سرشت علم(۱۵): نظریه ی اتم ها

شنبه, ۱۷ام شهریور, ۱۳۹۷
اندازه قلم متن

دکتر ریموند رخشانی *

مقاله و فایل صوتی پانزدهم:

نظریه ­ی اتم ­ها[۱]

فیلسوفان از زمان‌هایِ کُهَن این پرسش را داشتند که “جهان از چه چیز ساخته شده است؟”[۲] و اینکه “آیا موادِ مختلف، اساسی ویژه، بنیادین[۳] و مختلف دارند و یا اینکه همه­ یِ آنها ساخته­ ای از یک ماده هستند؟”

تا زمان‌هایِ نسبتا اخیرتر پاسخ به این پرسش‌ها برای عِلم عملی‌ نبود، ولی‌ منطق دو پاسخ ممکن را مطرح می­کرد:

  • ماده ممکن است پیوستار یا تداومی باشد که همیشه و تا ابد قابلِ­ تقسیم[۴] و تجزیه است و هر ذره و جزیی، خواص کلّ خود را همیشه داشته باشد.
  • ماده ممکن است ساخته از ذراتی باشد که لزوما خواص کلّ را ندارند.

فیلسوفِ یونانی دموکریتوس[۵] (۴۶۰-۳۷۰ ق.م.) مساله­ یِ اتم را به‌ عنوانِ جز لایتجزا (تقسیم نشدنی یا نابُریدنی) مطرح کرد.

  • اتم‌ها پاسخی به ذهنیتِ “یکی‌ و همگی ­ای[۶]” بودند که در زمانِ او غالب بود . فیلسوفان بر این باور بودند که طبیعت ساده و زیباست و نشان از وحدتِ هستی‌ دارد اما جهانِ خارج درهم ­ریخته و پیچیده است. نظریه­ ی اتم او پاسخی بر وحدتِ درونی‌ و پیچیدگیِ بیرونی بود.
  • او ایده‌های خود را در بیانیه­ ی معروف­اش “…در واقعیت، تنها اتم‌ها هستند و خلاّ..” خلاصه کرد.
  • اشاره به چهار عنصرِ کهنِ آب، باد، خاک و آتش هم تلاشی برای پاسخ به پرسش‌ هایِ ذکر شده بودند.

ارسطو در نهایت نظریه­ یِ اتم‌ها را رد کرد چون به باور او خصوصیاتِ اتم‌ ها برای حس‌ هایِ آدمی‌ محسوس[۷] نبودند.

لوکریتیوس[۸] (۹۴-۵۵ ق.م.) از معدودِ فیلسوف‌ هایی بود که با شجاعت نظریه­ ی ارسطو را به چالش گرفت و در کتابِ خود دیگربار نظریه­ ی وجودِ اتم‌ها را مطرح کرد.

  • او مطرح کرد که نظریه­ یِ تجزیه ­ناپذیرایی‌ مشکلاتِ غیرِقابلِ قبولِ تفاوت­ گذاری بین ماده و پوچی[۹] را بوجود می ‌‌آورد.
  • چون نظریاتِ او در مواردی به بی ‌­دینی نسبت داده شده بود لوکریتیوس تا قرن‌ ها به فراموشی سپرده شد.

با وجود همه­ ی نظراتِ کهن در موردِ وجودِ اتم­ ها، از منظرِ علمی‌ آنها اثبات­ نشدنی بودند و تنها انگاشت ‌هایی نظری و فلسفی[۱۰] در موردِ سرشتِ طبیعت بودند و آن اِنگاشت‌ ها به شکلی‌ مستقل اثبات نشده بودند.

