از الکترون تا بمب اتم

اختراع لوله خلأ

بزرگ ترین انقلاب تاریخ علم با اختراع نوع بهتری از پمپ خلأ در اواسط قرن نوزدهم آغاز شد. برای درک اهمیت این پیشرفت که نسبت به فناوری های امروزی ابتدایی به نظر می آید، باید نوع تجهیزاتی را در نظر بگیریم که فارادی هنگام بررسی رفتار الکتریسیته در خلأ از آنها استفاده می کرد. در پایان دهه 1830، فارادی با استفاده از شیشه ای که فقط یک الکترود داشت، تخلیه های الکتریکی را بررسی می کرد. سر شیشه با یک چوب پنبه «آب بندی» شده بود (اگر این واژه ی درستی باشد). الکترود دیگر که یک میخ فلزی بود، از داخل چوب پنبه به درون شیشه وارد می شد و در دو جهت بالا و پایین حرکت می کرد. دستگاه به هیچ وجه نسبت به هوا نفوذناپذیر نبود. فشار داخل شیشه با پمپاژ مداوم پایین نگه داشته می شد (و حتی در این حالت نیز به خلأ نمی رسید). دستگاه هایی که به عنوان پمپ هوا به کار می رفت، اساساً با پمپ های اتو فون گریکه در دو قرن پیش از آن (که چیزی شبیه پمپ دوچرخه های امروزی بود) تفاوت چندانی نداشت. هاینریش گایسلر (1879-1814) آلمانی در دهه 1850 در شهر بن به پیشرفت بزرگی در این زمینه دست یافت. او در پمپ خلأ پیشرفته خود، برای جلوگیری از نشت اتصال ها، از جیوه استفاده کرد و به این ترتیب تمام اتصالات و شیرهای مربوط به تخلیه هوای محفظه شیشه ای را آب بندی کرد. برای این منظور، محفظه شیشه ای که از هوا تخلیه می شد، از طریق لوله ای به یکی از دو شاخه شیر دو راهه متصل به یک حباب وصل شده بود؛ حباب از طریق لوله ای انعطاف پذیر به مخزنی پر از جیوه متصل می شد. شاخه دیگر شیر دو راهه حباب را به هوای آزاد متصل می کرد. در حالی که حباب با هوای آزاد مرتبط بود، سطح جیوه در مخزن بالا می آمد و در این حالت فشار جیوه هوای داخل حباب را به بیرون می راند. سپس شیر به سوی شاخه دیگر باز شده و جیوه در مخزن پایین می آمد. در جریان این عمل، هوا از محفظه شیشه ای به داخل حباب جریان می یافت. با تکرار این فرایند در دفعات متعدد، خلأ قابل قبولی در محفظه شیشه ای ایجاد می شد. گایسلر که در شیشه گری نیز کارآزموده بود از این هم پیش تر رفت. او روشی را برای آب بندی دو الکترود در محفظه شیشه ای عاری از هوا ابداع کرد و به این ترتیب محفظه ای با خلأ مداوم یا لامپ خلأ ساخت. گایسلر و دیگران در سال ها و دهه های آتی این فناوری را بهبود بخشیدند تا آنجا که در دهه 1880، ساخت لامپ هایی با فشار چند ده هزارم فشار هوای زمین در سطح دریا امکان پذیر شد. توسعه این فناوری، راه را برای کشف الکترون («پرتوهای کاتدی») و پرتوهای ایکس هموار کرد و مشوق فعالیت هایی بود که به کشف پرتوزایی انجامید.

«پرتوهای کاتدی» و «پرتوهای کانالی»

در دهه 1860، ژولیوس پلوکر (1868-1801)، استاد دانشگاه، از این امتیاز برخوردار شد که جزء اولین کسانی باشد که از فناوری جدید گایسلر یعنی لامپ خلأ استفاده کند. او برای بررسی ماهیت نور ایجاد شده در این لامپ ها در نتیجه عبور جریان الکتریکی بین الکترودها چند آزمایش ترتیب داد (فرایندی که اساس کار لامپ های نئونی است). یکی از دانشجویان پلوکر به نام یوهان هیتورف (1914-1824) برای اولین بار متوجه شد که پرتوهای نور که در این لامپ ها از کاتدها (الکترودهای منفی) گسیل می شود، ظاهراً خطوط مستقیمی را دنبال می کنند. در سال 1876، اویگن گلداشتاین (1930-1850) که در آن زمان با هرمان هلمهولتز در برلین کار می کرد، این خطوط درخشنده را «پرتوهای کاتدی» نامید. او نشان داد که این خطوط سایه تولید می کنند و در معرض میدان های مغناطیسی منحرف می شوند (چند تن از هم عصران او هم به این پدیده پی برده بودند). اما او معتقد بود که این پرتوها امواج الکتریکی مانند نور هستند. گلداشتاین در سال 1886 نوع دیگری از «پرتوها» را کشف کرد که از سوراخ های آند لامپ تخلیه (الکترودهای مثبت) گسیل می شد؛ او آنها را به نام آلمانی این سوراخ ها، «پرتوهای کانالی» نامید. اکنون می دانیم که «پرتوها»ی مذکور جریان یون های با بار مثبت یا اتم هایی هستند که یک یا چند الکترون از دست داده اند.
در سال 1871، کرامول فلیتوود وارلی (Cromwell Fleetwood Varley) (1883-1828)، مهندس برق، در مقاله ای که انجمن سلطنتی منتشر کرد، اظهار کرد که این پرتوهای کاتدی احتمالاً «ذرات رقیق ماده اند که به موجب الکتریسیته از قطب منفی گسیل می شوند»(1). ایده او برای توضیح دانه ای پرتوها را ویلیام کروکس (1919-1832) پی گرفت.

ویلیام کروکس: لامپ کروکس و تعبیر ذره ای پرتوهای کاتدی

کروکس که در 17 ژوئن سال 1832 در لندن به دنیا آمد، بزرگ ترین فرزند از 16 فرزند یک خیاط و بازرگان بود. او زندگی حرفه ای غیر عادی داشت. از آموزش اولیه او اطلاعی در دست نیست اما در اواخر دهه 1840، دستیار آگوست فون هوفمان در کالج سلطنتی شیمی بود. در سال های 1854 و 1855 در بخش هواشناسی رصدخانه رادکلیف در آکسفورد کار می کرد و در سال تحصیلی 56-1855 به عنوان مربی شیمی در کالج حرفه ای چستر مشغول به کار شد. با ارث قابل توجهی که از پدرش به او رسید، از نظر مالی مستقل شد و به لندن بازگشت. در آنجا آزمایشگاه خصوصی شیمی ایجاد کرد و هفته نامه اخبارشیمی (Chemical News) را بنیان نهاد که تا سال 1906 منتشر می شد. کروکس علایق گسترده ای داشت (از جمله اعتقاد به احضار ارواح) اما ما تنها به سهم او در کشف الکترون اشاره خواهیم کرد. این کشف مربوط به نوعی لامپ خلأ بود که وی آن را بهبود بخشیده بود (این لامپ تحت نام کروکس مشهور است). او با استفاده از این لامپ به خلأهای بهتری (سخت تری) نسبت به نمونه های هم ترازان خود در دیگر کشورهای اروپایی دست یافت. کروکس با در اختیار داشتن خلأ بهتر آزمایش هایی ترتیب داد که ماهیت ذره ای پرتوهای کاتدی را به طور قاطع ثابت می کرد. او یک صلیب مالتی فلزی را در لامپ قرار داد و سایه دقیقی از صلیب در آن سوی نوری که پرتوها هنگام برخورد به لوله شیشه ای در پشت آن تشکیل می دادند به دست آورد. او همچنین چرخ پره دار بسیار کوچکی را در مسیر باریکه پرتوها قرار داد و نشان داد که از آنجا که برخورد پرتوها چرخ را به گردش در می آورد، این پرتوها دارای تکانه هستند. او تا سال 1879 به نفع تعبیر ذره ای پرتوهای کاتدی مبارزه کرد تا آنجا که این تعبیر در نزد بیشتر فیزیک دانان انگلیسی پذیرفته شد. اما این تعبیر در قاره اروپا به ویژه آلمان با واکنش دیگری روبه رو شد. در اوایل دهه 1880، هاینریش هرتز با انجام آزمایش هایی نشان داد که میدان الکتریکی تأثیری روی این پرتوها ندارد و این ایده تثبیت شد که پرتوها گونه ای از امواج الکترومغناطیسی هستند.(اکنون از علت این موضوع آگاهیم؛ در لامپ مورد استفاده او مقادیر زیادی گاز جمع شده بوده که یونیزه شده و با الکترون ها تداخل می کرد). حل معمای ماهیت پرتوهای کاتدی، تا اندازه ای به این علت که نظر فیزیک دان ها به کشف پرتوهای ایکس جلب شده بود تا پایان دهه 1890 به طول انجامید (در این باره به زودی سخن خواهیم گفت).

پرتوهای کاتدی بسیار آهسته تر از نور حرکت می کنند

اثبات این موضوع که پرتوهای کاتدی صرفاً نوعی تابش الکترومغناطیسی نیستند در سال 1894 مطرح شد. جی. جی. تامسون انگلیسی نشان داد که پرتوهای کاتدی بسیار آهسته تر از نور حرکت می کنند (به یاد داشته باشیم که بر اساس معادلات ماکسول همه انواع تابش های الکترومغناطیسی با سرعت نور حرکت می کنند). تا سال 1897، شواهد فزاینده ای در مورد باردار بودن پرتوهای کاتدی به دست آمد. در سال 1895، ژان پرن (فصل 10)، از جمله دانشمندانی بود که نشان دادند که پرتوهای مذکور در معرض میدان مغناطیسی مانند باریکه ای از ذرات به سویی منحرف می شوند. او همچنین نشان داد که هنگامی که پرتوهای کاتدی به صفحه ای فلزی برخورد می کنند، صفحه مورد نظر دارای بار منفی می شود. او در سال 1897، آزمایش هایی برای کاوش در این زمینه ترتیب داد اما دو آزمایشگر دیگر بر او پیشدستی کردند: والتر کاوفمن در آلمان و جی. جی. تامسون در انگلستان که کار سرنوشت ساز را انجام داد. کاوفمن که در برلین کار می کرد، انحراف پرتوهای کاتدی در معرض میدان های الکتریکی و مغناطیسی در لامپ های خلأ را مطالعه می کرد. این لامپ ها محتوی انواع مختلفی از گازها بود. او موفق شد که نسبت بار به جرم ذرات یعنی e/m را محاسبه کند. او انتظار داشت که برای گازهای متفاوت مقادیر متفاوتِ نسبت بار به جرم این ذرات را به دست آورد؛ چرا که گمان می کرد که خواص آن چیزهایی را اندازه گیری می کند که امروز یون می نامیم یا اتم هایی که در تماس با کاتد دارای بار منفی شده اند. او از این مطلب در شگفت شده بود که همواره یک مقدار را برای e/m به دست می آورد. تامسون (که با ویلیام تامسون که بعداً لرد کلوین شد هیچ نسبتی ندارد) نیز نسبت e/mرا اندازه گیری کرد. او برای این منظور از روش جالبی استفاده کرد. در این روش باریکه ای از پرتوهای کاتدی در معرض میدان مغناطیسی به یک سو و در معرض میدان مغناطیس دیگر به سوی دیگر منحرف می شوند به صورتی که این دو اثر یکدیگر را حذف می کنند. اما او از مشاهده این موضوع که مقدار e/m همواره ثابت است در شگفت بود چرا که گمان می کرد که این پرتوها جریان ذرات یکسانی است که از کاتد گسیل می شوند. او که نتایج کار خود را با m/e نشان می داد، خاطر نشان کرد که کوچک بودن این عدد نسبت به نتیجه معادل برای هیدروژن (امروز می دانیم که آنها یون های هیدروژن یا به عبارتی یک پروتون تنها هستند)، به این معناست که یا جرم این ذرات بسیار کوچک است یا بارشان بسیار بزرگ و یا ترکیبی از این دو اثر وجود دارد. تامسون در مراسم سخنرانی در انجمن سلطنتی در 30 آوریل سال 1897 گوشزد کرد که «فرض حالتی از ماده که ریزتر از اتم باشد به نوعی تکان دهنده است».(2) او بعداً نوشت «بعدها یکی از همکاران برجسته ای که در آن سخنرانی حضور داشت به من گفت که او گمان کرده بود که من با او سر شوخی داشته ام.»(3)

کشف الکترون

با وجود همه این موارد، سال 1897 اغلب به عنوان سال «کشف» الکترون در نظر گرفته می شود. اما کشف واقعی، دو سال بعد، در سال 1899 روی داد. در این سال تامسون موفق شد که بار الکتریکی را اندازه گیری کند. او برای این منظور قطرات آب را باردار کرد و با استفاده از میدان های الکتریکی رفتار آنها را مورد بررسی قرار داد. او با اندازه گیری e، ارزش واقعی m را به دست آورد و نشان داد که این ذرات (آنها را ذره نامید) که پرتوهای کاتدی را تشکیل می دهند، هر یک جرمی معادل یک دو هزارم جرم هیدروژن دارند و «جزئی از جرم هیدروژن را تشکیل می دهند که آزاد شده و از اتم اولیه جدا شده اند.»(4) به عبارت دیگر هر قدر این کشف تکان دهنده باشد، اما اتم مسلماً تقسیم ناپذیر نیست. اما چه کسی به این کشف ناگهانی رسید؟
تامسون در 18 دسامبر سال 1856 در چیتهام هیل در نزدیکی منچستر به دنیا آمد. نام کوچک رسمی او جوزف جان بود ولی در تمام مدت زندگی پس از بلوغ، نام کوچکش به کوته نوشت«جی.جی» نوشته می شد. در 14 سالگی تحصیل در رشته مهندسی را در اوونز کالج (Owens College) (که بعداً به دانشگاه منچستر تبدیل شد) آغاز کرد. اما پدرش که کتاب های قدیمی می فروخت دو سال بعد درگذشت. در نتیجه او به علت تنگنای مالی خانواده مجبور شد تا رشته تحصیلی خود را تغییر دهد و تحصیلاتش را در فیزیک، شیمی و ریاضی دنبال کند که برای آن یک بورس تحصیلی در اختیار داشت. او در سال 1876 به ترینیتی کالج کمبریج رفت (باز هم با بورس تحصیلی)، در سال 1880 تحصیلات خود را در رشته ریاضی به پایان رساند و تا آخر عمر در آنجا ماند(به جز چند دیدار از پرینستون). تامسون از سال 1880 به بعد در آزمایشگاه کاوندیش کار کرد؛ او به عنوان جانشین ریلی در سال 1884 سرپرست این آزمایشگاه شد(دانشگاه قصد داشت ویلیام تامسون را استخدام کند اما وی ترجیح داده بود که در گلاسکو بماند) و این پست را تا سال 1919 بر عهده داشت و اولین دانشمندی بود که به عنوان رئیس ترینیتی منصوب شد و این پست را تا هنگام مرگش در 30 اوت سال 1940 بر عهده داشت. تامسون در سال 1906 به دریافت جایزه نوبل نائل شد (به خاطر دستاوردهایش در زمینه الکترون) و در سال 1908 به لقب سر مفتخر شد.
شاید انتخاب تامسون ریاضی دان به عنوان استاد فیزیک تجربی و سرپرست آزمایشگاه کاوندیش از روی الهام یا حسن اتفاقی از روی شانس بوده باشد. او از مهارت خارق العاده ای در طراحی آزمایش های مناسب برای کشف حقایق بنیادی دنیای فیزیک برخوردار بود (مانند آزمایش اندازه گیری e/m). او همچنین قادر بود نشان بدهد که چرا آزمایش هایی که دیگران طراحی کرده بودند به نتیجه نمی رسید، حتی در حالتی که خود آن کسی که آزمایش را طراحی کرده بود، قادر به تشخیص علت عدم موفقیت آزمایش نبود. از سوی دیگر، او به شلخته بودن هنگام کار با دستگاه ها شهرت داشت تا آنجا که گفته شده است که همکارانش سعی می کردند مانع از ورود او به آزمایشگاه های محل کارشان بشوند (مگر آنکه به بازاندیشی او درباره نواقص آزمایشی سرکش نیاز داشتند). در نهایت باید افزود که جی.جی.تامسون آزمایشگری نظریه پرداز بود. هفت نفر از فیزیک دانانی که با او کار کردند به دریافت جایزه نوبل نائل شدند و این موضوع معیاری برای سنجش توانایی او و رهیافت آزمایشگاه کاوندیش در جذب بسیاری از فیزیک دان ها در اواخر قرن نوزدهم و اوایل قرن بیستم بود. تامسون به عنوان معلم، مدیر و رئیس بسیار محبوب نقش مهمی در همه این موفقیت ها ایفا کرد.
آزمایشگاه کاوندیش، همان طور که کشفیات پرتوهای ایکس و پرتوزایی نشان می دهد، برای خود بازاری انحصاری قائل نبود؛ اما حتی زمانی که کار مهمی در جاهای دیگر انجام می شد، گروه تامسون برای استفاده از نتایج این کار زود دست به کار می شد. کشفیات بزرگ علم را معمولاً افراد جوان و پویایی به ثمر می رسانند که ایده های درخشان بسیاری دارند. اما در اواخر قرن نوزدهم، با بهبود فناوری لامپ خلأ، علم فیزیک اتمی هنوز جوان بود و فناوری، خود را برای کارهای علمی جدید آماده می کرد. در آن شرایط، با اکتشافاتی که تقریباً به نحوی بی ثمر در انتظار کشف شدن بودند، تجربه و فناوری همان قدر ارزش داشت که جوانی و هیجان، به عنوان مثال، ویلهلم رونتگن را هنگام کشف پرتوهای ایکس به سختی می توان در دوران اولین جرقه های شکوفای جوانی در نظر گرفت.

