آلبرت اینشتین

پدیده فوتوالکتریک

در سال 1887 هانریش هرتز در حین انجام آزمایشی متوجه شد که تاباندن نور با طول موج ‌های کوتاه مانند امواج فرابنفش به کلاهک فلزی یک الکتروسکوپ که دارای بار الکتریکی منفی است، باعث تخلیه الکتریکی الکتروسکوپ می‌شود. وی با انجام آزمایش‌ های بعدی نشان داد که تخلیه الکتروسکوپ به خاطر جدا شدن الکترون از سطح کلاهک فلزی آن است. این پدیده را فتوالکتریک می‌نامند. نخستین برخوردها برای توجیه اثر فوتوالکتریک از دیدگاه الکترومغناطیس کلاسیک صورت گرفت که توانایی توجیه آن را نداشت. سپس انیشتین این پدیده را با توجه به دیدگاه کوانتومی پلانک توجیه کرد.

پس از کشف پدیده فوتوالکتریک توسط هرتز، وقتیکه فیزیکدانان به تکرار این آزمایش پرداختند، با کمال تعجب متوجه شدند که شدت نور، تاثیری بر انرژی الکترون‌های صادر شده ندارد. اما تغییر طول موج نور، بر انرژی الکترون‌ها موثر است، مثلا سرعتی که الکترون‌ها بر اثر نور آبی بدست می‌آورند، بیشتر از سرعتی است که بر اثر تابش نور زرد به دست می‌آورند.

همچنین تعداد الکترون‌هایی که در نور آبی با شدت کمتر از سطح فلز جدا می‌شوند، کمتر از تعداد الکترون‌هایی است که بر اثر نور زرد شدید صادر می‌شوند، اما باز هم سرعت الکترون‌هایی که بر اثر نور آبی صادر می‌شوند، بیشتر از سرعت الکترون‌هایی است که توسط نور زرد صادر می‌شوند. علاوه بر آن نورقرمز، هر قدر هم که شدید باشد، نمی‌تواند از سطح بعضی از فلزات الکترون جدا کند.

الکترونهای ظرفیت در داخل فلز آزادی حرکت دارند، اما به فلز مقید هستند. برای جدا کردن آنها از سطح فلز بایستی انرژی به اندازه‌ای باشد که بتواند بر انرژی بستگی چیره شود، در صورتی که این انرژی کمتر از مقدار لازم باشد، نمی‌تواند الکترون را از سطح فلز جدا کند. طبق نظریه الکترومغناطیس کلاسیک، انرژی الکترومغناطیسی کمیتی پیوسته است، لذا هر تابشی می‌بایست در الکترون ذخیره و با انرژی قدیمی که الکترون داشت، جمع می‌شد تا زمانیکه انرژی مورد نیاز تامین گردد و الکترون از سطح فلز جدا شود. از طرف دیگر چون مقدار انرژی مقید الکترون‌های داخل فلز، برابر هستند اگر انرژی لازم برای جدا شدن آنها به اندازه کافی می‌رسید، می بایست با جدا شدن یک الکترون از سطح فلز، تعداد زیادی الکترون آزاد شود.

همچنین با توجه به اینکه انرژی کمیتی پیوسته است، می بایست انرژی تابشی بین الکترون‌های آزاد، توزیع می‌شد تا هنگامی که انرژی همه الکترونها به میزان لازم نمی‌رسید، نمی‌بایست انتظار جدا شدن الکترونی را داشته باشیم، به عبارت دیگر نمی‌بایست به محض تابش، شاهد جدا شدن الکترون از سطح فلزبود.

