسته اتم است. در نهایت موزلی به این نتیجه رسید که کلیه خواص اصلی شیمیایی یک اتم  به دلیل اتمی آن است نه جرم مربوطه اش ، و این یعنی فهم عمیقتری از جدول مندلیف به کمک مدل منظومه شمسی ، بسیاری از خواص الکترونها در اتم و همچنین رفتار مواد گوناگون قابل توجیه بود. ولی به مرور زمان پرسشهای بی پاسخی نیز پدیدار شدند.واقعیت این است که تعیین محل دقیق الکترون در یک اتم از نظر تجربی امکان ندارد، و فقط می توان راجع به احتمال حضور الکترون در ناحیه معینی از فضا در اطراف هسته صحبت کرد. چنین ناحیه ای از فضا، اربیتال نام دارد. به عبارت دیگر اربیتال فضایی است در اطراف هسته ، که بیشترین احتمال حضور الکترون را دارا می باشد. و چون تراکم نقاط  احتمال وجود الکترون  به صورت ابری در می آید ، به جای مدارات دایره وبیضی شکل از مدل ابر الکترونی استفاده می کنند.

 

 

 

 

 

 

به دنبال این مطلب به جای ترازهای انرژی f,d,p,s  می توان از اربیتالهای f,d,p,s  سخن به میان آورد. آزمایش  و تحقیق نشان میدهد که حداکثر گنجانش هر اربیتال اتمی فقط دو التکرون با اسپینهای      می باشد.و در نتیجه تراز  انرژی s شامل یک اربیتال ، تراز انرژی p شامل سه اربیتال ، تراز انرژی d شامل پنج اربیتال و سرانجام تراز انرژی f شامل هفت اربیتال می شوند.

در اتم لیتیوم با توجه  به تفاوت قابل توجه انرژی یونیزاسیون آخرین سطح نسبت به الکترونهای سطح قبلی ، ابر الکترونی s 2 فاصله بیشتری تا هسته خواهد داشت. این ابر نیز چون وابسته به الکترون s است ، به طوری کروی و متقارن در طول هسته قرار         می گیرد.

 

 

 

 

 

اربیتالهای p کروی نیستند ، بلکه هریک از آنها به شکل دمبل می باشد. سه اربیتال p را می توان در امتداد سه محور فضایی  Z  وY وX  که بر یکدیگر عمود هستند نشان داد هریک از دمبلها نمایشگر اربیتالی است که ممکن است شامل دیک دو الکترون باشد.

 

 

 

 

 

 

 

 

محل  تلاقی این سه محور نیز بر هسته منطبق است. به این ترتیب تراکم الکترونی مربوط به هر یک از اربیتالهای P در هسته اتم، صفر می شود.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

مدل اتمی دو بروی

اگرچه تئوری بور توانست طیف اتمهای تک الکترونی ( در اخرین لایه ) را توجیه کند. با این همه قادر به توجیه صحیحی از طیف عناصر عناصر چند الکترونی نبود. در سالهای 1920 فیزیک نظری با دو اشکال مهم مواجه بود یکی مسئله طبیعت نور و دیگر یکوانتیزه بودن انرژی ، لذا  تدوین مکانیک جدیدی که قادر به بیان مسئله ذره و موج، و نمایش کوانتیکی انرژی به صورت یک اصل اساسی باشد. بسیار ضروری نظر می رسید.

اولین گام در مورد پیدایش مکانیک موجی جدید توسط لویی دو بروی فرانسوی (1960-1892) در سال 1924 برداشته شد و مدتها بود که فیزکدانان عقیده داشتند که پرتوههای الکترومانیتیک عبارات از پدیده های موجی مطلق . اما آینشتاین خاطر نشان کرد که در بعضی آزمایشها این موجهای الکترومغناطیسی خاصیت ذره ای نیز از خود نشان می دهند.

آرتور کمپتون ( کامپتون) (1954-1829) اسبتاد دانشگاه شکیاگو نیز در سال 1923 طی آزمایشی ثابت کرد که پراگندگی اشعه ایکس بر الکترونها هیچ شباهتی به پراکندگی  امواج دریا نداشته و برعکس درست تصادم دوگوی بیلیارد را بخاطر می آورد، که یکی الکترون با جرم m و دیگری کوانتوم نور با انرژی   می باشد.

یک سیم یکپارچه به انواع و اقسام زیادی می تواند به نوسان در آید.، اما همواره در طول سیم ، عدد صحیح نیمه طول موج (   ) جای می گیرد. دوبروی نیز با توجه به این مطلب مدار الکترون را به شکل سیم نوسان کننده تجسم کرد که به صورت حلقه ای بسته در آمده باشد.

 

 

 

 

 

 

چون در سیم حلقوی ، حداقل یک موج کامل () جای می گیردو. نه نیمه موجی  (  ) که در سیم صاف وجود دارد، به این ترتیب حرکت الکترون فقط وقتی پایدار خواهد بود که در طول مدار عدد صحیح n ( موج الکترونی )  جای گیرد. یعنی

دربروی این شرط را با اصل اول بور مقایسه کرد. یعنی : () و از اینجا طول موج الکترون را بدست آورد: () با تکیه به روابط اینشتایق و پلانک در مورد انرژی و فرکانس یک فوتون نیز می توان به معادله دو بروی دست یافت.

(1)          (2)      (3) و (4)

این معادله رابطه بین طول موج و مقدار حرکت یک فوتون را تشریح می کند. دو بروی اظهار داشت که می توان  به کلیه ذراتی که دارای مقدار حرکت p=mv  می باشند طول موجی را مطابق  فرمول بالا نسبت داد.

دوبروی همچنین عقیده  داشت که حرکت الکترون و دیگر ذرات مادی توسط موجهایی هدایت می شود که همراه با ماده در فضا انتشار می یابد. اگر چنین  باشد، مدارهای کوانتومی برگزیده در مدل اتمی بور می توانند همچون مدارهایی تعبیر شوند. که طول آن مدارها شامل تعداد صحیحی از این موجهای حامل باشد برای مثال یک موج در نخستین مدار کوانتومی و دو موج در مدار دوم .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

مطابق فرمول دوبروی ، هرچه جرم و سرعت ذره بیشتر باشد طول موجش کوتاهتر می شود. .چون طول موج دو بروی برای الکترون در حدود     سانتی متر پیش بینی می شد ، که در حدود طول موج اشعه ایکس است ) برای تحقیق در اینکه آیا امواجی با الکترونها همراهند یا نه ؛ می توان از تکینک پراش اشعه ایکس استفاده کرد. بنابراین هنگامی که یک دسته الکترون به یک شبکه کریستالی ، تابانده می شود. برحسب قاعده باید انکسار پیدا نماید . واین موضوعی است که برای اولین بار در سال 1927 (یعنی سه سال بعد از نشر نظریات دوبروی ) توسط دانشمندان آمریکایی به نامهای کلینیتون ژوزف دیویسون (1985-1881) و لسترهالبرژرمر ( متولد 18963) آشکار، و سرانجام به عمومیت دادن فرضیه دوبروی و پیدایش مکانیک موجی منجر گشت.

