نیلس بور: فیزیک اتمی و شناخت بشری II: درس یادبود رادرفورد ۱۹۵۸ (بخش اوّل، دوم، و سوم)
نیلس بور: فیزیک اتمی و شناخت بشری II: درس یادبود رادرفورد ۱۹۵۸ (بخش اوّل، دوم، و سوم)
Niels Bohr: Atomphysik und Menschliche Erkenntnis: Band II
Rutherford-Gedenkvorlesung 1958
mit einem Vorwort von: Aage Bohr
Aufsätze und Vorträge aus den Jahren 1958-1962/Friedrich Vieweg und Sohn/Wiesbaden/Braunschweig, 1966
نوشته‌ها و گفتارها از سالهای ۱۹۵۸ تا ۱۹۶۲، فریدریش فی‌وگ و پسر/ براونشوایگ/۱۹۶۶
پیشگفتار از: ائه بور
Atomphysik und menschliche Erkenntnis II: Aufsätze und Vorträge aus den Jahren 1958-1962
برای دیدن نسخۀ اصلی، بنگرید به: http://sdrv.ms/Yz8tM
Niels Bohr Collected Works – ScienceDirect.com
نیلس بور: فیزیک اتمی و شناخت بشری (جلد دوم)
Niels Bohr: Atomphysik und Menschliche Erkenntnis II
Rutherford-Gedenkvorlesung 1958
درس یادبود رادرفورد (۱۹۵۸)*
خاطراتی از بنیان‌گذار فیزیک هستهای و از سیر کارهایش
بسیار شادمانم که توانستم دعوت انجمن فیزیک را بپذیرم و به‌نوبۀ خود در آن سلسله درس‌های یادبود رادرفورد سهیم باشم که طیّ سالها نزدیک‌ترین همکاران رادرفورد از آثار بنیادین علمی او و از خاطرات شخصی خود از آن شخصیّت بزرگ، ما را آگاه کردند. من هم چون یکی از کسانی که در نوجوانی این خوش‌‌اقبالی بزرگ را داشتند تا یکی از آن گروه فیزیک‌دانانی باشم که زیر نظر او، و با بهره‌بردن از الهامات او، کار میکردند و سالها وامدار دوستی صمیمانۀ او بودند، از این فرصت استفاده میکنم تا برخی از بهترین خاطراتم را دوباره یادآوری کنم. امّا چون ممکن نیست تا بتوانم تنها در یک جلسه، نگاهی به دستاوردهای چندگانۀ بزرگ و بی‌مانند زندگی او، و نتایج پراهمیّت کارهای او بیفکنم، خود را به آن بازۀ زمانیای محدود میکنم که خود شخصاً آن را به‌یاد دارم و از آن مراحلی از سیر کارهایش می‌گویم که خود توانستم از نزدیک آنها را دنبال کنم.
I
نخستین خاطرۀ بزرگ من به ماه اوت ۱۹۱۱ باز می‌گردد که هم توانستم او را ببینم و هم پای سخنان او بنشینم. پس از پایان تحصیلات دانشگاهیام در کپنهاگ، به کمبریج رفتم تا با جی.جی تامسون کار کنم. رادرفورد از منچستر نزد ما آمد تا در مراسم شام سالیانۀ کاوندیش سخنرانی کند. هرچندکه در این فرصت نتوانستم با او از نزدیک دیدار کنم، گیرایی و نیروی شخصیّت او، که هرکجا کار میکرد، برایش هر غیزممکنی را تقریباً ممکن میکرد، بر من اثری عمیق گذاشت. بر سر میز شام، شوخ‌طبعی بیش از هرچیز حاکم بود، بهطوریکه بسیاری از همـکاران او از فرصت استفاده کردند تا بسیاری از آن خاطراتی را بازگو کنند، که پیشتر با نام او مرتبط بود. برای مثال، چون او خیلی در کار غرق میشد، در این میان هم کسی که در آزمایشگاه کاوندیش کار میکرد، متوجّه شده بود که درمیان فیزیک‌دانان جوانی که در آن آزمایشگاه صاحب‌نام کار میکردند، رادرفورد بیش از همه به دستگاه‌ها لعن‌ونفرین میکند.
از سخنرانی رادرفورد آنچه به‌خصوص به‌یادم مانده است این است که چگونه او با حرارت تازه‌ترین کامیابی‌های دوست دیرینهاش سی. تی. آر. ویلسون را تبریک میگفت. ویلسون به‌کمک روش داهیانۀ اتـاقک ابر، در آن زمان، نخستـین عکسهای ردّ ذرّات-α را به‌دست آورده بود که به‌طور واضح خمیدگی‌های روشنی را در مسیرهایی که درغیرآن کاملاً مستقیم بود، از خود نشان میداد. رادرفورد مسلّماً با این پدیده آشنا بود، زیراکه این پدیده چند ماه پیشتر او را به کشف به‌یادماندنی هستۀ اتم رسانده بود. امّا درعین‌حال هم اعتراف کرد که این واقعیّت که اکنون میتواند جزئیّات تاریخچۀ زندگی ذرّات-α را با چشمان خود ببیند، برایش شگفتی‌ای بود که او را بسیار خوشحال کرده بود. و در همین مورد هم با تحسین از آن پشتکاری حرف زد که ویلـسون مدّتها صرف کرد تا به هنگام همکاریاش با او در آزمایشگاه کاوندیش، آزمایشهای خود در تشکیل ابر را، با دستگاههایی که هر روز باید کامل‌تر میشد، اجرا کند. ویلسون بعدها برایم تعریف کرد، که دلبستگی او به این پدیدههای زیبا وقتی برانگیخته شده بود که در جوانی تشکیل و انحلال ابرها را دیده بود، که جریانهای هوا در رشته کوه‌های اسکاتلند با بالارفتن و دوباره فرود‌آمدن در درّه درست میکرد.
