مبانی کوانتومی جسم سیاه

در ابتدای قرن بیستم مجموعه ای از اصول دیگر فیزیک در حال ظهور بود موضوع با چیزی آغاز شد که می توان آن را طغیان جسم سیاه علیه نظریه موجی الکترومغناطیس ماکسول نامید

در ابتدای قرن بیستم مجموعه‌ای از اصول دیگر فیزیک در حال ظهور بود. موضوع با چیزی آغاز شد که می‌توان آن را طغیان جسم سیاه علیه نظریه موجی الکترومغناطیس ماکسول نامید. نظریه ماکسول خود یک انقلاب علمی ‌بود. بر طبق نظریه موجی ، نور یک ارتعاش الکترومغناطیسی متناوب است که در محمل فضا (بدون اتر) انتشار پیدا می‌کند. از خصوصیات این تابش طول موج آن است که برحسب آنگستروم بیان می‌شود (هر آنگستروم یک ده میلیونیم میلیمتر است .خاصیت اساسی دیگر تابش ، فرکانس است. در این زمینه هیچ چیز بغرنجی وجود ندارد، اگر انسان جسم شناوری را که بر روی امواج دریا بالا و پایین می‌رود، نظاره کند که تعداد حرکات آن در زمان معین ، فرکانس امواج را تعیین می‌کند. در مورد امواج نوری ، فرکانس بسیار زیاد است. همین مساله فرکانس‌ها بود که ضعف نظریه ماکسول به شمار می‌آمد. زیرا با داده‌های حاصل از مشاهده انطباق نداشت.

مکانیزم تابش جسم سیاه

اگر قطعه‌ای فلز گرم شود، ابتدا به رنگ قرمز تیره ، سپس قرمز روشن و بعد از آن به رنگ سفید در می‌آید و حتی اگر گرمتر شود، پرتوهای بنفش و فرابنفش هم گسیل می‌کند. به هر حال ، حالت خاصی موسوم به تابش جسم سیاه وجود دارد که اگر فرود تابش بر یک جسم مات را در نظر بگیریم، این موضوع قابل درک خواهد بود. در این حالت بخشی از تابش جذب و بخشی نیز ، باز می‌تابد.از طرف دیگر برای جذب کامل تابش ، وجود سطح کاملا سیاه ضرورت دارد، اما جسم سیاه نه تنها انرژی گرمایی را جذب می‌کند، بلکه آن را گسیل هم می‌کند و این عمل از طریق بازتابش گرما و تجمع گرما روی قسمتهایی انجام می‌شود که به هرچه گرمتر شدن جسم سیاه و تابش از آن به صورت طیف کامل منجر می‌شود.

فاجعه فرابنفشی

یک ظرف مکعبی با سوراخ خیلی کوچک را به شدت گرم می‌کنیم. در این صورت از سوراخ کوچک ظرف تابشهایی گسیل می‌شود که اجزای این تابش گسیلی را می‌توان با دستگاه طیف سنج اندازه‌گیری کرد. با افزایش دمای منبع گرما ، مقدار انرژی تابشی و شدت فرکانس‌های بنفش نیز زیاد می‌شود. در این حالت می‌توان به نظریه موجی ماکسول با نخستین یافته‌ها برخورد کرد. با دقت نظر بر مشاهدات انجام شده ، اگر دمای مطلق دو برابر شود، کل مقدار انرژی گسیلی از سوراخ در هر ثانیه ۱۶ برابر و با سه برابر شدن دما ، مقدار انرژی گسیلی ۸۱ برابر می‌شود.همچنین آزمایش تایید می‌کند که طول موج شدت ماکزیمم ، با دمای مطلق نسبت معکوس دارد. فراتر از اینها ، دیگر نظریه موجی ماکسول نمی‌توانست از پس تدوین واقعیتهای مشاهده شده برآید و محدودیتی بر این نظریه تحمیل شد که به فاجعه فرابنفشی منجر گردید. دانشمندانی که معمولا از نظر عاطفی مایوس می‌شوند، هرگز نمی‌توانند از دست احساسات خود خلاص شوند. مفهوم این توصیف ناخوشایند آن است که جسم سیاه باید تمام انرژی خود را در ناحیه طول موج بسیار کوتاه ، در یک انفجار شدید گسیل ‌کند

