سرشت علم(۱۶): نظریه ی اتم بوهر

جمعه, ۲۳ام شهریور, ۱۳۹۷
اندازه قلم متن

دکتر ریموند رخشانی *

مقاله و فایل صوتی شانزدهم:

نظریه ­ی اتم بوهر[۱]

بزرگترین دَستاوردِ علمیِ‌ قرنِ بیستم اثباتِ تجربیِ‌ نظریه­ ی اتم‌ ها بود[۲].

  • این دستاورد در نتیجه­ ی نزدیکی و درهم ­آمیزی یا درهم ­شدنِ شواهدی تجربی بودند، گُواه‌ هایی که متکی‌ بر ابزارهایِ جدید[۳] از حُوزه‌های مختلفِ علم سرچشمه گرفته بودند – یعنی‌ از قوانین ترکیباتِ شیمیایی، تا مطالعه ­ی رادیوآکتیویته، و تا حرکت یا تاثیر براونی [۴]در فیزیک، تا کشفِ بلورنگاری یا کریستال­ نگاریِ اشعه­ ی ایکسی و تا بسیاری دیگر حُوزه‌ های علمی،  هیچ جای شک و شبهه ­ای جز اثباتِ تجربی و نظری اتم‌ ها باقی‌ نگذاشته بودند [۵].
  • نظریه­ ی راترفورد مبنی بر گردش سریع الکترون‌ هایی‌ سبک با باری منفی‌ به دور هسته­ ی مرکزی اتم، به اندازه­ ی کافی‌ ساده و بسیار قابل ­فهم بود. همانگونه که ماهواره‌ ها بدور زمین در چرخش ­اند و بالاخره به زمین سقوط می­ کنند ماهواره‌ هایِ الکترونی‌ راترفورد هم به هسته ­ی مرکزی اتم‌ ها سقوط می­ کنند.

راه­ حلی‌ ممکن و الگویی اتمی‌ و جدید هم از طرف فیزیکدانِ دانمارکی نیلس بوهر[۶] (۱۸۸۵-۱۹۶۲) مطرح گردید که عجیب و تا حدودی غیرشهودی به نظر می ­رسید.

  • بوهر با بکارگیری ابزار‌های مدرن و پس از مشاهده­ ی درخشش اتم‌ هایِ هیدروژن الگوی اتمی‌ خود را مطرح کرد.
  • برخلافِ طیف ممتد نور آنگونه که از لامپ ‌ها دیده می ­شود اتم‌ های داغِ هیدروژن تنها در طول ­موج‌ های ویژه­ ای می ­درخشند.
  • بوهر مطرح کرد که این طول موج‌ هایِ ویژه بدلیل آن هستند که الکترون‌ ها با تغییر سطحِ انرژی از سطحی به سطحی دیگر می ­روند.
  • در الگویِ اتمی‌ بوهر الکترون‌ ها می­ توانند (بدون هرگونه شتابی) برای مدتی‌ طولانی در یکی‌ از مدار‌های دور هسته ­ی­مرکزی بمانند. نور هنگامی گسیل می­ شود که الکترونی‌ از مداری به مداری با انرژی ­ای پایین ­تر می­ جهد.
  • کم ­انرژی ‌ترین مدارِ الکترون‌ ها را وضعیت یا حالتِ پایه[۷] می ­نامند . مدار‌های دیگر را وضعیت یا حالتِ برانگیخته [۸] می ­نامند و نور هنگامی تولید می ­شود که الکترون‌ ها از مداری به مداری پایین ­تر[۹]  می ­جهند.

الگوی بوهر از حوزه­ ی تجربیاتِ روزمره­ یِ ما خارج است اما مثال زیر می ­تواند این الگو را کمی‌ شفاف­ تر سازد.

  • سطوحِ متفاوتِ انرژی در اتم‌ ها را می ­توان به یک پلکان تشبیه کرد. اجسام می­ توانند بر هر یک از پله‌ ها قرار گیرند اما بینِ پله­ ها هرگز.
  • مدار‌های مختلفِ الگوی اتمی‌ بوهر انرژیِ پتانسیلِ الکترومغناطیسی‌ متفاوت دارند همانگونه که هر یک از پله‌ ها انرژی پتانسیل گرانشی یا جاذبه­ ای خود را دارند.
  • اما تشبیهِ الگوی بوهر به مینیاتوری از منظومه­ ی خورشیدی درست نیست. در منظومه ­ی خورشیدی هر یک از سیارات مدار و فاصله ­ی خود از خورشید را دارند در حالیکه در مدلِ بوهر چند الکترون می­ توانند در یک مدار و یک فاصله از هسته­ ی مرکزی باشند.

الگوی اتمی‌ بوهر یاری داد تا بسیاری از مشخصاتِ ارتباط متقابل یا درهم­ کنش‌ هایِ ماده – نور[۱۰] توضیح داده­ شود.

