پیوند ها
مقدمه
در اين نوشتههدف اصلي توجيه اثر متقابل فوتون و گراويتون با توجه به نظريه سي. پي. اچاست. نخستين برخورد ها با اثر فوتوالكتريك از ديدگاه الكترومغناطيس كلاسيك صورتگرفت كه توانايي توجيه آن را نداشت. سپس انيشتين اين پديده را با توجه به ديدگاهكوانتومي توجيه كرد. بنابراين نخست ميدانها و امواج الكترومغناطيسي كلاسيك را بطورفشرده بيان كرده، آنگاه با ذكر نارسايي آن به تشريح پديده فوتوالكتريك از ديدگاهانيشتين مي پردازم و سرانجام هر سه اثر فوتوالكتريك، اثر كامپتون و توليد و واپاشيزوج ماده - پاد ماده را با توجه به نظريه سي. پي. اچ. بررسي خواهم كرد. و سرانجامتلاش خواهد شد تا وحدت نيروهاي الكترومغناطيس و گرانش را نتيجه گيريكنيم.
نيروهاي الكتريكي ومغناطيسي
نيروهاي بين بارهاي الكتريكي رامي توان به دو نوع تقسيم كرد. دو بار نقطه اي ساكن يا متحرك به يكديگر نيرويالكتريكي وارد مي كنند كه از رابطه ي زير به دست مي آيد:
Fe=kqQ/r2
كه در آن
وقتي دو بار الكتريكي نسبت به ناظري درحركت باشند، علاوه بر نيروي الكتريكي، نيروي مغناطيسي نيز بر يكديگر وارد ميكنند.
از آنجاييكه بررسي نيروها با استفاده ازمفاهيم ميدان عميق تر و ساده تر است، مي توان گفت كه هر بار الكتريكي در اطراف خوديك ميدان الكتريكي ايجاد مي كند كه شدت آن در فاصله r از آن، از رابطه ي زير به دست ميآيد:
E=kq/r2
حال اگر ذره ي باردار حركت كند، دراطراف آن علاوه بر ميدان الكتريكي، يك ميدان مغناطيسي نيز ايجاد مي شود كه وجود چنين ميدان مغناطيسي بصورت تجربي قابل اثبات است اگر ذره اي با بار الكتريكيqدر يك ميدان مغناطيسيB و با سرعت vحركت كند، نيرويي بر آن وارد مي شود كهبر صفحه ي B, v عمود است كه از رابطه ي زير به دست ميآيد:
F=qvxB
از اين رو، بار qكه به فاصله ي rازQقرار دارد و با سرعتvحركت مي كند، يك ميدان مغناطيسي درمحلQتوليد مي كند كه از رابطه ي زير به دستمي آيد :
بطور خلاصه، در نقطه اي كه ميدانالكتريكي و مغناطيسيE , Bوجود دارد، نيروي الكترومغناطيسي واردبر ذره باردار، با بار qكه با سرعتvحركت مي كند برابر است با
ميدانهاي الكترومغناطيسي
در يك ميدان الكتريكي موجود در فضا، بهعنوان مثال در بين صفحات يك خازن باردار، انرژي الكتريكي وجود دارد. چگالي انرژي ياانرژي الكتريكي در واحد حجم از رابطه ي زير به دست مي آيد :
بطور مشابه چگالي انرژي مغناطيسيمثلاً انرژي مغناطيسي در ناحيه بين قطب هاي يك آهنربا برابر استبا
امواج الكترومغناطيسي
بار الكتريكي ساكن ميدان الكتريكيمي آفريند. اما بار الكتريكي متحرك علاوه بر ميدان الكتريكي، ميدان مغناطيسي نيزايجاد مي كند كه در قانون آمپر بخوبي نشان داده شده است. بنابراين در اطراف يك بارالكتريكي متحرك دو ميدان الكتريكي و مغناطيسي وجود دارد. يعني با تغيير ميدانالكتريكي، ميدان مغناطيسي توليد مي شود. همچنين ميدان مغناطيسي متغيير نيز نيز بهنوبه خود، يك ميدان الكتريكي مي آفريند كه با قانون فاراده نشان داده مي شود. اينمطالب نشان مي دهد كه چگونه امواج الكترومغناطيسي توليد مي شوند. بنابراين يك بارالكتريكي در حال نوسان (شتابدار) در فضا امواج الكتريكي و مغناطيسي توليد مي كند. فركانس اين امواج برابر است با فركانس بار الكتريكي توليد كننده ي امواج. اينميدانها، يك ميدان الكترومغناطيسي تشكيل مي دهند كه پس از انتشار با سرعتنورc در فضا منتشر مي شود.
