Το ερώτημα παρέμενε: το ηλεκτρόνιο είναι σωματίδιο ή κύμα; Η ερώτηση είχε αρχίσει να απασχολεί όλο και περισσότερους φυσικούς ενώ συνεχώς νέα δεδομένα ενίσχυαν την αρχική επισήμανση του Plank, ότι το φως έχει άλλοτε χαρακτήρα σωματιδίου και άλλοτε κύματος. Τα δεδομένα αυτά αφορούσαν το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, το φαινόμενο Compton.
Ο Maxwell και ο Hertz είχαν αποδείξει ότι το φως αποτελείται από ταλαντώσεις ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Το 1905 ο Einstein κατάφερε να εξηγήσει το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο με τη βάση τη σωματιδιακή φύση του φωτός. Ο Einstein για αυτή την εργασία τιμήθηκε με το βραβείο Νόμπελ. Απέδειξε ότι η ενέργεια ενός ηλεκτρομαγνητικού κύματος δεν είναι ισοκατανεμημένη στο κυματικό μέτωπο αλλά μεταφέρεται σε διακριτές ποσότητες, τα φωτόνια12.
Το 1922 ο Compton παρατήρησε οτι το μήκος κύματος των ακτίνων Χ αυξάνει μετά τη σκέδασή τους από την ύλη. Η άυξηση αυτή, απολύτως κατανοητή και αναμενόμενη σήμερα, ήταν αδύνατο να ερμηνευθεί από την κυματική θεωρία του φωτός, και απετέλεσε ένα ακόμη ισχυρό επιχείρημα υπέρ του σωματιδιακού χαρακτήρα της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας13. Η ανακάλυψη και η ερμηνεία του φαινομένου Compton έδωσαν στον Compton, το 1927, το βραβείο Nobel.
Το 1924 στη διδακτορική του διατριβή ο Maurice de Broglie πρότεινε την ύπαρξη υλοκυμάτων14. Ο de Broglie επέκτεινε σε όλα τα κινούμενα σωματίδια τη θεωρία του Plank για τα φωτόνια. Σύμφωνα με τον de Broglie όπως το φως που κινείται με ταχύτητα c έχει κυματικές και σωματιδιακές ιδιότητες, έτσι και τα κινούμενα σωματίδια έχουν χαρακτήρα κύματος. Σύνδεσε τη μάζα m των σωματιδίων με το μήκος κύματος λ σε μια εξίσωση: λ = h/mc.
Για να εξηγήσουν την υπόθεση αυτή οι φυσικοί συχνά χρησιμοποιούσαν ένα νοητικό πείραμα, στο οποίο το πείραμα του Young με τη διπλή σχισμή πραγματοποιείται με τη χρήση μίας δέσμης ηλεκτρονίων αντί για φωτόνια. Μία δέσμη ηλεκτρονίων προσκρούει σε ένα πέτασμα με δύο σχισμές από τις οποίες περνούνε τα ηλεκτρόνια και αποτυπώνονται σε μία επιφάνεια πίσω από το πέτασμα. Ακολουθώντας τους νόμους της κβαντομηχανικής η δέσμη των σωματιδίων θα χωριζόταν στα δύο και η σύνθεση των επιμέρους δεσμίδων θα αλληλεπιδρούσε με τέτοιο τρόπο, ώστε να σχηματιστεί το ίδιο σχήμα των φωτεινών και σκοτεινών λωρίδων, όπως γίνεται και με την περίπτωση που το πείραμα εκτελείται με μία φωτεινή δέσμη.
