مقدمه
همواره برای انسان این سئوال مطرح بوده که اجسام موجود در اطراف وی و هر آنچه که در این جهان مشاهده می شود از جه تشکیل شده اند و می اندیشیده که سنگ بنای اولیه جهان چیست؟ نخستین نظریه حاکی از آن بود که جهان از چهار عنصر آب، آتش، خاک و هوا ساخته شده است. همچنین این سئوال مطرح بود که آیا عناصر تشکیل دهنده جهان پیوسته هستند و به هر اندازه که بخواهیم می توانیم آنها را به اندازه های کوچکتر تقسیم کنیم یا نه؟ همین امر موجوجب پیدایش نظریه اتمی دموکریتوس شد که مدعی بود همه اجسام از جزء کوچکی به نام اتم تشکیل شده اند و اتمها قابل تجزیه نمی باشند
رچند نظریه اتمی ماده در طول تاریخ مورد شک و تردید بود، ولی در قرن نوزدهم شواهد تجربی اتمی بودن ماده را اثبات کرد و علاوه بر آن نشان داد که اتم نیز از ذرات دیگری که آنها را ذرات زیر اتمی می نامند، تشکیل شده است. الکترون با بار الکتریکی منفی نخستین ذره ای بود که کشف شد و متعاقب آن پروتون با بار الکتریکی مثبت و نوترون بدون بار الکتریکی کشف شدند. آزمایشهای بعدی نشان داد که تعداد زیاد دیگری ذرات زیر اتمی وجود دارد. بالا رفتن تعداد ذرات زیر اتمی نگرش انسان را به سنگ بنای اولیه جهان تغییر داد و سر انجام مجبور شد ذرات زیر اتمی را نیز جدول بندی کند. همراه با جدول بندی ذرات زیر اتمی مسئله کنش بین آنها نیز مطرح شد. مشاهدات تجربی نشان داد که نظریه های کوانتوم مکانیک و نسبیت قادر به توضیح کامل جهان نمی باشند و بتدریج نظریه های جدیدی مطرح شد که برخی از آنها که اهمیت بیشتری دارند، موضوع بحث این مقاله است
ذرات بنیادی و مدل استاندارد
شیمی را می توان با سه ذره بنیادی پروتون، نوترون و الکترون و نیروی الکترومغناطیس فهمید و مباحث مختلف آن را توضیح داد. فیزیک هسته ای را می توان با چهار ذره بنیادی پروتون، نوترون، الکترون و نوترینو-الکترون و نیروهای هسته ای قوی، هسته ای ضعیف و الکترومغناطیس فهمید و تشریح کرد. در عین حال باید توجه داشت که مکانیک کوانتوم نظریه ی ساده ای نیست، زیرا رفتار ذرات مانند رفتار اجسام بزرگ نیست. ما برای شناسایی رفتار ذرات در مکانیک کوانتوم، به یک بینش جدید نیاز داریم. برای شکل دادن به پایه بینش خود در مکانیک کوانتوم، باید به خصوصیات اتمها، ملکولها و سایر ذرات زیر اتمی توجه کنیم. این ذرات به سادگی و به سرعت از مکانی به مکان دیگر حرکت می کنند. این امر پایه اصل عدم قطعیت هایزنبرگ را تشکیل می دهد به طوریکه همواره رابطه زیر بین اندازه حرکت، مکان و ثابت پلانک بر قرار است
X .P > or =h
مدت زیادی این طور تصور می شد که پروتونها و نو ترونها ذرات بنیادی هستند و بنابراین گمان می رفت مثل الکترون دیگر قابل تقسیم نبوده و دارای یک ساختار داخلی نیستند. اما امروزه می دانیم که نوکلئونها یعنی پروتونها و نو ترونها خود از ذرات کوچکتری ساخته شده اند که کوارک نامیده می شوند
در دهه های اخیر فیزیکدانان یک مدل تحت عنوان مدل استاندارد ارائه کردند تا یک چوب بست نظری برای فهم ذرات بنیادی و نیروهای طبیعت فراهم آورند. لذا مدل ستاندارد شامل دوازده ذره فرمیون با سپین نیمه درست که شش تای آن کوارک و شش تای دیگر لپتون و چهار ذره بوزون با اسپین یک هستند شکل 1. و یک هگز بوزون با اسپین صفر است که هنوز مشاهده نشده است. بسیاری از فیزیکدانان اعتقاد دارند بزرگترین چالش فیزیک در قرن بیست و یکم به تحقیقات روی ذرات هگز مربوط می شود
نیاز به علم برای تهیه زمینه ها و مسئله های جدید فلسفی
هر علمی از تعدادی مسائل کلی و اساسی آغاز شده و با پیدایش زمینه ها و نظریات جدید، گسترش می یابد؛ زمینه هایی که گاهی به کمک علوم دیگر پدید می آید.
