معرفی وبلاگ
دسته
آرشیو
آمار وبلاگ
تعداد بازدید : 4525038
تعداد نوشته ها : 10297
تعداد نظرات : 320
Rss
طراح قالب
مهدي يوسفي
انسان ها از زمانى که پا به عرصه وجود گذاشتند، در این اندیشه بودند که عالمى که در آن زندگى مى کنند، از چه ساخته شده است و چه ماده ثابت و لایتغیرى در بُن تغییرها و تحولات وجود دارد. هر کسى به اندازه توان خود، در این باره نظرى مى دهد. ولى از دیرباز در بین نظریات ارائه شده درباره ماده جهان، دو نظریه شاخص بوده و هر کدام از آن ها در میان متفکران پیروانى داشته است:
1ـ نظریه افلاطون و ارسطو;
2ـ نظریه ذرّه گرایان.
1ـ نظریه افلاطون و ارسطو
پیرامون این نظریه، جسم را چیز متصل واحدى مى دانستند. "افلاطون در محاوره تیمائوس، ماده را چیزى نامتعیّن توصیف کرده که قابل و پذیراى همه چیز و دایه عموم است و هر چیزى از آن ساخته مى شود. یکى از افلاطون شناسان فرانسوى به نام روبن گفته است که تصور افلاطون شاید دور از تصور دکارت در مورد ماده نباشد. "1 علاّمه طباطبائى در کتاب نهایة الحکمه مى فرمایند. "این قول به افلاطون نسبت داده شده که جسم، جوهر بسیط است و آن عبارت است از اتصال و امتداد جوهرى که قسمت خارجى و وهمى و عقلى را قبول مى کند. "2
"اما ارسطو معتقد است، مادیّت درجات دارد و مواد، کم و بیش داراى صورتند; مثلا، این میز از چوب ساخته شده است. لیکن چوب بیش از این که به صورت میز درآید، خود صورتى داشته و مرکّب از ماده و صورت بوده است. پس هرگز ماده اى عارى از صورت نخواهیم داشت و هم چون چیزى به هیچ وجه، مشهور نیست; زیرا با قبول صورت است که هر چیزى تعیّن مى یابد. "3
ولى علاّمه طباطبائى مى فرمایند: "نظریه ارسطو درباره جسم این است که آن، مرکّب از هیولى و صورت جسمیه است. هیولى ماده اى است که پذیرنده هر نوع فعلیتى است و صورت جسمیه، همان اتصال جوهرى است ـ بنابر آنچه نزد حس محسوس است و آن بودن شیئى است به حیثیتى که ممکن است در آن فرض شود امتدادهاى سه گانه متقاطع بر زوایاى قائمه است ـ در حالى که تقسیم به اجزاى غیر متناهى را مى پذیرد. "4 اما سر دیوید راس، که یکى از شارحان بزرگ معاصر ارسطوست، در کاب ارسطو مطرح مى کند: "بعید است که ارسطو، اعتقاد به هیولى اولى (یا قوّه صرف) داشته باشد، هرچند که پیروان او این مسأله را یکى از مهم ترین لوازم نظام فلسفى او لحاظ مى کنند. "5
2ـ نظریه ذرّه گرایان
"بنیان گذاران این نظریه، لوکیپوس و دموکریتس هستند. آن ها معتقدند که هر چیزى، مخصوصاً ماده، از اتم ها (ذرّات تقسیم ناپذیر) تشکیل شده اند. این ها به ادراک حسى در نمى آیند; زیرا بسیار خردند و حواس نمى توانند آن ها را درک کنند. اتم ها در اندازه و شکل مختلفند، لیکن کیفیتى ندارند، مگر سختى و صلابت یا نفوذناپذیرى; عدداً نامحدودند و در خلاء حرکت مى کنند و آن ها معتقدند که حرکت، ازلى است و ادامه حرکت نیازمند هیچ تبیینى نیست. از برخورد اتم ها با یکدیگر عناصر به وجود آمده اند. "6 هم چنین "ارسطو، اتمیان را به سبب تبیین نکردن مبدأ حرکت، مورد سرزنش قرار مى دهد. "7
نظریه ذرّه اى اپیکور
"نظریه اساسى اپیکور در فیزیک همان نظریه اتمى است که لوکیپوس و دموکریتوس واضع آن بوده اند و اپیکوروس در جزئیات آن تغییراتى داده است. هر چیز، اعم از مادى و روحانى، از ذرّات (اتم ها) ساخته شده است. ذرّات، که اشکال مختلف دارند، همه جا پراکنده اند. به حکم ضرورت، ذرّات به یکدیگر اتصال ندارند، بلکه در خلاء موجودند. براى آن ها امکان نقل مکان از جایى به جاى دیگر و تصادف و برخورد با یکدیگر هست; چون کسى که مى میرد، همان گونه که ذرّات تنش آزاد و پخش مى شود، ذرّات روح وى نیز چنین خواهد شد. خدایان نیز از اتم ها ساخته شده اند و در نوعى از فردوس میانه به سر مى برند و آن فضایى خالى است که در میان جهان وجود دارد. عقل از فراهم شدن و تمرکز ذرّات بسیار خرد پیدا مى شود، در صورتى که روح حیات از ذرّات ظریف و لطیفى است که در تمام بدن پراکنده اند. وجودهاى روحى (هم چون خدایان و نفوس و عقول) تنها فرقى که با وجودهاى مادى دارند در خردى و ظرافت و لطافت اتم هاى آن هاست. به این ترتیب، همه چیز مادى است و اگر بگوییم که مذهب ذرّه اى اپیکورى خود مادیگرى است، سخن نادرستى نگفته ایم. اپیکور این اصالت ماده و حتمیت را از دو راه توصیف کرده است. وى چنین مى پنداشت که نفس و روح آدمى، محتوى عنصر بى نامى است. در نظر اپیکور، آتش، باد و هوا عناصرى هستند که بر ذرّات، اضافه مى شوند و همه جا وجود دارند، ولى روح و عقل، مستلزم عنصر چهارمى است، ظریف تر از سه عنصر دیگر و این همان روح الارواح است. فرض دیگر اپیکور، انحراف ذرّات است، به این معنا که براى اتم ها در ضمن حرکت اتمى، مقدارى هوسناکى و حرکت خودبه خودى قایل است. "8
نظریه ذرّه گرایان جدید
در عصر جدید، نظریه هاى ذرّه گرایى مجدداً زنده شده است، اما تفاوت هایى با هم دارند. نظریه هاى ذرّه گرایانه فیلسوفان بر اساس تفکر محض بوده و اساس تجربى نداشته، ولى ذرّه گرایى جدید بر مبناى روش علمى استوار است و اولین کسى که نظریه ذرّه اى را در عصر جدید مطرح کرد جان دالتون بود که او را پدر نگرش ذرّه اى در عصر جدید مى دانند و با ارائه این نظر، نقطه تحولى در علم شیمى ایجاد کرد.9 او از نظریات دانشمندان دیگر نیز در این مورد استفاده کرد که عبارتند از:
قانون لاوازیه
لاوازیه در سال 1774 مشاهده کرد که اگر قلع را با اکسیژن در ظرف سربسته اى ترکیب کند، وزن اکسید قلع حاصل، مساوى وزن اکسیژن و قلعى است که در ابتدا به کار گرفته شده است. پس در فعل و انفعالات شیمیایى، چیزى از بین نمى رود و یا چیزى به وجود نمى آید و یا ذرّات در واکنش هاى شیمیایى از بین نرفته و باقى مى مانند. در نتیجه، در یک واکنش شیمیایى، جرم موادى که با یکدیگر واکنش نشان مى دهند با جرم مواد تشکیل شده، برابر است. این قانون مهم را "قانون بقاى جرم " نامید.10
دانشمندان دیگرى نیز به نام پروست11 گفت: اگر 71 گرم کلر و 2 گرم ئیدروژن را با هم ترکیب کنیم، 73 گرم اسیدکلریدریک تولید مى شود.
هم چنین دانشمندان دیگرى به نام کیلوساک چنین نتیجه گرفت که هرگاه گازها در درجه حرارت و فشار یکسان بر هم اثر کنند، بین حجم گازهاى اثرکننده و تولید شونده یک رابطه عددى ساده اى موجود است:
2. حجم بخار آب 2 حجم ئیدروژن + 1 حجم اکسیژن
دالتون در سال 1808 از نظریه هاى کیلوساک و لاوازیه و نظریه دموکریتس استفاده کرد و نظریه خود را درباره ساختمان ذرّه اى اجسام چنین بیان نمود:
1ـ عناصر از ذرّات بسیار کوچکى به نام "اتم " ساخته شده اند.
2ـ ذرّات هر عنصر داراى خواص یکسانند و با ذرّات دیگر تفاوت دارند.
3ـ ترکیبات شیمیایى از اجتماع ذرّات گوناگون و به تعداد معیّن به وجود مى آید که قانون پروست و لاوازیه را تأیید مى کند.
4ـ ذرّات غیر قابل تجزیه هستند و از بین نمى روند.
5ـ ذراتِ عناصر گوناگون، وزن هاى متفاوتى دارند.
از آن جا که نظریه دالتون مى توانست پاسخ گوى بسیارى از مسائل علمى آن زمان باشد، مورد قبول واقع شد. براى مثال، این نظریه مى توانست برخى پدیده هاى فیزیکى و شیمیایى مانند ذوب شدن و تبخیر مواد یا ترکیب فلز و غیر فلز را به نسبت وزنى ثابت تفسیر کند.
با مرور زمان، که دانستنى هاى دانشمندان درباره خواص مواد و رفتار آن ها افزایش مى یافت، نظریه دالتون نمى توانست براى سؤالات جدید سودمند باشد. این نظریه نمى توانست پدیده الکترولیز را توجیه کند. ]اگر یُدید پتاسیم (kl) مذاب را تجزیه الکتریکى کنیم، ید در اطراف قطب مثبت و پتاسیم در اطراف قطب منفى آزاد مى شود.[ ولى با این وجود، نظریه دالتون رد نشد.
ساختمان ذرّه:12 با توجه به نظریه ذرّه اى دالتون، شیمیدان ها تصور کردند که ذرّه غایت تقسیم ماده است. به همین دلیل نیز کلمه "اتم " (= تجزیه ناپذیر) براى آن انتخاب شد، ولى تجربیات انجام شده با لوله تخلیه الکتریکى در اواخر قرن 19 نشان داد که ذرّات (اتم ها) را مى توان به ذرّات کوچک تر، که داراى بار الکتریکى مثبت و منفى اند، تقسیم نمود.
اصطلاح "الکترون " را اولین بار استونى در سال 1874 (از اصل یونانى به معناى کهربا) به ماده اى اطلاق کرد که کاتدرا تشکیل مى دهد.
تعیین بار و جرم ذرّات مثبت و منفى:13 تجربیات گلدستین در سال 1896 نشان داد که در لوله تخلیه الکتریکى، ذرّات مثبت نیز تشکیل مى شود. جى.جى. تامسون و رابرت میلیکان شروع به تعیین بار و جرم الکترون کردند. اولین آزمایش براى اندازه گیرى me در سال 1897 توسط تامسون انجام شده تا این که بالاخره میلیکان طى سه سال با تجربه هاى متعدد، مقدار بار الکترون را در سال 1909 اعلام داشت: 19-10×1.6 کولن، سپس با در دست داشتن بار الکتریکى، جرم آن را محاسبه کرد و مقدار آن 28-10×1/9 گرم شد.
جرم و بار ذرّات مثبت نیز به طور مشابهى محاسبه مى شود و این کار را ویلهلم وین انجام داد و بار پروتون را 28-10×1.6 کولن و جرم آن را در حدود 24-10×1.67 گرم محاسبه کرد که تقریباً 1840 برابر جرم الکترون است.
در سال 1932 چادریک، دانشمند انگلیسى، وجود ذرّات بدون بارى را در هسته کشف کرد و نام "نوترون " (خنثى) را بر آن گذاشت. چادریک براى محاسبه جرم نوترون، جرم ها و انرژى هاى کلیه ذرّات مصرف شده و تولید شده در فعل و انفعال آزمایش خود را در نظر گرفت و جرم آن را در حدود 24-10×1.67 گرم محاسبه کرد.
طرحى براى ساختمان ذرّه:14 حال که دانستیم ذرّه غایت تقسیم ماده نیست و از ذرّات باردار مثبت و منفى تشکیل شده است، این سؤال مطرح مى شود که این ذرّات چگونه در کنار هم، درون یک ذرّه جاى گرفته اند. تامسون در سال 1898 فرضیه اى پیشنهاد نمود که بر اساس آن، ذرّه به صورت یک کره با بار الکتریکى مثبت و الکترون ها با بار منفى، همانند تخمه درون هندوانه پراکنده اند و جرم ذرّه مربوط به قسمتى است که بار مثبت دارد و این موضوع را از سنگین تر بودن جرم ذرّات مثبت نسبت به جرم ذرّات منفى مى توان یافت.
نمونه ذرّه اى رادرفورد:15 رادرفورد راسل (1911) براى آن که فرضیه تامسون را بیازماید، تجربه اى انجام داد. آزمایش او عبارت بود از بمباران یک ورقه نازک فلزى به وسیله ذرّات آلفا )++(He. او در پشت یک حفاظ سربى (یک صفحه سربى) یک منبع رادیواکتیو مولّد اشعه ش قرار داد و به یک ورقه نازک نقره یا مس تاباند. تقریباً 99.9./. ذرّات از این ورقه رد شدند، ولى برخى از ذرّات از مسیر مستقیم خود منحرف شده و برخى از آن ها پس از انعکاس، به طرف منبع ذره شبازگشتند.
رادرفورد براى توجیه این مشاهدات چنین فرض کرد که قسمت اعظم درون ذرّه را فضاى خالى تشکیل مى دهد، به طورى که بیش تر ذرّات آلفا بدون منحرف شدن، از درون ورقه مى گذرد. (رادرفورد با پیشنهاد کردن وجود یک هسته کوچک در مرکز، توجیه کرد که قسمت اعظم جرم و تمام بار مثبت ذرّه در این هسته متمرکز است. الکترون ها، که بیش تر حجم ذرّه را اشغال مى کنند، در خارج این هسته قرار دارند و داراى حرکتى بسیار سریع به دور آن مى باشند. براى پى بردن به رابطه بین هسته و خود ذرّه، مى توان گفت که اگر ذرّه a داراى قطرى برابر با 1.5 کیلومتر باشد، قطر هسته آن برابر با 1.5 سانتى متر است.)
با محاسبه نسبت ناچیز ذرّات آلفایى ـ که به عقب رانده مى شوند ـ به کل ذرّات تابیده شده و با استفاده از داده هاى دیگر، رادرفورد و شاگردان او به این نتیجه رسیدند که قطر ذرّات در حدود 8-10 سانتى متر و قطر هسته آن ها حدوداً 12-10 سانتى متر مى باشد. به عبارت دیگر، قطر ذرّه در حدود 10000(ده هزار) مرتبه بزرگ تر از قطر هسته است. الکترون ها به دلیل سرعت حرکت فوق العاده اى که دارند، تمام فضاى خالى اطراف هسته را اشغال مى کنند. براى تجسّم این مطلب، مى توان وضع الکترون ها را به وضعى که ملخ هواپیما در موقع چرخیدن دارد، تشبیه کرد. بیش تر فضایى را که ملخ هنگام چرخیدن در بر مى گیرد فضاى خالى است; چون به هر حال، ملخ هواپیما در هر لحظه، جزئى از فضا را اشغال مى کند، ولى با گردش سریع خود، عملا تمامى این فضا را پر مى کند. این نمونه را به دلیل شباهت به منظومه شمسى، نمونه منظومه شمسى نامیدند. اما این نمونه نتوانست کلیه خواص ذرّه را توجیه کند. بنابراین، بور با استفاده از چهار فرضیه، سعى کرد که نمونه قابل قبولى ارائه دهد.