چند هفته‌ای پس از مهمانی شام کاوندیش به منچستر رفتم تا به دیدار یکی از همکارانم بروم که پدرش به‌تازگی درگذشته بود، که ازقضا او هم از دوستان خوب رادرفورد بود. در اینجا هم دوباره فرصتی برای من پیش آمد تا رادرفورد را ببینم، که در این زمان در نشست تأسیس شورای سولوی در بروکسل شرکت کرده بود، و برای نخستین‌بار هم با پلانک و اینشتین دیدار کرده بود. درحین حرف‌هایمان با یکدیگر، که در آنها رادرفورد با خوشحالی مخصوص به‌خود از بسیاری از چشم‌اندازهایش از فیزیک حرف می‌زد، با تمایل من مبنی بر پیوستن به گروه آزمایشگاهیاش هم ازسر دوستی موافقت کرد، آن هم مشروط به اینکه تا آغاز بهار ۱۹۱۲، درسم در کمبریج را تمام کرده باشم. من در این زمان با علاقۀ زیادی فکر خلّاق جی.جی تامسون دربارۀ ساختار الکترونی اتم را دنبال می‌کردم.
بسیاری از فیزیک‌دانان جوان، که در آن روزها از کشورهای مختلف دور رادرفورد جمع شده بودند، مجذوب نبوغ او به‌عنوان فیزیک‌دان و لیاقت منحصربهفرد او در سرپرستی همکاریهای علمی بودند. و هرچند رادرفورد همیشه به پیشبرد کارهای خود سخت مشغول بود، همیشه ازسر صبر هم به حرف‌های هر مرد جوانی گوش میکرد، حتّی وقتی هم که چنین گمان میکرد که شاید در حرف‌هایش اندک فکری باشد. او درعین‌حال هم در دیدگاهش، که فارغ از هر پیش‌داوریای بود، چندان هم احترامی برای مرجعیّت علمی قائل نبود، و همۀ چیزهایی را که خود “حرف‌های پرآب‌وتاب” می‌نامید، برایش ملا‌ل‌آور بود. به این سبب هم، گاه در چنین مناسبت‌هایی حتّی ازسر جوانی دربارۀ همکاران محترمش حرف می‌زد، امّا هیچوقت هم به جدلهای شخصی ورود پیدا نمی‌کرد. او همیشه می‌کوشید تا بگوید: “فقط یک نفر وجود دارد که میتواند نام نیک دیگری را ضایع کند، آن کس هم خود اوست.”
هدف اصلی گروه منچستر البتّه این بود که نتایج گوناگون کشف هستۀ اتم را از همه جهت پی بگیرد. در هفتۀ اول ورودم به آزمایشگاه، به توصیۀ رادرفورد، در دوره‌ای مقدّماتی دربارۀ روشهای تجربی پرتوزایی شرکت کردم که زیرنظر اشخاص مجرّبی مانند گایگر، ماکاور و مارسدن برای دانشجویان و مهمانان تازه‌وارد، برگزار میشد. امّا خیلی زود، گرفتار علاقه‌ام به نتایج نظری کلّی‌ای شدم که از مدل اتمی تازه برآمده بود، که به‌خصوص وابسته به امکاناتی بود که این مدل تازه به‌وجود آورده بود تا میان ویژگیهای شیمیایی و فیزیکی مادّه به‌روشنی فرق بگذاریم، یعنی میان آنهایی که به‌طور مستقیم در هستۀ اتم ریشه دارد، و آنهایی که در درجۀ اوّل تابع توزیع الکترونها میباشد. اینها هم به‌نوبۀ خود به هسته با فاصله وابسته است، که این فاصله در مقایسه با ابعاد هستۀ اتم بسیار بزرگ است.
هنگامی که در پی توضیح واپاشی موادّ پرتوزا در ساختار درونی هستۀ اتم بودیم، این نکته روشن شد که مشخّصات فیزیکی و شیمیایی معمول عناصر، ویژگیهای خاص نظام الکترونی اطراف آن را آشکار میکند. و حتّی این هم روشن شد که به‌سبب جرم زیاد هستۀ اتم و کشیدگی کم آن درمقایسه با تمام اتم، ساختار نظام الکترونها به‌تقریبی منحصراً به بار الکتریکی هستۀ اتم وابسته است. چنین مشاهداتی درعین‌حال این امکان را در دسترس ما می‌گذاشت تا تشریح خصوصیّات فیزیکی و شیمیایی هر عنصری را تنها بر یک عدد درست بنا کنیم، که امروزه آن را به‌طور کلّی عدد اتمی میدانیم و بار هسته را با مضربی از واحد بار الکتریکی اوِلّیه بیان میکند.
در پیشبرد چنین دیدگاهی، تنها بحثهایم با گئورگ هِوِشی، که در گروه منچستر به‌خاطر دانش وسیع غیرمعمولش در شیمی فردی ممتاز شمرده میشد، مشوّقی برایم در این راه نبود. خود او در سال ۱۹۱۱ روش هوشمندانۀ ردیابی‌ای را یافته بود که از آن زمان تاکنون وسیلۀ کمکی مهمّی در پژوهش‌های شیمیایی و زیست‌شناختی به‌حساب میآید. همانطورکه هِوِشی خود با شوخ‌طبعی از آن خبر میداد، او به این روش به‌دلیل نتایج منفی کاری پرزحمت رسیده بود که به‌سبب کشمکشی با رادرفورد آن را پذیرفته بود. رادرفورد مقدار زیادی اورانیت به‌عنوان هدیه از دولت اتریش دریافت کرده بود و حالا هم به هِوِشی جوان میگفت که “ای‌کاش او اصلاٌ به‌درد کاری بخورد”، انشاءاللّه که او بتواند در جداکردن رادیوم ارزشمند D از کلورید سرب که از این مقدار زیاد اورانیت به‌دست میآید، کمک‌حال باشد.
افکار من طی گفتگو با هِوِشی دربارۀ سالهای پرماجرایش در مونترال و منچستر، شکل استوارتری به خود گرفت. در آنجا رادرفورد و همکارانش پس از کشفیّات بکرل و خانم کوری علم پرتوزایی را پایهگذاری کرده بودند، یعنی اندک‌اندک ترتیب و روابط فروپاشی پرتوزا را روشن کرده بودند. امّا همینکه فهمیدم که تعداد عناصر تاکنون شناخته‌شدۀ پایدار و فروپاشنده بیش از خانههایی است که جدول تناوبی مشهور مندلیف دراختیار ما می‌گذارد، این فکر ناگهان به ذهنم رسید کرد که این مواد شیمیایی که آنها را هم نمی‌توان از یکدیگر جدا کرد، که سودی هم پیشتر به وجود آنها پی برده بود، و بعدها هم آنها را «ایزوتوپ» نامیده بود، همان بار هسته را داراست و تنها از نظر جرم و ساختار داخلی هسته بایکدیگر فرق دارد. نتیجۀ مستقیم آن این بود که یک عنصر- صرف نظز از هر تغییری در وزن اتمیاش – به‌دلیل فروپاشی پرتوزا، جایش در جدول تناوبی عناصر، دو خانه به‌طرف پایین میرفت یا یک خانه به‌طرف بالا؛ و این هم بستگی به این داشت که کاهش یا افزایش بار هسته با انتشار پرتوهای α یا β همراه باشد.