ویلهلم رونتگن و کشف پرتوهای ایکس

رونتگن در 27 مارس سال 1845، در لنپ (Lennep) آلمان به دنیا آمد، روند معمولی را در نظام دانشگاهی طی کرد و در سال 1888، استاد فیزیک دانشگاه وورتزبورگ شد. او فیزیک دان ورزیده و با پشتگاری بود که در چند زمینه کار کرد بی آنکه به نتایج بارز خاصی دست یابد. اما در نوامبر سال 1895 در سن 50 سالگی با استفاده از لامپ خلأ بهبود یافته به مطالعه رفتار پرتوهای کاتدی مشغول شد (این لامپ ها به نام پیشگامان این فناوری، لامپ های هیتورف یا لوله های کروکس نامیده می شود اما اصول پایه همه آنها یکسان است). در سال 1894، فیلیپ لنارد که کار خود را با تکیه بر کارهای رونتگن آغاز کرده بود نشان داد که پرتوهای کاتدی می توانند از ورقه های نازک فلزی عبور کنند بی آنکه سوراخی باقی بگذارند. در آن زمان این موضوع به عنوان اثبات موج گونه بودن «پرتوها» تلقی شد زیرا اگر این پرتوها ذره بودند می بایستی رد خود را باقی می گذاشتند(البته دانشمندان در آن زمان ذراتی را در نظر داشتند که دست کم به اندازه اتم بودند). رونتگن در پی این کشف با یک لامپ خلأ که کاملاً با صفحات نازک سیاهی پوشیده شده بود، مشغول به کار شد. ایده او چنین بود که از درخشش نور در داخل لامپ جلوگیری کند تا بتواند رد بسیار ضعیف پرتوهای کاتدی را که به شیشه لامپ می رسند آشکارسازی کند. یکی از راه های معیار برای آشکارسازی پرتوهای کاتدی، استفاده از پرده ای کاغذی است که با ماده شیمیایی باریم پلاتینو سیاناید رنگ شده و در اثر برخورد پرتوهای کاتدی شب نما می شود. در 8 نوامبر سال 1895، چنین پرده ای که هیچ ارتباطی با آزمایش های جاری او نداشت در گوشه ای در اطراف دستگاه، خارج از مسیر این پرتوها، قرار گرفته بود. او با شگفتی متوجه شد که زمانی که با لامپ خلأ در آزمایشگاه تاریک مشغول به کار بود، آن پرده بر اثر شب نمایی می درخشید. رونتگن پس از انجام بررسی های دقیق، برای اطمینان از این مورد که واقعاً پدیده جدیدی را کشف کرده است، کشف خود را در 28 دسامبر در قالب مقاله ای به انجمن فیزیک و پزشکی وورتزبورگ تسلیم کرد. این مقاله در ژانویه سال 1896 منتشر شد و کشف پرتوهای مذکور که رونتگن آنها را پرتوهای ایکس نامید و در کشورهای آلمانی زبان اغلب به نام پرتوهای رونتگن مشهور است هیجان بسیاری ایجاد کرد. علت اصلی این هیجان آن بود که این پرتوها قادر به عبور از گوشت بدن انسان و تشکیل تصاویر عکاسی از استخوان بندی بدن بودند. کپی های مقاله مذکور شامل عکس های پرتو ایکس دست همسر رونتگن بود که در اول ژانویه ارسال و گزارش های مربوط به این موضوع در ظرف یک هفته در روزنامه ها چاپ شد. رونتگن در 13 ژانویه این پدیده را در برلین در برابر امپراتور ویلیام دوم نمایش داد، در حالی که ترجمه انگلیسیس مقاله او در 23 ژانویه در مجله نیچر منتشر شد (در همان روز، رونتگن تنها سخنرانی عمومی خود را درباره این موضوع در وورتزبورگ ایراد کرد). او در 14 فوریه مقاله ای در مجله ساینس به چاپ رساند. رونتگن در مارس سال 1896 دو مقاله دیگر درباره پرتوهای ایکس منتشر کرد و این آخرین سهم او در این زمینه بود، هر چند او از نظر علمی کماکان فعال بود. او در سال 1900، استاد فیزیک دانشگاه مونیخ شد و در 10 فوریه سال 1923 در گذشت. تنها سهم او در علم، او را به دریافت جایزه نوبل فیزیک در سال 1901 مفتخر کرد.
فیزیک دانان تقریباً از همان ابتدا اطلاعات زیادی درباره رفتار پرتوهای ایکس به دست آوردند. این پرتوها هنگام برخورد پرتوهای کاتدی به دیوار شیشه ای لامپ خلأ تولید می شدند (بنابراین رازی درباره منشأ آنها وجود نداشت) و از این منبع در تمام جهات پخش می شدند. آنها مانند نور در مسیرهای مستقیم حرکت می کردند، روی صفحات عکاسی اثر می گذاشتند و در معرض میدان های الکتریکی یا مغناطیسی منحرف نمی شدند. اما برخلاف نور به نظرنمی آمد که بازتابیده یا شکسته شوند و این موضوع روشن نبود که آیا این پرتوها ذره اند یا موج. این موضوع مانع از آن نشد که پرتوهای ایکس در سطح گسترده در دهه های پس از کشفش مورد استفاده قرار نگیرد؛ از این پرتوها هم در کاربردهای پزشکی و هم در فیزیک استفاده می شد (هر چند بعضی اوقات با عواقب شومی روبه رو می شدند که ناشی از عدم آگاهی از خطرات این پرتوها هنگامی که افراد زیاده از حد در معرض آن ها قرار می گرفتند بود). به عنوان مثال معلوم شد که این پرتوها در یونیزه کردن گازها کاربرد دارند. پس از سال 1910 آشکار شد که پرتوهای ایکس در واقع شکلی از امواج الکترومغناطیسی با طول موجی بسیار کوتاه تر از طول موج نور قابل مشاهده (یا حتی نور فرابنفش) هستند و در واقع در اثر برخورد با هدف های مناسب بازتابیده و شکسته می شوند. اما مهترین موضوع درباره کشف پرتوهای ایکس در چارچوب توسعه فیزیک اتمی، آن بود که تقریباً بلافاصله به کشف تابش اسرارآمیزدیگری منجر شد.

