تبلیغات
فیزیک - سرنوشت اینگونه به در می كوبد
 
فیزیک
درباره وبلاگ


هر چیزی كه از فیزیك می خوای بدونی اینجا پیدا می كنی .

مدیر وبلاگ : سوسن
نویسندگان
نظرسنجی
بیشتر به دنبال چه مطالبی می گردید ؟؟؟








آمار وبلاگ
  • کل بازدید :
  • بازدید امروز :
  • بازدید دیروز :
  • بازدید این ماه :
  • بازدید ماه قبل :
  • تعداد نویسندگان :
  • تعداد کل پست ها :
  • آخرین بازدید :
  • آخرین بروز رسانی :

یکی از بهترین آزمایشاتی که به وسیله آن می توان خاصیت ذره ای نور را مشاهده کرد و دریافت، اثر کامپتون است. این پدیده را که نمی توان آنرا در پرتو فیزیک کلاسیک توجیه کرد...

بقیه مقاله در ادامه مطلب

پدیدة كامپتون

یكی از بهترین آزمایشاتی كه به وسیله آن می توان خاصیت ذره ای نور را مشاهده كرد و دریافت، اثر كامپتون است. این پدیده را كه نمی توان آنرا در پرتو فیزیك كلاسیك  توجیه كرد آرتور هالی كامپتون در سال 1922 كشف كرده است. وی  طی آزمایشی نشان داد كه با تابیدن نور با بسامد (رنگ) مشخص بر سطح فلزی براق، الكترون ها و فوتون ها به صورت ذره ای با یكدیگر برخورد می كنند.
 با ابعادی ریزتر به این اثر نگاه می كنیم: در هنگام تابش یك فوتون به الكترون آزادی كه در سطح فلز قرار دارد برخورد می كند و بخشی از انرژی خود را به الكترون می دهد كه طی این برخورد ذره را از مسیر خویش منحرف كرده و به آن انرژی منتقل می كند (شكل 1):

(شكل 1)

پس از این برخورد بدلیل اینكه اندازه حركت ثابت می ماند فوتون تخریب می شود كه این تخریب با كاهش انرژی یا تغییر بسامد (رنگ) فوتون می باشد. كه مقدار این تغییر بسامد را می توان با توجه به رابطه زیر محاسبه كرد.(شكل 2)

(شكل 2)

از طرفی همانطور كه گفته شد انرژی ذره افزایش پیدا می كند كه نتیجة این افزایش انرژی، افزایش سرعت ذره می باشد. (شكل 3)

                                  
(شكل 3)

 با محاسبه انرژی فوتون پس از برخورد و با داشتن معلوماتی چون جرم الكترون، سرعت نور، انرژی ابتدایی فوتون می توان زاویه انحراف الكترون را بدست آورد.(شكل 4)                                                                                    

 
(شكل 4)
 
ممكن است در برهم كنش فوتون با ماده همه انرژی فوتون به ماده منتقل شود و یا اینكه فوتون جذب الكترون شود:

اصل موضوعه اتم بور:

نیلز بور1 در سال 1913 بعد از اینكه نظریه اتمی رادرفورد نتوانست چرخش الكترون به دور هسته و پایدار ماندن اتم را توضیح دهد، مدلی نوین را برای اتم ارائه داد. در این مدل بور به عناون اصل می پذیرد كه الكترونها تنها می توانند گذارهای ناپیوسته ای از یك مدار مجاز به مدارهای مجاز پایین تر انجام دهند، و تغییر انرژی، به صورت تابش با بسامد زیر ظاهر می شود:
الكترونها می توانند با جذب فوتون، گذار به مداری با انرژی بیشتر انجام دهند.

