بحثى پيرامون ماده از نظر فيزيك جديد و نتايج آن

بحثى پيرامون ماده از نظر فيزيك جديد و نتايج آن

محمد محمدرضايى

 

مقدمه

انسان ها از زمانى كه پا به عرصه وجود گذاشتند، در اين انديشه بودند كه عالمى كه در آن زندگى مى كنند، از چه ساخته شده است و چه ماده ثابت و لايتغيرى در بُن تغييرها و تحولات وجود دارد. هر كسى به اندازه توان خود، در اين باره نظرى مى دهد. ولى از ديرباز در بين نظريات ارائه شده درباره ماده جهان، دو نظريه شاخص بوده و هر كدام از آن ها در ميان متفكران پيروانى داشته است:

1ـ نظريه افلاطون و ارسطو;

2ـ نظريه ذرّه گرايان.

 

1ـ نظريه افلاطون و ارسطو

پيرامون اين نظريه، جسم را چيز متصل واحدى مى دانستند. «افلاطون در محاوره تيمائوس، ماده را چيزى نامتعيّن توصيف كرده كه قابل و پذيراى همه چيز و دايه عموم است و هر چيزى از آن ساخته مى شود. يكى از افلاطون شناسان فرانسوى به نام روبن گفته است كه تصور افلاطون شايد دور از تصور دكارت در مورد ماده نباشد.»1 علاّمه طباطبائى در كتاب نهاية الحكمه مى فرمايند. «اين قول به افلاطون نسبت داده شده كه جسم، جوهر بسيط است و آن عبارت است از اتصال و امتداد جوهرى كه قسمت خارجى و وهمى و عقلى را قبول مى كند.»2

«اما ارسطو معتقد است، ماديّت درجات دارد و مواد، كم و بيش داراى صورتند; مثلا، اين ميز از چوب ساخته شده است. ليكن چوب بيش از اين كه به صورت ميز درآيد، خود صورتى داشته و مركّب از ماده و صورت بوده است. پس هرگز ماده اى عارى از صورت نخواهيم داشت و هم چون چيزى به هيچ وجه، مشهور نيست; زيرا با قبول صورت است كه هر چيزى تعيّن مى يابد.»3

ولى علاّمه طباطبائى مى فرمايند: «نظريه ارسطو درباره جسم اين است كه آن، مركّب از هيولى و صورت جسميه است. هيولى ماده اى است كه پذيرنده هر نوع فعليتى است و صورت جسميه، همان اتصال جوهرى است ـ بنابر آنچه نزد حس محسوس است و آن بودن شيئى است به حيثيتى كه ممكن است در آن فرض شود امتدادهاى سه گانه متقاطع بر زواياى قائمه است ـ در حالى كه تقسيم به اجزاى غير متناهى را مى پذيرد.»4 اما سر ديويد راس، كه يكى از شارحان بزرگ معاصر ارسطوست، در كاب ارسطو مطرح مى كند: «بعيد است كه ارسطو، اعتقاد به هيولى اولى (يا قوّه صرف) داشته باشد، هرچند كه پيروان او اين مسأله را يكى از مهم ترين لوازم نظام فلسفى او لحاظ مى كنند.»5

 

2ـ نظريه ذرّه گرايان

«بنيان گذاران اين نظريه، لوكيپوس و دموكريتس هستند. آن ها معتقدند كه هر چيزى، مخصوصاً ماده، از اتم ها (ذرّات تقسيم ناپذير) تشكيل شده اند. اين ها به ادراك حسى در نمى آيند; زيرا بسيار خردند و حواس نمى توانند آن ها را درك كنند. اتم ها در اندازه و شكل مختلفند، ليكن كيفيتى ندارند، مگر سختى و صلابت يا نفوذناپذيرى; عدداً نامحدودند و در خلاء حركت مى كنند و آن ها معتقدند كه حركت، ازلى است و ادامه حركت نيازمند هيچ تبيينى نيست. از برخورد اتم ها با يكديگر عناصر به وجود آمده اند.»6 هم چنين «ارسطو، اتميان را به سبب تبيين نكردن مبدأ حركت، مورد سرزنش قرار مى دهد.»7

 

نظريه ذرّه اى اپيكور

«نظريه اساسى اپيكور در فيزيك همان نظريه اتمى است كه لوكيپوس و دموكريتوس واضع آن بوده اند و اپيكوروس در جزئيات آن تغييراتى داده است. هر چيز، اعم از مادى و روحانى، از ذرّات (اتم ها) ساخته شده است. ذرّات، كه اشكال مختلف دارند، همه جا پراكنده اند. به حكم ضرورت، ذرّات به يكديگر اتصال ندارند، بلكه در خلاء موجودند. براى آن ها امكان نقل مكان از جايى به جاى ديگر و تصادف و برخورد با يكديگر هست; چون كسى كه مى ميرد، همان گونه كه ذرّات تنش آزاد و پخش مى شود، ذرّات روح وى نيز چنين خواهد شد. خدايان نيز از اتم ها ساخته شده اند و در نوعى از فردوس ميانه به سر مى برند و آن فضايى خالى است كه در ميان جهان وجود دارد. عقل از فراهم شدن و تمركز ذرّات بسيار خرد پيدا مى شود، در صورتى كه روح حيات از ذرّات ظريف و لطيفى است كه در تمام بدن پراكنده اند. وجودهاى روحى (هم چون خدايان و نفوس و عقول) تنها فرقى كه با وجودهاى مادى دارند در خردى و ظرافت و لطافت اتم هاى آن هاست. به اين ترتيب، همه چيز مادى است و اگر بگوييم كه مذهب ذرّه اى اپيكورى خود ماديگرى است، سخن نادرستى نگفته ايم. اپيكور اين اصالت ماده و حتميت را از دو راه توصيف كرده است. وى چنين مى پنداشت كه نفس و روح آدمى، محتوى عنصر بى نامى است. در نظر اپيكور، آتش، باد و هوا عناصرى هستند كه بر ذرّات، اضافه مى شوند و همه جا وجود دارند، ولى روح و عقل، مستلزم عنصر چهارمى است، ظريف تر از سه عنصر ديگر و اين همان روح الارواح است. فرض ديگر اپيكور، انحراف ذرّات است، به اين معنا كه براى اتم ها در ضمن حركت اتمى، مقدارى هوسناكى و حركت خودبه خودى قايل است.»8

 

نظريه ذرّه گرايان جديد

در عصر جديد، نظريه هاى ذرّه گرايى مجدداً زنده شده است، اما تفاوت هايى با هم دارند. نظريه هاى ذرّه گرايانه فيلسوفان بر اساس تفكر محض بوده و اساس تجربى نداشته، ولى ذرّه گرايى جديد بر مبناى روش علمى استوار است و اولين كسى كه نظريه ذرّه اى را در عصر جديد مطرح كرد جان دالتون بود كه او را پدر نگرش ذرّه اى در عصر جديد مى دانند و با ارائه اين نظر، نقطه تحولى در علم شيمى ايجاد كرد.9 او از نظريات دانشمندان ديگر نيز در اين مورد استفاده كرد كه عبارتند از:

 

قانون لاوازيه

لاوازيه در سال 1774 مشاهده كرد كه اگر قلع را با اكسيژن در ظرف سربسته اى تركيب كند، وزن اكسيد قلع حاصل، مساوى وزن اكسيژن و قلعى است كه در ابتدا به كار گرفته شده است. پس در فعل و انفعالات شيميايى، چيزى از بين نمى رود و يا چيزى به وجود نمى آيد و يا ذرّات در واكنش هاى شيميايى از بين نرفته و باقى مى مانند. در نتيجه، در يك واكنش شيميايى، جرم موادى كه با يكديگر واكنش نشان مى دهند با جرم مواد تشكيل شده، برابر است. اين قانون مهم را «قانون بقاى جرم» ناميد.10

دانشمندان ديگرى نيز به نام پروست11 گفت: اگر 71 گرم كلر و 2 گرم ئيدروژن را با هم تركيب كنيم، 73 گرم اسيدكلريدريك توليد مى شود.