اِشکال نظریه رادرفورد: اگر ساختمان ذرّه را بدین صورت در نظر بگیریم که هسته مثبت به وسیله الکترون هاى منفى احاطه شده است، با توجه به بارهاى مخالف الکترون ها و هسته، اگر الکترون ها متحرک نباشند، باید جذب هسته شوند. از این رو، الکترون ها باید داراى نوعى حرکت باشند تا مانع جذب آن ها به طرف هسته گردد. با این همه، اگر الکترون ها در حال حرکت باشند، با توجه به قواعد فیزیک کلاسیک، مانند سایر ذرّات باردار، که تحت تأثیر نیروى جاذبه حرکت مى کنند، انرژى از دست مى دهند. (طبق نظریه الکترومگنتیک هر ذرّه باردار که تحت تأثیر یک نیروى جاذبه حرکت مى کند، باید دائماً انرژى از دست بدهد. بنابراین، الکترون به جاى حرکت در مسیر دایره اى، به علت کم شدن سرعت و کم شدن نیروى گریز از مرکز، روى یک مدار مارپیچى حرکت مى کند و بالاخره، روى هسته خواهد افتاد.) از دست دادن انرژى از سرعت حرکت الکترون مى کاهد و مقاومت آن ها را در مقابل جاذبه هسته کاهش مى دهد. در نتیجه، باید به تدریج، الکترون با حرکت مارپیچ به هسته نزدیک شده، جذب آن شود. سرانجام، ساختمان ذرّه درهم فشرده مى گردد، ولى از آن جا که ساختمان ذرّه برقرار است، درهم فشرده نمى شود. پس طرز استدلال یاد شده منطقى نیست.
نظریه ذرّه اى بور16
این نظریه مبتنى بر نمونه هسته اى رادرفورد و نظریه کوانتم پلانک است; یعنى، همان گونه که پلانک پرتو را ارزیابى کمّى کرده بود، بور نیز به ارزیابى کمّى ذرّه پرداخت.
در سال 1900 ماکس پلانک نظریه کوانتم نور را پیشنهاد کرد و سال بعد انشتین نظریه پلانک را در مورد طبیعت نور تأیید کرد و آن را توسعه داد. نکته انقلابى در این نظریه این بود: نور به صورت مقادیر کوچک پیمانه اى (فوتون) ساطع مى شود، حال آن که قبلا خواص نور بر پایه امواج انرژى بیان مى شد. (البته بعضى از خواص نظیر انکسار هنوز هم بر همان پایه، بهتر قابل توصیف است.) شیمى دانان و فیزیک دانان نور را گاهى به صورت امواج و گاهى به صورت جریانى از فوتون ها در نظر مى گیرند; یعنى، هم به عنوان موج و هم به عنوان ذرّه، ولى این دوگانگى به نحو معکوس در مورد الکترون پدید آمد ـ یعنى، اول خواص ذرّه اى بعد خواص موجى.
بور، فیزیک دان دانمارکى، در سال 1913 میلادى، نظریه اى پیشنهاد نمود که نه تنها وجود طیف خطى را توجیه مى کرد، بلکه علت درهم فشرده نشدن ذرّات را نیز بیان مى نمود. بور نمونه منظومه شمسى را با به کار بردن چهار فرضیه ذیل اصلاح کرد:
1ـ الکترون هیدروژن مجاز است که فقط بر سطوح ساکن و معیّنى در اطراف هسته هیدروژن حرکت کند و هر یک از این سطوح داراى انرژى مشخص و معیّنى است.
2ـ وقتى الکترون در روى هر یک از سطوح قرار مى گیرد هیدروژن هیچ گونه انرژى اى از خود منتشر نمى کند، ولى وقتى الکترون تغییر سطح انرژى مى دهد ـ یعنى، زمانى که از سطح انرژى بالاتر به سطح انرژى پایین تر مى آید ـ اختلاف انرژى دو سطح را به صورت یک کوانتاى نور با انرژى hy آزاد مى کند. (این انتقال تدریجى نبوده، بلکه جهشى است.)
3ـ الکترون در هر یک از این سطوح، در یک مدار دایره اى شکل به شعاع r به دور هسته مى چرخد.
4ـ سطوح مجاز الکترونى مذکور سطوحى هستند که در آن ها ممتنم زاویه اى الکترون مضرب صحیحى از 2h باشد.
...و3و2و1=
بنابراین، اگر الکترون در موقعیتى قرار گیرد که سطح انرژى پایین ترى وجود نداشته باشد، دیگر انرژى از دست نخواهد داد و به همین دلیل، ذرّات در هم فشرده نمى شوند و تعداد الکترون هر سطح انرژى بیش تر از 2n2 نیست. بدین ترتیب، پایین ترین سطح انرژى 1=n حداکثر داراى 2=21×2 الکترون و دومى 8=22×2 الکترون دارد.
مطابق مدل ذرّه اى بوهر مى توان ساختمان ذرّه سدیم را مانند شکل بالا نشان داد. این شکل وجود 11 پروتون و 12 نوترون را در هسته مى رساند. 11 الکترون سدیم نیز در مدارهاى سه گانه n=1،n=2 و n=3قرار گرفته که دور هسته در حال گردش هستند.
نمونه ذرّه اى آرنولد سومرفلد
سومرفلد در فاصله سال هاى 1915 تا 1918 میلادى نظریه ذرّه اى بور را تکمیل کرد و در مورد توزیع الکترون در اطراف هسته اظهار داشت: علاوه بر مدار دایره اى، مدارهاى بیضوى نیز در تعیین موقعیت الکترون نسبت به هسته دخالت مى کنند. او مطرح کرد که مدار از یک سلسله مدارهاى فرعى، که تفاوت انرژى کمّى با هم دارند، تشکیل شده و هر یک از سطوح انرژى بور متشکل از سطوح انرژى کوچک ترى است. هر مدار اصلى شامل مدارهاى فرعى به تعداد ارزش عددى آن است. به این ترتیب، فقط یک مدار فرعى براى مدار اول 1 = n و دو مدار فرعى براى مدار دوم 2 = n و سه مدار فرعى براى مدار سوم 3 = nوجود دارد.
دانشمندان براى ارائه تصویرى دقیق از ذرّه با مشکل مواجه شدند: در بعضى از آزمایش ها، الکترون مثل یک ذرّه عمل مى کرد و در بعضى دیگر مثل موج. از این رو، این سؤال پیش آمد که الکترون موج است یا ذرّه. عده اى گفتند: الکترون موج است و ما تجلّى ذرّه اى مى بینیم. بعضى دیگر گفتند: ذرّه است و ما آثار موجى مى بینیم. بعضى هم مثل لویى دوبروى گفتند: همان گونه که نور، هم خصلت موجى دارد و هم ذرّه اى، براى الکترون نیز مى توان یک خصلت دوگانه در نظر گرفت.
اصل عدم قطعیت هایذنبرگ17
این اصل مى گوید: تعیین دقیق هم زمانِ مکان و سرعت الکترون (دو کمیّت فیزیکى) امکان پذیر نیست. در فیزیک مدرسى، اگر سرعت و مکان چیزى را بدانیم، مى توان وقوع آن را پیش بینى کنیم. اما اگر سرعت و مکان آن را ندانیم، نمى توانیم وقوعش را پیش بینى کنیم. پس نقض قانون علّیت است. (البته چنین عقیده اى قابل مناقشه است.) زیرا براى تعیین مکان جسمى به کوچکى الکترون، با هر درجه از دقت که مورد نظر باشد، باید نورى با طول موج کوتاه به آن تابانیده شود. چنین تابشى بسیار پرانرژى است (زیرا هرقدر طول موج کوتاه تر باشد، تابش آن پرانرژى تر است.) بنابراین، برخورد آن با الکترون، سبب تغییر جهت حرکت آن مى شود. در نتیجه، هر نوع توجیه هندسى از موقعیت فضایى الکترون نسبت به هسته نظیر مدارهاى الکترونى بور غیر مقدور است. به عبارت دیگر، طبق اصول مکانیک موجى، اعداد کوانتایى مفهوم مکانیکى خود را از دست مى دهند و فقط براى بیان ترازهاى انرژى ذرّه اى مى توان از آن استفاده نمود.
امروز در مکانیک موجى، به جاى مدارهاى دایره اى و بیضوى بور و سومرفلد، فقط احتمال وجود الکترون را در نقطه معیّنى از فضا در نظر مى گیرند و تنها وسیله اطلاع از موقعیت الکترون در ذرّه شناسایى میزان احتمال وجود الکترون در یک نقطه بخصوص فضا مى باشد.
شرودینگر میزان احتمال وجود الکترون در نقاط گوناگون فضاى ذرّه اى را به صورت معادله ریاضى عرضه کرد. سرانجام، به دنبال این مطالعات، ساختمان ذرّه به طور کلى، هرگونه تعبیر هندسى دقیق و شناخته شده را از دست داد و مسیر الکترون به وسیله ابر الکترونى یا اوربیتال مشخص گردید; مثلا، در مورد ذرّه ئیدروژن، میزان احتمال وجود الکترون در حجم معیّنى از فضا ـ که تابع فاصله آن تا هسته مى باشد ـ به صورت منحنى ذیل نمایش داده مى شود:
با مطالعه این منحنى، مشاهده مى شود که حداکثر احتمال وجود الکترون در فاصله مساوى 8-10×53% سانتى متر هسته است که همان شعاع ذرّه ئیدروژن در نظریه بور مى باشد.18
گرچه مدل بور معرّف کامل ساختمان حقیقى ذرّات نیست، با این وجود، همیشه ساختمان ذرّه اى بور سهل ترین وسیله عملى بیان برخى از خواص ساختمان ذرّه بوده است. پس این احتمال وجود دارد که الکترون در اطراف هسته نباشد، ولى احتمال الکترون در محدوده اى از اطراف هسته بیش تر است.
طبقه بندى عناصر
اولین طبقه بندى علمى براى عناصر به وسیله لاوازیه انجام گرفت. او در سال 1789 درصدد برآمد که اغلب عناصر زمان خود را بر اساس شباهت ها و تفاوت هاى خواص به دو دسته تقسیم کند. مبناى این طبقه بندى داشتن خواص فلزى و یا غیر فلزى بود. این نوع تکرار خواص را ـ که در هر یک از دوره ها دیده مى شود ـ "تناوب خواص " مى نامند. به همین دلیل، مى توان جدولى را که شامل چنین طرحى است "جدول تناوبى " نام نهاد.
جدول پیشنهادى مندلیف
دانشمندان تلاش هاى فراوانى کردند تا طرحى براى روابط میان عناصر و آرایش دادن آن ها کنار یکدیگر بیابند. یکى از بهترین طرح ها در سال 1869 به وسیله مندلیف، دانشمند روسى، ارائه شد که در زمان خود، کم ترین نقص را داشت. مبناى کار مندلیف این بود که 60 عنصر شناخته شده آن روز را بر حسب افزایش جرم ذرّه اى19 کنار یکدیگر قرار داد. او همواره به این نکته توجه مى کرد که عناصر مشابه در یک خانواده قرار گیرند و عناصر ناجورى در لابه لاى آن ها نباشند. براى رعایت این نکات، او ناگزیر شد که برخى خانه هاى خالى را در نظر بگیرد و چنین فرض کند که این خانه هاى عناصر ناشناخته اى هستند که دیر یا زود کشف خواهد شد. در این راه، او با جرأت زیاد و بر اساس خواص عناصر مجاور، توانست اطلاعات زیادى درباره عناصر مجهول پیش گویى کند. چند سالى نگذشت که دانشمندان به تعدادى از عناصر مجهول دست یافتند و بدین سان، پیشگویى هاى مندلیف مورد تأیید قرار گرفت و بر اعتبار جدول افزوده شد.
جدول تناوبى جدید
تجربه و تحقیق علمى نشان داد که جرم ذرّه اى، مقیاس مناسبى براى مقایسه خواص فیزیکى و شیمیایى عناصر و طبقه بندى آن ها نیست و به جاى آن، باید از خصوصیت دیگرى که "عدد اتمى "20 نام دارد، استفاده کرد. "عدد اتمى " نماینده بار الکتریکى هسته ذرّه است که براى هر عنصر، مقدار ثابت و معیّنى مى باشد. هرگاه عناصر را برحسب افزایش عدد ذرّه اى کنار یکدیگر قرار دهیم، خواص آن ها به صورت تناوبى تکرار مى شود. با این معیار، نقص هاى جدول مندلیف برطرف مى گردد.
مولکول21
"مولکول "، کوچک ترین ذرّه یک ماده است که ممکن است به حالت مستقل وجود داشته باشد. خواص هر ماده به مولکول هاى آن بستگى دارد. یک مولکول، مجموعه اى از ذرّات با صفات معیّن و مشخصى است و این تعریف، تعداد ذرّات یک مولکول را محدود نمى کند; مثلا، در بیش تر پلیمرها (ماکرو مولکول ها) تعداد ذرّات یک مولکول بیش از ده هزار است، ولى چون این مجموعه بیش از ده هزار ذرّه اى عملا به عنوان یک واحد عمل مى کند، آن را "مولکول " مى نامیم.
ذرّات به اشکال متفاوت مى توانند با هم ترکیب شوند و عامل اصلى پیوند شیمیایى الکترون ها هستند. این پیوند در نتیجه ارتباط الکترون هاى فرد که در لایه سطحى ذرّات قرار دارند، ایجاد مى شود.
پیوندهاى شیمیایى22
ذرّات به روش هاى گوناگونى به هم متصل مى شوند که عبارتند از:
1ـ پیوند یونى: وقتى عنصرى با خاصیت الکترون خواهى زیاد، با عنصرى که خاصیت الکترون دهى زیاد دارد، ترکیب شود، الکترون از یک عنصر به عنصر دیگر منتقل مى شود و به دو ذرّه باردار تبدیل مى شود. قریب 75% عناصر شیمیایى فلزند. عده الکترون هاى قشر خارجى ذرّه فلزات نسبتاً کم است. فلزات، داراى جلاى مخصوصى معروف به جلاى فلزى اند و برق و حرارت را هدایت مى کنند و غیر فلزها داراى ذرّاتى هستند که الکترون هاى مدار خارجى آن ها نسبتاً زیاد است.
2ـ پیوند کووالانت (اشتراکى): وقتى دو غیر فلز با یکدیگر ترکیب مى شوند، یک ترکیب کووالانت حاصل مى شود; یعنى، الکترون هایى را به اشتراک مى گذارند و هر دو از آن ها استفاده مى کنند. در یک ذرّه H(هیدروژن)، الکترون به طور متقارن در اطراف هسته پخش شده، در حالى که در مولکول هیدروژن نحوه توزیع تغییر مى کند و بیش تر بار الکترونى بین دو هسته متمرکز است.
3ـ اتصال کوئوردینت کووالانت یا اتصال اهدایى(Dative Bond) : پیوند بین کلروفسفر، کووالانت است; به این صورت که هر کدام یک الکترون به اشتراک گذاشته اند، ولى بین فسفر و اکسیژن (که دو تا کم دارد تا آخرین مدارش کامل شود) دو تا الکترون از طریق فسفر قرار داده مى شود.
