برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۶/۲۴ تا ۱۳۹۷/۰۶/۳۰

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۷۹,۲۹۹
  • بازدید این ماه ۲۱۱
  • بازدید امروز ۲
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۱,۵۹۷
  • قبول شدگان ۱,۳۴۵
  • شرکت کنندگان یکتا ۶۴۷
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۷۸
واژه نامه فناوری نانو

نانو

nano

پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناوري‌نانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازه‌گيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده مي‌شود.

سطح مقاله

مقدماتی

نویسندگان
کلمات کلیدی
امتیاز کاربران

نگاهی به تاریخچه فیزیک کلاسیک

قوانین فیزیک که تا اواخر قرن 19، توسط دانشمندان ارائه شده بود بخوبی می توانست پدیده های طبیعی را تا آن زمان توصیف کند ولی با پیشرفته شدن تکنیکهای آزمایشگاهی نسبت به قبل ، آزمایشهایی برای بررسی ساختارهای اتمی و ریزاتمی انجام شد که دیگر فیزیک کلاسیک قادر به توجیه آن نبود و اعتبار آن در این مقیاس زیر سؤال رفت. در این مقاله قبل از وارد شدن به دنیای کوانتوم، به معرفی کیفی فیزیک کلاسیک و برخی مشکلات آن می پردازیم.
نزدیک به اواخر قرن 19 میلادی، فیزیکدانان تصور می کردند که درکشان از نحوه عمکرد جهان، به تکامل رسیده است. در آن زمان فیزیک شامل مکانیک کلاسیک، نظریه الکترومغناطیس و ترمودینامیک بود. اسحاق نیوتن با ارایه قوانین خود، بسیاری از پدیده های شناخته شده مادی را توصیف کرد. بعد از او جیمز کلرک ماکسول قوانین جدیدی را ارایه داد که رفتار نور و پدیده های الکترومغناطیسی به کمک آن قابل توجیه بود و ظاهرا به کمک این قوانین عملکرد جهان ماده و نور به طور کامل مشخص می شد. با این همه هنوز یک نسل از این باور نگذشته بود که دنیای فیزیک با کشف پدیده های جدیدی که خارج از قوانین نیوتن و ماکسول عمل می کردند، زیر و رو شد. انقلاب کوانتومی ناشی از این اکتشافات، یک رویداد تحول آفرین در کل تاریخ علم بود و نگاه کلاسیک فیزیک را که بر اساس نظریات نیوتن و ماکسول بنا شده بود، تغییر داد.


1-قوانین نیوتن
در سال 1687، اسحاق نیوتن قوانین حرکت را به صورت زیر ارایه کرد: قانون اول: همه اجسام همیشه یا در جای خود ثابت می مانند یا با یک سرعت ثابت در مسیر مستقیمشان حرکت می کنند، مگر آنکه تحت تأثیر یک نوع نیروی خارجی قرار گیرند. درستی این قانون در واقعیت و اتفاقات روزمره روشن نیست، زیرا حداقل همیشه نیروی خارجی به نام اصطکاک وجود دارد که منجر به کاهش سرعت اجسام متحرک می شود.
قانون دوم: اگر به جسمی به جرم m نیروهای خارجی وارد شود، جسم تحت اثر آن نیروها شتاب a می گیرد:

filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820

قانون سوم: برای هر عملی (نیرویی)، عکس العملی مساوی و در خلاف جهت آن وجود دارد. به عنوان مثال هنگامی که با تفنگی شلیک می کنیم نیروی عمل کننده از لوله تفنگ به گلوله منتقل و باعث پرتاب شدن آن می شود و نیروی عکس العمل باعث می شود که ته قنداق تفنگ به شانه مان نیرو وارد کند؛ و یا وقتی موشک فضاپیمایی موتور عقبی خود را در فضا روشن می کند (شکل 1) خروج گاز از منفذ عقب در جهت 1، نیروی عکس العملی به سمت 2 ایجاد می کند، که سبب شتاب گرفتن موشک به جلو می شود.

filereader.php?p1=main_14dba61b399baabd2
شکل1- موشک فضاپیمایی که وقتی گاز موشک در جهت 1 خارج می شود، عکس العمل آن موشک را به سمت مخالف می راند.

