افسانه‌ی کوانتومی نور، دوگانگی موجی ذره‌ای!

افسانه‌ی کوانتومی نور،دوگانگی موجی ذره‌ای!

طبیعتا یکی از سوال‌های همیشگی که توی فیزیک وجود داشته اینکه که «چی شد بلاخره؟ نور موج بود یا ذره؟» و اصولا یک جوابی که برای این سوال وجود داره اینه که «هر جفتش!»…

ولی چرا نباید یکی از این دو تا باشه؟ چی شد که به این نتیجه رسیدیم…؟

برای اینکه بتونیم بفهمیم که این قضیه از کجا شروع شد، باید برگردیم به خیلی عقب‌تر… احتمالا حدس می‌زنید کدوم زمان… زمان دانشمند یونانی، دموکریت! احتمالا باهاش آشنایی دارین؛ کسی که تاریخچه‌ی اتم به او بر‌می‌گرده. دموکریت سعی می‌کرد تمام چیز‌هایی که توی طبیعت اتفاق می‌افتاد رو توجیه کنه، از جمله نور. طبق نظر او، نور هم مانند همه‌ی چیز‌های موجود در طبیعت از ذرات تقسیم ناپذیر تشکیل شده؛ در واقع نور شکلی از اتم خورشیدیه! به نظر بدون مشکل بود. زمان گذشت و دوران نیوتن رسید. او بر روی نظریه‌ی ذره‌ای بودن نور کار می‌کرد. همان زمان هم یک دانشمند به نام هویگنس (Huygens) روی نظریه‌ی موجی بودن نور کار می‌کرد اما نیوتن به دلیل نظریه‌ی گرانش و … مقبولیت بیشتری داشت و به عنوان یک استاد علم شناخته می‌شد. پس نظریه‌ی ذره‌ای بودن نور در این نبرد پیروز شد. سال‌ها بعد هم دانشمندی به نام توماس یانگ (Thomas Young) نظریه‌ای داد که اینبار با یک دلیل محکم، نشان داد که نور موج است. از این دوران به بعد، آزمایش‌هایی انجام شد که هر کدام یکی از خاصیت‌های نور را نشان می‌داد.

آزمایش‌هایی که برای درک ماهیت نور انجام شد:

ابتدا با چند آزمایش معروف که هر کدام یکی از خواص نور را نشان می‌دهند آشنا می‌شویم.

آزمایش دو شکافی یانگ

طرح کلی آزمایش دو شکافی یانگ
طرح کلی آزمایش دو شکافی یانگ

یک آزمایش معروف که در این زمینه انجام شد، آزمایش دو شکافی یانگ است. اول از همه با یک آزمایش دیگر شروع کنیم. فرض کنید بر روی سطح آب یک دیوار وجود داشته باشد و یک سمت این دیوار‌ها یک منبع تولید موج نقطه‌ای و مانعی بین منبع و دیوار با دو شکاف.

حالا شروع به پخش کردن موج می‌کنیم. زمانی که موج به هر کدام از شکاف‌ها می‌رسد، هر کدام از این شکاف‌ها مانند یک فرستنده‌ی موج جداگانه عمل می‌کنند. پس احتمالا در سمت دیگر دیوار، طرح‌های تداخلی مشاهده می‌کنیم. در واقع به دلیل اینکه در بعضی قسمت‌ها موج‌ها همدیگر را خنثی می‌کنند و در بعضی از قسمت‌ها تقویت.

با انجام این آزمایش ساده با نور و دو شکاف، همین طرح‌های تداخلی دیده می‌شود. پس مثل اینکه طبق این آزمایش، نور باید موج باشد.

 

اثر فتوالکتریک

یک آزمایش دیگر که برخلاف دوشکافی یانگ، خاصیت ذره‌ای نور را توضیح می‌دهد، اثر فتوالکتریک است. این پدیده برای اولین بار توسط هانریش هرتز (Heinrich Hertz) دیده شد و چند سال بعد دوباره توسط فیلیپ لنارت (Philipp Lenard) مشاهده شد. بعد‌ها آلبرت انیشتین برای آن توضیح کاملی ارائه داد (و انیشتین به خاطر این بود که نوبل گرفت، نه به خاطر نسبیت!).

آزمایش از این قرار است که با تاباندن نور به سطح یک فلز، از آن الکترون کنده می‌شود. نکته‌ی جالب اینه که انرژی الکترون خارج شده، به شدت نور ربطی ندارد ولی فرکانس نور در آن موثر است؛ طوری که با افزایش فرکانس، انرژی الکترون خروجی هم بیشتر می‌شود. مثلا اگر نوری با فرکانس بسیار کم را به یک فلز بتابانیم، الکترون‌های بسیار کم انرژی از آن کنده می‌شوند. با زیاد کردن شدت نور و ثابت نگه داشتن فرکانس، انرژی الکترون‌ها ثابت می‌ماند، فقط تعداد بیشتری از آن‌ها کنده می‌شود.

