نویسنده: محمد ارزنده نیا
ژولیوس (یولیوس) پلوکر (1) (1868-1801) بین دو مفتول فلزی که در دو انتهای یک لوله ی شیشه ای محتوی گاز جوش داده بود، اختلاف پتانسیل مناسبی برقرار کرد و مشاهده نمود که از مدار مربوطه، جریانی عبور می کند که یادآور قضیه ی الکترولیز است. با این تفاوت که در عمل الکترولیز مایعات باعث برقراری جریان الکتریسته هستند و در اینجا گازها (گازهایی که در حال عادی عایق جریان الکتریسته هستند).
پلوکر ثابت کرد که قابلیت هدایت گاز وابسته به میزان تراکم آن در لوله بوده و با خارج کردن مقداری از آن یا به عبارت دیگر با کم کردن فشار گاز افزایش خواهد یافت. در این حالت است که هر گازی شروع به درخشیدن به رنگ خاص خود می کند. به طوری که بر حسب رنگ درخشش می توان نوع گاز را در لوله تعیین کرد. (اعلانهای نئونی تجاری از جمله آثار این اکتشاف است.)
اگر میزان خلاء را در لوله زیاد کنیم، آنگاه در حوالی کاتد فضای تاریکی ظاهر می شود که اگر خارج کردن گاز را از لوله ادامه دهیم، این فضا توسعه یافته و سرانجام لوله را پر می کند، و لوله دیگر از درخشندگی باز می ماند. ولی در همین شرایط نیز اشعه ای نامرئی از میان لوله در حال عبور است که در برخورد با اجسام دیگر وجود خود را نمایان می سازد.
آویگن گلدشتین (1931-1850) یکی از شاگردان پلوکر در سال 1876 این اشعه را «کاتدیک» نامید. قبلاً در سال 1869 یوهان ویلهلم هیتورف (2) (1914-1824) شاگرد دیگر پلوکر، انحراف آنها را در میدان مغناطیسی پیدا کرد. و سرانجام در سال 1879 کرمول ورلی (1883-1828) نشان داد که آنها دارای بار منفی هستند.
در ابتدا سعی می شد این پدیده ها را به زبان تصورات موجی بفهمند. در آن زمان دانشمندان می پرسیدند چرا هدایت گازها در اثر تقلیل فشار آنها در لوله افزایش می یابد؟ چرا فقط سیل اشعه منفی پیدا شده است و از مثبت خبری نیست؟ تا اینکه ویلیام کروکس (3) (1919-1832) گاز داخل لوله را با شدت بیشتری تخلیه کرد؛ در این حالت از کاتد فضای تاریک دیگری جدا شد که آن نیز به تدریج تمام لوله را پر کرد. و از آن پس بود که از آند، رنگ سبزی شعله کشید. آن روز در سال 1878 را می توان تولد لوله های اشعه الکتریکی شمرد. کروکس در این مورد نوشت: «ما واقعاً به آن منطقه مرزی دست یافته ایم که ماده و انرژی تداخل می کند.»
1- به خط مستقیم انتشار می یابند.
2- موجب نورافشانی اجسام می گردند و حتی قادرند که آنها را ذوب نمایند.
3- در میدانهای الکتریکی و مغناطیسی منحرف می گردند.
4- در اجسام جامد خیلی کم نفوذ می کنند.
5- در هوا، راهی حدود هفت سانتی متر را طی می کنند.
6- و از همه مهمتر اشعه ی کاتدی سیل سریعی از ذرات باردار منفی است که ابعاد آنها به میزان قابل ملاحظه ای کمتر از ابعاد اتمهاست.
حالا دیگر سرنخ قضایا پیدا شده بود، و لازم بود که خصوصیات اتم الکتریسیته یا الکترون یعنی بار، جرم، سرعت و ابعادش معین گردد. برای رسیدن به این اهداف دانشمندان حدود 20 سال کار کردند. از همه شگفت تر اینکه معلوم شده بود که خواص اشعه کاتدی به ترکیب گاز موجود در لوله بستگی ندارد و این خود بدان معنی است که ذرات کاتدی جزء حتمی کلیه اتمهاست. ولی همین نکته نتیجه ای بود که خیلی سخت بدست آمد.