جرج پاچت تامسون (1975-1892) پسر جوزف تامسون نیز توانست تصویری بسیار عالی از پراش الکترونها را بدست آورد، که به طور حتم پراش اشعه ایکس را بخاطر می آورد. این دیگر حادثه جالبی بود:   تامسون بدر ثابت کرد که الکترون یک ذره است، و پس از سی سال پسرش ثابت کرد که الکترون موج است.

 

 

 

 

 

 

 

در نهایت پذیرفته شد. که هر ذره ای از جمله  الکترون و فوتون دارای طبیعت دو گانه موج ذره می باشد ، که در بعضی از آزمایشها خواص موجی بودن و در برخی دیگر خواص ذره ای ان ظاهر می شود. بدین ترتیب بود که مفهموم موج – ذره بوجود آمد.

فیزیکدانان در این مرحله از تاریخ تکامل علم فیزیک ، سه نوع موج را در طبیعت شناخته و به شرح زیر طبقه بندی نمودند:

2-امواج  الکترومغناطیسی  مانند امواج نوری  که محیط مادی باعث کندتر شدن سرعت انها می شود و در نتیجه این گونه امواج در خلاء براحتی عبور می کنند.

موج دوبروی  یا موج منتسب به ماده ، که نه مکانیکی است ( چون در خلاء مطلق می تواند وجود داشته باشد.) و نه الکترو مغناطیسی است ( زیرا دارای بار الکتریکی نیست.

براساس فرضیه دوبروی که تئوری موج وماده نیز نام دارد: ماده تا وقتی که ساکن است از استقلال خاص خود برخور است . ولی وقتی به حرکت در آید موجودی به نام منتسب به ماده از عدم ، بیرون می جهد و به وی می پیوندد. و تا زمانیکه ماده در حال حرکت است موج نیز وی را تعقیب و هدایت می کند.

برای ارزیابی و آشنایی  بیشتر در مورد طول موج امواج دوبروی کره زمین و الکترون را در نظر می گیریم . اگر جرم کره زمین    ، و سرعتش به دور خورشید  سانتی متر بر ثانیه باشد، طول موج ، موج منتسب به زمین برابر می شود با :    

                                                      سانتیمتر        

و این طول بسیار کوچکی است که دستگاههای اندازه گیری  فعلی از ضبط آن عاجزند . اکنون یک الکترون را در نظر می گیریم . جرمش حدودگرم است . اگر الکترون در میدان الکتریک، به اختلاف  پتاسیل یک ولت حرکت کنند. سرعتی برابر  سانتیمتر بر ثانیه  خواهد داشت و از انجا، طول موج ، موج منتسب به الکترون خواهد بود.

و این بار وضع تفاوت زیادی کرده است زیرا سانتی متر تقریباً طول موج اشعه ایکس است ، که فیزیکدانان بسادگی قادر به ضبط و ثبت آن هستند.

 

 

مدل اتمی ها یزنبرگ

فیزکدانان می دانستند که الکترون بر هسته سقوط نمی کند. و تا وقتی که تحریک نشده باشد. تشعشع نیز نمی نماید. تمام اینها بقدری غیر عادی بود که به عقل نمی گنجید، زیرا الکترنئ که از الکترود الکترو دینامیک منشاء گرفته بود، حالا یک مرتبه از تحت نظارت قوانین آن سرباز می زد.

ورنر کارل هایزنبرگ (1966-1901) از شاگردان زمر فلد در بهار سال 1925 بنا به دعوت بور ، از مونیخ به کپنهاک رفت و مانند دیگران در فکر این بود که چرا الکترون از قوانین الکترو دینامیک پیروی نمی کند.

هایزنبرگ  فکر کرد.نمی توان حرکت الکترونها در اتم را همچون  حرکت گوی کوچکی در مسیرش پنداشت . پس در این صورت تلاش  برای پیدا کردن مسیر الکترون در اتم؛ به مفهوم طرح پرسشی  غیر قانونی از طبیعت است . مانند پرسشهایی نظیر اینکه کره زمین بر روی چه چیزی متکی است؟ یا انتهای کره زمین کجاست؟

طرح بور درباره اینکه بر الکترون در لحظه جهش و یا در حال پرواز بین دو حالت ثابت چه می گذرد. چیزی نمی گوید، و و تا هر به حال نیز همه از روی معادلات الکترو دینامیک سعی داشتند یک مسیر فرضی برای الکترون در اتم بیابند ، که همواره تابع زمان باشد . در نتیجه  به

مواضع مشخص الکترونها در لحظات زمانی .... ردیف    را نسبت می دانند.

هایزنبرگ معتقد شد که چنین مسیری در اتم وجود ندارد . و به جای منحنی پیوسته  یک دسته اعداد منفصل  وجود دارد که تعداد آن وابسته به شمارهn  و k آغاز و پایان حالت الکترون می باشد. همان طور که قواعد و مقررات شطرنج با قوانین مکانیک بستگی ندارد،در مورد حرکت الکترون نیز احتیاجی به مفهوم مسیر نیست. یعنی حالت اتم را می توان بسان صفحه شطرنج بی حد و حصری در نظر گرفت که در هر خانه آن عدد نوشته شده است. بدیهی است که مقدار این اعداد بستگی به موقعیت آن خانه ها در صفحه شطرنج اتمی دارد یعنی به شماره n یا ردیفهای افقی (حالت ابتداییه ) و شماره k یا ستونهای عمودی (حالت پایانی ) که در محل تقاطع آنها شماره Xnk قرار دارد.

 

 

 

 

 

بزودی با کمک ماکس بورن (1970-1882)و پاسکوال یوردان (جردان) توانستند بفهمند که اعداد  یک جدول سادهای نبوده بلکه یک ماتریس است. ماتریس ، جدولی است از نوع اعداد که برای آنها عملیات جمع و ضرب کاملاً معینی وجود دارد .برای مثال حاصلضرب دوماتریس بستگی به ترتیبی که آنها ضرب می شوند دارد و   برابر نیست .