هم چنين دانشمندان ديگرى به نام كيلوساك چنين نتيجه گرفت كه هرگاه گازها در درجه حرارت و فشار يكسان بر هم اثر كنند، بين حجم گازهاى اثركننده و توليد شونده يك رابطه عددى ساده اى موجود است:

 

2. حجم بخار آب 2 حجم ئيدروژن + 1 حجم اكسيژن

دالتون در سال 1808 از نظريه هاى كيلوساك و لاوازيه و نظريه دموكريتس استفاده كرد و نظريه خود را درباره ساختمان ذرّه اى اجسام چنين بيان نمود:

1ـ عناصر از ذرّات بسيار كوچكى به نام «اتم» ساخته شده اند.

2ـ ذرّات هر عنصر داراى خواص يكسانند و با ذرّات ديگر تفاوت دارند.

3ـ تركيبات شيميايى از اجتماع ذرّات گوناگون و به تعداد معيّن به وجود مى آيد كه قانون پروست و لاوازيه را تأييد مى كند.

4ـ ذرّات غير قابل تجزيه هستند و از بين نمى روند.

5ـ ذراتِ عناصر گوناگون، وزن هاى متفاوتى دارند.

از آن جا كه نظريه دالتون مى توانست پاسخ گوى بسيارى از مسائل علمى آن زمان باشد، مورد قبول واقع شد. براى مثال، اين نظريه مى توانست برخى پديده هاى فيزيكى و شيميايى مانند ذوب شدن و تبخير مواد يا تركيب فلز و غير فلز را به نسبت وزنى ثابت تفسير كند.

با مرور زمان، كه دانستنى هاى دانشمندان درباره خواص مواد و رفتار آن ها افزايش مى يافت، نظريه دالتون نمى توانست براى سؤالات جديد سودمند باشد. اين نظريه نمى توانست پديده الكتروليز را توجيه كند. ]اگر يُديد پتاسيم (kl) مذاب را تجزيه الكتريكى كنيم، يد در اطراف قطب مثبت و پتاسيم در اطراف قطب منفى آزاد مى شود.[ ولى با اين وجود، نظريه دالتون رد نشد.

ساختمان ذرّه:12 با توجه به نظريه ذرّه اى دالتون، شيميدان ها تصور كردند كه ذرّه غايت تقسيم ماده است. به همين دليل نيز كلمه «اتم» (= تجزيه ناپذير) براى آن انتخاب شد، ولى تجربيات انجام شده با لوله تخليه الكتريكى در اواخر قرن 19 نشان داد كه ذرّات (اتم ها) را مى توان به ذرّات كوچك تر، كه داراى بار الكتريكى مثبت و منفى اند، تقسيم نمود.

اصطلاح «الكترون» را اولين بار استونى در سال 1874 (از اصل يونانى به معناى كهربا) به ماده اى اطلاق كرد كه كاتدرا تشكيل مى دهد.

تعيين بار و جرم ذرّات مثبت و منفى:13 تجربيات گلدستين در سال 1896 نشان داد كه در لوله تخليه الكتريكى، ذرّات مثبت نيز تشكيل مى شود. جى.جى. تامسون و رابرت ميليكان شروع به تعيين بار و جرم الكترون كردند. اولين آزمايش براى اندازه گيرى me در سال 1897 توسط تامسون انجام شده تا اين كه بالاخره ميليكان طى سه سال با تجربه هاى متعدد، مقدار بار الكترون را در سال 1909 اعلام داشت: 19-10×6/1 كولن، سپس با در دست داشتن بار الكتريكى، جرم آن را محاسبه كرد و مقدار آن 28-10×1/9 گرم شد.

جرم و بار ذرّات مثبت نيز به طور مشابهى محاسبه مى شود و اين كار را ويلهلم وين انجام داد و بار پروتون را 28-10×6/1 كولن و جرم آن را در حدود 24-10×67/1 گرم محاسبه كرد كه تقريباً 1840 برابر جرم الكترون است.

در سال 1932 چادريك، دانشمند انگليسى، وجود ذرّات بدون بارى را در هسته كشف كرد و نام «نوترون» (خنثى) را بر آن گذاشت. چادريك براى محاسبه جرم نوترون، جرم ها و انرژى هاى كليه ذرّات مصرف شده و توليد شده در فعل و انفعال آزمايش خود را در نظر گرفت و جرم آن را در حدود 24-10×67/1 گرم محاسبه كرد.

طرحى براى ساختمان ذرّه:14 حال كه دانستيم ذرّه غايت تقسيم ماده نيست و از ذرّات باردار مثبت و منفى تشكيل شده است، اين سؤال مطرح مى شود كه اين ذرّات چگونه در كنار هم، درون يك ذرّه جاى گرفته اند. تامسون در سال 1898 فرضيه اى پيشنهاد نمود كه بر اساس آن، ذرّه به صورت يك كره با بار الكتريكى مثبت و الكترون ها با بار منفى، همانند تخمه درون هندوانه پراكنده اند و جرم ذرّه مربوط به قسمتى است كه بار مثبت دارد و اين موضوع را از سنگين تر بودن جرم ذرّات مثبت نسبت به جرم ذرّات منفى مى توان يافت.

نمونه ذرّه اى رادرفورد:15 رادرفورد راسل (1911) براى آن كه فرضيه تامسون را بيازمايد، تجربه اى انجام داد. آزمايش او عبارت بود از بمباران يك ورقه نازك فلزى به وسيله ذرّات آلفا )++(He. او در پشت يك حفاظ سربى (يك صفحه سربى) يك منبع راديواكتيو مولّد اشعه ش قرار داد و به يك ورقه نازك نقره يا مس تاباند. تقريباً 9/99./. ذرّات از اين ورقه رد شدند، ولى برخى از ذرّات از مسير مستقيم خود منحرف شده و برخى از آن ها پس از انعكاس، به طرف منبع ذره شبازگشتند.

رادرفورد براى توجيه اين مشاهدات چنين فرض كرد كه قسمت اعظم درون ذرّه را فضاى خالى تشكيل مى دهد، به طورى كه بيش تر ذرّات آلفا بدون منحرف شدن، از درون ورقه مى گذرد. (رادرفورد با پيشنهاد كردن وجود يك هسته كوچك در مركز، توجيه كرد كه قسمت اعظم جرم و تمام بار مثبت ذرّه در اين هسته متمركز است. الكترون ها، كه بيش تر حجم ذرّه را اشغال مى كنند، در خارج اين هسته قرار دارند و داراى حركتى بسيار سريع به دور آن مى باشند. براى پى بردن به رابطه بين هسته و خود ذرّه، مى توان گفت كه اگر ذرّه a داراى قطرى برابر با 5/1 كيلومتر باشد، قطر هسته آن برابر با 5/1 سانتى متر است.)

با محاسبه نسبت ناچيز ذرّات آلفايى ـ كه به عقب رانده مى شوند ـ به كل ذرّات تابيده شده و با استفاده از داده هاى ديگر، رادرفورد و شاگردان او به اين نتيجه رسيدند كه قطر ذرّات در حدود 8-10 سانتى متر و قطر هسته آن ها حدوداً 12-10 سانتى متر مى باشد. به عبارت ديگر، قطر ذرّه در حدود 000/10 (ده هزار) مرتبه بزرگ تر از قطر هسته است. الكترون ها به دليل سرعت حركت فوق العاده اى كه دارند، تمام فضاى خالى اطراف هسته را اشغال مى كنند. براى تجسّم اين مطلب، مى توان وضع الكترون ها را به وضعى كه ملخ هواپيما در موقع چرخيدن دارد، تشبيه كرد. بيش تر فضايى را كه ملخ هنگام چرخيدن در بر مى گيرد فضاى خالى است; چون به هر حال، ملخ هواپيما در هر لحظه، جزئى از فضا را اشغال مى كند، ولى با گردش سريع خود، عملا تمامى اين فضا را پر مى كند. اين نمونه را به دليل شباهت به منظومه شمسى، نمونه منظومه شمسى ناميدند. اما اين نمونه نتوانست كليه خواص ذرّه را توجيه كند. بنابراين، بور با استفاده از چهار فرضيه، سعى كرد كه نمونه قابل قبولى ارائه دهد.