همینکه یش رادرفورد رفتم تا نظرش دربارۀ چنین افکاری را بشنوم، مثل همیشه دلبستگی زیادش به هر شکلی از ساده‌سازی را به‌زبان آورد، امّا با احتیاط معمولش هم به من هشدار داد تا تاب تحملّ مدل اتمی را بیش‌از‌اندازه دست‌بالا نگیرم، و از مصالح تجربی نسبتاً اندک نتیجه‌گیری نکنم. در این میان هم بحث دربارۀ این نظرات که از هر سو به‌آن‌ها نزدیک شده بودیم، در گروه منچستر غوغا میکرد؛ و دلیلی هم که این فکر را تأیید میکرد همان بود که به‌خصوص هوشی و راسل خیلی زود با آزمایشهای شیمیایی خود ارائه کردند.
این فکر که عدد اتمی خصوصیّات کلّی فیزیکی عناصر را تعیین میکند، با بررسی‌های طیف‌نمایی راسل و روسی از مخلوطی از یونیوم و توریوم تأیید شد، که طیفهای نوری آنها یکسان بود، هرچندکه هردوی این مواد، خصوصیّات پرتوزا و وزن اتمی متفاوتی داشت. راسل در اواخر پاییز ۱۹۱۲، براساس تحلیلی از همۀ مصالحی که در آن زمان در اختیار ما بود، رابطۀ کلّی میان تک‌تک فرایندهای پرتوزا و تغییراتی که در پی عدد اتمی عنصری می‌آمد، در سخنرانی‌ای در انجمن شیمی به این مسئله پرداخت.
آنچه اینجا اهمیّت دارد ذکر این نکته است که پس از بررسی‌های گسترده‌تر که به‌خصوص فِلِک انجام داد، قانون جابه‌جایی پرتوزا را چند ماهی بعد سودی، در همۀ جوانبش، در گلاسکو، و فایانز در کارلس‌روهه منتشر کردند، امّا همین مؤلّفین از رابطۀ تنگاتنگ میان ویژگیهای بنیادین مدل اتمی رادرفورد بی‌خبر بودند. فایانز تغییر خصوصیّات شیمیایی را، که آشکارا با ساختار الکترونی اتم در ارتباط است، دلیلی استوار برضدّ مدلی دانست که بنابرآن هم پرتو α و هم β از هسته سرچشمه میگیرد. و به‌تقریبی در همان زمان، مفهوم عدد اتمی، مستقلّ از فان‌دِن‌بروک در آمستردام، ارائه شد، امّا در طبقه‌بندی عناصر بازهم به هر مادّۀ پایدار یا پرتوزایی بار هستهای متفاوتی نسبت داده میشد.
تا آن زمان، بحثهای گروه منچستر اصولاً دربارۀ نتایج مستقیم کشف هستۀ اتم بود. امّا آن برنامۀ کلّی دربارۀ تفسیر مصالح انباشته‌شده درمورد خواصّ شیمیایی و فیزیکی عامّ ماده براساس مدل اتمی رادرفورد بازهم مسائل دشواری را پدید آورد که تازه طی سالهای بعد اندک‌اندک میبایست حلّ شود، بهطوریکه در سال ۱۹۱۲ تنها حرف از چشماندازی موقّت دربارۀ این وضعیّت به‌طورکلّی بود.
از همان ابتدا روشن بود که براساس مـدل اتمی رادرفورد، پایداری خاصّ نظام‌های اتمی را به‌هیچ‌وجه نمی‌توان با اصول مکانیک کلاسیک و الکترودینامیک سازگار کرد. براساس مکانیک نیوتونی، هیچ نظامی از بارهای نقطهای ترازمندی ایستای پایدار ندارد؛ هر حرکت الکترون به‌دور هستۀ اتم باید طبق نظریّه الکترودینامیک ماکسول، سبب اتلاف انرژیی از راه تابش شود که همواره با انقباض نظام همراه است، و نتیجۀ آن هم، اتّحاد هستۀ اتم با الکترونها در داخل حوزهای است که بسیار کوچک‌تر از انبساط واقعی اتمهاست.
امِّا این وضع چندان هم عجیب نبود، زیراکه کشف پلانک از کوانتوم عامّ کنش، در سال ۱۹۰۰ مرز قطعی دربارۀ نظریّههای فیزیکی کلاسیک را نشان داده بود، بهطوریکه همین کوانتوم کنش به‌خصوص در دست اینشتین کاربرد مهمّی در تشریح گرمای ویژه و واکنشهای فوتوشیمیایی پیدا کرده بود. کاملاً مستقلّ از دادههای جدید تجربی دربارۀ ساختار اتم، این گمان هم به‌این دلیل بسیار برسر زبان‌ها افتاده بود که مفهوم کوانتوم میتواند در کلّ مسئلۀ ساختار اتمی مادّه اهمیّتی بسیاز زیاد داشته باشد.
آنطورکه بعداً اطلاع پیدا کردم، ای.هاس در سال ۱۹۱۰ کوشیده بود تا براساس مدل اتمی تامسون، ابعاد و تناوب حرکات الکترون را به‌کمک رابطۀ پلانک میان انرژی و بسامد اسیلاتوری هماهنگ تعیین کند. و پس از آن، جی.نیکولسون در سال ۱۹۱۲، هنگامی که در جستجوی منشاء برخی از خطوط در طیف سحابی‌های ستاره‌ای و هالۀ خورشیدی بوده است از تکانههای چرخشی کوانتیده‌شده استفاده کرده است. باوجوداین باید به‌خصوص ذکر کرد که نیلس بی‌آوو به‌سراغ برخی از تصوّرات پیشین نرنست دربارۀ انرژی مولکول درحال‌چرخش رفته بود بهطوریکه در سال ۱۹۱۲ ساختار نواری خطوط جذب فراقرمز در گازهای دو اتمی را پیشبینی کرده بود و با این کار اوّلین گام در راه تحلیل مشروح طیفهای مولکولی را برداشته بود،تا اینکه سرانجام با توضیح بعدی مبتنی بر نظریّۀ کوانتومی از اصل ترکیب عمومی طیفها به آن دست یافتیم.
