مقدمه

این تعارض جوهر مانای ذره گونه که با انتشار موج - ذره رخ می‌دهد، نظریه کوانتوم توصیف عینی یابد، آنگاه می‌توانیم موقعیتهای آن را در لحظات پی در پی مشخص و مسیر آن را معین کنیم. اما ذراتی که مسیرهای مشخصی را طی می‌کنند، مشخصه نقش تداخلی موج گونه آنها را برای هر نوع ماده‌ای که واقعا قابل مشاهده باشد، ایجاد نمی‌کند. در آزمایشگاه ، این نقشها همچون نقشی از تیک تاکهای آرایه‌ای از آشکار سازها مشاهده می‌شود. تمهیدات مستند نظریه کوانتومی این نقشها را بوسیله یک تابع موج در فرمالیزم ریاضی آن نظریه بوجود می‌آورد.

این تابع موج احتمال آشکار سازی یک تیک تاک را توصیف می‌کند و چشم به راه یک شیء "حقیقی" نیست. بنابراین ، نظریه کوانتومی با نفی اینکه "موج" یا "ذره" "حقیقی" هستند، مسأله موج - ذره را حل می‌کند. به علاوه ، نظریه کوانتومی با آنچه که از معانی متعارف و رسمی آنها برداشت می‌شود. مفهوم ماده گاهی موج و گاهی ذره است را ندارد.

بر اساس اصل دوبروی ، در مورد ذرات دو حالت ذره‌ای و موجی در نظر گرفته می‌شود،
که البته این خاصیت در دنیای میکروسکوپی بیشتر مورد مطالعه است. به عنوان مثال ، اگر ذره‌ای به جرم یک گرم که با سرعت معمولی در حال حرکت است، در نظر بگیریم طول موج منتسب به این ذره ، چنان کوچک خواهد بود که اصلا قابل ملاحظه نیست. اما در مورد ذراتی مانند الکترون ، این طول موج قابل توجه است. بنابراین با توسل به این اصل می‌توان تابش الکترومغناطیسی را نیز متشکل از ذراتی دانست که این ذرات را فوتون می‌گویند.

واقعیت کوانتومهای نور

نظریه پلانک در ارتباط با بسته‌های انرژی تابشی ، تا اندازه‌ای مبهم بود و فقط به عنوان مبنایی برای توزیع آماری انرژی میان طول موجهای مختلف در طیف الکترومغناطیسی بکار می‌رفت. پنج سال بعد از "پلانک" ، "آلبرت انیشتین" توانست این مفهوم را به صورت مشخص‌تری بیان کند. انیشتین مفهوم کوانتومی نور را برای توجیه اثر فوتوالکتریک بکار برد. بر این اساس ، فوتون‌ها که دارای انرژی معینی هستند، بعد از برخورد با الکترون‌های اتم ، انرژی خود را به آنها داده ، خود از بین می‌روند. این امر می‌تواند به عنوان یک مسئله برخورد میان دو ذره با استفاده از نظریه برخورد توضیح داده شود.

بعد از برخورد ، فوتون از بین می‌رود و الکترون با انرژیی که از فوتون می‌گیرد، از ماده جدا می‌شود و سبب ایجاد یک جریان فوتوالکترونی در مدار خارجی می‌گردد. مقدار جریان در مدار خارجی ، بسته به تعداد فوتونهایی که بر سطح ماده موجود در کاتد تابیده می‌شود، متفاوت خواهد بود.

تأییدی دیگر بر وجود فوتون

آزمایش دیگری که توانست وجود فوتونها را بصورت تجربی به اثبات رساند، مربوط به آزمایش است که توسط "کامپتون" انجام شد. این آزمایش که بعدها نام اثر کامپتون را بر خود گرفت، به این صورت بود که تابش الکترومغناطیسی یا فوتون‌ها توسط مواد مختلف پراکنده می‌شود. به بیان دیگر ، در این آزمایش فوتون بعد از تابش مقداری از انرژی خود را به یک الکترون تقریبا آزاد منتقل می‌کرد و خود با انرژی کمتر در راستای دیگر منحرف می‌شد. نتایج این آزمایش که با استفاده از مفهوم کوانتومی نور صورت می‌گرفت، با نتایج تجربی کاملا تطابق داشت.

جرم فوتون

واقعیت جرم فوتون ، به خاصیت عکس مجذوری قانون کولن بر می‌گردد. بر اساس قانون کولن ، نیروی الکتریکی که دو ذره باردار به یکدیگر وارد می‌کنند، نیرویی است که با مجذور فاصله بین آنها نسبت معکوس دارد. اما این مطالب در تمام شرایط دقیقا درست نیستند، یعنی در فواصل خیلی کوچکتر انحرافاتی وجود دارد و این نیرو دقیقا عکس مجذوری نیست. در این حالت باید فوتونها را ذراتی دارای جرم بدانیم. اما در موارد دیگر که تقریبا بیشتر موارد را شامل می‌شود، این نیرو دقیقا عکس مجذوری است. بنابراین در این حالت باید فوتونها را ذراتی بدون جرم تصور کنیم.

