تاونزند، جان سیلی ادورد

[jān sili edwərd tāwnzend]
John Sealy Edward Townsend
(ت. گالوِی، آیرلند، 17 خرداد 1274/ 7 ژوئن 1868؛ و. آكسفرد، انگلستان، 27 بهمن 1335/ 16 فوریه 1957)، فیزیك.
تاونزند بیشتر به سبب پژوهشهایش در علم حركت یوْنها و الكتروْنها در گازها معروف است. او، كه پدرش استاد دانشگاه بود، در كالج ترینیتی دابلین تحصیل كرد. در رشته‌های ریاضی و فیزیك درس خواند و در 1269 درجه‌ی علمی گرفت. پس از پنج سال تدریس ریاضیات، در 1274 یكی از نخستین دانشجویان تحقیقاتی خارج از دانشگاه كیمبریج بود كه به آزمایشگاه كوندیش، كه زیر نظر ج. ج. تامسن اداره می‌شد، وارد گردید.
وی در 1276 واحد مطلق بار را مستقیماً با استفاده از روشی بدیع، كه «عملاً شامل همه‌ی نكاتی بود كه بعدها در اندازه گیری دقیق بار برقی بكار رفت» (1) اندازه گرفت؛ و نیز، با استفاده از قانون استوْكس، سرعت سقوط ابری را معین كرد كه در بالای گازی برقدار، كه در برقكافت آزاد شده و به صورت حباب از آب خارج شده بود، به حالت مایع درآمده بود. در بهمن 1276 واحد بار را برابر 10-10 ×5 یكای برق ایستایی اعلام و منتشر كرد. (2) در 1277 تاونزند ثابت كرد كه مقدار ثابت بنیادیِ‌ برقكافت هم ارزِ باری است كه به وسیله‌ی یك یوْن گاز، صرف نظر از نحوه‌ی تولید آن، حمل می‌شود. در همان سال روشی برای تعیین سرعت پخش یون نیز، با استفاده‌ی نامستقیم از قابلیت تحرك یون، ابداع كرد. تا امرداد 1279، سالی كه در آن تاونزند در آكسفرد به استادی كرسی ویكم در رشته‌ی فیزیك انتخاب شد، گزارشی مقدماتی درباره‌ی تنها نظریه‌ی تصادم خود در مورد یوْنش منتشر كرده بود. تاونزند به جای آنكه ظرفیت یوْنش را، مطابق مرسوم زمان، بیش از 150 ووْلت در نظر بگیرد، كمتر از 15 ووْلت در نظر گرفت، و بدین ترتیب ثابت كرد كه حركت یوْنها، زیر تأثیر میدانی برقی، برای تشكیل یوْنهای ثانوی در گاز كافی است. یوْنشی كه از تصادم حاصل می‌شد، عمدتاً به وسیله‌ی «یوْنهائی منفی» بوجود می‌آمد كه تاونزند آنها را «همان ذرات باردار منفی‌ای كه با تابش نور فرابنفش بر فلزِ روی ساطع می‌شوند» به حساب می‌آورد. «چنان كه استاد ج. ج. تامسن نشان داده است، جرم این ذرات برابر 1/500 جرم یك مولكول ئیدروژن است. » (3) سرعت یوْنش ثانویه‌ای كه به وسیله‌ی الكترونها صورت می‌گرفت تابعی از فشار ووْلتاژی بود كه اعمال شده بود. نظریه‌ی او می‌توانست افزایش غیرعادی رسانندگی را كه زیر تابش نور فرابنفش بوجود می‌آمد و قبلاً در 1269 به وسیله‌ی استوْلتف مشاهده شده بود، كاملاً تبیین كند. تا سال 1282، سالی كه به عضویت انجمن سلطنتی برگزیده شد، نقش یوْنهای مثبت را در نظریه‌ی تصادم خود گنجانده بود. او عبارتی عرضه كرد (4) كه نهایتاً شامل دو ضریب معروف یوْنش تاونزند، α و y بود و به وسیله‌ی آنها توانست تخلیه‌ی تاونزند و نیز تخلیه‌ی شكست یا جرقه را توضیح دهد (- شكل 1).
اصل برخورد اساس و زیربنای آشكارساز ذرات ا. راذرفرد و هـ. گایگر (1287) بود. تاونزند به راذرفرد نوشته بود:
ترفند تكثیر رسانندگی كم بر اثر برخورد بسیار خوب عمل می‌كند... . مورد سیمی كه درون استوانه قرار می‌گیرد به وسیله‌ی كربی اجرا شده است. (5) ... اگر تكثیر با ضریبی بسیار بزرگ را آزمایش كنید به طور حتم اثرهائی ناپایدار بدست می‌آورید، زیرا تغییرات كوچكی كه از تغییر نیروی محرك برقی یا تغییر فشار در (ضریبهای) α و β تولید می‌شوند، زمانی كه تكثیر به مقدار 500 یا 1000 برسد، تأثیر زیادی بر آن دارد. (6)
كربی و تاونزند اثرهای برقاشیمیایی یوْنش گازها را از جنبه‌ی كمّی نیز بررسی كردند. تاونزند حركت گروهیِ الكترونها را مطالعه كرد و متوجه شد كه یكایك الكترونها ممكن است دارای سرعت تصادفی بسیار بزرگتر از سرعت سوق میانگین گروه الكترونها باشند. او همچنین متوجه شد كه مسیر آزاد میانگین الكترونها در گازها وابسته به كارمایه است. تاونزند در پایان جنگ جهانی اول پنجاه ساله بود، ولی در طول دو دهه‌ی بعدی سالانه به طور متوسط دو مقاله‌ی علمی نوشت و روی هم رفته پنج كتاب منتشر كرد. در اوایل دهه‌ی 1300، بی‌ارتباط با ك. رامزاوئر، اثر فیزیكی جدیدی را كشف كرد، و در 1303 این واقعه را گزارش داد كه گازهای تك اتوْمی، بویژه آرگوْن و هلیوْم، خاصّه در برابر الكترونهای كم كارمایه شفاف به نظر می‌رسند، زیرا می‌توانند این محیطهای گازی را بی آن كه وجودشان را «احساس» كنند بپیمایند. رامزاوئر كاهش پاشیدگی الكترونهای كم سرعت را نسبت به الكترونهای سریعتر مشاهده كرده بود. با این كه تاونزند شخصاً با نظریه‌ی كوانتومی درگیر نشد، این اثر رامزاوئر- تاونزند (7) در گازها مشابه اثری بود كه چند سال بعد، با هدفهای حالت جامد، توسط ك. ج. دیویسن و مستقلاً توسط ج. پ. تامسن مشاهده شد، و در نتیجه در درك ماهیت موجیِ الكترون اهمیتی بسزا یافت. در 1320، تاونزند به سبب كارهای علمی بسیارش به مقام اشرافی ارتقا یافت، و در هشتاد سالگی درگذشت.
شکل 1: بر اساس The Theory of Ionization of Gases by Collision («نظریه‌ی یونش گازها بر اثر برخورد»)، از ج. س. تاونزند (لندن، 1910)، ص 1، و بسط آن بر اساس Electrical Phenomena of Gases («پدیده‌های برقی در گازها»)، از ر. پپولر (لندن، 1965)، ص 123، و Ionized Gases («گازهای یونیده»)، از آ. فون انگل، چاپ دوم (آکسفرد، 1965)، ص 223.
مشخصات نموداری جریان – وولتاژ برای تخلیه‌ی گازی در فشار پایین (در حدود یک میلیمتر جیوه)
AB= سکوی اشباع
BC= تکثیر برخورد
CD= تخلیه‌ی تاونزند
DE= گذر به تخلیه‌ی متکی به میدان
EF= تخلیه‌ی تابش
VD= وولتاژ جرقه