اثر فوتوالكتریك:

 این اثر كه حالتی خاص از پدیده كامپتون است یكی از 4 مقاله2 تكان دهنده ای بود كه آلبرت اینشتین3 در سال 1905 نوشت. البته تحقیقات اولیه این اثر را هرتز4 در سال 1887انجام داد.  هاینریش رودلف هرتز دانشمند آلمانی كه سالهای زیادی از عمر علمی خود را صرف تحقیقات بر روی امواج كرد آغازگر كشف اثری بود كه بعدها یك پایه استوار تجربی برای نظریه مكانیك كوانتوم و ذره ذره یا گسسته بودن انرژی شد.
هاینریش هرتز در حالی كه سرگرم مطالعات امواج الكترومغناطیس بود متوجه این موضوع شد كه با تاباندن نور با طول موج های كوتاه یا ماورا بنفش به سطح كلاهك فلزی الكتروسكوپی با بار منفی باعث تخلیه شدن كلاهك فلزی می شود.
همانطور كه گفته شد كار بر روی این اثر و توجیه آن در پرتو نظریه كوانتوم كه در آن روزها یك تئوری نوپا بود، به همت آلبرت اینشتین جوان انجام شد كه دستاوردی بزرگ برای او و علم فیزیك به همراه داشت. اینشتین به واسطه توجیه این پدیده نوبل فیزیك را از آن خود كرد و فیزیكدانان به نظریه بزرگ كوانتوم جدی تر از قبل نگاه كردند.
این پدیده می گوید كه اگر برسطح فلزی براق نور بتابانیم مشاهده می كنیم كه در فركانسی خاص و ویژه الكترونها از سطح فلز جدا می شوند.(شكل 5)

(شكل 5)

حال اگر در محفظه ای ایده آل در مقابل سطح فلزی كه در حال گسیل كردن الكترون است (كاتد) قطعه ای آندی قرار دهیم. می بینیم كه جریان الكتریكی ایجاد می شود. كه به آن جریان فوتوالكتریكی می گوییم. حال باید ببینیم چه عواملی در این پدیده وجود دارد كه موجب می شود تا برای توجیه آن به مكانیك كوانتوم رجوع كنیم.
آ - در این پدیده مشاهده می شود كه شدت جریان فوتوالكتریكی ایجاد شده مستقل از شدت نور می باشد و فقط به بسامد (رنگ) نور بستگی دارد. این مشاهده در حالی انجام شد كه ماكس پلانك5 فیزیكدان بزرگ آلمانی به تازگی با توجه به تابش جسم سیاه اثبات كرده بود كه انرژی بر خلاف تصور مكانیك كلاسیك ماهیت كوانتایی یا ذره ذره دارد. كه مقدار انرژی نور تنها به بسامد بستگی داشته و از شدت آن مستقل است. این مشاهده از پدیده فوتوالكتریك به وسیله فرمول پلانك یا بطور كلی تئوری كوانتوم قابل توجیه بود
ب- هر كاتد دارای یك فركانس ویژه می باشد بطوری كه اگر بسامد نور تابانده شده از این فركانس ویژه یا بسامد آستانه كمتر باشد هیچ جریان فوتوالكترونی ایجاد نخواهد شد و این آستانه برای فلزهای مختلف متفاوت است.  اینشتین با در نظر گرفتن كوانتومهای انرژی نشان داد كه هر فوتون انرژی الكترون را به اندازه معین افزایش می دهد پس بدیهی است كه مقدار انرژی كه صرف جدا كردن الكترون می شود از فلزی به فلز دیگر فرق كند، اما نباید به انرژی الكترون بستگی داشته باشد.