درآغاز اقامتم در منچستر در اوایل سال ۱۹۱۲ به این یقین رسیدم که ساختار الکترونی اتم رادرفورد کاملاً در سلطۀ کنش کوانتومی است. این دیدگاه تنها بر این واقعیّت استوار نبود که به‌نظر می‌رسید که رابطۀ پلانک به‌تقریبی بر الکترونهای سست متصل به‌هم کاربرد دارد، که دست‌اندرکار خصوصیّات شیمیایی و نوری عناصر دارد، بلکه به‌خصوص بر کشف روابط مشابهی استوار بود که در الکترونهای اتمی دیده میشد که با قدرت هرچه‌تمام‌تر به‌هم متّصل بود که کشف بارکلا از تابش ویژۀ آنها، آن را بر ما آشکار کرده بود. به‌این‌ترتیب به هنـگام اقامتم در کمبریج، آن اندازه‌گیزی‌های ویدینگ‌تون که بر تولید تابش بارکلا از راه پرتاب الکترونهای عناصر مختلف لازم بود، به قانونمندیهای سادهای رسید که همانطورکه انتظارش را داشتیم براساس برآوردی از بستگی محکم یک الکترون بود، که در مسیری پلانکی به دور هسته با بار معلومی، که عدد اتمی آن را مشخّص میکرد، میچرخید. آنچه بیشتر علاقۀ من را برانگیخت این بود که در درس- رادرفورد، که به‌تازگی لاورنس براگ منتشر کرده است، دریافتم که ویلیام براگ که در آن زمان در لیدز بود، در نخستین مطالعۀ خود از طیفهای رونتگن، که مبتنی بر کشف لاوئه در سال ۱۹۱۲ بود، به اهمیّت نتایج ویدینگ‌تون دربارۀ رابطۀ میان تابش بارکلا و ترتیب عناصر در نظام تناوبی مندلیف پی برده بود؛ و این مسئلهای بود که موزلی با کارش در منچستر خیلی زود باید آن را کاملاً روشن میکرد.
در ماه آخر اقامتم در منچستر بیشتر به بررسی نظری قدرت بازدارندگی ماده دربرابر پرتوهای α و β می‌پرداختم. این مسئله، که ابتدا جی. جی.تامسون آن را از نظر مدل اتمی خودش بررسی کرده بود، از طرف داروین هم براساس مدل اتمی رادرفورد دوباره دربارۀ آن پژوهش میشد. باتوجّه به آنچه در بالا دربارۀ بسامدهایی گفتیم که از بستگی الکترونها در اتم به وجود میآید، این فکر به ذهنم رسید که به انـتقال انرژی ذرّات به الکتـرونها میتوان به‌طور ساده از راهی مشابه با پراکندگی و جذب تابش نگریست. به‌این‌ترتیب این امکان به‌وجود آمد تا نتایج اندازهگیریهای بازدارندگی را دلیلی افزون بر این تفسیر بدانیم که که به هیدروژن و هلیوم اعداد اتمی ۱ و ۲ داده میشود، بهطوریکه این امر با تجربیّات کلّی در شیمی و به‌خصوص با دلایل رادرفورد و رویدز دربارۀ تشکیل گاز هلیوم از راه گرفتن ذرّات آلفایی که در حال فرار از لوله‌هایی با دیوارۀ نازک است، موافقت دارد. حتّی درمورد دشوار مواد سنگین، مطابقتی تقریبی میان اعداد اتمی‌ای که انتظارش را داشتیم و مقادیر برآوردشده برای انرژی بستگی الکترونها احراز شد، هرچند که روشهای نظری بسیار ابتدایی‌تر از آن بود که بتواند به نتایج درست‌تری بیانجامد. به حلّ مناسب این مسئله به‌کمک روشهای نوین مکانیک کوانتومی، اچ. بِته برای اوِلین بار درسال ۱۹۳۰ دست یافت.
بااینکه رادرفورد در آن زمان باپشتکار سرگرم آماده کردن کتاب بزرگ خود، “مواد پرتوزا و تابش آنها” بود، کار من را با علاقه‌ای که دست‌خوش تغییر هم نبود، دنبال میکرد، بهطوریکه من فهمیدم که او با چه دقتّی همیشه به رسالههای شاگردانش میپردازد. پس از بازگشت به دانمارک در گرماگرم تابستان ۱۹۱۲ ازدواج کردم و به‌همراه همسرم برای ماه‌عسل به انگلستان و اسکاتلند، و در ماه اوت همان سال هم به دیدار رادرفورد در منچستر رفتیم تا دست‌نویس آمادۀ مقالهام دربارۀ مسائل بازدارندگی را به او بسپارم. رادرفورد و همسرش از ما به‌گرمی پذیرایی کردند، بهطوریکه این پذیرایی، آغاز دوستی نزدیکی میان ما شد، که سالهای زیادی ما را به‌یکدیگر پیوند داد.
Ⅱ
پس از آنکه ساکن کپنهاگ شدم، بازهم رابطۀ نزدیکی با رادرفورد داشتم و به‌طور منظّم هم دربارۀ پیشرفت کارم در مسایل کلّی اتمی‌ای که در منچستر آغاز کرده بودم، به او گزارش میدادم. جوابهای رادرفورد، که همیشه برایم دلگرم‌گننده بود، همگی سرشار از خوشحالی و صراحتی بود که او از کارش در آزمایشگاه خود برایم تعریف میکرد. به‌این‌ترتیب نامه‌نگاری‌ای طولانی میان ما شروع شد که بیست‌و‌پنج سال تمام ادامه پیدا کرد و هر وقت به آن نامهها دوباره نگاه میکنم، خاطراتی از او بازهم در من، هم از شوروشوق او در پیشرفت در حوزۀ کاریش، بیدار میشود، و هم از مشارکت صمیمانه‌اش در کاری که هر کس دیگری انجام میداد تا کار او را به‌پیش برد.
