وقتی کتاب جزء و کل هایزنبرگ که در مورد تحول فیزیک اتمی و کوانتوم بود رو خواندم دید نسبت به خیلی چیزها عوض شد درسته که این کتاب توسط هایزنبرگ نوشته شده ولی نفوذ نظریات استادش نیلز بوهر در اون به چشم می خوره فیزیکدان در این دوران بو سیله انیستیوی او دور هم جمع می شوند بحث می کنند و به کشف های جدیدی نائل می شوند با اینکه هر یک اسطوره ای در فیزیک آن روز هستند و نظریات جوانتر ها رو بدقت گوش می دهند و بررسی می کنند(قابل توجه اساتید محترم که برای نظریات و سوالات دانشجویان خودشون ذره ای اهمیت قائل نیستند) بوهر برای بسیاری از فیزیکدانها مانند هایزنبرگ پائولی دیراک شرودینگر و.... نه تنها نقش یک استاد بلکه یک مربی داشت که هنگام ناامیدی و یاس در مطالعه آزمایشات و نا توانانی در حل مسائل به اونها کمک می کرد و یا اگه نمی توانست با لحن دلپذیر و فلسفی خود به اونها امید می داد و اینجا ابتدا جوابهای جالب بوهردر یک امتحان فیزیک که شاید بسیاری از اونها به نظر ما خنده دار باشند و مطمئن هستم اگه یکی از اساتید ما در این امتحان بود و برگه بوهر رو برای تصحیح به او می دادند نه تنها به اون فرصت دفاع نمی دادند بلکه شاید برگه او رو پاره می کردند اگر باور نمی کنید خودتون بخونید و قضاوت کنید. زندگینامه نیلز بوهرو مدل اتمی او و چند تا عکس سپس خاطره بسیار جالب ریچارد فایمن در اولین دیدار با بوهر که واقعا خواندنی هست و نشان میده چرا بوهر یک فیزیکدان بزرگ بود رو آوردم.حتما خاطره رو بخونید.

 هر کس برای اولین بار با نظریه کوانتوم مواجه شود و شگفت زده نشود آنرا نفهمیده است"نیلز بوهر"

"توضيح دهيد که چگونه مي توان با استفاده از يک فشارسنج ارتفاع يک آسمان خراش را اندازه گرفت؟"


سوال بالا يکي از سوالات امتحان فيزيک در دانشگاه کپنهاگ بود.


يکي از دانشجويان چنين پاسخ داد: "به فشار سنج يك نخ بلند مي بنديم. سپس فشارسنج را از بالاي آسمان خراش طوري آويزان مي کنيم که سرش به زمين بخورد. ارتفاع ساختمان مورد نظر برابر با طول طناب به اضافه‌ي طول فشارسنج خواهد بود."


پاسخ بالا چنان مسخره به نظر مي آمد که مصحح بدون تامل دانشجو را مردود اعلام کرد. ولي دانشجو اصرار داشت که پاسخ او کاملا درست است و درخواست تجديد نظر در نمره ي خود کرد. يکي از اساتيد دانشگاه به عنوان قاضي تعيين شد و قرار شد که تصميم نهايي را او بگيرد.


نظر قاضي اين بود که پاسخ دانشجو در واقع درست است، ولي نشانگر هيچ گونه دانشي نسبت به اصول علم فيزيک نيست. سپس تصميم گرفته شد که دانشجو احضار شود و در طي فرصتي شش دقيقه اي پاسخي شفاهي ارائه دهد که نشانگر حداقل آشنايي او با اصول علم فيزيک باشد.


دانشجو در پنج دقيقه ي اول ساکت نشسته بود و فکر مي کرد. قاضي به او يادآوري کرد که زمان تعيين شده در حال اتمام است. دانشجو گفت که چندين روش به ذهنش رسيده است ولي نمي تواند تصميم گيري کند که کدام يک بهترين مي باشد.


قاضي به او گفت که عجله کند، و دانشجو پاسخ داد: "روش اول اين است که فشارسنج را از بالاي آسمان خراش رها کنيم و مدت زماني که طول مي کشد به زمين برسد را اندازه گيري کنيم. ارتفاع ساختمان را مي توان با استفاده از اين مدت زمان و فرمولي که روي کاغذ نوشته ام محاسبه کرد."


دانشجو بلافاصله افزود: "ولي من اين روش را پيشنهاد نمي کنم، چون ممکن است فشارسنج خراب شود!"