پرتوزایی، بکرل و کوری ها

اگر دانشمندی بوده باشد که در زمان و مکان مناسبی قرار داشته است، آن دانشمند هانری بکرل بوده است. پدر بزرگ هانری، آنتوان بکرل(1878-1788) در مطالعه پدیده الکتریسیته و شب نمایی از پیشگامان بود. او آن قدر موفق بود که در سال 1838 کرسی فیزیک موزه تاریخ طبیعی فرانسه را برای او تأسیس کردند. پسر سوم آنتوان، الکساندر-ادموند بکرل(1891-1820) پا به پای پدرش در پاریس کار کرد و به مطالعه رفتار اجسام فسفرسان، بلورهایی که در تاریکی می درخشند، علاقه مند شد. آنتوان در سال 1878 درگذشت و ادموند (الکساندر به این نام شناخته می شد) به عنوان استاد، جانشین او شد. تا آن زمان پسر او، هانری بکرل(1908-1852)، تحصیلاتش را طبق سنت خانوادگی در رشته فیزیک دنبال کرد و در سال 1888 دکترای خود را از دانشکده علوم پاریس گرفت. ادموند در سال 1891 درگذشت و هانری در سمت استاد فیزیک، در موزه تاریخ طبیعی مشغول به کار شد اما به موازات آن، به عنوان سرمهندس در ساخت پل ها و بزرگراه ها نیز خدمت می کرد. پس از درگذشت هانری، پسر او ژان(1953-1878) به عنوان استاد، جانشین او شد؛ اما در سال 1948 ژان بدون وارث بازنشسته شد و کرسی فیزیک موزه تاریخ طبیعی برای اولین بار از زمان ایجاد آن در 110 سال قبل به فرد دیگری غیر از اعضای خانواده بکرل واگذار شد. در دورانی در اواسط ظهور این دودمان، هانری بکرل در 20 ژانویه سال 1896 در جلسه آکادمی علوم پاریس حضور داشت. او در این جلسه اخبار داغ مربوط به پرتوهای ایکس را شنید. از جمله خبر کشفی که بر اساس آن، پرتوهای مذکور از محل درخشانی از دیوار شیشه ای لوله پرتوهای کاتدی، جایی که این پرتوها به شیشه برخورد و آن را شب نما می کنند، گسیل می شوند. او متوجه شد که شاید اجسام شب نما نیز که در تاریکی می درخشند پرتوهای کاتدی تولید کنند. او بلافاصله با استفاده از مواد مختلف فسفرسان که از زمان پدر بزرگ او در موزه جمع شده بود، شروع به آزمون این فرضیه کرد.
ویژگی اساسی این مواد فسفرسان آن است که برای درخشیدن باید در برابر نور خورشید قرار بگیرند. قرار گرفتن در برابر نور خورشید به شیوه ای که هنوز شناخته نشده بود موجب ذخیره انرژی در آنها می شد به نحوی که اگر پس از آن در تاریکی قرار می گرفتند تا مدتی می درخشیدند و زمانی که انرژی خورشیدی شان تمام می شد درخشش آنها قطع می شد. بکرل در جریان تحقیقات پرتوهای ایکس، صفحات عکاسی را با دقت در دو ورقه کاغذ سیاه پیچید به طوری که نفوذناپذیر باشند و آنها را در زیر ظرفی محتوی نمک های فسفرسان قرار داد که از پیش، با قرار گرفتن در معرض نور خورشید، انرژی ذخیره کرده بودند. پس از ظاهر کردن صفحات، درست مطابق انتظار، متوجه شد که برخی از این نمک ها آثار ماده فسفرسان را از خود نشان می دهند و اگر اشیای فلزی مانند سکه بین ظرف نمک های فسفرسان و صفحات عکاسی قرار بگیرد، پس از ظاهر کردن فیلم ها، اثر فسفرسان در پیرامون سایه آن جسم فلزی مشاهده می شود. به این ترتیب به نظر می رسید که پرتوهای ایکس هم در اثر کنش نور خورشید در روی نمک های فسفرسان ایجاد می شوند و هم در اثر پرتوهای کاتدی در روی شیشه، این نتایج به زودی به جامعه علمی گزارش شد.
بکرل در اواخر فوریه سال 1896 آزمایش دیگری ترتیب داد. او قطعه ای مس به شکل صلیب را بین صفحات عکاسی و ظرف محتوی نمک های فسفرسان (ترکیبی از اورانیوم) قرار داد و منتظر تابش نور خورشید شد. در آن روزها آسمان پاریس پوشیده از ابر بود و چون حوصله بکرل به سر آمد دیگر در انتظار نور خورشید نماند و صفحات عکاسی را ظاهر کرد(روشن نیست که آیا این عمل را تصادفاً یا به طور اداری برای کنترل آزمایش انجام داده است). او با شگفتی نقش اطراف صلیب مسی را در روی عکس مشاهده کرد. حتی اگر نمک های فسفرسان نمی درخشیدند و حتی اگر آنها در برابر نور خورشید قرار نگرفته بودند، دست کم در مورد ترکیبات اورانیوم چیزی را تولید کردند که به نظر می رسید پرتوهای ایکس باشند.(5) جالب ترین جنبه این کشف آن بود که این نمک ها، آن طور که به نظر می آمد، از هیچ، انرژی تولید می کردند، عملی که ظاهراً با یکی از گرانمایه ترین اصول فیزیک یعنی اصل پایستگی انرژی مغایرت داشت.
این کشف تأثیر عمومی گسترده ای مانند کشف پرتوهای ایکس ایجاد نکرد، زیرا در خارج از محفل کارشناسان علمی (و حتی بسیاری از دانشمندان) به نظر می آمد که این مورد تنها نوع دیگری از پرتوهای ایکس است. خود بکرل هم به زودی به کارهای دیگری روی آورد؛ هر چند مطالعاتی هم درباره خواص تابشی انجام داد که به کشف آن توفیق یافته بود. او در سال 1899 نشان داد که میدان های الکتریکی یا مغناطیسی می توانند این تابش را منحرف کنند. بنابراین، تابش مذکور از جنس پرتوهای ایکس نبود بلکه می بایستی از ذرات باردار تشکیل شده باشد. بررسی این پدیده را ماری کوری و پیر کوری در پاریس و ارنست رادرفورد (که درباره او بعداً سخن خواهیم گفت) در ابتدا در کاوندیش بررسی کردند (جایزه نوبل سال 1903 مشترکاً به بکرل، ماری و پیر کوری اعطا شد).
این نام ماری کوری است که در رابطه با اولین بررسی های پرتوزایی (عبارتی که او ابداع کرد) در فکر مردم جای گرفته است. این شهرت تا اندازه ای به آن علت است که نقش او واقعاً مهم بود. تا اندازه ای هم به این علت که او زن بود و سرمشقی در علم برای دختران فراهم کرد که از بازتاب مناسبی در مطبوعات برخوردار شد. بالاخره شرایط مشکل کار وی جنبه رمانتیکی به قضیه می داد.
به نظر می رسد که این شرایط حتی کمیته نوبل را تحت تأثیر قرار داد زیرا آنها را تشویق کرد تا دو جایزه نوبل را برای کاری که اصولاً مشابه بود به وی اعطا کنند: جایزه نوبل فیزیک در سال 1903 و جایزه نوبل شیمی در سال 1911. ماری در 7 نوامبر سال 1867 در ورشو به دنیا آمد و نام اصلی او ماریا اسکلودوفسکا بود. او امید نداشت که بتواند در بخش روسی لهستان تقسیم شده تحصیل کند و برای جمع کردن اندک پول لازم برای سفر به پاریس جهت تحصیل در دانشگاه سوربن در سال 1891 با مشکلات زیادی روبه رو شد. او در دوران تحصیلی لیسانس تقریباً در اتاقی در زیر شیروانی گرسنگی کشید. وی در دانشگاه سوربن با پیر کوری آشنا شد (و در سال 1895 با او ازدواج کرد). پیر پسر یک پزشک بود، در 15 مه سال 1859 به دنیا آمده بود و تا آن زمان به عنوان یک متخصص خواص مغناطیسی مواد مشهور شده بود. ماری به زودی پس از ازدواج باردار شد و در نتیجه تنها در سپتامبر سال 1897 موفق شد تا با فراغت به کار دکترای خود در زمینه «پرتوهای اورانیوم» بپردازد. در آن زمان هنوز هیچ زنی موفق نشده بود تا از دانشگاه های اروپایی دکترا بگیرد هر چند الزا نویمان در آلمان نیز به زودی این موفقیت را کسب کرد. به عنوان دانشمند زن پیشگام، با اکراه به او اجازه داده شده بود که برای کار خود از آلونکی شبیه اتاق استفاده کند که آب از سقفش نشت می کرد. وی از ترس هیجان جنسی که ممکن بود حضور او در آزمایشگاه ایجاد کند و موجب اختلال در انجام تحقیقات شود از ورود به آزمایشگاه های اصلی منع شده بود.
ماری اولین کشف بزرگ خود را در سال 1898 انجام داد. او پی برد که پیچ بلند (Pitchblende) (سنگ معدنی که اورانیوم از آن استخراج می شود) نسبت به اورانیوم، پرتوزایی بیشتری دارد و در نتیجه باید محتوی عنصر پرتوزای قوی تر دیگری باشد. این کشف آن قدر جالب بود که پیر کوری نیز پروژه های تحقیقاتی خود را کنار گذاشت و برای جدا کردن این عنصر که قبلاً شناخته نشده بود به ماری پیوست؛ آنها پس از کار شدید و پرزحمت این دو عنصر را پیدا کردند. یکی از آنها را «پولونیوم» نامیدند (حرکت سیاسی آشکاری برای اعتبار دادن به کشور محل تولد ماری که هنوز وجود نداشت). عنصر دیگر «رادیوم» نامیده شد. جدا کردن یک دهم گرم از رادیوم از چندین تُن پیچ بلند تا مارس سال 1902 به طول انجامید اما همین مقدار کم برای انجام تحلیل شیمیایی و تعیین مکان آن در جدول تناوبی عناصر کافی بود. یک سال بعد، ماری مدرک دکترا اخذ کرد و در همان سال اولین جایزه نوبل خود را گرفت. این پیر بود که انرژی شگفت آور رادیوم را اندازه گرفت. انرژی یک گرم رادیوم به اندازه ای است که می تواند یک سوم گرم آب را در مدت یک ساعت از نقطه انجماد به نقطه جوش برساند. به نظر می رسید که این فعالیت پایان ناپذیر است. با استفاده از این روش، با تنها یک گرم از رادیوم می توان به صورت تکراری مقادیر زیادی از آب را به نقطه جوش رساند؛ اما به دست آوردن چیزی از هیچ، با اصل بقای انرژی سازگار نیست. کشف این پدیده از کشف خود رادیوم مهم تر بود و تحسین بیشتری را برای آن زن و شوهر به همراه داشت. اما درست در زمانی که کوری ها در نتیجه موفقیت های خود از وضع زندگی مرفه تری برخوردار می شدند، پیر در 19 آوریل سال 1906 در اثر تصادفی در گذشت. او هنگام عبور از خیابانی لیز خورد و سر او در زیر چرخ های کالسکه خرد شد. بسیار محتمل به نظر می رسد که لیز خوردن او نتیجه حملات گیج کننده در اثر بیماری ناشی از تابش بوده باشد که او را آزار می داد. ماری تا 4 ژوئیه سال 1934 زندگی کرد و در اثر بیماری سرطان خون (لوسمی) در کلینیکی در استان ساووای علیا در فرانسه فوت کرد. وی نیز (احتمالاً) قربانی بیماری ناشی از تابش شد. یادداشت های آزمایشگاهی وی به قدری سرشار از مواد پرتوزا است که در گاوصندوق هایی که از داخل یا جداری از سرب پوشیده شده است نگه داری و تنها در مواقع نادر و با مراقبت های ایمنی از محل نگهداری خود خارج می شود.
کشف پرتوهای ایکس و تابش اتمی و حتی شناسایی الکترون، اولین پرده نمایش توسعه درک دنیای زیراتمی بود. کسی که بیش از دیگران به این دنیای زیراتمی شکل داد و این کشفیات را به نظم در آورد و اولین بینش را نسبت به ساختار اتم ارائه داد، ارنست رادرفورد بود. رادرفورد در 30 اوت سال 1871 در یک زیستگاه کشاورزی در جزیره جنوبی نیوزیلند به دنیا آمد. این جزایر در مه سال 1871 تنها به این علت از طرف انگلستان تصرف شده بود که از برقراری مستعمره ای فرانسوی در آن منطقه جلوگیری شود. پدر و مادر رادرفورد هر دو با اقوام خود (پدر او اسکاتلندی و مادرش انگلیسی بود) از اولین مهاجران نیوزیلند بودند. این خانواده ها همان طور که اغلب در مورد خانواده های اولین مهاجران روی می دهد گرایش به زاد و ولد داشتند؛ ارنست (که نام او در واقع در اثر اشتباه مقامات مذهبی ایرنست ثبت شده بود؛ گر چه وی هیچ گاه این نام را به کار نبرد) یکی از دوازده برادر و خواهر بود و چهار دایی و سه عمو و سه عمه داشت. او در بخش کلیسای اسپرینگ گروو در نزدیکی شهر نلسون به دنیا آمد، اما به علت تغییر مرزها، محل تولد او اکنون در بخش کلیسای برایت واتر قرار دارد. خانواده زمانی که ارنست پنج و نیم سال داشت به فاکس هیل در چند کیلومتری آن ناحیه نقل مکان کردند.
رادرفورد در کودکی توانا بود اما شاگرد برجسته ای نبود. به نظر می رسید که او همیشه به اندازه کافی و نه بیشتر کار می کند. اما در سال های بعد، او سخت کار کرد تا بتواند از بورس تحصیلی برخوردار شود. به این ترتیب، او مدرک لیسانس خود را در سال 1892 از کالج کانتربوری در کریست چرچ گرفت (درس های دوره لیسانس شامل موضوعات هنری و علمی بود). او در سال 1893 مدرک فوق لیسانس خود را که تا اندازه ای حاصل تحقیقات نوین در زمینه الکتریسیته و مغناطیس بود گرفت (در آن سال، او یکی از تنها چهارده نفری بود که در نیوزیلند فوق لیسانس گرفتند). در آن دوران او سابقه دانشگاهی مناسبی داشت ولی با این وجود نمی توانست شغلی به عنوان معلم (اولین انتخاب او) پیدا کند و تمام فرصت های آموزشی دیگر را نیز در نیوزیلند آزموده بود. او به فکر راهی افتاد تا بتواند به مطالعات خود با استفاده از بورس تحصیلی در اروپا ادامه دهد؛ اما برای درخواست کمک هزینه تحصیلی مجبور بود که به عنوان دانشجو در یک دانشگاه ثبت نام کند. با این هدف، در سال 1894 برای طی دوره لیسانسی غیر ضروری در دانشگاه ثبت نام کرد. او تحقیقات بیشتری انجام داد و در عین حال زندگی خود را با تدریس تأمین می کرد (احتمالاً خانواده نیز تا اندازه ای به او کمک مالی می کردند). خوشبختی رادرفورد آن بود که معلمی در ماه نوامبر سال 1984 در مدرسه پسرانه شهر کریست چرچ بیمار شد و رادرفورد توانست پاره ای از وظایف او را به عهده گیرد.
کمک هزینه تحصیلی که رادرفورد درخواست کرده بود جزئی از برنامه ای بود که در سال 1851 در بریتانیا گرامی داشت نمایشگاه بزرگ برقرار شده بود. این بورس تحصیلی کمک هزینه ای (تنها 150 پوند در سال) برای مدت دو سال برای دانشجویان پژوهشگر از بریتانیا، ایرلند، کانادا، استرالیا و نیوزیلند فراهم می کرد تا در هر کجای دنیا که بخواهند به تحصیل بپردازند. اما تعداد بورس تحصیلی بسیار محدود بود و همه ساله به دانشجویان همه کشورهای مشمول پرداخت نمی شد. در سال 1895، تنها یک بورس تحصیلی برای نیوزیلند در نظر گرفته شده بود. تنها دو دانشجو در نیوزیلند نامزد دریافت این بورس بودند و تصمیم به انتخاب یکی از آن دو بر اساس پروژه های تحقیقاتی آنها که در پیوست علمی درخواستشان وجود داشت در لندن گرفته می شد. این بورس به جیمز مک لورن، شیمی دانی از شهر اوکلند داده شد. اما مک لورن در شهر اوکلند شغلی داشت و به تازگی ازدواج کرده بود. هنگامی که او برای اعلام تصمیم خود تحت فشار قرار گرفت، سرانجام اعلام کرد که قادر به استفاده از این بورس نیست. به این ترتیب رادرفورد بورس را دریافت کرد و در پاییز سال 1895 به عنوان اولین دانشجوی محقق وارد دانشگاه کمبریج شد و به آزمایشگاه کاوندیش پیوست. پیش از او تنها راه پیوستن به این جامعه انحصاری آن بود که دانشجو دوره لیسانس را در دانشگاه شروع کند و تحصیلات خود را تا مقاطع بالاتر در همان جا ادامه دهد. این واقعه چند ماه قبل از کشف پرتوهای ایکس رونتگن و چند سال پیش از اندازه گیری نسبت e/m الکترون توسط تامسون بود. رادرفورد هم در زمان و مکان مناسب قرار داشت و هم مرد جوان پر شوری بود؛ ترکیب این دو عامل موجب شد که او در زمینه علم به طور معجزه آسایی به موفقیت دست یابد.
تحقیقات اولیه رادرفورد در نیوزیلند مربوط به خواص مغناطیسی آهن بود. او با استفاده از امواج رادیویی با بسامد بالا (درست شش سال پس از آنکه هرتز این امواج را کشف کرد) درباره این خواص کاوش کرد. او برای انجام تحقیقات، آشکارساز حساسی (با معیار آن زمان) برای این امواج ساخته بود که می توان آن را یکی از اولین گیرنده های رادیویی دانست. رادرفورد در کمبریج، ابتدا همین زمینه تحقیقاتی را دنبال کرد و آزمایش هایی در مورد مخابرات رادیویی در مسافت زیاد (که سرانجام به چند کیلومتر رسید) انجام داد. در همین زمان گوگلیلمو مارکونی در ایتالیا آزمایش های مشابهی انجام داد. با وجود ادعاهایی که در این مورد شده است، تشخیص این موضوع که کدام یک از این دو برای اولین بار موفق به مخابره رادیویی در چنین فواصلی شده است غیر ممکن به نظر می رسد. رادرفورد به جنبه های علمی این تحقیق علاقه مند بود که به زودی به بررسی هیجان انگیز فیزیک زیراتمی علاقه مند شد؛ اما مارکونی از همان ابتدا با نتایجی که بر همه ما آشنا است در فکر استفاده های تجاری از تلگراف بی سیم بود.