در همین راستا ژان پرن فرانسوی (4) (1942-1870) در سال 1897 با خود گفت که اگر اشعه کاتدی به واقع از گلوله های الکتریسته دار تشکیل یافته باشد می بایستی آنها هنگام تماس با برق نمایا الکتروسکوپ، الکتریسته دار بودن خود را ثابت کنند. در نتیجه او با انجام آزمایشی، وجود الکتریسیته منفی اشعه کاتدی را به طور قطعی نمایان ساخت. و درستی فرض وجود ذرات کوچک استونی (الکترون) را به اثبات رساند.
فیلیپ لنارد آلمانی (5) (1947-1862) در سال 1894 با تعبیه پنجره ی کوچکی از آلومینیم در لوله ی کروکس، و با مشاهده ی عبور اشعه کاتدی از آن چنین بیان نمود که اشعه ی کاتدی از امواج تشکیل شده است، نه از ذرات. این اشعه می توانست به آسانی از پرده های گوناگونی که در مسیرش قرار می دادند به راحتی عبود کند بی آنکه سوراخی در آنها پدید آورد.
گییوم کنراد رونتگن (6) (1923-1845) در پی تکرار آزمایش لنارد بود. او در سال 1815 با آنکه لوله کروکس خود را در کاغذ سیاهی پیچیده بود، مشاهده کرد که پرده ی آغشته به یک ماده فلوئورسنت که در نزدیکی لوله قرار داشت، بدون علتی روشن می شود. مورد شگفت انگیزی بود، زیرا این تشعشع نامرئی از طرف اشعه کاتدی نبود، و معلوم شده بود که اشعه کاتدی نمی تواند از شیشه لوله کروکس عبور کند.
سرانجام در پی چند آزمایش دیگر، رونتگن پی برد که اشعه ی مزبور از کاتد صادر نمی شود، بلکه از صفحه ی آلومینیمی یا آنتی کاتد ساطع می شود (در حقیقت وقتی پرتوهای کاتدی با ماده برخورد می کنند، نوع جدیدی از تشعشع ایجاد می شود). بدنبال کشف قابلیت نفوذ این اشعه، گویا رونتگن لوله ی خود را به طرف در اطاق گرفت و یک صفحه ی عکاسی در پشت در قرار داد. او با شگفتی مشاهده نمود که صفحه ی عکاسی، تصویر در را با تمام خطوط داخلی چوب ثبت کرده است.
رونتگن این اشعه را به دلیل ماهیت ناشناخته اش، اشعه ی مجهول یا اشعه ی ایکس نام نهاد. او که خیال داشت کیفیت اشعه کاتدی را معین کند، نه تنها این مسئله را حل نکرد، بلکه مسئله ای به نام ماهیت اشعه ی ایکس را نیز اضافه نمود. آیا اشعه ی ایکس، از ذرات تشکیل شده یا از امواج؟ بار دیگر فیزیکدانان به دو دسته تقسیم شدند. خود رونتگن از نظریه ی موجی دفاع می کرد. او در سال 1920 بکار بردن کلمه ی الکترون را به همکاران و دستیاران انستیتوی خود ممنوع کرده بود.
در سال 1912 ماکس فون لو (7) (فون لائوه) (1960-1879) فیزیکدان آلمانی با کمک بلور طول موج اشعه ی ایکس را محاسبه کرد، و خواص موجی تداخل (انترفرانس) و پراش (دیفراکسیون) را در آنها مشاهده نمود. (هنگامی که امواج نور از یک جسم مشبک عبور نمایند یا در آن منعکس شوند، ایجاد تداخل نموده و یک الگوی تفرق بوجود می آورند. از این خاصیت نور برای اثبات مقدماتی ماهیت موجی اشعه ی ایکس استفاده شد. برای این منظور از ترتیب منظم اتمها در شبکه ی بلور استفاده می شود. اشعه ایکس پس از عبور از شبکه بلور بر روی پرده ی واقع در پشت آن، الگوی تفرقی که از حلقه های متحدالمرکز تشکیل شده است، بوجود می آورد.)
در مورد اندازه ی طول موجها، حالا دیگر پس از شناسایی امواج نور مرئی، اشعه ی ماوراء بنفش و امواج الکترومغناطیسی ماکسول-هرتز، طول موج اشعه ایکس به عنوان کوچکترین طول موج شناخته شده، توسط رونتگن و فون لو به ثبت رسید.
