دانشیار

بسم الله الرحمن الرحیم

جلسه دوم : به دنبال ماده المواد(تا مکتب کپنهاک)

در جلسه پیش خاطر نشان ساختیم که چگونه آلن گوٍث تحت تاثیر ، کیهانشناسی به نام دیکی که در سخنرانی خود سخن از تخت بودن عالم کرد و این  به شدت تخت بودن را نشان از ناقص بودن نظریه بیگ بنگ می دانست ، تحقیقات خود را منعطف به کیهانشناسی بالاخص تک قطبی های مغناطیسی کرد و در پی کاوش در وجود این ذرات و چرایی عدم آشکارسازی آنها در حالی که ذراتی پر انرژی و پر جرم هستند ، وی را به سوی  پژوهش در میادین هیگز و آشفتگی آنها کشانید و متوجه شد که تک قطبی های مغناطیسی در پی این آشفتگی ها که در فازی از فاز های تکوین عالم رخ داده است به وجود آمده اند، و در پی اینکه چرا قابل رد یابی نیستند وی را بدین سو کشانید که در این تغییر فاز ها تغییرات تدریجی و کند بوده واین حالت زمانی رخ می دهد که حباب هایی ازاین فاز در فاز قبلی به وجود آمده باشد،ودر این حالت  ما با پدیده ای به نام خلا کاذب رو برو می شویم که این خلا کاذب هم روند تغییر فاز را کند می کند و هم باعث به وجود آمدن فشار منفی می شود که این فشار منفی بر اساس نسبیت عام انیشتین ، که خاطر نشان می سازد که فشار مثبت در واقع همان انحنای مثبت فضا زمان است که منجر به گرانش می شود  یعنی در واقع فشار مثبت ، هم ارز شتاب مثبت است و وشتاب مثبت هم ارز گرانش است، ولی فشار منفی هم ارز شتاب منفی است مثل اینکه آسانسوری رو به سوی پایین حرکت کند ، که در این صورت کسی که داخل آسانسور است به جای احساس جاذبه از کف اتاق احساس دافعه می کند و احساس می کند که که از کف اتاق به شدت دور می شود این را می گویند دافعه نسبیتی ، پس این خلا کاذب یک فشار منفی در سیستم ایجاد می کند لاجرم به جای جاذبه دافعه داریم و این دافعه عامل می شود که یک تورم در عالم به وجود بیاید و این تورم ناگهانی  که تا لحظه 10 به توان منهای چل و سه ثانیه ادامه دارد عامل می شود که اندازه جهان به اندازه 10 به توان پنجاه برابر تورم پیدا کند ، و سپس با توجه به تونل زنی  کوانتومی خلاء کاذب از بین رفته و جهان به سوی خلاء حقیقی پیش می رود و در این حالت ، در فاز هابلی وارد می شود.

با توجه به این مقدمه می خواهیم ببینیم که در بین لحظات صفرتا ده به توان منهای چهل و سه چه اتفاقی افتاده است، وجهان چه فاز هایی را طی کرده و چه موادی را خلق نموده است.

برای اینکه ببینیم مواد موجود در جهان از چه چیز خلق شده این مساله باز می گردد به سالهای پیش که مطرح بوده که اصل به وجود آمدن مواد از چه بوده ، عده ای اساس ماده را آب عده ای آتش ، عده ای خاک ، عده ای عناصر چهار گانه(آب و باد و خاک وآتش) ، و عده ی دیگر اساس عالم را بر اساس ریاضیات می دانستند که اشکال دو بعدی به هم پیوند خورده و عناصر سه بعدی قابل درک برای انسان را به وجود آورده اند،به هر حال در این موضوع در دیرباز سیر کرده اند، عده ای چون ارسطو و پیروان وی ماده را پیوسته و تا بینهایت قابل تقسیم می دانستند و عده چون دمیغراتیس و محمد بن زکریای رازی جهان را متشکل از اجزاء صغار صلبه یعنی اتم می دانستند که قابل تجزیه نیستند، ودر این خصوص براهین و فلسفه هایی را ارائه می دادند.