4ـ پیوند فلزى: فلزات هادى گرما و الکتریسته اند، ولى مولکول هایى که پیوند کووالانت دارند، هادى جریان الکتریسته نیستند و نقطه ذوب و جوش فلزات بالاست. در فلزات:
الف) انرژى یونیزاسیون فلزات نسبتاً کم است و به آسانى از هسته جدا مى شوند.
ب) تعداد الکترون ها در اوربیتال هاى سطح خارجى ذرّات فلزى کم است. در نتیجه، اغلب اوربیتال ها خالى است. با کمک اشعه X نشان داده شده که ساختمان لیتیم جامد طورى است که هر یک از ذرّات آن در وسط هشت ذرّه دیگر قرار مى گیرند. چون ارتباط این الکترون ها در هر یک از ذرّات با الکترون هاى مادر (وسطى) سست است، مى تواند در اوربیتال هاى خالى مجاور به گونه اى حرکت کند که همیشه میان دو هسته مثبت قرار گیرد و به همین صورت، در سایر ذرّات الکترون هاى آن ها نیز آزادى تحرک در اوربیتال هاى خالى را دارند. پس در فلز لیتیم، الکترون سطح خارجى هر یک از ذرّات به کلیه ذرّات تشکیل دهنده فلزى تعلّق دارد و همواره خود را بین دو هسته مثبت مى بیند. مجموعه این الکترون ها، که به هیچ ذرّه خاصى وابسته نیستند و احتمال حضور آن ها در تمام مناطق بلور یکسان است، دریایى از الکترون را به وجود مى آورد که یون هاى مثبت در آن شناور است.
نیروهاى جاذبه بین مولکولى
1ـ نیروى واندروالس: دو قطبى بودن مولکول ها از لحاظ الکتریکى معمولا باعث پیدایش نیروى جاذبه بین مولکول مى شود.
2ـ نیروى لاندن: بعضى از مولکول ها قطب هاى مثبت و منفى لحظه اى پیدا مى کنند; یعنى، تراکم ابر الکترونى در یک سوى ذرّه بیش از سوى دیگر است و قطب هاى لحظه اى این ذرّات باعث ایجاد نوعى نیروى جاذبه واندروالسى مى شود که نیروى "لاندن " نام دارد.
3ـ پیوند ئیدروژنى: ذرّه ئیدروژن، در پیوند ئیدروژن نوعى پل بین دو ذرّه دیگر به وجود مى آورد.
حرکت هاى مولکولى23
حرکت از صفات ذاتى ماده است، به نحوى که طبیعت را مى توان به صورت ماده در حال حرکت تلقّى کرد که مسلّماً مولکول نیز از این قاعده مستثنا نمى باشد و حرکت هاى متفاوتى دارد که عبارتند از:
1ـ حرکت انتقالى: مولکول مى تواند در فضا، از محلى به محل دیگر منتقل شود. این حرکت را "حرکت انتقالى مولکول " مى نامیم.
2ـ حرکت چرخشى: مولکول هم چنین قادر است حول محورهایى که از مرکز ثقلش مى گذرد، دوران کند. این حرکت را "حرکت چرخشى " یا "دَوَران مولکول " مى نامند.
حرکت دورانى ملکول .HCL r1وr2 فاصله هسته اتم ها از مرکز ثقل است.
3ـ حرکت ارتعاشى: ذرّات متشکل شده یک مولکول مى تواند نسبت به هم دور و نزدیک شده، حرکات ارتعاشى مولکول را تشکیل دهند. در هر مولکول، فاصله بین ذرّات، مقدار ثابتى نیست، بلکه به طور دایم در تغییر است. حرکت جزو ذرّات ماده است. مادام که مولکولى هست، ارتعاش ذرّات آن هم هست و نمى توان از ارتعاش ذرّات یک مولکول جلوگیرى کرد. یک مولکول ساده، مثلا HCL(اسیدکلریدریک) را در نظر بگیرید. ذرّات H و CL در روى محور مولکول از هم دور شده، دوباره به هم نزدیک مى شوند. بدین مى ماند که فنرى بین این دو ذرّه کار گذاشته شده باشند و این فنر در برابر تغییر طولش مقاومت ورزد.
4ـ حرکت الکترونى: تصوّر کنید پروتونى در نقطه اى از فضا نشسته و دام خود را براى جذب بارهاى منفى گسترده است. سر و کلّه الکترونى از دور پیدا مى شود. الکترون نیز براى بلعیدن بارهاى مثبت، دام خود را در فضاى اطرافش گسترانیده است. هر دو متوجه دام هاى یکدیگر مى شوند. تورها در هم مى روند و بدین سان، هر یک دیگرى را در تله مى اندازد. اما گیر افتادن پروتون حدود دوهزار بار مشکل تر از الکترون است; زیرا جرم پروتون حدود دوهزار بار بزرگ تر از جرم الکترون است. بنابراین، الکترون ناگزیر از تسلیم مى گردد و در دام پروتون به سوى آن مى شتابد. الکترون ضمن این شتاب به محیط خارج از خود انرژى مى دهد و هر چه به پروتون نزدیک تر مى شود، انرژى تشعشى بیش ترى از دست داده و در نتیجه، بیش تر در دام صیاد اسیر مى گردد. به هر ترتیب، الکترون در دام مى افتد و به پروتون نزدیک و نزدیک تر مى شود. اگر چاره اى نیندیشد، بالاخره بر روى پروتون سقوط خواهد کرد. آن وقت نه ذرّه اى مى ماند، نه مولکولى و نه ذى حیاتى. در این صورت، ماده نظام ساختمانى دیگرى با اختصاصات ویژه به خود مى گیرد، ولى الکترون بالاخره، راه چاره اى مى جوید و در یک تراز انرژى پایدار، در اطراف پروتون قرار مى گیرد و یک ذرّه پایدار به وجود مى آورد.
نظریه نسبیت انیشتین (albert aynstayn)
آلبرت انیشتین (1879 ـ 1955) با ارائه نظریه نسبیت خود، در سال 1905 تحولى در علم فیزیک ایجاد کرد. او گفت که جرم و طول و زمان و مکان، کمیّت هاى نسبى اند.
جرم:
مقاومت جسم در برابر تغییر حرکت را "جرم " جسم مى گویند یا مقدار ماده موجود در یک جسم ـ یعنى، ذرّات موجود در آن ـ را "جرم " جسم مى گویند که بر حسب گرم و کیلوگرم (یا پوند) اندازه گیرى مى شود.
هر قدر جرم جسم بیش تر باشد، به همان نسبت، در مقابل قواى محرّک و شتاب دهنده، بیش تر مقاومت مى کند. بین نیروى وارد بر یک ذرّه مادى و شتابى که این نیرو به آن ذرّه مى دهد، رابطه اى به صورت ذیل برقرار است که از عمده ترین معادلات مکانیک مى باشد: F= m.a
معمولا جرم با وزن اشتباه گرفته مى شود. اگر وزن جسمى را در یک نقطه، بر شتاب ثقل در آن نقطه تقسیم کنیم، جرم جسم به دست مى آید. در یک محل، نسبت اوزان در جسم برابر نسبت اجرام آن هاست. بنابراین، ترازو در عین این که جرم یک جسم را (در واقع) نسبت جرم آن به جرم وزنه اى که جرمش "واحد جرم " گرفته شده است تعیین مى کنند. وزن آن را نیز اندازه مى گیرد.
در فیزیک، پیش از نظریه نسبیت، مقدار جرم یک جسم را مستقل از حالت فیزیکى محیط اطراف و حرکت آن مى دانستند. قانون معروف به "قانون بقاى جرم " (یا ماده) که "قانون لاوازیه " نیز نامیده مى شود این است که ماده نه موجود و نه معدوم مى شود. اگر دستگاهى دستخوش تغییراتى شود، ممکن است شکل یا توزیع مواد آن تغییر پذیرد، ولى جرم کل آن ثابت مى ماند.
طبق نظریه نسبیت، جرم جسم مربوط به سرعت حرکت آن است و اگر m. جرم جسم در حال سکون و mجرم آن باشد در حالى که سرعت V دارد، باشد این رابطه_ 2_C2m= m. _l-V برقرار است. (C سرعت نور است.) براى سرعت هاى نسبتاً کوچک اختلاف m و m.نامحسوس است، اما در سرعت هاى زیاد، (مثلا، در مورد الکترون) این اختلاف معتنابه مى شود; مثلا، اگر جسمى با سرعت 257500 کیلومتر در ثانیه حرکت کند، جرم آن دو برابر جرمش در حال سکون خواهد بود، (البته از نظر مشاهده گر ساکن.) پس به نظر انیشتین، نسبى است. علاوه بر آن، محقق شده است که جرم و انرژى24 طبق معادله انیشتین به یکدیگر قابل تبدیل اند و آن معادله چنین است:25
(سرعت × سرعت × جرم = انرژى) 2E= mc
مثال: از انفجار 2 کیلوگرم اورانیم 235 (نظیر بمب اتمى منفجر شده در هیروشیما، در ششم اوت 1945) در اثر شکسته شدن هسته ذرّاتش مقدار 1410×1.64 ژول انرژى تابشى و حرارتى آزاد مى شود و جرم محصولات باقى مانده از رابطه ذیل محاسبه مى شود:
2E= mc
2-10×183/=_2(810×2.998)_1410×1.646_= _2m=_E_c
بنابراین، از جرم اولیه اورانیم، که برابر 2 کیلوگرم بود، مقدار 00183/0 کیلوگرم از بین رفته و در نتیجه، جرم محصولات باقى مانده برابر با 1.99817 کیلوگرم است. (بنابراین، مشاهده مى کنیم که آن مقدار عظیم انرژى آزاد شده که شهرى را به ویرانى کشاند، محصول چقدر ماده بوده است.)26
زمان
"نیوتن زمان را مستقل از وقایع و مقدّم بر آن ها مى دانست و به گفته وى، زمان مطلق ـ یعنى، زمان واقعى و ریاضى ـ به خودى خود و به مقتضاى ماهیتش و بدون ارتباط هر شىء خارجى، به طور یکنواخت روان است. ولى لایب نیتس معتقد بود که زمان مستقل از وقایع وجود نتواند داشت; زیرا زمان از وقایع و ارتباط آن ها با یکدیگر تشکیل مى یابد. پس در فیزیک کلاسیک، زمان و فضا را مستقل از یکدیگر و امورى اساسى تر از وقایع و پدیده هایى که در فضا و زمان رخ مى دهند، مى پنداشتند. به علاوه، هم زمانى را مطلق مى شمردند; یعنى، چنین مى دانستند که اگر دو واقعه براى یک شخص ناظر هم زمان باشند، براى هر ناظر دیگر، قطع نظر از حرکت آن، هم زمان خواهند بود. بدین ترتیب، اتخاذ یک مقیاس زمانى براى همه ناظرها ممکن مى شد. هم چنین زمان را از دو طرف، درگذشته و آینده، الى غیر النهایه ممتد مى پنداشتند.
با ظهور نظریه نسبیت خاص در سال 1905 و نظریه نسبیت عام در سال 1916، مفهوم زمان بکلى دگرگون گردید. طبق نظریه نسبیت، دو واقعه A و B، که در دو نقطه مختلف روى مى دهند، ممکن است نسبت به یک شخص ناظر همزمان باشند، ولى عموماً نسبت به ناظرهاى دیگرى که نسبت به ناظر اولیه در حرکت هستند، هم زمان نخواهند بود. "27
"و یا دو ناظر مختلف که با دو سرعت متفاوت نسبت به رویداد مورد نظر حرکت کنند، در دو زمان متمایز، آن را گزارش مى کنند و زمان وقوع حادثه از دید ناظر اول با دید ناظر دوم فرق دارد. پس زمان مفهوم مطلق خودش را از دست مى دهد. نظریه نسبیت مطرح مى کند که اگر یکى از دو برادر دوقلو به مسافرت سریعى در فضاى خارجى برود، وقتى که به خانه برمى گردد، از برادرش جوان تر خواهد بود; زیرا در طى این مسافرت، هم ساعت و هم نبض و هم امواج مغزى او و ... از دیدگاه فردى که در روى زمین بوده به کندى کار کرده اند. بدیهى است که خود مسافر هیچ چیز غیر عادى مشاهده نخواهد کرد، لیکن در بازگشتش، ناگهان متوجه مى شود که برادر توأمانش اکنون خیلى سالمندتر شده است. اگر آن برادر با سرعتى برابر 80% نور حرکت کند، طول عمرش در حدود 1.7 برابر طول عمر برادر خویش است و اگر سرعت به حدود 99% برسد طول عمرشان 7 برابر خواهد شد.
این هم به این معنا نیست که طول عمر باطنى یک ذرّه متغیر است. عمر یک ذرّه از دیدگاه خودش همیشه ثابت است، ولى از دیدگاه ناظر آزمایشگاهى هم چون ساعت درونى ذرّه کند کار مى کند، پس عمرش طولانى تر است. "
طول
در فیزیک مدرسى، طول یک میله در حرکت و سکون یکسان بود، ولى نظریه نسبیت مى گوید که طول یک جسم بستگى به حرکت آن نسبت به ناظر دارد و با سرعت آن حرکت، این طول تغییر مى کند. هرچه سرعت نسبى آن نسبت به ناظر افزایش یابد، طول میله کوچک تر مى شود.
واحد اندازه گیرى طول
واحد اندازه گیرى طول "متر " است. در سال 1791 یک هیأت علمى فرانسوى متر را اختراع کرد و آن، یک ده میلیونیم فاصله بین استوا و قطب زمین بر روى نصف النهارى بود که از شهر پاریس مى گذرد. این مقدار را بر روى میله اى که از آلیاژ پلاتین ـ ایریدیم ساخته شده بود، نشان دادند، آن هم در صفر درجه سلسیوس. سپس متوجه شدند که ممکن است فاصله زمین تغییر کند و در هفدهمین کنفرانس بین اللملى اوزان (1983/1362) متر را چنین تعریف کردند: "طولى است که نور در مدت _458/712/299_1_ ثانیه در خلاء مى پیماید. "
فضا
فیزیک مدرسى به فضاى سه بعدى مطلق مستقل از اجسام مادى قایل بود. ولى نظریه نسبیت مطرح مى کند که فضا مکان نسبى اند و چنین تصور مى نماید که اگر دو نفر ناظر ضمن جولان در فضا، به چترى چشم دوخته باشند، ناظر A چتر را در سمت چپ و کمى مایل مى بیند، به طورى که دسته چتر به او نزدیک تر از نوک آن است و ناظر B چتر را در سمت راست خود مى بیند، به گونه اى که دسته و آن دورتر از اوست.
اگر ما این آزمایش را از دستگاه دوبعدى به دستگاه سه بعدى منتقل کنیم، واضح مى شود که کلیه ویژگى هاى فضایى از قبیل چپ و راست و بالا و پایین و مایل به وضوح ناظر بستگى دارد. بنابراین، نسبى هستند.28
ضد ماده29
بررسى نظرى پیش بینى مى کند که براى هر ذرّه یک ضد ذرّه یا ضد ماده وجود دارد و آزمایش نیز وجود آن ها را نمودار ساخته است; مانند الکترون مثبت. (پس الکترون مثبت ضد ماده الکترون منفى است; زیرا آن ها از هر جهت، با هم مشابه اند، ولى اختلاف آن ها در بارشان مى باشد.) خاصیت اصلى این ذرّات این است که در هنگام برخورد با ذرّه تکمیلى خود، تباه مى شوند. تباهى موجب آزاد شدن انرژى است. بعکس آزاد شدن مقدار انرژى به وسیله یک ذرّه ممکن است منجر به ایجاد یک جفت ذرّه بنیادى شود. به عنوان مثال، تباهى یک پوزیترون و یک الکترون را در نظر مى گیریم که دو فوتون (انرژى) پدید مى آورد.