ابتکار عمل پلانک

تمام تلاشهای به عمل آمده برای سازگار کردن مشاهدات تجربی و اصول نظری با شکست مواجه شد. در این زمان ماکس پلانک ، فیزیکدان آلمانی ، در سال ۱۹۰۰ با استفاده از محاسبات ریاضی نشان داد که هر گاه فرض شود که جسم سیاه تابش را بطور پیوسته و به صورت امواج گسیل می‌کند، فاجعه فرابنفشی اجتناب‌ناپذیر است. او اظهار داشت که تابش به صورت بسته‌های مجزا به نام فوتون یا کوانتوم نور که خودش دارای طول موج و فرکانس است، نیز انتشار می‌یابد.به عبارت دیگر ، تابش دارای طبیعت موجی و ذره‌ای است (ماهیت دوگانه نور). این مطلب با نظریه ذره‌ای که در قرن نوزدهم ، پیروان نیوتن در اثبات آن کوشیده و در انطباق آن با نظریه موجی شکست خورده بودند، فرق داشت و احیای نظریه یادشده به شمار می‌رفت. فوتون پلانک ، در حالت سکون نمی‌توانست دارای جرم باشد و تنها هنگامی ‌وجود داشت که با سرعت نور حرکت کند، در حالت سکون یا از بین می‌رفت و یا به پاره‌ای از ذره عادی تبدیل می‌شد

عقیده انیشتین در مورد فوتون پلانک

فوتون پلانک که مفهوم آن مثل سایه غیر مادی بود، اینشتین را راضی نکرد. او اصرار داشت که نه تنها تابش به صورت فوتون‌های گسسته انشار می‌یابد، بلکه وجود آن به صورت فوتون همواره ادامه دارد. او از این ایده دفاع کرد و همزمان با آن اثر فوتوالکتریک را بیان داشت. تائید عملی از نظر انیشتین ، در کارهای هاینریش هرتز ، فیزیکدان آلمانی ، در مورد امواج رادیویی ، فراهم آمد.هرتز برای تولید جرقه بین دو گوی فلزی از یک سیم پیچ القایی استفاده کرد و پی برد که هرگاه نور فرابنفش بر گویها بتاباند، جرقه‌های بهتری تولید می‌شود. هنگامی‌ که گویهای فلزی تحت تاثیر نور فرابنفش الکترون گسیل می‌کردند، هوای بین گویها از نظر الکتریکی باردار می‌شد. متناسب با شدت پرتوها ، یا حساسیت مواد بکار رفته ، گسیل الکترون توسط نور مرئی نیز میسر است.

ثابت پلانک

ثابت پلانک در توجیه تابش جسم سیاه نقش اساسی بازی می‌کند. به عنوان مثال ، یکی از نتایج اثر فوتوالکتریک این بود که انرژی فوتون با فرکانس حرکت فوتون متناسب است و ثابت پلانک این تناسب را به تساوی تبدیل می‌کند. ثابت پلانک که با نماد h نمایش داده می‌شود، یکی از ضروریات علوم جدید به شمار می‌آید. اگر این ثابت به نحو موفقیت‌آمیزی قابل ایراد می‌بود (و از آنجا که هیچ چیزی از نظر علمی ‌مقدس نیست، کوششهای زیادی برای ایراد گرفتن از آن به عمل آمده است)، اکثر نظریه‌های فعلی عالم در هم می‌ریخت و نظریه کوانتومی مخدوش می‌شد.

منبع: رشد