علم همواره با سند و مدرک اثبات ­شدنی است.[۱۱]

فیزیکدانِ سوییسی دانیل برنویی[۱۲] (۱۷۰۰-۱۷۸۲) مطرح کرد که اگر اتم‌ها واقعی‌ هستند پس می ‌باید جرم و سرعت و همچنین انرژیِ جنبشی  داشته باشند. او قانونِ دومِ حرکتِ اجسامِ نیوتن را در موردِ اتم‌ها اجرا کرد تا عملکردِ گازهایِ زیر فشار را ثابت کند.[۱۳]

  • او گفت که با دو برابر کردنِ ذراتِ یک گاز در محفظه ­ای ثابت و یا با نصف­ کردنِ حجم گازی در اثر فشرده کردن آن در یک محفظه­، باید تعدادِ برخوردهایِ اتم‌ هایِ گاز با جدار‌ها را دو برابر کند.
  • در آزمایشاتِ خود او ثابت کرد که با افزایشِ درجه ­ی حرارت، میانگینِ سرعتِ ذراتِ گاز هم افزایش می ‌‌یابد و نتیجتاً فشارِ گاز نیز افزایش می ‌‌یابد.

ستاره­ شناسِ انگلیسی جان دالتون[۱۴] (۱۷۶۶-۱۸۴۴) از دیدگاهِ یک شیمیدان، نخستینِ بیانیه ­ی نظریه­ یِ اتم‌ها را در کتابِ سه­ جلدیِ خود “سیستمِ نوینِ فلسفه ­ی شیمی‌ (۱۸۰۸-۱۸۲۷)” مطرح نمود.

  • دالتون که معلمی فقیر و شهرستانی بود بتدریج برای مشاهداتِ ستاره­ شناسی‌ خود معروف شده بود.
  • در حینِ مشاهداتِ ستاره ­شناسی شاگردانِ او متوجهِ کور رنگیِ سبز‌قرمزیِ ) ندیدن سایه‌های سبز و قرمز  (وی شدند[۱۵] . ­این بیماری امروز دالتونیسم نامیده می­شود.
  • نظریه­ یِ اتمی‌ دالتون مطرح کرده بود که ماده شامل چندین دوجین اتم‌ هایِ گوناگون از عناصرِ مختلف است.
  • نسبت‌ هایِ ساده­ یِ عناصر در ترکیباتِ شیمیایی واقعیتِ اتم‌ها را برای دالتون مسجل کرده­ بود اما بسیاری از معاصرانِ او کماکان وجودِ اتم‌ها را افسانه ­ا­ی مصلحتی[۱۶] می ­خواندند.

وقتی که در سال ۱۸۹۶ رادیوآکتیویته[۱۷] کشف شد و ثابت شد برخی‌ اتم‌ها از خود اشعه  گسیل می ­کنند دیگر سندی مسجل برای وجودِ اتم‌ ها و برای نظریه­ ی اتمی‌ ارائه شده بود. در آزمایشات علمی نشان داده شد که برخی‌ فسفرها هنگامیکه با اشعه‌ های موادِ رادیوآکتیو روبرو می­ شوند، جرقه زده و می ­درخشند[۱۸].

آزمایشِ دیگری که با استفاده از میکروسکوپ قابل مشاهده بود تاثیر براونی[۱۹]  خوانده شد. برخی‌ ذراتِ غبار گندم که در مایع‌ ریخته می‌شدند حرکاتِ تند و عجیبی‌ از خود نشان می ­دادند. اینشتین در سال ۱۹۰۵ از طریقِ ریاضیات نشان داد که این حرکات به دلیل نیرویی بودند که در نتیجه­ ی برخوردِ اتم‌ها با یکدیگر می ­بود.

اگر اتم‌ ها واقعی‌ هستند پس عِلم بایستی می ‌‌توانست تعدادِ آنها را در هر ماده محاسبه کند.[۲۰]

  • فیزیکدان‌ ها و شیمیدان‌ ها راه‌ هایِ مختلفی‌ را برایِ محاسبه ­ی تعدادِ اتم‌ ها مطرح کردند و علم بر آن بود که علیرغمِ شیوه ­ی محاسبه می ‌باید تعدادِ اتم‌ ها در همه­ ی شیوه­ ها نتیجه ­ای یکسان می ­داشت.
  • در اوایلِ قرن ۲۰، برآورد‌هایِ مطالعاتی از طرقِ مختلف به نتایج یکسانی رسیدند که تعدادِ اتم‌ها را  در هر مول[۲۱]   ۶x10۲۳محاسبه کرده بودند. در حوزه­ی عِلم این عدد را عددِ آواگادرو[۲۲] می ­نامند.