اما بحث علمی در این خصوص از زمانی شروع شد که به این نتیجه رسیدند که ماده دارای اجزایی است که عده ای بارمثبت و عده ای بار منفی دارند و خواص آنها را مبتنی برآن می دانستند، اما اینکه درون ماده چیست؟

 شاید کار ها از زمانی شروع شد که رونگتن در یک تجربه ای که روی اشعه کاتدی داشت متوجه شده که علاوه بر الکترون ها که دارای بار منفی هستند ، اشعه دیگری هم در اتم ها وجود دارد که این اشعه از درون شیشه هم می گذرد ، ولی قدرت نفوذ از استخوان را ندارد ولی از بافت هایی مثل گوشت می گذرد و اسم آن را اشعه ایکس گذاشت، واولین تصویر رادیولوژی را هم از دست همسرش گرفت، بعد از او فردی به نام بکرل شاید بیشترین تاثیر را داشت، بکرل روی مواد کار می کرد روزی به طور اتفاقی مقداری اورانیوم به همراه داشت و می خواست آزمایش کند ، تعدادی فیلم عکاسی همراه داشت اورانیوم را داخل فیلم ها گذاشته بود ، متوجه شد که فیلم ها خراب شده اند، این نتیجه را گرفت که احتمالا نورآفتاب به اورانیوم ها خورده و آنها تشعشع کرده و فیلم ها را خراب کرده اند خواست که آزمایش را دوباره تکرار کند ولی هوا چند روز ابری بود لاجرم فیلم ها و اورانیوم را داخل کشو میز گذاشت و درب کشو را فقل کرد وقتی چند روز بعد برای آزمایش آمد متوجه شد که دوباره فیلم ها خراب شده پس متوجه شد که این اصلا ربطی به خورشید ندارد این خود اورانیوم است که در حال تشعشع است، پس اولین ماده رادیو اکتیو  کشف شد، بکرل دوستی داشت به نام پیر کوری که به تازگی با بانویی به نام اسکلودوسکا ازدواج کرده بود که این بانو هم دانشجوی دکترای فیزیک بود ، و بدنبال یک پروژه مناسب ، پیر از او خواست که همکار بکرل باشد و روی عناصر مختلف از نظر داشتن تشعشع یا نداشتن تحقیق کند، مادام هم قبول کرد وی با تهیه دستگاهی که مبتنی بر تخلیه خازن براثر بودن تشعشع بود کار را شروع کرد و روی ماده معدنی به نام پیچ بلند کار می کرد، که ترکیبی از بیسموت درآن بود، و می بایست خالص سازی می شد، مادام متوجه شد که بله این ماده و قتی در دستگاه قرار می گیرد ، دستگاه تخلیه می شود و بنا به اشرافی هم که به بیسموت داشت ،می دانست این تشعشع از بیسموت نیست، در روند خالص سازی پی به وجود عنصری برد که اسم آن را پلونیوم گذاشت، و بعد از آن رادیوم را هم کشف کرد، بعد از اقدامات مادام و پی بردن به عناصر رادیو اکتیو ، صحبت از این شد که جنس این اشعه ها چیست و چه ویژگی دارند، از سوی دیگر عناصر دیگری هم کشف و به مجموعه اضافه شد،وقتی این اشعه ها را تحت تاثیر میدان الکتریکی قرار می دادند متوجه شدند که مقداری از آنها به سوی بار منفی گرایش پیدا می کنند مقداری به سوی بار مثبت و عده ای هم در مقابل میدان هیچ تغییری نمی کنند

که به ترتیب اسم آنها را اشعه های الفا، بتا و گاما نام نهادند، اشعه الفا دارای باری مثبت و قدرت نفوذ اندک و جرمی معادل هسته اتم هلیوم داشت، اگر چشمه ای که اشعه آلفا ازخود گسیل می کرد در محفظه ای می گذاشتند پس از مدتی سرشار از گاز هلیوم می شد، و این دلیل از این مدعا بود و اشعه بتا ، جنسی از جنس اشعه کاتودی و الکترون داشت، دارای قدرت نفوذ نسبت به آلفا بیشتر وبالاخره اشعه گاما بدون بار باقدرت نفوذ بسیار وتخریب فراوان هیچ سنخیتی با محیط نداشت.

خوب حالا دیدند که یکسری از عناصر در حال تابش خود بخودی هستند ولی چه مکانیزمی در آنها وجود دارد، این اشعه ها از کجای بیرون می آیند؟

در تجربه رونگتن در اشعه ایکس تشکیلات و ادوات آزمایشگاهی وجود داشت اما در تجربه بکرل و کوری این ادوات در تهیه و ارسال اشعه دخیل نبودند، چه مکانیزمی داشتند.

