داستان کشف اتم و ذرات سازنده‌ی آن
داستان کشف اتم به صورت خلاصه داخل کتاب‌های درسی وجود داره،
اما یکی از سوالایی که زیاد توی کامنت‌ها پرسیده شده اینه که دانشمندا
چطور تونستن تشخیص بدن که داخل اتم به اون ریزی، چه ذراتی وجود داره.
برای همین تصمیم گرفتم توی این ویدیو، یه سفری داشته باشیم
از اولین زمان‌هایی که مفهوم اتم به وجود اومد، بعدش مرحله به مرحله،
آزمایش‌هایی که باعث شدن ساختار اتم رو بهتر بشناسیم، با هم بررسی کنیم و جلو بریم.
اما بخش مهمتر این داستان اینه که یه شناخت بهتری از طرز کار علم به ما میده،
یعنی اینکه مدل‌های علمی چطور در طول زمان تغییر می‌کنن و کامل‌تر میشن.
قشنگی علمم همینه که هیچوقت ادعای کامل بودن نکرده،
یعنی هروقت ایرادی توش پیدا شده خیلی راحت پذیرفته و برطرفش کرده.
سر افرادی هم که ایراداتشو پیدا کردن هیچ بلایی نیاورده، برعکس، جایزه هم بهشون داده!
پس پیشنهاد می‌کنم حتی اگه داستان کشف اتم رو از قبل می‌دونید،
تا آخر این ویدیو با من باشید.
از زمانی که فهمیدیم اتم دقیقا چیه، مدت زیادی نمی‌گذره،
ولی خود ایده‌ی اتم، خیلی قدیمی‌تر از این حرفاست.
دموکریتوس (Democritus) و لئوکیپوس (Leucippus) فیلسوف‌های یونانی،
اولین بار حدود سه چهار قرن قبل از میلاد، این ایده رو مطرح کردن که همه چیز
از ذره‌های خیلی ریزی تشکیل شده که هم غیرقابل‌دیدن هستن و هم غیرقابل‌تقسیم.
اسم این ذره‌ها رو گذاشتن Atomos به معنی غیرقابل‌تقسیم.
یعنی معتقد بودن که هروقت یه ماده‌ای رو بشکنیم و خرد کنیم و
دوباره تکه‌هاشو خرد کنیم و این کارو همینطور ادامه بدیم،
در نهایت به یه جایی می‌رسیم که دیگه نمیشه جلوتر رفت.
این ایده بعدا معروف شد به مکتب اتمیسم که معتقد بود
تعداد اتم‌ها بی‌نهایته، انواع بی‌نهایتی هم دارن.
شکل اتم‌ها هم بر اساس اینکه از چه نوعی باشن با هم فرق داشت.
مثلا اتم‌های آهن قلاب‌هایی داشت که باعث میشد اینا به همدیگه قفل بشن.
یا مثلا اتم‌های آب صاف و لغزنده بودن.
مواد شیرین اتم‌های کروی بزرگ داشتن، مواد ترش اتم‌های تیز داشتن،
مواد چرب اتم‌های ریز کروی داشتن.
این ایده شاید الان از نظر ما مسخره باشه، ولی پایه‌های اولیه‌ی مفهوم اتم بود.
البته مخالفان قَدَری هم داشت! فیلسوفان بزرگی مثل
فیلسوفان بزرگی مثل ارسطو و افلاطون شدیدا مخالف اتم بودن.
مخصوصا ارسطو سرسختانه با اتمیسم مخالفت می‌کرد و معتقد بود که از نظر عقلی
غیرممکنه که چیزی وجود داشته باشه که اندازه داشته باشه اما نشه تقسیمش کرد.
توی قرن‌های بعدی هم خیلی از دانشمندان مسیحی با اتمیسم مخالف بودن.
یه دلیلش این بود که دنیایی که توصیف می‌کرد،
یه دنیای مادی بود که هیچ عامل متافیزیکی توش دخالت نداشت.
توی ایران بعد از اسلام هم ایده‌ی اتمیسم از طریق
کتابای همین فیلسوفان یونانی وارد شده بود.
کلمه‌ی Atomos ترجمه شد به جزء لایتجزّا یا جزء غیرقابل‌تقسیم.