اصل عدم قطعیت

یكی از بزرگترین دستاوردهای علمی بشر اصل عدم قطعیت و تعابیر فلسفی آن می باشد
این اصل را ورنر هایزنبرگ6 با كمك های نیلز بور در سال 1927 ارائه كرد.
برای آنكه تكانه و وضعیت آینده ذره ای را پیش بینی كنیم باید بتوانیم وضعیت و تكانه فعلی آن را به دقت اندازه بگیریم . بدیهی است برای اندازه گیری باید ذره را در پرتو نور مورد مطالعه قرار دهیم چون برخی از امواج نور به وسیله ذره پراكنده خواهند شد و در نتیجه وضعیت ذره مشخص می شود . اما دقت اندازه گیری وضعیت یك ذره بناگزیر از فاصله بین تاجهای متوالی موج نور كمتر است در نتیجه برای تعیین دقیق وضعیت یك ذره باید از نوری با طول موج كوتاه تر استفاده كرد . حال بنابر فرضیه كوانتوم پلانك ، نمی توانیم هر قدر دلمان خواست مقدار نور را كم اختیار كنیم ،  دست كم باید یك كوانتوم نور مصرف كنیم . این كوانتوم یا همان فوتون ذره را متاثر خواهد كرد . از این گذشته برای آنكه وضعیت ذره را هر چه دقیق تر اندازه بگیریم . باید از نوری با طول موج كوتاهتر استفاده كنیم كه با توجه به رابطه پلانك كه می گوید فركانس با انرژی رابطه مستقیم دارد انرژی هم افزایش پیدا می كند و بنابراین انرژی هر كوانتوم بیشتر می شود . با افزایش انرژی نور تابانده شده مقدار انرژی جنبشی كه به الكترون تزریق می شود افزایش پیدا می كند. كه باعث زیاد شدن اندازه حركت الكترون می شود بنا براین هرچه تلاش كنیم كه موقعیت الكترون را دقیق تر مشخص كنیم اندازه حركت آنرا بیشتر تغییر خواهیم داد. به عبارتی دیگر ما هیچگاه نمی توانیم آینده ذرات را با وجود اصل ذاتی عدم قطعیت  به طور دقیق مشخص كنیم كه این دستاورد دقیقا در مقابل فلسفه فكری مكانیك نیوتونی قرار دارد.
با یك مدل ساده می توان گفت كه مكانیك نیوتونی برای توصیف وضعیت ذره تنها نیاز به یك عكس در لحظه ای معین از ذره دارد. یعنی با داشتن خاصیت های كمی ذره می تواند وضعیت ذره را پیش بینی كند حال آنكه مكانیك كوانتوم از ذره فیلم می گیرد. یعنی هزاران عكس از ذره را در نظر می گیرد. و اساس توصیف وضعیت ذره را بر میانگین و احتمالات می گذارد. یا به عبارتی دیگر در برگیرنده همه چیز و در عین حال هیچ چیز.
این اصل می گوید اندازه حركت و مكان ذره (و هر زوج دیگری كه دیمانسیون حاصلضربشان با این زوج برابر شود) در كوانتوم بر خلاف نظریه كلاسیك مكمل یكدیگرند.
 و كوانتوم هیچ آزمایشی را برای رد كردن این اصل ممكن نمی داند. كه حدس زدن همین آزمایش ها زمانی داغترین موضوع بحث كنفرانسهای فیزیك از جمله انجمن سلوای7 بود.
در ادامه بحث چند آزمایش در مورد عدم قطعیت را بررسی خواهیم كرد:
آ- پراش الكترون: فرض كنید فاصله شكافها از یكدیگر و فاصله شكافها تا پرده مقدار های معینی باشند. در اینصورت انتظار ما از آزمایش اینست كه با رقراری شرط محاسبه شده تداخل سازنده انجام شود. حال آنكه آزمایش با خطا همراه است و عدم قطعیت یك ابهام در مكان الكترون بوجود می آورد.
كه دلیل ایجاد شدن این عدم قطعیت حضور ناظری بر آزمایش می باشد.
ب- میكروسكوپ هایزنبرگ: هدف اصلی این آزمایش اینست كه بوسیله نوری كه الكترون ها پراكنده می كنند مكان آنها مشخص شود. یعنی بوسیله یك عدسی می توان نور پراكنده شده توسط الكترون را مشاهده كرد. حال برای محاسبه دقیق تر مكان الكترون ها باید توان تفكیك را تغییر داد یا به عبارتی دیگر عدم قطعیت در مكان الكترون را كه تابع طول موج و سینوس زاویه ای كه میان محور اصلی و  خط گذرنده از نقطه ابتدای عدسی می باشد،  را باید كاهش داد. اما این كار باعث می شود تا تكانه با دقت كمتری محاسبه شود. كوانتوم می گوید راستای حركت فوتون پس از پراكندگی در محدوده تشكیل نامعین است. در نتیجه تكانه عدم قطعیتی دارد كه با زاویه ذكر شده رابطه مستقیم دارد. یا به عبارتی دیگر اگر ما بخواهیم بوسیله كاهش سینوس زاویه مذكور عدم قطعیت اندازه حركت را كم كنیم آنگاه عدم قطعیت ما در مكان افزایش می یابد.