 

توجیه کوانتومی پدیده فتوالکتریک توسط انیشتین

انیشتین در سال 1905 با استفاده از نظریه کوانتومی انرژی، پدیده فتوالکتریک را توضیح داد. بنابر نظریه کوانتومی، امواج الکترومغناطیسی که به ظاهر پیوسته‌اند، کوانتومی می‌باشند. این کوانتوم‌های انرژی را که فوتون می‌نامند، از رابطه پلانک تبعیت می‌کنند. بنابر نظریه کوانتومی پلانک، یک باریکه نور با بسامد ν شامل تعدادی فوتون های ذره گونه است که هر یک دارای انرژی E=hν می‌باشد. یک فوتون تنها می‌تواند با یک الکترون در سطح فلز برهمکنش کند. این فوتون نمی‌تواند انرژی خود را بین چندین الکترون تقسیم کند. چون فوتون‌ها با سرعت نور حرکت می‌کنند، بر اساس نظریه نسبیت، باید دارای جرم حالت سکون صفر باشند و تمام انرژی آنها جنبشی است. هنگامی که ذره‌ای با جرم حالت سکون صفر از حرکت بازمی‌ماند، موجودیت آن از بین می‌رود و تنها زمانی وجود دارد که با سرعت نور حرکت کند و از این رو وقتی فوتونی با یک الکترون مقید در سطح فلز برخورد می‌کند و پس از آن دیگر با سرعت منحصر به فرد نور C حرکت نمی‌کند، تمام انرژی hν خود را به الکترونی که با آن برخورد کرده است می‌دهد و اگر انرژی که الکترون مقید از فوتون می‌گیرد، از انرژی بستگی به سطح فلز بیشتر باشد، زیادی انرژی به صورت انرژی جنبشی فتوالکترون درمی‌آید. اگر فرض کنیم انرژی بستگی الکترون بر سطح فلز W باشد که این مقدار برابر باشد با انرژی W=hν ، آنگاه یک فوتون با انرژی hν زمانی می تواند الکترون را از سطح فلز جدا کند که:

hν≥W=hν0

چنانچه انرژی فوتون فرودی بیشتر از انرژی بستگی الکترون باشد، مابقی انرژی به صورت انرژی جنبشی الکترون ظاهر می شود و خواهیم داشت.

hν=1/2m0v²+hν0

که در آن Ee=1/2m0v² انرژی جنبشی الکترون، پس از جدا شدن از سطح فلز است. به همین دلیل اگر انرژی نور تابشی کمتر از انرژی بستگی الکترون باشد، با هر شدتی که بر سطح فلز بتابد، پدیده فتوالکتریک روی نمی دهد. علاوه بر آن به محض رسیدن فوتون با انرژی کافی بر سطح فلز، گسیل فتوالکتریک بی‌درنگ اتفاق می‌افتد.

هر چند در اینجا بحث در مورد اثر تابش بر سطح فلز بود، اما این اثر به فلزات محدود نمی‌شود. به طور کلی هر گاه فوتونی با انرژی کافی به الکترون مقید برخورد کند، الکترون را از اتم جدا می‌کند و اتم یونیزه می‌شود. با توجیه انیشتین شدت موج الکترومغناطیسی در نظریه مکانیک کوانتوم مفهوم جدیدی پیدا کرد. در مکانیک کوانتوم شدت موج تکفام الکترومغناطیسی برابر است با حاصلضرب انرژی هر فوتون در تعداد فوتون‌هایی که در واحد زمان از واحد سطح عبورمی‌کنند.

این توضیح انیشتین برای پدیده فتوالکتریک نوبل 1921 را برایش به ارمغان آورد.

 

 

 

 

نسبیت خاص

هر دو نظریه نسبیت خاص و عام را آلبرت انیشتین پایه گذاری نمود. در سال 1905 نظریه نسبیت خاص توسط انیشتین 26 ساله منتشر شد. به طور کلی این نظریه رفتار اجسام را در سرعت ثابت بررسی می کند و نسبیت عام که در سال 1915 ارائه شد شرح می دهد که اجسام در حرکت شتاب دار چه رفتاری را از خود نشان می دهند نسبیت خاص در سرعتهای نزدیک نور بیان شده است و درسرعتهای خیلی کمتر کارایی ندارد به همین دلیل است که به پیچیدگی و غیر قابل فهم بودن مشهور شده است چون با مشاهدات عادی مان تطابق ندارد.

