تابش های اتم بور

تابش های اتم بور

آتش

ناتوانی فیزیک کلاسیک در توجیه پدیده فوتوالکتریک

ناتوانی فیزیک کلاسیک در توجیه پدیده فوتوالکتریک

همانطور که قبلاً گفته شد این پدیده در اواخر قرن نوزدهم مشاهده شد. طبق فیزیک کلاسیک درباره این پدیده چنین می‌توان گفت: نور از جنس امواج الکترومغناطیس است و هنگام برخورد به سطح فلز میدان الکتریکی آن به الکترون‌ها نیروی -eE  وارد می‌کند، بر اثر این نیرو الکترون‌ها شتاب می‌گیرند.

در این حالت انرژی جنبشی بعضی الکترون‌ها به حدی افزایش می‌یابد که می‌توانند خود را از قید اتم‌های فلز خلاص کرده و به بیرون فلز راه یابند، همانند موقعی که شما سنگی را به سمت آسمان پرتاب می‌کنید و در این فکر هستید که چگونه می‌توان سنگ را طوری پرتاب کرد که از قید جاذبه گرانش زمین خلاص شود. البته می‌دانید که انجام این کار با دست امکان پذیر نیست (ولی فضاپیماها با سرعت و انرژی که از سوختن سوخت خود می‌گیرند می‌توانند خود را از جاذبه گرانشی زمین خارج کنند).
طبق قانون فیزیک کلاسیک می‌توانیم قضیه کار و انرژی را برای فوتوالکترون‌های دستگاه فوتوالکتریک استفاده کنیم. طبق شکل زیر اگر الکترون‌ها هنگام جدا شدن از الکترود  A  انرژی جنبشی     و هنگام رسیدن به الکترودB  انرژی جنبشی   KB  را داشته باشند آنگاه می‌توان گفت:  کار کل برابر تغییرات انرژی جنبشی :

W_t = K_B -  K_A

 

اگر اختلاف پتانسیل بین دو الکترود A  و B برابرV  باشد آنگاه کار نیروی الکتریکی روی الکترون برابر است با: 

W_t = eV

طبق دو رابطه قبل می‌توان گفت:

eV = K_B -  K_A

پاسخ دهید :

چگونه می‌توان حداکثر انرژی جنبشی الکترون‌ها هنگام خارج شدن از سطح فلز را به دست آورد؟

جواب:

در بحث ولتاژ متوقف کننده دیدیم که وقتی ولتاژ بین دو الکترود برابر ولتاژ متوقف کننده شود. دیگر الکترونی به الکترود  B نمی رسد در حالی‌که اگر ولتاژ کمی بیشتر از ولتاژ متوقف کننده باشد آنگاه الکترون‌ها به الکترود B  می‌رسند.

 

بنابراین می‌توان نتیجه گرفت که وقتی ولتاژ برابر ولتاژ متوقف کننده است الکترون‌ها خود را تا نزدیکی الکترود B  می‌رساند و برمی‌گردند به عبارتی وقتی به نزدیک الکترود B  می‌رسند سرعت و انرژی جنبشی آنها صفر می‌شود یعنی :

K_B= 0

_{پس طبق رابطه قبلی داریم:}

_{-eV0 = 0 - KA}

_{بنابراین با داشتن ولتاژ متوقف کننده می‌توان به حداکثر انرژی جنبشی که الکترون‌ها پیدا می‌کنند، پی برد.}

_{همانطور که دیدید در این موارد فیزیک کلاسیک با این پدیده مشکل ندارد، بلکه خیلی جالب نتایج آن را تجزیه و تحلیل می‌کند. ولی اگر کمی صبر کنید خواهید دید که در قدم‌های بعدی فیزیک کلاسیک در توجیه نتایج تجربی این پدیده ناتوان خواهد بود. فیزیک کلاسیک در سه مورد از نتایج تجربی پدیده فوتوالکتریک در می‌ماند که با توجّه به سطح کتاب به دو مورد آن اشاره می‌شود.
١- طبق قوانین فیزیک کلاسیک موج الکترومغناطیس دارای میدان الکتریکی است و افزایش انرژی موج الکترومغناطیس باعث افزایش میدان الکتریکی می‌شود، بنابراین افزایش انرژی موج الکترومغناطیس باید باعث افزایش حداکثر انرژی جنبشی فوتوالکترون‌ها شود در حالی‌که طبق رابطه قبل}