پ- الكترون ها در مدار اتم بور: در این آزمایش تحت مطالعه قرار دادن الكترون باعث انتقال مهارنشدنی تكانه به الكترون می شود. كه خود عدم قطعیتی در انرژی الكترون ایجاد می كند كه بسیار بزرگتر از اترژی بستگی الكترون در مدار می باشد. یا به عبارتی دیگر این جذب تابش در الكترون موجب خارج شدن الكترون از مدار می شود. كه ازین رو نمی توان مدلی از مدار به دست آورد.
نكته مهمی كه از آزمایش آخر نتیجه می گردد اینست كه عدم قطعیت تنها به زوج اندازه حركت و مكان محدود نمی گردد بلكه زوج های دیگری همچون انرژی- زمان را در بر می گیرد. كه می توان گفت كه این زوج حاصل و ثمره نظریه نسبیت است.
ت- بودن یا نبودن مسئله اینست. (گربه شرودینگر): یكی از عمیق ترین آزمایشاتی كه توسط ذهن خلاق اروین شرودینگر8 جوان شكل گرفت آزمایش گربه شرودینگر بود. هرچند این آزمایش بیشتر به یك سفسطه فلسفی شبیه است تا یك آزمایش اما تفكر ذهنی كه پس از مطالعه این آزمایش به دست میاید اعتماد ما را نسبت به عدم قطعیت بیش از پیش جلب می كند.
در این آزمایش او اتاقی در بسته را در نظر می گیردكه درونش یك گربه وجود دارد و شامل مقداری سیانور در یك شیشه شكننده كه به یك چكش وصل است می باشد. در این اتاقك مقدار بسیار كمی ماده رادیواكتیو است كه ممكن است در یك زمان طولانی حتی یك اتم آن تجزیه نشود. و در این اتاقك شمارشگر گایگر موجود است كه به محض اكتیو شدن ماده رادیواكتیو رله چكش را به كار می اندازد و این چكش شیشه حاوی سیانور را می شكند و حیوان می میرد. حال سوال اینست كه آیا در صورت باز نكردن جعبه می توانیم در مورد زنده بودن یا نبودن جانور حرفی بزنیم. شرودینگر می گوید كه زندگی گربه پنجاه-پنجاه است.  جان ویلسون می گوید: « طبق كوانتوم گربه تا زمانی كه كسی در جعبه را باز نكرده و مشاهده ای انجام نداده در حال زنده و مرده قرار دارد»
ث- در حیطه ماكروسكوپیك: اگر از خطاهای كوچك در حوزه مكانیك كلاسیك چشم نپوشیم آنگاه این اصل را می توان برای اجسام ماكروسكوپیك هم بكار گرفت.
بطور مثال یك توپ را در نظر بگیرید اگر این توپ را از ارتفاعی رها كنیم به زمین می خورد و به سمت بالا بر می گردد وآنقدر این كار را ادامه می دهد تا بایستد.اما آیا واقعا از حركت ایستاده است؟ اصل عدم قطعیت می گوید نه! به این دلیل كه اگر این توپ بخواهد دقیقا در یك نقطه باقی بماند در آن صورت مكان دقیقش مشخص می شود طبق اصل عدم قطعیت اگر عدم قطعیت ما در مورد مكان كم باشد عدم قطعیت ما در مورد اندازه حركت فوق العاده زیاد است
به حدی كه اصلا نمی توانیم عددی برای اندازه حركت قائل شویم. بنا براین احتمال اینكه توپ از حركت ایستاده باشد صفر است.  یعنی به محض مشاهده، نور به آن انرژی وارد می كند پس ما هیچگاه نمی توانیم واقعیت یا همان از حركت ایستادن توپ را ببینیم.) بوسیلة این اصل و استدلالی مشابه می توانیم توجیه كنیم كه چرا ذرات داخل اتم مدام در حال حركت هستند.
آزمایشات دیگری نیز مطرح شده است كه از میان آنها می توان به مهمترین آنها یعنی پدیده تونل زنی در كوانتوم كه بر اساس علم احتمالات در كوانتوم شكل گرفته است اشاره كرد.
این اصل نگاه دیگری را به نوع نگرش فیزیك در طبیعت می بخشد.كوانتوم بوسیله این اصل توانست در خط فكری فلسفه قرن 20 و مسیر كلی فلسفه علم تغییرات مهمی را ایجاد كند.

