جسم سیاه- نگاهی نو

در پست قبلی ” نگاهی نو به فیزیک کلاسیک (فیزیک کوانتومی بی فایده است)” موارد جالبی بیان شد که البته اثبات نیز شد.

معرفی مجدد مفهوم قدیمی

معرفی مجدد مفهوم رها شده اتر، تمام پدیده های مربوط به نور، از دیدگاه منحصرا کلاسیک کاملا قابل توضیح است. به این ترتیب، توصیف تمامی اشعه های الکترومغناطیسی را بسیار آسان می کند به ویژه طبیعت نور به عنوان یک موج، با تمام قدرت آن برای لرزاندن اترون ها. این ذرات نامرئی در جای خود باقی می مانند، آنها حرکت نمی کنند، بلکه فقط نوسان می کنند و موج را در تمام جهات انتقال می دهند.

تمام پدیده های نور، به این ترتیب، تنها به کمک فیزیک کلاسیک قابل توضیح است. به سادگی میتوان گفت که نور یک موج است که در ذرات منتشر میشود. در این مقاله، من دو مورد دیگر را در نظر می گیرم، تشعشعات جسم سیاه و دیدگاه دبرولی بر ماده بودن موج. این معکوس آنچه است که من تا کنون در نظر گرفته ام.

کوانتش و فیزیک کلاسیک

بسیاری از مردم فکر می کنند که فیزیک کوانتومی وجود دارد زیرا ماهیت گسسته اشعه، کوانتش را تعریف میکند. علاوه بر این، برخی فکر می کنند که مقادیر آنها به صورت گسسته اندازه گیری می شوند نه بصورت واحد های پیوسته. این درست است،این یکی از ایده های اصلی فیزیک کوانتومی است. به هر حال، این خیلی عجیب نیست. این چیزی نیست که فیزیک کوانتومی را به یکی از شاخه های علمی تبدیل میکند که شما نمیتوانید بدون آن کار کنید. فیزیک کلاسیک نیز می تواند مقادیر گسسته را توضیح دهد.

طبیعت دوگانه نور و ماده تنها نقطه ای است که در واقع برای فیزیک کلاسیک توصیف صفحه ای از موج الکترومغناطیس را غیر ممکن می سازد. ایده انرژی های کوانتیزه شده زمانی پیشروی میکند که یک نکته بزرگ را در نظر میگیریم: تابش جسم سیاه. حال بیایید سعی کنیم این مشکل را توضیح دهیم که فیزیک کلاسیک را برای سالها به چالش کشیده است. 

تابش جسم سیاه

وقتی جسمی را گرم می کنیم، شروع به تابش می کند. همچنین زمانی که تابش نمیکند، در میدان مادون قرمز تابش می شود. این درخشش یا تابش هنگامی می تواند توضیح داده شود که در زمان گرما دادن این را در نظر بگیریم که الکترون ها در سطح جسم از نظر حرارتی برانگیخته می شوند و نور را منتشر می کنند. توضیح دادن طیف تابش نوری که توسط جسم سیاه منتشر شده است بسیار سخت است. جسم سیاه یک قسمت از مواد است که نور را مطابق با دمای آن منتشر می کند. وقتی سرد است، تمام اشعه را جذب می کند. برای شبیه سازی جسمی مشابه، می توانیم به یک حفره توخالی مانند تصویر زیر بیاندیشیم.

تمام نور وارد سوراخ می شود و چندین بار منعکس می شود تا جسم آن را کاملا جذب کند. با استفاده از این مدل می توانیم طیف اشعه های منتشر شده جسم را مطالعه کنیم. شما می توانید نمودار را در تصویر زیر مشاهده کنید.

تلاش برای حل پازل یک نمودار مبهم

در محور Y شما انرژی دارید و در محور X طول موج. هیچ کس قادر به توصیف این طیف به شیوه ای کلاسیک نبود. اولین تلاش توسط ویلهلم وین با یک فرمول انجام شد که به خوبی برای λ بالاتر کار می کرد اما برای فرکانس های پایین تر کار نکرد. تلاش دوم قانون ریلی جینز بود که به خوبی برای فرکانس های پایین کار می کرد اما برای فرکانس های بالاتر خیر (فاجعه ماوراء بنفش).