_{eV0 = Kmax}

_{حداکثر انرژی جنبشی فوتوالکترون‌ها به ولتاژ متوقف کننده بستگی دارد اما همانطور که در نمودارهای قبلی دیدید ولتاژ متوقف کننده مستقل از مقدار انرژی ورودی است و فقط به بسامد نور بستگی دارد.}

_{٢- طبق قوانین فیزیک کلاسیک اگر انرژی نور برای جدا کردن الکترون از سطح فلز ( الکترود (A کافی باشد باید نور با هر بسامدی بتواند از سطح فلز الکترون بکند در حالی‌که طبق مطالب قبلی دیدید اگر بسامد نور کمتر از بسامد قطع باشد پدیده فوتوالکتریک اتفاق نمی‌افتد}

_.

نقل قول از انیشتین

I could burn my fingers that I wrote that first

letter to Roosevelt. (Comment after the

bombing of Hiroshima, regarding his

letter to Roosevelt warning of the

possibility of the development of a

nuclear weapon.)

رنگین کمان همراه با توفان

رنگین کمان

عدد آووگادرو

عدد آووگادرو

آووگادرو ، با استفاده از قانون فاراده که مقدار الکتريسيته لازم براي آزاد کردن يک يون گرم ^+H را 96487 کولن بدست آورده بود و با استفاده از بار الکترون ، اين عدد را بدست آورد. زيرا 96487 کولن الکتريسيته براي آزاد کردن يک مول الکترون مصرف مي شود. پس :

N=96487/(1.6021*10^-19) = 6.0225*10^23

 

مطالبي چند پيرامون اين عدد

شيميدان­ها هميشه از عدد آووگادرو استفاده مي كنند؛ زيرا يك شيميدان بر اهميت اين عدد واقف بوده و مي داند كه به چكار مي آيد.آيا تا بحال به اين فكركرده ايد كه:

• اين عدد از كجا آمده؟
• آيا آووگادرو خودش همه محاسبات رو انجام داده ؟
• ممكنه كه اين عدد يك عدد قرار دادي باشه؟
• چطوري آنرا اندازه گيري كرده اند؟

براي دريافت پاسخ به ادامه اين نوشتار توجه كنيد.

آماده ئوآووگادرو(Amadeo Avogadro ) (1776-1856) صاحب فرضيه آووگادرو در سال 1811 هماني است كه به همراه استانيس لائو (Stanislao Cannizzaro)[ صاحب قانون گاي لوساك (Gay-Lussac's)] كليه شبهات مربوط به مقياس وزن اتمي را در كنفرانس كارسرو(Karlsruhe ) به ظرافت تمام از ميان برداشتند.

بله عدد آووگادرو عنواني است كه به افتخار محاسبه تعداد اتمها ؛ ملكولها و ….موجود در يك گرم مول از هر ماده شيميايي به او داده شد. البته شايان ذكر است كه چنانچه واحد جرم را عوض نماييد ( مثلا پوند مول بگيريد) مقدار عدد آووگادرو ديگر 10^236.022 نخواهد بود.

اولين كسي كه تعداد مولكولهاي جرمي مواد را محاسبه نمود جوزف لاشميت( Josef Loschmidt)( (1821-1895) دبير يكي از دبيرستانهاي استراليا بود. وي در سال 1865 با استفاده از تئوري جديد جنبش ملكولي (KMT) تعداد ملكولهاي موجود در يك سانتي متر مكعب از ماده گازي شكل ، تحت شرايط متعارفي دما و فشار را محاسبه و مقدار آنرا 10^192.66 بدست آورد. معمولا اين عدد را ثابت لاشميتز مي نامند. اين مقدار در سايت : NIST به ميزان 2.686 7775 x 10^25 m^-3آورده شده است.

براي اولين بار چه وقت عدد آووگادرو بكار گرفته شد؟

بنظر مي رسد كه اولين بار در سال 1909 و در مقاله اي تحت عنوان : حركت برآوني و واقعيت ملكولي(Movement and Molecular Reality) كه به قلم جين باپتيس جين پرين (Jean Baptiste Jean Perrin (b. Lille, France, 30.9.1870-d. New York, 17.4.1942.) نوشته شده اين تخصيص صورت گرفته است. اين مقاله در( Annals De Chimie et de Physique ) از فرانسه به انگليسي توسط فردريك سودي(Fredric Soddy ) ترجمه شده و هم اكنون نيز در دسترس است.