 عدم قطعیت و سرنوشت غیر قابل پیش بینی:

سالها از مطرح شدن این اصل توسط هایزنبرگ می گذرد اما این اصل همچنان به قوت خویش باقیست. و تمام نظریه ها كه مطرح شد و تمام برداشتهایی كه بعدها از نظریه كوانتوم انجام شد این اصل را محترم شمرد.
از دل اصل عدم قطعیت نظریه های دیگری بیرون آمدند كه از بین آنها می توان به نظریه آشوب اشاره كرد. این تئوری یكی از مهمترین جریانات در فیزیك مدرن پس از كوانتوم بود. این نظریه تلاشی است برای پاسخگویی به پرسش هایی كه نشان از ایجاد حوادث مهم توسط حركات آشوبناك دارد. كشف وجود پدیده های تصادفی در نظام غیر قابل پیش بینی فیزیك به برآمدن رشته جدیدی از علم منجر شده است كه مدعی جهان ما بسیار غیر قابل پیش بینی تر از آنیست كه تصور می شد! نظریه آشوب با در نظر گرفتن تمام آثاری كه فیزیكدانان آنها را تا پیش ازین از محاسبات خویش حذف می كردند توانست جلوه دیگری از طبیعت را آشكار سازد: « پروانه ای در برزیل بال می زند و در نقطه ای از آمریكای شمالی سیل می آید » . البته نباید ازین مسئله غافل شد كه نظریه آشوب غالبا در سیستم هایی حاكم است كه حساسیت فوق العاده نسبت به شرایط اولیه دارند یا اینكه به دلیل دارا بدن فاكتورهای زیر تحت تاثیر اثرات شگفت انگیز آشوب قرار می گیرند:
میان رشته ای بودن.
بزرگ مقیاس بودن.
دارابودن تعداد زیاد پارامتر های مداخله گر.
غیر خطی یا بودن. بویژه زمانی كه رفتار دیفرانسیلی باشد. یعنی عامل زمان
(نرخ و سرعت تغییر) در سرنوشت و رفتار سیستم اثر بگذارد.
این نظریه مدعی است كه پیچیده ترین ساختار ها تركیبی از چند قاعده ساده هستند.
اما این نظریه تنها بر ژنتیك و هواشناسی حاكم نیست بلكه اگر به هر خاطره ذهنی به چشم یك فركانس نگاه كنیم می بینیم كه یك خاطره كوچك می تواند آشوبی در ذهن به پا كند..