مقدمه
آنچه که ما به عنوان ابر می‌شناسیم در واقع تجمع ذرات بخار آب موجود در جو به دور هسته‌های تراکم و سرد شدن آنهاست. از آنجا که با مشاهده نوع و نحوه تغییرات ابرها می‌توان اطلاعات قابل ملاحظه‌ای درباره وضعیت جو بدست آورد، مطالعه و بررسی ابرها دارای اهمیت ویژه‌ای است. عامل اصلی تشکیل ابر صعود هوای گرم و مرطوب به سطح فوقانی جو و سرد شدن آن است و در صعود به ارتفاعات بالاتر جو تحت تأثیر فشار کم آن سطوح قرار گرفته و همگام با انبساط سرد می‌شود.

عومل موثر در صعود هوا

تربولانس مکانیکی (اصطکاکی)

این تربولانس در اثر عبور هوا بر روی ناهمواریهای سطح زمین ، در اثر برش باد و تغییرات بردار باد در جهت قائم نیز ایجاد می‌شود. بخشی از هوا که با مرز ساکن در تماس است خود نیز در حال سکون می‌باشد، اما با بالا رفتن هوا بر سرعت آن نیز افزوده می‌شود. با افزایش سرعت هوا به بیش از یک مقدار مشخص حرکات تربولانس ایجاد می‌شود. این تربولانس بیشتر باعث تشکیل ابرهای پوششی می‌شود.

تربولانس حرارتی (جابجایی عمودی)

این تربولانس نتیجه تابش خورشید بر خشکیها و گرم شدن سطح زمین است. اما گاهی این پدیده به علت عبور توده‌های سرد بر روی زمین گرم یا دریای گرمتر نیز بوجود می‌آید. این حرکت بیشتر در ایجاد ابرهای جوششی اهمیت دارد.

صعود در اثر ناهمواریها

هوای نزدیک سطح زمین و سطح فوقانی در صورت برخورد با موانع طبیعی مثل کوهستان وادار به صعود می‌شوند.

صعود ملایم و گسترده

بیشتر در اثر واگرایی سطوح فوقانی تروپوسفر بوجود می‌آید. در اثر جروج هوا در سطح فوقانی جرم ستون هوا در سطح زمین کاهش یافته و در نتیجه فشار ستون هوا در سطح زمین کاهش می‌یابد. این واگرایی در سطوح بالا و همگرایی در سطوح پایین باعث صعود ملایم و گسترده هوا در عمق زیادی از تروپوسفر می‌شود. در صورت وجود رطوبت کافی توسعه ابر بصورت گسترده روی خواهد داد. صعود ملایم و گسترده روی خواهد داد. صعود ملایم و گسترده بیشتر در نزدیکی منطقه جبهه و مرکز کم فشار رخ می‌دهد.

چرا ابرها از آسمان نمی‌افتند؟

ابرها از قطرات ریز آب و یا از بلورهای یخ و گاهی اوقات نیز از مخلوطی از این دو می‌باشند. معمولا ابر هنگامی تشکیل می‌شود که هوا به بالا رانده شود. چون هوای موجود در لایه‌های پایینتر نسبت به هوای موجود در بالا گرمتر بوده و از تراکم کمتری نیز برخوردار می‌باشد. لذا به بالا می‌رود (برخی اوقات نیز علت این رانش ، حرکت هوا به سمت بالای کوه و قله آن است). هنگامی که هوا به سمت بالا می‌رود، سرد می‌شود و سرانجام به سطحی می‌رسد که به سطح انقباض معروف است. در این هنگام هوا اشباع و بخار آب موجود در آن منقبض و متراکم می‌شود و به قطرات آب تبدیل می‌گردد.

اما اگر ابرها دوباره به سمت زمین می‌آمدند، هوا به تدریج گرم می‌شد و همینطور که آب پایین می‌آمد از سطح انقاض عبور می‌کرد و از آن خارج می‌شد، در نتیجه قطرات آب دوباره به حالت بخار در می‌آمدند و بدین ترتیب ابر از بین می‌رفت. در برخی مواقع ابر در لایه‌های بسیار پایین نیز وجود دارد و این همان چیزی است که به مه معروف است. مه در واقع ابری است که در سطح زمین تشکیل می‌شود. در صورتی که سطح انقباض در ارتفاع بسیار پایین قرار داشته باشد، باعث می‌شود که هوا در نزدیکی سطح ومین اشباع و بخار آب موجود در آن منقبض شود و تبدیل به مه یا ابر نزدیک به زمین گردد.