کشف تابش آلفا، بتا و گاما

رادرفورد تا بهار سال 1896 تحت سرپرستی جی. جی. تامسون درباره پرتوهای ایکس پژوهش می کرد. کار مشترک آنها شامل بررسی نحوه یونیزه شدن گازها توسط پرتوهای ایکس بود و به شواهد قدرتمندی منجر شد مبنی بر اینکه این «پرتوها» شکل پرانرژی تر نور یا امواج الکترومغناطیسی هستند که با معادلات ماکسول تشریح می شوند (این نتیجه گیری با نگاه به گذشته با کار رادرفورد درباره امواج الکترومغناطیسی در باند رادیویی که در ماورای بزرگ ترین طول موج طیف مرئی قرار دارد پیوند می خورد). وی به زودی شروع به بررسی تابش بکرل کرد و دریافت که این تابش شامل دو مؤلفه است. یکی از آنها (که آن را تابش آلفا نامید) کوتاه برد است و در اثر برخورد با یک ورقه کاغذ یا چند سانتی متر هوا متوقف می شود. دومی (که آن را تابش بتا نامید) بلندبرد و دارای قدرت بیشتری است. رادرفورد در سال 1900 در کانادا کار می کرد در آن زمان نوع دیگری از تابش را هم شناسایی کرد و آن را تابش گاما نامید.(6) اکنون می دانیم که پرتوهای آلفا جریان ذرات هلیوم هستند که دو الکترون خود را از دست داده اند (رادرفورد این واقعیت را در سال 1908 کشف کرد)؛ پرتوهای بتا جریان الکترون پرانرژی (پرسرعت) مانند پرتوهای کاتدی ولی با انرژی بیشترند؛ پرتوهای گاما شکلی از انرژی الکترومغناطیسی با طول موج های کوتاه تر از پرتوهای ایکس هستند.
عزیمت رادرفورد به کانادا بیشتر در نتیجه ویژگی غیر عادی قوانین مربوط به دانشجویان محقق جدید بود. بورس تحصیلی که او در سال 1895 دریافت کرده بود تنها به مدت دو سال اعتبار داشت. طبق قواعد دانشگاه کمبریج، بدون توجه به شایستگی داوطلبان، تنها در صورتی امکان درخواست بورس تحصیلی وجود داشت که دانشجو مدت چهار سال در این دانشگاه تحصیل کرده باشد. این قاعده از زمانی باقی مانده بود که هر کس پس از طی دوره لیسانس وارد نظام دانشگاهی کمبریج می شد. رادرفورد بورس تحقیقاتی دیگری برای یک سال دیگر به دست آورده بود اما کم و بیش تحت فشار، مجبور شد که در سال 1898 کمبریج را ترک کند (این قواعد در سال بعد تغییر کرد). خوشبختانه در دانشگاه مک گیل در مونترال کانادا یک کرسی خالی شد و رادرفورد توانست آن را اشغال کند. در آن زمان او 27 سال داشت و با این وجود که محققی ممتاز بود اما هنوز مدرک دکترا نداشت زیرا در آن روزها داشتن مدرک دکترا پیش نیاز زندگی حرفه ای دانشگاهی محسوب نمی شد.(7) رادرفورد که در مونترال با فردریک سادی (1956-1877) متولد انگلستان کار می کرد، دریافت که در جریان فرایند گسیل پرتوهای بکرل (که اکنون به نام واپاشی پرتوزا مشهور است) یک اتم به اتم عنصر دیگری تبدیل می شود. زمانی که ذرات آلفا و بتا از اتمی (یا اگر بخواهیم دقیق تر باشیم از هسته اتمی) گسیل می شود چیزی که باقی می ماند نوع دیگری از اتم است. همکاری رادرفورد- سادی معمای گسیل ظاهراً پایان ناپذیر انرژی ماده پرتوزا مانند رادیوم را حل کرد. آن دو دریافتند که این تبدیل اتم ها قاعده مشخصی را دنبال می کند که طبق آن بخشی از اتم های موجود در نمونه اولیه طی مدت زمانی وا می پاشد. این پدیده معمولاً تحت عنوان نیمه عمر بیان می شود. به عنوان مثال، در مورد رادیوم، اندازه گیری های دقیق آهنگ کاهش تابش در آزمایشگاه حاکی از آن است که طی 1602 سال نیمی از اتم های رادیوم با گسیل ذره های آلفا به اتم های گاز رادون تبدیل می شود. در 1602 سال پس از آن، نیمی از اتم های باقی مانده رادیوم (یک چهارم نمونه اولیه) وا می پاشند و به همین ترتیب، این پدیده دو معنا دارد. اول آنکه رادیوم که امروز در روی کره زمین یافت می شود از زمان شکل گیری کره زمین وجود نداشته است بلکه باید کم و بیش سر جای اصلی خود تولید شده باشد (اکنون می دانیم که رادیوم از واپاشی اورانیوم پرتوزا با نیمه عمر بسیار بزرگ تر تولید شده است)؛ دوم آنکه گسیل انرژی از رادیوم و دیگر عناصر پرتوزا در دراز مدت پایان ناپذیر نیست. حتی یک گرم آب که انرژی خود را از رادیوم دریافت می کند سرانجام انرژی مفید خود را از دست خواهد داد. رادیوم چشمه ذخیره محدودی دارد (به همان طریق که یک میدان نفتی چشمه ذخیره محدودی دارد) و بنابراین تضادی با قانون پایستگی انرژی ایجاد نمی شود. رادرفورد خاطرنشان کرد که با توجه به این چشمه ذخیره انرژی، در حدود چند صد میلیون سال از عمر زمین می گذرد. برترام بولتوود مستقیماً از او الهام گرفت (او در سخنرانی رادرفورد درباره پرتوزایی در دانشگاه بیل حضور داشت) و راه را برای کارهای آرتور هولمز که در فصل 12 از او سخن گفتیم هموار کرد.
گر چه رادرفورد در کانادا خوشحال و موفق بود اما از اینکه از مسیر اصلی توسعه تحقیقات فیزیک در اروپا جدا مانده است نگران بود. او پیشنهاد وسوسه انگیز دانشگاه ییل را رد کرد و در سال 1907 به عنوان استاد فیزیک دانشگاه منچستر به انگلستان بازگشت. در این دانشگاه، تأسیسات تحقیقاتی فوق العاده جالبی ایجاد شده بود. پیشرفت پر شتاب فیزیک در آن دوران را از این موضوع می توان دریافت که گروه رادرفورد در عرض یک سال نشان داد که ذرات آلفا همان اتم های هلیوم هستند که دو واحد از بار الکتریکی منفی خود را از دست داده اند (امروز می دانیم که آنها دو الکترون خود را از دست داده اند) و یک سال بعد از آن، در سال 1909، از همان ذرات آلفا که در اثر پرتوزایی طبیعی تولید می شوند، برای بررسی ساختار اتم استفاده کردند.(8) این احتمالاً مهم ترین کاری است که رادرفورد را در یادها زنده نگه داشته است، گر چه این آزمایش ها را هانس گایگر (1945-1882) و دانشجویی به نام ارنست مارسدن (1970-1889) (تحت رهبری رادرفورد) انجام دادند. تصادفی نیست که این همان هانس گایگری بود که آشکارساز تابشی را که اکنون به نام وی معروف است ساخت؛ چرا که موفقیت این آزمایش ها در گرو توانایی آشکارسازی ذرات آلفا در مکان های مختلف پس از بر هم کنش با اتم ها بود. در آزمایش های کلاسیکی که گایگر و مارسدن انجام دادند، اتم های ورقه ای نازک از طلا با ذرات آلفا بمباران می شدند.

مدل اتم رادرفورد

پیش از انجام این آزمایش ها، مدل اتمی که بیش از همه مقبول بود، احتمالاً مدلی بود که جی. جی. تامسون مطرح کرده بود. اتم در این مدل به هندوانه ای تشبیه شده بود که در آن کره ای از ماده حاوی بار مثبت وجود داشت و الکترون های با بار منفی مانند تخمه ها در هندوانه جای گرفته بودند. اما زمانی که ذرات آلفا به سوی ورقه پرتاب شدند، بیشتر آنها از ورقه عبور کردند، برخی قدری به سویی منحرف شدند و چند تا هم مانند توپ تنیسی که به دیواری آجری برخورد کند برگشتند. از آنجا که ذرات آلفا دو واحد بار مثبت دارند، این پدیده می توانست به این معنی باشد که آنها گاه به گاه، درست روبه روی ماده ای با بار مثبت قرار می گرفتند. رادرفورد نتایج حاصل را به این صورت تفسیر کرد که بیشتر جرم و بار هر اتم در هسته مرکزی متمرکز شده است و الکترون ها مانند ابری آن را احاطه کرده اند. بیشتر ذرات آلفا هرگز با هسته مرکزی تماس پیدا نمی کنند (هسته در این مفهوم نامی است که رادرفورد یک سال پس از اعلام رسمی نتایج گایگر- مارسدن به کار برد)، بلکه از میان ابر الکترون رد می شوند. وزن هر ذره آلفا 8000 برابر وزن الکترون است. بنابراین الکترون نمی تواند ذرات آلفا را منحرف کند. اگر ذره آلفا به هسته اتم نزدیک شود (که در حالت طلا 49 برابر ذره آلفا وزن دارد) توسط بار مثبت هسته به اطراف منحرف می شود. تنها در حالات استثنایی، ذره آلفا به سمت هسته می رود ولی از آنجا به همان جهتی که آمده بود باز پس زده می شود.
آزمایش های بعدی نشان داد که هسته تنها یک صد هزارم قطر اتم را اشغال می کند؛ قطر میانگین هسته و قطر ابرهای الکترون سانتی متر است. با حساب سرانگشتی می توان نسبت این دو عدد را مانند نسبت دانه شنی به قطر تالار کارنگی دانست. بیشتر فضای اتم ها خالی است و شبکه ای از نیروهای الکترومغناطیسی که بارهای مثبت و منفی را پیوند می دهد آن را پر کرده است. این به آن معنا که هر چیزی که ما آن را فضای جامد می دانیم، از جمله کتابی که در دست دارید و صندلی که روی آن نشسته اید، عمدتاً از فضای خالی تشکیل شده است و شبکه ای از نیروهای الکترومغناطیسی که بارهای مثبت و منفی را به هم می پیوندد، فضای صندلی و کتاب را پر کرده است.

واپاشی پرتوزا

رادرفورد هنوز زندگی حرفه ای برجسته ای در پیش رو داشت ولی هیچ یک از دستاوردهای او به اهمیت مدل اتمی اش نبود که برای آن می توانست جایزه نوبل دومی، این بار در فیزیک به دست آورد. او در جریان جنگ جهانی اول در زمینه فنونی برای شناسایی زیردریایی ها با استفاده از صوت کار می کرد (که از جمله پیشتاز فنون ردیابی صوتی زیردریایی (Asdic) و سونار بود). او در سال 1919 به عنوان استاد کاوندیش و رئیس آزمایشگاه کاوندیش جانشین تامسون شد. او در همان سال با پیگیری آزمایش های قبلی مارسدن دریافت که اگر اتم های ازت با ذرات آلفا بمباران شوند، با گسیل یک هسته هیدروژن به شکلی از اکسیژن تبدیل می شوند (هسته هیدروژن یا یک پروتون: رادرفورد نام اخیر را هم معرفی کرد که برای اولین بار در سال 1920 اعلام شد). این مورد اولین نمونه از تبدیل مصنوعی یک عنصر بود. روشن بود که این فرایند با تغییری در هسته اتم همراه است. این برهه آغاز فیزیک هسته ای محسوب می شود. رادرفورد در آزمایش هایی که با همکاری جیمز چادویک (1974-1891) بین سالهای 1920 و 1924 انجام داد نشان داد که بیشتر عناصر سبک، اگر با ذرات آلفا بمباران شوند، پروتون گسیل می کنند. نقش او از آن سال تا زمان مرگش (در 19 اکتبر سال 1937 در اثر مشکلاتی که در نتیجه بیماری دراز مدت بواسیر به وجود آمد)، بیشتر تأثیرگذاری و رهبری نسل جدیدی از فیزیک دان ها بود؛ او در سال 1914 لقب سِر گرفت و در سال 1931 لقب بارون رادرفورد نلسون به او اعطا شد. درست یک سال بعد، چادویک مدل هسته ای اتم را با کشف نوترون تکمیل کرد.

وجود ایزوتوپ ها

بین سال 1912، سالی که رادرفورد نام هسته را معرفی کرد و سال 1932 که چادویک موفق به کشف نوترون شد، علاوه بر این کشف که هسته هر عنصر می تواند به هسته عنصر دیگری تبدیل شود، مهم ترین توسعه در درک اتم عبارت از این کشف بود که عناصر مختلف می توانند گونه های متفاوتی داشته باشند. این کشف را فرانسیس آستون (1945-1877) انجام داد که در اواخر دهه دوم قرن بیستم با تامسون در کاوندیش کار می کرد. فردریک سادی که در آن زمان در دانشگاه گلاسکو کار می کرد، گوشزد کرد که اگر عناصر در انواع مختلفی یافت شوند، می توان برخی از جنبه های اسرارآمیز رفتار شیمیایی آنها را توضیح داد. او در سال 1913 این گونه ها را ایزوتوپ نامید (وجود ایزوتوپ ها برخی از تغییراتی را که مندلیف در جدول تناوبی عناصر اعمال کرد توجیه می کند). آستون با مشاهده چگونگی انحراف «پرتوهای» با بار مثبت (در واقع یون ها یا اتم هایی که بعضی از الکترون های خود را از دست داده بودند) در معرض میدان های الکتریکی و مغناطیسی در لامپ خلأ، وجود ایزوتوپ ها را اثبات کرد. او برای انجام این کار، از فن بهبود یافته تامسون برای اندازه گیری e/m الکترون استفاده کرد؛ آستون e/m یون ها را اندازه گرفت و از آنجا که e شناخته شده بود، در واقع جرم آنها را اندازه گیری کرد. او مشاهده کرد که طرز انحراف ذراتی با بار الکتریکی برابر و با سرعت مساوی در میدان الکتریکی متفاوت است. اگر وزنشان بیشتر باشد کمتر و اگر وزنشان کمتر باشد بیشتر منحرف می شوند. این پدیده، اساس کار وسیله ای است که طیف نگار جرمی نام دارد و آستون با استفاده از آن نشان داد که عناصری مانند اکسیژن در واقع درگونه های متفاوت، یعنی اتم هایی با اوزان مختلف یافت می شوند. به عنوان مثال اتم نوعی از اکسیژن که بیش از انواع دیگر یافت می شود، جرمی معادل 16 برابر جرم اتم هیدروژن دارد؛ اما زمانی که رادرفورد ازت را با ذرات آلفا بمباران کرد، هر اتم اکسیژن حاصل، جرمی معادل 17 جرم اتم هیدروژن داشت. علت این پدیده در نتیجه مطالعات چادویک در دهه 1930 آشکار شد. اما مشاهده این پدیده توسط آستون، به خودی خود آن قدر اهمیت داشت که جایزه نوبل شیمی سال 1922 به وی اعطا شود (سادی همین جایزه را در سال 1921 دریافت کرده بود). همان طور که قبلاً دیدیم، در سال 1900 هنوز هم مخالفت زیادی نسبت به واقعیت وجود اتم ها ابراز می شد؛ در اولین دهه قرن بیستم، حتی شواهد بسیار مهمی که اینشتین برای اثبات واقعیت اتم ها عرضه کرد، بر اساس شواهد آماری استوار بود که تعداد بی شماری از ذرات را شامل می شد. اما تا سال 1920 روش های آزمایشگاهی به قدری پیشرفت کرده بود که آزمایش با چند اتم (بسیار نزدیک به حد و اندازه یک اتم تنها) رواج یافته بود.

کشف نوترون

چادویک به پاس کاری که در سال 1932 انجام داد، جایزه نوبل گرفت (در سال 1935در رشته فیزیک). این کار به دنبال کشفیاتی انجام شد که والتر بوته (1957-1891) در آلمان و فردریک ژولیو کوری (1958-1900) و ایرن ژولیو-کوری (1956-1897) در فرانسه انجام داده بودند.(9) بوته در سال 1930 دریافته بود که اگر برلیوم در معرض بمباران ذرات آلفا قرار گیرد، نوعی تابش جدید به وجود می آید که او سعی کرد آن را به عنوان پرتوهای گاما توضیح دهد. ژولیو-کوری ها موضوع را یک گام جلوتر بردند. آنها در اواخر ژانویه سال 1932 گزارش کردند که طبق مشاهداتشان، زمانی که برلیوم با ذرات آلفا بمباران می شود، نوعی تابش از اتم های هدف گسیل می شود که بار ندارد و آشکارسازی آن مشکل است (در واقع همان طور که آنها متوجه شدند از هسته). این تابش به نوبه خود پروتون هایی تولید می کند؛ آشکار سازی این پروتون ها که از پارافین گسیل می شوند (از هسته اتم های پارافین) آسان است. آنها هم گمان کردند که این پرتوزایی مصنوعی که از برلیوم ایجاد می شود، شکل جدیدی از تابش گاماست. اما چادویک متوجه شد که در واقع تابش آلفا ذرات خنثایی را از هسته برلیوم بیرون می کشد و این ذرات خنثی به نوبه خود موجب برون جهیدن پروتون ها (هسته های هیدروژن) از پارافین که تعداد اتم های هیدروژن آن زیاد است می شوند. چادویک در جریان آزمایش های بعدی با عنصر بور، وجود این ذره خنثی را اعلام و جرم آن را که اندکی از پروتون بیشتر است اندازه گرفت.
قدری کنایه آمیز است که نتایج بزرگ ترین کار چادویک که در طول چند روز کار بسیار سخت در فوریه سال 1932 به دست آمد از پاریس اعلام شد. در تمام طول دهه 1920، گروه کاوندیش و به ویژه خود چادویک به طور متناوب به کار تحقیق درباره ذره ای خنثی مشغول بودند که از یک پروتون و یک الکترون با پیوند سخت تشکیل شده است. به نظر می رسید که وجود این ذره برای توضیح ساختار ذرات آلفا و به طور کلی هسته ضروری است (در آن زمان تصور می شد که این ذره از ترکیب چهار پروتون و دو الکترون تشکیل شده است) رادرفورد حتی از عبارت نوترون برای حالت مفید پروتون و الکترون، احتمالاً در سال 1920 استفاده کرده بود، گر چه این موضوع برای اولین بار در سال 1921 منتشر شد.(10) این موضوع نشان می دهد که چرا چادویک توانست آن قدر سریع به حل مسئله ای بپردازد که می دانیم نتیجه گیری درست اخباری بود که از پاریس آمد. با کشف نوترون، همه محتویات اتم، آن طور که در مدرسه فرا می گیریم، در حدود هفتاد سال پیش از انتشار کتابی که در دست دارید، شناسایی شده بود. اما برای درک ساختار اتم و به ویژه توضیح این موضوع که چرا ابرالکترونی با بار منفی به سوی هسته با بار مثبت فرو نمی ریزد، بلکه یک بار دیگر به اواخر قرن نوزدهم برگردیم و باز هم یک معمای دیگر، یعنی معمای ماهیت نور را بررسی کنیم.
این معما مربوط به ماهیت تابش الکترومغناطیسی از تابنده ای کامل یعنی جسم سیاه است. جسم سیاه کامل جسمی است که تمام تابش ها را جذب می کند و زمانی که چنین جسمی داغ است، به نحو خاصی تابش گسیل می کند. این تابش مستقل از جنس جسم است و تنها به دمای آن بستگی دارد. اگر محفظه کاملاً بسته ای را که سوراخ کوچکی در آن وجود دارد در نظر بگیریم، این سوراخ مانند جسم سیاه است. اگر محفظه گرم شود، تابش در داخل آن در جهات مختلف به بدنه محفظه برخورد می کند، کاملاً مخلوط می شود و سرانجام به شکل تابش جسم سیاه از سوراخ محفظه خارج می شود. این پدیده ابزاری در اختیار فیزیک دانان قرار داد تا این تابش که نام دیگرش تابش کاواکی است را مطالعه کنند. اما بسیاری از اجسام مانند تکه ای آهن، رفتاری مانند جسم سیاه دارند و اگر گرم شوند انرژی گسیل می کنند. رابرت کیرشهوف (1887-1824) در اواخر سال 1850، به همین ترتیب، تابش جسم سیاه را تشریح و بررسی کرد. اما در دهه های بعد، به رغم تلاش بسیاری از پژوهشگران، دستیابی به مدلی ریاضی برای توضیح طیف تابش جسم سیاه با مشکل روبه رو شد. با این وجود در اینجا فرصت پرداختن به جزئیات نیست؛ اما به طور خلاصه درباره طیف جسم سیاه می توان به این مورد اشاره کرد که انرژی در قسمتی از طول موج ها بیشینه می شود، در حالی که در طول موج های بلندتر و کوتاه تر از آن کاهش می یابد. به علاوه، با افزایش دمای جسم سیاه، طول موج مربوط به این قله در طیف الکترومغناطیسی جا به جا می شود و کاهش می یابد. به عنوان مثال این واقعیت که تکه ای آهن داغ قرمز سردتر از تکه آهنی است که با رنگ زرد می درخشد به این موضوع مربوط است که آهن کم و بیش مانند جسم سیاه تابش می کند. ارتباط بین رنگ و دما در اخترشناسی حیاتی است، زیرا از آن برای اندازه گیری دمای ستارگان استفاده می شود.