در ماده، پوزیترون بلافاصله، با الکترون هاى موجود ترکیب مى شود:
به عکس، یک فوتون با کمى انرژى، مى توان با گذشتن از نزدیک یک هسته و تحت تأثیر میدان نیروى این هسته، به یک جفت الکترون و پوزیترون تبدیل شود. از انرژى ماده بوجود مى آید.
میدان30
میدان به صورت هاى گوناگونى وجود دارد که عبارتند از:
میدان گرانش: هر دو جسم یکدیگر را با نیرویى جذب مى کنند که با حاصل ضرب جرم هاى آن ها نسبت مستقیم و با مجذور فاصله آن ها از هم نسبت معکوس دارد. (F نیروى جاذبه و G مقدار ثابت جهانى گرانش) _2r2m1F= G _m
با وجود این که دو جسم با هم در تماس نیستند و بین آن ها فاصله است، این نیرو اعمال مى شود. براى توجیه علت اثر این نیرو در اطراف جسم، "میدان گرانش " در نظر مى گیرند.
میدان الکتریکى:31 اجسام باردار بدون تماس با یکدیگر، مى توانند بر هم نیروى جاذبه یا دافعه الکتریکى وارد سازند. براى توصیف این پدیده، مى گوییم: جسم باردار در فضاى اطراف خود، میدان الکتریکى ایجاد مى کند.
جسم باردار A را در نظر مى گیریم. این جسم بر روى یک بار الکتریکى واقع در نقطه B نیرویى مانند Fوارد مى کند. گویند که جسم A در فضاى اطراف خود یک میدان الکتریکى واقع در نقطه B وارد مى شود، میدان "نقطه B " نام دارد. اگر در نقطه B بار الکتریکى برابر q باشد، مى توان نوشت: (میدان × بار الکتریکى = نیرو) در مورد میدان انیشتین و لئویولد اینفلد32 مى گویند:
اکنون دو واقعیت در اختیار ماست: ماده و میدان. آیا آن ها دو واقعیت متمایزند؟ هرگاه ذرّه کوچکى از ماده را در نظر بگیریم، ممکن است سطح معیّنى براى آن تصور کنیم که ذرّه به آن سطح ختم مى شود و میدان از آن آغاز مى گردد، ولى ملاک فیزیکى تمییز ماده از میدان کدام است؟ پیش از آن که با نظریه نسبیت آشنا شویم، ممکن بود بگوییم: ماده داراى جرم است و میدان جرمى ندارد، اما میدان نماینده انرژى و ماده نماینده جرم است.
ولى با استفاده از نظریه نسبیت، دیگر چنین نمى گوییم. از نظریه نسبیت یاد گرفته ایم که ماده نماینده مخزن عظیم انرژى است و انرژى به نوبه خود، نماینده ماده است. پس تفاوتى کیفى میان ماده و انرژى نیست. درست است که عظیم ترین بخش انرژى در ماده متمرکز است، ولى میدانى که ذرّه را احاطه مى کند نیز نماینده انرژى است، هرچند مقدار آن بسیار کم است. پس مى توان گفت ماده در جایى قرار دارد که تمرکز انرژى زیاد است و میدان در جایى قرار دارد که غلظت انرژى کم باشد.
اگر چنین باشد، تفاوت میان ماده و میدان کمّى خواهد بود، نه کیفى. "پس مى توان ماده را هم چون ناحیه اى از فضا شمرد که در آن، میدان فوق العاده نیرومند است. "33 پس میدان تنها واقعیت است و "عبارت است از یک محیط اتصالى که در هر جاى فضا حضور داشته و در عین حال، در چهره ذرّه اى خود، داراى ساختار دانه اى منفصل است. "34
بحث فلسفى
تا این جا روشن شد که ماده از چه اجزایى ساخته شده است و هم چنین ماده مى تواند به انرژى تبدیل شود و یا ماده همان میدان متراکم است. حال مى توان این سؤالات را مطرح کرد:
1ـ ماهیت انرژى و میدان چیست؟
2ـ چه چیزى در بن تغییرات ماده به انرژى یا میدان به میدان متراکم وجود دارد؟
علم فیزیک درباره ماهیت انرژى و میدان، بحث و کاوش نمى کند و فقط به بحث از آثار و خواص آن مى پردازد، ولى با استدلال عقلى، مى توان در مورد آن بحث کرد و به طرح این سؤالات پرداخت:
آیا انرژى و میدان اجزا دارند یا نه؟ اگر اجزایى ندارند، پس باید به صورت چیزى متصل باشند.
و اگر اجزا دارند آیا اجزاى آن ها داراى ابعاد و جرم هست یا نه؟
اگر بُعد و جرم دارند، پس فقط (در مقایسه با ماده) تغییر شکل داده اند; یعنى، حالتى از ماده به حالت دیگر تبدیل شده است. ولى اگر بعد و جرم ندارند، چگونه مى شود اجزایى که بعد و جرم ندارد، تبدیل به ماده اى شود که داراى جرم و بعد است و اجزاى بدون بعد و جرم هیچ گاه از اجتماع و تراکمشان بعد و جرم حاصل نمى شود.
همان گونه که تذکر داده شد، انیشتین اثبات کرد که انرژى نیز داراى جرم است. (او در سال 1900 اثبات کرد که انرژى داراى جرم است; زیرا یک شعاع نورانى که از یک ستاره دور به زمین مى رسد، وقتى از مجاورت خورشید مى گذرد، در اثر جاذبه خورشید منحرف مى شود.) ولى اگر جرم دار بودن آن را نیز اثبات نمى کرد، از لحاظ عقلى، امکان نداشت چیزى که جرم ندارد، بتواند از مجموع و تراکم آن ها شىء جرم دار تشکیل شود. بنابراین، همین استدلال عقلى در مورد امتداد و میدان نیز مطرح مى شود.
فیزیک جدید مطرح مى کند که الکترون و پروتون و نوترون از کوراک ها تشکیل شده است. بنابراین، استدلال مزبور در مورد کوارک ها نیز صادق است; زیرا وجود ماده بدون جرم و امتداد، از نظر عقلى محال است. پس نتیجه مى گیریم که انرژى و میدان داراى بعد و جرم است، هرچند براى ما محسوس نباشد. بنابراین، با وجود پیشرفت هاى زیادى که در تحلیل اجزاى ماده شده، شناخت ماده اصلى هنوز هم کار آسانى نیست.
تنها چیزى که مى توانیم بگوییم این است که ماده اصلى، ظهورات گوناگونى دارد: گاهى به شکل ماده و گاهى به شکل انرژى (و یا گاه به شکل میدان و گاهى به شکل میدان متراکم) ظاهر مى شود. هم چنین مى توانیم بگوییم که ماده اصلى چیزى است که هم جرم دارد و هم امتداد. به عبارت دیگر، در بن این حالات گوناگون (انرژى و ماده یا میدان و میدان متراکم) حقیقتى است که صفات جرم و امتداد ذاتى آن است. (هرچند انیشتین مطرح کرده است که جرم و امتداد، مطلق نبوده، بلکه نسبى اند، ولى ذاتى اجسام بوده، هیچ گاه از آن منفک نمى شود.)
بنابراین با پذیرش نظریه میدانى نمى توان جایى از فضا را پیدا کرده که در آن میدان نباشد. همه فضا آکنده از میدان است، ولى در جایى این میدان متراکم و در جایى دیگر، غیر متراکم است و نیز نمى توان گفت که میدان داراى بعد و جرم نیست. پس سراسر فضا را بعد و جرم تشکیل داده است.
بنابراین، بر اساس این نظریه، باز هم نظریه ارسطو و افلاطون در باب ماده زنده مى شود و این بار امتداد جوهرى نه تنها در مورد اجسام (میدان متراکم) صادق است، بلکه در سراسر عالم جارى و سارى است، هرچند که امتداد آن براى ما محسوس نیست.
پى نوشت ها
1ـ ژان وال، ما بعدالطبیعه، ترجمه یحیى مهدوى، تهران، خوارزمى، 1370، ص 275
2ـ سید محمدحسین طباطبائى، نهایة الحکمه، ص ص 86ـ87
3ـ ژان وال، پیشین، ص 275
4ـ سید محمدحسین طباطبائى، پیشین، ص 89
5. Ross, Aristotle, P. 168
6ـ کاپلستن، تاریخ فلسفه، جلال الدین مجتبوى، ج 1، قسمت اول، ص 103ـ107
7. John Macquarrie, Twentieth, CentQry Religious thought, P.230
8ـ جورج سارتون، تاریخ علم، ترجمه احمد آرام، چاپ سوم (تهران، امیرکبیر، 1375)، ص 636
9ـ ر.ک.به: غلامرضا قاضى مقدم، شیمى عمومى، ص 10
10ـ غلامحسین مصاحب، دایرة المعارف فارسى، ج 2، ص 2478
11ـ همان، ج 1، ص 538
12ـ غلامحسین مصاحب، پیشین، ج 1، ص 52
13ـ چارلز مورتیمر، شیمى عمومى، ترجمه احمد خواجه نصیر طوسى، عبدالجلیل مستشارى و دیگران، ص 115ـ231
14ـ محمد رزمجو، اصول و مفاهیم اولیه شیمى، ص 75 / شیمى، سال دوم دبیرستان، ص 28
15ـ هیئت مؤلفان، شیمى عمومى، ج اول، ص 40 / چارلز مورتیمر، پیشین، صص 23ـ24
16ـ ر.ک.به: هیئت مؤلفان، پیشین، ص 45 / رابرت آیزبرگ و رابرت رزتیک، فیزیک کواتنمى، ترجمه ناصر نفرى
17ـ ر.ک.به: سکسل راب استروویتس، فیزیک پیش دانشگاهى، ساختار ماده، ترجمه هوشنگ گرمان، صص 181ـ182 / انک وهر ریچاردز، آشنایى با فیزیک اتمى، ترجمه على پذیرنده و محمدرضا حمیدیان، ص 159 /و با استفاده از نوشته درسى دکتر مهدى گلشنى.
19ـ جرم ذرّه هر عنصر، ثابت، ولى بسیار کوچک است که محاسبات را بسیار دشوار مى کند. به همین دلیل، در شیمى جرم نسبى را به کار مى برند. امروز واحد کربنى را به عنوان واحد جسم ذرّات پذیرفته اند. (ابتدا جرم ذرّه ئیدروژن و سپس 161 جرم ذرّه اکسیژن انتخاب شده بود.) جرم ذرّه اى نشان مى دهد که جرم ذرّه مورد نظر چند برابر 121 جرم ذرّه کربن (12) و 12 گرم کربن (12) داراى 2310×02/6 ذرّه است. جرم ذرّه گوگرد 32 است، یعنى: 32 برابر 121 جرم ذرّه کربن 12 است.
20ـ عده پروتون هاى یک ذرّه به نام "عدد اتمى " خوانده مى شود که با حرف Z مشخص مى شود. مجموع تعداد پروتون ها و نوترون ها را "عدد جرمى " مى گویند که با حرف Aنشان داده مى شود.
21ـ ر.ک.به: غلامرضا قاضى مقدم، شیمى عمومى /هیئت مؤلفان، پیشین، ص 109.
22ـ محمد رزمجو، اصول و مفاهیم اولیه شیمى، ص 127 / چالرز مورتیمر، پیشین، ص 80
23ـ ر.ک.به: هیئت مؤلفان، پیشین، ص 110ـ132
24ـ مارتین گاردنر، نسبت براى همگان، ترجمه محمود مصاحب، ص 59 / غلامحسین مصاحب، دایرة المعارف فارسى، ج اول، ص 734
25ـ هیئت مؤلفان، پیشین ص 110ـ132
26ـ مادتین گاردنر، پیشین، ص ص 1ـ10 / غلامحسین مصاحب، پیشین، ج اول، ص 1178
27ـ فریتوف کاپرا، تائوى فیزیک، ترجمه حبیب الله دادفرما، ص 176 / مارتین گاردنر، پیشین، ص 132
28ـ فریتوف کاپرا، پیشین، ص 170
29ـ ر.ک.به: فرانسون، فیزیک، ترجمه مختار تبریزى و لطیف کاشیگر، ص 170
30ـ ر.ک.به: آلبرت انیشتین و لئوپولد اینفلد، تکامل علم فیزیک، ترجمه احمد آرام، ص 125ـ126.
31ـ ر.ک.به: فرانسون، پیشین، ص 174
32ـ ر.ک.به: آلبرت انیشتین و لئوپولد اینفلد، پیشین.
33ـ ر.ک.به: سکسل راب استریوویتس، پیشین، ص 233
34ـ فریتوف کاپرا، پیشین، ص 214
5- Rossi Aristotle P. 168.
24ـ مفهوم انرژى یکى از اساسى ترین مفاهیم فیزیکى است، ولى تعریف ساده و در عین حال، دقیق آن دشوار است. معمولا انرژى را به توانایى یا قابلیت انجام کار تعریف مى کنند; مثلا، اسب انرژى دارد; زیرا مى تواند بارى را بکشد یا فنر کوک شده ساعت داراى انرژى است; زیرا مى تواند عقربه ها را حرکت دهد. هرگاه کارى بر جسمى انجام گیرد، معادل آن کار بر انرژى آن جسم افزوده مى شود و اگر جسمى کارى انجام دهد، معادل آن کار از انرژى جسم کاسته مى شود. بدین روى، با اندازه گیرى کار حاصل از انرژى، مى توانیم انرژى را اندازه بگیریم و مقدار کار انجام شده در واحد زمان را "توان " مى گویند._زمان_کار=_ .p=_W_T_
انرژى را مى توان به انرژى سینتیک یا حرکتى و انرژى پتانسیل تقسیم کرد. انرژى اشکال گوناگونى دارد; از آن جمله است: انرژى شیمیایى که در فعل و انفعال هاى شیمیایى ظاهر مى شود، انرژى اتمى، انرژى تشعشعى و انرژى هسته اى. علاوه بر آن، برق و حرارت و نور نیز از اشکال انرژى هستند. تبدیل انرژى تابع قانون بقاى انرژى است. انرژى را، نه مى توان ایجاد کرد و نه معدوم و به عبارت دیگر، انرژى کل عالم مادى مقدار ثابتى است. اگر جسمى را به بالاى سطح شیب دارى ببریم، مقدارى کار انجام مى دهیم که معادل آن به انرژى پتانسیل (انرژى بالقوّه) اضافه مى شود. اگر جسم را رها کنیم تا به پایین بلغزد، به تدریج، از انرژى پتانسیل آن کم مى شود و بر انرژى حرکتى آن مى افزاید. در اغلب مواردى که انرژى در مقابل نیروى اصطکاک مصرف مى شود، این انرژى ضایع مى شود; بدین معنا که دیگر نمى توان فایده عملى از آن برد، ولى معدوم نمى شود; بلکه تبدیل به حرارت مى گردد که صورت دیگرى از انرژى است. وقتى که قطارى در جاده اى افقى با سرعتى ثابت حرکت کند، انرژى هاى حرکتى و پتانسیل آن ثابت مى مانند و تمام سوختى که مصرف مى شود در مقابل اصطکاک کار مى کند. (برگرفته از، دایرة المعارف فارسى، به سرپرستى غلامحسین مصاحب، ذیل عنوان "انرژى "
نویسنده:محمد محمدرضایى
منبع: سایت انجمن فیزیک به نقل از ماهنامه معرفت شماره 25
1ـ نظریه افلاطون و ارسطو;
2ـ نظریه ذرّه گرایان.