این نظریه به بیان این مطلب می پردازد که همه سرعت ها نسبی هستند به جز سرعت نور که نسبی نیست و یکسان و مطلق است. حال ببینیم که این جمله ساده چگونه منجر به نتیجه گیری عظیمی می شود که اجازه دهید با مثالی این مسئله را توضیح دهیم. فرض کنید دو ماشین الف و ب و یک ناضر ساکن در اختیار داریم. از نظر ناظر ساکن ماشین الف با سرعت 10 کیلومتر بر ثانیه حرکت می کند و ماشین ب با سرعت 9 کیلومتر بر ثانیه در پشت سر آن در حال حرکت است. طبیعتا از نظر ما که داخل ماشین ب هستیم ماشین الف با سرعت 1 کیلو متر بر ثانیه حرکت می کند. حال فرض کنیم ما در یک موشکی که با سرعت 200000 کیلومتر بر ثانیه حرکت می کند هستیم و در این لحظه پرتو نوری از کنار ما با سرعت 300000 کیلومتر بر ثانیه می گذرد. به احتمال قوی فکر خواهیم کرد نور با سرعت 100000 کیلومتر بر ثانیه از کنار ما می گذرد. ولی مشاهده خواهیم کرد که نور با همان سرعت 300000 کیلومتر بر ثانیه از کنار ما می گذرد!

در این لحظه ما سرعت موشک را زیاد می کنیم تا از نظر ساکن سرعت موشک به 299999.9999 برسد در این لحظه باز هم ما خواهیم دید که نور با همان سرعت حرکت 300000 مشاهده خواهد کرد. در این هنگام ناظر ساکن به موشک توجه می کند متوجه می شود که طول آن نسبت به قبل کاهش یافته و حرکات درون موشک بسیار کند شده است. اگر او بر نحوی بتواند جرم موشک را اندازه بگیرد متوجه می شود که جرم موشک نیز افزایش یافته است.

تا به اینجا به چند نتیجه می رسیم:

1-از نظر شخص ساکن به سرعت نور نزدیک می شویم ولی از آن فراتر نخواهیم رفت.

2-اگر باز هم سرعت را زیاد کنیم باز هم نور از نظر ما با همان سرعت حرکت می کند به طوریکه به نظر می آید که ما اصلا حرکتی نکردیم!

3-هر چه سرعت به سرعت نور نزدیکتر می شود طول ما نیز کمتر می شود.

4-هر چه سرعتمان زیاد تر شود حرکتمان از نظر ساکن کند تر می شود ولی خودمان هیچ احساسی نمی کنیم.

5-با افزایش سرعت جرممان نیز افزایش می یابد.

اما راه حل نسبیت خاص:

1-سرعت نور در خلا بالاترین سرعت در جهان است.

2-این سرعت همانطور که گفته شد مطلق و یکسان برای همه ناظران است.

3-زمان کند می شود یعنی به جای اینکه خودمان و ساعت هایمان در موشک کند شوند، خود زمان کند می شود ولی ما هیچ احساسی نمی کنیم چون ما نیز کند شده ایم. یعنی زمان نسبی است که به آن اتساع نسبیتی زمان می گویند یعنی وقتی دو ناظر نسبت به هم در حرکت باشند هر کدام گذر زمان را برای دیگری کندتر می بیند.

4-موشک کوچک می شود چون فضا هم نسبی است و فاصله بین دو نقطه برای ناظران مختلف متفاوت است که به آن انقبض نسبیتی لورنتزمی گویند. یعنی اگر دو ناظر نسبت به هم در حال حرکت باشند هر یک دیگری را کوتاهتر از قبل می بیند.