پرين همان كسي است كه در سال 1926 جايزه نوبل فيزيك را بواسطه كار بر روي عدم پيوستگي ساختار ماده و خصوصا كشف تعادل ته نشيني (sedimentation equilibrium) از آن خود نمود. نام پرين براي بسياري از كسانيكه با محاسبات ديناميك ملكولي سروكار دارند آشناست زيرا بسياري از اين روشها توسط وي توسعه داده شده است. در مقاله پرين او گفته كه : اين عدد ثابت N ، ثابتي است جهاني كه مناسب است آنرا ثابت آووگادرو درنظر بگيريم.

در مراسم اهدا جايزه نوبل در سال 1926 در باره كار پرين گفته شد كه :

شايد بتوان گفت كه در اين كار كه ما آنرا خلاصه نموده ايم ؛ پرين بطور غير مستقيم به وجود ملكولها اشاره نموده است. همانطور كه از مشاهده مستقيم در ك مي كنيم ، ذرات ميكروسكپي موجود درمايع ، هيچگاه در حال استراحت نيستند. آنها بطور دائم در حركتند ، حتي در شرايط كامل تعادل بيروني ، دماي ثابت و …
تنها توضيح انكار ناپذير براي اين پديده ، انتساب حركت ذرات به شوكهاي توليدي از سوي ملكول خود مايع است. انشتين تئوري رياضي اين پديده را قبلا عنوان نموده بود. اولين دليل تجربي اين تئوري توسط فيزيكدان آلماني سديگ (Seddig) بيان شده است. بعد از وي ؛ دو دانشمند بطور همزمان بر روي اين مسئله كار كرده اند. يكي از انها پرين و ديگري ودبرگ (Svedberg) بود. ما تنها به پرين مي پردازيم. اندازه گيريهاي او بر روي حركت برآوني نشان داد كه تئوري انشتين كاملا صادق است. هر چند كه اين اندازه گيري ها مقدار جديدي را براي عدد آووگادرو ارائه نمود.

توليد ضربه هاي ملكولي نه تنها حركت رو به جلو ذرات را در مايع سبب مي شود بلكه آنها را به چرخش نيز وا مي دارد. تئوري اين چرخش توسط انيشتين بيان شده بودولي اندازه گيري اين چرخش توسط پرين به انجام رسيد.درحين همين اندازه گيري ها بود كه وي به عدد جديدي براي آووگادرو دست يافت. خب نتايج اين تحقيقات چيست؟ در دو گرم هيدروژن چندتا ملكول وجود دارد؟

باتوجه به اين سه روش ؛ اين جوابها بدست مي آيند:

68.2 x 10^22; 68.8 x 10^22; 65 x 10^22

كارهاي انشتين و پرين قدمهاي اوليه در راه شناخت ماهيت ملكولهايي به حساب مي آيند كه حتي تا پيش از دهه 1900 ناشناخته بودند و عدد آووگادرو داراي مقداري بود كه بايد بطور تجربي اندازه گيري ميشد.در ادامه كار لاشميتز و پرين ؛ بسياري از دانشمندان با بكارگيري روشهاي مختلف تلاش زيادي را براي رسيدن به مقدار دقيق تري از تعداد ملكولهاي موجود در يك مول ماده ، انجام داند ولي تا سال 1933 هنوز به قطعيت مناسبي دست نيافتند. مقاله ويرگو( فيزيكداني در دانشگاه شفيلد انگلستان) تحت عنوان "Loschmidt's Number" منتشره در سال 1933 بيان ميدارد كه :

اين عدد كه متناوبااز آن به عنوان عدد آووگادرو ياد مي شود بيان ديگري است از عدد لاشميتز كه همان تعداد ملكولهاي موجود در يك سانتي متر مكعب از گاز در شرايط استاندارد مي باشد.