اِشكال نظريه رادرفورد: اگر ساختمان ذرّه را بدين صورت در نظر بگيريم كه هسته مثبت به وسيله الكترون هاى منفى احاطه شده است، با توجه به بارهاى مخالف الكترون ها و هسته، اگر الكترون ها متحرك نباشند، بايد جذب هسته شوند. از اين رو، الكترون ها بايد داراى نوعى حركت باشند تا مانع جذب آن ها به طرف هسته گردد. با اين همه، اگر الكترون ها در حال حركت باشند، با توجه به قواعد فيزيك كلاسيك، مانند ساير ذرّات باردار، كه تحت تأثير نيروى جاذبه حركت مى كنند، انرژى از دست مى دهند. (طبق نظريه الكترومگنتيك هر ذرّه باردار كه تحت تأثير يك نيروى جاذبه حركت مى كند، بايد دائماً انرژى از دست بدهد. بنابراين، الكترون به جاى حركت در مسير دايره اى، به علت كم شدن سرعت و كم شدن نيروى گريز از مركز، روى يك مدار مارپيچى حركت مى كند و بالاخره، روى هسته خواهد افتاد.) از دست دادن انرژى از سرعت حركت الكترون مى كاهد و مقاومت آن ها را در مقابل جاذبه هسته كاهش مى دهد. در نتيجه، بايد به تدريج، الكترون با حركت مارپيچ به هسته نزديك شده، جذب آن شود. سرانجام، ساختمان ذرّه درهم فشرده مى گردد، ولى از آن جا كه ساختمان ذرّه برقرار است، درهم فشرده نمى شود. پس طرز استدلال ياد شده منطقى نيست.

 

نظريه ذرّه اى بور16

اين نظريه مبتنى بر نمونه هسته اى رادرفورد و نظريه كوانتم پلانك است; يعنى، همان گونه كه پلانك پرتو را ارزيابى كمّى كرده بود، بور نيز به ارزيابى كمّى ذرّه پرداخت.

در سال 1900 ماكس پلانك نظريه كوانتم نور را پيشنهاد كرد و سال بعد انشتين نظريه پلانك را در مورد طبيعت نور تأييد كرد و آن را توسعه داد. نكته انقلابى در اين نظريه اين بود: نور به صورت مقادير كوچك پيمانه اى (فوتون) ساطع مى شود، حال آن كه قبلا خواص نور بر پايه امواج انرژى بيان مى شد. (البته بعضى از خواص نظير انكسار هنوز هم بر همان پايه، بهتر قابل توصيف است.) شيمى دانان و فيزيك دانان نور را گاهى به صورت امواج و گاهى به صورت جريانى از فوتون ها در نظر مى گيرند; يعنى، هم به عنوان موج و هم به عنوان ذرّه، ولى اين دوگانگى به نحو معكوس در مورد الكترون پديد آمد ـ يعنى، اول خواص ذرّه اى بعد خواص موجى.

بور، فيزيك دان دانماركى، در سال 1913 ميلادى، نظريه اى پيشنهاد نمود كه نه تنها وجود طيف خطى را توجيه مى كرد، بلكه علت درهم فشرده نشدن ذرّات را نيز بيان مى نمود. بور نمونه منظومه شمسى را با به كار بردن چهار فرضيه ذيل اصلاح كرد:

1ـ الكترون هيدروژن مجاز است كه فقط بر سطوح ساكن و معيّنى در اطراف هسته هيدروژن حركت كند و هر يك از اين سطوح داراى انرژى مشخص و معيّنى است.

2ـ وقتى الكترون در روى هر يك از سطوح قرار مى گيرد هيدروژن هيچ گونه انرژى اى از خود منتشر نمى كند، ولى وقتى الكترون تغيير سطح انرژى مى دهد ـ يعنى، زمانى كه از سطح انرژى بالاتر به سطح انرژى پايين تر مى آيد ـ اختلاف انرژى دو سطح را به صورت يك كوانتاى نور با انرژى hy آزاد مى كند. (اين انتقال تدريجى نبوده، بلكه جهشى است.)

3ـ الكترون در هر يك از اين سطوح، در يك مدار دايره اى شكل به شعاع r به دور هسته مى چرخد.

4ـ سطوح مجاز الكترونى مذكور سطوحى هستند كه در آن ها ممتنم زاويه اى الكترون مضرب صحيحى از 2h باشد.

...و3و2و1=

بنابراين، اگر الكترون در موقعيتى قرار گيرد كه سطح انرژى پايين ترى وجود نداشته باشد، ديگر انرژى از دست نخواهد داد و به همين دليل، ذرّات در هم فشرده نمى شوند و تعداد الكترون هر سطح انرژى بيش تر از 2n2 نيست. بدين ترتيب، پايين ترين سطح انرژى 1=n حداكثر داراى 2=21×2 الكترون و دومى 8=22×2 الكترون دارد.

مطابق مدل ذرّه اى بوهر مى توان ساختمان ذرّه سديم را مانند شكل بالا نشان داد. اين شكل وجود 11 پروتون و 12 نوترون را در هسته مى رساند. 11 الكترون سديم نيز در مدارهاى سه گانه n=1،n=2 و n=3قرار گرفته كه دور هسته در حال گردش هستند.

 

نمونه ذرّه اى آرنولد سومرفلد

سومرفلد در فاصله سال هاى 1915 تا 1918 ميلادى نظريه ذرّه اى بور را تكميل كرد و در مورد توزيع الكترون در اطراف هسته اظهار داشت: علاوه بر مدار دايره اى، مدارهاى بيضوى نيز در تعيين موقعيت الكترون نسبت به هسته دخالت مى كنند. او مطرح كرد كه مدار از يك سلسله مدارهاى فرعى، كه تفاوت انرژى كمّى با هم دارند، تشكيل شده و هر يك از سطوح انرژى بور متشكل از سطوح انرژى كوچك ترى است. هر مدار اصلى شامل مدارهاى فرعى به تعداد ارزش عددى آن است. به اين ترتيب، فقط يك 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 تصويرى دقيق از ذرّه با مشكل مواجه شدند: در بعضى از آزمايش ها، الكترون مثل يك ذرّه عمل مى كرد و در بعضى ديگر مثل موج. از اين رو، اين سؤال پيش آمد كه الكترون موج است يا ذرّه. عده اى گفتند: الكترون موج است و ما تجلّى ذرّه اى مى بينيم. بعضى ديگر گفتند: ذرّه است و ما آثار موجى مى بينيم. بعضى هم مثل لويى دوبروى گفتند: همان گونه كه نور، هم خصلت موجى دارد و هم ذرّه اى، براى الكترون نيز مى توان يك خصلت دوگانه در نظر گرفت.

 

اصل عدم قطعيت هايذنبرگ17

اين اصل مى گويد: تعيين دقيق هم زمانِ مكان و سرعت الكترون (دو كميّت فيزيكى) امكان پذير نيست. در فيزيك مدرسى، اگر سرعت و مكان چيزى را بدانيم، مى توان وقوع آن را پيش بينى كنيم. اما اگر سرعت و مكان آن را ندانيم، نمى توانيم وقوعش را پيش بينى كنيم. پس نقض قانون علّيت است. (البته چنين عقيده اى قابل مناقشه است.) زيرا براى تعيين مكان جسمى به كوچكى الكترون، با هر درجه از دقت كه مورد نظر باشد، بايد نورى با طول موج كوتاه به آن تابانيده شود. چنين تابشى بسيار پرانرژى است (زيرا هرقدر طول موج كوتاه تر باشد، تابش آن پرانرژى تر است.) بنابراين، برخورد آن با الكترون، سبب تغيير جهت حركت آن مى شود. در نتيجه، هر نوع توجيه هندسى از موقعيت فضايى الكترون نسبت به هسته نظير مدارهاى الكترونى بور غير مقدور است. به عبارت ديگر، طبق اصول مكانيك موجى، اعداد كوانتايى مفهوم مكانيكى خود را از دست مى دهند و فقط براى بيان ترازهاى انرژى ذرّه اى مى توان از آن استفاده نمود.

