الکترون‌ها برای چرخش به دور هستهٔ اتم از کجا انرژی می‌گیرند؟
تاریخ انتشار: ۲۰ شهریور ۱۴۰۱ | کد خبر: ۳۵۹۹۰۸۵۸
ایتنا - درک اینکه چرا الکترون‌ها دارای چنین مدار حداقلی هستند، به توسعه کامل مکانیک کوانتومی احتیاج داشت. الکترون‌ها مانند همه ذرات ماده، هم به صورت ذره و هم به صورت موج رفتار می‌کنند. در بهترین حالت، می‌توان اتم را به‌عنوان یک هسته فشرده و متراکم تصور کرد که توسط الکترون‌های در حال چرخش احاطه شده است.
بیشتر بخوانید:
اخباری که در وبسایت منتشر نمی‌شوند!
به گزارش ایتنا و به نقل از لایوساینس، در اوایل قرن بیستم و پس از آزمایش‌های بی‌شمار، فیزیکدانان تازه شروع به جمع‌آوری تصویری منسجم از اتم کردند. آنها متوجه شدند که هر اتم دارای یک هسته متراکم، سنگین و با بار مثبت است که توسط ابری از الکترون‌های کوچک و با بار منفی احاطه شده است. با در نظر گرفتن این تصویر کلی، قدم بعدی آنها ایجاد یک مدل دقیق‌تر بود.
دانشمندان در اولین تلاش‌ها برای این مدل، از منظومه شمسی الهام گرفتند که دارای یک «هسته» متراکم (خورشید) است و توسط «ابری» از ذرات کوچکتر (سیارات) احاطه شده است. اما این مدل دو مشکل مهم داشت.
برای مثال، یک ذره باردار که شتاب می‌گیرد، پرتو الکترومغناطیسی ساطع می‌کند و چون الکترون، ذره باردار است و در طول مدارش شتاب می‌گیرد، باید پرتو ساطع کند. به گفته دانشگاه تنسی، این تابش باعث می‌شود که الکترون‌ها انرژی خود را از دست بدهند و به سرعت وارد هسته شوند و با آن برخورد کنند.
در اوایل دهه ۱۹۰۰ میلادی، فیزیکدانان تخمین زدند که چنین مارپیچ درونی کمتر از یک تریلیونم ثانیه یا یک پیکوثانیه طول می‌کشد. از آنجایی که اتم‌ها به وضوح بیشتر از یک پیکو ثانیه عمر می‌کنند، این مدل چندان مفید نبود.
موضوع دوم و دقیق‌تر، مربوط به ماهیت تابش بود. دانشمندان می‌دانند که اتم‌ها تشعشع می‌کنند، اما این کار را در فرکانس‌های بسیار گسسته و خاص انجام می‌دهند. اگر یک الکترون در حال گردش از مدل منظومه شمسی پیروی کند، برخلاف مشاهدات، انواع طول موج‌ها را ساطع می‌کند.
نیلز بور (فیزیکدان مشهور دانمارکی و برنده جایزه نوبل فیزیک) اولین کسی بود که راه حلی برای این موضوع ارائه کرد. او در سال ۱۹۱۳ پیشنهاد کرد که الکترون‌های یک اتم نمی‌توانند هر مداری را که می‌خواهند داشته باشند.
در عوض آنها باید در مدارهایی در فواصل بسیار مشخص از هسته قفل می‌شدند. علاوه بر این، او پیشنهاد کرد که الکترون حداقل فاصله‌ای را با هسته حفظ می‌کند و از آن بیشتر به هسته نزدیک شود.
او با زحمت و تفکر بسیار ایده‌ها را مطرح کرد. کمی بیش از یک دهه قبل از آن، ماکس پلانک (فیزیکدان آلمانی)، پیشنهاد کرده بود که انتشار تشعشع ممکن است «کوانتیزه» باشد؛ به این معنی که یک جسم فقط می‌تواند تابش را در قطعات مجزا جذب یا ساطع کند.
کوچکترین اندازه این تکه‌های گسسته عدد ثابتی بود که به ثابت پلانک معروف شد. قبل از این، دانشمندان فکر می‌کردند که این انتشارات پیوسته هستند، به این معنی که ذرات می‌توانند در هر فرکانسی تابش کنند.
واحد ثابت پلانک، همان واحد تکانه زاویه‌ای یا تکانه جسمی در مسیر دایروی است. بنابراین بور این ایده را به الکترون‌هایی که به دور یک هسته می‌چرخند گسترش داد و گفت که کوچکترین مدار ممکن الکترون، با تکانه زاویه‌ای دقیقاً یک ثابت پلانک برابر است. مدارهای بالاتر می‌توانند دو برابر آن مقدار، یا سه برابر، یا هر مضرب صحیح دیگری از ثابت پلانک داشته باشند، اما هرگز هیچ کسری از آن (مثلاً ۱٫۳ یا ۲٫۶ و غیره) را نخواهند داشت.