البته ریاضییدانان مدتها قبل از هایزنبرگ از ماتریسها اطلاع داشتند و می توانستند با آنها کار کنند، اما خدمت هایزنبرگ و همچنین بورن در آن بود که آنها سد روانی را در هم شگستند و با جسارت ، اندیشه توافق بین خواص ماتریسها و حرکت الکترونها در اتم را پیدا کردند و بدین شکل مکانیک نوین در برابر هر یک از ویژگیهای الکترون یعنی مختصات X،تکان p(mv) و انرزی E یک ماتریس موافق آن قرار داده می شود،

هایزنبرگ حتی یک چیزی هم زیادتر ثابت نمود؛ او روشن ساخت که ماتریس های مکانیکی کوانتایی مختصات  x و دامنه عموما ماتریس نیستند، به غیر از فقط برخی از آنها که از تناسب جابجایی (کموتاسیونی ) پیروی می کنند. یعنی :

که در آن     و می باشد .همچنان هایز نبرگ هم از مجموعه تمام ماترسیها فقط مکانیکی کوانتایی را انتخاب کرد.

پائولی که در 21 ماه 1925 گفته بود: فیزیک دوباره به بن بست افتاده و حداقل برای من فوق العاده مشکل است و ومن ترجیح میدهم که دلقک سینما و یا چیزی شبیه به آن بودم  و چیزی از فیزیک به گوشم نمی خورد. ت در نهم ماه اکتبر  همان سال نوشت:  «مکانیک ها هایزنبرگ سرود زندگی و امید را به من بازگرداند اگر چه حل معماها را بدست نمی دهد؛ یا این همه ؛ بر این باور هستم که اکنون می توان دوباره به پیش رفت .« در سال 1927 هایزنبرگ حدس زد که دو مفهوم  ذره و موج را لااقل می توان در مورد اتم بخوبی بکاربرد، اما تعیین خصوصیات انها فقط جداگانه امکان دارد.

اصل عدم قطعیت هایزنبرگ

اگر قصد تعیین وضعیت ( x  ) و یا محاسبه سرعت اکترون (  v) را داشته باشیم می بایستی از پرتوهای نوری جهت تعیین وضعیت الکتروئن استفاده کنیم، اما با توجه به قانون بقا مقدار حرکت یعنی () در چنین شرایطی به محض برخورد فوتونهای اشعه گاما به الکترون به گوشه دور دستی پرتاب می شود. بنابراین در عمل تعیین وضعیت الکترون ؛ دقت عمل برابر با () می باشد، یعنی برابر با طول موج نور استفاده شده. اگر در تعیین وضعیت الکترون (x ) از پروتوهای نورانی که طول موج آنها بسیار کوچک است  . استفاده کنیم ؛ دقت عمل ، زیاد می شود ولی در همین زمان خواه ناخواه مقدار حرکت الکترون (  mv) را تغییر داده ایم.

« به کمک یک فوتون می توان وضعیت (x  ) الکترون را تشخیص داد. این فوتون اگر دارای طول موج    باشد مقدار حرکتش برابر است با:      و چون      پس    از طرفی در برخورد فوتون با الکترون یک قسمت  از این مقدار حرکت به الکترون عدم قطعیتی برابر  با      حاصل می شود . و چون در تعیین وضعیت الکترون دقت عمل برابر است با     لذا حاصل ضرب این دو عدم قطعیت برابر می شود. با  که از اینجا به تناسب عدم قطعیت هایزنبرگ می رسیم یعنی در فیزیک اتمی پدیده و مشاهده جدایی ناپذیرند . در حقیقت مشاهده نیز پدیده است و مسئله در این است که هم دستگاه و هم سوژه درکیک جهان دکوانتایی قرار دارند. و از ادین رو ثاتیرات متقابله آنها هم تابع قوانین کوانتایی است ویژگی اصلی پدیده های کوانتایی نیز همان انفصال و گسستگی آنهاست. تناسب عدم قطعیت هر قدر هم که نامفهموم به نظر آید، بالاخره یک نتیجه ساده دو آلیزم ذره ای – موجی سوژه های اتمی است . پس هر قدر ذره آهسته تر حرکت کند همان قدر طول موجش    زیادتر خواهد بود و همان قدر هم میزان اشتباه   کمتر خواهد شد . اما درست برای چنین ذره ای عدم قطعیت مختصات     خیلی بزرگ است . با تغییر سرعت ذره ما می توانیم    و یا     را تقلیل دهیم ، اما هرگز نمی توانیم  حاصلضرب آنها را تقلیل دهیم و در نتیجه رابطه عدم قطعیت ،گناه این بن بست جدید فیزیک کلاسیک را ؛هم  به گردن خصوصیات دستگاههای اندازه گیری می اندازد، هم به گردن خصوصیات موجی ذره ای خود الکترون.

نارساییهای تئوری هایزنبرگ

« بار الکتریکی ذرات را؛ که با کمک فرمول  هایزنبرگ ها محاسبه نمودند و یک ونیم برابر کمتر از میزان واقعی بار آنها شد. از طرفی فرمول ها هایزنبرگ  جرم ذرات را نیز بدرستی تعیین نمی کند. و بالاخره این تئوری هایزنبرگ و همچنین دیگر تئوریهای  معاصر او وجود داشت؛ همان عدم توجه به وجود میدان جاذبه نیوتنی است» ولی به هر حال ارزش کارهایزنبرگ در این بود که او بدون آنکه از قوانین حساب احتمالات که اداره کننده جریانات در اتم است ، چیزی بداند. ویژگیهای آنها را بخوبی احساس نموده و ماتریسهای خویش را بکار برد.

مدل اتمی شرودینگر

در اوخر سال  1925 یک فیزیکدان اتریشی به نام اروین شرودینگر (19961-1887) در مقاله ای از آبنشتاین جملاتی تحسین آمیز نسبت به فرضیه دو بروی مشاهده کرد . همین خود محرکی بود تا شرودینگر به فرضیه  دوبروی درباره امواج مادی معتقد گردد و آن را ترقی داده وبه پایان منطقی اش برساند.

با مقایسه فرمول دوبروی   با فرمول بور  معلوم می شود که قطر اتم تقریبا سه مرتبه کمتر موج الکترون است .  () اکنون آشکار می گردد که چرا تصور الکترونها به صورت ذارتی در دورن اتم غیر ممکنم است .زیرا در آن صورت باید اجازه داده شود که اتم از ذراتی بزرگتر از خویش تشکیل شده باشد. و همان طور هم که هایزنبرگ گفته بود مفهوم مسیر الکترون در اتم وجود ندارد. پس می توان نتیجه گرفت  که الکترونها در اتم وجود دارند، ولی نه به شکل ذرات بلکه به صورت نوع امواجی .