1ـ نظریه افلاطون و ارسطو
پیرامون این نظریه، جسم را چیز متصل واحدى مى دانستند. "افلاطون در محاوره تیمائوس، ماده را چیزى نامتعیّن توصیف کرده که قابل و پذیراى همه چیز و دایه عموم است و هر چیزى از آن ساخته مى شود. یکى از افلاطون شناسان فرانسوى به نام روبن گفته است که تصور افلاطون شاید دور از تصور دکارت در مورد ماده نباشد. "1 علاّمه طباطبائى در کتاب نهایة الحکمه مى فرمایند. "این قول به افلاطون نسبت داده شده که جسم، جوهر بسیط است و آن عبارت است از اتصال و امتداد جوهرى که قسمت خارجى و وهمى و عقلى را قبول مى کند. "2
"اما ارسطو معتقد است، مادیّت درجات دارد و مواد، کم و بیش داراى صورتند; مثلا، این میز از چوب ساخته شده است. لیکن چوب بیش از این که به صورت میز درآید، خود صورتى داشته و مرکّب از ماده و صورت بوده است. پس هرگز ماده اى عارى از صورت نخواهیم داشت و هم چون چیزى به هیچ وجه، مشهور نیست; زیرا با قبول صورت است که هر چیزى تعیّن مى یابد. "3
ولى علاّمه طباطبائى مى فرمایند: "نظریه ارسطو درباره جسم این است که آن، مرکّب از هیولى و صورت جسمیه است. هیولى ماده اى است که پذیرنده هر نوع فعلیتى است و صورت جسمیه، همان اتصال جوهرى است ـ بنابر آنچه نزد حس محسوس است و آن بودن شیئى است به حیثیتى که ممکن است در آن فرض شود امتدادهاى سه گانه متقاطع بر زوایاى قائمه است ـ در حالى که تقسیم به اجزاى غیر متناهى را مى پذیرد. "4 اما سر دیوید راس، که یکى از شارحان بزرگ معاصر ارسطوست، در کاب ارسطو مطرح مى کند: "بعید است که ارسطو، اعتقاد به هیولى اولى (یا قوّه صرف) داشته باشد، هرچند که پیروان او این مسأله را یکى از مهم ترین لوازم نظام فلسفى او لحاظ مى کنند. "5
2ـ نظریه ذرّه گرایان
"بنیان گذاران این نظریه، لوکیپوس و دموکریتس هستند. آن ها معتقدند که هر چیزى، مخصوصاً ماده، از اتم ها (ذرّات تقسیم ناپذیر) تشکیل شده اند. این ها به ادراک حسى در نمى آیند; زیرا بسیار خردند و حواس نمى توانند آن ها را درک کنند. اتم ها در اندازه و شکل مختلفند، لیکن کیفیتى ندارند، مگر سختى و صلابت یا نفوذناپذیرى; عدداً نامحدودند و در خلاء حرکت مى کنند و آن ها معتقدند که حرکت، ازلى است و ادامه حرکت نیازمند هیچ تبیینى نیست. از برخورد اتم ها با یکدیگر عناصر به وجود آمده اند. "6 هم چنین "ارسطو، اتمیان را به سبب تبیین نکردن مبدأ حرکت، مورد سرزنش قرار مى دهد. "7
نظریه ذرّه اى اپیکور
"نظریه اساسى اپیکور در فیزیک همان نظریه اتمى است که لوکیپوس و دموکریتوس واضع آن بوده اند و اپیکوروس در جزئیات آن تغییراتى داده است. هر چیز، اعم از مادى و روحانى، از ذرّات (اتم ها) ساخته شده است. ذرّات، که اشکال مختلف دارند، همه جا پراکنده اند. به حکم ضرورت، ذرّات به یکدیگر اتصال ندارند، بلکه در خلاء موجودند. براى آن ها امکان نقل مکان از جایى به جاى دیگر و تصادف و برخورد با یکدیگر هست; چون کسى که مى میرد، همان گونه که ذرّات تنش آزاد و پخش مى شود، ذرّات روح وى نیز چنین خواهد شد. خدایان نیز از اتم ها ساخته شده اند و در نوعى از فردوس میانه به سر مى برند و آن فضایى خالى است که در میان جهان وجود دارد. عقل از فراهم شدن و تمرکز ذرّات بسیار خرد پیدا مى شود، در صورتى که روح حیات از ذرّات ظریف و لطیفى است که در تمام بدن پراکنده اند. وجودهاى روحى (هم چون خدایان و نفوس و عقول) تنها فرقى که با وجودهاى مادى دارند در خردى و ظرافت و لطافت اتم هاى آن هاست. به این ترتیب، همه چیز مادى است و اگر بگوییم که مذهب ذرّه اى اپیکورى خود مادیگرى است، سخن نادرستى نگفته ایم. اپیکور این اصالت ماده و حتمیت را از دو راه توصیف کرده است. وى چنین مى پنداشت که نفس و روح آدمى، محتوى عنصر بى نامى است. در نظر اپیکور، آتش، باد و هوا عناصرى هستند که بر ذرّات، اضافه مى شوند و همه جا وجود دارند، ولى روح و عقل، مستلزم عنصر چهارمى است، ظریف تر از سه عنصر دیگر و این همان روح الارواح است. فرض دیگر اپیکور، انحراف ذرّات است، به این معنا که براى اتم ها در ضمن حرکت اتمى، مقدارى هوسناکى و حرکت خودبه خودى قایل است. "8
نظریه ذرّه گرایان جدید
در عصر جدید، نظریه هاى ذرّه گرایى مجدداً زنده شده است، اما تفاوت هایى با هم دارند. نظریه هاى ذرّه گرایانه فیلسوفان بر اساس تفکر محض بوده و اساس تجربى نداشته، ولى ذرّه گرایى جدید بر مبناى روش علمى استوار است و اولین کسى که نظریه ذرّه اى را در عصر جدید مطرح کرد جان دالتون بود که او را پدر نگرش ذرّه اى در عصر جدید مى دانند و با ارائه این نظر، نقطه تحولى در علم شیمى ایجاد کرد.9 او از نظریات دانشمندان دیگر نیز در این مورد استفاده کرد که عبارتند از:
قانون لاوازیه
لاوازیه در سال 1774 مشاهده کرد که اگر قلع را با اکسیژن در ظرف سربسته اى ترکیب کند، وزن اکسید قلع حاصل، مساوى وزن اکسیژن و قلعى است که در ابتدا به کار گرفته شده است. پس در فعل و انفعالات شیمیایى، چیزى از بین نمى رود و یا چیزى به وجود نمى آید و یا ذرّات در واکنش هاى شیمیایى از بین نرفته و باقى مى مانند. در نتیجه، در یک واکنش شیمیایى، جرم موادى که با یکدیگر واکنش نشان مى دهند با جرم مواد تشکیل شده، برابر است. این قانون مهم را "قانون بقاى جرم " نامید.10
دانشمندان دیگرى نیز به نام پروست11 گفت: اگر 71 گرم کلر و 2 گرم ئیدروژن را با هم ترکیب کنیم، 73 گرم اسیدکلریدریک تولید مى شود.
هم چنین دانشمندان دیگرى به نام کیلوساک چنین نتیجه گرفت که هرگاه گازها در درجه حرارت و فشار یکسان بر هم اثر کنند، بین حجم گازهاى اثرکننده و تولید شونده یک رابطه عددى ساده اى موجود است:
2. حجم بخار آب 2 حجم ئیدروژن + 1 حجم اکسیژن
دالتون در سال 1808 از نظریه هاى کیلوساک و لاوازیه و نظریه دموکریتس استفاده کرد و نظریه خود را درباره ساختمان ذرّه اى اجسام چنین بیان نمود:
1ـ عناصر از ذرّات بسیار کوچکى به نام "اتم " ساخته شده اند.
2ـ ذرّات هر عنصر داراى خواص یکسانند و با ذرّات دیگر تفاوت دارند.
3ـ ترکیبات شیمیایى از اجتماع ذرّات گوناگون و به تعداد معیّن به وجود مى آید که قانون پروست و لاوازیه را تأیید مى کند.
4ـ ذرّات غیر قابل تجزیه هستند و از بین نمى روند.
5ـ ذراتِ عناصر گوناگون، وزن هاى متفاوتى دارند.
از آن جا که نظریه دالتون مى توانست پاسخ گوى بسیارى از مسائل علمى آن زمان باشد، مورد قبول واقع شد. براى مثال، این نظریه مى توانست برخى پدیده هاى فیزیکى و شیمیایى مانند ذوب شدن و تبخیر مواد یا ترکیب فلز و غیر فلز را به نسبت وزنى ثابت تفسیر کند.
با مرور زمان، که دانستنى هاى دانشمندان درباره خواص مواد و رفتار آن ها افزایش مى یافت، نظریه دالتون نمى توانست براى سؤالات جدید سودمند باشد. این نظریه نمى توانست پدیده الکترولیز را توجیه کند. ]اگر یُدید پتاسیم (kl) مذاب را تجزیه الکتریکى کنیم، ید در اطراف قطب مثبت و پتاسیم در اطراف قطب منفى آزاد مى شود.[ ولى با این وجود، نظریه دالتون رد نشد.
ساختمان ذرّه:12 با توجه به نظریه ذرّه اى دالتون، شیمیدان ها تصور کردند که ذرّه غایت تقسیم ماده است. به همین دلیل نیز کلمه "اتم " (= تجزیه ناپذیر) براى آن انتخاب شد، ولى تجربیات انجام شده با لوله تخلیه الکتریکى در اواخر قرن 19 نشان داد که ذرّات (اتم ها) را مى توان به ذرّات کوچک تر، که داراى بار الکتریکى مثبت و منفى اند، تقسیم نمود.
اصطلاح "الکترون " را اولین بار استونى در سال 1874 (از اصل یونانى به معناى کهربا) به ماده اى اطلاق کرد که کاتدرا تشکیل مى دهد.
تعیین بار و جرم ذرّات مثبت و منفى:13 تجربیات گلدستین در سال 1896 نشان داد که در لوله تخلیه الکتریکى، ذرّات مثبت نیز تشکیل مى شود. جى.جى. تامسون و رابرت میلیکان شروع به تعیین بار و جرم الکترون کردند. اولین آزمایش براى اندازه گیرى me در سال 1897 توسط تامسون انجام شده تا این که بالاخره میلیکان طى سه سال با تجربه هاى متعدد، مقدار بار الکترون را در سال 1909 اعلام داشت: 19-10×1.6 کولن، سپس با در دست داشتن بار الکتریکى، جرم آن را محاسبه کرد و مقدار آن 28-10×1/9 گرم شد.
جرم و بار ذرّات مثبت نیز به طور مشابهى محاسبه مى شود و این کار را ویلهلم وین انجام داد و بار پروتون را 28-10×1.6 کولن و جرم آن را در حدود 24-10×1.67 گرم محاسبه کرد که تقریباً 1840 برابر جرم الکترون است.
در سال 1932 چادریک، دانشمند انگلیسى، وجود ذرّات بدون بارى را در هسته کشف کرد و نام "نوترون " (خنثى) را بر آن گذاشت. چادریک براى محاسبه جرم نوترون، جرم ها و انرژى هاى کلیه ذرّات مصرف شده و تولید شده در فعل و انفعال آزمایش خود را در نظر گرفت و جرم آن را در حدود 24-10×1.67 گرم محاسبه کرد.
طرحى براى ساختمان ذرّه:14 حال که دانستیم ذرّه غایت تقسیم ماده نیست و از ذرّات باردار مثبت و منفى تشکیل شده است، این سؤال مطرح مى شود که این ذرّات چگونه در کنار هم، درون یک ذرّه جاى گرفته اند. تامسون در سال 1898 فرضیه اى پیشنهاد نمود که بر اساس آن، ذرّه به صورت یک کره با بار الکتریکى مثبت و الکترون ها با بار منفى، همانند تخمه درون هندوانه پراکنده اند و جرم ذرّه مربوط به قسمتى است که بار مثبت دارد و این موضوع را از سنگین تر بودن جرم ذرّات مثبت نسبت به جرم ذرّات منفى مى توان یافت.
نمونه ذرّه اى رادرفورد:15 رادرفورد راسل (1911) براى آن که فرضیه تامسون را بیازماید، تجربه اى انجام داد. آزمایش او عبارت بود از بمباران یک ورقه نازک فلزى به وسیله ذرّات آلفا )++(He. او در پشت یک حفاظ سربى (یک صفحه سربى) یک منبع رادیواکتیو مولّد اشعه ش قرار داد و به یک ورقه نازک نقره یا مس تاباند. تقریباً 99.9./. ذرّات از این ورقه رد شدند، ولى برخى از ذرّات از مسیر مستقیم خود منحرف شده و برخى از آن ها پس از انعکاس، به طرف منبع ذره شبازگشتند.
رادرفورد براى توجیه این مشاهدات چنین فرض کرد که قسمت اعظم درون ذرّه را فضاى خالى تشکیل مى دهد، به طورى که بیش تر ذرّات آلفا بدون منحرف شدن، از درون ورقه مى گذرد. (رادرفورد با پیشنهاد کردن وجود یک هسته کوچک در مرکز، توجیه کرد که قسمت اعظم جرم و تمام بار مثبت ذرّه در این هسته متمرکز است. الکترون ها، که بیش تر حجم ذرّه را اشغال مى کنند، در خارج این هسته قرار دارند و داراى حرکتى بسیار سریع به دور آن مى باشند. براى پى بردن به رابطه بین هسته و خود ذرّه، مى توان گفت که اگر ذرّه a داراى قطرى برابر با 1.5 کیلومتر باشد، قطر هسته آن برابر با 1.5 سانتى متر است.)
با محاسبه نسبت ناچیز ذرّات آلفایى ـ که به عقب رانده مى شوند ـ به کل ذرّات تابیده شده و با استفاده از داده هاى دیگر، رادرفورد و شاگردان او به این نتیجه رسیدند که قطر ذرّات در حدود 8-10 سانتى متر و قطر هسته آن ها حدوداً 12-10 سانتى متر مى باشد. به عبارت دیگر، قطر ذرّه در حدود 10000(ده هزار) مرتبه بزرگ تر از قطر هسته است. الکترون ها به دلیل سرعت حرکت فوق العاده اى که دارند، تمام فضاى خالى اطراف هسته را اشغال مى کنند. براى تجسّم این مطلب، مى توان وضع الکترون ها را به وضعى که ملخ هواپیما در موقع چرخیدن دارد، تشبیه کرد. بیش تر فضایى را که ملخ هنگام چرخیدن در بر مى گیرد فضاى خالى است; چون به هر حال، ملخ هواپیما در هر لحظه، جزئى از فضا را اشغال مى کند، ولى با گردش سریع خود، عملا تمامى این فضا را پر مى کند. این نمونه را به دلیل شباهت به منظومه شمسى، نمونه منظومه شمسى نامیدند. اما این نمونه نتوانست کلیه خواص ذرّه را توجیه کند. بنابراین، بور با استفاده از چهار فرضیه، سعى کرد که نمونه قابل قبولى ارائه دهد.