"روش ديگر اين است که اگر خورشيد مي تابد، طول فشارسنج را اندازه بگيريم، سپس طول سايه ي فشارسنج را اندازه بگيريم، و آنگاه طول سايه ي ساختمان را اندازه بگيريم. با استفاده از نتايج و يک نسبت هندسي ساده مي توان ارتفاع ساختمان را اندازه گيري کرد. رابطه ي اين روش را نيز روي کاغذ نوشته ام."


"ولي اگر بخواهيم با روشي علمي تر ارتفاع ساختمان را اندازه بگيريم، مي توانيم يک ريسمان کوتاه را به انتهاي فشارسنج ببنديم و آن را مانند آونگ ابتدا در سطح زمين و سپس در پشت بام آسمان خراش به نوسان درآوريم. سپس ارتفاع ساختمان را با استفاده از تفاضل نيروي گرانش دو سطح بدست آوريم. من رابطه هاي مربوط به اين روش را که بسيار طولاني و پيچيده مي باشند در اين کاغذ نوشته ام."


"آها! يک روش ديگر که چندان هم بد نيست: اگر آسمان خراش پله ي اضطراري داشته باشد، مي توانيم با استفاده از فشارسنج سطح بيروني آن را علامت گذاري کرده و بالا برويم و سپس با استفاده از تعداد نشان ها و طول فشارسنج ارتفاع ساختمان را بدست بياوريم."


"ولي اگر شما خيلي سرسختانه دوست داشته باشيد که از خواص مخصوص فشارسنج براي اندازه گيري ارتفاع استفاده کنيد، مي توانيد فشار هوا در بالاي ساختمان را اندازه گيري کنيد، و سپس فشار هوا در سطح زمين را اندازه گيري کنيد، سپس با استفاده از تفاضل فشارهاي حاصل ارتفاع ساختمان را بدست بياوريد."


"ولي بدون شک بهترين راه اين مي باشد که در خانه ي سرايدار آسمان خراش را بزنيم و به او بگوييم که اگر دوست دارد صاحب اين فشارسنج خوشگل بشود، مي تواند ارتفاع آسمان خراش را به ما بگويد تا فشارسنج را به او بدهيم!"


دانشجويي که داستان او را خوانديد، نيلز بور، فيزيکدان دانمارکي بود.

 

تولد بوهر
"نیلز هنریک دیوید بوهر" در سال  1885  و در کپنهاک و دانمارک به دنیا آمد. پدر او ، "کریستیان بوهر" استاد فیزیولوژی دانشگاه کپنهاک و مادرش "الن آلدر بوهر" دختر یک خانواده یهودی دانمارکی سرشناس در مراکز بانکی و پارلمانی بود. خانواده بوهر کلیسارو نبودند. ولی زن خانواده بر خلاف یهودی بودنش توافق کرده بود که بچه‌ها مسیحی بار آورده شوند.

ورود به دانشگاه
بوهر در سال  1903  در رشته فیزیک دانشگاه کپنهاک نام‌نویسی کرد.

فعالیتهای علمی بوهر در دانشگاه
در دانشگاه ، نیلز با انجام آزمایشهایی درباره نیروی کشش سطحی آب و اندازه گیری آن نیرو خود را ممتاز کرد و توانست به پاس انجام آن کار ، مدال طلای آکادمی علوم و ادبیات دانمارک را به دست آورد. وی در سال  1911  با نوشتن تزی درباره نظریه الکتروی فلزات ( که تاکید آن بر نارسایی‌های فیزیک کلاسیک در توضیح رفتار ماده در سطح اتمی بود )، درجه دکترای خود را دریافت کرد.

آشنایی با رادرفورد
نوشتن آن تز ، آغاز تمرکز اندیشه وی بر روی موضوع تحقیق بقیه دوره زندگی خود بود. بوهر در انگلستان ، پس از همکاری مختصری با "ج.ج تامسون" در کمبریج ، رهسپار آزمایشگاه "رادرفورد" در منچستر شد. داشتن رابطه با رادرفورد ، سرمشق حیات علمی بعدی او شد. آن دو از همان نخستین ملاقات با یکدیگر دوست شدند و تا پایان عمر ، دوستانی نزدیک باقی ماندند.

در واقع رادرفورد بود که بوهر را به بالاترین تراز پژوهش در زمینه فیزیک آورد.

استفاده از الگوی هسته‌ای اتم
بوهر که در درک اهمیت نظری شگرف و ارزش انکشافی الگوی هسته‌ای اتم که در سال  1910  توسط رادرفورد وضع شده بود، ذهنی تند و تیز داشت، از آن استفاده کرد تا نکات زیر را روشن سازد:

خواص شیمیایی یک اتم از جمله جای آْن در جدول تناوبی ، بستگی به آرایش الکترونهای آن دارد.

خواص رادیو اکتیو (پرتوزا) با هسته مرتبط است.

ایزوتوپها متناظرند با اتم‌هایی که دارای الکترونهای یکسان اما هسته‌های جرمی متفاوتند.

فروپاشی پرتوزا ، بار هسته و در نتیجه تعداد الکترونها و هویت شیمیایی اتم را تغییر می‌دهد.
کشف رابطه میان عدد اتمی و تعداد الکترونها
بوهر سپس به نحوه تعیین ماهیت دقیق رابطه میان عدد اتمی یک عنصر که فشرده و خلاصه ای از رفتار شیمیایی آن به شمار می‌رود و تعداد الکترونهای موجود در اتم پی برد.

بازگشت به دانمارک
بوهر در سال  1912  به دانمارک بازگشت و به سمت دانشیاری فیزیک دانشگاه کپنهاک منصوب شد.

ازدواج
او پس از شکل گیری حرفه آینده اش در کپنهاک با "مارگارت نورلند" ازدواج کرد. ازدواج آن دو ، پیوندی محکم و پر از خوشبختی از آب درآمد و برای بوهر ، منبع مادام‌العمر وفاق و قوت شد. زن و شوهر ، شش فرزند پسر پیدا کردند که چهار تن از آنها به سن بلوغ و بالاتر از آن رسیدند.

مدل اتمی بوهر
بوهر در پی استقرار در کپنهاک به اندیشه درباره جنبه های نظری مدل اتم هسته‌دار رادرفورد ادامه داد. این مدل ، مانند منظومه شمسی بسیار کوچک با هسته ‌ای در میان به مثابه خورشید و الکترونهایی در حال گردش به گرد آن به مثابه سیارات بود. فیزیکدانان ، آن را در کل پذیرفته بودند. اما در آن اشکال بزرگی هم که امروزه آن را یک ناهنجاری می‌خوانند، می‌دیدند.

به موجب نظریه الکترومغناطیس ، ذره باردار و چرخانی مانند الکترون ، باید در هر دوره گردش مقداری انرژی به صورت تابش پخش و در نتیجه بخشی از انرژی خود را از دست بدهد. طبق تئوری ، در چنین حالتی دایره مسیر باید مارپیچ وار تنگ و تنگتر شده ، الکترون سرانجام به درون هسته سقوط می‌کند. اما این وضع پیش نمی‌آید و الکترونها به داخل هسته فرو نمی ریزند و اتم به مدت نامحدود پایدار باقی می‌ماند. ناهنجاری بدین سان ، در مغایرت رفتار الکترون با پیش‌بینی نظریه الکترومغناطیس بود.

بوهر برای یافتن توضیح مسئله ، شیوه تازه ای بکار برد و گفت: تئوری بی‌تئوری. الکترون تا زمانی که به چرخش ادامه می‌دهد، هیچ تابشی از خود به بیرون نمی‌فرستد. او این را در حالی می گفت که نظریه و شواهد آزمایشگاهی ، هر دو نشان می دادند که وقتی هیدروژن حرارت ببیند، از خود نور تابش می‌کند و عقیده این بود که آن نور ، از الکترون اتم هم تابش می‌شود. بوهر در سال  1913  ، با آن روش به تجسم ساختاری برای اتم دست یافت.

چگونگی رفتار الکترون از دیدگاه بوهر
بوهر در توضیح چگونگی رفتار الکترون ، از وجود رابطه جدیدی بین ماده و نور سخن به میان آورد و گفت که الکترون در رفتن از مداری به مدار دیگر انرژی ، بصورت بسته یا پیمانه‌هایی از انرژی تشعشعی جذب یا تابش می‌کند ( چیزی که امروزه فوتون یا کوانتوم نور نامیده می‌شود ). هر چه طول موج نور تابیده کمتر باشد، انرژی فوتون آن بیشتر است.