در این آزمایش اتفاقاتی می‌افتاد که با دید موجی قابل توجیه نبود. برای مثال، با آزمایش می‌بینیم که اگر انرژی (فرکانس) پرتو‌های تابیده شده کم باشد، الکترونی کنده نمی‌شود. می‌دانیم که این انرژی به قدری کم است که برای کندن الکترون از هسته کافی نیست. طبق نظریه کلاسیک، پرتوی نور با برخورد به صفحه، انرژی به آن منتقل می‌کند. این انرژی می‌تواند کم‌کم جمع شود و هر وقت به اندازه‌ی کافی رسید، الکترون را بکند… اما با آزمایش می‌بینیم که هر چه قدر هم صبر کنیم، الکترونی کنده نمی‌شود؛ چرا؟!

بعد‌ها انیشتین نظریه خود را در این مورد ارائه داد. او نور را به صورت بسته‌هایی کوانتیده با انرژی مشخص در نظر گرفت و این بسته‌های انرژی را فوتون نامید. (که انرژی هر بسته به صورت $E=hf$ است که f فرکانس و h ثابت پلانک است)

تابش جسم سیاه

جسم سیاه چیست؟ اول از همه باید آن را تعریف کنیم… جسمی که از خودش هیچ نوری نداشته باشد و همه‌ی نور‌ها را جذب کند، یعنی در حالت عادی و دما‌های پایین تابش نداشته باشد. اگر دمای این جسم را کم‌کم زیاد کنیم، مستقل از شکل و جنس جسم، تابش الکترومغناطیس اتفاق می‌افتد که فرکانس این موج، به دما بستگی دارد. هر چه دما را بالاتر ببریم، نوری که منتشر می‌شود فرکانس بالا‌تری دارد. در واقع همیشه همه‌ی فرکانس‌ها را تابش می‌کند، ولی بیشترین شدت مربوط به یک فرکانس است که نمودار شدت نور بر‌حسب فرکانس را در این شکل می‌توانید ببینید:

نمودار مربوط به تابش جسم سیاه

همان طور که می‌بینید، با زیاد‌تر کردن دما، فرکانس و شدت نور بیشتر می‌شود. قله‌ی هر دما، مربوط به این است که کدام طول موج بیشترین شدت را دارد. با محاسبه‌ی ریاضی به نظر می‌رسید که مقدار انرژی‌ای که برای تابش فرابنفش نیاز است، به سمت بینهایت می‌رود و این از لحاظ فیزیکی و آزمایش‌هایی که انجام شد غلط بود. به این فاجعه‌ی فرابنفش نام گرفت. پس سوال این است که مشکل کار کجاست؟

تلاش‌هایی که برای حل این فاجعه انجام می‌شد، بی‌نتیجه می‌ماند. کمی بعد ماکس پلانک(Max Planck) دیدگاه را عوض کرد. او با محاسبات ریاضی خود نشان داد که هرگاه نور را به صورت موج در نظر بگیریم و فرض کنیم که جسم سیاه به طور پیوسته و موجی نور تابش می‌کند، فاجعه فرابنفش اتفاق می‌افتد. سپس با محاسبات خود نشان داد نور باید به صورت ذراتی با انرژی مشخص گسیل شود. یعنی انرژی در هر فرکانسی بسته‌بسته باشد و فقط ضرایب صحیحی از بسته‌های انرژی مجاز باشد. این چیزی بود که با آزمایش‌ها هم موافق بود.

 

با آزمایش‌های مختلف مشخص شد که نور نه همیشه به شکل موج است و نه به شکل ذره، بلکه در بعضی جاها از خود خاصیت موجی نشان می‌دهد و بعضی جاها هم خاصیت ذره‌ای دارد. این قضیه همین‌طور پیشرفت کرد و منجر به انقلابی در علم شد و مکانیک کوانتومی پدید آمد.

 

منابع:

محمد کاظمی

نویسنده: محمد کاظمی

۱۶ ساله، دانش‌آموز دبیرستان علامه حلی. علاقه‌مندی‌هایی که دارم هم فیزیک، الکترونیک، برنامه‌نویسی، ریاضی و ... (و البته خیلی چیز‌های دیگه که جا نمیشه!)

3 دیدگاه برای مطلب “افسانه‌ی کوانتومی نور، دوگانگی موجی ذره‌ای!” موجود است.

ارسال دیدگاه

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *