تبادل انرژی کوانتومی

موج الکترومغناطیس تولید شده توسط یک لایه یا یک زیر لایه از یک اتم ( تراز انرژی ) ، فقط قابل جذب توسط همان لایه یا زیر لایه از اتم دیگر است . به بیان دیگر موج الکترومغناطیس تولید شده توسط یک لایه یا یک زیر لایه از یک اتم ، فقط در همان لایه یا زیر لایه از اتم دیگر القا یا شارژ میشود . به طور مثال همانطور که می‌دانیم تمامی وسایل مخابراتی که برای انتقال صوت ، تصویر ، اطلاعات و ... از امواج الکترومغناطیسی بهره می‌جویند برای عمل کرد خود یک محدوده فرکانس مشخص و تعریف شده استاندارد و بین‌المللی دارند که نمی‌توانند و نباید وارد محدوده فرکانسهای دیگر شوند . به طور مثال امواج برنامه‌های رادیو و تلویزیون ، بی سیم پلیس و ادارات ، نیروهای نظامی ، شرکتهای خصوصی ، موبایل ، ماهواره ، رادیو آماتورها و ......... هر کدام برای خود محدوده و پهنای باند دارند که ورود به حریم دیگران تخلف فرکانسی محسوب میشود و به تاثیرات آن پارازیت گفته میشود . اما هر دستگاه مخابراتی در نهایت یک محدودیت سخت افزاری برای استفاده از کل فرکانسها و هر فرکانس یک محدودیت فیزیکی برای کاربرد دارد . در واقع در اتم‌ها هم اینگونه است ، یک لایه یا یک زیر لایه نمی‌تواند امواج گسیل شده توسط لایه‌ها یا زیر لایه‌های نا همسان از اتم دیگری را جذب کند . به شکل زیر دقت کنید.

همانطور که از شکل فوق برمی‌آید تبادل انرژی فقط در لایه‌ها و زیر لایه‌های همسان و مشابه مجاز و عملی است . علت این موضوع را می‌توان در پدیده زیر توجیه نمود .

 

در سال 1814 فرانهوفر کشف کرد که اگر به دقت طیف خورشید را برسی کنیم ، خط‌های تاریکی در طیف پیوسته آن مشاهده خواهیم کرد . این مطلب نشان می‌دهد که بعضی از طول موج‌ها در نوری که از خورشید به زمین می‌رسد ، وجود ندارد و به جای آنها ، در طیف پیوسته نور خورشید خط‌های تاریک ( سیاه ) دیده می‌شود . اکنون می‌دانیم که گازهای عناصر موجود در جو خورشید ، بعضی از طول موج‌های گسیل شده از خورشید را جذب می‌کنند و نبود آنها در طیف پیوسته خورشید به صورت خط‌های تاریک ظاهر می‌شود . در اواسط قرن نوزدهم معلوم شد که اگر نور سفید از داخل بخار عنصری عبور کند و سپس طیف آن تشکیل شود ، در طیف حاصل خطوط تاریکی ظاهر می‌شود . این خطوط توسط اتم‌های بخار جذب شده‌اند . توضیحات بیشتر در مبحث هندسه دوجینی و ساختار اتم ارایه شده است .

 

در واقع هم در طیف گسیلی و هم در طیف جذبی هر عنصر ، طول موج‌های معینی وجود دارد که از ویژگی‌های مشخصه آن عنصر است . طیف‌های گسیلی و جذبی هیچ دو عنصری مثل هم نیست . اتم هر عنصر دقیقا همان طول موج‌هایی را جذب می‌کند که اگر دمای آن به اندازه کافی بالا رود و یا به‌هر صورت دیگر برانگیخته شود ، آنها را تابش می‌کند . حال این سوال مهم مطرح میشود که انرژی جذب شده توسط اتمها در نهایت چه میشود ؟

 

اگر مقدار این انرژی دریافتی کم باشد در نهایت همگی در داخل اتم جذب و به طرف لایه و زیر لایه‌های بالایی القا و شارژ شده و به صورت طیف مادون قرمز ( حرارت ) دفع میشوند تا اتم به حالت اولیه و پایدار خود برگردد . طبیعی است که اگر مقدار انرژی دریافتی نسبتا زیاد باشد مستقیما توسط خود لایه‌ها و زیر لایه‌ها دفع میشود و مسلما مقداری از آن هم به لایه و زیر لایه‌های بالایی صعود و به صورت طیف مادون قرمز دفع خواهد شد . پدیده‌ای است که به دفعات و به طور عینی مشاهده شده است . اما چنین به نظر میرسد که این تبادل انرژی در اتمها به صورت پیوسته نبوده بلکه به صورت گسسته و کوانتومی ( بسته‌ای ) میباشد .

 

برای فهمیدن این موضوع نیاز به یک مثال داریم ! همانطور که می‌دانیم باطری یک انباره الکتریکی است که جریان الکتریکی پیوسته و یکطرفه‌ای را تولید می‌کند که به این نوع انرژی الکتریکی ، کمیتی پیوسته می‌گویند ولی یک خازن میتواند مقدار مشخصی از بار الکتریکی به اندازه ظرفیت خود را به صورت لحظه‌ای ذخیره و به همان صورت لحظه‌ای تخلیه کند که به این نوع انرژی الکتریکی ، کمیتی گسسته یا کوانتومی ( بسته‌ای ) گفته میشود . در فیزیک کلاسیک اگر در صدد تولید امواج رادیویی ( الکترومغناطیسی ) باشیم ، می‌بایست این جریان الکتریکی یکطرفه و پیوسته باطری را به یک جریان الکتریکی متناوب و گسسته تبدیل کنیم که راه آن استفاده از یک خازن و سلف ( سیم لوله ) است . همانطور که می‌دانیم بار الکتریکی متناوبا مابین سلف و خازن رد و بدل شده و امواج رادیویی تولید میشوند . از طرفی با بالا رفتن فرکانس موج ، انرژی موج نیز در واحد زمان افزایش می‌یابد به طور مثال اگر هر فرکانس موج را یک ضربه در نظر بگیریم طبیعی است موجی که فرکانس بیشتری داشته باشد می‌تواند در واحد زمان ضربات بیشتری وارد کرده و انرژی بیشتری را انتقال دهد . هرچند که امواج الکترومغناطیسی در هر طول موج خود دو کمیت یا بسته مثبت و منفی را از خود نشان می‌دهند ولی در نهایت چنین به نظر میرسد که با تواتر یکنواخت و ثابت موج الکترومغناطیس کمیت آن به صورت پیوسته باشد یعنی شکل زیر :

ولی در فیزیک هسته‌ای یا مکانیک کوانتومی معلوم شده است که انرژی الکترومغناطیسی مابین اتم‌ها به صورت بسته‌های انرژی رد و بدل میشود که نام این بسته‌های انرژی را فوتون گذارده‌اند و در محاسبات ریاضی ( اندازه مقدار انرژی ) از آن استفاده می‌کنند . کوانتوم نور که فوتون نامیده شده است مقدار مشخص از انرژی است که اندازه آن E از رابطه E=hν به دست می‌آید که ν فرکانس موج و h ثابت کوانتوم پلانک است که مقدار خردی معادل 34-^10*6.626 ژول بر ثانیه دارد . مقدار h کوانتوم پایین انرژی الکترومغناطیس در نظر گرفته میشود که مربوط به یک سیکل موج میشود . یکی از بزرگترین مناقشات و چالشها در علم فیزیک بر سر این موضوع است که آیا نور ماهیت موجی دارد یا ذره‌ای که نیوتن ماهیت ذره‌ای را برای نور قائل بود که بعدا مشخص شد نور خاصیت موجی دارد و در نهایت با توجیه کوانتومی پدیده فتوالکتریک توسط انیشتین عنوان شد که نور خاصیت ذره‌ای دارد و اینک با توضیحات زیر این موضوع را مجددا تحت برسی قرار میدهیم .

 

هر لایه یا زیر لایه اتم به منزله یک سلف ( سیم لوله ) یا یک خازن میتواند انرژی مشخصی را به صورت میدان الکتریکی در خود جذب و ذخیره کند که با افزایش آن ، یکجا و به صورت یک بسته ( کوانتوم ) از انرژی دفع میشود که در این حالت هرقدر به هسته و مرکز اتم نزدیک شویم بر شدت میدان الکتریکی افزوده و هر چه از مرکز هسته فاصله بگیریم از شدت میدان الکتریکی کاسته میشود . پس میتوان نتیجه گرفت که کوانتوم‌های انرژی دفع شده از لایه‌ها و زیر لایه‌های پایین اتم ، پر انرژی‌تر از کوانتوم‌های انرژی دفع شده از لایه‌ها و زیر‌لایه‌های بالاتر اتم است . آنچه که اتفاق می‌افتد این است که امواج الکترومغناطیسی بسته به فرکانس‌شان در لایه و یا زیر لایه مربوطه اتم القا و شارژ میشوند و باعث بالا رفتن پتانسیل میدان الکتریکی در لایه یا زیر لایه میشوند که این افزایش پتانسیل باعث شتاب الکترونها در صورت وجود در لایه و زیر لایه‌ها میشود که اگر این انرژی و شتاب الکترون به اندازه کافی باشد الکترون به مدار بالاتر جهش می‌کند که در نهایت با تخلیه انرژی به صورت میادین و امواج الکترومغناطیسی ، الکترون به مدار قبلی تنزل می‌کند . در واقع بجای اینکه E=hν را مربوط به انرژی جنبشی ذره مادی به نام فوتون تعبیر کنیم می‌توانیم آن را انرژی پتانسیل الکتریکی ذخیره شده در لایه یا زیر لایه اتم بدانیم که با افزایش فرکانس موج یا شدت میدان الکتریکی لایه و زیر لایه رابطه مستقیم داشته ولی با افزایش محیط مدار یعنی افزایش شعاع مدار رابطه معکوس دارد . پس می‌توان نتیجه گرفت که میادین الکتریکی به صورت دایره‌وار پیرامون هسته اتم‌ها شکل می‌گیرند که اگر به صورت کره بود این انرژی میبایست با مجذور فاصله ( شعاع مدار ) رابطه معکوس داشته باشد که چنین نیست .