امروز در مكانيك موجى، به جاى مدارهاى دايره اى و بيضوى بور و سومرفلد، فقط احتمال وجود الكترون را در نقطه معيّنى از فضا در نظر مى گيرند و تنها وسيله اطلاع از موقعيت الكترون در ذرّه شناسايى ميزان احتمال وجود الكترون در يك نقطه بخصوص فضا مى باشد.

شرودينگر ميزان احتمال وجود الكترون در نقاط گوناگون فضاى ذرّه اى را به صورت معادله رياضى عرضه كرد. سرانجام، به دنبال اين مطالعات، ساختمان ذرّه به طور كلى، هرگونه تعبير هندسى دقيق و شناخته شده را از دست داد و مسير الكترون به وسيله ابر الكترونى يا اوربيتال مشخص گرديد; مثلا، در مورد ذرّه ئيدروژن، ميزان احتمال وجود الكترون در حجم معيّنى از فضا ـ كه تابع فاصله آن تا هسته مى باشد ـ به صورت منحنى ذيل نمايش داده مى شود:

با مطالعه اين منحنى، مشاهده مى شود كه حداكثر احتمال وجود الكترون در فاصله مساوى 8-10×53% سانتى متر هسته است كه همان شعاع ذرّه ئيدروژن در نظريه بور مى باشد.18

گرچه مدل بور معرّف كامل ساختمان حقيقى ذرّات نيست، با اين وجود، هميشه ساختمان ذرّه اى بور سهل ترين وسيله عملى بيان برخى از خواص ساختمان ذرّه بوده است. پس اين احتمال وجود دارد كه الكترون در اطراف هسته نباشد، ولى احتمال الكترون در محدوده اى از اطراف هسته بيش تر است.

 

طبقه بندى عناصر

اولين طبقه بندى علمى براى عناصر به وسيله لاوازيه انجام گرفت. او در سال 1789 درصدد برآمد كه اغلب عناصر زمان خود را بر اساس شباهت ها و تفاوت هاى خواص به دو دسته تقسيم كند. مبناى اين طبقه بندى داشتن خواص فلزى و يا غير فلزى بود. اين نوع تكرار خواص را ـ كه در هر يك از دوره ها ديده مى شود ـ «تناوب خواص» مى نامند. به همين دليل، مى توان جدولى را كه شامل چنين طرحى است «جدول تناوبى» نام نهاد.

 

جدول پيشنهادى مندليف

دانشمندان تلاش هاى فراوانى كردند تا طرحى براى روابط ميان عناصر و آرايش دادن آن ها كنار يكديگر بيابند. يكى از بهترين طرح ها در سال 1869 به وسيله مندليف، دانشمند روسى، ارائه شد كه در زمان خود، كم ترين نقص را داشت. مبناى كار مندليف اين بود كه 60 عنصر شناخته شده آن روز را بر حسب افزايش جرم ذرّه اى19 كنار يكديگر قرار داد. او همواره به اين نكته توجه مى كرد كه عناصر مشابه در يك خانواده قرار گيرند و عناصر ناجورى در لابه لاى آن ها نباشند. براى رعايت اين نكات، او ناگزير شد كه برخى خانه هاى خالى را در نظر بگيرد و چنين فرض كند كه اين خانه هاى عناصر ناشناخته اى هستند كه دير يا زود كشف خواهد شد. در اين راه، او با جرأت زياد و بر اساس خواص عناصر مجاور، توانست اطلاعات زيادى درباره عناصر مجهول پيش گويى كند. چند سالى نگذشت كه دانشمندان به تعدادى از عناصر مجهول دست يافتند و بدين سان، پيشگويى هاى مندليف مورد تأييد قرار گرفت و بر اعتبار جدول افزوده شد.

 

جدول تناوبى جديد

تجربه و تحقيق علمى نشان داد كه جرم ذرّه اى، مقياس مناسبى براى مقايسه خواص فيزيكى و شيميايى عناصر و طبقه بندى آن ها نيست و به جاى آن، بايد از خصوصيت ديگرى كه «عدد اتمى»20 نام دارد، استفاده كرد. «عدد اتمى» نماينده بار الكتريكى هسته ذرّه است كه براى هر عنصر، مقدار ثابت و معيّنى مى باشد. هرگاه عناصر را برحسب افزايش عدد ذرّه اى كنار يكديگر قرار دهيم، خواص آن ها به صورت تناوبى تكرار مى شود. با اين معيار، نقص هاى جدول مندليف برطرف مى گردد.

 

مولكول21

«مولكول»، كوچك ترين ذرّه يك ماده است كه ممكن است به حالت مستقل وجود داشته باشد. خواص هر ماده به مولكول هاى آن بستگى دارد. يك مولكول، مجموعه اى از ذرّات با صفات معيّن و مشخصى است و اين تعريف، تعداد ذرّات يك مولكول را محدود نمى كند; مثلا، در بيش تر پليمرها (ماكرو مولكول ها) تعداد ذرّات يك مولكول بيش از ده هزار است، ولى چون اين مجموعه بيش از ده هزار ذرّه اى عملا به عنوان يك واحد عمل مى كند، آن را «مولكول» مى ناميم.

ذرّات به اشكال متفاوت مى توانند با هم تركيب شوند و عامل اصلى پيوند شيميايى الكترون ها هستند. اين پيوند در نتيجه ارتباط الكترون هاى فرد كه در لايه سطحى ذرّات قرار دارند، ايجاد مى شود.

 

پيوندهاى شيميايى22

ذرّات به روش هاى گوناگونى به هم متصل مى شوند كه عبارتند از:

1ـ پيوند يونى: وقتى عنصرى با خاصيت الكترون خواهى زياد، با عنصرى كه خاصيت الكترون دهى زياد دارد، تركيب شود، الكترون از يك عنصر به عنصر ديگر منتقل مى شود و به دو ذرّه باردار تبديل مى شود. قريب 75% عناصر شيميايى فلزند. عده الكترون هاى قشر خارجى ذرّه فلزات نسبتاً كم است. فلزات، داراى جلاى مخصوصى معروف به جلاى فلزى اند و برق و حرارت را هدايت مى كنند و غير فلزها داراى ذرّاتى هستند كه الكترون هاى مدار خارجى آن ها نسبتاً زياد است.

2ـ پيوند كووالانت (اشتراكى): وقتى دو غير فلز با يكديگر تركيب مى شوند، يك تركيب كووالانت حاصل مى شود; يعنى، الكترون هايى را به اشتراك مى گذارند و هر دو از آن ها استفاده مى كنند. در يك ذرّه H(هيدروژن)، الكترون به طور متقارن در اطراف هسته پخش شده، در حالى كه در مولكول هيدروژن نحوه توزيع تغيير مى كند و بيش تر بار الكترونى بين دو هسته متمركز است.

3ـ اتصال كوئوردينت كووالانت يا اتصال اهدايى(Dative Bond) : پيوند بين كلروفسفر، كووالانت است; به اين صورت كه هر كدام يك الكترون به اشتراك گذاشته اند، ولى بين فسفر و اكسيژن (كه دو تا كم دارد تا آخرين مدارش كامل شود) دو تا الكترون از طريق فسفر قرار داده مى شود.