جالبه بدونید که یکی از دانشمندایی که با ایده‌ی اتمیسم مخالف بود ابن‌سینا بود.
دو تا از دانشمندایی هم که با این ایده موافق بودن فخرالدین رازی و زکریای رازی بودن.
خلاصه، زمان همینطور گذشت و پیشرفت زیادی
در مورد اتم‌ها اتفاق نیفتاد، تا اوایل قرن نوزدهم.
سال 1803 یه شیمیدان انگلیسی به نام جان دالتون (John Dalton)
سعی کرد یه تعریف علمی‌تر از اتم ارائه کنه.
توی مدل اتمی دالتون، اتم‌ها به صورت کره‌های ریز و سخت بودن که غیرقابل‌تقسیم بودن.
اتم‌های یه عنصر مشخص، شبیه هم بودن، مثلا اتم‌های طلا
همگی شبیه هم بودن ولی با اتم‌های آهن فرق داشتن.
اما این ایده مشکلات زیادی داشت.
باز یه وقفه‌ی طولانی پیش اومد تا اینکه حدود یه قرن بعد یه
فیزیکدان انگلیسی به نام جوزف جان تامسون (Joseph John Thomson)
با کشفیاتش یه مقدار دیگه دانش ما از اتم‌ها رو کامل‌تر کرد.
چیزی که خیلی به تامسون کمک کرد، لامپ پرتوهای کاتدی بود.
طرز کار این لامپ اینجوریه که یه محفظه‌ی شیشه‌ای داریم
که هوای داخلش تا حد امکان تخلیه شده.
داخل این محفظه، دو تا قطعه‌ی فلزی داریم به نام آند و کاتد.
زمانی که برق ولتاژ بالا در حد چندصد ولت یا چندهزار ولت وصل کنیم به آند و کاتد،
یه سری پرتوهای نامریی از کاتد خارج میشن و میرن به سمت آند.
بعدش از سوراخ کوچیکی که روی آند وجود داره می‌گذرن و
به صورت یه پرتوی باریک برخورد می‌کنن به صفحه‌ی روبرو.
این صفحه آغشته به مواد فلورسنت هست برای همین هر نقطه‌ای که پرتو
به این صفحه برخورد میکنه، شروع میکنه به درخشیدن یعنی آشکارسازی میشه.
به این پرتو که از کاتد خارج میشه، میگن پرتوی کاتدی.
این همون ایده‌ی اصلی تلویزیون‌های قدیمی بود که از شکل
پیشرفته‌تر همین روش استفاده میکردن برای نمایش تصویر روی صفحه‌ی تلویزیون.
حالا این وسیله چه کمکی به تامسون کرد؟
تامسون اومد دو تا صفحه دو طرف این لوله قرار داد
که یکیشون بار الکتریکی مثبت داشت اون یکی بار الکتریکی منفی.
با این کار، متوجه شد که پرتوی کاتدی به سمت اون
صفحه‌ای که بار مثبت داره منحرف میشه.
چون همیشه بارهای الکتریکی ناهمنام، جذب همدیگه میشن، پس نتیجه گرفت
که این ذراتی که از کاتد خارج میشن، باید بار الکتریکی منفی داشته باشن.
با اندازه‌گیری مقدار انحراف این پرتو، تونست نتیجه بگیره که
این ذره‌ها تقریبا دو هزار برابر از اتم هیدروژن سبکتر هستن.
بعدش اومد جنس فلز کاتد رو چند بار تغییر داد ولی دید هیچ تغییری توی پرتو ایجاد نمیشه.
از این موضوع نتیجه گرفت که این ذرات توی همه‌ی مواد مشترکن.
اینجا برای اولین بار الکترون کشف شد.
در واقع وقتی ولتاژ قوی بین آند و کاتد برقرار می‌کردیم،
الکترون‌ها از کاتد به سمت آند سرازیر میشدن،
یعنی پرتوی کاتدی، پرتویی از الکترون‌ها بود.
با این کشف مهم، که باعث شد تامسون جایزه‌ی نوبل فیزیک سال 1906 رو ببره،
مشخص شد که اتم، اونجوری که دالتون و فیلسوفای
یونانی فکر میکردن، غیرقابل تجزیه نیست.