ماکس پلانک و ثابت پلانک، تابش جسم سیاه و وجود کوانتوم ها

یکی از فیزیک دانانی که برای یافتن مدل ریاضی تابش جسم سیاه تلاش کرد، ماکس پلانک (1947-1858) بود. وی در سال 1892 استاد فیزیک نظری دانشگاه برلین شد. زمینه تحقیقاتی او ترمودینامیک بود و از سال 1895 به بعد سعی کرد تا راهی برای دستیابی به قانون تابش جسم سیاه، بر اساس گروهی از نوسانگرهای الکترومغناطیسی بیابد (به خاطر داشته باشیم که در این زمان هنوز الکترون شناسایی نشده بود و پلانک و همکاران او از ماهیت نوسانگرها بی اطلاع بودند). مدل پلانک با تلاش او برای دستیابی به سازگاری کامل بین نظریه و تجربه، از مراحل اصلاحات پی در پی گذشت. او سرانجام موفق شد اما بهایی که پرداخت، معرفی ایده ای بود که آن را در قیاس با عناصر شیمیایی، «عناصر انرژی» نامید. در این مدل، انرژی کل نوسانگرها در جسم سیاه در تعداد محدود ولی «قابل ملاحظه ای» از اجزای برابر (و بسیار کوچک) توزیع می شود که با ثابت طبیعی h مشخص می شوند. این ثابت به ثابت پلانک معروف است. پلانک مدل خود را در جلسه آکادمی علوم برلین در 14 دسامبر سال 1900 اعلام کرد. این زمان را تا اندازه ای به علت هم زمانی اعلام ایده «انقلابی» مذکور با آغاز قرن بیستم، اغلب به عنوان آغاز انقلاب کوانتومی در فیزیک تلقی می کنند. اما نه خود پلانک و نه همکارانی که به سخنان او گوش می دادند این طور فکر نمی کردند. از دیدگاه آنها، این کوانتوم انرژی حقیقی نبود بلکه ترفند ریاضی موقتی بود که با توسعه مدل بهتری باید کنار گذاشته می شد. مدل پلانک از ابتدا متحمل تغییرات بسیاری شد؛ پس چرا اعمال اصلاحات در مدل ادامه نیابد؟ در آن زمان نه پلانک و نه هیچ کس دیگری برای مفهوم کوانتوم انرژی، جنبه فیزیکی قائل نشدند. انقلاب کوانتومی واقعی پنج سال بعد و زمانی آغاز شد که آلبرت اینشتین اولین و جالب ترین نقش خود را در این حوزه ایفا کرد.

آلبرت اینشتین و کوانتوم های نور

اینشتین مقاله کوانتوم های نور را در سال 1905 منتشر کرد و آن را «بسیار انقلابی» توصیف کرد.(11) (او در این قضاوت تنها نبود زیرا سرانجام برای این موضوع جایزه نوبل را دریافت کرد). اینشتین رهیافت ترمودینامیک دیگری نسبت به کار پلانک داشت. او از نحوه محاسبه آنتروپی بر پایه احتمالات استفاده کرد که بولتزمان توسعه داده بود. او با انجام محاسبات دریافت که رفتار تابش الکترومغناطیسی به نحوی است که «گویی از کوانتوم های انرژی مستقل تشکیل شده است». او محاسبه کرد که اگر یک «نوسانگر» (یعنی اتم) تابش الکترومغناطیسی را جذب یا گسیل کند، این تابش به صورت واحدهای گسسته جذب یا گسیل می شود و مقدار آنها برابر ضرایبی از hv است. v بسامد تابشی است که جذب یا گسیل می شود (بسامد عکس طول موج است). اینشتین در همان مقاله کوتاه درباره این مطلب بحث کرد که چگونه تابش الکترومغناطیسی می تواند الکترون ها را از سطح قطعه ای فلزی به بیرون پرتاب کند (پدیده فوتو الکتریک) .فیلیپ لنارد در سال 1902 به دنبال بررسی های دقیق در مورد پدیده فوتو الکتریک دریافته بود که اگر نور با طول موج معینی (رنگ خاصی) بر روی چنین سطحی بتابد، همه الکترون های گسیل شونده انرژی یکسانی دارند اما انرژی مربوط به طول موج های مختلف متفاوت است. اگر چشمه نور درخشان تر باشد، تعداد الکترون بیشتری از فلز گسیل می شود اما انرژی الکترون ها به شدت نور بستگی ندارد. مدل اینشتین قادر به توضیح این پدیده است به این ترتیب که نور با طول موج (یا بسامد) معینی از جریانی از کوانتوم های منفرد با انرژی hv تشکیل شده است. کوانتوم ها هر کدام مقدار انرژی یکسانی به الکترون فلز می دهند و به همین دلیل است که الکترون هایی که به بیرون پرتاب می شوند همگی انرژی های یکسانی دارند؛ گر چه مدل موجی نور قادر به توضیح لنارد نیست. اینشتین بر موقتی بودن ایده های خود تأکید کرد (عنوان مقاله او چنین بود: «درباره دیدگاه آروینی تولید و تبدیل نور») به نظر می رسد که او بر خلاف پلانک متقاعد شده بود که کوانتوم های نور واقعی هستند (گیلبرت لوئیس، شیمی دان آمریکایی برای اولین بار در سال 1926 از اصطلاح فوتون برای کوانتوم های نور استفاده کرد.)
اینشتین پذیرفت که این ایده انقلابی است و متذکر شد:
بر اساس فرضیه ای که در اینجا مطرح می شود، انرژی در گسیل پرتو نور از چشمه نقطه ای، به طور پیوسته، در حجم های دائماً در حال افزایش در فضا توزیع نمی شود بلکه از تعداد محدودی کوانتوم های انرژی مستقر در نقاطی از فضا تشکیل می شود که بدون تقسیم شدن حرکت می کنند و فقط به صورت واحدهای کامل تولید و جذب می شوند.
این جملات آغاز انقلاب کوانتومی واقعی را مشخص می کند. نور می تواند بسته به نوع آزمایش، رفتاری مانند موج (آزمایش دو شکاف) یا ذره (پدیده فوتوالکتریک) داشته باشد. چگونه چنین چیزی ممکن است؟
معاصران اینشتین از نتایج انقلابی چنین فرضیه ای کاملاً آگاه بودند ولی به هیچ وجه قانع نشده بودند. دانشمندی از مطلبی که آن را یک مطلب احمقانه می خواند به شدت عصبانی شد و در موقعیتی قرار داشت که کاری درباره آن انجام دهد. او رابرت میلیکان (1953-1868)، فیزیک دان تجربی آمریکایی بود که در دانشگاه شیکاگو کار می کرد. میلیکان واقعیت کوانتوم ها را نمی پذیرفت و تصمیم گرفت ثابت کند که اینشتین درباره پدیده فوتوالکتریک در اشتباه است. او با انجام چند آزمایش دشوار فقط موفق شد ثابت کند که ایده اینشتین درست بوده است. او در جریان این آزمایش ها همچنین توانست پلانک را به طور دقیق اندازه گیری کند. مقدار این ثابت است. این اندازه گیری تأیید فرضیه اینشتین به بهترین سبک علمی بود (اندازه گیری مذکور به ویژه ازاین نظر جالب بود که دانشمند بدبینی آن را به دست آورد که قصد داشت اشتباه بودن این ایده را ثابت کند). تا سال 1915 به روشنی معلوم شد که ایده کوانتوم نور نسبت مستقیمی با واقعیت دارد. همان طور که میلیکان در اواخر عمر خود با احساس پشیمانی در این رابطه گفت: «من ده ها سال از زندگی خود را صرف آزمودن معادله اینشتین کردم و بر خلاف انتظارم مجبور شدم که در سال 1915 به درست بودن آن بدون هر گونه ابهام، به رغم غیر منطقی بودنش، اعتراف کنم.»(12) مایه دلخوشی میلیکان این بود که جایزه نوبل فیزیک سال 1923 را برای این کار و به خاطر اندازه گیری دقیق بار الکترون دریافت کرد؛ این مورد یک امر تصادفی نبود که اینشتین جایزه نوبل را در سال 1922 گرفت (این جایزه در واقع در سال 1921 به او اعطا شد، ولی مراسم اعطای جایزه به مدت یک سال به تعویق افتاد) اما تا آن زمان ایده کوانتوم ارزش خود را در توضیح رفتار الکترون های اتم نشان داده بود، گرچه هنوز تصور کاملی از پدیده کوانتومی وجود نداشت.
مدل اتمی رادرفورد یعنی یک هسته بسیار ریز با ابری از الکترون ها که در گرداگرد آن در فضای خالی گردش می کنند یک مشکل داشت. در این مدل هیچ عاملی وجود ندارد تا از فروپاشی الکترون ها بر روی هسته جلوگیری کند. هسته بار مثبت و الکترون ها بار منفی دارند و به این ترتیب باید به سوی یکدیگر جذب شوند. اگر بخواهیم در جستجوی تعادل در چنین سیستمی باشیم می توانیم به همانندی با سیاره ها اشاره کنیم که به دور خورشید می گردند. اما بدبختانه این همانندی واقعیت ندارد. بدون شک سیاره ها از طریق نیروی گرانی به سوی خورشید کشیده می شوند و «گرایش» دارند که بر روی آن سقوط کنند ولی چون حرکت می کنند نیروی دورکننده گریز از مرکز، کشش گرانی را حذف می کند. اما الکترون ها نمی توانند به این شیوه به دور هسته بگردند زیرا آنها از طرفی بار الکتریکی دارند و از طرف دیگر برای گردش به دور هسته باید مانند ماه در مدار زمین شتاب بگیرند. در حرکت شتاب دار جهت حرکت یا سرعت جسم و یا هر دو تغییر می کند. اما اگر بار الکتریکی شتاب بگیرد باید از خود انرژی (به شکل امواج الکترومغناطیسی) گسیل کند؛ این عمل موجب می شود که الکترون انرژی خود را از دست بدهد. به این ترتیب الکترونی که «درمداری» به دور هسته در گردش است، به صورت حلزون وار به سوی هسته فرو می افتد و اتم در مدت زمانی معادل ده میلیاردیم یک ثانیه فرو می پاشد.(13) در چارچوب فیزیک کلاسیک نیوتون و ماکسول راهی برای اجتناب از این وضع دشوار وجود ندارد. این فیزیک کوانتومی است که علت تعادل اتم ها را بیان می کند و اولین کسی که توضیحی برای این پدیده ارائه کرد نیلس بور دانمارکی بود.