پی‌نوشت‌ها:

1. مقاله‌ی «گسترش نظریه‌ی ساختار اتوْمی»، نوشته‌ی راذرفرد، در Background to Modern Science («زمینه‌ی علم جدید»)، چاپ نیدم و پاگل (كیمبریج، 1938)، ص 64-65.
2. این نتیجه با نتیجه‌ی ر. ا. میلیكن، كه مانند تاونزند، از اصل انبساط اجتناب كرده بود و در 1290 با تقریب خوبی به مقدار پذیرفته شده‌ی نزدیک شده بود، مطابقت داشت. ج. ج. تامسن، با استفاده از اتاق انبساط و تشکیل ابر، در آذر 1277 نتیجه‌ی را منتشر كرد.
3. مقاله‌ی «رسانندگی تولید شده در گازها بر اثر حركت یوْنهای باردار منفی»، از ج. تاونزند در PhM، 1 (1901)، 198-227. در مورد اصطلاح «یوْن منفی» تاونزند، احتمال سوءتفاهم زیاد بود، زیرا می‌توانستند آن را تن سنگینی بدانند كه بار منفی كسب كرده است. ولی چه او ذره‌ی با بار منفی را ذره‌ای فرض كرده باشد كه از حالت یوْنی به حالت الكتروْنی گذر كرده است[ Electricity in Gases («برق در گازها»، 1915)، ص 119] یا تنها به صورت الكترون در نظر گرفته باشد [Electrons in Gases («الكترون در گازها»، 1947)، ص 92]. یونهای منفی او نسبت به مولكول ئیدروژن بسیار كوچك بوده‌اند.
4. نخستین عبارت تاونزند در مقاله‌ی «برخی از اثرهائی كه در یوْنهای مثبت مشاهده شده است»، در مجله‌ی Elec، 50 (1903)، 971 بچاپ رسید.