امواج الكترومغناطيسي كه در بالا توصيفشد بطور نظري در سال 1864 توسط معادلات كلارك ماكسول پيشگويي شد. علاوه بر آنماكسول نشان داد كه سرعت انتشار اين امواج در خلاء از رابطه ي زير به دست ميآيد:
شدت موج الكترومغناطيسي
شدت موج الكترومغناطيسي برابر است بامقدار انرژي كه از واحد سطح در واحد زمان مي گذرد كه از روابط زير به دست ميآيد:
امواج الكترومغناطيسي براي اولين بارتوسط هانريش هرتز در سال 1887 در آزمايشگاه مشاهده شد. طيف امواج الكترومغناطيسياز امواج راديويي با طول موجهاي بلند تا امواج كوتاه گاما را شامل مي شود ونور معمولي بخش بسيار ناچيزي از آن را تشكيل مي دهد .
كشف اثر فوتوالكتريك
هرتز در جريان آزمايشهايي كه براي تاييدپيشگويي هاي نظري ماكسول در مورد امواج الكترومغناطيسي انجام مي داد، اثرفوتوالكتريك را نيز كشف كرد. بدين معني كه هرگاه نور بر فلزات بتابد، سبب صدورالكترون از سطح فلز مي شود. وقتي كه فيزيكدانان به تكرار اين آزمايش پرداختند، باكمال تعجب متوجه شدند كه شدت نور، تاثيري بر انرژي الكترونهاي صادر شده ندارد. اماتغيير طول طول موج نور بر انرژي الكترونها موثر است، مثلاً سرعتي كه الكترونها براثر نور آبي به دست مي آورند، بيشتر از سرعتي است كه بر اثر تابش نور زرد به دست ميآورند.
همچنين تعداد الكترونهايي كه در نور آبيبا شدت كمتر از سطح فلز جدا مي شوند، كمتر از تعداد الكترونهايي است كه بر اثر نورزرد شديد صادر مي شوند. اما باز هم سرعت الكترونهايي كه بر اثر نور آبي صادر ميشوند، بيشتر از سرعت الكترونهايي است كه توسط نور زرد صادر مي شوند. علاوه بر آننور قرمز، هر قدر هم كه شديد باشد، نمي تواند از سطح بعضي از فلزات الكترون جداكند.
نارسايي الكترومغناطيس كلاسيك در توجيه اثرفوتوالكتريك
مي دانيم الكترونهاي ظرفيت در داخل فلزآزادي حركت دارند، اما به فلز مقيد هستند. براي جدا كردن آنها از سطح فلز بايستيانرژي به اندازه اي باشد كه بتواند بر اين انرژي مقيد فائق آيد. در صورتيكه اينانرژي كمتر از مقدار لازم باشد، نمي تواند الكترون را از سطح فلز جدا كند. طبقنظريه ي الكترومغناطيس كلاسيك، انرژي الكترومغناطيسي يك كميت پيوسته بود، لذا هرتابشي مي بايست در الكترون ذخيره و با انرژي قديمي كه الكترون داشت، جمع مي شد تازمانيكه انرژي مورد نياز تامين گردد و الكترون از فلز جدا شود از طرف ديگر چون مقدار انرژي مقيدالكترونهاي داخل فلز هم ارز هستند، اگرانرژي لازم براي جدا شدن آنها به اندازهي كافي مي رسيد، مي بايست با جدا شدن يك الكترون از سطح فلز، تعداد زيادي الكترون آزاد شود همچنين با توجه به اينكه انرژي پيوستهاست، مي بايست انرژي تابشي بين الكترونهاي آزاد توزيع مي شد تا هنگاميكه انرژي همهي الكترونها به ميزان لازم نمي رسيد، نمي بايست انتظار جدا شدن الكتروني را داشتهباشيم. به عبارت ديگر نمي بايست به محض تابش، شاهد جدا شدن الكترون از سطح فلزبود.
مكانيك كوانتومي
همزمان با اين مشكلات كه مكانيككلاسيك با آن رو به رو بود، يك رويداد ديگر در شرف تكوين بود. در سال 1893ويلهلم وين نظريه اي در باره ي توزيع انرژي تابش جسم سياه يعني مقدار انرژي كه دريك طول موج معين تابش مي كند وضع كرد. بر طبق اين نظريه فرمولي به دست آمد كهتوزيع انرژي را در انتهاي بنفش با دقت توصيف مي كرد، اما در باره ي توزيع انرژي درانتهاي قرمز طيف صدق نمي كرد. از.....................
مبلغ قابل پرداخت 5,500 تومان
برچسب های مهم