بنا به نظر شرودینگر طبیعت این امواج الکترونی هر چه باشد، حرکت آنها باید از معادله موجی تبعیت کند یعنی :                 که در آن    ( پسی ) معادله موج ؛   طول   موج a دامنه یا ارتفاع موج، و xمختصات موج نسبت به محور x هاست. حال اگر از طرفین

 

 

 

این عبارت ، رابطه شرودینگر را در مختصات یک بعدی نشان میدهد، که در آن m جرم الکترون ، h ثابت پلانک ، E انرژی کامل الکترون در اتم، V یا u(x) انرژی پتاسیل آن ذر اتم است که نشان می دهد الکترون با چه با نیرویی از فاصله x جذب هسته می شود، و x هم فاصله هسته از الکترون است.

پسی (    )تعریف بخصوصی ندارد ولی ربع قدر مطلق آن یعنی  یک اصطلاح ریاضی جهت پیدا کردن احتمال یک ذره است. یعنی عبارت است از احتمال وجود ذره متغیر از محلی به محل دیگر.

به عبارت دیگر آنچه که در مورد چگونگی حرکت از یک ذره امکان دارد که بدانیم، به شناسایی یک تابع ریاضی از مختصات و زمان منجر می شود یعنی :     این تابع را تابع موج ذره مورد نظر می نامند. مقدار  ، احتمال کل یافتن  بایستی برابر با یک باشد، این نوع تعییر احتمالی مستلزم این است که تابع موج از شرط  زیر پیروی کند.   با این شرط یدگر نمی توان از وجود یک الکترون در یک لحظه معین . و در نقطه بخصوصی  صحبت نمود. بلکه باید گفت احتمال یافتن آن در نقطه ای بیش از نقطه دیگر است. با این حساب می توان تصور نمود که الکترون  به صورت ابری پراکنده شده باشد. و دانسیته این ابر در هر نقطه ، احتمال وجود الکترون را در این نقطه نمایش         می دهد.

حل  معادله شرودینگر نشان می دهد که به ازای کلیه مقادیر (n ) اربیتالهایی که عدد کوانتایی (L ) آنها برابر صفر است (L=0 ) یعنی اربیتالهای (S) شکل آنها کروی بوده و هسته در مرکز این کره قرار دارد. احتمال وجود الکترون مثل بری کروی هسته را در شعاع مشخص و محدودس فرا گرفته است و. در مورد اربیتالهای P سطح      عبارت است از دو کره  شلجمی روی محوری قرینه که هسته در مرکز آن قرار دارد.

آنچه که بر این مدل اتمی شرودینگر ایراد گرفته اند، همانا فرض وجود چنین فضاهای موهومی برای الکترونهاست.

شرودینگر  در ابتدا نشان دادکه پایداری اتم را با قبول اینکه که الکترون  موج است نه ذره ، طبیعی تر می توان توضیح داد. این فرضیه با آزمایشات مستقیم دیویسون ، ژرمر وجورج  تامسون در مورد پیداکردن قابلیت پراش در الکترون بیشتر مورد تایید قرار می گرفت اما سرانجام شرودینگر در اوایل سال 1927 در برابر تضاد میان مکانیک ماتریسی ها هایزنبرگ از یک طرف و مکانیک موجی دوبروی و خودش از طرف دیگر به این مباحثات خاتمه داد و ثابت کرد که هر دو مکانیک موجی دوبروی خودش از طرف دیگر به این مباحثات خاتمه داد و ثابت کرد که هر دو مکانیک موجی دوبروی و خودش از طرف دیگر به این مباحثات خاتمه داد و ثابت کرد که هر دو مکانیک هم ارزهای ریاضی می باشند. و در نتیجه انها در عین حال هم ارزهای فیزیکی  نیز هستند یگانگی غیر عادی خاصیت موجی -ذره ای در فرمولهای بلانک  و دو بروی    نیز منعکس است زیرا انرژی (  E ) وجرم (m ) از خصوصیات ذره ، و فرکانس (v) وطول موج () از نشانه های جریان موجی است. یگانگی علتی که موجب می شود که تا ما در زندگی  روزمره خود متوجه  این دو گاننگی نشویم – همانا کوچکی ثابت پلانک یعنی  (ارگ بر ثانیه ) است.

به خاطر همین نکات بود که بور اصل متممیت یا اصل تکمیل خود را در سال 1927 بیان می نماید. مطابق این اصل اگر چه خواص ذره و موجی ذرات باهم متضادند ولی برای بیان کامل سوژه اتمی هر دوی انها به یکسان لازمند، از این رو آنها نه متناقض  بلکه مکمل و متمم یکدیگرند .سوژه  اتمی نه ذره است و نه موج و ذره نمی باشد. این یک چیز اتمی ، محسوس حواس پنجگانه نیز نمی باشد. فقط می توان آن را تا حدودی به آب دریا تشبیه کرد که خواص موج و ذره را باهم دارا است. بنا به عقیده عده ای ، بور اصل متممیت را نه از راه فیزیک بلکه از راه فلسفه  بدست آورده است. گویا اندیشه متممیت  را او تحت نه از او ثاتیر فیلسوف دانمارکی سورن کی یرکگارد (1855-1813) وضع نموده است.که چگونه است که ماده بیش از ضد ماده از حادثه بزرگ تولید شد؟ نظریات وحدت بزرگ ، در دماهاس بسیار بالا وجود مراحل بسیار آغازین را برای ذرات ایکس فوق  سنگین پیش بینی می کنند . این ذرات سپس به ذراتی  با جرم کمتر تباهی می یابند. ودر این کار می توانند آمیزه یکسانی از ماده (باریونها) و ضد ماده ( ضد باریونها) را تولید کنند. در زمانی دقیقاً              ثانیه  پس از حادثه بزرگ دما به سطحی تنزل می کند که در ان دیگر ذرات ایکس نمی توانند ساخته شوند، و عدم تقارن ناچیزی (باریون جفت نشده در هزار میلیوم جفت باریون – ضد باریون) برای همیشه در کیهان گشترش یابنده وارد می شود و در آن می ماند.