نیلس بور: اولین مدل کوانتومی اتم

بور در اکتبر سال 1885 در کپنهاگ به دنیا آمد. او در خانواده ای دانشگاهی متولد شد (پدرش استاد فیزیولوژی دانشگاه کپنهاگ بود و هارلد، برادر نیلس، در همان دانشگاه استاد ریاضی شد). بور تحصیلات علمی مناسبی را دنبال کرد که سرانجام در سال 1911 با دریافت مدرک دکترای فیزیک از دانشگاه کپنهاگ به اوج خود رسید (پدر او چند ماه پیش از آن در اثر سکته قلبی در گذشته بود). در سپتامبر آن سال، نیلس بور برای انجام تحقیقات تحت نظر جی. جی. تامسون به آزمایشگاه کاوندیش در کمبریج رفت اما با آن محیط سازگاری نداشت. این ناسازگاری تا اندازه ای در اثر طبیعت خجول او و عدم تسلط به زبان انگلیسی بود. تا حدودی هم به این علت که علایق تحقیقاتی او با زمینه کار در کاوندیش کاملاً همسو نبود. علاوه بر این، جی. جی. تامسون در آن زمان بیش از پنجاه سال داشت و دیگر کاملاً مانند قبل پذیرای ایده های جدید نبود. اما در اکتبر آن سال، رادرفورد طی سخنرانی در کمبریج کارهای جدید خود را تشریح کرد. این سخنرانی بر بور جوان تأثیر فراوان گذاشت. یک ماه بعد بور از یکی از همکاران قدیمی پدرش در منچستر دیدار کرد؛ این دوست خانوادگی با تشویق بور، از رادرفورد برای صرف شام دعوت کرد. با وجود مانع زبانی که بین آنها وجود داشت، بور و رادرفورد فوراً با یکدیگر جور شدند (رادرفورد علاوه بر علایق تحقیقاتی مشترک به خوبی از این امر آگاه بود که فردی که در شروع زندگی حرفه ای خود به عنوان یک خارجی به کمبریج بیاید با چه مشکلاتی روبه رو است). بور در پیامد این دیدار در مارس سال 1912 به منچستر رفت و شش ماه آخر حضور در انگلستان را در آنجا ماند. در آنجا بود که او روی اولین مدل کوانتومی اتم که مستقیماً بر اساس مدل رادرفورد شکل گرفته بود کار کرد، هر چند تکمیل این کار به بیش از شش ماه زمان نیاز داشت.
بور در تابستان سال 1912 به کپنهاگ بازگشت، در اول اوت با نامزد خود مارگارت نورلوند ازدواج کرد و در پاییز همان سال به عنوان معلم تازه کار در دانشگاه کپنهاگ مشغول به کار شد. او در آنجا سه مقاله درباره ساختار اتم نوشت که هر سه قبل از پایان سال 1913 منتشر شد و بر اساس آن جایزه نوبل سال 1922 را دریافت کرد. نبوغ بزرگ بور، یا رمز کار او در تمام زندگی حرفه ای، مهارتش در گردآوری و پیوند دادن ریزه کاری های فیزیک برای دستیابی به مدلی کارساز از دل پدیده ای ضروری بود. او تا آنجا که این مدل تصویر قابل استفاده ای از آنچه در مغزش می گذشت ارائه می داد و مهم تر از همه پیش بینی هایی می کرد که با نتایج آزمایشگاهی سازگار بود، چندان درباره سازگاری داخلی مدل نگرانی به خود راه نمی داد. به عنوان مثال، مدل اتمی رادرفورد- بور مطالبی از فیزیک کلاسیک (دَوران الکترون ها) و مفاهیمی از نظریه کوانتومی (این ایده که انرژی تنها در کوانتوم های گسسته hv جذب یا گسیل می شود)، هر دو را در بر دارد؛ اما با این وجود، آن قدر بینش فیزیکی در مدل مذکور وجود داشت تا بتواند به فیزیک دان ها تا دستیابی به مدل بهتری کمک کند. در واقع بینش فیزیکی همراه این مدل آن قدر خوب بود که هنوز هم اصولاً همین مدل را در مدرسه فرا می گیریم و بنابراین ضرورتی ندارد که در اینجا به جزئیات بپردازیم. بور اظهار کرد که الکترون ها به دور هسته دَوران می کنند چرا که از نظر فیزیکی قادر به گسیل پیوسته تابش نیستند؛ در حالی که اگر قوانین کلاسیک حاکم بود، الکترون ها باید از خود تابش گسیل می کردند. هر الکترون تنها می تواند یک کوانتوم انرژی و هر بار تنها یکی گسیل کند و با این عمل از مداری به مدار پایین تر پرش کند؛ درست مثل آنکه کره مریخ پس از گسیل انبوهی از انرژی به مدار زمین سقوط کند. مدارهای پایدار به کمیت های ثابت و معینی از انرژی مربوط می شوند اما مدارهایی بین آنها وجود ندارد. بنابراین سقوط حلزون وار به طرف هسته غیر ممکن است. اما چرا همه الکترون ها مستقیماً بر روی هسته نمی افتند؟ بور (به صورت کاملاً موقتی) استدلال کرد که هر یک از مدارهای مجاز تنها «گنجایش» تعداد معینی الکترون را دارند و به همین دلیل الکترون های مدارهای بیرونی نمی توانند به مدارهای داخلی تر که دیگر جای خالی ندارند پرش کنند (بر مبنای این قیاس، کره ی مریخ نمی تواند به سوی مدار زمین سقوط کند زیرا زمین این مدار را اشغال کرده است). نزدیک ترین الکترون ها به هسته تنها به این علت که مجاز نیستند، نمی توانند به مرکز اتم پرش کنند. برای توضیح این موضوع باید قدری صبر کنیم (این توضیح همان طور که خواهیم دید بیش از ده سال بعد با کشف اصل عدم قطعیت هایزنبرگ ارائه شد).
البته همه این مطالب بیشتر سرسری و به صورت مدل زیبایی مبانی ساختاری بود. اما بور از این پیش تر رفت. هر «جهش» الکترون از مداری به مدار دیگر با رها شدن کوانتوم انرژی همراه با طول موج معینی در ارتباط است. اگر تعداد زیادی از اتم های منفرد (به عنوان مثال نمونه ای از گاز هیدروژن)، همه با هم به این ترتیب تابش کنند، کوانتوم ها (فوتون ها) با هم جمع می شوند تا خط روشنی در طیف این طول موج تشکیل دهند. زمانی که بور مدل را به زبان ریاضی بیان کرد و طرز گسیل انرژی را زمانی که الکترون ها به درون جهش می کنند محاسبه کرد (یا برعکس، محاسبه اینکه چگونه انرژی با جهش الکترون ها از مدار درونی به مدار مجاز بیرونی جذب می شود)، دریافت که مکان های خطوط طیفی طبق پیش بینی مدل، کاملاً با مکان های خطوط طیف مشاهده شده سازگار است.(14) فیزیک کوانتومی توضیح می دهد که چرا و چگونه هر عنصر، اثر انگشت طیفی خود را به وجود می آورد. این مدل مجموعه درهمی از ایده های قدیم و جدید ولی موفق بود.
مدل رادرفورد-بور تقریباً به همان اندازه که به پرسش های قبلی پاسخ داد پرسش های جدیدی مطرح کرد. اما این مدل نشان داد که فیزیک آینده باید فیزیک کوانتومی، کار نظری اینشتین و آزمایش های میلیکان را شامل شود و راه پیشرفت به سوی نظریه کامل کوانتومی را که در دهه 1920 توسعه یافت نشان داد. بور به محض اینکه اخبار مربوط به کارش به بیرون درز کرد و حتی پیش از اینکه سه مقاله اش منتشر شود از محبوبیت خاصی برخوردار شد. در آغاز سال 1914، دانشگاه کپنهاگ پیشنهاد کرد در صورتی که بور علاقه مند باشد، کرسی فیزیک نظری راه اندازی شود. رادرفورد به او نامه نوشت و شغل دو سال های را به عنوان مربی در منچستر به او پیشنهاد کرد (پستی برای تحقیق که شامل وظایف اداری یا تدریس نبود). بور که در آن زمان 29 ساله بود دانشگاه کپنهاگ را قانع کرد که در انتظار بنشیند و از موقعیت کار با رادرفورد به مدت محدودی استفاده کرد. با وجود شروع جنگ (دانمارک در جنگ بین المللی اول بی طرف ماند)، بور و همسرش به راحتی با کشتی به انگلستان سفر کردند و طبق برنامه در سال 1916 به دانمارک بازگشتند. بور با وجود دریافت چند پیشنهاد شغلی از جمله پست دائمی در منچستر، ترجیح داد در دانمارک بماند. او با استفاده از شهرت خود اعتبارات لازم را برای راه اندازی مؤسسه ای تحقیقاتی یعنی مؤسسه فیزیک نظری کپنهاگ که اکنون مؤسسه نیلس بور نامیده می شود به دست آورد. این مؤسسه به پایگاهی برای دیدارهای کوتاه مدت یا طولانی مدت بیشتر فیزیک دان های بزرگ آن زمان در سال های بعد و به مکانی برای پالایش ایده های مربوط به فیزیک کوانتومی بدل شد. بور در دهه 1930 به فیزیک هسته ای و امکان دسترسی به انرژی به وسیله شکافت هسته ای علاقه مند شد. بور در دوران اشغال دانمارک توسط نیروهای آلمان در طول جنگ جهانی دوم، از این امکان که آلمان ها به سلاح اتمی دست پیدا کنند نگران شد و از طریق سوئد به انگلستان گریخت. او و پسرش اوگه بور (که در سال 1975 جایزه نوبل گرفت)، به عنوان مشاور در پروژه منهتن کار کردند. نیلس بور پس از جنگ، کاربردهای صلح آمیز انرژی اتمی را ترویج کرد و نقش رهبری برجسته در بنیانگذاری سرن، مرکز اروپایی فیزیک ذرات در سوئیس را به عهده داشت. او در 18 نوامبر سال 1962 در گذشت و پسرش اوگه بور به عنوان رئیس مؤسسه کپنهاگ جانشین او شد.
یکی از بهترین جنبه های مدل اتمی بور و اصلاحاتی که در دهه 1920 در آن به عمل آمد، فراهم کردن مبنایی برای درک شیمی بود. به این ترتیب آشکار شد که چرا و چگونه برخی عناصر با یکدیگر برهم کنش می کنند در حالی که برخی دیگر از عناصر چنین نمی کنند. شرح تاریخ این داستان را به فصل بعد واگذار می کنیم که به بررسی شیمی حیات اختصاص دارد. در اینجا می خواهیم به گشت و گذار خود در دنیای اتم ادامه بدهیم و ببینیم چگونه فیزیک کوانتومی جدید ما را به درک هسته رهنمون شد و دری به دنیای جدید فیزیک ذرات گشود.

لویی دوبروی

اگر از بسیاری از راه ها و کوره راه های غلط که به بن بست منجر شد و برخی کارهای مهم ولی فنی در زمینه آمار کوانتوم های نور بگذریم، گام بزرگ بعدی در فیزیک کوانتومی در سال 1924 برداشته شد. در این سال لویی دوبروی (1987-1892)، فیزیک دان فرانسوی، در رساله دکترای خود در دانشگاه سوربن (که در سال 1925 منتشر شد) این ایده را مطرح کرد که می توان ذرات مادی را بر حسب امواج تشریح کرد، همان طور که امواج الکترومغناطیسی را بر حسب ذرات تشریح می کنیم. دوبروی تحصیل در فیزیک نظری را دیر شروع کرده بود (هنگام نوشتن رساله اش سی ساله بود). این تأخیر از یک طرف به این خاطر بود که او در خانواده ای اشرافی متولد شده بود که می خواستند او دیپلمات بشود. او تحصیلات خود را در سوربن، ابتدا در رشته تاریخ آغاز کرد و سپس در سال 1909، کاملاً بر خلاف آرزوهای پدرش، رشته خود را به فیزیک تغییر داد. علت دوم، وقوع جنگ جهانی اول بود که در طی آن او به عنوان متخصص رادیو در برج ایفل کار می کرد. اما او بدون تردید زمان از دست رفته را جبران کرد و با ارائه بینشی کلیدی از دنیای زیراتمی به دریافت جایزه نوبل سال 1929 مفتخر شد. ایده او در بیان به طرز شگفت آوری ساده است اما با عقل سلیم منافات دارد.
دوبروی با دو معادله شروع کرد که در تشریح کوانتوم های نور کاربرد دارند (از این به بعد کوانتوم نور را فوتون می نامیم، گر چه استفاده از این واژه چند سال پس از این کار آغاز شد). یکی از این معادلات که قبلاً به آن اشاره کردیم E= hυ است. معادله دیگر را اینشتین از نظریه نسبیت به دست آورد. این معادله تکانه فوتون (p زیرا m برای جرم به کار برده می شود) را با سرعت حرکت آن (c سرعت نور) و انرژی فوتون به صورت E=mc ربط می دهد. دوبروی با درهم آمیختن این دو، معادله hυ=pc یا p=hυ/c را به دست آورد. از آنجا که طول موج تابش الکترومغناطیسی (که معمولاً با حرف یونانی λ نشان داده می شود) با بسامد، از طریق رابطه ارتباط دارد، می توان نتیجه گرفت که pλ=h یا به بیان دیگر حاصل ضرب تکانه یک «ذره» و طول موج آن برابر است با ثابت پلانک. این ایده تا سال 1924، تا زمانی که پای نور وسط بود، ایده درخشانی محسوب نمی شد، اما دوبروی گوشزد کرد که این رابطه در مورد ذرات دیگر به ویژه الکترون ها نیز کاربرد دارد. او بر این اساس، مدلی از اتم را مطرح کرد که در آن الکترون ها به وسیله امواجی نشان داده می شوند که در اطراف «مدار»ها حرکت می کنند، مانند ماری که به دور خود می پیچد و دم خود را گاز می گیرد. او اظهار کرد که سطوح مختلف انرژی الکترون ها در اتم، مانند نت های موسیقی که از نواختن گیتار ایجاد می شود، به هارمونی های مختلف این امواج ارتباط دارد. فقط مدارهایی مجازند که هماهنگ های مربوطشان دقیقاً سازگارند و قله ها و بطن های موجِ یکدیگر را تقویت می کنند. پل لانژون (1946-1872)، استاد راهنمای دوبروی، از این نتیجه گیری ها حیرت زده شد و رساله دوبروی را به اینشتین داد. کار دوبروی از دید اینشتین درست و چیزی بیش از یک ترفند ریاضی بود.
دوبروی دکترای خود را گرفت و زمانی که در امتحان شفاهی از او سؤال شد چگونه می توان ایده او را به معرض آزمایش گذاشت پاسخ داد که بر اساس معادله او الکترون ها باید طول موج صحیحی داشته باشند تا از شبکه های بلوری پراشیده شوند. درسال 1927، کلینتون دیویسون (1958-1881) و لستر گرمر (1971-1896) در آمریکا و جورج تامسون (1975-1892) در شهر ابردین انگلستان با انجام دو آزمایش پیش بینی دوبروی را تأیید کردند. دیویسون و تامسون مشترکاً جایزه نوبل سال 1937 را دریافت کردند؛ گرمر در این جایزه سهیم نشد چون زمانی که این آزمایش را با دیویسون انجام می داد، «تنها» یک دانشجو بود. همان طور که بارها اشاره شده است جایزه نوبلی که جورج تامسون پسر جی. جی. تامسون در آن سهیم شد به خاطر کشف ماهیت غیر قابل لمس دنیای کوانتومی بود. جی. جی. تامسون به خاطر اثبات این موضوع که الکترون ها ذره اند جایزه نوبل گرفت، در حالی که جورج تامسون جایزه را به این خاطر گرفت که نشان داد الکترون ها موج اند و هر دوی آنها درست می گفتند.
در آن زمان، آرتور کامپتون (1962-1892) نیز مسئله ای را که به عنوان اثبات قطعی وجود فوتون ها تلقی می شد، حل کرده بود. کامپتون ابتدا در دانشگاه واشینگتن در سنت لوییس و بعد در شیکاگو کار می کرد. کامپتون در سال 1923، در جریان چند آزمایش در ارتباط با پراکندگی پرتوهای ایکس توسط الکترون های اتمی، نشان داد که این پراکندگی تنها می تواند از طریق تبادل تکانه بین ذرات صورت گرفته باشد و به پاس این کار جایزه نوبل سال 1927 را دریافت کرد. این مورد، نمونه دیگری از منطق عجیب و غریب دنیای کوانتومی را نشان می دهد که با الکترون ها مانند جریانی از ذرات برخورد می شود و این نتیجه به دست می آید که تابش الکترومغناطیسی هم به صورت ذره و هم به صورت موج است. این مسئله برای دوبروی حاوی جنبه الهام بخشی بود که نشان بدهد الکترون ها رفتاری مانند موج دارند! چیزی که معادله دوبروی به ما می گوید این است که همه چیز دارای ویژگی دو گانه موجی-ذره ای است. از آنجا که تکانه با موج ارتباط دارد (به استثنای نور که در موارد بسیاری حالتی خاصی تلقی می شود و فوتون ها به معنای عادی اصطلاح، جرم ندارند) و چون ثابت پلانک بسیار کوچک است و آشکارسازی آن امکان پذیر نیست. موج گونگی تنها در حالتی اهمیت می یابد که جرم جسمی (در واحدهای مناسب) تقریباً به اندازه ثابت پلانک یا کمتر از آن باشد. این به آن معناست که جنبه دوگانگی موج-ذره در مورد اجسامی بزرگ تر از مولکول به ندرت دارای اهمیت است؛ در حالی که در مورد اتم های کامل نمی توان آن را کنارگذاشت. این پدیده در توضیح رفتار پروتون ها و نوترون ها عامل مهمی است و برای تشریح الکترون ها در داخل اتم اهمیت محوری دارد. این دوگانگی همچنین به ما می گوید که درک ماهیت واقعی الکترون در قالب تجربه روزمره امکان پذیر است. تنها چیزی که می توانیم بدانیم، معادلات ریاضی مدل های مربوط است. این معادلات رفتار الکترون ها را در شرایط مختلف پیش بینی می کنند: الکترون در برخی از حالات مانند موج و در برخی دیگر مانند ذره رفتار می کند. این درست همان چیزی است که تقریباً پیش از آنکه مرکب روی رساله دوبروی خشک شود در حوزه مکانیک کوانتومی روی داد.

