یک آزمایش مشهور در فیزیک، به نام راترفورد (گایگر-مارسدن) وجود دارد1. در حدود سال های 1900 هنوز شتاب دهنده ها برای شلیک ذرات سنگین وجود نداشتند. درهمین دوران بود که رادیم کشف شد. یک ماده رادیواکتیو طبیعی2 که مثل یک تفنگ طبیعی برای گسیل ذرات آلفا استفاده می شد. پرتوزایی رادیوم منجر به گسیل ذرات آلفا می شد. نخستین آزمایش رسمی با این چشمه ذرات آلفا هم، همین آزمایش راترفورد است.
آزمایش به این شکل است که ذرات آلفا را به یک ورق نازک طلا شلیک میکنند. بیشتر ذرات عبور میکنند و برخی از آنها منحرف یا کاملا برمیگردند. پس وسایل آزمایش عبارتند از یک چشمه، ورق هدف از جنس طلا و یک آشکارساز که می تواند پشت و پیرامون ورق طلا قرار گیرد.
تا همین جا سوالاتی پیش می آید که اگر کسی واقعا می خواهد مساله را واکاوی کند نباید به راحتی از آن بگذرد. نخست اینکه این چشمه طبیعی، ذرات آلفا را در همه جهت ها گسیل می کند و باید راهی برای باریکه کردن این ذرات (BEAM) در یک مسیر مستقیم پیدا کرد. اما می دانیم با کمی خلاقیت این کار شدنی است پس وارد جزییاتش نمی شوم. ضخامت ورق طلا را گفته اند حدود 400 نانومتر است. در آن زمان هنوز روش های پیشرفته سنتز مثل CVD، PVD و ALD وجود نداشت و با تکنیک طلاکوبی ضخامت را به این عدد می رساندند3. دلیلش هم ویژگی چکش خواری (malleability) بسیار بالای طلا است.
تقریبا فهمیدیم که چیدمان آزمایش چطور ترتیب داده شد. حالا سوالات بیشتری پیش می آید. ابتدا خروجی آزمایش را می گویم و بعد سوالها را می پرسم و پاسخ می دهم.
هدف اولیه آزمایش راترفورد متزلزل کردن نظریه تامپسون بود. تامپسون اعتقاد بخش مثبت هندوانه اش، ابعادی به اندازه 8-^10 متر داشت. اما مشاهدات راترفورد چیز دیگری را عیان ساخت. بیشتر ذرات عبور کرده و روی صفحه فلورسانس رد خودشان را جا گذاشتند اما درصد کمی از ذرات هم منحرف شدند و درصد بسیار اندکی هم کاملا برگشتند. مسلما این نشان می داد که یک هسته سخت بسیار کوچکتر از آنچه تامپسون ادعا کرده بود وجود دارد و احتمالا الکترون هایی که به گرد این هسته می چرخند4. گویی ذرات آلفا مثل یک توپ بیلیارد به هسته اتم های طلا برخورد می کنند. بعضی منحرف می شوند و بعضی کاملا بر می گردند.
شاید این طور فکر کنید{از اینجا به بعد دانشم به روز و کوانتومی می شود و از دریچه فیزیک نوین نگاه می کنم}.
اما اشتباه می کنید.
هیچ برخوردی در کار نیست. هسته طلا بار مثبت دارد، هسته آلفا هم بار مثبت دارد، این دو اصلا آنقدری به هم نزدیک نمیشوند که برخورد کنند. ذرات آلفا به فاصله ۴۵.۵ فمتومتری هسته طلا میرسند و در اثر دافعه کولنی منحرف یا back-scatter می شوند. با حل معادله شرودینگر هم به سطع مقطع عرضی دیفرانسیلی پراکندگی مشابه با راترفورد می رسیم.
یعنی انرژی شلیک5 آنقدری نیست که بتواند بر نیروی دافعه کولنی غلبه کند و ذره آلفا را به مرز فعال سازی برهمکنش هسته ای با طلا پیش ببرد. شعاع هسته طلا تنها 7 فمتومتر است. اگر قرار باشد ذره آلفا بتواند نیروی کوتاه برد هسته ای را احساس کند، باید با انرژی ای شلیک شود که بتواند ذره آلفا را به نزدیکی هسته طلا برساند. تنها در این صورت است که یک واکنش هسته ای واقعی رخ می دهد.
سوال بعدم را اینجا می پرسم. ورق طلا یک بلور تک عنصری است. هسته (یون ها) در شبکه ای منظم قرار دارند و الکترون ها یک پتانسیل بلوری را در کل این ورق ایجاد میکنند. الکترون ها بار منفی دارند. چرا جلوی یونهای آلفا را نمی گیرند؟
این پتانسیل بلوری شاید بتواند ذرات سبک مثل الکترون ها را متوقف کند ولی ذرات سنگین پرانرژی را نمی تواند. اما میتواند یک اتلاف را ایجاد کند. در گذر از ورق طلا عمق نفوذ یا برد (Range) ذرات آلفا وابسته به ضخامت ورق است و می تواند الکترون های سر راهش را برانگیخته کند. این اتلاف را با رابطه ای به نام بیث-بلاخ (Bethe-Bloch) اندازه گیری می کنند. این اتلاف با توجه به ضخامت ورق آنقدری نیست که جلوی ذرات آلفا را بگیرد. اما شاید بتواند اندکی آن ها را منحرف کند.
در حقیقت این آزمایش راترفورد به هیچ عنوان یک آزمایش ساده و عادی نیست و دریچه ای برای ورود به دنیای فیزیک هسته ای و بس ذره ای است.
- البته گایگر و مارسدن زیر نظر راترفورد این آزمایش را انجام دادند. طراحی، نظارت و تفسیر آن را باید به حساب خود راترفورد نوشت ↩︎
- این تاریخ تقریبن مقارن با دوران هانری بکرل و کوری است که توانستند پرتوزایی، رادیوم و پولونیوم را کشف کنند ↩︎
- درباره درست بودن ضخامت طلا هم میتوانستند آن را به صورت دقیق وزن کنند. ↩︎
- یادمان باشد که هنوز در آن زمان توصیفات دنیای کلاسیکی حاکم بود ولو اینکه اگر نبود هم کلاسیک کافی بود ↩︎
- آن زمان شلیکی در کار نبوده و گسیل طبیعی با انرژی حدود 5MeV رخ میداد ↩︎
دیدگاهتان را بنویسید