ساختار درون ماده چگونه بود، تامسون خاطر نشان می ساخت که اتم دارای ساختار کیک کشمشی دارد که بارمثبت کل آن را پرکرده و بار منفی چونان کشمش دردرون آن پراکنده شده است، ماده گاهی که گرم می شود منبسط شده لذا بار مثبت انبساط پیدا کرده و بار منفی را به داخل می کشد پس در این اثنا ماده تشعشع می کند، ولی اگر چنین ساختاری وجود داشته باشد می بایست الکترون ها به شدت داخل ماده سقوط کنند احتیاج به این گرما و انبساط نبود،رادر فورد در تجربه ای که با بمباردمان یک صفحه نازک طلا با اشعه آلفا ترتیب داد متوجه شد که همه این اشعه از لایه عبور می کند ولی ناگهان  چند ذره الفا برگشت می خورند با آنکه کم بود ولی قابل تامل بود مثل اینکه یک جا دستمال کاغذی گذاشته اید با تفنگ ساچمه ای به آن می زنید ناگهان یک تیر برگست بخورد و به خودتان بخورد

رادرفورد نتیجه گرفت که بار مثبت باید درجایی متمرکز باشد وبار منفی پراکنده به اطراف آن باشد، و مدل منظومه شمسی را پیشنهاد داد که اتم هسته ای از بار مثبت دارد و الکترونها دورآن می گردند در اثر گردش تشعشع می کنند ، خوب اگر قرار بود در هر دور انرژی از دست بدهند که هیچ اتم پایداری باقی نمی ماند و در نهایت تمام الکترون به روی هسته سقوط می کرد، رادر فورد شاگردی داشت به نام بوهر ، بوهر دانشجوی کنجکاوی بود و شنیده بود که ماکس پلانک نظر جدیدی درباره انرژی دارد.

اما نظر پلانک چه بود،ماکس پلانک روی تابش  واداشته (نه خود به خودی)اجرام کار می کرد،تا قبل از پلاک در باره تابش التهابی مواد کار شده بود، اولین بار دانشمندی  پنبه آغشته به نمک را آتش زد و نورآن را از یک منشور گذراند متوجه شد که وقتی نورآن از یک منشور می گذرد به سه طیف تجزیه می شود که زرد بسیار شاخص است، اما رنگ زرد از سدیم بود یا کلر ، این بار کلر را ملتهب کرد در آن رگه زرد نبود پس مشخص شد این  طیف زرد متعلق به سدیم است و همین طور طیف یکسری از عناصر و قتی ملتهب می شدند را اندازه گیری کرده بودند .

یکی ازمواردی که در مورد آن تحقیق می کردند مربوط جسم سیاه بود ، جسم سیاه به موادی گفته می شود که طیف ها را ساطع می کنند وهمه طیف هارا جذب می کنند، در این مورد افرادی چون استفان بولتزمن کار کرده بود و می توانست انرژی سیستم را با دما بدست آورد و فرد دیگری به نام وین رابطه ای را بین دما و رنگ سیستم به دست آورده بود، اما فرمولی که بتواند این دو را به هم پیوند دهد هنوز پیدا نشده بود ، رابطه ای که بین طول موج و انرزی و دما بتواند رابطه ای را بدست آورد ، افرادی مثل ریلی و جنز رابطه ای را ارایه دادند که فقط برای طول موج های بلند جواب می داد و کسانی مثل انیشتین روی طول موج های کوتاه را بطه ای که بتواند کل  نمودار ها را بپوشاند  موجود نبود، ماکس پلانک هم کسی بود که در این زمینه تحقیق می کرد، ماکس پلانک به گفته خودش در یک روز سرد زمستان در آلمان در حال زیرو روکردن فرمول ها و نوشتن بود هیچ کدام درست در نمی آمد، خسته شده بود پیپش را برداشت و کنار شومینه نشست و تصمیم گرفت دیگر به این مسائل برای چند دقیقه فکر نکند،در همین حالت ناگهان چیزی به او الهام شد ،اگر در فرمول ها انرژی را به جای پیوسته ، گسسته در نظر بگیری و پیمانه ای مساله حل می شود،آری مساله حل شد، ولی مگر می شد همچین چیزی را بیان کرد، به هر حال مقاله ای نوشت و منتشر کرد، انیشتین که از قبل روی این مساله متمرکز بود ، آزمایشی به نام فوتو الکتریک را ترتیب داد و اولین مهر تایید را بر این نظریه زد و بعد از آن میلیکان.

بوهر این مساله را می دانست پس از این نظریه جدید در ساختار اتم استفاده کرد،و اتم را به گونه ای دیگر تعبیر کرد.

اگر در مدل رادر فورد وقتی که الکترون ها  در حال گردش به دور هسته هستند آنها انرژیشان کوانتومی است ، یعنی بسته ای اگر بخواهد گذاری اتفاق بیافتد می بایست یک حد اقل انرژی را داشته باشند و در حالت پایه یک حداقل انرژی موجود است ،که الکترون در آن طراز قرار گرفته و اگر این حداقل انرژی نباشد اصلا اتمی شکل نمی گیرد، و از این طراز هم الکترون به لایه های پایین تر نمی تواند برود، بوهر با تاسیس مکتبی به نام کپنهاگ پایه گذار یک مکتبی سنتی برای مکانیک کوانتومی شد.