نامگذاری ابرها

در نامگذاری ابرها از کلمات لاتین با ریشه یونانی استفاده می‌شود. این نامگذاری با توجه به نوع و شکل و همچنین خصوصیات ابر انجام می‌گیرد. در جدول زیر کلماتی که در نامگذاری ابرها بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرد را با معانی آورده شده:

سایر کلماتی که بکار می‌برند:

دسته‌های ابر

ابرها دارای ده دسته اصلی هستند که هر کدام از این ده دسته اصلی خود به یک یا چند دسته دیگر تقسیم می‌شوند. دسته‌های اصلی عبارتند از:

1. سیروس Ci
2. سیرو کومولوس Cc
3. سیرو استراتوس Cs
4. آلتو کومولوس Ac
5. آلتو استراتوس As
6. نیمبو استراتوس Ns
7. استراتو کومولوس Sc
8. استراتوس St
9. کومولوس CU
10. کومولو نیمبوس Cb

طبقه بندی ابرها

ابرها را از چند دیدگاه مختلف طبقه بندی می‌کنند:

1. از نقطه نظر ترکیب
2. از نقطه نظر شدت و سرعت فرآیند تراکمی که منجر به تشکیل ابر می‌شود.
3. از نقطه نظر ارتفاع کف ابر از سطح زمین:
   • ابرهای پایین
   • ابرهای میانی
   • ابرهای بالا
     

تفاوتی که ما در شکل ابرها می‌بینیم، نتیجه تفاوت در شدت و سرعت عمل فرآیند تراکمی است که منجر به تشکیل ابر می‌شود. از این منظر ابرها را به دو گروه تقسیم می‌کنند:

1. ابرهای پوششی
2. ابرهای جوششی

رابطه ابرها و جبهه‌ها

نزدیک شدن جبهه گرم با ظهور ابرهای سیروس و سیرو استراتوس که پیوسته ضخیم می‌شوند مشخص می‌گردد. در صورت وجود توربولانس امکان تشکیل سیرو کومولوس نیز وجود دارد. با نزدیکتر شدن جبهه گرم و پایین آمدن هوای گرم ابرهای میانی نظیر آلتو استراتوس و آلتو کومولوس نیز بوجود می‌آیند. گسترش این ابرها امکان بارش را نیز زیاد می‌کند.

از بین رفتن ابر

با توقف تمام فرآیندهای تشکیل ابر توسعه طبیعی آن نیز تضعیف می‌گردد. همچنین عواملی مانند گرم شدن هوا و بارش و اختلاط با هوای خشک اطراف باعث کاهش قطرات آب و کرستالهای یخی در ابر شده و بدین تدتیب ابر از بین می‌رود. عوامل مهم در از بین رفتن ابر:

1. گرم شدن ابر
2. کاهش رطوبت نسبی
3. خور تابگیری
4. کاهش انرژی تابشی
5. اختلاط ابر با هوای غیر اشباع اطراف
6. بارش

اجزای اصلی هسته

ذرات اساسی که کلیه هسته‌ها از آنها ترکیب شده است، عبارتند از:

• پروتون‌ها
  
  
• نوترون‌ها

خواص اساسی هسته

این خواص بر دونوع است که عبارتند از :
خواص مستقل از زمان : خواصی هستند که وابسته به زمان نیستند. مانند جرم ، اندازه ، بار
خواص وابسته به زمان : خواصی هستند که وابستگی به زمان دارند. مانند واپاشی پرتوزا و واکنشهای هسته‌ای
جرم و بار هسته

جرم هسته را می‌توان با این فرمول زیر پیدا کرد : M=Z×Mh + N×Mn که در آن ، M جرم هسته ، Mh جرم یک اتم هیدروژن یا جرم پروتون و Mn جرم نوترون می‌باشند.

شعاع هسته

آزمایش‌های دقیق‌تر با بهره‌گیری از پراگندگی ذرات هسته‌ای دیگر و الکترون‌ها نشان داده‌اند. شعاعی که در آن ، آثار هسته‌ای ظاهر می‌شود، از رابطه زیر بدست می‌آید:

R=R₀ A^1/3
که در آن ، R0 ثابت شعاع دارای این مقادیر است:R₀=1.2 F , 1.4 F که در آن F نماد فرمی ، واحد طول هسته‌ای است و A جرم اتمی می‌باشند.
خواص دینامیکی هسته

• هسته‌ها مانند اتم‌ها می‌توانند در حالت برانگیخته با انرژی‌های معین باشند. گذارهای بین حالت‌های برانگیخته با گسیل تابش الکترو مغناطیسی صورت می گیرد (اشعه گاما).
  
  
• هسته‌ها همچنین می‌توانند به یگدیگر تبدیل شوند. بعضی از تبدیل‌ها خود به‌ خود با گسیل الکترون‌های مثبت یا منفی (ذره بتا) یا گسیل ذره آلفا صورت می‌گیرد.
  