الگوی اتمی‌ بوهر مطرح می­ سازد که انرژی و نور در بسته­ بندی ‌هایی‌ مشخص[۱۱]  که “کوآنتا” نامیده می ­شوند عملکرد دارند.

  • کوچک‌ ترین و کم ‌ترین میزانِ انرژی در نتیجه ­ی جهشِ یک الکترون از مداری به مداری دیگر است – که جهشِ کووآنتومی[۱۲] نامیده شده است.[۱۳]
  • جهشِ کووآنتومی الکترون از مداری با انرژی بالاتر به مداری با انرژی پایین­ تر یک کوآنتوم از اشعه ­ایِ الکترومغناطیسی‌ را رها می‌ کند – که فوتون[۱۴] نامیده شده است.
  • اگر برعکس، یک اتم‌ ، فوتونی را جذب کند، یک الکترون به مداری با انرژی بالاتر می ­جهد.

درخشش[۱۵] یعنی‌ برق ­زدنِ برخی‌ ماده ‌ها (در طیفِ طول­ موجی قابلِ ­رویت) هنگامیکه اشعه­ ی فرا یا ماورایِ بنفش به آنها می ­تابد از طریق الگوی اتمی‌ بوهر توضیح داده شده است.

  • مواد و رنگ‌ های “شب­ تاب” نمونه­ های همین پدیده ­اند.
  • چراغ‌ های خیابانی آبی ­رنگ گازِ مرکوری و زردرنگِ گازِ سدیم نمونه‌ های دیگری از همین پدیده هستند.

طیف ­نمایی[۱۶] مطالعه­ یِ درهم­ کنشِ  ماده و نور است.

  • طیف یا بیناب ­نما [۱۷]منحنیِ نمودارِ شدت‌ نور[۱۸] برای طول­ موج‌ های متفاوت است . این طیف بخش کوچکی از طیفِ بزرگ ­ترِ الکترومغناطیسی‌ است.
  • در این نمودار طولِ­ موج‌ های مختلف بر روی محورِ افقی کشیده می ­شوند.
  • بر روی محورِ عمودیِ این منحنی، شدتِ نور برای طولِ ­موج های مختلف نور قرار دارد.

طیف‌ هایِ نوری با طیف ­نما اندازه­ گیری می ­شوند که شدتِ نورِ سپید را هنگامیکه به امواجِ طولی مختلف تقسیم می­ شود ثبت می ­کند.

  • در پژوهش‌ های علمی‌ بررسی‌‌ طیف­ ها بسیار حائز اهمیت ­اند.
  • همه ­ی اجسامِ هنگامیکه می ‌‌درخشند “طیفِ گسیلی[۱۹]” یا “طیفِ برون ­فرست” ایجاد می­ کنند. هر عنصری طیفِ ویژه­ ی برون ­فرست خود را دارد و عناصرِ بیشماری از طریقِ طیف ­نمایی کشف شده ­اند.
  • نخستین کاربردِ طیف­ نما برای مطالعه­ ی نور شعله­ ی آتش بود.
  • بدون طیف­ نما پژوهش‌ های نجومی در موردِ ستارگان و دیگر اجسام فضایی (که هریک “طیف‌ هایِ گسیلی ” ویژه­ ی خود را دارند) ممکن نبود.
  • عنصر هِلیوم نخستین بار از طریقِ طیف­ نماییِ نورِ خورشید کشف شد.

هنگامیکه نور از اجسامِ شفاف از قبیلِ جوهرات، شیشه و یا هوا عبور می‌ کند “طیفِ جذبی[۲۰]”  تولید می ­شود.

  • “طیف ‌هایِ جذبی” میزانِ آلودگی ‌‌ها در هوا و در محیطِ زیست را آشکار می ­کنند و برای بررسی‌ آلودگی­ های محیطِ زیست بسیار مهم­ اند.
  • همه­ ی جواهراتِ قیمتی و سنگ ‌هایِ شفاف “طیفِ جذبی” ویژه ­ی خود را دارند و به آسانی می ­توان از این طریق سنگ‌ هایِ تقلبی  و مصنوعی را شناخت[۲۱].

طیف‌ هایِ نوری از طریق انعکاس هم قابل بررسی‌ هستند.

  • “طیف‌ هایِ انعکاسی[۲۲]” در ستاره­ شناسی‌ به کار می ‌‌روند و بوسیله ­ی آنها اطلاعاتِ ترکیبی‌ اجسامِ فضایی به دست می ‌‌آیند.
  • با استفاده از “طیف‌ های انعکاسی،” بوسیله ­ی طیف ­نماها در ماهواره‌ ها، نقشه‌ های ترکیباتِ[۲۳] کره­ ی ماه و کره­ یِ مریخ کشیده شده ­اند.