اِشکال نظریه رادرفورد: اگر ساختمان ذرّه را بدین صورت در نظر بگیریم که هسته مثبت به وسیله الکترون هاى منفى احاطه شده است، با توجه به بارهاى مخالف الکترون ها و هسته، اگر الکترون ها متحرک نباشند، باید جذب هسته شوند. از این رو، الکترون ها باید داراى نوعى حرکت باشند تا مانع جذب آن ها به طرف هسته گردد. با این همه، اگر الکترون ها در حال حرکت باشند، با توجه به قواعد فیزیک کلاسیک، مانند سایر ذرّات باردار، که تحت تأثیر نیروى جاذبه حرکت مى کنند، انرژى از دست مى دهند. (طبق نظریه الکترومگنتیک هر ذرّه باردار که تحت تأثیر یک نیروى جاذبه حرکت مى کند، باید دائماً انرژى از دست بدهد. بنابراین، الکترون به جاى حرکت در مسیر دایره اى، به علت کم شدن سرعت و کم شدن نیروى گریز از مرکز، روى یک مدار مارپیچى حرکت مى کند و بالاخره، روى هسته خواهد افتاد.) از دست دادن انرژى از سرعت حرکت الکترون مى کاهد و مقاومت آن ها را در مقابل جاذبه هسته کاهش مى دهد. در نتیجه، باید به تدریج، الکترون با حرکت مارپیچ به هسته نزدیک شده، جذب آن شود. سرانجام، ساختمان ذرّه درهم فشرده مى گردد، ولى از آن جا که ساختمان ذرّه برقرار است، درهم فشرده نمى شود. پس طرز استدلال یاد شده منطقى نیست.
نظریه ذرّه اى بور16
این نظریه مبتنى بر نمونه هسته اى رادرفورد و نظریه کوانتم پلانک است; یعنى، همان گونه که پلانک پرتو را ارزیابى کمّى کرده بود، بور نیز به ارزیابى کمّى ذرّه پرداخت.
در سال 1900 ماکس پلانک نظریه کوانتم نور را پیشنهاد کرد و سال بعد انشتین نظریه پلانک را در مورد طبیعت نور تأیید کرد و آن را توسعه داد. نکته انقلابى در این نظریه این بود: نور به صورت مقادیر کوچک پیمانه اى (فوتون) ساطع مى شود، حال آن که قبلا خواص نور بر پایه امواج انرژى بیان مى شد. (البته بعضى از خواص نظیر انکسار هنوز هم بر همان پایه، بهتر قابل توصیف است.) شیمى دانان و فیزیک دانان نور را گاهى به صورت امواج و گاهى به صورت جریانى از فوتون ها در نظر مى گیرند; یعنى، هم به عنوان موج و هم به عنوان ذرّه، ولى این دوگانگى به نحو معکوس در مورد الکترون پدید آمد ـ یعنى، اول خواص ذرّه اى بعد خواص موجى.
بور، فیزیک دان دانمارکى، در سال 1913 میلادى، نظریه اى پیشنهاد نمود که نه تنها وجود طیف خطى را توجیه مى کرد، بلکه علت درهم فشرده نشدن ذرّات را نیز بیان مى نمود. بور نمونه منظومه شمسى را با به کار بردن چهار فرضیه ذیل اصلاح کرد:
1ـ الکترون هیدروژن مجاز است که فقط بر سطوح ساکن و معیّنى در اطراف هسته هیدروژن حرکت کند و هر یک از این سطوح داراى انرژى مشخص و معیّنى است.
2ـ وقتى الکترون در روى هر یک از سطوح قرار مى گیرد هیدروژن هیچ گونه انرژى اى از خود منتشر نمى کند، ولى وقتى الکترون تغییر سطح انرژى مى دهد ـ یعنى، زمانى که از سطح انرژى بالاتر به سطح انرژى پایین تر مى آید ـ اختلاف انرژى دو سطح را به صورت یک کوانتاى نور با انرژى hy آزاد مى کند. (این انتقال تدریجى نبوده، بلکه جهشى است.)
3ـ الکترون در هر یک از این سطوح، در یک مدار دایره اى شکل به شعاع r به دور هسته مى چرخد.
4ـ سطوح مجاز الکترونى مذکور سطوحى هستند که در آن ها ممتنم زاویه اى الکترون مضرب صحیحى از 2h باشد.
...و3و2و1=
بنابراین، اگر الکترون در موقعیتى قرار گیرد که سطح انرژى پایین ترى وجود نداشته باشد، دیگر انرژى از دست نخواهد داد و به همین دلیل، ذرّات در هم فشرده نمى شوند و تعداد الکترون هر سطح انرژى بیش تر از 2n2 نیست. بدین ترتیب، پایین ترین سطح انرژى 1=n حداکثر داراى 2=21×2 الکترون و دومى 8=22×2 الکترون دارد.
مطابق مدل ذرّه اى بوهر مى توان ساختمان ذرّه سدیم را مانند شکل بالا نشان داد. این شکل وجود 11 پروتون و 12 نوترون را در هسته مى رساند. 11 الکترون سدیم نیز در مدارهاى سه گانه n=1،n=2 و n=3قرار گرفته که دور هسته در حال گردش هستند.
نمونه ذرّه اى آرنولد سومرفلد
سومرفلد در فاصله سال هاى 1915 تا 1918 میلادى نظریه ذرّه اى بور را تکمیل کرد و در مورد توزیع الکترون در اطراف هسته اظهار داشت: علاوه بر مدار دایره اى، مدارهاى بیضوى نیز در تعیین موقعیت الکترون نسبت به هسته دخالت مى کنند. او مطرح کرد که مدار از یک سلسله مدارهاى فرعى، که تفاوت انرژى کمّى با هم دارند، تشکیل شده و هر یک از سطوح انرژى بور متشکل از سطوح انرژى کوچک ترى است. هر مدار اصلى شامل مدارهاى فرعى به تعداد ارزش عددى آن است. به این ترتیب، فقط یک مدار فرعى براى مدار اول 1 = n و دو مدار فرعى براى مدار دوم 2 = n و سه مدار فرعى براى مدار سوم 3 = nوجود دارد.
دانشمندان براى ارائه تصویرى دقیق از ذرّه با مشکل مواجه شدند: در بعضى از آزمایش ها، الکترون مثل یک ذرّه عمل مى کرد و در بعضى دیگر مثل موج. از این رو، این سؤال پیش آمد که الکترون موج است یا ذرّه. عده اى گفتند: الکترون موج است و ما تجلّى ذرّه اى مى بینیم. بعضى دیگر گفتند: ذرّه است و ما آثار موجى مى بینیم. بعضى هم مثل لویى دوبروى گفتند: همان گونه که نور، هم خصلت موجى دارد و هم ذرّه اى، براى الکترون نیز مى توان یک خصلت دوگانه در نظر گرفت.
اصل عدم قطعیت هایذنبرگ17
این اصل مى گوید: تعیین دقیق هم زمانِ مکان و سرعت الکترون (دو کمیّت فیزیکى) امکان پذیر نیست. در فیزیک مدرسى، اگر سرعت و مکان چیزى را بدانیم، مى توان وقوع آن را پیش بینى کنیم. اما اگر سرعت و مکان آن را ندانیم، نمى توانیم وقوعش را پیش بینى کنیم. پس نقض قانون علّیت است. (البته چنین عقیده اى قابل مناقشه است.) زیرا براى تعیین مکان جسمى به کوچکى الکترون، با هر درجه از دقت که مورد نظر باشد، باید نورى با طول موج کوتاه به آن تابانیده شود. چنین تابشى بسیار پرانرژى است (زیرا هرقدر طول موج کوتاه تر باشد، تابش آن پرانرژى تر است.) بنابراین، برخورد آن با الکترون، سبب تغییر جهت حرکت آن مى شود. در نتیجه، هر نوع توجیه هندسى از موقعیت فضایى الکترون نسبت به هسته نظیر مدارهاى الکترونى بور غیر مقدور است. به عبارت دیگر، طبق اصول مکانیک موجى، اعداد کوانتایى مفهوم مکانیکى خود را از دست مى دهند و فقط براى بیان ترازهاى انرژى ذرّه اى مى توان از آن استفاده نمود.
امروز در مکانیک موجى، به جاى مدارهاى دایره اى و بیضوى بور و سومرفلد، فقط احتمال وجود الکترون را در نقطه معیّنى از فضا در نظر مى گیرند و تنها وسیله اطلاع از موقعیت الکترون در ذرّه شناسایى میزان احتمال وجود الکترون در یک نقطه بخصوص فضا مى باشد.
شرودینگر میزان احتمال وجود الکترون در نقاط گوناگون فضاى ذرّه اى را به صورت معادله ریاضى عرضه کرد. سرانجام، به دنبال این مطالعات، ساختمان ذرّه به طور کلى، هرگونه تعبیر هندسى دقیق و شناخته شده را از دست داد و مسیر الکترون به وسیله ابر الکترونى یا اوربیتال مشخص گردید; مثلا، در مورد ذرّه ئیدروژن، میزان احتمال وجود الکترون در حجم معیّنى از فضا ـ که تابع فاصله آن تا هسته مى باشد ـ به صورت منحنى ذیل نمایش داده مى شود:
با مطالعه این منحنى، مشاهده مى شود که حداکثر احتمال وجود الکترون در فاصله مساوى 8-10×53% سانتى متر هسته است که همان شعاع ذرّه ئیدروژن در نظریه بور مى باشد.18
گرچه مدل بور معرّف کامل ساختمان حقیقى ذرّات نیست، با این وجود، همیشه ساختمان ذرّه اى بور سهل ترین وسیله عملى بیان برخى از خواص ساختمان ذرّه بوده است. پس این احتمال وجود دارد که الکترون در اطراف هسته نباشد، ولى احتمال الکترون در محدوده اى از اطراف هسته بیش تر است.
طبقه بندى عناصر
اولین طبقه بندى علمى براى عناصر به وسیله لاوازیه انجام گرفت. او در سال 1789 درصدد برآمد که اغلب عناصر زمان خود را بر اساس شباهت ها و تفاوت هاى خواص به دو دسته تقسیم کند. مبناى این طبقه بندى داشتن خواص فلزى و یا غیر فلزى بود. این نوع تکرار خواص را ـ که در هر یک از دوره ها دیده مى شود ـ "تناوب خواص " مى نامند. به همین دلیل، مى توان جدولى را که شامل چنین طرحى است "جدول تناوبى " نام نهاد.
جدول پیشنهادى مندلیف
دانشمندان تلاش هاى فراوانى کردند تا طرحى براى روابط میان عناصر و آرایش دادن آن ها کنار یکدیگر بیابند. یکى از بهترین طرح ها در سال 1869 به وسیله مندلیف، دانشمند روسى، ارائه شد که در زمان خود، کم ترین نقص را داشت. مبناى کار مندلیف این بود که 60 عنصر شناخته شده آن روز را بر حسب افزایش جرم ذرّه اى19 کنار یکدیگر قرار داد. او همواره به این نکته توجه مى کرد که عناصر مشابه در یک خانواده قرار گیرند و عناصر ناجورى در لابه لاى آن ها نباشند. براى رعایت این نکات، او ناگزیر شد که برخى خانه هاى خالى را در نظر بگیرد و چنین فرض کند که این خانه هاى عناصر ناشناخته اى هستند که دیر یا زود کشف خواهد شد. در این راه، او با جرأت زیاد و بر اساس خواص عناصر مجاور، توانست اطلاعات زیادى درباره عناصر مجهول پیش گویى کند. چند سالى نگذشت که دانشمندان به تعدادى از عناصر مجهول دست یافتند و بدین سان، پیشگویى هاى مندلیف مورد تأیید قرار گرفت و بر اعتبار جدول افزوده شد.
جدول تناوبى جدید
تجربه و تحقیق علمى نشان داد که جرم ذرّه اى، مقیاس مناسبى براى مقایسه خواص فیزیکى و شیمیایى عناصر و طبقه بندى آن ها نیست و به جاى آن، باید از خصوصیت دیگرى که "عدد اتمى "20 نام دارد، استفاده کرد. "عدد اتمى " نماینده بار الکتریکى هسته ذرّه است که براى هر عنصر، مقدار ثابت و معیّنى مى باشد. هرگاه عناصر را برحسب افزایش عدد ذرّه اى کنار یکدیگر قرار دهیم، خواص آن ها به صورت تناوبى تکرار مى شود. با این معیار، نقص هاى جدول مندلیف برطرف مى گردد.
مولکول21
"مولکول "، کوچک ترین ذرّه یک ماده است که ممکن است به حالت مستقل وجود داشته باشد. خواص هر ماده به مولکول هاى آن بستگى دارد. یک مولکول، مجموعه اى از ذرّات با صفات معیّن و مشخصى است و این تعریف، تعداد ذرّات یک مولکول را محدود نمى کند; مثلا، در بیش تر پلیمرها (ماکرو مولکول ها) تعداد ذرّات یک مولکول بیش از ده هزار است، ولى چون این مجموعه بیش از ده هزار ذرّه اى عملا به عنوان یک واحد عمل مى کند، آن را "مولکول " مى نامیم.
ذرّات به اشکال متفاوت مى توانند با هم ترکیب شوند و عامل اصلى پیوند شیمیایى الکترون ها هستند. این پیوند در نتیجه ارتباط الکترون هاى فرد که در لایه سطحى ذرّات قرار دارند، ایجاد مى شود.
پیوندهاى شیمیایى22
ذرّات به روش هاى گوناگونى به هم متصل مى شوند که عبارتند از:
1ـ پیوند یونى: وقتى عنصرى با خاصیت الکترون خواهى زیاد، با عنصرى که خاصیت الکترون دهى زیاد دارد، ترکیب شود، الکترون از یک عنصر به عنصر دیگر منتقل مى شود و به دو ذرّه باردار تبدیل مى شود. قریب 75% عناصر شیمیایى فلزند. عده الکترون هاى قشر خارجى ذرّه فلزات نسبتاً کم است. فلزات، داراى جلاى مخصوصى معروف به جلاى فلزى اند و برق و حرارت را هدایت مى کنند و غیر فلزها داراى ذرّاتى هستند که الکترون هاى مدار خارجى آن ها نسبتاً زیاد است.
2ـ پیوند کووالانت (اشتراکى): وقتى دو غیر فلز با یکدیگر ترکیب مى شوند، یک ترکیب کووالانت حاصل مى شود; یعنى، الکترون هایى را به اشتراک مى گذارند و هر دو از آن ها استفاده مى کنند. در یک ذرّه H(هیدروژن)، الکترون به طور متقارن در اطراف هسته پخش شده، در حالى که در مولکول هیدروژن نحوه توزیع تغییر مى کند و بیش تر بار الکترونى بین دو هسته متمرکز است.
3ـ اتصال کوئوردینت کووالانت یا اتصال اهدایى(Dative Bond) : پیوند بین کلروفسفر، کووالانت است; به این صورت که هر کدام یک الکترون به اشتراک گذاشته اند، ولى بین فسفر و اکسیژن (که دو تا کم دارد تا آخرین مدارش کامل شود) دو تا الکترون از طریق فسفر قرار داده مى شود.
4ـ پیوند فلزى: فلزات هادى گرما و الکتریسته اند، ولى مولکول هایى که پیوند کووالانت دارند، هادى جریان الکتریسته نیستند و نقطه ذوب و جوش فلزات بالاست. در فلزات:
الف) انرژى یونیزاسیون فلزات نسبتاً کم است و به آسانى از هسته جدا مى شوند.