در سال 1895 بود که هندریک آنتوان لورنتز (8) هلندی (1928-1853) با خود اندیشید که اگر الکترون، یعنی، ذره ای که با بار الکتریکی منفی وجود داشته باشد، پس بایستی بتوانیم با اتکا به این الکترون تمام تئوری ماکسول را دوباره بنا کنیم. و کافی است به جای سیال (9) پیوسته الکتریکی، از مجموعه ی الکترونها گفتگو کنیم.
بدین ترتیب بود که لورنتز مفهوم اتم الکتریسیته یا الکترون را در معادلات موجی الکترومغناطیسی ماکسول وارد کرد. او الکترون متحرک را به عنوان منبع میدان الکترومغناطیسی در نظر گرفت. از نظر لورنتز چون ماده نیز شامل الکترون می باشد، بنابراین باید امواج الکترومغناطیسی مانند نور، روی آن دارای تأثیر مخصوصی باشند. در نتیجه، پیترزیمان (10) (1943-1865) فیزیکدان هلندی در سال 1896 با کشف اثر خود (اثر زیمان)این تئوری لورنتز را تأیید کرد.
مطابق اثر زیمان وقتی جسمی مانند سدیم را که طیف خطی منتشر می کند در یک میدان مغناطیسی قوی قرار دهیم، هر یک از خطوط طیف به چند خط نزدیک به هم تجزیه می شود. در همین راستا یوهان اشتارک (11) (1957-1874) فیزیکدان آلمانی نیز اثر مشابهی را با استفاده از میدانهای الکتریکی کشف می کند.
را محاسبه نمود، و با کمک آزمایش انحراف الکترون در میدان الکتریکی، مقدار 
را نیز بدست آورد، که از تقسیم طرفین این تساویها مقدار سرعت الکترون (V) را محاسبه نمود. البته مقدار سرعت به شدت میدانها بستگی دارد ولی مقدار 
همواره ثابت و برابر با 
در آزمایش دیگری تامسون با الهام گیری از روش ویلسون (13)، (اگر هوای بی گرد و غبار اشباع شده از بخار آب ناگهان بر اثر انبساط، سرد شود، قطرات ریز آب بر هر یونی که ممکن است در آن وجود داشته باشد تشکیل می شود.) هنگامی که پیستون را به طور ناگهانی به بالا کشید (شکل 5)، هوا انبساط یافت (کمتر از 30%) در نتیجه ابر مه آلودی به وسیله ی تراکم بخار آب بر یونهای مثبت در اتاقک نمایان شد. مه به آهستگی بر قرصی فلزی فرونشست و بار کل الکتریکی یونهایی که تشکیل شده بود به وسیله برقنما (الکتروسکوپ) اندازه گیری شد.
تامسون بر آن شد که بزرگی آنها را از روی سرعتی که با آن سرعت، مه بر روی قرص فرو می نشیند، پیدا کند. زیرا که هر قدر قطره کوچکتر باشد، کندتر فرو می نشیند. او با کمک فرمول استوکس، و با تقسیم بار الکتریکی کل (که در برقنما وارد می شود) بر تعداد قطره ها، مقدار بار الکتریکی هر قطره الکترون را
بدست آورد، که این مقدار برابر با همان مقداری است که در روش الکترولیز به دست آمده بود.حالا دیگر تامسون می توانست مقدار m را از رابطه
(که قبلاً مقدار آن را اندازه گیری کرده بود) پیدا کند. و معلوم شد که این مقدار برابر با گرم یعنی 1840 بار کوچکتر از جرم اتم هیدروژن است.با دانستن این نکات بود که تامسون مدل اتمی خود را در سال 1907 عرضه نمود. در این مدل، اتم، همچون جرم کروی باردار مثبتی فرض شده که الکترونهای بسیار ریز فراوانی، مشابه با تخمه های درون هندوانه، در پیکر اتم پراکنده شده اند. و چون اتم در حالت طبیعی و عادی از نظر الکتریکی خنثی است، پس مجموع بارهای مثبت و منفی اتم باید با هم برابر باشند. تامسون مدل اتمی خود را به یک کیک کشمشی تشبیه می کرد.