 

به طور مثال طول موج طیف بنفش مریی از 390 الی 430 نانومتر و طول موج طیف قرمز 650 الی 800 نانومتر است ، در واقع فرکانس طیف بنفش مریی تقریبا دو برابر تواتر طیف قرمز مریی است که طبق رابطه پلانک انرژی طیف بنفش مریی تقریبا دو برابر طیف قرمز مریی خواهد بود که بیانگر این موضوع است که پتانسیل و شدت میدان الکتریکی در لایه اول اتم درست دو برابر پتانسیل و شدت میدان الکتریکی در لایه هفتم اتم است برای اینکه شعاع مدار و محیط مدار ، دو برابر و بدنبال آن پتانسیل و شدت میدان الکتریکی نصف و بدنبال آن سرعت زاویه‌ای الکترون کاهش و فرکانس و تواتر نیز نصف شده است . یعنی اگر شدت میدان الکتریکی در پیرامون یک بار الکتریکی ساکن با عکس مجذور شعاع متناسب باشد یعنی E≈1/r² ، شدت میدان الکتریکی در پیرامون یک بار الکتریکی دوار ( با اسپین ) یعنی هسته اتم با عکس شعاع مدار متناسب است یعنی E≈1/r . که در حالت کلی بیانگر این موضوع است که شدت میدان الکتریکی در مدارهای اتم با شعاع مدار رابطه عکس دارد نه با مجذور شعاع مدارها . البته این رابطه بر روی صفحه‌ای که مدارها روی آن قرار گرفته‌اند و این صفحه با محور دوران هسته عمود است متصور میباشد یعنی شکل زیر :

همانطور که می‌دانیم موج الکترومغناطیس حامل انرژی است و اصولا خودش هیچ دمایی ندارد و بعد از اینکه بر ماده‌ای تابش کرد ، انرژی آن در ماده یا بهتر است بگوییم ترازهای انرژی یا لایه‌ها و زیر لایه‌ها شارژ یا جذب و باعث بالا رفتن دما در ماده میشود ، برای اینکه یک تابش ثابت می‌تواند حرارتهای مختلفی در مواد و رنگهای گوناگون ایجاد کند که علت آن توضیح داده شد و مربوط به خود رنگ و تیرگی و روشنی آن میشود . فرض کنید بینهایت انرژی الکترومغناطیسی را در نقطه‌ای تشدید و یا متمرکز کردیم ، دما در آن نقطه معنی ندارد زیرا بعد از اینکه ماده در آن نقطه قرار گرفت دما معنی پیدا می‌کند آنهم برای ماده نه برای خود موج الکترومغناطیسی و دما در این ماده تا جایی بالا می‌رود که ماده توان جذب آن موج الکترومغناطیس را داشته باشد و زمانی که ترازها و یا لایه‌های انرژی منتفی و مضمحل شدند ، دما در همان نقطه ثابت میشود و بیشتر از آن بالا نمی‌رود و معنی و مفهوم هم نخواهد داشت .

 

جهت برسی طیف نشری خطی عناصر ، اگر این عنصر به صورت گاز باشد درون لامپ خلا نموده ، فشار گاز را کم کرده و بعد از تخلیه الکتریکی در آن ، طیف عنصر را با عبور از منشور تجزیه و برسی میکنند . ولی اگر این عنصر جامد و یا مایع باشد ابتدا آن را بخار کرده و سپس درون لامپ خلا با تخلیه الکتریکی یونیزه نموده و طیف آن را بعد از عبور در منشور ، تجزیه و مطالعه می‌کنند . ولی طیف گازها در فشار زیاد ( ستارگان ) و اجسام ( جامدات ) پیوسته بوده و به صورت خطی نمی‌باشد و این طیف مستقل از نوع عنصر است و فقط به حرارت عنصر وابسته است ، اگر حرارت پایین باشد فقط طیف مادون قرمز و اگر خیلی داغ باشد طیف ماورای بنفش نیز تولید و منتشر میشود و با این شیوه اندازه گیری ، حرارت عناصر سنجیده میشود . در واقع فشار در گازها و تراکم در جامدات می‌تواند طیف نشری خطی آنها را به طیف پیوسته‌ای تبدیل کند .

 

چنین به نظر میرسد که الکترونها در زمانی که فشار گاز کم است در روی مدارها ( لایه‌ها و زیر لایه‌ها ) حضور دارند ، یعنی چرخش آنها به دور هسته روی خط است . ولی الکترونها در زمانی که فشار گاز زیاد است در میان مدارها ( میان لایه‌ها و زیر لایه‌ها ) حضور دارند یعنی چرخش آنها به دور هسته روی منطقه و باندی از سطح صفحه میباشد .