4ـ پيوند فلزى: فلزات هادى گرما و الكتريسته اند، ولى مولكول هايى كه پيوند كووالانت دارند، هادى جريان الكتريسته نيستند و نقطه ذوب و جوش فلزات بالاست. در فلزات:

الف) انرژى يونيزاسيون فلزات نسبتاً كم است و به آسانى از هسته جدا مى شوند.

ب) تعداد الكترون ها در اوربيتال هاى سطح خارجى ذرّات فلزى كم است. در نتيجه، اغلب اوربيتال ها خالى است. با كمك اشعه X نشان داده شده كه ساختمان ليتيم جامد طورى است كه هر يك از ذرّات آن در وسط هشت ذرّه ديگر قرار مى گيرند. چون ارتباط اين الكترون ها در هر يك از ذرّات با الكترون هاى مادر (وسطى) سست است، مى تواند در اوربيتال هاى خالى مجاور به گونه اى حركت كند كه هميشه ميان دو هسته مثبت قرار گيرد و به همين صورت، در ساير ذرّات الكترون هاى آن ها نيز آزادى تحرك در اوربيتال هاى خالى را دارند. پس در فلز ليتيم، الكترون سطح خارجى هر يك از ذرّات به كليه ذرّات تشكيل دهنده فلزى تعلّق دارد و همواره خود را بين دو هسته مثبت مى بيند. مجموعه اين الكترون ها، كه به هيچ ذرّه خاصى وابسته نيستند و احتمال حضور آن ها در تمام مناطق بلور يكسان است، دريايى از الكترون را به وجود مى آورد كه يون هاى مثبت در آن شناور است.

 

نيروهاى جاذبه بين مولكولى

1ـ نيروى واندروالس: دو قطبى بودن مولكول ها از لحاظ الكتريكى معمولا باعث پيدايش نيروى جاذبه بين مولكول مى شود.

2ـ نيروى لاندن: بعضى از مولكول ها قطب هاى مثبت و منفى لحظه اى پيدا مى كنند; يعنى، تراكم ابر الكترونى در يك سوى ذرّه بيش از سوى ديگر است و قطب هاى لحظه اى اين ذرّات باعث ايجاد نوعى نيروى جاذبه واندروالسى مى شود كه نيروى «لاندن» نام دارد.

3ـ پيوند ئيدروژنى: ذرّه ئيدروژن، در پيوند ئيدروژن نوعى پل بين دو ذرّه ديگر به وجود مى آورد.

 

حركت هاى مولكولى23

حركت از صفات ذاتى ماده است، به نحوى كه طبيعت را مى توان به صورت ماده در حال حركت تلقّى كرد كه مسلّماً مولكول نيز از اين قاعده مستثنا نمى باشد و حركت هاى متفاوتى دارد كه عبارتند از:

1ـ حركت انتقالى: مولكول مى تواند در فضا، از محلى به محل ديگر منتقل شود. اين حركت را «حركت انتقالى مولكول» مى ناميم.

2ـ حركت چرخشى: مولكول هم چنين قادر است حول محورهايى كه از مركز ثقلش مى گذرد، دوران كند. اين حركت را «حركت چرخشى» يا «دَوَران مولكول» مى نامند.

حركت دورانى ملكول .HCL r1وr2 فاصله هسته اتم ها از مركز ثقل است.

3ـ حركت ارتعاشى: ذرّات متشكل شده يك مولكول مى تواند نسبت به هم دور و نزديك شده، حركات ارتعاشى مولكول را تشكيل دهند. در هر مولكول، فاصله بين ذرّات، مقدار ثابتى نيست، بلكه به طور دايم در تغيير است. حركت جزو ذرّات ماده است. مادام كه مولكولى هست، ارتعاش ذرّات آن هم هست و نمى توان از ارتعاش ذرّات يك مولكول جلوگيرى كرد. يك مولكول ساده، مثلا HCL(اسيدكلريدريك) را در نظر بگيريد. ذرّات H و CL در روى محور مولكول از هم دور شده، دوباره به هم نزديك مى شوند. بدين مى ماند كه فنرى بين اين دو ذرّه كار گذاشته شده باشند و اين فنر در برابر تغيير طولش مقاومت ورزد.

4ـ حركت الكترونى: تصوّر كنيد پروتونى در نقطه اى از فضا نشسته و دام خود را براى جذب بارهاى منفى گسترده است. سر و كلّه الكترونى از دور پيدا مى شود. الكترون نيز براى بلعيدن بارهاى مثبت، دام خود را در فضاى اطرافش گسترانيده است. هر دو متوجه دام هاى يكديگر مى شوند. تورها در هم مى روند و بدين سان، هر يك ديگرى را در تله مى اندازد. اما گير افتادن پروتون حدود دوهزار بار مشكل تر از الكترون است; زيرا جرم پروتون حدود دوهزار بار بزرگ تر از جرم الكترون است. بنابراين، الكترون ناگزير از تسليم مى گردد و در دام پروتون به سوى آن مى شتابد. الكترون ضمن اين شتاب به محيط خارج از خود انرژى مى دهد و هر چه به پروتون نزديك تر مى شود، انرژى تشعشى بيش ترى از دست داده و در نتيجه، بيش تر در دام صياد اسير مى گردد. به هر ترتيب، الكترون در دام مى افتد و به پروتون نزديك و نزديك تر مى شود. اگر چاره اى نينديشد، بالاخره بر روى پروتون سقوط خواهد كرد. آن وقت نه ذرّه اى مى ماند، نه مولكولى و نه ذى حياتى. در اين صورت، ماده نظام ساختمانى ديگرى با اختصاصات ويژه به خود مى گيرد، ولى الكترون بالاخره، راه چاره اى مى جويد و در يك تراز انرژى پايدار، در اطراف پروتون قرار مى گيرد و يك ذرّه پايدار به وجود مى آورد.

 

نظريه نسبيت انيشتين (albert aynstayn)

آلبرت انيشتين (1879 ـ 1955) با ارائه نظريه نسبيت خود، در سال 1905 تحولى در علم فيزيك ايجاد كرد. او گفت كه جرم و طول و زمان و مكان، كميّت هاى نسبى اند.

 

جرم:

مقاومت جسم در برابر تغيير حركت را «جرم» جسم مى گويند يا مقدار ماده موجود در يك جسم ـ يعنى، ذرّات موجود در آن ـ را «جرم» جسم مى گويند كه بر حسب گرم و كيلوگرم (يا پوند) اندازه گيرى مى شود.

هر قدر جرم جسم بيش تر باشد، به همان نسبت، در مقابل قواى محرّك و شتاب دهنده، بيش تر مقاومت مى كند. بين نيروى وارد بر يك ذرّه مادى و شتابى كه اين نيرو به آن ذرّه مى دهد، رابطه اى به صورت ذيل برقرار است كه از عمده ترين معادلات مكانيك مى باشد: F= m.a

معمولا جرم با وزن اشتباه گرفته مى شود. اگر وزن جسمى را در يك نقطه، بر شتاب ثقل در آن نقطه تقسيم كنيم، جرم جسم به دست مى آيد. در يك محل، نسبت اوزان در جسم برابر نسبت اجرام آن هاست. بنابراين، ترازو در عين اين كه جرم يك جسم را (در واقع) نسبت جرم آن به جرم وزنه اى كه جرمش «واحد جرم» گرفته شده است تعيين مى كنند. وزن آن را نيز اندازه مى گيرد.

در فيزيك، پيش از نظريه نسبيت، مقدار جرم يك جسم را مستقل از حالت فيزيكى محيط اطراف و حركت آن مى دانستند. قانون معروف به «قانون بقاى جرم» (يا ماده) كه «قانون لاوازيه» نيز ناميده مى شود اين است كه ماده نه موجود و نه معدوم مى شود. اگر دستگاهى دستخوش تغييراتى شود، ممكن است شكل يا توزيع مواد آن تغيير پذيرد، ولى جرم كل آن ثابت مى ماند.