در مدل اتمی تامسون الکترونها در جای خود ثابتند. این تعادل بر اثر توازن میان نیروهای دافعه بارهای منفی الکترونها، و نیروی جاذبه بین الکترونها و بارهای مثبت اتم برقرار می گردد.
تامسون معتقد بود که بار مثبت اتم، الکترونها را به طرف مرکز کره می کشد، ولی الکترونها یکدیگر را می رانند. و همین مسئله سبب می شد که الکترونها در لایه های کروی شکل قرار بگیرند.
در اتم مثل این است که الکترونها به نوعی فنرهای ارتجاعی متصلند. وقتی ما اتم را تحریک می کنیم الکترونها شروع به نوسان می کنند، و در این حال نورهایی متشعشع می گردند که دارای فرکانس نوسانات همان فنرهای فرضی اند. به عبارت دیگر به نظر تامسون، خطوط طیفی به سبب نوسان الکترونها حول نقطه تعادل خود پدید می آیند.
به هر حال به علت عدم توجیه منطقی پراکندگی بارهای مثبت اتم، و همچنین مسئله ی تشعشع اتمها، از همان ابتدا مدل اتمی تامسون دارای نارساییهای چندی بود. ولی در آن زمان مدل اتمی بهتری در دسترس دانشمندان نبود.
ذرات با بار مثبت، که هنگام تخلیه الکتریکی در گاز میان آند و کاتد به وجود می آیند، از سوراخ موجود در کاتد گذشته و در ناحیه ی میدانهای الکتریکی و مغناطیسی که در همان امتدادند، وارد شدند. چون انحراف در اثر میدان الکتریکی (در امتداد افقی) متناسب با سرعت ذرات است، در حالی که انحراف در اثر میدان مغناطیسی (در امتداد عمومی) به مجذور سرعت بستگی دارد، می بایستی ذرات هم جرم که با سرعتهای مختلفی حرکت می کنند، بر روی یک سهمی، بر پرده دستگاه، توزیع بشوند. «اما تامسون مشاهده کرد که به جای یک سهمی برای هر عنصر شیمیایی مشخص دو یا چند سهمی وجود دارد. از همین جا بود که تامسون نتیجه گرفت که اتمهای یک عنصر، می توانند دارای جرمهای اتمی متفاوت باشند. که آنان را نسبت به هم ایزوتوپ (14) یا هم جا می گویند» (15) یعنی ایزوتوپ های یک عنصر همگی درون یک خانه ی جدول مندلیف قرار داده می شوند.
نظریه پروت دوباره مطرح شد. زیرا پاسخ یکی از ایرادهای مخالفان تئوری او مبنی بر اینکه چرا وزن اتمی بعضی عناصر عدد صحیح نیست، داده شد: به این ترتیب که جرم اتمی عنصر در حقیقت معدل جرمهای اتمی ایزوتوپهای مختلف آن عنصر است. ولی این تئوری دوباره شکست خورد، زیرا اتم هیدروژن دیگر کوچکترین واحد ماده نبود، بلکه خودش نیز دارای اجزایی بود.
میلیکان از این آزمایش چنین نتیجه گرفت که کمترین مقدار ممکن در اینجا بار الکترکی یک الکترون می باشد. به عبارت دیگر او از جهش قطره ی مزبور، بار الکتریکی الکترون را 1/6 ×〖10〗^(-19)کولن محاسبه نمود. در سال 1912 چارلزویلسون (17) انگلیسی (1959-1869) توانست وسیله ی عکس برداری از مسیر الکترونها را تهیه کند. ولی با این وجود هنوز چندی نگذشته بود که مواد رادیواکتیو، مدل اتمی تامسون را به زیر سئوال بردند.