در سال ۱۹۱۲ اختراعِ ابزارِ بلورنگاری یا کریستال ­نگاریِ اشعه ­ی ایکسی[۲۳] همه را متقاعد کرد. با این ابزار می ­توان اندازه، تعداد و چیدمانِ معمول اتم‌ ها در بلورها یا کریستال ‌ها را نشان داد. پراشندگی و شکست اشعه ­ی ایکس[۲۴] که طولِ­ موجی بسیار کوتاه دارد بر روی هر اتمی‌ اندازه­ گیری شده ­ و اندازه، تعداد و چیدمانِ معمول هر یک از آنها را آشکار می‌ کند.

در سالِ ۱۹۸۰ برای نخستین ­بار عکسی‌ از یک اتم در دانشگاهِ هایدلبرگ[۲۵] آلمان گرفته شد و از آن سال تا به امروز مطالعه­ یِ تک­تکِ اتم­ ها‌ دنبال می ­شود[۲۶].

دالتون مطرح کرده بود که اتم‌ ها کره ­ای ­شکل و بسیار سخت هستند. اما همزمان با اثباتِ نظریه ­ی اتم ­ها با هر کشفِ نوین به نظر می­رسید که اتم‌ ها لایه‌ هایِ پیچیده­ تری نیز دارند و خود ساخته ­شده از ذراتی کوچک ­تر هستند.[۲۷]

  • فیزیکدانِ انگلیسی‌ جان تامپسون[۲۸] (۱۸۵۶-۱۹۴۰) بیشتر پژوهش‌ هایِ خود را پیرامونِ الکترومغناطیس انجام داده بود.
  • او در یکی‌ از آزمایشاتِ خود نشان داد که حرکتِ جرقه‌ ها در خلأ بسیار مرتب ­تر است و پایه گذارِ اصلِ استفاده از لامپ ­خلأیی ‌ها[۲۹] (مانند لامپ‌ هایِ درونِ تلویزیون‌ های قدیمی‌) شد یعنی‌ پدیده ­ای که برای دهه‌ ها (تا حدود سال های ۱۹۶۰) موردِ استفاده بود.
  • تامپسون همچنین کشف کرد که مغناطیس جریانِ ناپیدای برق را ور می‌‌ تابد یا منحرف[۳۰]  می ‌کند و نتیجه گرفت که  جریانِ الکتریکی‌ جرم و بار (شارژ) الکتریکی‌ دارد. او با استفاده از قوانینِ ماکسول و نیوتن سرشتِ این شاره یا سیال الکتریکی‌ [۳۱] را کشف کرد و آن را اِلکترون نامید.[۳۲]

ترکش یا تکه ­تکه ­شدگیِ[۳۳] اتم‌ ها به وسیله­ ی موادِ رادیوآکتیو به کشفِ شگفت ­انگیز ساختارِ اتم ‌ها[۳۴] انجامید. فیزیکدانِ انگلیسی‌ اِرنست راترفورد[۳۵] که شاگردِ تامپسون بود بخش عمده ­یِ این کشف را در دانشگاهِ منچستر انجام داد.

راترفورد با استفاده از رادیوآکتیویته ساختارِ اتم‌ ها را مطالعه کرد . او با بکارگیریِ رادیوم که “ذراتِ آلفا” منتشر می‌ کند و ذرات آن مانندِ گلوله عمل می‌ کنند پژوهش‌ های خود را ادامه داد. [۳۶]

او مطرح کرد که اتم‌ها اکثرا فضا‌هایی خالی ­اند[۳۷] که هسته­­ ی بسیار کوچک و سختِ مرکزی ­ای دارند که عمده­ یِ جرم  آنها را تشکیل می‌‌ دهد.