α و β نخستین مجموعه از ضریبهای یوْنش او بودند، كه α تعداد برخوردها یا جفت یوْنهای تولیدشده در هر سانتیمتر مسیر توسط یك الكترون، و β تعداد جفت یوْنهای تولیدشده در سانتیمتر به وسیله‌ی یك یوْن مثبت بود. تعداد الكتروْنهای تولید شده از تابش خارجی بود، «n» معرف تعداد كل الكترونهایی بود كه وارد آنوْد می‌شدند، و «a» فاصله‌ی میان الكتروْدها بود. ولی اثر ثانوی مسلط در یوْنهای مثبت در برخوردهای گازی حاصل نمی‌شد بلكه از آزادسازی الكترونهای ثانوی در كاتوْد ناشی می‌شد. علاوه بر α (ضریب یوْنشی كه معرف الكترونهای دیگری بود كه در سر راهشان به آنوْد با گاز برخورد داشتند)، تاونزند y، ضریب گسیل ثانوی خود، را، كه معرف الكترونهای یوْننده‌ی آزاد شده در كاتوْد بود، معرفی كرد. بر طبق آن، عبارت كلی به صورت زیر درآمد:

پوتانسیئل جرقه زنی حداكثر مقدار بود، و تاونزند تأكید كرد كه پوتانسیئل لازم برای تخلیه‌ی مداوم معمولاً به طور قابل توجهی كمتر است. شرایط فروپاشی برای هر دو عبارت با میل كردن «n» به سمت بی نهایت بدست می‌آمد. برای مقدار معینی ووْلتاژ كه اِعمال می‌شد و یك فشار معین، فاصله‌ی بحرانی «d» برای تخلیه‌ی جرقه‌ای (پایان منطقه‌ی تخلیه‌ی تاونزند و شروع منطقه‌ی تخلیه‌ی مداوم میدانی) با فوْرمول قبلی به صورت α=β exp (α-β)d و در فوْرمول جدید به صورت 1=y(exp α d-1) مشخص می‌شد.
5. مقاله‌ی «درباره‌ی رساناییهای برقی‌ای كه در اثر حركت یوْنهای منفی در هوا تولید می‌شوند»، از پ. ج. كربی، شاگرد تحقیقاتی تاونزند، در PhM، 3 (1902)، 212-225.
6. نامه‌ی تاونزند به ا. راذرفرد، 10 مارس 1908، در كتابخانه‌ی دانشگاه كیمبریج، ضمیمه‌ی نسخه‌های خطی به شماره‌ی 7653/T76.
7. «گازهای یونیده»، از آ. فوْن انگل، چاپ دوم (آكسفرد، 1965)، 31. Motion of Electrons in Gases («حركت الكترونها در گازها»، از ج. تاونزند (آكسفرد، 1925)، 26-29، و خطابه‌ای برای مؤسسه‌ی فرانكلین، فیلادلفیا، سپتامبر 1924.

كتابشناسی

فهرست بیش از یكصد مقاله و چندین كتاب تاونزند را زندگینامه نویس او، آ. فوْن انگل، در مقاله‌ی «John Sealy Edward Townsend,1868-1957»، در BMFRS، 3 (1957)، 257-272؛ و در یادداشت خود برای Dictionary of National Biography:1951-1960، ص 983-985، ذكر كرده است. مجموعه‌ی كوچكی از مكاتباتش در كتابخانه‌ی دانشگاه كیمبریج، Add. Mss 7653/T71-T89، موجود است، اما ت. س. كون، در Sources for History of Quantum Mechanics (فیلادلفیا، 1967)، ص 92ب، یادآور شده است كه احتمالاً هیچ مجموعه‌ی جامعی وجود ندارد. نیز - آ. فوْن انگل، در Nat، 179 (1957)، 757-758؛ و «Notice necrologique sur Sir John Townsend»، از موریس دوْبروْی، در CHS، 244 (1957)، 3105-3106. در كتاب A History of the Cavendish Laboratory (لندن، 1910)، ا. راذرفرد در فصل 6 و ت. ر. ویلسن در فصل 7 به بررسی آثار اولیه‌ی تاونزند پرداخته‌اند. پس از متجاوز از 40 سال خدمت مستمر در آكسفرد، یادداشتی درباره‌ی كارهایش، به هنگام بازنشستگی وی، در Nat، 157 (1946)، 293، منتشر شد. مقاله‌ی باارزشی از چ. ا. راسل در A Biographical Dictionary of Scientists، ویراسته‌ی ت. ا. ویلیامز (لندن، 1969)، 517-518، موجود است. كار تاونزند در مورد پخش یونها در گازها و نیز راجع به واحد اصلی تخلیه به نحوی مفصل در Electricity and Matter، از ن. فذر (ادینبرا، 1968)، 306-313؛ و در The Electron، از ر. ا. میلیكن (شیكاگو، 1963)، نسخه‌ی عكسی 1917، 34-38، 43-47، 51-52، 123-125، بخصوص در تكمله‌های A و B مورد بحث قرار گرفته است.
بسط توصیف تخلیه‌ی تاونزند و معادله‌ی فروپاشی در Ions,Electrons and Ionizing Radiations از ج. ا. كراوذر (لندن، 1961)، 54-56 صورت پذیرفته است و از نظر فنی در Ionized Gases از آ. فوْن انگل، چاپ دوم (آكسفرد، 1965)، 171-182، بررسی شده است.
منبع مقاله :
گیلیپسی، چارلز كولستون، (1387)، زندگینامه‌ی علمی دانشوران، ترجمه احمد آرام...[ و دیگران]، تهران: شركت انتشارات علمی و فرهنگی، چاپ اول