هانری بکرل (18) فرانسوی (1908-1852) در سال 1896 در پی کشف رونتگن به این مسئله اندیشید که آیا ممکن است اجسامی وجود داشته باشند که نه فقط در نتیجه ی تحریک توسط اشعه کاتدی، بلکه در نتیجه ی تأثیر نور ساده نیز اشعه ی ایکس ساطع کنند؟ بکرل تصمیم گرفت اورانیوم را بدین منظور آزمایش کند. او قطعه ای از اورانیوم را روی صفحه ی عکاسی که در لفافه ای از کاغذ سیاه قرار داشت می گذاشت، و در مواقع مختلف در آفتاب نگاه می داشت. سپس در تاریکخانه، صفحه ی عکاسی را ظاهر می کرد و بر روی آن لکه ی سیاهی مشاهده می نمود. یک روز که هوا ابری بود مجبور شد صفحه ی عکاسی و اورانیومی را که روی پوشش کاغذ سیاه رنگ آن نهاده بود، با هم در یکی از کشوهای میز خود بگذارد. ابری بودن هوا چند روز طول کشید. اما پس از چند روز هنگامی که او بسته را از کشوی میزش بیرون آورد و صفحه ی عکاسی را ظاهر ساخت، مشاهده کرد که صفحه، با همان شدت قبلی سیاه شده است.
با تکرار آزمایش معلوم شد که اورانیوم و املاح آن دارای خاصیت صدور دایمی تشعشات مخصوصی می باشند که به هیچ عامل خارجی بستگی ندارد. از این رو مبحث رادیواکتیو برای اولین بار در برابر دانشمندان گشوده شد. و بدین ترتیب بعد از حرکت جاودانی براونی، تشعشع خود به خود و دایمی ماده ی رادیواکتیو، دومین شکاف و ضربه را بر فیزیک کلاسیک وارد نمود.
پیرکوری فرانسوی (19) و همسرش ماری اسلکود ووسکای لهستانی (20)(1934-1867) نیز هنگام آزمایش با یکی از مواد معدنی، با تشعشعاتی مواجه شدند که چهار مرتبه قویتر از تشعشع اورانیوم بود. آنها در سال 1898 عناصر رادیواکتیو پولونیوم و رادیوم را کشف کردند. برای شناسایی تشعشات ماده ی رادیواکتیو، بکرل آهن ربایی را پشت یک قطعه اورانیوم قرار داد و ملاحظه کرد که تشعشعات حاصل تحت تأثیر این آهن ربا به سه شعبه تقسیم می شوند. یکی از آنها به سمت راست، یکی به سمت چپ و سومی اصلاً منحرف نمی گردد. فریتز گیزل آلمانی (21) و بکرل ثابت کردند که یکی از این سه شاخه، عبارت از یک فوران الکتریکی است (ذره بتا).
در سال 1900، دانشمند فرانسوی پل ویلارد (22) (1933-1860) ملاحظه کرد که قسمت منحرف نشده، از ذرات، تشکیل نیافته، بلکه از انواع امواج الکترومغناطیسی است(اشعه گاما) که طول موج آن به مراتب کوتاهتر از طول موج امواج نورانی می باشد. و سرانجام شاخه ی سوم، مورد مطالعه ی ارنست راترفورد (23) (1937-1871) متولد زلاند نو و فردریک سودی (24) (1956-1877) قرار گرفت. آنها در سال 1898 اعلام داشتند که شاخه ی سوم یعنی شاخه ای که در خلاف جهت اشعه بتا انحراف می یابد، از ذراتی درست شده که دارای بار الکتریکی مثبت هستند(اشعه آلفا).
راترفورد با مقایسه ی طیفهای هلیوم و اشعه ی آلفا نتیجه گرفت که ذره ی آلفا چیزی جز اتم هلیوم نیست. (دقیقاً هسته ی هلیوم).
در دهه ی اول قرن بیستم بجز مدل اتمی تامسون، تئوری های دیگری نیز وجود داشت. برای مثال ویلیام تامسون مشهور به لرد کلوین (25) (1908-1824) در تئوری اتم توفانی خود، اتم را مشابه حلقه های دودی تصویر می کند که یک شخص سیگاری با تجربه از دهان خود خارج می سازد. ژان پرن نیز در سال 1901 سعی داشت که ساختمان سیاره ای اتم را کم و بیش ترسیم کند.
در ژاپن نیز خانتاروتاگوئوکا در سال 1903 معتقد بود که فضای درونی اتم در مقایسه با ابعاد هسته ی کوچک الکتریکی که آن را بوجود آورده، فوق العاده بزرگ می باشد. و به دیگر سخن، اتم چیزی شبیه به حلقه ی زحل می باشد.