پلانک و کوانتیزه کردن انرژی

ماکس پلانک یک راه حل پیدا کرد با این فرض که مقدار انرژی که نور با ماده می تواند مبادله کند، پیوسته نیست (همانطور که قبلا توسط فیزیک کلاسیک بیان شده) بلکه بصورت گسسته است. پلانک حقیقتا معتقد بود که انرژی نور، که از طریق سوراخ جسم سیاه منتشر می شود، تنها با چندین عدد صحیح توزیع میشود، بر اساس این رابطه:

E=nhf

n=0,1,2,3

  ثابت پلانک :h

 فرکانس تابش :f

پلانک این معادله را برای توصیف طیف جسم سیاه نوشت:

که البته معادله او یک توصیف کامل و دقیق است.

اولین نتیجه بزرگ فیزیک کوانتومی 

پلانک اظهار داشت که الکترونها بر روی سطح جسم سیاه، نمی توانند در هر سطح انرژی نوسان کنند، همانطور که فیزیک کلاسیک تصور می شود. الکترون ها می توانند تنها از مقادیر کوانتومی خاصی انرژی برخوردار شوند و این انرژی چند برابر Hf است که در آن h :

ژول*ثانیهh=6.626 x10^-34

این اولین نتیجه بزرگ فیزیک کوانتومی است. اما آیا مطمئن هستید که این وضعیت را نمی توان تحت پوشش فیزیک کلاسیک توضیح داد؟

توضیح توسط فیزیک کلاسیک

بگذارید این را در نظر بگیریم که اتر پر از سوراخ جسم سیاه با تمام ذرات نامرئی آن است. اترون ها فقط برای شروع حرکت نوسانی خود منتظرند. هنگامی که تابش نور وارد سوراخ می شود، هر اترون از E = HF انرژی بدست می آورد که کوانتوم انرژی است. واضح است که یک کوانتوم نور قرمز دارای انرژی کمتر از یک کوانتوم نور آبی است که دارای فرکانس بالاتر است.

فاجعه ی ماوراء بنفش مانع شد

به این ترتیب، جسم سیاه همه تابش را به دلیل اثر اترون ها در برابر الکترون های سطحی جذب می کند. بنابراین به دمای مورد نیاز میرسد. در این مرحله، انرژی کافی برای انتشار کوانتوم انرژی در مادون قرمز یا میدان زرد خواهد داشت از سوی دیگر قادر نخواهد بود که یک پرتو X یا پرتو گاما منتشر کند. به این ترتیب شما می توانید کاهش انرژی منتشر شده در میدان فرکانس بالا، یعنی فاجعه ی ماوراء بنفش را توضیح دهید. برای بخشی از منحنی با فرکانس پایین، توضیح در این مرحله کاملا واضح است. انرژی کم است، زیرا فرکانس کم است. انتشار نور می تواند یک بار دیگر با اثر بین الکترون های نوسانگر با نزدیکترین اترون ها توضیح داده شود. بنابراین، مشکل این است که فیزیکدانان برای توصیف نور منتشر شده توسط جسم سیاه مجبور شدند از توضیح پدیده ذره استفاده کنند.

اتر و اترونها نهادهای گسسته هستند

یکبار دیگر می توان ثابت کرد که نور، که به عنوان موج و به صورت ذرات درحال حرکت توصیف شده، به سادگی می تواند به روش کلاسیک توضیح داده شود. واقعیتی که نور بصورت گسسته در نظر گرفته می شود، یک مشکل نیست: میانگین که در آن نور عبور می کند گسسته است و هر اترون یک انرژی گسسته E = hf را حمل میکند.

ماهیت موجی ماده

با این حال، دبرولی پیشنهاد داد که نه تنها نور یک ذره در کنار موج است. او همچنین گفت که ماده ماهیت ذره ای ندارد بلکه ماهیت موجی دارد. به منظور اثبات این ادعا، محققان آزمایشی طراحی کردند و پرتو الکترونی را از دو شکاف عبور دادند و مشاهده کردند که ذره مانند یک موج عمل کرد. حاشیه مرکزی در تصویر تیره تر است زیرا نتیجه تداخل است. این مقدار شدت دو امواج است که از دو شکاف آغاز می شود.

چگونه می توان این پدیده را بر اساس اتر مجددا توضیح داد؟ پرتو الکترون از اتر عبور می کند و به شکاف ها می رسد. عبور الکترون ها انرژی را با توجه به اثری که در برابر تعدادی از اترون ها میگذارد منتقل میکند. بنابراین آنها شروع به نوسان می کنند و موج ایجاد می کنند و موج، موجب ایجاد حاشیه تداخل می شود. کل فیزیک با بازنویسی اتر ساده می شود.

بار دیگر فیزیک کلاسیک اثبات کرد که همچنان میتواند پایدار باشد. در آینده منتظر مقالات دیگری در این رابطه باشید. با تشکر از همراهی شما دوستان عزیز و گرامی 🙂

Share this post

ارسال نظر جدید