  
• تبدیل‌های متنوعی را می‌توان توسط بمباران هسته‌ای القاء کرد.
  
  
• قانون بقای ذرات: تعداد نوکلئون‌ها تحت هر شرایطی و هر تبدیلی پایسته است(مجموعشان ثابت است).

پروتون

جرم پروتون

بار الکتریکی

پاد پروتون (ضد پروتون)

ترتیب در هسته اتم

ایزوتوپها

کاربرد

الکترون

نگاه اجمالی

سیر تحولی و رشد

ساختار اتم الکترونی

انتقال الکترونها

گسیل الکترون

انواع الکترونها

الکترون آزاد

الکترونی که از اتم جدا شده و به آن بستگی ندارد. الکترونهای بیرونی‌ترین لایه‌های اتمهای فلزات بستگی کمتری نسبت به اتمهای خود دارند و با گرفتن انرژی کوچکی از این اتمها کنده می‌شوند و به شکل توده‌ای از ابر یا گاز ، شبکه‌های اتمی فلزات را در بر می‌گیرند. هنگامی که الکترونهای آزاد در میدان الکتریکی قرار گیرند، جریان الکتریکی بوجود می‌آید.

الکترون اوژه

الکترون اوژه نوعی الکترون آزاد است که از اتم یا یون گسیل می‌شود. الکترون اوژه از بازآرایی الکترونهای مقید از اتم یا یون اولیه سرچشمه می‌گیرد. این بازآیی از واکنش الکترون - الکترون که مولد نیروی دافعه است و می‌تواند بر نیروی جاذبه ناشی از برهمکنش الکترون - هسته فایق آید، صورت می‌گیرد. با آن همه بازآیی یاد شده تنها هنگامی می‌تواند رخ دهد که حداقل جای یک الکترون در تراز انرژی معین اتم یا یون اولیه خاصی باشد و در تراز با انرژی بیشتر از انرژی تهی جا حداقل دو الکترون وجود داشته باشد، یکی از الکترونهای تراز بالاتر به تراز دارای تهی جا سقوط می‌کند و الکترون دیگر به صورت الکترون آزاد از اتم خارج می‌شود.

الکترون ظرفیت یا الکترون والانس

هر یک از الکترونهای لایه خارجی اتم که در ایجاد پیوندهای شیمیایی شرکت می‌کنند.

الکترون رسانش

اتمهای هر فلزی با پیوندهای کووالانسی که راستای کاملا مشخص ندارند و میان چندین اتم پخش شده‌اند، به همدیگر مقید هستند. بنابراین الکترونهایی که قیدشان در ضعیفترین حد است (الکترون ظرفیت) می‌توانند در سراسر فلز حرکت کنند. این الکترونهای متحرک که الکترون رسانش نامیده می‌شود در خواص الکترونی و انتقال گرما در فلزها دخالت دارد.

• مدل گاز آزاد فرمی: برای فلزهای ساده مانند (pb , TI , In , GA , Al , Ba , Sr, Ca , Mg , Be , Rb , Cs , Ka , Na , Li) سهم الکترون رسانش در رسانندگی گازی از فرمیونها بدون برهمکنش و با چشم پوشی از انرژی پتانسیل ناشی از بخش مرکزی یونها ، می‌توان محاسبه کرد. در این مدل ، انرژی مجاز الکترونهای رسانشی پیوسته‌اند و در انرژی فرمی ε_f با یک سطح کروی فردی روبرو هستیم.
  
  
• خواص الکترونی: وقتی یک میدان الکتریکی خارجی به فلز اعمال می‌شود الکترونهای رسانش شروع به شتاب گرفتن می‌کنند. اما برخورد این الکترونها با ناخالصیها به فوتونها ، ناکاملیهای شبکه ، حرکتشان را کند می‌کند، این فرآیند منجر به حالتی مانا می‌شوند که در آن سرعت سوق برای الکترون رسانش عبارت است از: v = -eET/m

که در آن e بار الکترون ، E میدان الکتریکی ، T زمان میانگین بین برخورد (یا زمان واهلش) و m جرم الکترون است.

• سرعت سوق الکترون: میانگین سرعتی که با آن الکترونها یا یونها ، بر اثر میدان الکتریکی در ماده‌ای رسانا یا نیم رسانا جابجا می‌شوند. نیم رساناهای خالص و آلاییده دارای حاملهای (الکترونها و حفره‌های رسانش) آزادی هستند که تحت تأثیر میدان الکتریکی ممکن است در داخل جسم جابجا شوند. تعداد الکترونها و حفره‌ها به جنس نیم رسانا و میزان و نوع آلایش و دمای آن بستگی دارد. اما در هر نیم رسانای قابل استفاده این تعداد معمولا بین 10²² تا 10²⁶ الکترون یا حفره در هر متر مکعب است. در غیاب میدان الکتریکی این حاملها در جهت کاتوره‌ای در جسم حرکت می‌کنند و بنابراین جریان الکتریکی خالص بوجود نمی‌آورند.
  