 |
Σχήμα 10 Πείραμα Young |
Υποστήριξε μάλιστα ότι αυτή η σχέση ισχύει για οποιαδήποτε άλλη ταχύτητα μικρότερης από εκείνης του φωτός. Η πρόταση αυτή επιβεβαιώθηκε πειραματικά το 1927 από τον G. P. Thomson (γιός του J. J. Thomson), ο οποίος παρατήρησε το φαινόμενο περίθλασης ηλεκτρονίων, κατά το οποίο τα ηλεκτρόνια εμφάνιζαν συμπεριφορά που αντιστοιχούσε σε εκείνη των κυμάτων. Ο de Broglie τιμήθηκε με το Νόμπελ Φυσικής το 1929. Χάρις στην εργασία του τώρα ήταν σαφές ότι όλα τα κύματα συμπεριφέρονται ως σωματίδια και ότι όλα τα σωματίδια συμπεριφέρονται ως κύματα.
 |
Σχήμα 11 Πειραματική διάταξη διάθλασης ηλεκτρονίων G. P. Thomson |
Το 1926 ο Ervin Schrodinger εισήγαγε την κυματική εξίσωση του ηλεκτρονίου για το άτομο του υδρογόνου, σύμφωνα με την οποία η θέση ενός ηλεκτρονίου μπορεί να είναι οπουδήποτε από το κέντρο του πυρήνα ως μια άπειρη ακτινική απόσταση. Όπως όλα τα κύματα η θέση του ανα πάση στιγμή δινόταν από μια θεωρητική ποσότητα την κυματοσυνάρτηση ψ, η οποία ονομάστηκε ατομικό τροχιακό το 1932 από τον Mulliken και αντικατέστησε τις τροχιές του Bohr. Η λύση της εξίσωσης Schrodinger δίνει ένα σύνολο κυματοσυναρτήσεων καθεμιά από τις οποίες αντιστοιχεί σε συγκεκριμένη τιμή ενέργειας του ηλεκτρονίου και περιγράφει μία συγκεκριμένη ηλεκτρονιακή ενεργειακή κατάσταση. Η κυματοσυνάρτηση αυτή ονομάζεται "τροχιακό" του ηλεκτρονίου15. Έχει επικρατήσει, ως ατομικό τροχιακό να χαρακτηρίζεται και ο χώρος γύρω από τον πυρήνα στον οποίο έχει πολύ μεγάλη πιθανότητα (π.χ. 95% ή 0,95) να βρεθεί το ηλεκτρόνιο.
 |
Σχήμα 12 Προσομοίωση Ατομικών Τροχιακών |
Επομένως η άποψη του Schrodinger ήταν ότι μέχρι να εντοπιστεί ένα ηλεκτρόνιο δεν είναι παρά ένα κύμα16. Την ίδια ακριβώς χρονιά ένας άλλος φυσικός ο Heisenberg έδειξε ότι δεν μπορούμε να μετρήσουμε ταυτόχρονα τη θέση και τη ταχύτητα ενός σωματιδίου με όση ακρίβεια επιθυμούμε, ασχέτως εάν τα όργανα μέτρησης που χρησιμοποιούμε είναι πολύ ακριβή. Αυτή η αρχή ονομάστηκε: «αβεβαιότητα» ή «αρχή απροσδιοριστίας»17. Αυτή η απροσδιοριστία προέρχεται από το μαθηματικό φορμαλισμό των φυσικών νόμων. Εφόσον η κυματοσυνάρτηση ακριβώς πρίν τη στιγμή της μέτρησης είναι ψ, τότε με τη μέτρηση δρά πάνω στην αρχική κυματοσυνάρτηση η παρατηρήσιμη ποσότητα Α (π.χ. ταχύτητα, θέση, ενέργια) που έχει τιμή α και δίνει μια άλλη κυματοσυνάρτηση α∙ψ. Επομένως το μόνο που μπορούμε να προβλέψουμε είναι η πιθανότητα της ποσότητας Α να δίνει την κυματοσυνάρτηση α∙ψ. Ο Heisenberg κατάλαβε οτι επειδή η κυματοσυνάρτηση είναι μια θεωρητική, μη παρατηρήσιμη, μαθηματική ποσότητα, δεν μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να δωθούν απαντήσεις σε ερωτήματα πού δεν μπορούν να υλοποιηθούν πειραματικά (π.χ. από ποιά σχισμή πέρασε το ηλεκτρόνιο). Η θεωρια επομένως πρέπει να δίνει προβλέψεις για πειράματα.