طبق نظريه نسبيت، جرم جسم مربوط به سرعت حركت آن است و اگر m. جرم جسم در حال سكون و mجرم آن باشد در حالى كه سرعت V دارد، باشد اين رابطه_ 2_C2m= m. _l-V برقرار است. (C سرعت نور است.) براى سرعت هاى نسبتاً كوچك اختلاف m و m.نامحسوس است، اما در سرعت هاى زياد، (مثلا، در مورد الكترون) اين اختلاف معتنابه مى شود; مثلا، اگر جسمى با سرعت 500/257 كيلومتر در ثانيه حركت كند، جرم آن دو برابر جرمش در حال سكون خواهد بود، (البته از نظر مشاهده گر ساكن.) پس به نظر انيشتين، نسبى است. علاوه بر آن، محقق شده است كه جرم و انرژى24 طبق معادله انيشتين به يكديگر قابل تبديل اند و آن معادله چنين است:25

(سرعت × سرعت × جرم = انرژى) 2E= mc

مثال: از انفجار 2 كيلوگرم اورانيم 235 (نظير بمب اتمى منفجر شده در هيروشيما، در ششم اوت 1945) در اثر شكسته شدن هسته ذرّاتش مقدار 1410×64/1 ژول انرژى تابشى و حرارتى آزاد مى شود و جرم محصولات باقى مانده از رابطه ذيل محاسبه مى شود:

2E= mc

2-10×183/=_2(810×998/2)_1410×646/1_= _2m=_E_c

بنابراين، از جرم اوليه اورانيم، كه برابر 2 كيلوگرم بود، مقدار 00183/0 كيلوگرم از بين رفته و در نتيجه، جرم محصولات باقى مانده برابر با 99817/1 كيلوگرم است. (بنابراين، مشاهده مى كنيم كه آن مقدار عظيم انرژى آزاد شده كه شهرى را به ويرانى كشاند، محصول چقدر ماده بوده است.)26

 

زمان

«نيوتن زمان را مستقل از وقايع و مقدّم بر آن ها مى دانست و به گفته وى، زمان مطلق ـ يعنى، زمان واقعى و رياضى ـ به خودى خود و به مقتضاى ماهيتش و بدون ارتباط هر شىء خارجى، به طور يكنواخت روان است. ولى لايب نيتس معتقد بود كه زمان مستقل از وقايع وجود نتواند داشت; زيرا زمان از وقايع و ارتباط آن ها با يكديگر تشكيل مى يابد. پس در فيزيك كلاسيك، زمان و فضا را مستقل از يكديگر و امورى اساسى تر از وقايع و پديده هايى كه در فضا و زمان رخ مى دهند، مى پنداشتند. به علاوه، هم زمانى را مطلق مى شمردند; يعنى، چنين مى دانستند كه اگر دو واقعه براى يك شخص ناظر هم زمان باشند، براى هر ناظر ديگر، قطع نظر از حركت آن، هم زمان خواهند بود. بدين ترتيب، اتخاذ يك مقياس زمانى براى همه ناظرها ممكن مى شد. هم چنين زمان را از دو طرف، درگذشته و آينده، الى غير النهايه ممتد مى پنداشتند.

با ظهور نظريه نسبيت خاص در سال 1905 و نظريه نسبيت عام در سال 1916، مفهوم زمان بكلى دگرگون گرديد. طبق نظريه نسبيت، دو واقعه A و B، كه در دو نقطه مختلف روى مى دهند، ممكن است نسبت به يك شخص ناظر همزمان باشند، ولى عموماً نسبت به ناظرهاى ديگرى كه نسبت به ناظر اوليه در حركت هستند، هم زمان نخواهند بود.»27

«و يا دو ناظر مختلف كه با دو سرعت متفاوت نسبت به رويداد مورد نظر حركت كنند، در دو زمان متمايز، آن را گزارش مى كنند و زمان وقوع حادثه از ديد ناظر اول با ديد ناظر دوم فرق دارد. پس زمان مفهوم مطلق خودش را از دست مى دهد. نظريه نسبيت مطرح مى كند كه اگر يكى از دو برادر دوقلو به مسافرت سريعى در فضاى خارجى برود، وقتى كه به خانه برمى گردد، از برادرش جوان تر خواهد بود; زيرا در طى اين مسافرت، هم ساعت و هم نبض و هم امواج مغزى او و ... از ديدگاه فردى كه در روى زمين بوده به كندى كار كرده اند. بديهى است كه خود مسافر هيچ چيز غير عادى مشاهده نخواهد كرد، ليكن در بازگشتش، ناگهان متوجه مى شود كه برادر توأمانش اكنون خيلى سالمندتر شده است. اگر آن برادر با سرعتى برابر 80% نور حركت كند، طول عمرش در حدود 7/1 برابر طول عمر برادر خويش است و اگر سرعت به حدود 99% برسد طول عمرشان 7 برابر خواهد شد.

اين هم به اين معنا نيست كه طول عمر باطنى يك ذرّه متغير است. عمر يك ذرّه از ديدگاه خودش هميشه ثابت است، ولى از ديدگاه ناظر آزمايشگاهى هم چون ساعت درونى ذرّه كند كار مى كند، پس عمرش طولانى تر است.»

 

طول

در فيزيك مدرسى، طول يك ميله در حركت و سكون يكسان بود، ولى نظريه نسبيت مى گويد كه طول يك جسم بستگى به حركت آن نسبت به ناظر دارد و با سرعت آن حركت، اين طول تغيير مى كند. هرچه سرعت نسبى آن نسبت به ناظر افزايش يابد، طول ميله كوچك تر مى شود.

 

واحد اندازه گيرى طول

واحد اندازه گيرى طول «متر» است. در سال 1791 يك هيأت علمى فرانسوى متر را اختراع كرد و آن، يك ده ميليونيم فاصله بين استوا و قطب زمين بر روى نصف النهارى بود كه از شهر پاريس مى گذرد. اين مقدار را بر روى ميله اى كه از آلياژ پلاتين ـ ايريديم ساخته شده بود، نشان دادند، آن هم در صفر درجه سلسيوس. سپس متوجه شدند كه ممكن است فاصله زمين تغيير كند و در هفدهمين كنفرانس بين اللملى اوزان (1983/1362) متر را چنين تعريف كردند: «طولى است كه نور در مدت _458/712/299_1_ ثانيه در خلاء مى پيمايد.»

 

فضا

فيزيك مدرسى به فضاى سه بعدى مطلق مستقل از اجسام مادى قايل بود. ولى نظريه نسبيت مطرح مى كند كه فضا مكان نسبى اند و چنين تصور مى نمايد كه اگر دو نفر ناظر ضمن جولان در فضا، به چترى چشم دوخته باشند، ناظر A چتر را در سمت چپ و كمى مايل مى بيند، به طورى كه دسته چتر به او نزديك تر از نوك آن است و ناظر B چتر را در سمت راست خود مى بيند، به گونه اى كه دسته و آن دورتر از اوست.

اگر ما اين آزمايش را از دستگاه دوبعدى به دستگاه سه بعدى منتقل كنيم، واضح مى شود كه كليه ويژگى هاى فضايى از قبيل چپ و راست و بالا و پايين و مايل به وضوح ناظر بستگى دارد. بنابراين، نسبى هستند.28

 

ضد ماده29

بررسى نظرى پيش بينى مى كند كه براى هر ذرّه يك ضد ذرّه يا ضد ماده وجود دارد و آزمايش نيز وجود آن ها را نمودار ساخته است; مانند الكترون مثبت. (پس الكترون مثبت ضد ماده الكترون منفى است; زيرا آن ها از هر جهت، با هم مشابه اند، ولى اختلاف آن ها در بارشان مى باشد.) خاصيت اصلى اين ذرّات اين است كه در هنگام برخورد با ذرّه تكميلى خود، تباه مى شوند. تباهى موجب آزاد شدن انرژى است. بعكس آزاد شدن مقدار انرژى به وسيله يك ذرّه ممكن است منجر به ايجاد يك جفت ذرّه بنيادى شود. به عنوان مثال، تباهى يك پوزيترون و يك الكترون را در نظر مى گيريم كه دو فوتون (انرژى) پديد مى آورد.