اما آشوب چگونه بوجود آمد؟

نخستین بار سیستمهایی مشاهده شدند كه اگرچه در قلمرو فیزیك مكانیك كلاسیك بودند، اما رفتار دینامیك و غیر خطی آنها باعث شده بود تا پیش بینی رفتار بلند مدت آنها عملا غیر ممكن گردد.
بعدا ثابت گردید كه نه تنها در عمل پیش بینی نا ممكن است بلكه در تئوری نیز سدهایی برای رسیدن به یك پیش بینی دقیق و دراز مدت وجود دارد.
دانشمندی بنام لورنتس در سال 1965 مشغول پژوهش روی مدل ریاضی بسیار ساده ای كه از آب و هوای زمین بود ، به یك معادله دیفرانسیل غیر قابل حل رسید.
وی برای حل این معادله به روشهای عددی با رایانه متوسل شد. او برای اینكه بتواند این كار را در روزهای متوالی انجام دهد، نتیجه آخرین خروجی یك روز را به عنوان شرایط اولیه روز بعد وارد می كرد. لورنتس در نهایت مشاهده كرد كه نتیجه شبیه سازی های مختلف با شرایط اولیه یكسان با هم كاملا متفاوت است. بررسی خروجی چاپ شده رایانه نشان داده كه رویال مك‌بی رایانه‌ای كه لورنتس از آن استفاده می كرد، خروجی را تا ۴ رقم اعشار گرد می كند. از آنجایی محاسبات داخل این رایانه با ۶ رقم اعشار صورت می گرفت، از بین رفتن دورقم آخر باعث چنین تاثیری شده بود. مقدار تغییرات در عمل گرد كردن نزدیك به اثر بال زدن یك پروانه است. این واقعیت غیر ممكن بودن پیشبینی آب و هوا در دراز مدت را نشان می دهد..

نظم در آشوب:

هم شكلی: در تئوری آشوب ؛ نوعی شباهت بین اجزاء و كل قابل تشخیص است. بدین ترتیب كه هر جزئی از الگو همانند و مشابه كل می باشند. خاصیت خودمانائی در رفتار اعضای سازمان نیز می تواند نوعی وحدت ایجاد كند ؛ همه افراد به یكسو و یك جهت و هدف واحدی نظر دارند.
جاذبه های بی نظم: جاذبه ها انواع مختلف دارند مانند جاذبه نقطه ثابت ؛ جاذبه دور محدود ؛ جاذبه گوی مانند و جاذبه بی شكل یا بی نظم. جاذبه های بی نظم برخلاف جاذبه هابی قبلی كه نوعی نظم و قابلیت پیش بینی داشتند ؛ بی نظم هستند و به همین خاطر برخی آنها را جاذبه های بی نظم نیز نامیده اند. اما همین جاذبه بی نظمی از الگوهای خاص و مشخصی تبعیت می كنند.
پویا بودن: سیستمهای بی نظم خود را با محیط پیرامون وفق می دهند.

توضیحات پایانی:

1-  دانشمند و فیلسوف بزرگ دانماركی كه مكانیك كوانتوم را بنیان نهاد.
 
نیلز بور
2- نسبیت خاص، حركت براونی، فیزیك برای مواد حالت جامد  و  اثر فوتو الكتریك
3- دانشمند بزرگ آلمانی كه در سال 1879 در اولم آلمان بدنیا آمد و در سال 1955 در آمریكا درگذشت.
 

آلبرت اینشتین

صدای سخنرانی اینشتین:  
4-  دانشمند پرتلاش آلمانی كه وجود امواج الكترومغناطیس را اثبات كرد. وی در سال 1857 در آلمان بدنیا آمد و در سن 37 سالگی درگذشت.

  
 هاینریش هرتز

5-  دانشمند آلمانی كه با مطرح كردن رابطه كوانتش انرژی انقلابی در فیزیك ایجاد كرد. وی در سال 1947 در سن 89 سالگی در آلمان  از دنیا رفت.
  
ماكس پلانك

6 - دانشمند بزرگ آلمانی كه در سال 1901 چشم به جهان گشود و در سال 1976 در مونیخ درگذشت.

 ورنر هایزنبرگ

7- كنفرانسی كه در آن بزرگان علم فیزیك برای تبادل نظر در مورد آخرین دستاوردهای علم گرد هم می آمدند

  انجمن سلوای

8-  فیزیكدان اتریشی كه در سال 1887 بدنیا آمد و در سال 1961 از دنیا رفت. 


 اروین شرودینگر
 




نوع مطلب : كوانتوم و فیزیک جدید، 
برچسب ها :

       نظرات
چهارشنبه 24 مرداد 1386
سوسن