متاسفانه اين تعابير اغلب ناپايدار هستند. فرضيه مهم آووگادرودر شناسايي تعداد ملكولهاي گازهاي مختلف در حجم معين ( تحت فشار و دماي يكسان) در سال 1811 فرموله شد و لذا با نام وي درآميخت؛ اما آووگادرو تخميني كمي از ثابتهاي بالا ارائه ننمود.

اولين تخمين واقعي از تعداد ملكولهاي موجود در يك سانتي متر مكعب از گاز ، تحت شرايط استاندارد ، در سال 1865 و توسط لاشميتززده شد و از اين زمان بود كه تعداد ملكولها ( اتمها) در يك گرم ملكول(اتم) مورد ارزيابي قرار گرفت.البته بر پايه اكثرمتون علمي آلماني ، از نقطه نظر كميتي چنان بر مي آيد كه بجاي عدد لاشميتز بر سانتي متر مكعب بايد گفت عدد لاشميتز بر ملكول (اتم) گرم .

لذا تا سال 1933نظريه روشني كه اين عدد بايد به چه نام معرفي شود ، وجود نداشت. ويرجو ادامه مي دهد كه در آن سال 8 تعيين جدا از هم براي كشف مقدار واقعي اين عدد ساخته شده بود.( زيرا اين عدد پايه ثابت اتمي است كه احتمالا مقدارش مهمترين چيز در فيزيك اتمي مي باشد). جديدترين مقدار براي آنچه كه ما امروزه آن را عدد آووگادرو مي ناميم؛ پراش پرتو ايكسي است كه در فاصله شبكه اي فلزات و نمكها سنجيده مي شود. در مقاله ويرجو ، كوششهايي را كه وي پيش از اين در استفاده از اين روش به انجام رسانده ، آورده شده است.در كتابهاي نوين شيمي عمومي نتايج متاثر از اين روشها آورده شده است.مثلا از داده هاي حاصل از اشعه ايكس ، فرد مي تواند معين كند كه تيتانيم (TI) داراي ساختماني با هسته مركزي مكعب شكل ( يعني دو اتم تيتان براي هر سلول) بوده و طول هر گوشه آن 330.6 پيكومتر است. همچنين مي توان دريافت كه چگالي فلز تيتان 4.401 گرم بر سانتي متر مكعب است.تعداد مولكولهاي تيتان در يك مول از آن (47.88 گرم) يعني عدد آووگادرو را مي توان به صورت زير محاسبه نمود:

 

 

امروزه بهترين مقدار كه همانا 6.022 141 99 x 10^23 mol^-1 اتم بر مول ( منبع = سايت NIST) است ؛ بهترين مقدار متوسطي است كه از بهترين روش ممكن بدست آمده است. تحصيل تجربي اين عدد كار بسيار مشكلي است و بايد گفت كه در حال حاضر 8 عدد مختلف براي عدد آووگادرو از روشهاي تجربي بدست آمده است.

 

 

امروزه بهترين مقدار كه همانا 6.022 141 99 x 10^23 mol^-1 اتم بر مول ( منبع = سايت NIST) است ؛ بهترين مقدار متوسطي است كه از بهترين روش ممكن بدست آمده است. تحصيل تجربي اين عدد كار بسيار مشكلي است و بايد گفت كه در حال حاضر 8 عدد مختلف براي عدد آووگادرو از روشهاي تجربي بدست آمده است. 

اوزون تروپوسفری

حقیقات جدید نشان می دهد لایه ازون كلید رابطه بین دمای بالا و افزایش خطر مرگ ناشی از بیماری قلبی یا سكته مغزی است

به گزارش ساینس دیلی، دانشمندان مبنای یافته های خود را بر جمعیتی بالغ بر ۱۰۰ میلیون نفر در ۹۵ ناحیه جغرافیایی مختلف در سراسر آمریكا طی ماه های تابستان قرار دادند.

طی این مدت ، چهار میلیون مورد حمله قلبی یا سكته مغزی رخ داد و وقتی محققان نسبت موارد مرگ روزانه را به نوسانات دما در هر روز ترسیم كردند دریافتند این مواد با لایه ازون ارتباط مشتركی دارد.