 |
Σχήμα 13 Όσο πιο ακριβής είναι η μέτρηση της ταχύτητας τόσο λιγότερο ακριβής είναι η μέτρηση της θέσης ενός σωματιδίου |
Μια πρώτη συνέπεια της απροσδιοριστίας είναι ότι δεν μπορούμε να δούμε το ηλεκτρόνιο αν δεν αλλάξουμε τη συμπεριφορά του. Η αλλαγή στη συμπεριφορά μιας ιδιότητας του ηλεκτρονίου μπορεί να είναι παρατηρήσιμη γιατί εμείς επιλέξαμε μόνο αυτήν να μετρήσουμε από τις επιμέρους ιδιότητες του ηλεκτρονίου. Εξετάζοντας ένα σύστημα «από μέσα», τα στοιχεία του συστήματος μπορούν να έχουν γνώση για τα επιμέρους στοιχεία και τις σχέσεις τους, αλλά όχι για τη συμπεριφορά του ως ολότητα. Εξετάζοντας το σύστημα «από έξω» μπορούμε να καταλάβουμε τη συμπεριφορά του, μέσα από την αλληλεπίδραση με το περιβάλλον, αλλά όχι τα επιμέρους στοιχεία του. Μια ερμηνεία πού θα μας γλύτωνε είναι πως με την κυματοσυνάρτηση περιγράφουμε ένα σύνολο ατομικών αντικειμένων (στατιστική) όμως δεν ισχύει πειραματικά. Τέτοιες ανάμικτες καταστάσεις λέγονται «γάτες του Schrodinger»[1]
Η αρχή αβεβαιότητας είχε βαθιά επίπτωση στην εικόνα του ανθρώπου για τον κόσμο. Επίσης σήμανε το τέλος του ονείρου του Laplace για μια θεωρία της φυσικής και ένα μοντέλο του Σύμπαντος που θα ήταν απόλυτα ντετερμινιστικά: δεν μπορούμε βέβαια να προβλέψουμε με απόλυτη ακρίβεια τα μελλοντικά γεγονότα του Σύμπαντος αν δεν μπορούμε να προσδιορίσουμε με απόλυτη ακρίβεια ούτε την σημερινή του κατάσταση.
Όπως συνέβη και με το ηλεκτρόνιο η άκρη του νήματος που οδήγησε στο πρωτόνιο βρίσκεται στη μελέτη της αγωγιμότητας σε σωλήνα υψηλού κενού. Το 1886 ο Γερμανός Eugen Goldstein χρησιμοποίησε μία διάτρητη κάθοδο μέσα στον καθοδικό σωλήνα και διαπίστωσε την ύπαρξη ακτίνων, οι οποίες διαδίδονταν μέσα από τις οπές της καθόδου σε αντίθετη κατεύθυνση από εκείνη των καθοδικών ακτίνων. Στις ακτίνες αυτές έδωσε στο όνομα Kanalstrahlen το οποίο στην ελληνική γλώσσα αποδόθηκε ως «διαυλικές ακτίνες»18. Μερικά χρόνια αργότερα ο Γάλλος Perrin απέδειξε εργαστηριακά ότι κάθε τέτοια δέσμη αποτελείται από θετικά φορτισμένα σωματίδια4. Μετά το 1906 ενδιαφέρθηκε για τις ακτίνες αυτές και ο J.J. Thomson. Τις ονόμασε positive rays - στα ελληνικά θετικές ακτίνες και χρησιμοποιώντας ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία κατάφερε να καταγράψει και να συγκρίνει τις εκτροπές διαφορετικών θετικών ιόντων. Η μέθοδος αυτή έμελλε να οδηγήσει στην ανακάλυψη των ισοτόπων.