فلسفه نیز از این قاعده مستثنی نیست. چنانچه مسائل اولیه آن در آغاز تاریخ فلسفه بسیار محدود بود و از تعداد انگشتان یک دست تجاوز نمی کرد؛ اما با پیشرفت رشته ها و نمایان شدن افقهای جدید، گسترش یافت؛ تا جایی که اکنون تعداد این مسائل از هزار نیز فراتر رفته است.
برای مثال، مسائلی مانند وحی و اعجاز از طرف ادیان و مسائلی دیگری مانند عالم مثال از طرف عرفا زمینه را برای تحقیقات فلسفی جدیدی فراهم نمود و یا نظریه تبدیل ماده به انرژی که در قرن بیستم ارائه گردید، مسائلی جدید پیش پای فلاسفه گذاشت. مانند این که:
آیا ممکن است که چیزی در عالم ماده تحقیق یابد که فاقد صفات اساسی ماده باشد و مثلا حجم نداشته باشد؟ آیا ممکن است یک شیئ حجم دار (ماده) به شیئی بی حجم تبدیل گردد؟ و غیره… .
بنابراین، یکی از خدماتی که علم برای این دسته از مسائل فلسفی انجام می دهد و موجب وسعت دید و گسترش مسائل و رشد آنها می شود، این است که موضوعات جدیدی را برای تحلیلها و تحقیقهای فلسفی فراهم می آورد.
اساسا، تا جایی که علم پیشرفت می کند، فلسفه نیز هر روزه با پرسشهای جدیدی مواجه خواهد شد.
2- نیاز به علم برای تهیه مقدمه بعضی از براهین فلسفی
گاهی برای اثبات پاره ای ازمسائل فلسفی، می توان ا زمقدمات علوم تجربی استفاده کرد. مثلا بعضی از فلاسفه با استفاده از این کشف دانش زیست شناسی که سلولهای بدن همه جانداران از جمله انسان در طول مدت زندگی تغییری می یابند، ثابت می کنند که روح وجود دارد، زیرا شخص، همان شخص است و حافظه و احساس تغییری نکرده، در حالی که همه بدنش تغییر یافته است.
3- نیازبه علوم در صحت و درستی نظریه فلسفی
بعضی نظریه های فلسفی برای اثبات صحت خود، به علوم تجربی نیاز پیدا می کنند. به عنوان مثال:
بسیاری از مکاتب فلسفی گذشته، فلسفه خود را بر اساس این نظر که زمین ساکن است و همه سیارات و ستارگان دیگر به دور آن می چرخند، بنا نهاده بودند و برای صدها سال، همگان بر این عقیده بودند.
اما هنگامی که دانشمندانی چون گالیله و کوپرنیک با آزمایش های علمی، این عقیده را نادرست اعلام کردند، بساری از مطالب فلسفی که بر این عقیده استوار بودند، از میان رفتند.
از آن سو،یکی از نظریه های فلسفی یونان باستان، نظریه اتمی بود. این نظریه بیان می کرد که آن چه شیئ را تشکیل داده است، چیزی نیست که مشهود باشد؛ بلکه ذرات بسیار ریزی هستند که جسم از آنها ساخته شده و با چشم دیده نمی شوند و به همین خاطر، آن ها را اتم، یعنی جزء تجزیه ناپذیر می نامیدند.