« هر مواجهه یک پروتون و یک ضد پروتون به نابودی هر دو می انجامد و تنها پروتونهای اضافی (یکی در هزار میلیون ) باقی می مانند . ما همه کهکشانها ، ستارگان سیارگان و موجودات زنده کیهان را به این عدم توازن ناچیز مرهون هستیم      ثانیه  پس از حادثه بزرگ تا زمان حال) جالب توجه است که همان نیروهایی که باعث تشکیل جهان هستند (عدم تقارن ماده – ضد ماده ) ان را به انقراض می رانند ( تباهی پروتون و از آنجا بی ثباتی ماده)

برحسب نظریات وحدت بزرگ ، اگر انرژی انفجار بزرگ از انرژی جاذبه کل عالم بیشتر و یا با آن مساوی باشد ، عالم به انبساط خود تا ابد ادامه میدهد. اگر انرژی  جاذبه بر انرژی انفجار بزرگ فزونی داشته باشد، ماده و عالم ، قابل انقباض اند.و تراکم مجدد ، آن ر به مرحله اولیه می رساند تا شاید با انفجار بزرگ دیگری ، عالم دیگری پدید آید. شگفت آور این است که در برآورد کل جرم تقریبی  کیهان ، این جرم را در حدی تخمین می زنند که در منطقه بحرانی بین این امکان قرار دارد. یعنی در ظاهر سرنوشت کیهان به مویی بسته است.

ذرات بنیادی

معلوم شده بود که تمامی مواد از مولکولها ، مولکولها از اتمها ، و اتمها نیز از پروتونها، نوترونها و الکترونها تشکیل شده اند اما خود ذرات اتمی از چه چیزی ترکیب شده اند ظاهراً از ذرات بنیادی  اما خو د این ذرات بنیادی چه هستند؟

بعدزاز کشف نوترون در سال 1932 ، کشف ضد الکترون در سال 1932 ، کشف مومزونها در سال 1937 و کشف پی مزونها در سال 1947 ، باتلر و روچستر ، دو پژوهشگر انگلیسی  ، در اشعه کیهانی رد ذره ای را یافتند که آن را لاندا (8 یا   ) نامیدند ؛ این ذره در حقیقت  اثری برجا نمی گذارد ؛، و به یک پیون منفی تجزیه می گردد.

سپس اشعه کا (k) و اعضای خانواده اش کشف گردیدند. این ذره به دو پیون مثبت و منفی تجزیه می شود. بدنبال ان در سال 1955 ضد پروتون ، در سال 1965 ضد نوترون و در سال 1960 نیز هیپرون آنتی سیگما بدست آمد.

با الهام از جدول مندلیف ، موری گلمان ( جلمان) آمریکایی و نی شی جیای ژاپنی در سال 1955  اولین تابلوی طبقه بندی شده ذرات بنیادی را ساختند . ولی این تابلو فقط یک جدول بندی  ساده ای بود که بر خلاف جدول مندلیف ، هیچ قانونی را منعکس نمی کرد.

گروهی معتقد بودند که سنگ بناهای اولیه با یکدیگر جمع می شوند. و نیروهای واکنشی میان آنها ، چون ملات و سیمان، آنها را بهم هم می چسباند، و ذره پیچیده تری را پدید می آورند، برای مثال فرمی و یا یانگ عقیده داشتند که مزونی از دو ذره تشکیل شده است (یعنی از نوکلئون و آنتی نوکلئون ) گروه سومی نیز معتقد بودند که در ساختمان هر ذره بنیادی ، نوکلئون (پروتون و نوترون ) وجود دارد . بنابراین نوکلئونها از همه ذرات بنیادی دیگر بنیادی ترند. فیزیکدان ژاپنی ، سی ایشی ساکاتا، معتقد بود که همه ذرات ، از نوکلئون و ذرات لاندا ساخته شده اند . فیزیکدان دیگر ، موریس گلدها ماده اولیه سازنده  عالم را مجموعه ای از نوکلئون و مزون کا (k) می دانست.

از نظر موری گلمان کلیه ذرات بنیادی در اصل از کوارک بوجود آمده اند گلمان کلمه کوارک را از یکی از داستانهای جیم جویس به نام عزای فینگان اقتباس کرده است ، از آنجا  که کلاغها می گویند : « سه کوارک برای آقای مارک » یا سه قار قار به افتخار آقای مارک»

بنا بر فرضیه مارکوف دانشمند روسی همه ذرات از نوکلئون و انتی نوکلئون  بوجود می آیند. که اگر این تعداد فرد باشد فریمونها ، و اگر این تعداد زوج باشد بوزنها پدید می آیند. کوشش مارکوف بر این بود که تعداد ذرات بنیادی  را تقلیل دهد ، ولی برخی مشکلات ریاضی و نتایج مغایری که در فیزیک هسته بدست آمد، سبب کنار گذاردن تئوری مارکوف گردید . در ژوئیه 1958 رابرت اپنهایمر پدر بمب اتمی آمریکا و ناظر ساخت اولین پیل اتمی ، بر چگونگی رده بندی ذرات بنیادی تجدید نظر کرد. به نظر وی ، می توان تعداد آنها را به شش ذره و میدان تقلیل داد. اما وی نیز نتوانست تئوری مقبولی در این باره خلق کند.

چندی پیش دانشمند روسی زلد ویچ اعلام نموده است که به نظر وی همه ذارت به غیر الکترون ، پوز موئون ، از ماده واحده ای به نام کوارک ساخته شده اند.

به هر حال هنوز کسی نتوانسته قانونی حاکم بر ذارت 0بنیادی بیابد، که در ضمن تصویری از ماده اولیه سازنده این ذ رات و عالم را نیز بدهد آنچه  که از این ذرات می دانیم بسیار کمتر از آن است که پاسخگوی همه پرسشهای ما باشد، و تئوریهای جدید ذرات بنیادی همگی د ارای کمبودهایی چند هستند.

اولیه نقض بزرگ آنها این است که ذرات بنیادی را مانند نقاط مادی در نظر می گیرند . یعنی چیزی عاری از حج و گسترش ، که در عین حال دارای جرم و دیگر خصوصیات اجسام مادی است همه کوششها برای دخالت دادن حجم ذرات در معادلات کوانتوم مکانیک با بن بست و تناقضاتی مواجه شده است، که از جمله می توان خصوصیات نسبی فضا وزمان را ذکر کرد. نمایش یک ذره همانند نقطه ای بی حجم و رضایتبخش نیست . زیرا ابعاد برخی از این ذرات چون پروتون اندازه گیری شده است. و ابعاد  ذرات را دیگر نمی توانیم صفر بگیریم نقض دیگر این تئوریها در این است  که نمی توانند بگویند چرا پارامترهای فیزیکی  ذرات باید همین مقادیری باشند ، که دارند، و چرا مقادیر دیگر نیست . برای مثال چرا جرم الکترون  گرم است و مقدار دیگری نیست و چرا دنیای ذرات ریز صحنه  واکنشهایی این چنین  است و از نوع دیگر نیست. به عبارت دیگر تئوری ذرات بنیادی قادر نیست پارامترهای  فیزیکی و واکنشهای مجاز و غیر مجاز را تقسیم بندی کند و جدا سازد.