هیدروژن ، سه خط طیفی روشن به رنگهای قرمز ، سبز متمایل به آبی و آبی دارد. بوهر تشریح کرد که خطوط رنگی واضح طیف ، همان تابشهای اتم هیدروژن هستند. نور قرمز هنگامی تابش می‌شود که الکترون از مدار سوم به مدار دوم بجهد و نور سبز متمایل به آبی مربوط به جهش الکترون از مدار چهارم به دوم است. در آغاز ، بسیاری از فیزیکدانان مسن‌تر ، از جمله ج.ج. تامسون در باره درستی نظریه بوهر تردید کردند. اما رادرفورد ، از حامیان آن شد، بطوریکه نظریه جدید سرانجام پذیرفته شد.

سایر فعالیتهای علمی بوهر
بوهر در سال  1913  ، سه مقاله در باره ساختار اتم منتشر کرد که یکی از آنها مقاله درباره ساختمان اتم و مولکول بود. او سالهای  1914  تا  1916  را در منچستر گذارنید و یکبار دیگر در آنجا تحت حمایت رادرفورد بکار پرداخت. پس از آن در سال  1916  ، تصدی کرسی استادی فیزیک دانشگاه کپنهاک به او پیشنهاد شد. وی به قصد قبول آن به دانمارک بازگشت و تا پایان عمر ، مدیر آن مؤسسه باقی ماند.

اولین ملاقات فایمن با نیلز بوهر

نيلس بوهر و پسرش از دانمارک به لوس آلاموس آمده بودند. در آن زمان آنها فيزيکدانهای بسيار مشهوری بودند (حتی برای کله گنده ها) و بوهر خدايشان بود.
اولين باری که او آمد،ما در يک جلسه بوديم ، همه می خواستند فقط او را ببينند،و بنابراين در آن جلسه که ما مسايل و مشکلات بمب را بررسی می کرديم، آدمهای زيادی حاضر بودند.

من در آن جلسه در گوشه ای عقب ميز بودم، و فقط يک کمی از نيلس بوهر رو از بين کله های سايرين ديدم.
صبح روز ديگری که او قرار بود بيايد، من يک تلفن دريافت کردم:
-سلام: فاينمن؟
-بله
-من جيمز بيکر (نام مستعار پسر نيلز بوهر) هستم، من و پدرم می خواهيم با تو صحبت کنيم...
- من، فاينمن ؟ من فقط .. (در آن زمان فاينمن خيلی جوان بود و هنوز از دانشگاه فارغ التحصيل نشده بود)
-بله، هشت صبح خوب هست؟

...

هشت صبح به دفتر بوهر رفتم و آنجا نيلس بوهر بزرگ می گويد: ما روی بمب کار می کرديم و داشتيم فکر می کرديم که چه جور می توانيم آن را کاراتر بکنيم، ما اين ايده را داريم:...
فاينمن- نه اين کار نخواهد کرد

-اين يکی چی؟

-اين يکی بهتر هست، اما اين مشکل مسخره رو داره.
..

ما دو ساعت بحث کرديم و ايده های مختلف را زير و رو کرديم و آخر کار نيلس بوهر گفت که حالا ما می توانيم کله گنده ها را صدا کنيم.

بعدها پسر بوهر اصل قضيه را برايم تعريف کرد:

پس از جلسه قبلی، نيلس بوهر به پسرش گفته بود: " اسم اون يارو که اونجا اون عقب نشسته بود رو خاطرت مياد - او تنها کسيه که از من وحشت زده نيست، و دفعه بعد که من می خواهم يک اشتباه احمقانه بکنم به من خواهد گفت، بنابراين دفته بعد که خواستيم راجع به ايده ها بحث کنيم، اينايي که هميشه میگن بله، بله، دکتر بوهر به دردمان نخواهند خورد. اين بابا رو پيدا کن و ما اول با اون بحث خواهيم کرد."

من هيچوقت حساب نمی کردم که با کی دارم صحبت می کنم، من فقط به فيزيک اهميت می دادم، اگر عقيده ای احمقانه بود، می گفتم احمقانه هست، و اگر به نظر خوب می رسيد می گفتم خوبه.

من هميشه اونجور زندگی کرده ام، اين يه روش خوب و لذت بخشيه، اگه بتونين از عهده ش بر بياين.
من خوشبحتم که می تونم تو زندگیم اين کار رو انجام بدم.