خودش از ذرات کوچیکتری به نام الکترون تشکیل شده بود.
چون این ذرات داشتن از یه ماده خارج میشدن دیگه،
یعنی در واقع داشتن از اتم‌های سازنده‌ی فلز کاتد خارج میشدن.
تامسون بعد از چند سال آزمایش و تحقیق، مدل اتمی خودشو اینجوری اعلام کرد:
اتم از یه ابر کروی با بار مثبت تشکیل شده که داخلش ذراتی با بار منفی پراکنده شدن.
دلیل در نظر گرفتن این کره با بار مثبت، این بود که
اتم باید از نظر بار الکتریکی خنثی باشه.
تو این مدل، جرم اتم به خاطر وجود یه تعداد خیلی زیادی الکترونه،
یعنی اون کره با بار مثبت، جرمی نداره.
این مدل معروفه به مدل کیک کشمشی یا مدل هندوانه‌ای.
یعنی اتم رو به صورت یک کیک کشمشی در نظر می‌گیره که الکترون‌ها هم همون
کشمش‌های داخلشن، یا به صورت یه هندوانه که تخمه‌هاش همون الکترون‌ها هستن.
اما مدل اتمی تامسون خیلی زود اعتبار خودشو از دست داد.
سال 1909 یه فیزیکدان نیوزیلندی به نام ارنست رادرفورد (Ernest Rutherford)
که توی دانشگاه کمبریج شاگرد تامسون بود، تصمیم گرفت
یه آزمایش طراحی کنه که مدل اتمی استادشو تایید کنه.
اما نتیجه کاملا برعکس شد!
رادرفورد از یه منبع ذرات آلفا استفاده کرد که این ذرات رو
با سرعت زیاد به سمت یه ورقه‌ی خیلی نازک از جنس طلا شلیک می‌کرد.
ذرات آلفا که از فروپاشی اتم‌های پرتوزا به وجود میان،
از دو تا پروتون تشکیل شدن با دو تا نوترون.
البته اون زمان هنوز پروتون و نوترون کشف نشده بود ولی ذرات آلفا رو می‌شناختیم.
دور تا دور این ورقه‌ی طلا، از یه آشکارساز استفاده کرد که
وقتی که ذرات آلفا بهش برخورد میکردن نشون میداد.
اگه مدل اتمی تامسون درست بود، تمام این ذرات آلفا باید بدون
انحراف یا با یه انحراف خیلی کم از ورقه‌ی طلا عبور میکردن.
چون ذرات آلفا از الکترون‌ها خیلی سنگین‌ترن، الکترون‌ها نمی‌تونن جلوی حرکت‌شونو بگیرن.
اما چیزی که در عمل اتفاق افتاد خیلی عجیب بود.
بیشتر ذرات آلفا از ورقه رد میشدن اما یه تعداد کمی
با یه زاویه‌ی خیلی بزرگی منحرف میشدن.
در مورد اونایی که رد میشدن هیچ مشکلی نبود،
مساله‌ی اصلی اون ذراتی بودن که بازتاب میشدن.
رادرفورد اینقدر از این موضوع تعجب کرده بود که گفت این قضیه مثل اینه که یه گلوله‌ی توپ
به سمت یه دستمال کاغذی شلیک کنید، اما وقتی که بهش برخورد کرد، برگرده به سمت شما!
دلیل این تعجب این بود که رادرفورد داشت اتم‌ها رو
بر اساس مدل اتمی تامسون در نظر می‌گرفت.
بعد از انجام این آزمایش، رادرفورد به این نتیجه رسید
که مدل اتمی تامسون نمی‌تونه درست باشه.
مدل جدیدی که رادرفورد پیشنهاد داد به این صورت بود که
تقریبا تمام جرم اتم داخل یه نقطه‌ی خیلی خیلی کوچیک توی مرکز اتم قرار
گرفته، الکترون‌ها هم با یه فاصله‌ی خیلی زیاد اطراف این هسته می‌چرخن.
این که بیشتر ذرات آلفا از ورقه‌ی طلا رد میشدن،
نشون میداد که بیشتر حجم اتم، فضای خالیه.