نامههای من به رادرفورد در پاییز ۱۹۱۲ از پیشرفتها و کوششهای من حرف می‌زد تا اهمیّت کوانتوم کنش در ساختار الکترونی مدل اتمی رادرفورد رابا درنظرگرفتن مسائل بستگی مولکولی و همچنین اثرات تابش مغناطیسی روشن کنم. مسئلۀ پایداری در همۀ چنین ملاحظاتی، مشکلات بزرگی را به وجود میآورد و من را به یافتن تکیهگاه استوارتری بیشتر ترغیب میکرد. پس از آنکه به آزمایشهای مختلفی دست زدم تا تصوّرات کوانتومی خود را به‌طور منطقی به‌کار گیرم، ناگهان در اوایل سال ۱۹۱۳ این فکر به ذهنم رسید که کلیدی بر حلّ مسئلۀ پایداری اتمی، که به‌طور مستقیم در مدل اتمی رادرفورد کاربرد داشته باشد، با قوانین بسیار سادهای، که دربارۀ طیفهای نوری عناصر درست باشد، در دستان ماست.
براساس اندازهگیریهای بسیار دقیق رولند و دیگران از طول موج خطوط طیفی و نوشته‌های بالمر و شوستر، که پیشتر کرسی علمی رادرفورد را در منچستر دراختیار داشتند، ریدبرگ قانونمندیهای کلّی طیف را به‌طرز هوشمندانهای روشن کرد. نتیجۀ اصلی این تحلیل بنیادی از سریهای خاصّ در طیفهای خطی و رابطۀ آنها بایکدیگر، این شناخت بود که بسامد γ-ی هر کدام از خطوط در طیف عنصری داده‌شده را میتوان با دقّت بیمانندی با فرمول ″γ = T′ – T نشان داد، بهطوریکه ′Tو ″ T دو جمله از رشته‌ای از جمله‌های طیفی T است، که مشخّصۀ آن عنصر است.
این اصل ترکیب بنیادین، آشکارا تن به هیچ توضیح معمول مکانیکی نمی‌داد؛ و این مسئله آموزنده است تا به یاد بیاوریم که چگونه لرد ری‌لای در این باره به‌درستی تأکید کرده است که هر رابطۀ کلّی میان بسامدهای ارتعاشات خاصّ هر نمونۀ مکانیکی در این بسامدها از مرتبۀ دوم است و نه خطّی. در مورد مدل اتمی رادرفورد، نباید اصلاً منتظر طیف خطّی باشیم، زیرا براساس قوانین الکترودینامیک عمومی، بسامد تابش که همواره درپی حرکت الکترون میآید، به‌طور پیوسته با انرژی تابیده‌شده تغییر میکند. به‌این سبب هم نزدیک بود تا توضیح طیفها را به‌طور مستقیم براساس اصل ترکیب بنا نهیم.
درعمل همینکه تصوّر اینشتین از کوانتومهای نور یا فوتونها را با انرژی hγ پذیرفتیم، که در آن h تابث پلانک است، به این فرض رسیدیم که هر انتشار یا جذب تابش اتم، پدیدهای فردی است که با انتقال انرژی (“h (T′- Tهمراه است و hT را هم باید به‌عنوان انرژی بستگی الکترون در حالت مانا یا پایدار اتم دانست. این فرض به‌خصوص به‌طور مستقیم به روشن‌شدن پیـدایی خطوط انتشار و جذب در طیـف‌های پی‌درپی می‌انجامد، که به‌ظاهر نمی‌توانستیم پیشبینی کنیم. به‌این‌ترتیب در پدیدههای تابش اتم، انتقالهایی از اتم از سطح بالای انرژی به سطح پایین‌تر انرژی را میبینیم، در‌حالی‌که در پدیدههای جذب به‌طور عموم با انتقال اتم از حالت اصلی با بیش‌ترین انرژی به یکی از حالتهای دیگر برانگیخته سر و کار داریم.
در ساده‌‌ترین مورد، یعنی درمورد طیف هیدروژن، این جملات با دقّت زیاد با فرمول Tn= R/n 2بیان میشود، که در آن n یک عدد صحیح و R ثابت ریدبرگ است. به‌این‌ترتیب نتیجۀ آنچه ذکر کردیم این است که رشته‌ای از مقادیر کاهش‌یابنده برای انرژی بستگی الکترون در اتم هیدروژن وجود دارد که به پدیدهای پلّکانی اشاره دارد، که در آن، الکترونی که درابتدا دور از هستۀ اتم قرار داشت، با گسیل تابشی از حالات مانا همواره به مقادیر کمتر n گذر میکند؛ در این هنگام، بستگی محکم و محکم‌تر میشود تا به حالت اصلی با مشخّصۀ n=1 برسد. برابر دانستن انرژی بستگی در این حالت، با انرژی بستگی یک الکترون، که در مسیری کپلری به دور هسته میچرخد، به ابعادی از مسیر با همان مرتبۀ بزرگی می‌انجامد که بزرگی خود اتم، که آن را از راه خواص گازها میتوان محاسبه کرد.
این دیدگاه به‌همراه مدل اتمی رادرفورد، توضیحی هم بر پیدایی ثابت ریدبرگ در طیفهای پیچیدۀ دیگر عناصر ارائه میدهد. از اینجا میتوان چنین نتیجه گرفت که ما با فرایندهای گذار میان حالات برانگیخته‌شدۀ اتم سروکار داریم که در آنها یکی از الکترونهایی که از دیگری که به‌هسته متّصل است و آن حوزه را اشغال کرده است، دور میشود، و به‌همین سبب هم در معرض آن نیروی میدانی قرار میگیرد که شبیه آن است که بار واحدی احاطه میکند.