سومین نقص اساسی این تئوریها ان است که ، تناقض موجود میان کوانتوم مکانیک و تئوری  نسیب را برطرف نمی سازند. هر چند که هر دو را نیز در حل مسائل و مشکلات بکار می گیرند.

کلونتوم مکانیک مرز مشخص  اجرایی در فضا و زمین ندارد ؛، و بعلاوه مسئله اتفاق و احتمال را می پذیرد ولی تئوری نسیت همه حوداث را به گذشته ، حال و آینده تقسیم می کند و از حوداثی که اینجا و انجا رخ می دهد سخن می گوید. و تنها بر حوادث الزامی تکیه می کند. اصول نسبیت  اتقاق را به کلی حذف می کنند. آیا همه این نقایض ناشی از این نیست که ما برخی از خصوصیات ماده اولیه را ، که از حوزه کوانتوم مکانیک خارج می شود. ندیده می گیریم . کسانی چون ژان پل ویژیه از فرانسه دیراک و هایزنبرگ تلاشهایی برای رفع این نقایض کرده اند و ولی تا کنون تئوری رضایت بخشی که همه جنبه های دنیای ذرات ریز ماده اولیه را در برگیرد، عرضه نشده است.

تاریخچه پژوهش در ذرات بنیادی را می توان به سه دوره تقسیم کرد:

1-                 دوره اول: که از سال 1897 تا سال 1932 طول کشید و با کشف الکترون، پرتون ، نوترون اثر فوتو الکتریک و اثر کامیتون همراه بود. در این دوره مکانیک کوانتومی و نظریه نسیت خصوصی بسط یافت.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2-                 دوره دوم : که از سال 1932 تا حدود سال 1960 طول کشید. در این مدت ذراتی کشف شدند که در ماده معمولی وجود نداشتند و اندک زمانی بعد از بوجود آمدن متلاشی می شدند، هرکدام از این ذرات ناپایدار و عمر متوسط معینی  بین    تا     ثانیه داشتند ذراتی که به این طریق کشف شدند شامل موئونها ، مزونهای پی وکا هیپرونهای لاندا وسیگما و کسی بودند . در این دوره پوزیترون و ضد پروتون نیز کشف شدند.

این ذرات  که وجودشان را نظریه کوانتومی نسبیتی دیراک پیش بینی کرده بود، خود به خود متلاشی نمی شوند، اما در جوار ماده ، به ترتیب با الکترون و پروتون ترکیب می شوند و ذرات سبکتری را بوجود می آورند تا سال 1960 در حدود 30 ذره شناخته شده بود.

3- در دوره سوم یعنی از سال 1960 تاکنون، تعداد ذرات بنیادی شناخته شده بسرعت افزایش یافته است. بیشتر این ذرات بسرعت و در مدتی کمتر از   ؟؟ ثانیه به ذرات دیگر تلاشی می یابند. ذره ای که با این سرعت متلاشی می شود چندان راهی نمی پیماید که از خود ردی بجا گذارد بنابراین برای اثبات وجود ان باید از چیزهایی دیگر استنباط گردد. این کار با مشاهده فراورده های تلاشی  انجام می گیرد با استفاده از قوانین بقای انرژی ذره فرضی ، که به این فراورده های تلاشی یافته است، تعیین می شود.

2- طبقه بندی از نظر جرم: که بر حسب سنگینتر شدن عبارتند از:

الف- لپتونها که از سبکترین ذرات بنیادی تشکیل شده اند و از جمله  ذرات این گروه می توان از الکترون ، پوزیترون ، نوترینو، آنتی نوترینو ، مومزون منفی و مومزون مثبت (موئون ) و.. نام برد.

ب- مزونها که دارای اجرامی متوسط هستند. که از جمله ذرات  این گروه می توان از پی مزون منفی ، ، پی مزون مثبت (پیون ) پی مزون خنثی ، کامزون منفی ، کامزون مثبت (کائون) ، کامزون خنثی و ضد کامزون خنثی  و... نام برد.

پ-باریونها یا ذرات سنگین که شامل ذراتی مانند پروتون ، ضد پروتون ، نوترون و ضد نوترون می باشد.

ت- هیپرونها یا ذرات بزرگ که ذرات این گروه شامل لاندای خنثی ، ضد لاندای خنثی ، سیگماهای مثبت و منفی و خنثی و ضد سیگماهای مثبت و خنثی ، کسی خنثی ، ضد کسی  خنثی منفی و ضد کسی منفی و..  می باشد.

 فوتون و گراویتون را که دارای جرم حالت سکون صفر هستند به طور معمول در هیچیک از گروههای نامبرده جای نمی د هند.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3- بوزونها و فرمیونها ، این طبقه بندی براساس رفتار ذرات بنیادی می باشد بوزونها ذراتی هستند که همزیستی با یکدیگر را دوست دارند و در هر حالت  کوانتیک میتوان به تعداد دلخواه از آنها پیدا کرد. اسپین  این ذرات برابر با حاصلضرب یک عدد صحیح  در  می باشد. فوتونها و مزونهای پی از جمله بوزونها محسوب می شوند . فرمیونها ذراتی هستند که آسپین انها برابر  با حاصضرب یک عدد فرد. نیمه در    است  فرمیونها بر خلاف بوزونها انزوا گرا وتک رواند . الکترون ، پروتون از این گروهند. وبه هیچ وجه حاضر به زندگی در کنار همجنسان خود نیستند. در هر حالت کوانتیک نیز تنها یک فرمیون  می توان یافت نه بیشتر . همان طور که گازها از مکانیک آماری ماکسول – بولتزمان = پیروی می کنند لوزونها از مکانیک آمار بوز خ آینشتاین،  و فرمیونها از مکانیک اماری فرمی دیراک متابعت می کنند .

فرمیونهای شناخته به دو دسته لپتونها و باریونها تقسیم می شوند. لپتونها ( مشتق از کلمه ای یونای به معنای سبک ) عبارتند از الکترون ؛ موئون  نوترینوی الکترون ، نوترینوی موئون ( و همچنین ضد ذره هایشان ) جرم لپتونها به طور نسبی کم و همگی دارای اسپین  هستند.