5-هر چه سرعت مان افزایش بیابد از نظر ناظر بیرون از موشک جرممان نیز افزایش خواهد یافت در حالیکه خودمان متوجه نشدیم یعنی افزایش جرم نیز نسبی است. که به آن افزایش نسبیتی جرم می گویند که یعنی اگر دو ناظر نسبت به هم در حرکت باشند هر کدام جرم دیگری را بیشتر از قبل می بیند. این جرم اضافی از رابطه مشهور E=mc2  بدست می آید (E انرژی،m جرم،c سرعت نور). یعنی اینکه جرم و انرژی می تواند به هم تبدیل شوند. در نتیجه چون سرعت نور مقدار زیادی است بنابراین مقدار کمی از جرم می تواند به انرژی زیادی تبدیل شود و یا مقدار زیادی انرژی می تواند به مقدار نا چیزی جرم تبدیل شود، بنابراین در سرعتهای کم افزایش جرم مشهود نیست.

 

 

 

 

نسبیت عام

آلبرت انیشتین پس از ارائه نظریه نسبیت خاص، به اصلاح نظریه نیوتن پرداخت تا آن را با اصول نسبیتی تطبیق دهد. بنابر نظریه گرانش نیوتن دو جسم نیروی گرانشی بر هم وارد می کنند. این نیرو متناسب است با جرم هر کدام و تناسب معکوس دارد با مجذور فاصله آنها. در نظر نیوتن این نیرو آنی بر جسم وارد می شود یعنی اینکه به محض حضور جسم نیرو بر آن وارد می شود. پس اگر جسم نابود شود بلافاصله نیرویی که بر جسم دیگر وارد می کند از بین خواهد رفت. انیشتین به نادرست بودن این نظر پی برد چرا که هیچ نیرویی (همچنین هیچ جسمی) نمی تواند سریعتر از نور منتشر شود. از این رو انیشتین نظریه خود براساس این که سرعت انتشار گرانش همان سرعت نور باشد ارائه کرد. انیشتین برای توضیح این مطلب بعد زمان را به سه بعد فضایی دیگر اضافه کرد در نتیجه مفهوم فضا-زمان را ایجاد کرد. سپس توضیح داد که در این صورت هر جرمی بدلیل ایجاد انحنا در فضا باعث ایجاد گرانش می شود. بنابراین مفهوم نیرو از بین رفت.

برای سادگی مطلب به جای فضای چهار بعدی یک مثال در فضای سه بعدی می زنیم یک صفحه لاستیکی را بر روی یک چهار چوب کشیده شده است در نظر آورید. این صفحه صاف است. یک گوی سنگین در وسط آن قرار میدهیم که باعث فرو رفتگی در صفحه پلاستیکی می شود. پس اگر تیله ای را بر روی صفحه لاستیکی و در حوالی گوی سنگین سر بدهند، انحنای صفحه لاستیکی باعث می شود که تیله مسیری منحنی دنبال کند. یک ناظر که نتواند انحنای سطح لاستیکی را ببیند خواهد گفت: گوی دارد نیرویی بر تیله اعمال و آن را از مسیر منحرف می کند و ولی ما میدانیم نیرویی در کار نیست بلکه حرکت انحراف حرکت نتیجه انحنای صفحه است. فضا-زمان نیز تا حدودی به همین شکل است اگر جرمی در آن قرار بگیرد باعث انحنای آن می شود که حتی نور (که جرم ندارد) را منحرف می کند. بنابراین نیرو مفهموم خود را از دست می دهد.

قانون دوم نیوتن می گوید نیرو برابر است با جرم در شتاب(F=ma). اکنون با این قانون و قانون گرانش نیوتن اگر جرم یک جسم را نداشته باشیم می توانیم از هر دو فرمول جرم یک جسم را بدست آوریم. در این هنگام متوجه می شویم که جرم بدست آمده از هر دو روش با دقت بالایی مساوی هستند. حتی با آزمایش های بسیار دقیق متوجه شده ایم که جرم بدست آمده حداقل با دقت یک در 1012 با هم یکدیگر برابر می باشند. انیشتین احساس کرد که برابری این دو جرم بدست آمده از دو روش اتفاقی نیست بلکه گرانش و شتاب با هم، هم ارزند. او این مسئله را اصل هم ارزی نام نهاد. یعنی اینکه گرانش و شتاب مانند هم اثر می کنند.