نتایج نشان دادند هرچه سطح لایه ازون بالاتر باشد ، خطر مرگ قلبی ناشی از عروقی كه به افزایش دما نسبت داده می شود نیز بیشتر است

با افزایش ۱۰ درجه ای دما مرگ ناشی از بیماری قلبی یا سكته مغزی در نواحی با پایین ترین سطوح ازون فقط یك درصد و در قسمت های دارای بالاترین سطوح ازون بیش از ۸ درصد بود.

ازون یك آلوده كننده شیمیایی است كه به شدت با شرایط آب و هوایی بویژه میزان اشعه فرابنفش موجود در جو ارتباط دارد و بوسیله واكنش بین اكسیدهای نیتروژن ، تركیبات آلی فرار و اكسیژن در نور خورشید ایجاد می شود.

رابطه بین دما و ازون در افزایش مرگ و میر ناشی از بیماری های قلبی یك رابطه قابل قبول است. قرار گرفتن در معرض ازون بر راههای هوایی و سیستم عصبی خودكار تاثیر می گذارد و لذا افراد را نسبت به تاثیر نوسانات دما آسیب پذیر و حساس می سازد.

با افزایش روند گرم شدن زمین اهمیت افزایش دما و تاثیر ازون بیش از پیش باید مورد توجه قرار گیرد.

لایه اوزون در قطب ها

کمیسیون اروپا هشدار داد ضخامت لایه ازون بر فراز قطب شمال شروع به نازک شدن کرده است و در صورت ادامه یافتن سرمای شدید هوا در زمستان، اوضاع وخیم تر خواهد شد. داده های جمع آوری شده در منطقه قطب شمال نشان می‌دهند نازک شدن لایه ازون بر فراز این منطقه که از سال ۱۹۸۰ آغاز شده، برخلاف قطب جنوب که اواخر دهه هشتاد بطور تقریب همه ساله و در هر زمستان شاهد کاهش ضخامت لایه ازون بر فراز آن بوده ایم ، تفاوت های بسیاری در سال های مختلف داشته است ." کمیسیون اروپا هشدار داد ضخامت لایه ازون بر فراز قطب شمال شروع به نازک شدن کرده است و در صورت ادامه یافتن سرمای شدید هوا در زمستان، اوضاع وخیم تر خواهد شد."با ایجاد شدن سوراخ در لایه ازون، خطر تابش اشعه ماوراء بنفش به مناطق غیرمسکونی قطب شمال و کشورهای اسکاندیناوی و حتی اروپای مرکزی تشدید می‌شود و سلامتی مردم و دیگر جانداران این مناطق را به خطر خواهد انداخت." اشعه ماوراء بنفش یکی از عوامل اصلی در بروز سرطان پوست است"داده های جمع آوری شده در منطقه قطب شمال نشان می دهند نازک شدن لایه ازون بر فراز این منطقه که از سال ۱۹۸۰ آغاز شده، برخلاف قطب جنوب که اواخر دهه هشتاد بطور تقریب همه ساله و در هر زمستان شاهد کاهش ضخامت لایه ازون بر فراز آن بوده ایم ، تفاوت های بسیاری در سال های مختلف داشته است ." در بیانیه کمیسیون اروپا در توضیح این مساله افزوده شده : "تفاوت های مشاهده شده در دو قطب ناشی از این امر است که زمستان های قطب شمال گرمتر از زمستان های قطب جنوب است." اما گویا شرایط قطب شمال نیز بتدریج دارد به شرایط قطب جنوب نزدیک می شود. آنتونیا موشان، سخنگوی کمیسر پژوهش های اتحادیه اروپا، سرد شدن شدید هوا در قطب شمال و نیز استفاده از فراورده های شیمیایی تخریب کننده لایه ازون را علت اصلی تشدید نازک شدن لایه ازون ، دانسته است ."اگر سرد شدن استراتوسفر (لایه پایینی اتمسفر که دربرگیرنده لایه ازون است) قطب شمال همچنان ادامه پیدا کند، ضخامت لایه ازون در این منطقه ظرف دهه های آینده به میزان بیشتری کاسته خواهد شد." نتایجی که کمیسیون اروپا روز دوشنبه ارائه کرده است حاصل تحقیقات جمعی از دانشمندان اروپایی در چارچوب پروژه ای با عنوان "اسکات۳" است. در پروژه یادشده با استفاده از الگوهای تغییرات آب و هوا در سطح جهان، تحولات آتی لایه ازون پیش بینی می شود.