Στο μεταξύ ο βασικός ερευνητής της ραδιενέργειας Ernest Rutherford σε συνεργασία με τον βοηθό του Hans Geiger κατέληξε στο συμπέρασμα ότι κάθε μεμονωμένο σωματίδιο άλφα είναι ένα άτομο Ηλίου χωρίς ηλεκτρόνια. Η ραδιενέργεια άλφα έδειχνε να είναι κάτι σαν τις θετικές ακτίνες, με την ιδιαιτερότητα ότι κάθε θετικά φορτισμένο σωματίδιο ήταν «ένα, χωρίς ηλεκτρόνια, άτομο του στοιχείου Ήλιο»10.
Το 1914 υπέθεσε ότι οι απλούστερες θετικές ακτίνες είναι οι προερχόμενες από αέριο υδρογόνο και σ’ αυτή την περίπτωση κάθε κινούμενο σωματίδιο αυτών των ακτίνων θα έπρεπε να είναι το στοιχειώδες σωμάτιο της ύλης με θετικό φορτίο, στο οποίο έδωσε το όνομα πρωτόνιο19. Τα πρωτόνια έχουν μεν ίσο και αντίθετο φορτίο με αυτό των ηλεκτρονίων, αλλά πολύ μεγαλύτερη μάζα, περίπου 1836 φορές. 'Ατομα με περισσότερα του ενός ηλεκτρόνια σε τροχιές, έπρεπε να διαθέτουν πυρήνα με περισσότερα από ένα πρωτόνια. Εδώ παρουσιαζόταν όμως πάλι το πρόβλημα των ενωμένων ομοειδών φορτίων: γιατί δεν απωθούνται (Coulomb) τα θετικά φορτισμένα πρωτόνια; Η εξήγηση που δόθηκε τότε ήταν απλή αλλά λανθασμένη: στον ατομικό πυρήνα υπάρχουν, μαζί με τα πρωτόνια, και ηλεκτρόνια σε ίσο αριθμό ώστε τοπικά να αναιρείται η ηλεκτρική δύναμη.
Για παράδειγμα, το σωματίδιο α (πυρήνας ηλίου) έχει μάζα τετραπλάσια του πρωτονίου, αλλά μόνο το διπλάσιο θετικό φορτίο από αυτό. Η απλούστερη εξήγηση ήταν λοιπόν ότι μαζί με τα τέσσερα πρωτόνια του πυρήνα υπήρχαν και δύο ηλεκτρόνια ως «συγκολλητική» δύναμη, τα οποία δεν επηρέαζαν μεν σημαντικά τη μάζα, αλλά εξουδετέρωναν το θετικό φορτίο δύο πρωτονίων. Το φορτίο των υπόλοιπων δύο πρωτονίων αντιστοιχούσε στο αρνητικό φορτίο των περιφερόμενων ηλεκτρονίων του ατόμου του ηλίου.
Το 1920, την εποχή που ο Rutherford είχε επανειλημμένως σκεφθεί και συζητήσει με τους μαθητές του, την πιθανότητα να υπάρχει ένα ουδέτερο σωμάτιο με μάζα ίση προς εκείνη του πρωτονίου. Φανταζόταν το σωμάτιο ως ένα άτομο υδρογόνου, το ηλεκτρόνιο του οποίου είχε πέσει στον πυρήνα, εξουδετερώνοντας το ηλεκτρικό του φορτίο. Τότε οι φυσικοί θεωρούσαν ότι ο πυρήνας του ατόμου αποτελείται από πρωτόνια και ηλεκτρόνια, τα μοναδικά γνωστά υποατομικά σωματίδια της εποχής εκείνης. Για παράδειγμα, ο πυρήνας του αζώτου που έχει μάζα 14, έπρεπε να αποτελείται από 14 πρωτόνια. Από την άλλη πλευρά, όμως, ο πυρήνας του αζώτου έχει φορτίο + 7 , ενώ τα δεκατέσσερα πρωτόνια έχουν φορτίο + 14. Γι' αυτό θα έπρεπε ο πυρήνας αυτός να έχει και επτά ηλεκτρόνια, με φορτίο -1 το καθένα, τα οποία θα εξουδετερώνουν το φορτίο των επτά πρωτονίων. 'Ετσι, οι φυσικοί πίστευαν ότι ο πυρήνας του αζώτου αποτελείται από 14 πρωτόνια και 7 ηλεκτρόνια, δηλαδή 21 σωματίδια, συνολικά.