پی نوشت: اين مطالب پيش از اين در کتاب  "Surely You're Joking, Mr. Feynman!" نيز آمده است که متن کامل اين کتاب را از اينجا می توانيد پيدا کنيد. (به همه کسانی که به کار علمی علاقه مندند خواندن اين متن جالب انگيزناک را توصيه می کنم

مدل اتمی بوهر

در سال 1913، نیلز بور ، نظریه‌ای را برای ساختار الکترونی اتم هیدروژن ارائه کرد که طیف خطی این عنصر را توجیه می کرد. غالب پیوندهای میان اتمهای عناصر سبک را می توان با به کار گرفتن مدار های بور توضیح داد. توضیح شکل مولکولها و آرایش اتمها نسبت به یکدیگر با جفت شدن و دفع شدن الکترونها امکانپذیر است.

نظریه بور، نکات زیر را در بر می گیرد :

• الکترون‌ها مانند سیارات که به دور خورشید می‌گردند، در مدارهای معینی به نام تراز به دور هسته می گردند. او عبارت ریاضی کلاسیک برای نیرویی که الکترون را در یک خط مستقیم نگاه می‌دارد و نیرویی که الکترون را به درون می‌کشاند معادلاتی به وجود آورد. هر تراز با یک حروف الفبایی (O ، N ، M ، L ، K ،...) یا یک عدد (1 ،2 ، 3 ، 4 ، 5 ،...) مشخص می‌شود.

• الکترون‌ها در مدار نسبتا پایدار می‌مانند و در یک اتم معین ، انرژی‌های معینی می‌توانند داشته باشند. بنا به نظریه بور ، یک الکترون می‌تواند برای مدتی طولانی در یک مدار حرکت کند یا در مداری دیگر به فاصله دورتر برای مدتی طولانی سیر کند ولی نمی‌تواند در زمانی قابل اندازه گیری میان دو مدار بماند. بنابر تئوری بور ، وقتی یک الکترون از مداری به مدار دیگر برود، انرژی آن به مقدار معینی تغییر می‌کند که آن را یک کوانتوم انرژی می‌گویند.

• برای جدا کردن اجسامی که جذب یکدیگر شده‌اند انرژی لازم است. برای جابه جا شدنالکترون از یک تراز انرژی به تراز دیگر مقدار انرژی کاملا معین و خاصی لازم است. انرژی لازم برای آنکه یک الکترون از هسته دور شود در سیستم به صورت انرژی پتانسیل ذخیره می‌شود. وقتی الکترون‌های یک اتم تا حد امکان به هسته نزدیک باشد اتم در حداقل انرژی که حالت پایه است، قرار گرفته است. اگر اتمها در قوس الکتریکی یا شعله چراغ گاز گرم شوند، انرژی جذب کرده و الکترون به تراز بیرونی‌تری که انرژی بیشتری دارد می‌جهد، اتم در این شرایط در حالت برانگیخته است.

• هرگاه الکترون از مدار بالاتر (برانگیخته) به مدار یا تراز یا بیشتر فرو افتد مقدار انرژی معینی از اتم تابش می کند که معمولا این اختلاف انرژی اتم بین دو حالت برانگیخته و پایه به صورت انرژی نوری کوانتوم نور) است.

طیف نمایی بور

بور با این تصور که الکترونها در ترازهای انرژی مربوط به مدارها بالا یا پائین می‌روند و حرکت الکترون میان دو مدار خاص مستلزم کوانتوم معینی انرژی است، توانست علت وجود خط‌های طیف نشری خط روشن هیدروژن را توضیح دهد و نیز طول موج‌های مورد انتظار برای این خطها را حساب کرد. بور با استفاده از خطوط مشاهده پذیر طیف هیدروژن اوضاع درون اتم را برسی کند.

ساختمان اتم با استفاده از مدل بور

دانستیم که مدارها با اعداد صحیح شماره گذاری می‌شوند. عدد 1 نزدیکترین مدار به هسته است و حداکثر عده الکترونها در یک مدار 2n² است که n شماره مدار است.

یک قائده کلی برای پیشگویی عده الکترونها این است که مدار خارجی نمی‌تواند بیش از هشت الکترون داشته باشد. نخستین مدار حداکثر می‌تواند دو الکترون داشته باشد که هیدروژن با عدد واقعی یک که الکترون دارد و هلیم در این مدار قرار می‌گیرند.

منابع:

دانشنامه رشد

وبلاگ پارس کلوب

وبلاگ قلمدان