الکترون‌ها برای چرخش به دور هسته اتم از کجا انرژی می‌گیرند؟
با سپاس از استاد گرامی، جناب احسان یوسفی
*****************************
زمانی پنداشته می‌شد که الکترون‌ها همچون سیاره‌هایی که به گرد خورشید می‌گردند، به گرد یک هسته می‌چرخند. از آن زمان تاکنون، مکانیک کوانتومی نوین این تصویر را زدوده و محو کرده است.
 |
| مکانیک کوانتومی دانش ما از اتم‌ها را برای همیشه دگرگون کرد |
بهترین تجسم برای یک اتم، یک هسته‌ی چگال و فشرده است که همهمه‌ای از الکترون‌ها به گرد آن در چرخشند. این تصویر بی‌درنگ این پرسش را در پی می‌آورد: الکترون‌هاچگونه بدون کاهش سرعت، به چرخش خود به گرد هسته ادامه می‌دهند؟
این پرسشی داغ در اوایل سده ی بیستم بود و روند جستجوی پاسخش هم سرانجام به پیشرفتِ خود مکانیک کوانتومی انجامید.
در سال‌های آغازین سده‌ی بیستم، فیزیکدانان پس از آزمایش‌های بی‌شمار تازه داشتند آغاز به گردآوری تصویر یکپارچه و منسجمی از اتم می‌کردند. آنها دریافتند که هر اتم دارای یک هسته‌ی چگال و سنگین با بار مثبت است که با ابری از الکترون‌های ریز با بار منفی در بر گرفته شده. گام بعدی آنها با این تصویر کلی که در ذهن داشتند، آفریدنِ یک مدل دقیق‌تر بود.
دانشمندان در نخستین تلاش‌هایشان با این مدل، از سامانه‌ی خورشیدی الهام گرفتند که یک "هسته"ی چگال (خورشید) دارد با "ابر"ی از ذرات کوچک‌تر (سیاره‌ها). ولی این مدل دو چالش مهم و چشمگیر را در پی آورد.
یکی این بود که، ذره‌ی بارداری که شتاب دارد پرتوهای الکترومغناطیسی می‌گسیلد. و از آنجایی که الکترون‌ها ذراتی باردارند و در مدارهایشان هم شتاب می‌گیرند، باید پرتوی الکترومغناطیسی بگسیلند. به نوشته‌ی دانشگاه تنسی در ناکسویل، این پرتوافشانی باید باعث شود الکترون انرژی از دست بدهد و به سرعت مارپیچ‌وار به درون رفته، با هسته برخورد کند. در اوایل دهه‌ی ۱۹۰۰، فیزیکدانان برآورد کردند که چنین مارپیچِ رو به درونی باید کمتر از یک تریلیونم ثانیه یا یک پیکوثانیه زمان ببرد. از آنجایی که عمر اتم‌ها آشکارا بیشتر از یک پیکوثانیه است، پس این برداشت کار نمی‌کرد.
چالش دوم و ظریف‌تر مربوط به سرشت تابش بود. دانشمندان می‌دانند که اتم‌ها پرتو می‌گسیلند، ولی این کار را در بسامدهایی بسیار گسسته و ویژه انجام می‌دهند. و اگر از مدل سامانه‌ی خورشیدی پیروی کنید، یک الکترونِ گردنده [به دور هسته] باید همه گونه از طول موج‌ها را بگسیلد، چیزی که در تضاد با مشاهدات است.
رفع کوانتومی
فیزیکدان پرآوازه‌ی دانمارکی، نیلز یور نخستین کسی بود که راه حلی برای این چالش ارایه کرد. وی در ۱۹۱۳ پیشنهاد داد که الکترون‌های درون یک اتم نمی‌توانند هر مداری که می‌خواهند داشته باشند، بلکه باید در مدارهایی در فاصله‌هایی بسیار ویژه از هسته جای بگیرند. افزون بر این، وی پیشنهاد کرد که برای یک الکترون، کمینه‌ی فاصله‌ای هست که می‌تواند به آن برسد و نمی‌تواند از آن به هسته نزدیک‌تر شود.
وی این نظریه‌ها را همینجوری پیشنهاد نکرد. کمی بیش از یک دهه پیش، فیزیکدان آلمانی ماکس پلانک پیشنهاد کرده بود که گسیلش پرتو می‌تواند "کوانتیده" (کوانتومیده) باشد، یعنی یک جرم تنها می‌تواند پرتوها را در بسته‌های گسسته و جدا از هم بگسیلد یا درآشامد (جذب کند) و به نوشته‌ی برگه‌ی مرجعِ HyperPhysics در دانشگاه ایالتی جورجیا، نه هر اندازه‌ای را که دلش خواست. ولی کوچک‌ترین اندازه‌ی این بسته‌های جداگانه یک ثابت بود، چیزی که به نام ثابت پلانک شناخته شد. تا پیش از این، پژوهشگران می‌پنداشتند این گسیلش‌ها پیوسته هستند، یعنی ذرات می‌توانند در هر بسامدی بتابند.