Αυτή η εσφαλμένη εικόνα για τη συγκρότηση του ατομικού πυρήνα διατηρήθηκε για περίπου 16 χρόνια και αναθεωρήθηκε το έτος 1932, όταν ο Εγγλέζος φυσικός James Chadwick προσπάθησε να ερμηνεύσει άγνωστες ακτινοβολίες που εκπέμπονται από το στοιχείο βηρύλλιο, καθώς βομβαρδίζεται με σωματίδια-α. Αυτή η ακτινοβολία αποδόθηκε απ’ τον Chadwick σε σωματίδια του πυρήνα που δεν είχαν φορτίο, αλλά η μάζα τους ήταν ίδια με εκείνη των πρωτονίων. Αρχικά υποτέθηκε ότι πρόκειται για ζεύγη πρωτονίου-ηλεκτρονίου που παρουσιάζεται ηλεκτρικά ουδέτερο, αργότερα έγινε αποδεκτό ότι πρόκειται για ένα ξεχωριστό σωματίδιο του πυρήνα, το οποίο ονομάστηκε ουδετερόνιο ή νετρόνιο (neutron)20, λόγω της απουσίας φορτίου που το χαρακτηρίζει. Στην εργασία που δημοσίευσε το 1932 ο Chadwick υποστήριζε ότι η ακτινοβολία του βηρυλλίου ήταν το αποτέλεσμα της αντίδρασης:
Νωρίτερα19, το 1919, ο Rutherford είχε βομβαρδίσει με σωματίδια-α τον πυρήνα του αζώτου μετατρέποντάς το σε οξυγόνο, για να γίνει ο πρώτος άνθρωπος που μετέτρεψε ένα χημικό στοιχείο σε ένα άλλο στοιχείο, υλοποιώντας σε μια σύγχρονη έκδοση το όνειρο των αλχημιστών. Με προερχόμενα από ραδιενεργό πολώνιο βλήματα άλφα ο Walther Bothe βομβάρδισε το 1928 το Βηρύλλιο για να διαπιστώσει τη δημιουργία μιας πολύ διεισδυτικής δέσμης στην οποία δεν μπόρεσε να διακρίνει το νετρόνιο21. Με σωματίδια-α προερχόμενα από ένα εξαιρετικά ισχυρό παρασκεύασμα πολωνίου ο Joliot και η Curie επανέλαβαν το 1931 τους βομβαρδισμούς βηρυλλίου χωρίς όμως να μπορέσουν να διακρίνουν το σωματίδιο νετρόνιο22. Μάλιστα η πειραματική διάταξη που χρησιμοποιούσε ο Chadwick ήταν μια επινόηση των Joliot-Curie.
Αμέσως μετά την ανακάλυψη του νετρονίου απ’ τον Chadwick ο Heisenberg διατύπωσε την υπόθεση ότι ο ατομικός πυρήνας δεν περιέχει πρωτόνια και ηλεκτρόνια, αλλά πρωτόνια και νετρόνια.