یک مثال ساده آسانسوری است که وزنه تعادل اش پاره شده است و آزادانه سقوط می کند. شخصی که در این آسانسور است احساس بی وزنی می کند یعنی اگر روی ترازویی ایستاده باشد عقربه ترازو صفر را نشان خواهد داد. پس نیروی گرانش چه شده است!حال اگر به دور از جرم بزرگ و در فضا باشید باز هم همین احساس بی وزنی را خواهید داشت. یعنی در آن حال سقوط نیروی گرانش از بین رفته است؟ نه قطعا از بین نرفته است. هر شئی را که در این آسانسور رها کنید در همان محل اولیه خود می ایستد. پس اگر دسترسی به بیرون آسانسور نداشته باشید خواهید گفت هیچ نیرویی بر اشیاء داخل آسانسور وارد نمی شود چون نیروی گرانش به سمت پایین وارد می شود باید نتیجه بگیریم که نیروی دیگری برابر اما در خلاف جهت گرانش بر اشیاء وارد می شود که گرانش را خنثی می کند. این نیرو ناشی از وجود شتاب برابر g یعنی سقوط آزاد به سمت پایین است که نیرویی برابر گرانش، اما به سمت بالا بر اشیاء وارد می کند. از این اصل می توان نتیجه گرفت که همان اثری که گرانش بر فضا-زمان می گذارد شتاب هم انجام می دهد.

می بینید که نسبیت عام تصور ما را از فضا و زمان تا چه اندازه تغییر داده است. ولی هنوز نظریه نیوتن در جرم های پایین از دقت بالایی بر خوردار است. حال نباید فراموش کنیم که هر دو به وجود آورنده این دو نظریه از بزرگترین دانشمندان تمام دوران هستند.

نویسنده و گرد آورنده: محمد شیروانی

 

 

حالت بوز-انیشتین

این حالت ماده، یعنی حالت متراکم، تنها حالت ماده است که در زمان کشف شدن آن، شما هم به دنیا آمده بودید. در 1995 دو دانشمند به نام های کرنل و وای من، این حالت ماده را ساختند. دو دانشمند دیگر یعنی ساتیندرا بوز و آلبرت انیشتین وجود داشتن این حالت را در سال 1920 پیش بینی کرده بودند. ولی آنها وسایل و امکانات لازم را برای ساختن آن نداشتند. اما ما حالا می توانیم!

اتم های پلاسما ها فوق العاده داغ و فوق العاده برانگیخته هستند. اما حالت متراکم(BEC) درست برعکس این است. آنها کاملا تحریک نشده و فوق العاده سرد هستند.

بگذارید اول "متراکم شدن" را توضیح بدهیم. متراکم شدن یا چگالش وقتی رخ می دهد که چند مولکول گاز با یکدیگر جمع شده و تبدیل به مایع بشوند. این اتفاق به خاطر کاهش انرژی می افتد. اتم های گازها واقعا برانگیخته و پر انرژی هستند. وقتی انرژی شان کم می شود، حرکت شان کند می شود و دور هم جمع می شوند و می توانند تبدیل به قطره شوند.

وقتی آب را می جوشانید، بخار آب روی در  قابلمه چگالیده یا متراکم می شود.یعنی روی در فلزی سرد شده، دوباره به مایع تبدیل می شود. حالا به آن یک ماده چگال می گویند.

حالت متراکم در دمای فوق العاده پایین اتفاق می افتد. حتما درباره مقیاس های دما و درجه کلوین می دانید. در صفر درجه کلوین تمام مولکول ها از حرکت می ایستند. دانشمندان راهی پیدا کرده اند که بتوانند ماده را تا دمای نزدیک به صفر مطلق سرد کنند.