معادله موج اروین شرودینگر برای الکترون ها؛ نگرش ذره ای به دنیای کوانتومی الکترون ها

چند ماه پس از انتشار ایده های دوبروی نه تنها یک بلکه دو مدل کامل ریاضی از رفتار الکترون ها در اتم توسعه یافت. مسیر مستقیم از دوبروی به اروین شرودینگر (1961-1886)، فیزیک دان اتریشی، ختم می شود که در آن زمان در زوریخ استاد فیزیک بود. او یک مدل موجی توسعه داده بود و از این اندیشه دلخوش بود که فیزیک با توضیح دادن دنیای عجیب زیراتمی با استفاده از موضوع بی دردسر و آشنایی مانند معادله موج، دوباره سلامت عقلی اش را بازیافته است. اما درست زمانی که قرار بود کار او در سال 1926 منتشر شود، تشریح ریاضی کامل دیگری از رفتار الکترون ها در اتم در دست انتشار بود. این تشریح اصولاً بر پایه رویکرد ذره ای و جهش کوانتومی از یک سطح به سطح دیگر استوار بود. برای اولین بار ورنر هایزنبرگ (1976-1901)، فیزیک دان آلمانی، این رویکرد را به کار گرفت. بلافاصله پس از او ماکس بورن (1970-1882) و پاسکال یوردان (1980-1902)، همکارانش در دانشگاه گوتینگن، این ایده را دنبال کردند و پل دیراک (1984-1902)، فیزیک دان جوان انگلیسی، هم به آن دست یازید. دیراک ابتدا یک صورت گرایی ریاضی برای تشریح رفتار الکترون ها در اتم توسعه داد که بیشتر جنبه نظری داشت (نظریه کوانتومی کامل سوم!) و سپس نشان داد که آن دو رویکرد قبلی هم در این صورت گرایی می گنجند و از نظر ریاضی با یکدیگر معادل اند. درست مانند آن است که اگر فاصله ای را با مایل یا با کیلومتر اندازه بگیریم در طول این فاصله، تفاوتی ایجاد نمی شود. همه این افراد به استثنای یوردان به خاطر سهمشان در نظریه کوانتومی به دریافت جایزه نوبل نائل شدند (کج روی اسرارآمیزی از سوی کمیته نوبل).
پیامد این جوش و خروش و فعالیت آن بود که فیزیک دانان از سال 1927 به بعد با به کار گرفتن یکی از مدل های ریاضی، رفتار موجودات کوانتومی مانند الکترون ها را محاسبه کنند. بیشتر آنها مانند شرودینگر کار بی دردسر با معادله موجی را ترجیح دادند؛ اما هرگز نباید از این موضوع نتیجه گیری کرد که در موجی بودن راستین دنیای کوانتومی، حقیقت عمیق تری نسبت به ذره ای بودن آن نهفته است (در واقع رویکرد مکانیک موجی به دلیل همین سادگی اش، ماهیت حقیقی دنیای کوانتومی را پنهان می کند). این موارد همگی تنها وجوهی از یک کل هستند که با هیچ چیز دیگری در جهان شباهت ندارند؛ گر چه بعضی اوقات رفتاری مانند ذره و بعضی اوقات رفتاری موج گونه دارند. مردم هنوز درباره ماهیت این موضوعات با هم بحث می کنند ولی برای منظور ما کافی است که رویکرد واقع گرایی را برگزینیم و بگوییم که مکانیک کوانتومی به این معنا کار می کند که پیش بینی های آن با آزمایش تأیید می شود. بنابراین مهم نیست که معنی حقیقی آن چیست.

اصل عدم قطعیت هایزنبرگ: دوگانگی موج- ذره

اما هایزنبرگ با اصل عدم قطعیت مشهور خود سهم دیگری در فیزیک کوانتومی داشت که ارزش بحث را دارد. این اصل به دوگانگی موج- ذره مربوط است و می گوید تعیین دقیق بعضی از جفت های خواص کوانتومی مانند مکان و تکانه به طور هم زمان امکان پذیر است؛ همیشه مقداری عدم قطعیت در تعیین مقدار دست کم یکی از این کمیت ها وجود خواهد داشت (عدم قطعیت با ثابت پلانک متناسب است که در اینجا هم اثر خود را در مقیاس بسیار کوچک بروز می دهد). هر قدر دقت اندازه گیری یکی از این دو کمیت را افزایش دهیم، دقت کمیت دیگر کاهش می یابد. این امر فقط به علت ناکامل بودن دستگاه های اندازه گیری نیست که دنیای کوانتومی را هنگام اندازه گیری، دستخوش آشوب می کند و مثلاً هنگام اندازه گیری مکان الکترون تکان کوچکی به آن می دهد و موجب تغییر تکانه می شود. این مورد جنبه ای بنیادی از دنیای کوانتومی و به این معناست که الکترون دقیقاً و هم زمان نمی داند که مکانش کجا است و به کجا می رود. هایزنبرگ در مقاله ای که در سال 1927 منتشر کرد اظهار کرد که «ما اصولاً نمی توانیم از وضعیت حاضر با تمام جزئیاتش باخبر بشویم.»
بعداً معلوم شد که این موضوع به حدی در تشریح طرز کار دنیا جنبه اصولی دارد که می توانیم با شروع از اصل عدم قطعیت، بنای کامل مکانیک کوانتومی را برپا کنیم. ما در اینجا وارد این بحث نمی شویم. اما برای توضیح قدرت اصل عدم قطعیت، می توان به این معما برگشت که چرا الکترون های اتم به سوی هسته فرو نمی افتند، حتی اگر مجبور باشند به جای سقوط حلزون وار این کار را طی چند جهش انجام دهند. تکانه الکترون، زمانی که الکترون در مداری به دور هسته می چرخد، با توجه به ویژگی های مدار به طور کامل مشخص می شود. بنابراین هر نوع عدم قطعیت در جفت مکان-تکانه ناشی از مکان خواهد بود. اگر الکترونی در جایی در مسیر مدار خود باشد در واقع یک عدم قطعیت در مکان آن وجود دارد، یعنی الکترون در یک طرف یا طرف دیگر مدار است (یا به عبارتی موج در اطراف مدار پخش می شود). اما اگر الکترون درست روی هسته می افتاد، مکان آن در درون حجم هسته کاملاً مشخص بود؛ تکانه آن نیز کاملاً مشخص بود زیرا به هیچ جای دیگر نمی رفت. این وضعیت، اصل عدم قطعیت را زیرپا می گذارد (به بیان دیگر هسته بسیار کوچک تر از آن است که موج وابسته به الکترون در آن جا بگیرد). اگر اعداد مناسب یعنی مقادیر تکانه را در محاسبه به کار ببریم، به این نتیجه می رسیم که در صورت درستی اصل عدم قطعیت، یک اندازه کمینه برای مدار الکترون وجود دارد و مداری کوچک تر از آن وجود ندارد. حتی اندازه خود اتم ها ( و این واقعیت که اتم ها وجود دارند!) با توجه به اصل عدم قطعیت مکانیک کوانتومی مشخص می شود.

معادله الکترون دیراک

پس از کشفیات اساسی دهه 1920، چند دهه طول کشید تا انتهای باز این موضوعات به هم متصل شود. یکی از دلایل اصلی این تأخیر، اختلال در تحقیقات علمی در اثر بروز جنگ جهانی دوم بود. اما پیش از این وقفه، دو پیشرفت اساسی روی داد. دیراک در سال 1927 مقاله ای منتشر کرد و در آن یک معادله موج برای الکترون معرفی کرد که شرایط نظریه نسبیت خاص را به طور کامل برآورده می کرد؛ این معادله آخرین حرف در این موضوع یا به عبارتی معادله قطعی الکترون بود. اما جالب آن است که معادله مذکور دو جواب داشت، تقریباً مانند معادله ساده 4= x^2 که دو جواب دارد. در این حالت ابتدایی جواب x=2 یا x=-2 است. اما معنی «جواب منفی» برای معادله بسیار پیچیده تر دیراک چه بود؟ به نظر می رسید که این جواب مربوط به ذره ای است که خواص آن عکس خواص الکترون است و به جای بار منفی الکترون بار مثبت دارد. دیراک ابتدا سعی کرد که این جواب را به پروتون مربوط کند که در واقع بار مثبت دارد ولی جرم آن بسیار بزرگ تر از الکترون منفی است.(15) او در سال 1931 متوجه شد (همراه با چند نفر دیگر) که این معادله در واقع وجود ذره ناشناخته ای را پیش بینی می کند. بررسی بیشتر این معادله نشان داد که اگر انرژی به اندازه کافی موجود باشد (به عنوان مثال پرتوی گامای پرانرژی)، در این صورت این انرژی می تواند طبق معادله اینشتین، E=mc2 یک جفت ذره، یک الکترون معمولی و یک الکترون مثبت ایجاد کند. این انرژی نمی تواند به یک ذره تنها یا به دو الکترون معمولی تبدیل شود، زیرا این عمل اصل پایستگی بار را نقض می کند؛ اما با تولید یک جفت ذره منفی-مثبت همه خواص بجز جرم (که از طریق تبدیل انرژی فراهم می شود) یکدیگر را حذف می کنند.

وجود پاد ماده

کارل اندرسون (1991-1905) در سال های 1932 و 1933 آزمایش هایی در زمینه تابش کیهانی انجام داد و ردپای ذره ای با بار مثبت را پیدا کرد. او در آن زمان در مؤسسه فناوری کالیفرنیا کار می کرد. او متوجه نشد که ذره تولید شده در اتاقک ابر (ابزار مورد استفاده برای مطالعه پرتوهای کیهانی) همان پوزیترون (نام ذره جدید) است که طبق پیش بینی دیراک در نتیجه فرایند تولید جفت تولید می شود. دیگران در فاصله زمانی کوتاهی این ارتباط را کشف کردند. پاد ماده یکی از جنبه های واقعی دنیای فیزیک است. اکنون می دانیم که هر نوع ذره ای یک پاد ماده با خواص معکوس کوانتومی دارد.

نیروی هسته ای قوی

برای ارزیابی آخرین کشف اساسی دهه 1930، باید ده سال به عقب به دهه 1920 بر گردیم. در آن زمان، هنوز نوترون کشف نشده بود و مدل های متفاوتی از ذره آلفا وجود داشت. در این مدل ها ذره آلفا به صورت ترکیبی از چهار پروتون و دو الکترون توضیح داده می شد: آشکار بود که چنین ترکیبی به علت رانش الکترواستاتیک پایدار نیست. چادویک و همکار او، اتین بیلر، در مقاله ای در سال 1921 این ایده را مطرح کردند که اگر مدل ذره آلفا درست باشد، باید ذرات با «نیروهای بسیار قوی» در کنار هم نگه داشته شوند و نتیجه گرفتند که «ما باید به دنبال میدان نیرویی باشیم که چنین اثراتی را ایجاد می کنند».(16) آنها مدلی را مد نظر داشتند که شامل دو پروتون و دو نوترون است و در واقع مدلی برای توصیف تمام هسته هاست که شامل مجموعه ای از پروتون ها و نوترون ها با بار کلی مثبت است. نوعی نیروی قوی که قوی تر از نیروی الکتریکی است که در فواصل بسیار نزدیک در حد قطر هسته اتم عمل می کند، نیروی رانش الکتریکی را جبران و همه چیز را مهار می کند. این نیرو به تدریج نیروی هسته ای یا فقط «نیروی قوی» نامیده شد. آزمایش های بعدی نشان داد که این نیرو در حدود صد بار از نیروی الکتریکی قوی تر است. به همین خاطر است که بزرگ ترین هسته یک اتم پایدار فقط حاوی حدود صد پروتون است؛ اگر تعداد پروتون ها بیشتر بود نیروی الکتریکی رانشی بر نیروی قوی چیره می شد و هسته از هم می پاشید. اما نیروی قوی بر خلاف نیروهای الکتریکی، مغناطیسی و گرانشی از قانون عکس مجذور پیروی نمی کند. این نیرو در واقع در فاصله بسیار محدود سانتی متر بسیار قوی است و در فراسوی آن تأثیری ندارد. به همین دلیل است که هسته ها بسیار کوچک اند. اگر نیروی قوی دامنه وسیع تری داشت، هسته ها هم به همان اندازه بزرگ تر می شدند.
آخرین بخش معمای پیچیده اتم که در دهه 1920 اهمیت فزاینده ای پیدا کرده بود سرانجام حل شد. این معما مربوط به فرایند واپاشی بتا بود. در این فرایند اتم (در واقع هسته اتم) یک الکترون گسیل می کند و اتم مذکور در جدول تناوبی به اتم عنصر دیگری تبدیل می شود. پس از کشف نوترون معلوم شد که این فرایند در واقع تبدیل یک نوترون (یا در واقع خود تبدیلی) به یک پروتون و یک الکترون است. اگر نوترون ها در خارج از اتم به حال خود گذاشته شوند به طور ناگهانی وا می پاشند. اما درک این موضوع مهم است که الکترون نمی تواند در «داخل» نوترون وجود داشته و از آن رها شده باشد. عدم قطعیت کوانتومی (در میان عوامل دیگر) اجازه چنین رویدادی را نمی دهد. اتفاقی که می افتد این است که جرم-انرژی نوترون به جرم-انرژی یک پروتون و یک الکترون تبدیل می شود. الکترون انرژی جنبشی باقی مانده را می گیرد و از مکان واپاشی دور می شود. معما اینجاست که الکترونی که به این ترتیب از هسته می گریزد می تواند هر مقدار انرژی را اختیار کند. این امر با رفتار ذرات آلفا که در اثر واپاشی آلفا پرتاب می شوند متفاوت است. در واپاشی آلفا همه ی ذراتی که از نوعی هسته خاص گسیل می شوند انرژی جنبشی یکسانی دارند یا با انرژی کمتر، همراه با پرتوی گامای پرانرژی گسیل می شوند. مجموع انرژی ذره آلفا و پرتوی گامای گسیل شده برای یک هسته خاص همواره به همان مقدار بیشینه می رسد و انرژی آزاد شده در این فرایند برابر با تفاوت جرم- انرژی هسته اولیه و هسته ایجاد شده پس از فرایند واپاشی است. به این ترتیب، انرژی حفظ می شود. اما ذرات آلفای فراری مجاز به داشتن مقادیر انرژی گسسته و معینی هستند زیرا فوتون های پرتوهای گاما گسسته اند و تنها قادر به حمل مقادیر انرژی گسسته و معینی هستند. به همین ترتیب مقدار تکانه و تکانه زاویه ای در فرایند واپاشی آلفا تغییر نمی کند. اما در واپاشی بتا با این وجود که الکترون های گسیل شده انرژی بیشینه معینی دارند اما به نظر می رسد که با مقادیر انرژی کمتری، حتی نزدیک به صفر، گسیل می شوند و فوتون همراهی وجود ندارد که انرژی مازاد را حمل کند. به نظر می رسد که این فرایند قانون پایستگی انرژی را نقض می کند. فیزیک دانان در ابتدا گمان بردند که اشتباهی در آزمایش ها رخ داده است اما در اواخر دهه 1920 آشکار شد که انرژی الکترون های گسیل شده در نتیجه واپاشی بتا به صورت یک طیف پیوسته ظاهر می شود. ظاهراً خواص دیگری نیز در این فرایند تغییر می کنند اما در اینجا به جزئیات نمی پردازیم.
ولفگانگ پاولی (1958-1900) در اواخر سال 1930، بر مبنای حدسیات، راهی برای حل این معضل پیشنهاد کرد. برای درک میزان تعجب همکاران او از شنیدن این پیشنهاد باید به یاد داشته باشیم که در آن زمان تنها دو ذره شناسایی شده بود: پروتون و الکترون (فوتون به عنوان ذره ای هم ردیف ذرات دیگر به حساب نمی آمد و نوترون هنوز کشف نشده بود). در چنین وضعی پیشنهاد ذره ای «جدید» (به ویژه ذره ای که قابل مشاهده نیست) تقریباً مانند توهین به مقدسات بود. پاولی در نامه ای به تاریخ 4 دسامبر سال 1930 نوشت:
من راه نومید کننده ای برای حل این مسئله پیدا کرده ام... به عبارت دیگر این امکان که در هسته ذراتی وجود داشته باشند که از نظر الکتریکی خنثی هستند و آنها را نوترون می نامم... بنابراین می توان طیف پیوسته بتا را به این صورت توضیح داد که در واپاشی بتا یک نوترون همراه با الکترون گسیل می شود به نحوی که مجموع انرژی الکترون و نوترون ثابت است.(17)
به عبارت دیگر «نوترون» پاولی نقش پرتوی گاما را در واپاشی آلفا بازی می کند اما با این تفاوت که می تواند هر مقدار انرژی جنبشی، تا یک حد بیشینه را اختیار کند و این مقدار انرژی به همان نحوی که انرژی فوتون های پرتوی گاما گسسته هستند، گسسته نیست.