 |
Σχήμα 14 Πειραματική διάταξη Joliot |
1. Faraday, M., "Experimental Researches in Electricity", Phil. Trans., 15-18, (1838-43)
2. Crookes, W., "On the illumination of lines of molecular pressure, and the trajectory of molecules". Phil. Trans., 170: 135–164, (1878)
3. Goldstein, E., Monat der Berl. Akad., 284, (1876)
4. Perrin, J., B., "Nouvelles Propri'etés des Rayons Cathodique/ New Properties of the Cathode Rays" Compt. Ren. 121: 1130, (1895)
5. Zeeman, P., "The Effect of Magnetisation on the Nature of Light Emitted by a Substance" Nature 55: 347 (1897)
6. Thomson, J., J., "Cathode rays", Philosophical Magazine, 44: 293, (1897)
7. Thomson, J., J., "On bodies smaller than atoms", The Popular Science Monthly 323–335, (1901) Retrieved 2009-06-21.
8. Thomson, J., J., ""On the Structure of the Atom: an Investigation of the Stability and Periods of Oscillation of a number of Corpuscles arranged at equal intervals around the Circumference of a Circle; with Application of the Results to the Theory of Atomic Structure," Philosophical Magazine 6, (39), Vol. 7: 237–265 (1904)
9. Millikan, R., A., “On the Elementary Electrical Charge and the Avogadro Constant.” Phys. Rev. 32: 349, (1911)
10. Rutherford, E., "The Scattering of α and β Particles by Matter and the Structure of the Atom". Philosophical Magazine, 6, (21): 669–688, (1911)
11. Bohr, N., "On the constitution of atoms and molecules". Philosophical Magazine 26: 476–502, (1913)
12. Einstein, A., "On a Heuristic Viewpoint Concerning the Production and Transformation of Light", Annalen der Physik 17: 132–148, (1905)
13. Compton, K., T., "Theory of Ionization by Cumulative Action and the Low Voltage Arc", Phys. Rev., 4, Vol. 20: 283–299, (1922)
14. De Broglie, L., "Ondes et mouvements (Waves and Motions)". Paris: Gauthier-Villars, (1926)
15. Mulliken, R., S., "Electronic Structures of Polyatomic Molecules and Valence. II. General Considerations" Phys. Rev. 41, (1): 49–71 (1932)
16. Schrödinger, E., "Quantisation as an Eigenvalue Problem". Annalen der Physik 81 (18): 109–139, (1926)
17. Heisenberg, W., "Über den anschaulichen Inhalt der quantentheoretischen Kinematik und Mechanik", Zeitschrift für Physik 43 (3–4): 172–198, (1927)
18. Goldstein, E., "Über eine noch nicht untersuchte Strahlungsform an der. Kathodeinducirter Entladungen," Annalen der Physik 300 (1): 38–48, (1886)
19. Rutherford, E., "Collisions of alpha Particles with Light Atoms. IV. An Anomalous Effect in Nitrogen". Philosophical Magazine 37: 58, (1919)
20. Chadwick, J., "Possible Existence of a Neutron". Nature 129: 312, (1932)
21. Bothe, W., "The Coincidence Method, The Nobel Prize in Physics 1954", Nobelprize.org (1954)
22. Joliot-Curie, I., "Nobel Lecture: Artificial Production of Radioactive Elements", (1935)
[1] Μια γάτα είναι σε ένα απομονωμένο δωμάτιο μαζί με ένα φιαλίδιο που περιέχει δηλητήριο και έναν μετρητή ακτινοβολίας (Geiger) και ένα ασταθές ραδιενεργό ισότοπο. Το ισότοπο μπορεί να διασπασθεί, παράγοντας ακτινοβολία, μπορεί όμως και όχι. Αν ο μετρητής ανιχνεύσει ακτινοβολία, ενεργοποιεί έναν μηχανισμό πού σπάει το φιαλίδιο και η γάτα πεθαίνει. Σύμφωνα με την κβαντομηχανική η κυματοσυνάρτηση της γάτας είναι ένα μείγμα ζωντανών και νεκρών καταστάσεων, όμως όταν ανοίγουμε το δωμάτιο την βρίσκουμε είτε ζωντανή, είτε νεκρή, όχι σε μια ανάμεικτη κατάσταση. Αρα τι σκοτώνει τη γάτα; Το άνοιγμα του δωματίου (η παρατήρηση);
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου
Σημείωση: Μόνο ένα μέλος αυτού του ιστολογίου μπορεί να αναρτήσει σχόλιο.