ب) تعداد الکترون ها در اوربیتال هاى سطح خارجى ذرّات فلزى کم است. در نتیجه، اغلب اوربیتال ها خالى است. با کمک اشعه X نشان داده شده که ساختمان لیتیم جامد طورى است که هر یک از ذرّات آن در وسط هشت ذرّه دیگر قرار مى گیرند. چون ارتباط این الکترون ها در هر یک از ذرّات با الکترون هاى مادر (وسطى) سست است، مى تواند در اوربیتال هاى خالى مجاور به گونه اى حرکت کند که همیشه میان دو هسته مثبت قرار گیرد و به همین صورت، در سایر ذرّات الکترون هاى آن ها نیز آزادى تحرک در اوربیتال هاى خالى را دارند. پس در فلز لیتیم، الکترون سطح خارجى هر یک از ذرّات به کلیه ذرّات تشکیل دهنده فلزى تعلّق دارد و همواره خود را بین دو هسته مثبت مى بیند. مجموعه این الکترون ها، که به هیچ ذرّه خاصى وابسته نیستند و احتمال حضور آن ها در تمام مناطق بلور یکسان است، دریایى از الکترون را به وجود مى آورد که یون هاى مثبت در آن شناور است.
نیروهاى جاذبه بین مولکولى
1ـ نیروى واندروالس: دو قطبى بودن مولکول ها از لحاظ الکتریکى معمولا باعث پیدایش نیروى جاذبه بین مولکول مى شود.
2ـ نیروى لاندن: بعضى از مولکول ها قطب هاى مثبت و منفى لحظه اى پیدا مى کنند; یعنى، تراکم ابر الکترونى در یک سوى ذرّه بیش از سوى دیگر است و قطب هاى لحظه اى این ذرّات باعث ایجاد نوعى نیروى جاذبه واندروالسى مى شود که نیروى "لاندن " نام دارد.
3ـ پیوند ئیدروژنى: ذرّه ئیدروژن، در پیوند ئیدروژن نوعى پل بین دو ذرّه دیگر به وجود مى آورد.
حرکت هاى مولکولى23
حرکت از صفات ذاتى ماده است، به نحوى که طبیعت را مى توان به صورت ماده در حال حرکت تلقّى کرد که مسلّماً مولکول نیز از این قاعده مستثنا نمى باشد و حرکت هاى متفاوتى دارد که عبارتند از:
1ـ حرکت انتقالى: مولکول مى تواند در فضا، از محلى به محل دیگر منتقل شود. این حرکت را "حرکت انتقالى مولکول " مى نامیم.
2ـ حرکت چرخشى: مولکول هم چنین قادر است حول محورهایى که از مرکز ثقلش مى گذرد، دوران کند. این حرکت را "حرکت چرخشى " یا "دَوَران مولکول " مى نامند.
حرکت دورانى ملکول .HCL r1وr2 فاصله هسته اتم ها از مرکز ثقل است.
3ـ حرکت ارتعاشى: ذرّات متشکل شده یک مولکول مى تواند نسبت به هم دور و نزدیک شده، حرکات ارتعاشى مولکول را تشکیل دهند. در هر مولکول، فاصله بین ذرّات، مقدار ثابتى نیست، بلکه به طور دایم در تغییر است. حرکت جزو ذرّات ماده است. مادام که مولکولى هست، ارتعاش ذرّات آن هم هست و نمى توان از ارتعاش ذرّات یک مولکول جلوگیرى کرد. یک مولکول ساده، مثلا HCL(اسیدکلریدریک) را در نظر بگیرید. ذرّات H و CL در روى محور مولکول از هم دور شده، دوباره به هم نزدیک مى شوند. بدین مى ماند که فنرى بین این دو ذرّه کار گذاشته شده باشند و این فنر در برابر تغییر طولش مقاومت ورزد.
4ـ حرکت الکترونى: تصوّر کنید پروتونى در نقطه اى از فضا نشسته و دام خود را براى جذب بارهاى منفى گسترده است. سر و کلّه الکترونى از دور پیدا مى شود. الکترون نیز براى بلعیدن بارهاى مثبت، دام خود را در فضاى اطرافش گسترانیده است. هر دو متوجه دام هاى یکدیگر مى شوند. تورها در هم مى روند و بدین سان، هر یک دیگرى را در تله مى اندازد. اما گیر افتادن پروتون حدود دوهزار بار مشکل تر از الکترون است; زیرا جرم پروتون حدود دوهزار بار بزرگ تر از جرم الکترون است. بنابراین، الکترون ناگزیر از تسلیم مى گردد و در دام پروتون به سوى آن مى شتابد. الکترون ضمن این شتاب به محیط خارج از خود انرژى مى دهد و هر چه به پروتون نزدیک تر مى شود، انرژى تشعشى بیش ترى از دست داده و در نتیجه، بیش تر در دام صیاد اسیر مى گردد. به هر ترتیب، الکترون در دام مى افتد و به پروتون نزدیک و نزدیک تر مى شود. اگر چاره اى نیندیشد، بالاخره بر روى پروتون سقوط خواهد کرد. آن وقت نه ذرّه اى مى ماند، نه مولکولى و نه ذى حیاتى. در این صورت، ماده نظام ساختمانى دیگرى با اختصاصات ویژه به خود مى گیرد، ولى الکترون بالاخره، راه چاره اى مى جوید و در یک تراز انرژى پایدار، در اطراف پروتون قرار مى گیرد و یک ذرّه پایدار به وجود مى آورد.
نظریه نسبیت انیشتین (albert aynstayn)
آلبرت انیشتین (1879 ـ 1955) با ارائه نظریه نسبیت خود، در سال 1905 تحولى در علم فیزیک ایجاد کرد. او گفت که جرم و طول و زمان و مکان، کمیّت هاى نسبى اند.
جرم:
مقاومت جسم در برابر تغییر حرکت را "جرم " جسم مى گویند یا مقدار ماده موجود در یک جسم ـ یعنى، ذرّات موجود در آن ـ را "جرم " جسم مى گویند که بر حسب گرم و کیلوگرم (یا پوند) اندازه گیرى مى شود.
هر قدر جرم جسم بیش تر باشد، به همان نسبت، در مقابل قواى محرّک و شتاب دهنده، بیش تر مقاومت مى کند. بین نیروى وارد بر یک ذرّه مادى و شتابى که این نیرو به آن ذرّه مى دهد، رابطه اى به صورت ذیل برقرار است که از عمده ترین معادلات مکانیک مى باشد: F= m.a
معمولا جرم با وزن اشتباه گرفته مى شود. اگر وزن جسمى را در یک نقطه، بر شتاب ثقل در آن نقطه تقسیم کنیم، جرم جسم به دست مى آید. در یک محل، نسبت اوزان در جسم برابر نسبت اجرام آن هاست. بنابراین، ترازو در عین این که جرم یک جسم را (در واقع) نسبت جرم آن به جرم وزنه اى که جرمش "واحد جرم " گرفته شده است تعیین مى کنند. وزن آن را نیز اندازه مى گیرد.
در فیزیک، پیش از نظریه نسبیت، مقدار جرم یک جسم را مستقل از حالت فیزیکى محیط اطراف و حرکت آن مى دانستند. قانون معروف به "قانون بقاى جرم " (یا ماده) که "قانون لاوازیه " نیز نامیده مى شود این است که ماده نه موجود و نه معدوم مى شود. اگر دستگاهى دستخوش تغییراتى شود، ممکن است شکل یا توزیع مواد آن تغییر پذیرد، ولى جرم کل آن ثابت مى ماند.
طبق نظریه نسبیت، جرم جسم مربوط به سرعت حرکت آن است و اگر m. جرم جسم در حال سکون و mجرم آن باشد در حالى که سرعت V دارد، باشد این رابطه_ 2_C2m= m. _l-V برقرار است. (C سرعت نور است.) براى سرعت هاى نسبتاً کوچک اختلاف m و m.نامحسوس است، اما در سرعت هاى زیاد، (مثلا، در مورد الکترون) این اختلاف معتنابه مى شود; مثلا، اگر جسمى با سرعت 257500 کیلومتر در ثانیه حرکت کند، جرم آن دو برابر جرمش در حال سکون خواهد بود، (البته از نظر مشاهده گر ساکن.) پس به نظر انیشتین، نسبى است. علاوه بر آن، محقق شده است که جرم و انرژى24 طبق معادله انیشتین به یکدیگر قابل تبدیل اند و آن معادله چنین است:25
(سرعت × سرعت × جرم = انرژى) 2E= mc
مثال: از انفجار 2 کیلوگرم اورانیم 235 (نظیر بمب اتمى منفجر شده در هیروشیما، در ششم اوت 1945) در اثر شکسته شدن هسته ذرّاتش مقدار 1410×1.64 ژول انرژى تابشى و حرارتى آزاد مى شود و جرم محصولات باقى مانده از رابطه ذیل محاسبه مى شود:
2E= mc
2-10×183/=_2(810×2.998)_1410×1.646_= _2m=_E_c
بنابراین، از جرم اولیه اورانیم، که برابر 2 کیلوگرم بود، مقدار 00183/0 کیلوگرم از بین رفته و در نتیجه، جرم محصولات باقى مانده برابر با 1.99817 کیلوگرم است. (بنابراین، مشاهده مى کنیم که آن مقدار عظیم انرژى آزاد شده که شهرى را به ویرانى کشاند، محصول چقدر ماده بوده است.)26
زمان
"نیوتن زمان را مستقل از وقایع و مقدّم بر آن ها مى دانست و به گفته وى، زمان مطلق ـ یعنى، زمان واقعى و ریاضى ـ به خودى خود و به مقتضاى ماهیتش و بدون ارتباط هر شىء خارجى، به طور یکنواخت روان است. ولى لایب نیتس معتقد بود که زمان مستقل از وقایع وجود نتواند داشت; زیرا زمان از وقایع و ارتباط آن ها با یکدیگر تشکیل مى یابد. پس در فیزیک کلاسیک، زمان و فضا را مستقل از یکدیگر و امورى اساسى تر از وقایع و پدیده هایى که در فضا و زمان رخ مى دهند، مى پنداشتند. به علاوه، هم زمانى را مطلق مى شمردند; یعنى، چنین مى دانستند که اگر دو واقعه براى یک شخص ناظر هم زمان باشند، براى هر ناظر دیگر، قطع نظر از حرکت آن، هم زمان خواهند بود. بدین ترتیب، اتخاذ یک مقیاس زمانى براى همه ناظرها ممکن مى شد. هم چنین زمان را از دو طرف، درگذشته و آینده، الى غیر النهایه ممتد مى پنداشتند.
با ظهور نظریه نسبیت خاص در سال 1905 و نظریه نسبیت عام در سال 1916، مفهوم زمان بکلى دگرگون گردید. طبق نظریه نسبیت، دو واقعه A و B، که در دو نقطه مختلف روى مى دهند، ممکن است نسبت به یک شخص ناظر همزمان باشند، ولى عموماً نسبت به ناظرهاى دیگرى که نسبت به ناظر اولیه در حرکت هستند، هم زمان نخواهند بود. "27
"و یا دو ناظر مختلف که با دو سرعت متفاوت نسبت به رویداد مورد نظر حرکت کنند، در دو زمان متمایز، آن را گزارش مى کنند و زمان وقوع حادثه از دید ناظر اول با دید ناظر دوم فرق دارد. پس زمان مفهوم مطلق خودش را از دست مى دهد. نظریه نسبیت مطرح مى کند که اگر یکى از دو برادر دوقلو به مسافرت سریعى در فضاى خارجى برود، وقتى که به خانه برمى گردد، از برادرش جوان تر خواهد بود; زیرا در طى این مسافرت، هم ساعت و هم نبض و هم امواج مغزى او و ... از دیدگاه فردى که در روى زمین بوده به کندى کار کرده اند. بدیهى است که خود مسافر هیچ چیز غیر عادى مشاهده نخواهد کرد، لیکن در بازگشتش، ناگهان متوجه مى شود که برادر توأمانش اکنون خیلى سالمندتر شده است. اگر آن برادر با سرعتى برابر 80% نور حرکت کند، طول عمرش در حدود 1.7 برابر طول عمر برادر خویش است و اگر سرعت به حدود 99% برسد طول عمرشان 7 برابر خواهد شد.
این هم به این معنا نیست که طول عمر باطنى یک ذرّه متغیر است. عمر یک ذرّه از دیدگاه خودش همیشه ثابت است، ولى از دیدگاه ناظر آزمایشگاهى هم چون ساعت درونى ذرّه کند کار مى کند، پس عمرش طولانى تر است. "
طول
در فیزیک مدرسى، طول یک میله در حرکت و سکون یکسان بود، ولى نظریه نسبیت مى گوید که طول یک جسم بستگى به حرکت آن نسبت به ناظر دارد و با سرعت آن حرکت، این طول تغییر مى کند. هرچه سرعت نسبى آن نسبت به ناظر افزایش یابد، طول میله کوچک تر مى شود.
واحد اندازه گیرى طول
واحد اندازه گیرى طول "متر " است. در سال 1791 یک هیأت علمى فرانسوى متر را اختراع کرد و آن، یک ده میلیونیم فاصله بین استوا و قطب زمین بر روى نصف النهارى بود که از شهر پاریس مى گذرد. این مقدار را بر روى میله اى که از آلیاژ پلاتین ـ ایریدیم ساخته شده بود، نشان دادند، آن هم در صفر درجه سلسیوس. سپس متوجه شدند که ممکن است فاصله زمین تغییر کند و در هفدهمین کنفرانس بین اللملى اوزان (1983/1362) متر را چنین تعریف کردند: "طولى است که نور در مدت _458/712/299_1_ ثانیه در خلاء مى پیماید. "
فضا
فیزیک مدرسى به فضاى سه بعدى مطلق مستقل از اجسام مادى قایل بود. ولى نظریه نسبیت مطرح مى کند که فضا مکان نسبى اند و چنین تصور مى نماید که اگر دو نفر ناظر ضمن جولان در فضا، به چترى چشم دوخته باشند، ناظر A چتر را در سمت چپ و کمى مایل مى بیند، به طورى که دسته چتر به او نزدیک تر از نوک آن است و ناظر B چتر را در سمت راست خود مى بیند، به گونه اى که دسته و آن دورتر از اوست.
اگر ما این آزمایش را از دستگاه دوبعدى به دستگاه سه بعدى منتقل کنیم، واضح مى شود که کلیه ویژگى هاى فضایى از قبیل چپ و راست و بالا و پایین و مایل به وضوح ناظر بستگى دارد. بنابراین، نسبى هستند.28
ضد ماده29
بررسى نظرى پیش بینى مى کند که براى هر ذرّه یک ضد ذرّه یا ضد ماده وجود دارد و آزمایش نیز وجود آن ها را نمودار ساخته است; مانند الکترون مثبت. (پس الکترون مثبت ضد ماده الکترون منفى است; زیرا آن ها از هر جهت، با هم مشابه اند، ولى اختلاف آن ها در بارشان مى باشد.) خاصیت اصلى این ذرّات این است که در هنگام برخورد با ذرّه تکمیلى خود، تباه مى شوند. تباهى موجب آزاد شدن انرژى است. بعکس آزاد شدن مقدار انرژى به وسیله یک ذرّه ممکن است منجر به ایجاد یک جفت ذرّه بنیادى شود. به عنوان مثال، تباهى یک پوزیترون و یک الکترون را در نظر مى گیریم که دو فوتون (انرژى) پدید مى آورد.