با پیشرفت علم جدید و شکافته شدن مولکول و کشف اتم ها و الکترونها، صحت کلی این نظریه فلسفی به اثبات رسید.
اما همان طور که گفته شد،دسته ای از مسائل فلسفی وجود دارند که مستقل از علومند و تغییر و تحولاتی که در نظریه های علمی رخ می دهد، هیچ تاثیری بر آن ها ندارد.
در این زمینه می توان به مسائلی مانند:
اصالت وجود، اثبات خدا و صفات او ، جبر و اختیار ، هدف داشتن جهان، چیستی سعادت و زندگی پس از مرگ اشاره کرد.
دلیل مستقل بودن این مسائل، به ویژگی فلسفه و علم برمی گردد. این مسائل، دو ویژگی اساسی دارند:
1- این مسائل، مسائلی عقلی و خارج از حیطه علوم می باشند.
2- روش حل این مسائل، تنها با تفکر عقلانی محض امکان پذیر است.
مدل های اولیه و مدل های کوانتوم اتم
مدل اتمی تامسون و رادرفورد
تامسون اولین کسی بود که به حل این مسئله پرداخت، ودرسال 1901 مدلی برای ساختار اتم پیشنهاد داد.دراین مدل،اتم را به صورت کره ای به قطر یک انگستروم درنظرگرفت که بارهای مثبت به طوریکنواخت درآن ،درلایه های کروی (به خاطردافعه الکترواستاتیک)پراکنده بوده و الکترون هابه تعدادی که برای خنثی کردن این بارهای مثبت لازم باشد، در وضعیت تعادل(ازنظرنیروهای دافعه وجاذبه الکترواستاتیک) دردرون این کره قراردارندو الکترون هادرداخل توده بارمثبت هیچ نوع حرکتی ندارند،ولی درحالت برانگیخته اتم،الکترون ها می توانند نسبت به وضعیت تعادل خود،نوسان کنند.(همین حرکت می تواند منشا تابش انرژی به وسیله اتم باشد).ازاین رو ،تامسون توانسته بود تاحدودی چگونگی تابش وطیف اتم را توضیح دهد.مهمترین نارسایی این مدل ، ناتوانی در توجیه نتایج حاصل ازآزمایش رادرفورد بود.تامسون براساس مدل اتمی پیشنهادی خودومحاسباتی که انجام داد،پیش بینی کرده بودکه میانگین انحرا ف ذرات آلفاازورقه های بسیارنازک فلزی(طلا)،بسیارناچیزبوده وامکان انحراف زیاد آنهاازمسیر اولیه،برابر صفر است . درصورتی که،حدود 8000/1 تعداد کل ذرات آلفای تابیده شده،باانحراف بزرگتراز90درجه ازمسیراولیه خود اخراج می شوند،وبدین صورت، مدل اتمی تامسون مردود شناخته شد.رادرفوردبراساس انحراف ذرات آلفا دربرخورد به ورقه های بسیارنازک فلزی(مانندطلا) و درتوجیه نتایج آزمایش خود،مدل اتم هسته دار راپیشنهادکرد.ازنارسایی ها و ایراد های این مدل به دومورد اشاره می کنیم:
1- باتوجه به اینکه هسته اتم دارای بارمثبت والکترون دارای بارمنفی است، الکترون نمی تواند بی حرکت باشد،زیرا الکترون جذب هسته شده وموجودیت اتم درمعرض سئوال قرار می گیرد.پس باید قبول کردکه الکترون به دورهسته اتم می چرخد ،وبراساس نظریه کلاسیک تابش های الکترومغناطیس،چون الکترون ذره بارداراست وحرکت آن به دور هسته یک حرکت شتاب دار محسوب می شود،پس بایدبه طور پیوسته وتدریجی انرژی خودرابه صورت تابش های الکترومغناطیس ازدست بدهدکه بررسی های تجربی چنین رویدادی را تایید نمی کند.زیرا اگر چنین بود،ازیک طرف طیف نشری می بایست پیوسته باشد(طیف خطی است).ازطرف دیگر،الکترون می بایست به طور پیوسته و تدریجی انرژی خود راازدست بدهدوباطی مسیرمارپیچی ،پس از مدت معینی برروی هسته بیفتد.حال آن که عملا ای چنین نیست.