یکاهای ثابت پلانک همان یکاهای تکانه‌ی زاویه‌ای (تکانه‌ی جرمی که در یک دایره حرکت می‌کند) هستند. بنابراین بور این نظریه را وارد الکترون‌هایی که دور یک هسته می‌چرخند کرد و گفت کوچک‌ترین مدارِ ممکنِ یک الکترون برابر با تکانه زاویه‌ایِ دقیقا یک ثابت پلانک است. مدارهای بالاتر می‌توانند دو برابر این مقدار، یا سه برابر، یا هر عدد درستِ (صحیحِ) دیگری ضربدر ثابت پلانک باشند، ولی هرگز نمی‌توانند جزیی یا درصدی از آن باشند (چیزهایی مانند ۱.۳، ۲.۶ یا ...).
برای فهمیدنِ این که چرا الکترون‌ها دارای چنین مدار کمینه‌ای و چنین مدارهای بالاترِ به روشنی تعریف شده‌ای هستند نیاز به کل گسترش مکانیک کوانتومی داریم. الکترون‌ها، مانند همه‌ی ذرات ماده، هم رفتار ذرات را دارند و هم رفتار موج‌ها را. همانگونه که شاید بتوانیم یک الکترون را مانند یک سیاره‌ی کوچک بپنداریم که دارد دور هسته می‌گردد، می‌توانیم به سادگی آن را مانند موجی که دورِ آن هسته می‌پیچد هم تصور کنیم.
موج‌ها در یک فضای محدود باید از قانون‌هایی ویژه پیروی کنند. آنها نمی‌توانند هر طول موجی داشته باشند؛ باید از موج‌هایی ایستا (ساکن) که مناسب و سازگار آن فضا هستند ساخته شوند. این درست ماند زمانی‌ست که کسی یک دستگاه موسیقی را می‌نوازد: برای نمونه، اگر انتهای یک سیم گیتار را فشار دهد، تنها با طول موج‌هایی ویژه (خاص) جور شده و نوت‌هایی جداگانه به دست خواهد آمد. به همین گونه، موج الکترون دور یک هسته باید جور باشد و نزدیک‌ترین مدار به هسته برای یک الکترون توسط نخستین موج ایستای آن الکترون داده می‌شود.
پیشرفت‌های آینده در مکانیک کوانتومی به پیرایش این تصویر ادامه خواهند داد، ولی نکته‌ی بنیادی به جا می‌ماند: یک الکترون نمی‌تواند به یک هسته نزدیک‌تر شود زیرا سرشتِ مکانیک کوانتومی‌اش به آن اجازه نمی‌دهد فضای کمتری را بگیرد.
افزودن انرژی
ولی یک روش کاملا متفاوت برای بررسی این وضعیت هست که هیچ وابستگی‌ای به مکانیک کوانتوم ندارد: تنها به همه‌ی انرژی‌های درگیر نگاه کنید. الکترونی که به گرد یک هسته می‌گردد به طور الکتریکی به سوی هسته کشیده (جذب) می‌شود؛ پیوسته دارد رو به هسته کشیده می‌شود. ولی این الکترون انرژی جنبشی هم دارد که می‌خواهد الکترون را دورتر براند.
برای یک اتم پایدار، این دو با هم در تراز (تعادل) هستند. در واقع کل انرژی یک الکترون در مدار، که آمیزه‌ای از انرژی‌های جنبشی و پتانسیلش است، منفی‌ست. این بدان معنی‌ست که اگر بخواهید الکترون را حذف کنید، باید انرژی به اتم بیفزایید. این همان وضعیت سیاره‌ها در مدار دور خورشید است: برای حذف یک سیاره از سامانه‌ی خورشیدی، ناچارید که به این سامانه انرژی بیفزایید.
یک راه برای دیدن این وضعیت اینست که الکترونی را تصور کنید که توسط بار الکتریکی مثبت هسته جذب شده و دارد رو به آن (رو به) هسته "می‌افتد". ولی به دلیل قانون‌های مکانیک کوانتومی، هرگز نمی‌تواند به هسته برسد. بنابراین گیر می‌افتد و برای همیشه در مدار می‌ماند. ولی این سناریو در فیزیک مجاز است، زیرا انرژی کل سامانه منفی است، یعنی پایدار است و [این دو] در قید یکدیگرند و با هم یک اتم دیرپا را می‌سازند.
-------------------------------------------------
تلگرام، توییتر و فیسبوک یک ستاره در هفت آسمان:
twitter.com/1star_7sky
facebook.com/1star7sky
0 دیدگاه شما:
ارسال یک نظر