پیگیری رابطۀ نزدیک میان مدل اتمی رادرفورد و مصالح تجربی به‌دست‌آمده از طیف،به‌طور آشکار سبب بروز مسائل دشواری شد. از سویی تعریف بار و جرم الکترون و هستۀ اتم منحصراً بر تحلیل پدیدههای فیزیکی بر اساس اصول مکانیک کلاسیک و الکترودینامیک استوار بود؛ امّا از سوی دیگر اصل موضوعۀ کوانتوم، که بر اساس آن هر تغییری در انرژی درونی اتم گذاری کامل میان دو حالت مانای اتم است، این امکان را منتفی می‌دانست تا بتوانیم به‌کمک اصول فیزیک کلاسیک به حساب دربارۀ فرایندهای تابش، با هر واکنش دیگری که به پایداری اتم مربوط میشود، رسیدگی کنیم.
آن‌چنان‌که امروز میدانیم، حلّ چنین مسائلی پیشرفت فرمالیسمی ریاضی را طلب میکند که تفسیر درست آن، بازبینی‌ای بنیادین در اصول استفادۀ روشن از مفاهیم اوِلیّۀ فیزیکی و شناخت روابط مکملّی میان شرایط تجربی گوناگون را، که پدیده‌ها ذیل آنها مشاهده میشود، باخود به‌همراه داشت. هرچند در آن زمان چند گامی پیش آمدیم، بااین کار که – با آغازکردن از فرضهای اوّلیّۀ پلانک دربارۀ حالات انرژی یک اسیلاتور هماهنگ- برای طبقه‌بندی حالات مانا، تصورّات کاسیک در فیزیک را مطرح کردیم. نقطۀ آغازین چنین کاری به‌خصوص مقایسۀ دقیق میان اسیلاتوری با بسامد معیّن،با حرکت کپلری الکترون به دور هستۀ اتم با بسامد چرخشی بود که تابعی از انرژی بستگی بود.
محاسبه‌ای ساده، درست مانند مورد اسیلاتوری هماهنگ، نشان داد که کنش را، که در یک دورۀ زمانی حرکت الکترون در درون آن است، میتوان برای هریک از حالات مانای اتم هیدروژن برابر با nhقرار داد، شرطی که در مورد مسیرهای دایروی به‌معنای کوانتش تکانۀ چرخشی در واحدهایی به اندازۀ h/2π است. چنین اتّحادی به معنی تعیین ثابت ریدبرگ است، که با بار e و جرم mالکترون و همچنین با ثابت پلانک طبق فرمول
R=
، بیان میشود که با مقدار تجربی در درون دقّت اندازهگیری کمیّت e، mو hمطابقت میکند.
اگرچه این مطابقت، به حوزۀ استفادۀ مدلهای مکانیکی بر تشریح حالات مانا اشاره میکند، امّا مسلّماً این دشورای‌ها، در هر رابطه‌ای که میان مفاهیم کوانتـومی با اصول مکانیک عمومی باشد، بازهم پابرجاست. به‌این دلیل هم این نکته خیال ما را آسوده کرد که راه تازه به مسائل طیفی، آن خواستۀ مسلّمی را برآورده میکند تا تشریح فیزیکی کلاسیک را در حدود مرزی دربر بگیرد، یعنی آنکه کنش آنقدر بزرگ باشد، که بتوان از یک کوانتوم منفرد صرف‌نظر کرد. چنین تأمّلاتی نخستین نشانه‌های اصل تناظر بود که هدفش این است تا تشریح آماری بنیادین مکانیک کوانتومی را تعمیمی منطقی از تشریح فیزیکی کلاسیک بداند.
به‌این ترتیب براساس الکترودینامیک متعارف، ترکیب طیفی تابشی که از نظامی الکترونی انتشار پیدا کرده است، از راه بسامد و دامنۀ ارتعاشات هماهنگ معیّن میشود، بهطوریکه در این وضع حرکت نظام را میتوان حلّ کرد . مسلّم است که هیچ رابطۀ سادهای میان حرکت کپلری الکترونی به دور هستهای سنگین، و تابش منتشر‌شده به‌دلیل گذار میان حالات مانای نظام وجود ندارد. در حدّ مرزی گذار میان حالات، که مقادیر عدد کوانتومی آنها n در مقایسه با اختلافش بزرگ است، میتوان نشان داد که بسامدهای مؤلّفههای تابش، که به‌عنوان نتیجۀ فرایندهای گذار تصادفی فردی پدیدار میشود، به‌تقریبی با بسامدهای مؤلّفههای هماهنگ حرکت الکترونی یکی است. این واقعیّت که در مسیری کپلری، به‌عکس ارتعاش هماهنگ سادهای، نه تنها بسامدهای چرخشی، بلکه بسامدهای سطحی هم پدیدار میشود، این امکان را به وجود آورد تا مشابهی کلاسیک با ترکیب نامحدود جمله‌ها در طیف هیدروژن را بیابیم.
این دلیل روشن بر رابطۀ نزدیک میان مدل اتمی رادرفورد و مصالح تجربی موجود در مورد طیف، تا مدّتها به‌سبب بروز وضعی عجیب معطّل ماند. حتّی بیست‌سال پیشتر، پیکرینگدر طیف ستارههای دوردست سری خطوطی را مشاهده کرده بود که طول موج آنها از نظر عددی با طیف معمولی هیدروژن خویشاوندی زیادی نشان میداد. به‌این سبب این خطوط را عموماً به هیدروژن نسبت می‌دهند، بهطوریکه حتّی ریدبرگ گمان کرده بود که این خطوط ممکن است تناقض آشکار میان سادگی طیف هیدروژن و پیچیدگی طیف عناصر دیگر را، از آن جمله فلزّات قلیایی را، بپوشاند، که ساختار آنها پس از طیف هیدروژن قرار دارد. این نظر، حتّی نظر ای. فاولر، طیفشناس مشهور بود، که درست در آن زمان در پژوهش‌های آزمایشگاهی خود با تخلیۀ مخلوطی از هیدروژن و هلیوم، خطوط پیکرینگ و سریهای طیفی خویشاوند تازه‌ای را مشاهده کرده بود.