نیوتن پایه های فیزیک را با سه قانون حرکت و قانون جاذبه اش بنیان گذاشت و به کمک آن، به توصیف پدیده های دنیای روزمره پرداخت. این قانون است که توضیح می دهد چگونه اتمها به یکدیگر برخورد کرده و روی هم اثر می گذارند مانند آنچه که هنگام برخورد توپهای بیلیارد اتفاق می افتد و یا اینکه چه شرایطی برای فرستادن ماهواره به مدار لازم است.

filereader.php?p1=main_80a6d28c2b2c0028e
شکل2- اسحاق نیوتن

1-2 معادلات ماکسول
تا اوخر قرن ۱٩ به نظر می رسید که قوانین نیوتن، جهان مادی را کاملاً توصیف می کنند. حتی رفتار اتمها و الکترونها که در همان اواخر کشف شده بودند، با ترکیب قوانین نیوتن و نیروی الکترومغناطیسی (الکتریکی و مغناطیسی) ارایه شده توسط مایکل فارادی، قابل توصیف بود.

filereader.php?p1=main_a0b92bf7cb132fa05
شکل3- مایکل فارادی

در نیمه اول قرن ۱٩، فارادی مفاهیم کلیدی همچون خطوط نیرو و میدانهای الکتریکی و مغناطیسی را توسعه داد. او موتور الکتریکی و دینام را اختراع کرد و کشف کرد که میدان مغناطیسی در حال تغییر، همیشه یک میدان الکتریکی ایجاد می کند و میدان الکتریکی متغیر همیشه میدان مغناطیسی تولید می نماید.
او متوجه شد که با هل دادن آهنربا در یک سیملوله که دو سر آن به یک آمپرسنج متصل شده، عقربه آمپرسنح تکان می خورد و در واقع جریان الکتریکی تولید می شود. همچنین وقتی که جریان الکتریکی از حلقه سیمی عبور می کند، اطراف سیم، میدان مغناطیسی ایجاد می شود و این خطوط تا وقتی که جریان الکتریکی برقرار است، وجود دارد. برای دیدن میدان، یک آهنربای میله ای را زیر صفحه کاغذی که روی آن براده های آهن ریخته شده، قرار داده می شود.

filereader.php?p1=main_bad5b4036fffbd72b
شکل4- خطوط نیرو که در داخل آهنربا جهت آن از قطب S به قطب N و در بیرون از آهنربا بالعکس است، که در واقع جهت آن، جهت میدان را نشان می دهد.

مطابق شکل 4، براده ها به شکل منحنی هایی دور آهنربا قرار می گیرند و شکل میدان آهنربا را درست می کنند. هر یک از خطوط منحنی که قطب S آهنربا را به قطب N آن پیوند می دهند یک خط نیرو می باشد که جهت آن، جهت میدان را نشان می دهد.