  هر گاه میدان الکتریکی برقرار شود، بر حاملها نیروی الکتریکی وارد می‌شود و در جهت نیرو به آنها شتاب داده می‌شود، که این امر به ایجاد جریان الکتریکی می‌انجامد. اما حاملها با اتمها و نقص بلور ، مانند ناخالصیها و دررفتگیها نیز برهمکنش و برخورد نیز دارند و این برخوردها سبب میشوند سرعت الکترون کاتوره‌ای شود. به این ترتیب الکترونها و حفره‌ها در جهت نیروی الکتریکی دارای سرعت متوسطی هستند. و این سرعت متوسط یا سرعت سوق با توازن بین نیروی الکتریکی در زمان T فاصله زمانی میانگین بین برخوردها مشخص می‌شود.
  
  سرعت برخورد برابر است با V_p = eTE/m که در آن ، E میدان الکتریکی اعمال شده بر حسب ولتمتر را ، e بار الکترون و ^*m جرم مؤثر حامل است.

اسپین الکترون

اسپین یکی از ویژگیهای درونی ذرات است. اسپین خاصیتی است که به غیر صفر بودن تکانه زاویه‌ای ذره ساکن مربوط می‌شود، اینکه الکترونها دارای اسپین هستند از اهمیت خاصی برخوردار است. اسپین الکترون در شیمی و در جنبه‌هایی از رفتار ماده معمولی ، بویژه در پدیده‌های مغناطیسی نقش اساسی ایفا می‌کند. الکترون حامل اسپین 2/1 هسته و این بدان معنی است که برای الکترون ساکن اندازه گیری تکانه زاویهای نسبت به یک محور مفروض به یکی از دو نتیجه ممکن ħ/2 ± می‌انجامد ħ = h/2π ثابت کاهیده پلانک است.

اسپین الکترون دو پیامد نیزدیکی دارد: یکی اینکه الکترونها را به صورت آهنربایی میکروسکوپیکی در می‌آورد، که هم میدان مغناطیسی تولید می‌کنند و هم در برابر میدان مغناطیسی واکنش نشان می‌دهند. دیگر اینکه یک درجه آزادی داخلی نمی‌توانند حالت کوانتمی یکسان داشته باشند و این خاصیتی است به فرمیون بودن الکترونها مربوط می‌شود.

پراش الکترون

فیزیک کلاسیک ، الکترونها را ذراتی در نظر می‌گیرد با جرم و بار معین ، برهمکنش الکترون با میدانهای الکتریکی و مغناطیسی را می‌توان بر حسب حرکت ذره توضیح داد. آزمایشهای اولیه با لامپ پرتوی کاتودی که باریکه الکترون را فراهم می‌آورد، نشان داد که اجسام کوچکی که در لامپ قرار داده شوند روی پرده فسفری سایه واضح می‌اندازند. این آزمایش با تصویر کلاسیکی الکترون به صورت ذره کاملا سازگار است.

طول موج دوبروی الکترونی با انرژی 10000v یعنی الکترونی که با پتانسیل 1000v شتاب گرفته باشد، برابر 4X10 متر است. چون این مقدار بسیار کوچکتر از اندازه جسم است، اثر پراش بسیار کوچکتر از آن است که دیده شود. بلافاصله بعد از اینکه دوبروی اظهار نظر کرد که ماده باید خواص موجی از خود نشان دهد، والتر الساسر اعلام کرد که پراش الکترونها باید در سطح بلور قابل مشاهده باشد.

مردی که فصلی را در دنیای فیزیک گشود

• ریز تراشه ها چگونه کار می کنند؟

• چرا گچ سفید است؟

• اتم ها چگونه انرژی هسته ای خود را آزاد می کنند؟

نظریه مکانیک کوانتومی شالوده کل صنعت الکترونیک است. و در عین حال ممکن است منشا عالم «انفجار بزرگ) را نیز توضیح دهد. پلانک آنقدر زنده ماند تا ببیند که کوانتای او چه گستره وسیعی از پدیده ها را توضیح می دهند. گستره ای که هنوز هم انتهایی بر آن متصور نیست. اما او همچنان یک "انقلابی میل" باقی ماند.

پلانک سالها در جستجوی راههایی برای رهایی از کوانتوم ها وقت صرف کرد. برای او مایه شرمساری بود که سبب شهرتش دنبال مفهومی باشد که خود او به سختی آن را باور داشت. اما درنهایت اکتشافات بنیاد افکن پلانک بیش از آن که ناشی از استعداد های علمی باشد، از صداقت خلل ناپذیر او برخاسته بود.