در ماده، پوزيترون بلافاصله، با الكترون هاى موجود تركيب مى شود:

به عكس، يك فوتون با كمى انرژى، مى توان با گذشتن از نزديك يك هسته و تحت تأثير ميدان نيروى اين هسته، به يك جفت الكترون و پوزيترون تبديل شود. از انرژى ماده بوجود مى آيد.

 

ميدان30

ميدان به صورت هاى گوناگونى وجود دارد كه عبارتند از:

ميدان گرانش: هر دو جسم يكديگر را با نيرويى جذب مى كنند كه با حاصل ضرب جرم هاى آن ها نسبت مستقيم و با مجذور فاصله آن ها از هم نسبت معكوس دارد. (F نيروى جاذبه و G مقدار ثابت جهانى گرانش) _2r2m1F= G _m

با وجود اين كه دو جسم با هم در تماس نيستند و بين آن ها فاصله است، اين نيرو اعمال مى شود. براى توجيه علت اثر اين نيرو در اطراف جسم، «ميدان گرانش» در نظر مى گيرند.

ميدان الكتريكى:31 اجسام باردار بدون تماس با يكديگر، مى توانند بر هم نيروى جاذبه يا دافعه الكتريكى وارد سازند. براى توصيف اين پديده، مى گوييم: جسم باردار در فضاى اطراف خود، ميدان الكتريكى ايجاد مى كند.

جسم باردار A را در نظر مى گيريم. اين جسم بر روى يك بار الكتريكى واقع در نقطه B نيرويى مانند Fوارد مى كند. گويند كه جسم A در فضاى اطراف خود يك ميدان الكتريكى واقع در نقطه B وارد مى شود، ميدان «نقطه B» نام دارد. اگر در نقطه B بار الكتريكى برابر q باشد، مى توان نوشت: (ميدان × بار الكتريكى = نيرو) در مورد ميدان انيشتين و لئويولد اينفلد32 مى گويند:

اكنون دو واقعيت در اختيار ماست: ماده و ميدان. آيا آن ها دو واقعيت متمايزند؟ هرگاه ذرّه كوچكى از ماده را در نظر بگيريم، ممكن است سطح معيّنى براى آن تصور كنيم كه ذرّه به آن سطح ختم مى شود و ميدان از آن آغاز مى گردد، ولى ملاك فيزيكى تمييز ماده از ميدان كدام است؟ پيش از آن كه با نظريه نسبيت آشنا شويم، ممكن بود بگوييم: ماده داراى جرم است و ميدان جرمى ندارد، اما ميدان نماينده انرژى و ماده نماينده جرم است.

ولى با استفاده از نظريه نسبيت، ديگر چنين نمى گوييم. از نظريه نسبيت ياد گرفته ايم كه ماده نماينده مخزن عظيم انرژى است و انرژى به نوبه خود، نماينده ماده است. پس تفاوتى كيفى ميان ماده و انرژى نيست. درست است كه عظيم ترين بخش انرژى در ماده متمركز است، ولى ميدانى كه ذرّه را احاطه مى كند نيز نماينده انرژى است، هرچند مقدار آن بسيار كم است. پس مى توان گفت ماده در جايى قرار دارد كه تمركز انرژى زياد است و ميدان در جايى قرار دارد كه غلظت انرژى كم باشد.

اگر چنين باشد، تفاوت ميان ماده و ميدان كمّى خواهد بود، نه كيفى. «پس مى توان ماده را هم چون ناحيه اى از فضا شمرد كه در آن، ميدان فوق العاده نيرومند است.»33 پس ميدان تنها واقعيت است و «عبارت است از يك محيط اتصالى كه در هر جاى فضا حضور داشته و در عين حال، در چهره ذرّه اى خود، داراى ساختار دانه اى منفصل است.»34

 

بحث فلسفى

تا اين جا روشن شد كه ماده از چه اجزايى ساخته شده است و هم چنين ماده مى تواند به انرژى تبديل شود و يا ماده همان ميدان متراكم است. حال مى توان اين سؤالات را مطرح كرد:

1ـ ماهيت انرژى و ميدان چيست؟

2ـ چه چيزى در بن تغييرات ماده به انرژى يا ميدان به ميدان متراكم وجود دارد؟

علم فيزيك درباره ماهيت انرژى و ميدان، بحث و كاوش نمى كند و فقط به بحث از آثار و خواص آن مى پردازد، ولى با استدلال عقلى، مى توان در مورد آن بحث كرد و به طرح اين سؤالات پرداخت:

آيا انرژى و ميدان اجزا دارند يا نه؟ اگر اجزايى ندارند، پس بايد به صورت چيزى متصل باشند.

و اگر اجزا دارند آيا اجزاى آن ها داراى ابعاد و جرم هست يا نه؟

اگر بُعد و جرم دارند، پس فقط (در مقايسه با ماده) تغيير شكل داده اند; يعنى، حالتى از ماده به حالت ديگر تبديل شده است. ولى اگر بعد و جرم ندارند، چگونه مى شود اجزايى كه بعد و جرم ندارد، تبديل به ماده اى شود كه داراى جرم و بعد است و اجزاى بدون بعد و جرم هيچ گاه از اجتماع و تراكمشان بعد و جرم حاصل نمى شود.

همان گونه كه تذكر داده شد، انيشتين اثبات كرد كه انرژى نيز داراى جرم است. (او در سال 1900 اثبات كرد كه انرژى داراى جرم است; زيرا يك شعاع نورانى كه از يك ستاره دور به زمين مى رسد، وقتى از مجاورت خورشيد مى گذرد، در اثر جاذبه خورشيد منحرف مى شود.) ولى اگر جرم دار بودن آن را نيز اثبات نمى كرد، از لحاظ عقلى، امكان نداشت چيزى كه جرم ندارد، بتواند از مجموع و تراكم آن ها شىء جرم دار تشكيل شود. بنابراين، همين استدلال عقلى در مورد امتداد و ميدان نيز مطرح مى شود.

فيزيك جديد مطرح مى كند كه الكترون و پروتون و نوترون از كوراك ها تشكيل شده است. بنابراين، استدلال مزبور در مورد كوارك ها نيز صادق است; زيرا وجود ماده بدون جرم و امتداد، از نظر عقلى محال است. پس نتيجه مى گيريم كه انرژى و ميدان داراى بعد و جرم است، هرچند براى ما محسوس نباشد. بنابراين، با وجود پيشرفت هاى زيادى كه در تحليل اجزاى ماده شده، شناخت ماده اصلى هنوز هم كار آسانى نيست.

تنها چيزى كه مى توانيم بگوييم اين است كه ماده اصلى، ظهورات گوناگونى دارد: گاهى به شكل ماده و گاهى به شكل انرژى (و يا گاه به شكل ميدان و گاهى به شكل ميدان متراكم) ظاهر مى شود. هم چنين مى توانيم بگوييم كه ماده اصلى چيزى است كه هم جرم دارد و هم امتداد. به عبارت ديگر، در بن اين حالات گوناگون (انرژى و ماده يا ميدان و ميدان متراكم) حقيقتى است كه صفات جرم و امتداد ذاتى آن است. (هرچند انيشتين مطرح كرده است كه جرم و امتداد، مطلق نبوده، بلكه نسبى اند، ولى ذاتى اجسام بوده، هيچ گاه از آن منفك نمى شود.)

بنابراين با پذيرش نظريه ميدانى نمى توان جايى از فضا را پيدا كرده كه در آن ميدان نباشد. همه فضا آكنده از ميدان است، ولى در جايى اين ميدان متراكم و در جايى ديگر، غير متراكم است و نيز نمى توان گفت كه ميدان داراى بعد و جرم نيست. پس سراسر فضا را بعد و جرم تشكيل داده است.