filereader.php?p1=main_a27f0be5130d9537b
شکل5- جیمز کلارک ماکسول

در سال 1864، ماکسول(۱۸۷٩-١۸۳١) هر چه را که در مورد میدانهای الکتریکی و مغناطیسی کشف شده¬بود، فقط در یک مجموعه چهار معادله¬ای که به عنوان معادلات ماکسول شناخته می شدند، خلاصه نمود که بزرگترین موفقیت فیزیک کلاسیک در کنار کارهای نیوتن است. این معادلات توضیح می¬دهند که وقتی الکترونی در اتم، ارتعاش کند، میدان الکتریکی ناشی از آن نوسان می¬کند و میدان الکتریکی متغیر، میدانی مغناطیسی تولید می کند. به هر آشفتگی در محیط، که در فضا منتشر می‌شود و حامل انرژی است موج می‌گویند. بنابراین موج الکتریکی یک موج مغناطیسی تولید می کند و آن را همراه با خود دارد. موج مغناطیسی متغییر نیز می تواند یک موج الکتریکی تولید کند. آنچه که واقعاً اتفاق می افتد این است که یک الکترون در حال سکون، میدان الکتریکی و اگر در حال جنب و جوش باشد علاوه بر میدان الکتریکی، میدان مغناطیسی نیز تولید می¬کند. بنابراین امواج الکترومغناطیسی هنگامی ساخته می¬شوند که ذرات بارداری مانند الکترونها حرکت کنند. این مشابه روشی است که با یک حرکت نوسانی در سر طناب، موج را در تمام طول یک طناب به حرکت درآورده می¬شود. ماکسول به همان خوبی که معادلات ریاضی نور را توسعه داد، در خلق تصاویر رنگی با سه رنگ که امروز در گیرنده های تلویزیونی خانگی به کار می¬رود، هم به موفقیت دست یافت.
1.3 دیدگاه کلاسیکی ذرات و امواج
در فیزیک کلاسیک، ذرات و امواج کاملا مجزا هستند؛ و رفتارهای کاملا متفاوتی دارند؛ ذره فقط با یک پارامتر(بردار مکان filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820 و موج با دو پارامتر دامنه و فاز به طور کامل توصیف می شود. برای مثال، امواج تخت سه بعدی را می توان با تابع موج های filereader.php?p1=main_6512bd43d9caa6e02توصیف کرد:

                                                       filereader.php?p1=main_c81e728d9d4c2f636

که در آن، A دامنه موج و φ فاز آن است. ( filereader.php?p1=main_eccbc87e4b5ce2fe2بردار موج و ω فرکانس زاویه ای است.)
دو حالت ذره و موج را از دید کلاسیک بررسی می شود:
(الف) S چشمه جریان گلوله هاست.
مطابق شکل 6، سه آزمایش مختلف را در نظر بگیرید که در آن ها، S جریانی از گلوله ها را شلیک می کند؛ فرض می شود که هیچ کدام از گلوله ها قبل از رسیدن به پرده از بین نمی روند و درنتیجه همگی به پرده می رسند و اثرات یکسانی ایجاد می کنند. در آزمایش اول، فقط شکاف S1 باز است و filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820تعداد گلوله هایی است که در واحد زمان به نقطه ای روی پرده که در ارتفاع y قرار دارد، می رسند که درواقع به آن شدت گلوله-ها، روی پرده می گویند. در آزمایش دوم،filereader.php?p1=main_c81e728d9d4c2f636 شدت گلوله هاست وقتی که فقط S2 باز باشد. در آزمایش سوم، اگر S1 و S2 هردو باز باشند، شدت کل روی پرده، باید برابر با جمع I1 و I2 باشد.

filereader.php?p1=main_1174a169ccec8a383

شکل 6- آزمایش دو شکافی با ذرات: S چشمه گلوله، I1 و I2 شدت های ثبت شده روی پرده،به ترتیب، هنگامی که فقط S1 باز است، و هنگامی که فقط S2 باز است. وقتی هر دو شکاف باز هستند، شدت کل برابر است با: I=I1+I2 .


(ب) S یک چشمه امواج است
filereader.php?p1=main_1f6577576bbe1b50d
شکل 7-توماس یانگ