تا اینکه در سال 1919 راترفورد با کمک شاگردانش به این موضوع پی برد که وقتی پرتو باریکی از ذره های آلفا از یک منبع رادیواکتیو بر روی ورقه ی بسیار نازکی از طلا تابیده شود، اکثر ذرات آلفا بدون انحراف، در مسیر اصلی خود از درون ورقه ی طلا عبور می کنند (برای مشخص شدن این ذرات از صفحه ی فلوئورسان استفاده می شود).
«از میان تعداد بسیار زیاد ذره های آلفا، تنها تعداد معدودی منحرف می شدند و تعداد خیلی خیلی کمی نیز به عقب بر می گشتند. برای راترفورد جای شگفتی بود که چگونه ذرات نسبتاً سنگین آلفا با سرعت زیادی که دارند، دچار این همه انحراف شده، و یا گاهی پس از برخورد به ورقه ی طلا دوباره بر می گردند. راترفورد برای توجیه این مشاهدات چنین فرض کرد که قسمت بیشتر درون اتم را فضای خالی تشکیل می دهد، به طوری که اکثر ذرات آلفا بدون منحرف شدن از درون ورقه می گذرند. هر اتم نیز هسته ی بسیار کوچکی دارد که محل تمرکز بارهای مثبت و تقریباً تمامی جرم اتم است». (26)
راترفورد از روی نسبت تعداد ذرات منحرف شده، به تعداد ذرات منحرف نشده، و همین طور از روی زاویه های انحراف اشعه های منحرف شده، و با در دست داشتن جرم اتم و سرعت اشعه ی آلفا، در نهایت توانست حجم مقدار بار هسته، و جرم هسته را با تقریب قابل قبولی محاسبه نماید.
شکل 10- انتشار ذرات آلفا در داخل اتم
«با آنکه مدل اتمی راترفورد در توجیه پدیده های پراکندگی موفق بود، ولی پرسش های دیگری را برانگیخت که پاسخ دادن به آنها از عهده ی این مدل بر نمی آمد. از آن جمله ترتیب قرار گرفتن الکترونها در اطراف هسته چگونه است؟ چه چیز مانع می شود که الکترونهای منفی در اثر نیروی جاذبه ی الکتریکی روی هسته سقوط نکنند؟ هسته از چه تشکیل یافته است؟ چه چیز باعث می شود که با وجود نیروی دافعه بین بارهای مثبت، هسته متلاشی نشود؟»(27)
راترفورد خودش نیز به این مشکلات واقف بود، و می گفت نباید از مدلی که برای گشودن یک معما به کار رفته است، انتظار داشت معماهای دیگری را نیز بگشاید. به هر حال او قطر هسته را در حدود 10 سانتی متر و قطر اتم را تا 10 سانتی متر تخمین زد. و دو تن از دانشجویانش به نام های هانس گایگر (گیگر) (28) (1945-1882)، و مارسدن (29) بعدها معلوم داشتند که تعداد الکترونهایی که بر گرد هسته می چرخند، برابر است با عدد اتمی عنصر با عدد خانه ی عنصر مورد نظر در جدول مندلیف.
پی نوشت ها :
1. Plucker
2. Hittorf
3. Crooks
4. Jean Perrin
5. Lenard
6. Roentgen
7. Max Von Laue
8. Lorentz
9. Fluid
10. Zeeman
11. Stark
12. Joseph John Thomson
13. Wilson
14. Isotope
15. سرگذشت فیزیک، اثر جورج گاموف، ترجمه رضا اقصی، انتشارات سکه، صفحه 264
16. Millikan
17. Wilson
18. Becquerel
19. Curie
20. Marie Sklodowska
21. Giessel
22. Vilard
23. Rutherford
24. Soddy
25. Kelvin
26. شیمی (سال دوم آموزش متوسطه عمومی)، اثر منصور عابدینی و...، انتشارات وزارت آموزش و پرورش، صفحه 29
27. فیزیک (سال چهارم آموزش متوسطه عمومی)، اثر دکتر ابوالقاسم قلمسیاه و...، انتشارات وزارت آموزش و پرورش، صفحه های 172 و 173
28. Geiger
29. Marsden
.jpg "5 ابزار ضروری برای زنده ماندن در صعودهای زمستانی")