راترفورد همچنین مطرح کرد که هسته ­یِ مرکزی باری مثبت دارد و اینکه الکترون‌ ها با باری منفی به سرعت بدورِ هسته­ ی مرکزی در چرخش هستند.

پرسش‌ های اصلی‌ اکنون این بودند که چه چیز اتم‌ ها را بهم نگه­ می ­دارد[۳۸] و آنها چگونه با نور درهم­ کنش دارند.

[۱]

Rakhshani, Raymond. Origins of Modernity. Even Development in the Evolution of Science and Technology. South Carolina: CreateSpace, A Division of Amazon Publishing, 2011.

[۲]

Amato, I. Stuff: The Materials the World is Made of. New York: Basic Books, 1997.

[۳]

unique essence

[۴]

infinitely divisible

[۵]

Democritus

[۶]

one and all

[۷]

intangible

[۸]

Lucretius in “De Rerum Natura”

[۹]

nothingness

[۱۰]

Philosophical speculations

[۱۱]

Cohen, I.B. The Birth of a New Physics. New York: Doubleday, 1960.

[۱۲]

Daniel Bernoulli

[۱۳]

Trefil, J.S. and Hazen, R.M. The Sciences, An Integrated Approach, 2nd Edition. New York: Wiley, 1997.

[۱۴]

John Dalton in “A New System of Chemical Philosophy”

[۱۵]

red-green color blindness or Daltonism

[۱۶]

Convenient Fiction

[۱۷]

radioactivity

[۱۸]

flash

[۱۹]

Brownian Effect

[۲۰]

Von Baeyer, H.C. Taming the Atom: The Emergence of the Visible Microworld. New York: Random House, 1992.

[۲۱]

mole

[۲۲]

Avogadro’s number

[۲۳]

X-ray crystallography

[۲۴]

X-ray diffraction

[۲۵]

Heidelberg

[۲۶]

برای دریافت نیاز‌های ابزاری و شناخت ابعاد و مقیاس‌ هایی‌ که در این کتاب بدان ‌ها پرداخته شده، نگاه کنید به:

http://htwins.net

[۲۷]

Perrin, J. Atoms. Woodbridge, CT: Ox Bow Press, 1990.

[۲۸]

Sir Joseph John Thompson

[۲۹]

vacuum tubes

[۳۰]

deflect

[۳۱]

electric fluid

[۳۲]

Thomson, G. J.J. Thomson, Discoverer of Electrons. New York: Doubleday, 1966.

[۳۳]

fragmentation

[۳۴]

structure of atoms

[۳۵]

نام وی (Ernest Rutherford) به فارسی‌ رادرفورد هم ترجمه شده است.

[۳۶]

Andrade, N. Rutherford and the Nature of the Atom. New York: Doubleday, 1964.

[۳۷]

empty space

[۳۸]

hold together

————————————————————–

بخش ۱ این نوشته

بخش ۲ این نوشته

بخش ۳ این نوشته

بخش ۴ این نوشته

بخش ۵ این نوشته

بخش ۶ این نوشته

بخش ۷ این نوشته

بخش ۸ این نوشته

بخش ۹ این نوشته

بخش ۱۰ این نوشته

بخش ۱۱ این نوشته

بخش ۱۲ این نوشته

بخش ۱۳ این نوشته

بخش ۱۴ این نوشته

—————–

* دکتر ریموند رخشانی در باره خودش:

من ریموند رخشانی هستم و حوزه کارشناسی من مهندسی‌ سیستم‌ها است، و تخصص من در بکارگیری اندیشه سیستمی‌ برای انتقال فن آوری و اجرا و پیاده سازی تولید فراورده‌های نوین می‌‌باشد. در این سلسله از مقالات و فایل‌های صوتی کوشش می‌‌کنم که علم مدرن را از پایه به دوستان معرفی‌ کنم.


به کانال تلگرام سایت ملیون ایران بپیوندید

هنوز نظری اضافه نشده است. شما اولین نظر را بدهید.