دویست سال پیش، توماس یانگ (1773 – 1829) با انجام آزمایشی که در آن از دو شکاف استفاده شده بود، نشان داد که رفتار نور، موجی است. مطابق شکل 8، او ابتدا نوری تک رنگ را به سمت شکاف ساده و باریکی که روی یک صفحه کدر ایجاد شده بود تاباند. نوری که از این شکاف عبور کرد از دو شکاف موازی در صفحه دوم عبور کرده و روی پرده افتاد و طرحی از نوارهای تاریک و روشن را بوجود آورد. این واقعیت که تداخل دو نوع نور با هم ممکن است نوار تاریک تولید کند، برای دانشمندان قرن نوزدهم مایه تعجب بود. بعد از آن ماکسول، معادلات خود را به کار گرفت تا سرعت حرکت امواج الکترومغناطیسی را اندازه گیری کند. این معادلات، سرعتی واحد برای همه امواج الکترومغناطیسی به دست می دهند که دقیقاً با سرعت نور برابر بود. بنابراین تمام امواج الکترومغناطیس با سرعت نور حرکت می کنند و نتیجه حتمی این است که نور، یک موج الکترومغناطیسی است که در فضا حرکت می کند.

filereader.php?p1=main_38b628bd57a2d715a

شکل8- آزمایش دوشکافی یانگ که پرتو نور تک رنگ پس از عبور از شکاف اول وصفحه دو شکاف موازی، طرحی از نوارهای تاریک و روشن را روی پرده تشکیل می دهد

همان طور که شکل 9، نشان می دهد، S یک چشمه امواج است ( مثلا، امواج نور یا آب) و هنگامی که فقط filereader.php?p1=main_eccbc87e4b5ce2fe2باز است، شدت روی پردهfilereader.php?p1=main_c81e728d9d4c2f636 است. لازم به ذکر است که یک موج با یک تابع مختلط نمایش داده می شود و شدت آن متناسب است با مربع دامنه ( مثلا، ارتفاع آب یا میدان الکتریکی ):filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820 
filereader.php?p1=main_230ee1d539e04512a

شکل 9- آزمایش دو شکافی: S یک چشمه موج است، I1 و I2 شدت های ثبت شده روی پرده هستند، وقتی که تنها S1 ، وهنگامی که تنها S2 باز است. وقتی که هردو شکاف باز هستند، شدت کل برابر با جمع I1 و I2 نیست و یک جمله نوسانی هم باید اضافه شود.

وقتی دو شکاف باز باشند، شدت کل جمع شده روی پرده، یک الگوی تداخلی از امواج را نشان می دهد؛ و بنابراین نمی تواند برابر با جمع I1 و I2 باشد. دامنه ها باید جمع شوند نه شدت ها: دامنه کل برابر است با جمع ψ1 و ψ2 ، بدین ترتیب، شدت کل با رابطه زیر داده می شود:

filereader.php?p1=main_a8ec7914d4d9b28b8

که در آن δ اختلاف فاز بین ψ1 و ψ2 است و filereader.php?p1=main_c81e728d9d4c2f636جمله ای نوسانی است که در ایجاد الگوی تداخل نقش دارد (شکل 9). بنابراین توزیع شدت، نمی  تواند به تنهایی با I1 و I2 مشخص شود، زیرا به فاز بستگی دارد و این فاز را هنگامی که تنها یک روزنه باز باشد، نمی توان اندازه گیری کرد (δ را می توان با جداسازی روزنه ها یا با دانستن I1، I2 و I محاسبه کرد).
مطابق شکل 10، اگر دو چشمه موج کاملا یکسان (I1=I2) ولی با فاز مخالف (δ=180°) باشند، شدت موج تداخلی روی پرده صفرشده و نوار تاریک تشکیل می شود. اگر دو چشمه موج همفاز باشند (δ=0°)، شدت موج تداخلی همدیگر را تقویت می کنند و نوار روشن تشکیل می شود.

filereader.php?p1=main_b538e884faf52297c
شکل 10- دو موج بالایی همفاز و یکدیگر را تقویت می کنند و دو موج پایینی، دارای فاز مخالف و یکدیگر را خنثی می کنند.