نیروی هسته ای ضعیف؛ نوترینوها

تأثیر رهیافت پاولی نومیدانه بود چرا که در ظرف دو سال نام «نوترون» را به ذره هسته ای جدیدی که چادویک شناسای کرد اطلاق کردند. کاملاً آشکار بود که این ذره ذره ای نبود که پاولی در نظر داشت. اما مسئله «طیف پیوسته بتا» از یاد نرفت و انریکو فرمی (1954-1901) در سال 1933 با این پیش فرض که نوترون وجود دارد، ایده پاولی را دنبال کرد و آن را به صورت مدلی کامل در آورد. در این مدل، فرایند واپاشی بر اثر کنش میدان جدیدی از نیرو که به نیروی هسته ای ضعیف مشهور شد (برای تمیز از نیروی هسته ای قوی) آغاز می شود. در مدل فرمی علاوه بر نیروی قوی که پروتون ها و نوترون ها را در هسته در کنار هم نگه می دارد، نیروی ضعیف کوتاه بردی وجود دارد که می تواند موجب واپاشی نوترون به مجموع پروتون، الکترون و ذره ای بی بار شود که او آن را نوترینو نامید (به زبان ایتالیایی «نوترون کوچک»). فرمی بر خلاف پاولی که از روی حدس، وجود ذره جدید را پیش بینی کرده بود، مدلی ریاضی ارائه کرد که توزیع انرژی الکترون را در واپاشی بتا توضیح می داد و با آزمایش ها سازگار بود. با این وجود، زمانی که فرمی مقاله خود را با تشریح جزئیات برای مجله نیچر در لندن فرستاد مقاله را «بسیار گمانه پردازانه» دانستند و رد کردند. فرمی مقاله را در مجله ای ایتالیایی منتشرکرد. به رغم مبنای درست مقاله مورد نظر و با وجود شواهد فرعی که در سال های بعد در حمایت از این ایده توسعه یافت، نوتروینو به قدری گریزان بود که آشکار سازی مستقیم آن تا اواسط دهه 1950 امکان پذیر نشد. برای اینکه تصوری از این آزمایش دشوار پیدا کنیم کافی است در نظر بگیریم که اگر باریکه ای از ذرات نوترینو از درون دیواری از جنس سرب به ضخامت 3000 سال نوری بگذرد تنها نیمی از نوترینوها در مسیر حرکت خود توسط هسته های سرب جذب خواهند شد.
با شناسایی نوترینو، فهرست مجموعه ذرات و نیروهایی که مسئول رفتار پدیده ها در دنیای روزمره هستند کامل شد. اما از اتم ساخته شده ایم. اتم ها از پروتون ها، نوترون ها و الکترون ها ساخته شده اند. هسته دارای پروتون ها و نوترون هاست که به وسیله نیروی قوی در کنار هم نگه داشته شده اند. واپاشی هسته در اثر نیروی ضعیف بتا انجام می شود (و در برخی موارد ذرات آلفا در نتیجه تجدید سامان داخلی هسته به بیرون رانده می شوند). الکترون ها در ابری خارج از هسته قرار گرفته اند و نیروهای الکترومغناطیسی آنها را در جای خود نگه می دارند. اما طبق قواعد فیزیک کوانتومی، آنها مجازند که تنها برخی از سطوح انرژی را اشغال کنند. گرانی در مقیاس بزرگ برای نگه داشتن توده های بزرگ مادی حائز اهمیت است. بنابراین ما چهار ذره داریم (پروتون، نوترون، الکترون و نوترینو) که باید به فکرشان باشیم (به اضافه پادذره هایشان) و باید چهار نیرو را نیز در نظر بگیریم (الکترومغناطیسی، نیروی قوی، نیروی ضعیف و گرانی). این مجموعه برای توضیح علت درخشش ستارگان تا چگونگی جذب غذا در بدن و از انفجار بمب هیدروژنی تا طرز تشکیل بلورهای یخ از دانه های برف گسترده است.

الکترودینامیک کوانتومی

در واقع اگر گرانی و تا حدودی تأثیر نیروی ضعیف از طریق پرتوزایی را کنار بگذاریم، تقریباً همه چیز در دنیای بشری ناشی از برهم کنش الکترون ها با یکدیگر و با هسته های حاوی بار مثبت اتم ها و نیز با تابش الکترومغناطیسی است. این برهم کنش ها از قوانین مکانیک کوانتومی پیروی می کنند که در دهه 1940به صورت نظریه کامل نور(تابش الکترومغناطیسی) و ماده با هم تلفیق شدند. این نظریه به نام الکترودینامیک کوانتومی یا QED شناخته می شود و احتمالاً موفق ترین نظریه علمی است که تا به حال توسعه یافته است. در واقع QED را سه دانشمند به طور مستقل توسعه دادند. اولین آنها که نظریه ای کامل را توسعه داد شین-ایتیرو توموناگا (1979-1906) بود که در شرایط دشوار و هولناک شهر توکیو در طول جنگ جهانی اول و پس از آن کار می کرد؛ انتشار کار او به علت این مشکلات به تعویق افتاد و در همان زمان که کار دو نفر دیگر از پیشگامان این نظریه منتشر می شد به چاپ رسید. این دو نفر دیگر، جولیان شوئینگر (1994-1918) و ریچارد فاینمن (1988-1918) بودند. آنها هر سه در جایزه نوبل سال 1965 سهیم شدند. توموناگا و شوئینگر کارشان را در چارچوب ریاضی مکانیک کوانتومی متداول آن زمان انجام دادند (سنتی که به دو دهه پیش از آن باز می گشت). آنها کارشان را مستقیماً بر پایه کاری که از زمان کشفیات بارز و کلیدی دهه 1920 و به ویژه دیراک ادامه داشت بنا کردند. فاینمن از رهیافت دیگری استفاده کرد که اساساً کشف دوباره مکانیک کوانتومی از هیچ بود. هر سه رویکرد از نظر ریاضی معادل یکدیگر هستند، به همان نحوی که روایت های هایزنبرگ، بورن، یوردان، شرودینگر و دیراک از مکانیک کوانتومی از نظر ریاضی معادل هستند. اما ضروری نیست که در اینجا وارد جزئیات شویم زیرا تصویر فیزیکی منظمی وجود دارد که به شما امکان می دهد بفهمید که ماجرا از چه قرار است.
زمانی که دو ذره باردار مانند دو الکترون یا یک الکترون و یک پروتون با یکدیگر برهم کنش می کنند می توان این طور فکر کرد که آنها این عمل را با تبادل فوتون انجام می دهند. مثلاً دو الکترون به سوی یکدیگر حرکت و با یکدیگر فوتون مبادله می کنند و سپس در مسیرهای دیگری منحرف می شوند. این تبادل فوتونی رانشی ایجاد می کند که به صورت قانون عکس مجذور نمایان می شود، قانونی که به طور طبیعی از QED پدید می آید. نیروهای قوی و ضعیف را می توان بر حسب تبادل ذراتی مانند فوتون توصیف کرد (نیروی ضعیف با الکترومغناطیس در آمیخته و مدل واحدی به نام بر هم کنش الکتریکی ضعیف تشکیل می دهد؛ تا کنون مدل جامعی برای برقراری پیوند میان نیروی قوی و نیروی الکترومغناطیسی ارائه نشده است). به نظر می رسد که برهم کنش گرانی هم از طریق تبادل ذراتی به نام گراویتون قابل توصیف باشد؛ هر چند هنوز مدل گرانش کوانتومی کاملی توسعه نیافته است. اما به هر حال دقت QED را می توان از ارزیابی تنها یکی از خواص الکترون به نام گشتاور مغناطیسی دریافت(18). در اولین روایت QED که دیراک در اواخر دهه 1920توسعه داد، مقدار این کمیت با انتخاب واحدهای مناسب معادل عدد 1 بود. نتیجه اندازه گیری گشتاور مغناطیسی الکترون در آزمایش، با به کارگیری همان واحدها 1/00115965221با عدم قطعیتی معادل 4± در آخرین رقم اعشاری است. این مورد خود دستاورد مهمی بود و فیزیک دان ها را در دهه 1930 قانع کرد که در مسیر درستی حرکت می کنند. اما آخرین روایت QED ارزش این کمیت را معادل 1/001159652246با عدم قطعیت 20± در آخرین ارقام اعشاری تعیین می کند. تفاوت این رقم با عدد حاصل از آزمایش0/00000001 درصد است. فاینمن با ابراز خرسندی خاطرنشان کرد که این تفاوت نسبت به کمیت مورد نظر، مانند اندازه گیری فاصله نیویورک تا لوس آنجلس، با دقتی معادل ضخامت تار موی انسان است. این توافق به مراتب بهتر از دقیق ترین توافق ها بین نظریه و آزمایش در مورد هر آزمایشی است که در روی زمین انجام شده است.(19) این مورد همچنین نمونه ای اصیل است که نشان می دهد که علم تا چه اندازه در توضیح رفتار دنیای فیزیکی که در آن زندگی می کنیم موفق بوده است و از زمانی که دانشمندانی مانند گالیله و نیوتون مقایسه نظریه با مشاهده و آزمایش را به روش درست علمی آغاز کردند، تا چه اندازه پیش رفته ایم.

پی نوشت ها :

1- مجموعه مقالات انجمن سلطنتی، جلد 19، صفحه 236، سال 1871.
2- متن این سخنرانی در کتاب براگ و پورتو منتشر شده است.
3- خاطرات و تأملات (Recollections and Reflections) از جی. جی. تامسون
4- جی. تامسون، مجله فلسفی جلد 48، صفحه 547، سال 1899. نام «الکترون» به معنای مدرن آن به زودی جای «ذره های» تامسون را گرفت. اصطلاح الکترون را اولین بار هندریک لورنتس، فیزیک دان هلندی، که به خاطر رابطه لورنتس- فیتس جرالد مشهور است به کار برد.
5- درست در همان زمان، سیلوانوس تامسون در انگلستان این پدیده را کشف کرد ولی بکرل اولین کسی بود که نتایج کار را منتشر کرد.
6- نام گذاری آلفا و بتا در کمبریج انجام شد ولی هنگام انتشار مقاله در سال 1899، رادرفورد به کانادا رفته بود.
7- زمانی که رادرفورد از امنیت شغلی برخوردار شد توانست در سال 1900 با نامزد خود می نیوتون ازدواج کند. وی با صبر و حوصله از سال 1895 در نیوزیلند انتظار می کشید و تنها در ایام تعطیلات با ارنست دیدار می کرد.
8- رادرفورد در ضمن این کار در سال 1908 جایزه نوبل را دریافت کرد اما برای شیمی و نه برای فیزیک. در آن روزها شیمی دان ها تصور می کردند که پرتوزایی در قلمرو کار آنهاست؛ اعطای این جایزه در میان همکاران او با نوعی مزاح روبه رو شد زیرا شهرت داشت که رادرفورد شیمی را شاخه فروتری از علم می داند.
9- ایرن دختری ماری و پیر کوری بود؛ پس از ازدواج با همکار فیزیک دان خود، فردریک ژولیو در سال 1926، هر دو نام خانوادگی ژولیو- کوری را انتخاب کردند.
10- این نام پیش از این، چندین بار در مورد ذرات فرضی خنثای دیگر پیشنهاد شده بود، اما اولین بار بود که به «نوترون» ما اشاره شد.
11- این عبارت در نامه ای که او به دوست خود کنراد هابیشت نوشت دیده می شود. نگاه کنید به کتاب سال معجزه آسای اینشتین (Einstein,s Miraculous Year) از جان اشتاخل.
12- نگاه کنید به مروری بر فیزیک مدرن، جلد21، ص 343، سال 1949.
13- اگر بخواهیم دقیق سخن بگوییم، سیاره ای که به دور ستاره ای در گردش است و از میدان گرانشی این ستاره عبور می کند، تابش گرانشی گسیل می کند و به آهستگی انرژی را ازدست می دهد؛ اما گرانی نیروی بسیار ناچیزی است (توجه داشته باشید که گرانی تمام زمین می باید بر نیروهای الکتریکی بین چند اتم ساقه سیبی چیره شود تا این سیب از درخت بیفتد) که اثر قابل اندازه گیری در مدار سیاره ای مانند زمین پس از میلیارد ها سال نیز به وجود نمی آورد.
14- این پیش بینی دست کم در مورد اتم هیدروژن یعنی ساده ترین اتم صادق است. انجام محاسبات برای اتم های پیچیده بسیار مشکل از آب در آمد تا همین اندازه هم برای اثبات کارآیی مدل کافی بود.
15- الکترون منفی باید بار مثبت داشته باشد، زیرا الکترون بار منفی دارد و منفی در منفی مثبت می شود.
16- مجله فلسفی، جلد 42، صفحه 932، سال 1921.
17- نقل از پیس، مرز درونی (Inward Bound)
18- این نمونه یک مثال نوعی است، نه آنکه صرفاً به خاطر جور شدن نظریه با آزمایش انتخاب شده باشد.
19- نظریه نسبیت عام با همین دقت در اواخر قرن بیستم مورد آزمایش قرار گرفته است. این آزمون از اندازه گیری تغییرات خواص مورد مشاهده اجرام سماوی به نام تپ اختر دوتایی (Binary Pulsar) که چند میلیون سال نوری با زمین فاصله دارند انجام گرفته است؛ با این وجود که مورد مذکور یک دستاورد برجسته است اما هم ارز آنچه در آزمایشگاهی در روی زمین و تحت شرایط کنترل شده انجام می گیرد نیست.

منبع :گریبین، جان؛ (1389)، تاریخ علم غرب 1543-2001 از آغاز روشنگری تا دوران معاصر، تهران: انتشارات فاطمی، چاپ اول.