امّا خطوط پیکرینگ و فاولر هم نتوانست با فرمول ریدبرگ دربارۀ طیف هیدروژن سازگاری داشته باشد، زیراکه عدد nدر مورد جمله‌های طیفی نمی‌تواند هم شمار درست مقداری عددی داشته باشد و هم نیمی از آن شمار را. امّا این چنین فرضی شاید آشکارا تقریب مجانبی به رابطۀ کلاسیک میان انرژی و بسامد طیفی را تخریب کند. از طرف دیگر این چنین تناظری در مورد طیف نظامی، که از الکترونی تشکیل شده است که با بار Ze به هسته بستگی دارد، درست است که حالات مانایش از راه همان مقدار nh انتگرال کنش معیّن میشود.جمله‌های طیفی برای چنین نظامی درعمل از راه Z2R/i2 به‌دست میآید، که برای Z=2 همان نتیجه به‌دست میآید که با واردکردن نیمۀ همان مقدار n در فرمول ریدبرگ. از اینجا به‌آسانی این نتیجه به‌دست آمد که به خطوط پیکرینگ و فاولر همان چیزی را باید نسبت داد که به حرکت گرمایی بالا در ستارگان، و همچنین آن چیزی را که فاولر با تخلیههای قوی هلیوم یونیزه‌شده به‌دست آورد. اگر این نتیجه درعمل تأیید شود، این نخستین گام در راه پایهگذاری روابط کیفی میان خصوصیّات عناصر مختلف بر اساس مدل اتمی رادرفورد خواهد بود.
III
هنگامی که در ماه مارس ۱۹۱۳ نامهای به رادرفورد نوشتم و طرح نخستین رسالهام دربارۀ نظریّۀ کوانتومی ساختار اتم را پیوست آن کردم، تأکید کردم که چقدر این نکته مهم است تا مسئلۀ پیدایی خطوط پیکرینگ روشن شود؛ درعین‌حال هم از او سؤال کردم که آیا میتوان به این منظور آزمایشهایی در آزمایشگاه او انجام داد، زیراکه دستگاه طیف‌نگار مناسبی از زمان شوستر در اختیارش بود. بی‌معطّلی هم جوابی دریافت کردم که کاملاً نشان از نظر او در کمک به‌دیگران داشت، و در اینجا هم مایلم متن کامل آن نامه را نقل کنم:
بیستم مارس ۱۹۱۳
دکتر بور عزیز،
نامۀ شما درست به دستم رسید و با علاقۀ زیاد هم خواندم، امّا دلم می‌خواهد اگر فرصت پیدا کنم، دوباره هم آن را بادقّت بخوانم. فکر شما دربارۀ چگونگی پیدایی طیف هیدروژن از روی تیزبینی بسیار است و به‌نظر میرسد که استحکام درستی هم دارد؛ امّا پیوند مکانیک پیشین با افکار پلانک این کار را دشوار میکند تا بتوان تصوّر فیزیکی‌ای از آن به‌دست آورد که در اساس آن باشد. به‌نظر من در فرضیّۀ شما دشواری جدّی همان است که شما به‌یقین به آن آگاهی دارید، یعنی: الکترون چگونه تصمیم میگیرد، وقتی از حالت مانایی به حالت دیگر میرود، با چه بسامدی شروع به ارتعاش کند؟ به‌نظر من، فرض شما باید این باشد که الکترون ازپیش میداند که کجا می‌خواهد بماند.
می‌خواهم نقدی کم‌اهمیّت‌تر هم بر ترتیب مقالۀ شما وارد بکنم. گمان میکنم که شما در تلاش خود تا افکارتان را روشن بیان کنید، نوشتۀ خود را طولانی می‌کنید و تمایل دارید ادّعاهای خود را در قسمتهای گوناگون کار خود تکرار کنید. به‌نظر من مقاله باید کوتاه شود و عقیده‌ام هم این است که این مسئله عملی است بی‌آنکه وضوح خود را از دست بدهد. من نمیدانم که آیا شما به این واقعیّت آگاه‌اید که مقاله‌های طولانی برای این کار است تا خواننده را بترساند، تا خواننده احساس کند که اصلاً وقت ندارد تا آنها را عمیق بخواند.
مقالۀ شما را خیلی دقیق می‌خوانم و به‌شما خبر می‌دهم که نظرم دربارۀ جزئیّات آن چیست. خیلی دلم می‌خواهد آن را برای مجلّۀ فلسفه بفرستم، ولی بهتر می‌دانم که دامنۀ مقاله بسیار کوتاه‌تر شود. به‌هرحال من همۀ اصلاحاتی را که در زبان انگلیسی لازم است، انجام خواهم داد.
بسیار خوشحال خواهم شد که مقاله‌های بعدی شما را ببینم، امّا خواهش میکنم، راهنمایی من را از صمیم قلب بپذیرید و کوشش کنید، تا آنها را تا آنجایی کوتاه کنید که خللی بر فهم آنها وارد نشود. خوشحال می‌شوم که از زبان شما بشنوم که چه وقت به انگلستان خواهید آمد. بسیار خوشحال خواهیم شد که شما را در منچستر ببینیم.
به‌علاوه، به ملاحظات شما دربارۀ طیف فاولر بسیار علاقه‌مند شدم. من از آن به اِوان گفتم و او هم به من گفت که به این مسئله بسیار علاقه دارد؛ وقتی که نیمسال تحصیلی بعدی به اینجا برمیگردد، کاملاً امکان دارد تا بتواند آزمایشهایی در این مورد انجام بدهد. کارهای کلّی خیلی خوب است، اما فعلاً با کارهایم فهمیدم که جرم ذرّۀ α بسیار بزرگ‌تر از آن است که میبایست باشد. اگر این مسئله درست باشد، این نتیجۀ مهمی خواهد بود که فعلاً نمیتوانم آن را منتشر کنم، پیش از آنکه به دقّت اندازهگیری‌هایم از هر حیث مطمئن شوم. این آزمایشها، بسیار وقتگیر است و باید هم با دقّت تمام انجام شود.
ارادتمند شما، ای. رادرفورد
پی‌نوشت: گمان نمی‌کنم با این کار مخالف باشید که همۀ آن چیزهایی را که به نظرم لازم نیست، حذف کنم؟ لطفاً به من جواب بدهید.