از نظر فیزیک کلاسیک، تنها امواج هستند که الگوی پراش نشان می دهند نه ذرات. ولی در آزمایش دوشکافی که با چشمه های الکترونی انجام شد که بعدا به آن پرداخته خواهد شد، نتایج با آنچه فیزیک کلاسیک پیش بینی می کرد تفاوت داشت!
شکست فیزیک کلاسیک در توضیح چندین پدیده میکروسکوپی، مانند تابش جسم سیاه، اثر فوتوالکتریک، پایداری اتمی (اگر الکترونها در مدارهای پیوسته کلاسیکی باشند با از دست دادن انرژی خود باید شعاع دوران آن حول هسته کوچک و کوچک تر شود و نهایتا روی هسته سقوط کنند!) و طیف نگاری اتمی، راه را برای جستجوی ایده های جدید خارج از قلمرو فیزیک کلاسیک هموار ساخت.
نتیجه گیری:
موفقیت شایان فیزیک کلاسیک (مکانیک کلاسیک، نظریه کلاسیکی الکترومغناطیس و ترمودینامیک) این اطمینان را برای همگان ایجاد کرده بود که بهترین توصیف برای رفتارهای طبیعت بدست آمده است و به کمک قوانین نیوتن و معادلات ماکسول، پدیده های شناخته شده تا آن زمان، قابل توجیه بود. ولی با ظهور و پیشرفت تکنیکهای آزمایشگاهی به منظور بررسی ساختارهای اتمی و زیر اتمی، معلوم شد که فیزیک کلاسیک در توضیح و تشریح پدیده های جدید مانند تابش جسم سیاه، اثر فوتوالکتریک، پایداری اتمی و طیف نگاری اتمی به شدت ناتوان است که اعتبار فیزیک کلاسیک را در مقیاس میکروسکوپی زیر سوال می برد. بنابراین باید از مفاهیم جدید برای توجیه پدیده های مشاهده شده استفاده نمود که راه را برای ظهور مکانیک کوانتوم باز کرد.


نظرات و سوالات

نظرات

0 0

امیر فرزانه - ‏۱۳۹۵/۰۱/۰۶

سلام.

خدا قوت.

مطالب مقالات که به صورت فایل پاور پوینت آماده شده اند خیلی جذاب تر هستند و برای ارایه هم مناسب تر هستند از این بابت تشکر میکنم.اما به نظر بعضی نکات از قلم افتاده اند که اگر اضافه شوند بهتر خواهدشد.و این که ان شالله برای تمامی مقالات فایل پاور پوینت هم ارایه شود.

یا تشکر.

1 0

مرحانه غلامی - ‏۱۳۹۳/۰۵/۱۲

خوب

0 0

فردین عالی زاده - ‏۱۳۹۳/۰۲/۱۸

بسیار عالی .خوب وقابل فهم

0 0

مریم امیریان چایجان - ‏۱۳۹۳/۰۱/۲۱

ljk

0 -1

حسین نیک کامی - ‏۱۳۹۳/۰۱/۱۴

آیا سرعت همه ی امواج برابر سرعت نور است؟

مثلا سرعت موج صوت برابر سرعت نور است؟

در یکی از سوالات آزمون جلسه 1 فیزیک کوانتوم این طور می گوید. درسته؟

پاسخ مسئول سایت :
با سلام
خیر، بر طبق متن مقاله، منظور تنها امواج الکترومغناطیس است. از تذکر شما سپاسگزاریم. پاسخ اصلاح شد.
2 0

خسرو کرمی - ‏۱۳۹۳/۰۱/۰۴

بد نبود

2 0

سعید رنجبر - ‏۱۳۹۲/۱۰/۰۸

خیلی ممنون

6 0

فائزه قانعی - ‏۱۳۹۲/۰۹/۲۶

با سلام لطفا در مورد نظریه توماس یانگ و تناقضات نظریه فیزیک کلاسیک و فیزیک کوانتوم در مورد امواج اطلاعات بیشتری در اختیار کاربران قرار دهید

0 0

محمدرضا سنگیان - ‏۱۳۹۲/۰۸/۰۴

با تشکر مطالب خوب و رسا نوشته شده شاید نیاز به بسط بیشتر فرمول ها باشد.

0 0

مریم السادات ﻣﺄوائی

ok