در ماده، پوزیترون بلافاصله، با الکترون هاى موجود ترکیب مى شود:
به عکس، یک فوتون با کمى انرژى، مى توان با گذشتن از نزدیک یک هسته و تحت تأثیر میدان نیروى این هسته، به یک جفت الکترون و پوزیترون تبدیل شود. از انرژى ماده بوجود مى آید.
میدان30
میدان به صورت هاى گوناگونى وجود دارد که عبارتند از:
میدان گرانش: هر دو جسم یکدیگر را با نیرویى جذب مى کنند که با حاصل ضرب جرم هاى آن ها نسبت مستقیم و با مجذور فاصله آن ها از هم نسبت معکوس دارد. (F نیروى جاذبه و G مقدار ثابت جهانى گرانش) _2r2m1F= G _m
با وجود این که دو جسم با هم در تماس نیستند و بین آن ها فاصله است، این نیرو اعمال مى شود. براى توجیه علت اثر این نیرو در اطراف جسم، "میدان گرانش " در نظر مى گیرند.
میدان الکتریکى:31 اجسام باردار بدون تماس با یکدیگر، مى توانند بر هم نیروى جاذبه یا دافعه الکتریکى وارد سازند. براى توصیف این پدیده، مى گوییم: جسم باردار در فضاى اطراف خود، میدان الکتریکى ایجاد مى کند.
جسم باردار A را در نظر مى گیریم. این جسم بر روى یک بار الکتریکى واقع در نقطه B نیرویى مانند Fوارد مى کند. گویند که جسم A در فضاى اطراف خود یک میدان الکتریکى واقع در نقطه B وارد مى شود، میدان "نقطه B " نام دارد. اگر در نقطه B بار الکتریکى برابر q باشد، مى توان نوشت: (میدان × بار الکتریکى = نیرو) در مورد میدان انیشتین و لئویولد اینفلد32 مى گویند:
اکنون دو واقعیت در اختیار ماست: ماده و میدان. آیا آن ها دو واقعیت متمایزند؟ هرگاه ذرّه کوچکى از ماده را در نظر بگیریم، ممکن است سطح معیّنى براى آن تصور کنیم که ذرّه به آن سطح ختم مى شود و میدان از آن آغاز مى گردد، ولى ملاک فیزیکى تمییز ماده از میدان کدام است؟ پیش از آن که با نظریه نسبیت آشنا شویم، ممکن بود بگوییم: ماده داراى جرم است و میدان جرمى ندارد، اما میدان نماینده انرژى و ماده نماینده جرم است.
ولى با استفاده از نظریه نسبیت، دیگر چنین نمى گوییم. از نظریه نسبیت یاد گرفته ایم که ماده نماینده مخزن عظیم انرژى است و انرژى به نوبه خود، نماینده ماده است. پس تفاوتى کیفى میان ماده و انرژى نیست. درست است که عظیم ترین بخش انرژى در ماده متمرکز است، ولى میدانى که ذرّه را احاطه مى کند نیز نماینده انرژى است، هرچند مقدار آن بسیار کم است. پس مى توان گفت ماده در جایى قرار دارد که تمرکز انرژى زیاد است و میدان در جایى قرار دارد که غلظت انرژى کم باشد.
اگر چنین باشد، تفاوت میان ماده و میدان کمّى خواهد بود، نه کیفى. "پس مى توان ماده را هم چون ناحیه اى از فضا شمرد که در آن، میدان فوق العاده نیرومند است. "33 پس میدان تنها واقعیت است و "عبارت است از یک محیط اتصالى که در هر جاى فضا حضور داشته و در عین حال، در چهره ذرّه اى خود، داراى ساختار دانه اى منفصل است. "34
بحث فلسفى
تا این جا روشن شد که ماده از چه اجزایى ساخته شده است و هم چنین ماده مى تواند به انرژى تبدیل شود و یا ماده همان میدان متراکم است. حال مى توان این سؤالات را مطرح کرد:
1ـ ماهیت انرژى و میدان چیست؟
2ـ چه چیزى در بن تغییرات ماده به انرژى یا میدان به میدان متراکم وجود دارد؟
علم فیزیک درباره ماهیت انرژى و میدان، بحث و کاوش نمى کند و فقط به بحث از آثار و خواص آن مى پردازد، ولى با استدلال عقلى، مى توان در مورد آن بحث کرد و به طرح این سؤالات پرداخت:
آیا انرژى و میدان اجزا دارند یا نه؟ اگر اجزایى ندارند، پس باید به صورت چیزى متصل باشند.
و اگر اجزا دارند آیا اجزاى آن ها داراى ابعاد و جرم هست یا نه؟
اگر بُعد و جرم دارند، پس فقط (در مقایسه با ماده) تغییر شکل داده اند; یعنى، حالتى از ماده به حالت دیگر تبدیل شده است. ولى اگر بعد و جرم ندارند، چگونه مى شود اجزایى که بعد و جرم ندارد، تبدیل به ماده اى شود که داراى جرم و بعد است و اجزاى بدون بعد و جرم هیچ گاه از اجتماع و تراکمشان بعد و جرم حاصل نمى شود.
همان گونه که تذکر داده شد، انیشتین اثبات کرد که انرژى نیز داراى جرم است. (او در سال 1900 اثبات کرد که انرژى داراى جرم است; زیرا یک شعاع نورانى که از یک ستاره دور به زمین مى رسد، وقتى از مجاورت خورشید مى گذرد، در اثر جاذبه خورشید منحرف مى شود.) ولى اگر جرم دار بودن آن را نیز اثبات نمى کرد، از لحاظ عقلى، امکان نداشت چیزى که جرم ندارد، بتواند از مجموع و تراکم آن ها شىء جرم دار تشکیل شود. بنابراین، همین استدلال عقلى در مورد امتداد و میدان نیز مطرح مى شود.
فیزیک جدید مطرح مى کند که الکترون و پروتون و نوترون از کوراک ها تشکیل شده است. بنابراین، استدلال مزبور در مورد کوارک ها نیز صادق است; زیرا وجود ماده بدون جرم و امتداد، از نظر عقلى محال است. پس نتیجه مى گیریم که انرژى و میدان داراى بعد و جرم است، هرچند براى ما محسوس نباشد. بنابراین، با وجود پیشرفت هاى زیادى که در تحلیل اجزاى ماده شده، شناخت ماده اصلى هنوز هم کار آسانى نیست.
تنها چیزى که مى توانیم بگوییم این است که ماده اصلى، ظهورات گوناگونى دارد: گاهى به شکل ماده و گاهى به شکل انرژى (و یا گاه به شکل میدان و گاهى به شکل میدان متراکم) ظاهر مى شود. هم چنین مى توانیم بگوییم که ماده اصلى چیزى است که هم جرم دارد و هم امتداد. به عبارت دیگر، در بن این حالات گوناگون (انرژى و ماده یا میدان و میدان متراکم) حقیقتى است که صفات جرم و امتداد ذاتى آن است. (هرچند انیشتین مطرح کرده است که جرم و امتداد، مطلق نبوده، بلکه نسبى اند، ولى ذاتى اجسام بوده، هیچ گاه از آن منفک نمى شود.)
بنابراین با پذیرش نظریه میدانى نمى توان جایى از فضا را پیدا کرده که در آن میدان نباشد. همه فضا آکنده از میدان است، ولى در جایى این میدان متراکم و در جایى دیگر، غیر متراکم است و نیز نمى توان گفت که میدان داراى بعد و جرم نیست. پس سراسر فضا را بعد و جرم تشکیل داده است.
بنابراین، بر اساس این نظریه، باز هم نظریه ارسطو و افلاطون در باب ماده زنده مى شود و این بار امتداد جوهرى نه تنها در مورد اجسام (میدان متراکم) صادق است، بلکه در سراسر عالم جارى و سارى است، هرچند که امتداد آن براى ما محسوس نیست.
پى نوشت ها
1ـ ژان وال، ما بعدالطبیعه، ترجمه یحیى مهدوى، تهران، خوارزمى، 1370، ص 275
2ـ سید محمدحسین طباطبائى، نهایة الحکمه، ص ص 86ـ87
3ـ ژان وال، پیشین، ص 275
4ـ سید محمدحسین طباطبائى، پیشین، ص 89
5. Ross, Aristotle, P. 168
6ـ کاپلستن، تاریخ فلسفه، جلال الدین مجتبوى، ج 1، قسمت اول، ص 103ـ107
7. John Macquarrie, Twentieth, CentQry Religious thought, P.230
8ـ جورج سارتون، تاریخ علم، ترجمه احمد آرام، چاپ سوم (تهران، امیرکبیر، 1375)، ص 636
9ـ ر.ک.به: غلامرضا قاضى مقدم، شیمى عمومى، ص 10
10ـ غلامحسین مصاحب، دایرة المعارف فارسى، ج 2، ص 2478
11ـ همان، ج 1، ص 538
12ـ غلامحسین مصاحب، پیشین، ج 1، ص 52
13ـ چارلز مورتیمر، شیمى عمومى، ترجمه احمد خواجه نصیر طوسى، عبدالجلیل مستشارى و دیگران، ص 115ـ231
14ـ محمد رزمجو، اصول و مفاهیم اولیه شیمى، ص 75 / شیمى، سال دوم دبیرستان، ص 28
15ـ هیئت مؤلفان، شیمى عمومى، ج اول، ص 40 / چارلز مورتیمر، پیشین، صص 23ـ24
16ـ ر.ک.به: هیئت مؤلفان، پیشین، ص 45 / رابرت آیزبرگ و رابرت رزتیک، فیزیک کواتنمى، ترجمه ناصر نفرى
17ـ ر.ک.به: سکسل راب استروویتس، فیزیک پیش دانشگاهى، ساختار ماده، ترجمه هوشنگ گرمان، صص 181ـ182 / انک وهر ریچاردز، آشنایى با فیزیک اتمى، ترجمه على پذیرنده و محمدرضا حمیدیان، ص 159 /و با استفاده از نوشته درسى دکتر مهدى گلشنى.
19ـ جرم ذرّه هر عنصر، ثابت، ولى بسیار کوچک است که محاسبات را بسیار دشوار مى کند. به همین دلیل، در شیمى جرم نسبى را به کار مى برند. امروز واحد کربنى را به عنوان واحد جسم ذرّات پذیرفته اند. (ابتدا جرم ذرّه ئیدروژن و سپس 161 جرم ذرّه اکسیژن انتخاب شده بود.) جرم ذرّه اى نشان مى دهد که جرم ذرّه مورد نظر چند برابر 121 جرم ذرّه کربن (12) و 12 گرم کربن (12) داراى 2310×02/6 ذرّه است. جرم ذرّه گوگرد 32 است، یعنى: 32 برابر 121 جرم ذرّه کربن 12 است.
20ـ عده پروتون هاى یک ذرّه به نام "عدد اتمى " خوانده مى شود که با حرف Z مشخص مى شود. مجموع تعداد پروتون ها و نوترون ها را "عدد جرمى " مى گویند که با حرف Aنشان داده مى شود.
21ـ ر.ک.به: غلامرضا قاضى مقدم، شیمى عمومى /هیئت مؤلفان، پیشین، ص 109.
22ـ محمد رزمجو، اصول و مفاهیم اولیه شیمى، ص 127 / چالرز مورتیمر، پیشین، ص 80
23ـ ر.ک.به: هیئت مؤلفان، پیشین، ص 110ـ132
24ـ مارتین گاردنر، نسبت براى همگان، ترجمه محمود مصاحب، ص 59 / غلامحسین مصاحب، دایرة المعارف فارسى، ج اول، ص 734
25ـ هیئت مؤلفان، پیشین ص 110ـ132
26ـ مادتین گاردنر، پیشین، ص ص 1ـ10 / غلامحسین مصاحب، پیشین، ج اول، ص 1178
27ـ فریتوف کاپرا، تائوى فیزیک، ترجمه حبیب الله دادفرما، ص 176 / مارتین گاردنر، پیشین، ص 132
28ـ فریتوف کاپرا، پیشین، ص 170
29ـ ر.ک.به: فرانسون، فیزیک، ترجمه مختار تبریزى و لطیف کاشیگر، ص 170
30ـ ر.ک.به: آلبرت انیشتین و لئوپولد اینفلد، تکامل علم فیزیک، ترجمه احمد آرام، ص 125ـ126.
31ـ ر.ک.به: فرانسون، پیشین، ص 174
32ـ ر.ک.به: آلبرت انیشتین و لئوپولد اینفلد، پیشین.
33ـ ر.ک.به: سکسل راب استریوویتس، پیشین، ص 233
34ـ فریتوف کاپرا، پیشین، ص 214
5- Rossi Aristotle P. 168.
24ـ مفهوم انرژى یکى از اساسى ترین مفاهیم فیزیکى است، ولى تعریف ساده و در عین حال، دقیق آن دشوار است. معمولا انرژى را به توانایى یا قابلیت انجام کار تعریف مى کنند; مثلا، اسب انرژى دارد; زیرا مى تواند بارى را بکشد یا فنر کوک شده ساعت داراى انرژى است; زیرا مى تواند عقربه ها را حرکت دهد. هرگاه کارى بر جسمى انجام گیرد، معادل آن کار بر انرژى آن جسم افزوده مى شود و اگر جسمى کارى انجام دهد، معادل آن کار از انرژى جسم کاسته مى شود. بدین روى، با اندازه گیرى کار حاصل از انرژى، مى توانیم انرژى را اندازه بگیریم و مقدار کار انجام شده در واحد زمان را "توان " مى گویند._زمان_کار=_ .p=_W_T_
انرژى را مى توان به انرژى سینتیک یا حرکتى و انرژى پتانسیل تقسیم کرد. انرژى اشکال گوناگونى دارد; از آن جمله است: انرژى شیمیایى که در فعل و انفعال هاى شیمیایى ظاهر مى شود، انرژى اتمى، انرژى تشعشعى و انرژى هسته اى. علاوه بر آن، برق و حرارت و نور نیز از اشکال انرژى هستند. تبدیل انرژى تابع قانون بقاى انرژى است. انرژى را، نه مى توان ایجاد کرد و نه معدوم و به عبارت دیگر، انرژى کل عالم مادى مقدار ثابتى است. اگر جسمى را به بالاى سطح شیب دارى ببریم، مقدارى کار انجام مى دهیم که معادل آن به انرژى پتانسیل (انرژى بالقوّه) اضافه مى شود. اگر جسم را رها کنیم تا به پایین بلغزد، به تدریج، از انرژى پتانسیل آن کم مى شود و بر انرژى حرکتى آن مى افزاید. در اغلب مواردى که انرژى در مقابل نیروى اصطکاک مصرف مى شود، این انرژى ضایع مى شود; بدین معنا که دیگر نمى توان فایده عملى از آن برد، ولى معدوم نمى شود; بلکه تبدیل به حرارت مى گردد که صورت دیگرى از انرژى است. وقتى که قطارى در جاده اى افقى با سرعتى ثابت حرکت کند، انرژى هاى حرکتى و پتانسیل آن ثابت مى مانند و تمام سوختى که مصرف مى شود در مقابل اصطکاک کار مى کند. (برگرفته از، دایرة المعارف فارسى، به سرپرستى غلامحسین مصاحب، ذیل عنوان "انرژى "
نویسنده:محمد محمدرضایى
منبع: سایت انجمن فیزیک به نقل از ماهنامه معرفت شماره 25