لپتونها دارای خاصیت بار مانند دیگری هستند که عدد لپتونی نامیده می شود. به این ترتیب که عدد لپتونی فرمیونها 1+  و عدد لپتونی ضد ذراتشان 1- است در هر واکنشی که لپتونها در آن شرکت  کنند، حاصل جمع جبری اعداد لپتونی باید ثابت بماند. ( قانون بقالپتونی ) ولی تا این همه عدد لپتونی منشائ هیچ کنش شناخته شده ای نیست . در سال 1961 بود که مطالعه درباره نوترینوها در آزمایشگاه بروکهیون توسط ملوین شوارتز و دیگران آغاز شد انها در سال 1962 نشان دادند که دو نوع نوتر بتو وجود دارد: یکی وابسته به موئون (نوتروینوی موئون ) ودیگری وابسته به الکترون (نوترینوی الکترون)

باربونها از جمله فرمیونهایی هستند که اسپین آنها برابر با حاصل ضرب عددی فرد- نیمه در ست و جرمشان برابر یا بیشتر از جرم پروتون است  ( باریون در لغت یونانی به معنای سنگین است) و پروتون از جمله ذرات این گروه محسوب می شوند.

اینکه چرا بار الکتریکی باریونها و لپتونها برابر  است یکی از پرسش های بی پاسخ فیزیک است. باریونها نیز خاصیت بار مانندی به نام عدد باریونی دارند. عدد باریونی برای باریونها 1+ و برای ضدباریونها 1- است ذرات دیگر هیچکدام عدد باریونی ندارد. کنشهای متقابل قوی موجب می شوند که باریونها بسرعت با یکدیگر تبدیل شوند. به همین دلیل مطالعه  کنشهای متقابل قوی از زمانی که نخستین شتابگر پر انرژی در 1952 ساخته شد تا کنون، از حوزه های مهم پژوهش فیزیک تجربی بوده است.

در مورد اسپین ذرات بنیادی باید گفت هر چند این ویژگی ذرات را به چرخش فرفره تشبیه می کنند ولی در این مورد نکاتی وجود دارد از جمله اینکه:

1-                 در فرفره یک سطح خارجی وجود دارد که حول محور فرفره می چرخد.

2-                 سرعت فرفره  متغیر است.

3-                 گشتاور مداری یا گشتاور جنبشی فرفره ثابت نیست.

اگر عامل خارجی قصد  کند که چگونگی حرکت ذرات بنیادی را تغییر دهد، ذره ، متلاشی و نابود می شود ولی تن به این کار نمی دهد هر چند کاشفین اسپین ، بسادگی آن را چرخش اختصاصی الکترون می دانستند اما از دیدگاه مکانیک کوانتا،  که الکترون را مانند یک نقطه  تصور می کند. محور یک نقطه مفهومی  نخواهد داشت. از این رو چرخش یک نقطه به دور خودش و یا روی خودتش نیز بی معنی می شود.

« اشکالی که پیش آمده ناشی از این حقیقت  است که راهی برای مشاهده اسپین وجود ندارد همان طوری که نتوانسته این تصویر قانع کننده ای از موج – ذره الکترون ویا ذره – موج فوتون بدست آوریم . وجود اسپین الکترون اتمی از اینجا روشن می شود که به گشتاور زوایه ای ناشی از حرکت الکترون به دور هسته ، مقداری را که وابسته به حرکت اختصاصی آن است می افزاییم . این مقدار بستگی به نزدیکی و دوری الکترون از هسته نداشته و برای یک الکترون آزاد یا وابسته تفاوتی ندارد و در واقع اسپین الکترون همیشه ثابت بوده و از الکترون  جدا ناشدنی است . همچنین باید دانست  واحد اسپین برای کلیه ذرات   انتخاب شده است.»

در دهه 1930 تا حدودی تصویر متفاوتی از ذرات بنیادی پدید آمده بود: در مجموع چهار ذره بنیادی در دو خانواده دوتایی وجود  داشت. الکترون و نوترینو که جفتی به نام لپتونها را تشکیل می دادند؛ و پروتون نیز که جفتی بنام هاردونها را به وجود می آورند.

از سال 1945 تا 1974 فیزیکدانان بیش از 100 نوع ذره یافتند که از کنش متقابل قوی متاثر می شدند ( از آن پس به این مجموعه عنوان هادرونها داده شد ) در حالیکه   فقط دو نمونه جدید لپیون (ذراتی همچون الکترون که نیروی قوی را احساس نمی کنند) کشف کرده بودند. این لپتونهای جدید عبارت بودند از : موئون (مومزون ) و یک نوترینوی دوم.

دانشمندان احساس کردند که انواع ذرات بقدری زیاد شده اندکه همه نمی توانند بنیادی باشند. در جریان مطالعه نیروی قوی ، الگوهایی  منظم در میان هادرونها پدیدار شد. این الگوها ، که به راه هشتگانه  معروفند. نقشی عمده در تحول بعدی درک فیزیکدانان از ذرات بنیادی ایفا کردند . در نهایت معلوم شد که هادرونها ذراتی به نام کوارک تشکیل شده اند. در نتیجه ذرات بنیادی عبارت شدند از لپیونها و کوارکها

« اکثریت عظیم هادرونها را می توان با فرض وجود فقط دو نوع کوارک یک کوارک بالا ((up   و یک کوارک پایین  فهمید برای مثال نوترون و پروتون به ترتیب عبارت می شوند از ddu ( دوکوارک d یک کوارک u ) uud

از خواص کوارکها این است که بار الکتریکی آنها در مورد کوارک u دو سوم  لار پروتون و در مورد کوارک d ، منهای یک سوم بار پروتون است»

هادرونهایی که قبل از 1974 کشف شدند و در این تصویر با کوارکهایی بالا و پایین نمی گنجیدند  خاصیت نامعمول دیگری داشتند که شگفتی نامیده می شود.

در اواخر دهه 1920 آزمایشگران نشانه هایی  بر وجود ذارتی یافتند که اگر چه در واکنشهای هسته قوی ایجاد شدند ، ولی به نظر می رسید که زمان تلاشی آنها را ذرات دیگر با استحاله های نیروی هسته ضعیف شده بودند.  این ذرات جدید را ذرات شگفت نام نهادند.

اما در سال 1974 که ذره نامتعارف دیگری به نام مزون (جی یایسی )توسط برتون ویچر کشف شد و معلوم شد که در حدود 1000 مرتبه زمانی که نظریات مندوال انتظار داشتند و دوام دلیل طول عمر  چنین فهمیده شد که این ذره حاوی یک کوارک و یک ضد کوارکی به نام کوارک دلبربایی است که دلربایی آنها برابر ولی مختلف العلامت می باشد این نام را، شلدن  گلاشو وجمیز بیورکن بر آن نهادند پیش از آن نیز آنان در نظریه تقارن کوارک – لیتونی خود به چاشنی کوارک چهارمی احتیاج داشتند.