پلانک با اینکه باورهای خودش را واژگون شده و ادراکش از واقعیت را دیگر گونه می دید. سرانجام آنچه را که معادلاتش به او می گفتند، پذیرفت. او به یکی از همکاران فیزیکدانش پس از اینکه ستیز برای احتراز از مفاهیم نظریه مکانیک کوانتومی را وانهاده بود، این طور گفته بود: "این کار هیچ فایده ای ندارد ما مجبوریم با نظریه مکانیک کوانتومی زندگی کنیم."

کشفی که به یک انقلاب منجر شد

در ادامه مطالعه جسم سیاه ، در عرض چند ساعت پلانک رابطه ای را یافت که به نظر می رسید قادر به انجام چنین کاری است. او دریافت که طول موج تابش هر مقدار که باشد، پاسخ صحیح را به دست می دهد. سایر دانشمندان به سرعت کشف او را به عنوان پیشرفتی کلیدی مورد تحسین قراردادند، اما برای پلانک تنها این کافی نبود او می خواست بداند که چرا رابطه اش کار می کند؟

در جستجوی پاسخی برای این پرسش او در ذهن خود مجسم کرد که جسم سیاه از نوسانگرهای بسیار کوچکی ساخته شده است که هر یک از آنها تابش های الکترومغناطیسی از خود گسیل می کنند. این گامی بسیار اساسی بود که پلانک برداشت. در آن زمان فیزیکدانان اندکی آنقدر شهامت داشتند که به تشکیل یافتن ماده از اتم ها معتقد باشند. تشکیل شدن انرژی از اجزا کوچک که دیگر جایی برای خود داشت. با این حال به نظرمی رسید که این نگرش کار آمد است.

با استفاده از نظریه الکترومغناطیسی پلانک دریافت که مدلی که او به این ترتیب از جسم سیاه ساخته است، بخشی از رابطه ریاضی انرژی ساطع شده از جسم سیاه را به دست می دهد «محاسبه انرژی تابشی جسم سیاه). تمام آنچه که می ماند، تبدیل کردن این رابطه به شکل رابطه ای بود که پلانک در آن عصر یکشنبه سرهم کرده بود. اینجا بود که پلانک کشف تاریخی اش را انجام داد.

کشف تاریخی پلانک

پلانک دریافت که برای دستیابی به هماهنگی لازم با رابطه یافته شده ، باید فرض را بر این بگذارد که نوسانگرهای کوچک نمی توانند تحت هر فرکانسی که دلشان خواست نوسان کنند. برای فیزیکدانی که با هزاران سال تحقیق و پژوهش در مورد نوسان اشباع شده بود، این کار ارتداد محض بود. حتی یونانیان باستان هم می دانستند که سیم های کشیده شده را می توان تحت هر فرکانسی به نوسان در آورد. حتی اگر نتیجه کار چندان هم موسیقی یایی نباشد.

با این وجود ، برای اینکه رابطه پلانک بتواند کار آمد باشد، او می بایست این را می پذیرفت که نوسان گرهای کوچک در جسم سیاه همانند یک زه ویولن هستند که می توانند دو نت موسیقی متوالی را تولید کند، اما قادر به تولید هیچ صدایی بین آن دو نیست. پلانک تلاش کرد تا از یافته عجیب خودش سردرآورد. اما در دانش شناخته شده فیزیک در آن روز چیزی وجود نداشت که بتواند به او کمک کند.

در آنچه که او بعدها آن را "عملی از روی ناچاری" نامید، پلانک پذیرفت که انرژی تابش شده در واحدهای بسته بندی شده ای که او آنها را کوانتا نامیده، گسیل می شود. و دلیل او نیز چیزی بیش از آن نبود که رابطه حاصل از این رویکرد کار آمد است و به پاسخ های درست منتهی می شود. در عین حال پلانک احساس می کرد که کشفی بزرگ را به انجام رسانده ، همان کشفی که هنگام قدم زدن در آن روز زمستانی برای پسرش از آن صحبت می کرد.

یکی از منافع جنبی کشف او رابطه ساده ای بود که مقدار انرژی موجود در این بسته ها را به طول موج آنها ربط می داد. هر چه طول موج کوتاهتر باشد انرژی بیشتر خواهد بود. ارتباط این دو متغییر را کمیتی که با h نشان داده می شد، برقرارمی کرد. چیزی که در حال حاضر ثابت پلانک خوانده می شود. هم اکنون مشخص شده است که این ثابت همراه با سرعت نور C و ثابت گرانش نیوتن از لحاظ کیهان شناسی اهمیت بسیار زیادی دارد.