درک اینکه چرا الکترون‌ها دارای چنین مدار حداقلی هستند، به توسعه کامل مکانیک کوانتومی احتیاج داشت. الکترون‌ها مانند همه ذرات ماده، هم به صورت ذره و هم به صورت موج رفتار می‌کنند.
با اینکه که ممکن است یک الکترون را به عنوان یک سیاره کوچک که به دور هسته می‌چرخد تصور کنیم، می‌توانیم به راحتی آن را مانند موجی که به دور آن هسته می‌پیچد نیز تجسم نماییم.
در یک فضای محدود، امواج باید قوانین خاصی را رعایت کنند. آنها نمی‌توانند هر طول موجی داشته باشند؛ باید از امواج ایستاده‌ای ساخته شوند که در داخل فضا قرار می‌گیرند؛ درست مانند زمانی است که کسی یک آلت موسیقی را می‌نوازد.
برای مثال، اگر انتهای یک سیم گیتار را ثابت نگه داریم، فقط طول موج‌های خاصی اجرا می‌شوند و نت‌های جداگانه‌‌ای به گوش خواهند رسید. به طور مشابه، موج الکترون در اطراف یک هسته باید متناسب باشد و نزدیکترین مدار یک الکترون به یک هسته توسط اولین موج ایستاده آن الکترون ارائه می‌شود.
پیشرفت‌های آینده در مکانیک کوانتومی به اصلاح این تصویر ادامه خواهند داد، اما نکته اساسی همچنان باقی است: الکترون نمی‌تواند به هسته نزدیکتر شود، زیرا ماهیت مکانیکی کوانتومی آن اجازه نمی‌دهد فضای کمتری اشغال کند.
از دیگر سو، روشی کاملاً متفاوت برای بررسی این وضعیت وجود دارد که اصلاً به مکانیک کوانتومی متکی نیست. کافی است به تمام انرژی‌های درگیر نگاه کنید. الکترونی که به دور یک هسته می‌چرخد به طور الکتریکی به هسته جذب می‌شود. همواره نزدیک و نزدیکتر می‌شود اما الکترون دارای انرژی جنبشی نیز هست که باعث می‌شود به پرواز درآید.
برای یک اتم پایدار، این دو پارامتر در تعادل هستند. در واقع انرژی کل یک الکترون در مدار که ترکیبی از انرژی جنبشی و پتانسیل آن است، منفی است. یعنی اگر می‌خواهید الکترون را حذف کنید باید به اتم انرژی اضافه کنید. در مورد سیاراتی که به دور خورشید می‌چرخند نیز وضعیت مشابهی دارد: برای حذف یک سیاره از منظومه شمسی، باید به منظومه انرژی اضافه کنید.
یکی از راه‌های مشاهده این وضعیت این است که تصور کنیم الکترون به سمت هسته فرو می‌افتد که در واقع توسط بار الکتریکی مخالف خود جذب می‌شود. اما به دلیل قوانین مکانیک کوانتومی، هرگز نمی‌تواند به هسته برسد. بنابراین جایی گیر می‌کند و برای همیشه در مدار باقی می‌ماند.
البته فیزیک این سناریو را مجاز قلمداد می‌کند؛ زیرا انرژی کل سیستم منفی است، به این معنی که پایدار است و به هم متصل است و یک اتم با عمر طولانی تشکیل می‌دهد.
منبع: ايتنا
کلیدواژه: الکترون هسته اتم علم مکانیک کوانتومی یک الکترون ثابت پلانک الکترون ها هم به صورت یک هسته
درخواست حذف خبر:
«خبربان» یک خبرخوان هوشمند و خودکار است و این خبر را به‌طور اتوماتیک از وبسایت www.itna.ir دریافت کرده‌است، لذا منبع این خبر، وبسایت «ايتنا» بوده و سایت «خبربان» مسئولیتی در قبال محتوای آن ندارد. چنانچه درخواست حذف این خبر را دارید، کد ۳۵۹۹۰۸۵۸ را به همراه موضوع به شماره ۱۰۰۰۱۵۷۰ پیامک فرمایید. لطفاً در صورتی‌که در مورد این خبر، نظر یا سئوالی دارید، با منبع خبر (اینجا) ارتباط برقرار نمایید.
با استناد به ماده ۷۴ قانون تجارت الکترونیک مصوب ۱۳۸۲/۱۰/۱۷ مجلس شورای اسلامی و با عنایت به اینکه سایت «خبربان» مصداق بستر مبادلات الکترونیکی متنی، صوتی و تصویر است، مسئولیت نقض حقوق تصریح شده مولفان در قانون فوق از قبیل تکثیر، اجرا و توزیع و یا هر گونه محتوی خلاف قوانین کشور ایران بر عهده منبع خبر و کاربران است.