بنابراين، بر اساس اين نظريه، باز هم نظريه ارسطو و افلاطون در باب ماده زنده مى شود و اين بار امتداد جوهرى نه تنها در مورد اجسام (ميدان متراكم) صادق است، بلكه در سراسر عالم جارى و سارى است، هرچند كه امتداد آن براى ما محسوس نيست.

 

پى نوشت ها


1ـ ژان وال، ما بعدالطبيعه، ترجمه يحيى مهدوى، تهران، خوارزمى، 1370، ص 275

2ـ سيد محمدحسين طباطبائى، نهاية الحكمه، ص ص 86ـ87

3ـ ژان وال، پيشين، ص 275

4ـ سيد محمدحسين طباطبائى، پيشين، ص 89

5. Ross, Aristotle, P. 168

6ـ كاپلستن، تاريخ فلسفه، جلال الدين مجتبوى، ج 1، قسمت اول، ص 103ـ107

7. John Macquarrie, Twentieth, CentQry Religious thought, P.230

8ـ جورج سارتون، تاريخ علم، ترجمه احمد آرام، چاپ سوم (تهران، اميركبير، 1375)، ص 636

9ـ ر.ك.به: غلامرضا قاضى مقدم، شيمى عمومى، ص 10

10ـ غلامحسين مصاحب، دايرة المعارف فارسى، ج 2، ص 2478

11ـ همان، ج 1، ص 538

12ـ غلامحسين مصاحب، پيشين، ج 1، ص 52

13ـ چارلز مورتيمر، شيمى عمومى، ترجمه احمد خواجه نصير طوسى، عبدالجليل مستشارى و ديگران، ص 115ـ231

14ـ محمد رزمجو، اصول و مفاهيم اوليه شيمى، ص 75 / شيمى، سال دوم دبيرستان، ص 28

15ـ هيئت مؤلفان، شيمى عمومى، ج اول، ص 40 / چارلز مورتيمر، پيشين، صص 23ـ24

16ـ ر.ك.به: هيئت مؤلفان، پيشين، ص 45 / رابرت آيزبرگ و رابرت رزتيك، فيزيك كواتنمى، ترجمه ناصر نفرى

17ـ ر.ك.به: سكسل راب استروويتس، فيزيك پيش دانشگاهى، ساختار ماده، ترجمه هوشنگ گرمان، صص 181ـ182 / انك وهر ريچاردز، آشنايى با فيزيك اتمى، ترجمه على پذيرنده و محمدرضا حميديان، ص 159 /و با استفاده از نوشته درسى دكتر مهدى گلشنى.

19ـ جرم ذرّه هر عنصر، ثابت، ولى بسيار كوچك است كه محاسبات را بسيار دشوار مى كند. به همين دليل، در شيمى جرم نسبى را به كار مى برند. امروز واحد كربنى را به عنوان واحد جسم ذرّات پذيرفته اند. (ابتدا جرم ذرّه ئيدروژن و سپس 161 جرم ذرّه اكسيژن انتخاب شده بود.) جرم ذرّه اى نشان مى دهد كه جرم ذرّه مورد نظر چند برابر 121 جرم ذرّه كربن (12) و 12 گرم كربن (12) داراى 2310×02/6 ذرّه است. جرم ذرّه گوگرد 32 است، يعنى: 32 برابر 121 جرم ذرّه كربن 12 است.

20ـ عده پروتون هاى يك ذرّه به نام «عدد اتمى» خوانده مى شود كه با حرف Z مشخص مى شود. مجموع تعداد پروتون ها و نوترون ها را «عدد جرمى» مى گويند كه با حرف Aنشان داده مى شود.

21ـ ر.ك.به: غلامرضا قاضى مقدم، شيمى عمومى /هيئت مؤلفان، پيشين، ص 109.

22ـ محمد رزمجو، اصول و مفاهيم اوليه شيمى، ص 127 / چالرز مورتيمر، پيشين، ص 80

23ـ ر.ك.به: هيئت مؤلفان، پيشين، ص 110ـ132

24ـ مارتين گاردنر، نسبت براى همگان، ترجمه محمود مصاحب، ص 59 / غلامحسين مصاحب، دايرة المعارف فارسى، ج اول، ص 734

25ـ هيئت مؤلفان، پيشين ص 110ـ132

26ـ مادتين گاردنر، پيشين، ص ص 1ـ10 / غلامحسين مصاحب، پيشين، ج اول، ص 1178

27ـ فريتوف كاپرا، تائوى فيزيك، ترجمه حبيب الله دادفرما، ص 176 / مارتين گاردنر، پيشين، ص 132

28ـ فريتوف كاپرا، پيشين، ص 170

29ـ ر.ك.به: فرانسون، فيزيك، ترجمه مختار تبريزى و لطيف كاشيگر، ص 170

30ـ ر.ك.به: آلبرت انيشتين و لئوپولد اينفلد، تكامل علم فيزيك، ترجمه احمد آرام، ص 125ـ126.

31ـ ر.ك.به: فرانسون، پيشين، ص 174

32ـ ر.ك.به: آلبرت انيشتين و لئوپولد اينفلد، پيشين.

33ـ ر.ك.به: سكسل راب استريوويتس، پيشين، ص 233

34ـ فريتوف كاپرا، پيشين، ص 214

5- Rossi Aristotle P. 168.

24ـ مفهوم انرژى يكى از اساسى ترين مفاهيم فيزيكى است، ولى تعريف ساده و در عين حال، دقيق آن دشوار است. معمولا انرژى را به توانايى يا قابليت انجام كار تعريف مى كنند; مثلا، اسب انرژى دارد; زيرا مى تواند بارى را بكشد يا فنر كوك شده ساعت داراى انرژى است; زيرا مى تواند عقربه ها را حركت دهد. هرگاه كارى بر جسمى انجام گيرد، معادل آن كار بر انرژى آن جسم افزوده مى شود و اگر جسمى كارى انجام دهد، معادل آن كار از انرژى جسم كاسته مى شود. بدين روى، با اندازه گيرى كار حاصل از انرژى، مى توانيم انرژى را اندازه بگيريم و مقدار كار انجام شده در واحد زمان را «توان» مى گويند._زمان_كار=_ .p=_W_T_

انرژى را مى توان به انرژى سينتيك يا حركتى و انرژى پتانسيل تقسيم كرد. انرژى اشكال گوناگونى دارد; از آن جمله است: انرژى شيميايى كه در فعل و انفعال هاى شيميايى ظاهر مى شود، انرژى اتمى، انرژى تشعشعى و انرژى هسته اى. علاوه بر آن، برق و حرارت و نور نيز از اشكال انرژى هستند. تبديل انرژى تابع قانون بقاى انرژى است. انرژى را، نه مى توان ايجاد كرد و نه معدوم و به عبارت ديگر، انرژى كل عالم مادى مقدار ثابتى است. اگر جسمى را به بالاى سطح شيب دارى ببريم، مقدارى كار انجام مى دهيم كه معادل آن به انرژى پتانسيل (انرژى بالقوّه) اضافه مى شود. اگر جسم را رها كنيم تا به پايين بلغزد، به تدريج، از انرژى پتانسيل آن كم مى شود و بر انرژى حركتى آن مى افزايد. در اغلب مواردى كه انرژى در مقابل نيروى اصطكاك مصرف مى شود، اين انرژى ضايع مى شود; بدين معنا كه ديگر نمى توان فايده عملى از آن برد، ولى معدوم نمى شود; بلكه تبديل به حرارت مى گردد كه صورت ديگرى از انرژى است. وقتى كه قطارى در جاده اى افقى با سرعتى ثابت حركت كند، انرژى هاى حركتى و پتانسيل آن ثابت مى مانند و تمام سوختى كه مصرف مى شود در مقابل اصطكاك كار مى كند. (برگرفته از، دايرة المعارف فارسى، به سرپرستى غلامحسين مصاحب، ذيل عنوان «انرژى»