رادرفورد نتیجه گرفت که تمام بار مثبت و تقریبا تمام جرم
اتم توی یه نقطه‌ی خیلی خیلی کوچیک وسط اتم متمرکز شده که می‌تونه
جلوی حرکت اون ذرات آلفایی که بهش برخورد می‌کنن رو بگیره.
اما هنوز مشخص نبود که این هسته دقیقا چه ساختاری داره.
الکترون‌ها هم روی مسیرهای دایره‌ای، دور این هسته می‌چرخن که دلیلش هم
بار مثبت هسته و بار منفی الکترون‌هاست که اینا رو به هم جذب میکنه.
با استفاده از نسبت تعداد ذره‌هایی که رد میشدن به تعداد ذره‌هایی که
بازتاب میشدن، نسبت اندازه‌ی هسته به خود اتم به دست اومد.
اگه هسته رو به اندازه‌ی یه توپ تنیس در نظر بگیریم، خود اتم تقریبا ۵ کیلومتر قطرشه!
پس تمام این عکس‌ها و فیلمایی که از اتم‌ها می‌بینیم اندازه‌‌هاشون
خیلی غیرواقعیه، اما اگه بخوایم سایز هسته رو نسبت به سایز خود اتم، دقیقا همونجوری که
تو واقعیت هست نشون بدیم، هسته رو اصلا نمیشه دید از بس که کوچیکه!
چند سال بعد، یعنی سال 1917 رادرفورد نشون داد که هسته‌ی اتم هیدروژن،
داخل هسته‌ی بقیه‌ی اتم‌ها هم وجود داره.
هسته‌ی هیدروژن فقط از یدونه پروتون تشکیل شده.
رادرفورد اینجا هم از ذرات آلفا کمک گرفت.
با شلیک ذرات آلفا به اتم‌های مختلف، مخصوصا نیتروژن، متوجه شد که
این عناصر به عناصر دیگه‌ای تبدیل میشن و این وسط، هسته‌ی هیدروژن هم آزاد میشه.
پس نتیجه گرفت که این هسته که الان می‌دونیم همون پروتونه،
یکی از اجزای اصلی هسته‌ی اتم‌هاست، اسمشم گذاشت پروتون.
پس تا اینجا یه هسته داریم که از ذراتی به نام پروتون تشکیل شده که
بار مثبت دارن، دورش هم ذراتی به نام الکترون می‌چرخن که بار منفی دارن.
مدل رادرفورد جواب خیلی از سوالاتو داد و شناخت ما از
اتم‌ها رو بازم کامل‌تر کرد، اما هنوزم یه سری ایرادات داشت.
اگه الکترون‌ها توی نقاط ثابتی اطراف هسته قرار گرفته بودن، که خیلی زود به خاطر
جاذبه بین بارهای مثبت و منفی باید سقوط میکردن روی هسته.
اگر هم روی مدارهایی دور هسته می‌چرخیدن، باید طبق قوانین الکترومغناطیس
تا زمانی که حرکت می‌کنن، از خودشون امواج الکترومغناطیس منتشر کنن،
درنتیجه بازهم انرژیشون از بین میره و سقوط می‌کنن.
پس به هر حال اتم ناپایدار میشه،
در صورتی که تو واقعیت اینطور نیست، اتم‌ها پایدارن.
اینجا بود که یکی از فیزیکدانان بزرگ به نام نیلز بور (Niels Bohr) که
تو زمینه‌ی مکانیک کوانتوم کارهای زیادی انجام داده بود، کوانتوم رو وارد بحث اتم‌ها کرد.
سال 1913 نیلز بور که متوجه شده بود فیزیک کلاسیک نمی‌تونه توضیح دقیقی
برای اتم‌ها بده، از مکانیک کوانتوم برای توضیح آرایش الکترون‌ها توی اتم استفاده کرد.
توی مدل اتمی بور، الکترون‌ها فقط می‌تونستن روی مدارهای مشخصی بچرخن،
یعنی فقط مقادیر مشخصی انرژی می‌تونستن داشته باشن، نه هر مقداری.
هرچقدر به هسته نزدیک‌تر بودن انرژیشون کمتر بود