معلوم شد که کوارکها قابل  به یکدیگرند . برای مثال در طی تبدیل نوتروم به پروتون یک کوارک d هنگامی که به کوارک u تبدیل می شودe   و vc نیز بوجود می آید.

 

 

 

همچنین  در هنگام تبدیل کوارکهای  دلربا یا (افسونگر )وشگفت انگیز به یکدیگر موئون و نوتوینوو نوترینوی نیز بوجود می آید. یعنی .

 

 

 

گویی طبیعت کوارکهای دلربا و شگفت انگیز نروتون و یا نوتربنی ان به صورت کپی هایی از کوارکهای بالا و پایین و الکترون نوترینوی ساخته است. به این جفتهای کوارک و لیتون به عنوان نسلهای ذرات بنیادی اشاره می شود. کوارکهای بالا و پایین الکترون و نوترینوی آن نسل الوندر و کوارکهای دلربا وشگفت انگیز موئون و نوترینوی این نسل دوم می باشد. در زمانی که فیزیکدانان هنوز نمی دانستند که چرا طبیعت خود را تکرار می کند، مارتین پرنل و همکارانش در سال 1975 در دانشگاه آمریکا نسل سومی از لپتونها را کشف کردند. این لپتونهای جدید ذره تاوه و نوترینوی مربوط به آن می باشند. تا و از پروتون سنگینتر است و از این رو نام لپتون به معنای سبک بر آن بی مسمی است به این دلیل  است که امروز اصطلاح لپتون را فقط برای مشخص ذراتی به کار می بریم.  که از نیروی قوی متاثر نمی شوند.  آیا در نسل سوم نظیری  نیز برای کوراکها وجود دارد؟ این از موارد عمده ای است که در حال حاضر فیزیکدانان سرگرم تحقیق بر روی آن هستند . کوارک پنجمی به نام ته یا پایین (bottom ) نیز  که بار آن منهای یک سوم است در سال 1977 کشف شد که نامزد اصلی نسل سوم کوارکهاست .

اگر براستی نسل سومی از کوارکها وجود داشته باشند، باید کوارک سر یا فوق( (Top با بار دو سوم ، که همزاد کوارک ( b )    است در انتظار آن باشد که کشف شود همانطور که مزونها به عنوان ماده ای چسبنده بین پروتونها و نوترونهای هسته به حساب می آیند ، بنا به فرض کوارکها نیز به وسیله ذره ای فرضی به نام گلوئون در کنار یکدیگر قرار می گیرند. این نام از واژه Glue) ) به معنای چسب، گرفته شده است . بنا این فوتونها به عنوان ذره حامل نیروی الکترومغناطیسی ذرات w و z به عنوان ذره گراویتون به عنوان حامل نیروی گرانشی شمرده می شوند.

 

 

 

 

 

 

 

 در هر نسل جرم کوارکهای b,s,d,..  و... بزرگتر از جرم لپتونهای باردار نظیرشان است . اما نسبت به انها با افزایش جرم ، کم می شود.

 

 

اگر این نظیریه درست باشد و اگر نسلهای دیگر کشف شوند. جرمهای لپتونها و کوارکها به هم نزدیک شده و سرانجام در جرمی در حدود    برابر جرمت پروتون ، اندازه جرم هایشان برابر می شود. در چنین مقیاسی  از جرم، گرانش وارد صحنه می شود. و کسی نمی داند. که آن وقت چه روی می دهد.

در حال حاضر برای هر کوارک سه حالت رنگی در نظر می گیرند . البته  این رنگها ارتباطی با رنگ عادی اجسام ندارد، و در واکنشهای الکترو مغناطیسی نقشی مشابه با بار الکتریکی  ایفا می کنند.

 درجمع بندی آخرین  نظریات اتمی می توان گفت که همه ذرات بنیادی جهان در دو گروه کوارکها و لپتونها طبقه بندی می شوند.

 

 

 

 

 

نیوتن با تئوری گرانشی خود فیزیک زمین و فیزیک فضائی را به هم ÷یوند داد. ماکسول به یکی بودن میدانهای الکتریکی و مغناطیسی پی برد و نور را نیز در این دو میدان جای داد. آینشتاین با کمک نسبیت خود مشابهت میدانهای الکترومغناطیسی و گرانشی را روشن ساخت. و سرانجام محمد عبدالسلام و جوگش پاتی فیزیکدان هندی حتی کوارکها و لیتونها را نیز ذرات بنیادی واقعی نمی دانند که اینها نیز از ذراتی به نام پریون تشکیل شده باشند.

آینشتاین در کتاب تکامل علم فیزیک می نویسید: هر پیشرفتی پرسشهای جدید را نیز همراه خود می آورد. و همراه هر تکاملی ،اشکالات تازه و عمیقتری آشکار می شود. علم کتابی نیست که به آخر رسیده باشد و هرگز چنین نخواهد بود ..... در علم هیچ تئوری جاودانی وجود ندارد....

هسته اتم و واکنشهای هسته ای

از اجزای هسته اتم چه می دانیم ؟

بحث ما بیشتر درباره آرایش الکترونی اتم بود، ولی مطالعه هسته اگر به اندازه آرایش الکترونی جالب توجه نباشد، مسلما خسته کننده نخواهد بود.

واقعیت آن است که همان طور که دانش انسان درباره فضا بیش از اطلاعات او درباره هسته زمین است، در مورد اتم نیز این هسته کوچک و مرموز برای انسان ناشناخته تر از آرایش الکترونی باقی مانده است. اطلاعاتی که تاکنون درباره هسته اتم داریم عبارت است از:

1-                 هسته اتم قسمت جرم اتم  تمام بار مثبت آن راشامل می شود. بار مثبت هسته مربوط به ذراتی به نام پروتون و جرم ان مربوط پروتون و ذره دیگری ب هنام نوترون است. این دوره ذره اصلی تشکیل دهنده هسته را نوکلئون می نامند. تراکم جرم در هسته به قدری زیاد است که هر گاه می توانستیم یک سانتیمتر مکعب از هسته اتمها را درکنار هم داشته باشیم، در حدود ؟ گرم جرم داشت، یعنی در حدود صد میلیون تن!

 

 

 

منبع : سايت علمی و پژوهشي آسمان--صفحه اینستاگرام ما را دنبال کنید
اين مطلب در تاريخ: پنجشنبه 14 اسفند 1393 ساعت: 16:36 منتشر شده است
برچسب ها : تحقیق درباره هسته اتم,اجزای اتم و چگونگی قرار گرفتن آنها,چگونه اجزای دارای بار الکتریکی اتم شناخته شد,