پلانک به قله دانش صعود می کند

هم اکنون فیزیک کوانتومی به عنوان موفق ترین نظریه علمی شناخته می شود. زیرا مبدع این نظریه پلانک افتخارات بسیاری از جمله جایزه نوبل فیزیک 1918 را از آن خود کرد. در آن هنگام پلانک 60 ساله باقی توان خود را بر گرد آوردن بهترین فیزیکدانان دوران از جمله آلبرت انیشتین در برلین ، برای کار روی نظریه مکانیک کوانتومی متمرکز کرده بود. این کار ارزشمند را پلانک در حالی انجام می داد که در زندگی شخصی خود با رویدادهای غم انگیز هولناکی رو در رو بود.

حوادث ناگوار پلانک

• در سال 1916 پسر او ، همان کسی که کشفش را اولین بار برای او بازگو کرده بود، در یک عملیات نظامی در وردون کشته شد که در آن زمان چندین سال از مرگ همسر اولش می گذشت.

• طی سه سال هر دو دختر او هنگام وضع حمل از دنیا رفتند.

• در سال 1944 آخرین پسر او که مظنون به شرکت در نقشه ای برای قتل هیتلر بود، توسط نازیها اعدام شد.

• پلانک در سال 1947 در سن 89 سالگی در آلمان از دنیا رفت.

• آلبرت انیشتین وقتی از مرگ یکی از قهرمانان علمی اش خبردار شد، نامه ای به بیوه پلانک نوشت و در آن از خاطرات کار با مردی گفت که نگاهش به حقایق جاودانی بود. اما در عین حال فعالانه درگیر همه آن چیزهایی بود که به پیشرفت مربوط است.

مبنای تجربی دیدگاه موجی ذرات

اعتبار نظریه دوبروی با آزمایش پراکندگی الکترونی در بلورها تایید شد. قبلا ، شبیه این آزمایش ، آزمایش پراکندگی اشعه ایکس در بلورها برای اثبات ماهیت موجی اشعه ایکس استفاده شده بود. بر اثر تداخل فیزیک امواج ثانویه گسیلی از اتم های بلور که آرایش منظم دارند، پراکندگی به جای تمام جهات فقط با زاویه معین نسبت به باریکه تابشی روی می دهد. علاوه بر نقطه مرکزی حاصل از باریکه مستقیم ، حلقه هایی نیز از تابش پراکنده شده (پراش یافته) روی فیلم عکاسی واقع در پشت بلور ، پراکنده می شود.

معلوم شده است که اگر بلور به جای اشعه ایکس با الکترونها بمباران شود، الکترونهای پراکنده شده نیز روی فیلم عکاسی دسته حلقه هایی همانند حلقه های ایجاد شده توسط اشعه ایکس تشکیل می دهند. به این ترتیب می توانیم بپذیریم که الکترونها تداخل می کنند، یعنی دارای خواص موجی هستند. بعدها پدیده های پراش برای سایر ذرات ، یعنی اتمها ، مولکولها و نوترونها نیز مشاهده شد.

این آزمایش ها به طور انکار ناپذیری ثابت کردند که در بعضی از پدیده ها ، ریز ذرات همانند امواج رفتار می کنند. همچنین این آزمایش ها به دانشمندان امکان تعیین طول موجی را دادند که برای بیان پراش ذره باید به آن نسبت داده شود. نتایج تجربی حاصل برای طول موج با مقدار حاصل از فرمول دوبروی توافق کامل داشتند. بنابرین ، معلوم گردید که طول موج با عکس حاصلضرب جرم ذره در سرعت آن mv متناسب بوده و ضریب تناسب همان ثابت پلانک است. ثابت پلانک بسیار کوچک h=6.6x10^-34 j.s است.

طول موج دوبروی وابسته به موج مادی

چون ثابت پلانک بسیار کوچک است به همین علت طول موج دو بروی برای ذره ای با جرم محسوس ، خیلی کوچک و در حد ، قابل اغماض است. مطابق فرمول دو بروی ، یک ذره خاک با جرم حدود میکروگرم ( ^9-10 کیلوگرم ) که با سرعت 1Cm/s در حرکت است دارای طول موج
λ=6.6x10^-34/(10^-11)6.6x10^-23 m است. این مقدار حتی در مقایسه با ابعاد اتمی نیز تا حد قابل اغماض کوچک است. برای اتمها و الکترونها با جرمی بسیار کوچکتر از میکروگرم وضعیت متفاوتی پیش می آید. در سرعتهای معمولی ، طول موج وابسته به آنها در حدود طول موج پرتوهای ایکس است. برای مثال در مورد اتم هلیم با انرژی 0.04 ev (انرژی حرکت گرمایی در اتاق) ،
λ=0.7x10^-10 m و برای الکترون با انرژی 13.5ev طول موج دوبروی برابر λ=3.3x10^-10 m است.