وقتی که دما تا این حد کم می شود، می شود با چند عنصر خاص حالت متراکم ماده ساخت. کرنل و وای من این کار را با عنصر روبیدیم انجام دادند.

خب حالا ماده ای داریم که سرد است اما نه هر سردی! چون یک تکه یخ هنوز در حالت جامد است. اما وقتی به دمایی نزدیک صفر مطلق می رسیم، اتفاق خاصی می افتد. اتم ها شروع به جمع و یکپارچه شدن می کنند. تمام این اتفاق در دمایی حدود چند بیلیونیم درجه رخ می دهد، در نتیجه شما آن را توی خانه تان تجربه نمی کنید.

نتیجه ی این یکپارچه شدن اتم ها، حالت متراکم بوز - انشتین است. اتم هایی که در یک محل جمع شده اند، تشکیل یک ابر اتم می دهند. دیگر هزاران اتم مجزا نداریم. همه آنها کیفیت مشابهی دارند و برای هدف ما تبدیل به یک توده واحد شده اند.

مترجم: ساناز فرهنگی

 

 

 

انیشتین و راننده اش

انیشتین برای رفتن به سخنرانی ها و تدریس در دانشگاه از راننده مورد اطمینان خودکمک می گرفت. راننده وی نه تنها ماشین او را هدایت می کرد بلکه همیشه در طول سخنرانی ها در میان شنوندگان حضور داشت بطوریکه به مباحث انیشتین تسلط پیدا کرده بود! یک روز انیشتین در حالی که در راه دانشگاه بود با صدای بلند گفت که خیلی احساس خستگی می کند؟

راننده اش پیشنهاد داد که آنها جایشان را عوض کنند و او جای انیشتین سخنرانی کند چرا که انیشتین تنها در یک دانشگاه استاد بود و در دانشگاهی که سخنرانی داشت کسی او را نمی شناخت و طبعا نمی توانستند او را از راننده اصلی تشخیص دهند.

انیشتین قبول کرد، اما در مورد اینکه اگر پس از سخنرانی سوالات سختی از وی بپرسند او چه می کند، کمی تردید داشت.

به هر حال سخنرانی راننده به نحوی عالی انجام شد ولی تصور انیشتین درست از آب درآمد. دانشجویان در پایان سخنرانی شروع به مطرح کردن سوالات خود کردند.

در این حین راننده باهوش گفت: سوالات به قدری ساده هستند که حتی راننده من نیز می تواند به آنها پاسخ دهد. سپس انیشتین از میان حضار برخواست و به راحتی به سوالات پاسخ داد به حدی که باعث شگفتی حضار شد!

/ 8 نظر / 11 بازدید
ایرین

عالی بود وکامل ممنون

سینا

ممنون از مطالبی که میزاری من که تو رو تو ی وبلاگ خودم لینک کردم لطفا من رو نیز در وبلاگ خود لینک کنی

سینا

ممنون از مطالبی که میزاری من که تو رو تو ی وبلاگ خودم لینک کردم لطفا من رو نیز در وبلاگ خود لینک کنی

کیارش پیرنیا

لطفا اگه خواستی همدیگرو لینک کنیم تو بخش نظرات وبلاگم مطرح کن[لبخند]

شهرزاد

ممنون خیلی مطالب خوبی داری بهمن که خیلی کمک کرد.موفق باشی[تایید]

یلدا

از مطالب بسیار زیبا تون لذت بردم ولئ همه ی افراد نمی تونند درک کنند [گل]

تفریحی

ابرت اینشتین اصلا یه چیز دیکه بود

متین

خیلی ممنون از مطالبتون من خودم از بچگی عاشق فیزیک بودم من تو وبلاگم آدرس شما رو اضافه کردم خوشحال میشم اگه منو هم لینک کنی [چشمک] [لبخند]