عبور از فيزيك كلاسيک- دکتر هوشنگ حق بین

عبور از فيزيك كلاسيك

« (ساسانیفر) دکتر هوشنگ حق بین»

هوشنگ حق بین.jpg

پديده هاى زير باعث عبور از فيزيك كلاسيك شده اند:

تشعشعات جسم سياه

پديده فتو الكتريك

مشكلات در تيورى هاى اتمى و آزمايش رادرفورد

خاصيت دوگانه ذره وموج

 

اينجا به اختصار به انها ميپردازيم:

جسم سياه:

هر جسمى كه در دماى T در حال تعادل حرارتى با محيط اطراف خود باشد نور تشعشع و جذب ميكند. تشعشعات اجسام در محيط اطاق (حدود ٣٠٠ درجه كلوين) در مادون قرمز است. در حدود ١٥٠٠K، تشعشعات در محدوده قرمز ميباشد. در حدود ٥٠٠٠K، كه درجه حرارت سطح خورشيد است، تشعشعات در منطقه نور سفيد ميباشد.

جسم سياه بهترين جذب كننده و و بهترين تشعشع كننده ميباشد. در تعادل حرارتى، جسم سياه، تمام نورهايى را كه به ان ميتابد جذب ميكند و به همان اندازه هم تشعشع ميكند. يك جعبه سياه كه در ان يك سوراخ تعبييه شده باشد مدل خوبى براى جسم سياه ميباشد.

رابطه بين توان تشعشع، E، و چگالى انرژى، u، در حفره عبارت است از :

كه در آن v فركانس نور، T دما به درجه كلوين، و c سرعت نور است. اگر از تيورى آمارى كلاسيك (ماكسول-بولتزمن)، كه در ان نور را يك گاز ايده آل در نظر ميگرد، استفاده كنيم، رابطه زير براى چگالى انرژى بدست ميايد:

كه در ان k ثابت بولتزمن ميباشد.

اين رابطه، در فركانسهاى بالا، با تجربه مطابقت ندارد و به فاجعه ماوراء بنفش معروف است.

پلانك در اينمورد پيشنهاد كرد رابطه زير را، كه در ان نور ذره فرض ميشود، به كار ببريم:

و با در نظر گرفتن رابطه امارى بوز-اينشتين كه در مورد نور وساير بوزون ها صادق است رابطه درست زير را بدست اورد:

كه با اتگرال گيرى روى همه فركانسها، توان تشعشع بر واحد سطح از رابطه زير بدست ميايد:

كه به قانون استفن-بولتزمن معروف است.

پديده فتو الكتريك:

در اين پديده نور به فلزى با تابع كار W تابانده شده و إلكترون از سطح فلز ازاد ميشود.فيزيك كلاسيك پيش بينى ميكند كه انرژى الكترون ازاد شده به شدت نور تابنده بستگى دارد. اين نظريه كلاسيك هم با تجربه مطابقت ندارد.

اينشتين با استفاده نظريه پلانك توانست اين مشكل را حل كندو جايزه نوبل را از ان خود كند. رابطه درست عبارتست از:

كه در ان، سمت چپ معادله، انرژى جنبشى إلكترون ازاد شده ميباشد و W بخشى از انرژى نور است كه صرف ازاد كردن إلكترون از باند فلزى شده است.

اين پديده نشان ميدهد كه نظريه پلانك در مورد ذره اى بودن امواج الكترومغناطيس (فوتون)درست است.

ساختمان اتم:

بر أساس فيزيك كلاسيك، الكترون به هسته اى باندازه اتم چسبيده است. اين نظريه با ازمايش رادرفورد مردود شناخته شد. او اتم هاى نقره را با ذرات الفا با انرژى ٥/٥MeV بمباران كرد. بر خلاف انتظاراو، تعداد زيادى از ذرات الفا به عقب برگشتند. اين پديده حاكى از انست كه هسته بسيار كوچكتر از اندازه اتم است. اگر پروتون هاى هسته بصورت يك كره با بعد اتم ميبود و بصورت يكنواخت توزيع شده بود، ذره الفا با انرژى ٥/٥MeV به راحتى ميتوانست بر پتانسل دافعه كولنى فايق ايد و با زواياى كمتر از ٩٠ درجه پخش شود.

بالاخره، سطوح انرژى اتم هيدرژن، لزوم نظريه فيزيك كوانتمى را تاييد ميكند:

اتم بوهر:

درفرضيه بوهر، حركت الكترون به دور هسته شبيه حركت سيارات به دور خورشيد ميباشد. او با اين فرض كه ممنتوم زاويه اى كوانتيزه هست؛

n=1,2,3,…

توانست نتايج تجربى سطوح انرژى اتم هيدرژن را بدست اورد. ولى ممنتوم زاويه اى حالت زمينه اتم هيدرژن در واقع صفر است. بعلاوه طبق فيزيك كلاسيك، اتم هيدرژن نميتواند پايدار بماند زيرا الكترون مدار در اثر شتاب دورانى و تشعشع به درون هسته فرو ميريزد. تيورى بوهر كاملاً درست نبود.

دوگانگى:

ازمايشهايى كه با نور و ذرات مادى مانند الكترون انجام شده نشان ميدهد كه همه چيز همزمان، هم خاصيت موج و هم خاصيت ذره دارد. علاوه بر فرضيه پلانك كه به امواج الكترومغناطيس خاصيت ذره اى اطلاق كرد، دى بروى طول موج الكترون را محاسبه نمود:

كه در ان h ثابت پلانك و p ممنتوم خطى الكترون است.

در ضمن، در اواخر قرن نورده و اوايل قرن بيستم، در پديدهايى مانند پخش كامتون و پديده هاى ديگر لزوم تعميم به نسبيت خاص نيز ضرورى مينمود.

پديده كامتون:

كامتون الكترون اتمى را با فوتون هايى كه از هسته تشعشع شده بود بمباران كرد. در محاسبات اين پديده بايستى از نسبيت خاص انيشتين استفاده شود. با استفاده از اصل بقاء انرژى و ممنتوم رابطه زير نتيجه ميشود:

بطور خلاصه، فيزيك كلاسيك از دو جهت ميبايست تعميم پيدا ميكرد، يكى تعميم به دنياى ميكروسكوپى كوانتوم و ديگرى به دنياى سرعت هاى زياد نسبيت خاص و بالاخره تعميم به فيزيك كوانتمى نسبيتى. البته نسبيت عام را كه در ان فضا- زمان ديناميك مطرح است هم بايد به فيزيك كوانتايى عام يا جاذبه كوانتايى تعميم دهيم.

پاسخی بگذارید