طیف‌ هایِ اجسام معمولی و روزمره آشکار می­ سازند که چشم‌ و مغز‌ ما برداشت و تفسیرِ رنگ­ گونه­ و ویژه­ ای از “اِرسال،” “جذب،” و یا “انعکاسِ “طیف‌ هایِ اجسام معمولی دارند.

  • چشم‌ ها سه نوعِ مختلفِ “گیرنده­ ی رنگی” یا “رنگ ­گیرنده[۲۴]” (چیزی که چشم پزشک‌ ها رنگ­ مخروط می­ نامند) دارند که به رنگ ‌های آبی، سبز و قرمز حساسیت نشان می ­دهند.
  • هنگامیکه شدتِ نور سه رنگِ قرمز، آبی‌ و سبز برابرند مغز و چشم های ما آنها را سپید برداشت می­ کنند و سپید می­ بینند.
  • کور رنگی در چشم‌ ها اغلب بدلیلِ اشکال، کاستی یا نقصانی[۲۵] در یکی‌ از ­همان گیرنده­ هاست.

اشعه­ ی لیزر ابزاری ساده است که از ارتباط متقابل یا درهم ­کنشِ کوآنتومیِ بین نور و ماده بهره می ‌‌گیرد. نام این اشعه در انگلیسی‌ مخففی برای “تشدیدِ نور از طریقِ برانگیختن اشعه گسیلی [۲۶]” است.

  • اجزای اصلی‌ اشعه ­ی لیزر عبارت ­اند از: ۱- مجموعه­ ای از اتم‌ هایی که آمادگی جهشِ کوآنتومی دارند، ۲- منبعِ انرژی ­ای که توانایی تهییج اتم‌ ها به “حالت برانگیخته” را دارد و ۳- دو آینه­ ی موازی برای انعکاس نور.
  • مجموعه­ ی اتم ‌ها می ­تواند در حالت گاز، مایع و یا نوعی کریستال ویژه باشد.
  • منبعِ انرژی برای برانگیختن و تهییجِ اتم‌ هاست که در “حالتِ برانگیخته” با تغییرِ مدارِ انرژیِ الکترون ­ها،  تولیدِ فوتون می ­کنند.
  • دو آینه­ ی موازی باهم نور فوتون‌ها را هم ­راستا[۲۷] می­کنند. یکی‌ از آینه‌ ها نیمه ­شفاف[۲۸] است و بخش کوچکی از نور را از درون خود،  همچون تابه یا پرتوی باریک،  به بیرون می ‌فرستد.

نورِ لیزر و نورِ معمولی از جهات زیر متفاوت ­اند.

  • نورِ معمولی (مثلا یک چراغ ­قوه) نورِ سپیدی پخش می‌ کند که می­ تواند طول ­موج‌ های متفاوت داشته باشد در حالیکه نورِ لیزر نوری تکفام یا تک ­رنگ[۲۹] است و تنها یک طول­ موج  دارد.
  • نور چراغ­ قوه به شکلی‌ مخروطی[۳۰] پخش می ­شود در حالیکه نورِ لیزر تابه یا پرتوی مستقیم و استوانه ­ای[۳۱] (با قطری بسیار باریک) است و تا مسافتی بسیار زیاد هم پخش ­شدگیِ مخروطی نداشته و مستقیم در حرکت است.
  • امواجِ نورِ چراغ ­قوه  چنان ­اند که راس و پایه ­ی موج‌ها هم ­راستا نیستند،  اما امواج اشعه­ ی لیزر کاملا هم ­راستا هستند[۳۲].

[۱]

Bohr Atom

[۲]

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

[۳]

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

http://htwins.net

[۴]

Brownian Motion or Effect

[۵]

Harre, R. Great scientific Experiments. New York: Oxford University Press, 1987.

[۶]

Niels Bohr

[۷]

ground state

[۸]

excited state

[۹]

an electron jumping from one orbit to a lower energy orbit

[۱۰]

light-matter interactions

[۱۱]

discrete packets called Quanta

[۱۲]

quantum jump

[۱۳]

Trefil, J.S. and Hazen, R.M. The Sciences, An Integrated Approach, 2nd Edition. Chapter 7. New York: Wiley, 1997.

[۱۴]

photon

[۱۵]

fluorescence

[۱۶]

spectroscopy

[۱۷]

a spectrum

[۱۸]

light intensities

[۱۹]

emission spectrum

[۲۰]

absorption spectrum

[۲۱]

Fake and artificial

[۲۲]

reflectance spectrum

[۲۳]

composition maps

[۲۴]

Color receptors

[۲۵]

defects in receptors

[۲۶]

Light Amplification by Simulated Emission of Radiation

[۲۷]

align

[۲۸]

partially transparent

[۲۹]

monochromatic

[۳۰]

cone of light

[۳۱]

cylinder of light

[۳۲]

Crest and troughs of waves

————————————————————–

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

بخش ۱۵ 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.