خبر بعدی:
چرا هنوز با موجودات فضایی ارتباط برقرار نکرده‌ایم؟
به گزارش خبرنگار علم و فناوری ایسکانیوز؛ تئوری‌های مختلفی در مورد وجود حیات در سیارات دیگر وجود دارد؛ از جمله اینکه هوش انسان در جهان کاملا منحصر به‌فرد است، اما یک دانشمند سناریوی مختمل‌تری را فاش کرده است. او معتقد است که تمدن‌های بیگانه توسط انفجار پرتوهای گاما نابود شده‌اند.
انفجار پرتوهای گاما انفجارهای بسیار پرانرژی هستند که در کهکشان‌های دور مشاهده شده‌اند و زمانی رخ می‌دهند که هسته یک ستاره عظیم سوخت هسته‌ای تمام می‌کند و تحت وزن خود فرو می‌ریزد و یک «ابر نواختر» عظیم از تشعشعات آزاد می‌کند.
دکتر «فردریک والتر»، استاد نجوم، می‌گوید: این یک پرتو کاملاً متمرکز است و اگر از طریق صفحه کهکشان هدایت شود، اساساً می‌تواند حدود ۱۰ درصد از سیارات کهکشان را عقیم کند.
این در حالی است که سازمان ناسا انفجارهای پرتو گاما را «قوی‌ترین کلاس انفجار در جهان» می‌نامد.
یک انفجار معمولی پرتو درخشانی از انرژی را ارسال می‌کند که یک کوئینتیلیون (یک به همراه ۱۹ صفر) برابر روشنایی خورشید خودمان است و به عبارت دیگر، می‌تواند یک تمدن فرازمینی را در هر جایی از کهکشان بسوزاند.
خوشبختانه، بر اساس دهه‌ها تحقیق توسط رصدخانه پرتو گاما کامپتون ناسا، انفجارهای پرتو گاما در کهکشان خانگی ما، کهکشان راه شیری، نسبتاً نادر است.
هنگامی که ماهواره رصدخانه کامپتون در سال ۱۹۹۱ به فضا پرتاب شد، محققان ناسا انتظار داشتند که انفجارهای پرتو گامای بیشتری را از دیسک کهکشانی ما به شکل پنکیک مشاهده کنند. اما واقعیت ثابت کرد که این رویدادهای انفجاری «ابر نوا» در کهکشان‌های جوان‌تر و دور، که هنوز در فرآیند تشکیل ستاره‌های جدید داغ هستند، یا در مورد انفجار پرتو گاما طولانی مدت که ستاره‌های در حال فروپاشی را به سیاه‌چاله‌ها تبدیل می‌کنند، بسیار رایج‌ترند.
به گفته دکتر والتر، که دوره‌ای در مورد جست‌وجوی حیات فرازمینی در دانشگاه استونی بروک نیویورک تدریس کرده است، تخمین زده می‌شود که هر ۱۰۰ میلیون سال یا بیشتر، در هر کهکشانی یک فوران پرتو گاما به وجود می‌آید.
او می‌گوید: به طور متوسط در طی یک میلیارد سال، می‌توان انتظار داشت که تعداد قابل توجهی از تمدن‌ها ریشه‌کن شوند، البته اگر وجود داشته باشند.
تخمین‌های دیگر حاکی از آن است که فوران‌های پرتو گاما می‌تواند به دفعات هر ۱۰ میلیون سال یک بار در هر کهکشان رخ دهد، اما هر یک از این محدوده‌ها به این معنی است که بسیاری از گونه‌های بیگانه می‌توانند قبل از اینکه فرصتی برای انجام اکتشافات فضایی زیادی پیدا کنند، از بین بروند.
والتر می‌افزاید: سیاره زمین تقریباً ۴/۵ میلیارد سال سن دارد و تقریباً به همین مدت طول کشیده تا تنها گونه پیشرفته یعنی انسان را در خود جا دهد. این بدان معناست که مانند یک بازی رولت روسی، کهکشان راه شیری بین ۴۵ تا ۴۵۰ رویداد انفجار پرتو گامای محلی را در تاریخ زمین تجربه کرده است.
انفجارهای پرتو گاما برای اولین بار در سال ۱۹۶۷، از طریق یک جفت ماهواره آمریکایی Vela که برای شناسایی شواهدی از هرگونه آزمایش هسته‌ای شوروی که ممکن است برخلاف معاهده منع آزمایش هسته‌ای ۱۹۶۳ انجام شده باشد، ثبت شد. ۲ سال بعد، انفجارهای عجیب و غریب متوجه تیمی در آزمایشگاه ملی لوس آلاموس شد، که بعداً گروه نجوم پرتو گامای آزمایشگاه را پیشگام کردند.
در حالی که انفجارهای فرضی انفجار پرتو گامای باستانی که صدها میلیون سال پیش به زمین برخورد کردند، DNA هر موجود زنده روی این سیاره را نابود و حل می‌کردند، امروزه تشعشعات انفجار پرتو گاماهای دور عمدتاً شواهدی را به شکل ستاره‌های درخشان به جا می‌گذارد.
انتهای پیام/
کد خبر: 1228996 برچسب‌ها فضانوردی
اعلام محدودیت های ترافیکی پایان هفته در جاده های شمالی کشور