2- طیف خطی هیدروژن(که فقط یک الکترون دارد) شامل چندسری خطوط طیفی درنواحی مرئی وزیر قرمزمی باشد که هرسری خودشامل چندین خط طیفی است وبراساس این مدل قابل توجیه نمی باشد.
مدل اتمی بوهر
بوهر (درسال1913)برای برطرف کردن نواقص ونارسایی مدل اتمی رادرفورد،نطریه جدیدی درباره ساختار اتم هیدروژن و یون های هیدروژن مانند (تک الکترونی)ارائه داد.
* اتم هیدروژن، دارای هسته ویک الکترون است .این الکترون برخلاف نظر رادرفورد درمسیرهای دایره ای به هم پیوسته ،به دور هسته نمی چرخد، بلکه بر اساس نظریه کوانتمی،برروی مسیرهای دایره ای مجزایی که به فاصله معینی ازهسته قرار داشته ونموداری ازسطح انرژی مشخص وثابتی است ،به دورهسته می چرخد.تاهنگامی که الکترون برروی چنین مدارمجاز وپایداری می چرخد،به هیچ صورت انرژی خود راازدست نمی دهدوتابشی منتشر نمی کند .به عبارت دیگرسرعت و انرژی آن همواره برروی چنین مداری ثابت باقی می ماند.این مدارهارا مدارهای ایستاده می نامند( امروزه به جای مدار، تراز یا حالت انرژی به کار می برند).
نیروی جاذبه الکتروستاتیکی بین هسته و الکترون برروی هرمدار ایستاده، به وسیله نیروی مرکزگرای حاصل ازچرخش الکترون به دور هسته برروی آن مدارجبران
می شود.به طوری که شعاع آن مدارهمواره ثابت باقی می ماند،ازنزدیک شدن تدریجی الکترون به هسته اتم ویا افتادن آن برروی هسته، جلوگیری می شود.براین اساس،بوهر نه تنها ایراد نظریه رادرفورد رابرطرف کرد،بلکه امکان توجیه مسایلی مانند شعاع مدار ،شکل وشعاع ویاحجم اتم و…. رافراهم آورد.
* براساس نظریه کوانتومی تابش های الکترومغناطیس ، اتم فقط موقعی می تواند تابش کند که یک کوانتوم مشخص از انرژی را جذب کرده و الکترون را از سطح انرژی مجاز(E1) به سطح انرژی مجازبالاتر(E2)ارتقادهد. چنین الکترونی دربازگشت از سطح انرژی بالاتر به سطح انرژی پایین تر،تفاوت انرژی این دوحالت رابه صورت یک کوانتوم انرژی( که برابر همان کوانتوم انرژی جذب شده به وسیله اتم است)،تابش می کند.
بوهربراساس نظریه خود به محاسبه طول شعاع هریک ازمدارهای مجاز،سرعت الکترون برروی آنها ومقدارانرژی جاذبه بین هسته والکترونی که بر روی آنهابه دور هسته درچرخش باشد،پرداخت.
اولین اشکالی که مدل بوهرباآن روبرو شد،این بودکه بوهر فقط وجود خطوط طیفی منفردی راپیش بینی کرده بودکه هرکدام به جهش وسقوط الکترون بین دو سطح انرژی معینی دراتم مربوط می شود.چند گانگی خطوط طیفی (اجتماعی از تعدادمعین خطوط بسیار نزدیک به یکدیگر)، براساس نظریه بوهرقابل توجیه نبود. زیرابرخلاف آنچه که بوهر پیش بینی کرده بود، انرژی الکترون دقیقا بادرنظر گرفتن تراز اصلی انرژی مشخص نمی شود.هم چنین باید انرژی الکترون رادرهریک ازسطوح فرعی انرژی مربوط به هرسطح اصلی انرژی ،معین کرد که در مقاله شماره 2 بیان شده است.
منابع
سایت گوگل
* آموزش فلسفه، جلد 1، صفحه 111
* درآمدی به فلسفه اسلامی صفحه 35
11