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.
Rakhshani, Raymond. Origins of Modernity. Even Development in the Evolution of Science and Technology. South Carolina: CreateSpace, A Division of Amazon Publishing, 2011.
Amato, I. Stuff: The Materials the World is Made of. New York: Basic Books, 1997.
unique essence
infinitely divisible
Democritus
one and all
intangible
Lucretius in “De Rerum Natura”
nothingness
Philosophical speculations
Cohen, I.B. The Birth of a New Physics. New York: Doubleday, 1960.
Daniel Bernoulli
Trefil, J.S. and Hazen, R.M. The Sciences, An Integrated Approach, 2nd Edition. New York: Wiley, 1997.
John Dalton in “A New System of Chemical Philosophy”
red-green color blindness or Daltonism
Convenient Fiction
radioactivity
flash
Brownian Effect
Von Baeyer, H.C. Taming the Atom: The Emergence of the Visible Microworld. New York: Random House, 1992.
mole
Avogadro’s number
X-ray crystallography
X-ray diffraction
Heidelberg
برای دریافت نیازهای ابزاری و شناخت ابعاد و مقیاس هایی که در این کتاب بدان ها پرداخته شده، نگاه کنید به:
http://htwins.net
Perrin, J. Atoms. Woodbridge, CT: Ox Bow Press, 1990.
Sir Joseph John Thompson
vacuum tubes
deflect
electric fluid
Thomson, G. J.J. Thomson, Discoverer of Electrons. New York: Doubleday, 1966.
fragmentation
structure of atoms
نام وی (Ernest Rutherford) به فارسی رادرفورد هم ترجمه شده است.
Andrade, N. Rutherford and the Nature of the Atom. New York: Doubleday, 1964.
empty space
hold together
————————————————————–
—————–
* 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.