با توجه به قوانین و مفاهیم نورشناسی نتیجه می گیریم، ماهیت موجی نور وقتی به وضوح آشکار می شود که طول موجها با ابعاد اجسامی که نور با آنها اندرکنش می کند قابل مقایسه باشد. برای مثال وقتی نور از روزنه ای می گذرد که ابعاد آن چند برابر طول موج است، یا وقتی از توری پراشی بازتابیده می شود که ثابت توری آن کوچک است، از خواص موجی نور می توان صرف نظر کرد. زیرا عملا غیر قابل ملاحظه اند.

همین طور خواص موجی ذرات فقط وقتی مهمند که طول موج دوبروی در مقایسه با ابعاد اجسامی که اندرکنش با آنها صورت می گیرد، کوچک نباشد. هنگام اندرکنش اتمها با الکترونها یا با ریز ذرات دیگری که برای آن ها طول موج دوبروی در حدود ابعاد اتمی است، خواص موجی ذرات نقش مهم و گاهی تعیین کننده دارند. هر گاه فرایندها وابسته به رفتار الکترونها در اتمها یا مولکولها باشد، این نقش مهمتر است.

زمینه ظهور مکانیک کوانتومی

وقتی که ذرات با ابعاد ماکروسکوپی اندرکنش می کنند، ذراتی که برای آنها طول موج دوبروی تقریبا ^9-10 برابر ابعاد آنهاست، خواص موجی نباید در نظر گرفته شود. به همین علت مکانیک کلاسیک که قوانین آن از بررسیهای اجسام بزرگ به دست می آید و خواص موجی اجسام هرگز به حساب نمی آید، نمی تواند پدیده های مربوط به این ذرات را بررسی نماید. مکانیک کلاسیک در مسائل مربوط به حرکت اجرام آسمانی ، قطعات ماشینها و غیره نتایج خوبی به دست می دهد. اما درست به همین دلیل مکانیک کلاسیک برای توجیه پدیده های اتمی کاملا نامناسب است.

مسائل مربوط به فیزیک اتمی را نمی توان به کمک مکانیک نیوتونی حل کرد. بنابرین ، بایستی مکانیکی جدیدتر و کاملتری پیدا شود تا خواص موجی ماده را نیز به حساب آورد. این مسئله مهم در اواخر سالهای بیست حل شد و در حل آن دانشمندان زیر بیشترین سهم را داشتند ورمز کارل هایزنبرگ (1976-1901) فیزیکدان آلمانی ، اروین شرودینگر ( 1961- 1887 ) فیزیکدان اتریشی و پاول آدرین موریس دیراک (1984-1902) فیزیکدان انگلیسی مجموعه قوانین حرکت ذرات ماده ، که خواص موجی آنها را نیز به حساب می آورد به مکانیک کوانتومی یا مکانیک موجی معروف است.

حوزه عمل مکانیک کوانتومی

مکانیک کوانتومی تعداد زیادی از مسائل از جمله رفتار الکترونها در اتمها و مولکولها و اندرکنش بین آنها که نشر و جذب نور را سبب می شوند. و نیز برخورد الکترونها و سایر ذرات با اتمهای مواد فرومغناطیس و بسیاری پدیده های دیگر را شامل می شود. مکانیک کوانتومی تعدادی پدیده تازه را نیز پیش بینی کرده است که تمام پیش بینی های آن با آزمایش تایید شده اند.

توضیح رضایتبخش از پدیده های اتمی توسط مکانیک کوانتومی ثابت می کند که این شاخه از فیزیک بازتاب صحیحی از قوانین واقعی طبیعت است. میدان الکتریکی هسته ، الکترون را درون اتم در ناحیه معینی از فضا نزدیک هسته نگه می دارد. با در نظر گرفتن الکترون به عنوان موج نمی توانیم به طور دقیق حجمی را مشخص کنیم که این موج در آن محبوس می شود همچنان که نمی توانیم در لوله باز مرز مشخص را نشان دهیم که آن طرف مرز ارتعاش ها از بین می روند. منظور ما از "ابعاد اتم" ابعاد ناحیه اصلی از اتم است که در آن موج الکترون یافت می شود.

مفاهیم موجی همساز در مورد رفتار الکترون در اتم را می توان با استفاده از مکانیک کوانتومی فرمولبندی کرد. محاسبات مکانیک کوانتومی عملا امکان تعیین حالتهای معین اتم و تعیین ترازهای انرژی مربوط به این حالتها را فراهم می آورد. با اینکه قوانین مکانیک کوانتومی با محاسبات حجیم و فرمولهای ریاضی نسبتاً پیچیده ای بیان می شوند. اما جای نگرانی نیست، زیرا آنهایی که مکانیک کوانتومی را سخت می دانند و از آن هراس دارند اصول بنیادی و مفاهیم آنرا درک نکرده اند.