نخستین تذکّر رادرفورد درواقع کاملاً بجا بود، و این سؤال را مطرح میکرد که نکتۀ اصلی بحثهایی بود که پس از این میآید. عقیدۀ من در آن زمانی که آن را در سخنرانیام در نشست انجمن فیزیک دانمارک در اکتبر (دسامبر) سال ۱۹۱۳ بیان کردم، این بود که این انحراف تمام‌عیار از خواسته‌های معمول از توضیـحی فیزیکی، که اصل موضوع کوانتومی آن را درخود دارد، به‌خودی‌خود آنقدر فضا بر این امکان به‌وجود میآورد تا طی زمان بر فرضهای تازه در گرته‌ای منطقی کار انجام شود. در پایان این تذکار رادرفورد، این هم اهمیّت دارد تا به یاد آوریم که اینشتین در رسالۀ مشهورش از سال ۱۹۱۷ دربارۀ اشتقاق از فرمول پلانک دربارۀ تابش گرمایی همین نظر را دربارۀ پیدایی طیف برمی‌گزیند و بر مشابهت میان قوانینی که بر پدیدههای تابشی خودبه‌خودی قوانین آماری حاکم است و قانون بنیادین واپاشی پرتوزا اشاره میکند که پیشتر در سال ۱۹۰۳ رادرفورد و سودی آن را صورتبندی کرده بودند. این قانون که به هردو پژوهشگر به‌یک‌باره این امکان را داد تا تا شمار زیادی از پدیدههای شناخته‌شدۀ آن زمان در حوزۀ پرتوزایی طبیعی را روشن کنند،چون راهنمایی هم، بر فهم انشعابات غریبی که در فرایندهای واپاشی به‌خودی‌خود بعدها مشاهده شده بود، استوار برجای ماند.
نکتۀ دومی که رادرفورد در نامهاش باتأکید مطرح کرده بود، مرا در وضعی بسیار خجل‌کننده می‌گذاشت. چند روزی پیش از آنکه جواب رادرفورد را دریافت کنم، نسخه‌ای با شرح‌وبسط خیلی بیشتر از دست‌نوشت اولّیه برای او فرستاده بودم. این اضافات به‌خصوص بیشتر دربارۀ رابطه میان طیفهای جذب و انتشار بود، و همچنین دربارۀ مسئلۀ مطابقت مجانبی با نظریّههای فیزیک کلاسیک بود. به‌همین سبب احساس می‌کردم که تنها راه بر اینکه به این مسائل سروسامان دهم این است که بی‌درنگ به منچستر بروم و همه چیز را با خود او در میان بگذارم. با اینکه رادرفورد بسیار بیش از هرکس دیگری کار داشت، ازسر صبر چندین شب تمام با من گفتگو کرد، و در خلال آن گفتگوها هم برایم روشن کرد که هیچگاه گمان نمی‌کرد که من تا این اندازه خودسر باشم، و دراینجا هم موافقت کرد که همۀ نکات تازه و کهنه در نوشتۀ نهایی باقی بماند. سبک و زبان نوشته هم طبعاً با کمک و راهنمایی او خیلی بهتر شد و من هم ناگزیر گاه به این فکر می‌افتادم که چقدر اعتراضات او برضدّ آن توضیحات نابجا و به‌خصوص آن تکرارهای مکرّر منابع موجود پیشین درست بود. به‌این سبب این درس رادرفورد برایم فرصتی مغتنم بود تا نگاهی اجمالی به سیر واقعی آن دلایل در آن سالها بیفکنم.
در ماههای بعد، در بحث دربارۀ پیدایی خطوط طیفی یون هلیوم چرخشی غریب پدید آمد. پیش از هر چیز، اِوان توانست خطوط فاولر را از راه تخلیه هلیوم کاملاً خالص نشان دهد، بهطوریکه در اینجا هیچ ردّی از خطوط هیدروژن معمولی دیده نمی‌شد. امّا فاولر هنـوز هم به کارش یقین نداشت و تأکید میکرد که برخی طیفها در این مخلوط گاز ممکن است به‌اشتباه پدیدار شود. پیش از هر چیز او متوجّه شده بود که اندازهگیریهای دقیقش از طول موجهای خطوط پیکرینگ، با خطوطی که براساس فرمول من با z=2 به‌دست میآید، به‌طور دقیق مطابقت نداشت. یافتن جواب به این اعتراض، ساده بود، زیرا آشکارا برای جرم m در عبارت ثابت ریدبرگ، نباید جرم یک الکترون آزاد قرار بگیرد،بلکه جرم به‌اصطلاح کاهش‌یافتۀ آن mM(m+M)-1، که در آن، M جرم هسته است. با درنظرگرفتن این تصحیح، رابطۀ پیشبینی‌شده میان طیف هیدروژن و طیف یونیزه‌شدۀ هلیوم در مطابقت کامل با همۀ اندازهگیریها بود. فاولر هم از بابت این نتیجه خوشحال شد و در همین فرصت هم به‌این مسئله اشاره کرد که در طیفهای دیگر عناصر هم سریهایی مشاهده کرده است که در آنها ثابت معمول ریدبرگ را در عددی که تقریباً چهار است باید ضرب کرد.چنین طیفهای سری، که آنها را به‌طور عموم طیفهای رادیویی می‌نامند، از یونهای برانگیخته‌شده سرچشمه میگیرد که به‌عکس طیفهای قوسی است که به اتمهای خنثای برانگیخته‌شده نسبت داده میشود.
ادامۀ پژوهش‌های طیفنگاری سبب کشف بسیاری از طیفهای اتم در سالهای پیشرو شد که از آن اتم‌ها نه تنها یک الکترون، بلکه چندین الکترون جدا میشد. به‌خصوص مطالعات مشهور باوِئن به این شناخت انجامید که در بحث نیکولسون از پیدایی طیف از ابرهای ستاره‌ای نباید درپی عناصر جدید فرضی بود، بلکه سرچشمۀ آن اتمهای اکسیژن و ازت در حالات بالای یونیده است. سرانجام به این دیدگاه رسیدیم که با تحلیلی از فرایندهایی که در آنها، الکترونها یکی پس از دیگری به هسته وصل میشود، چشماندازی دربارۀ بستگی بسیاری از الکترونها در حالت اصلی اتم رادرفورد به‌دست میآید. امّا مصالح تحربی در سال ۱۹۱۳ طبیعتاً بسیار کم بود و روشهای نظری بر دسته‌بندی حالات مانا هنوز پیشرفت چندانی نکرده بود تا بتوانیم از عهدۀ وظیفه‌ای این چنین مهم براییم.
Ⅳ
در این میان، کار برسر ساختار الکترونی اتم، گام به گام به پیش میرفت و من هم دوباره به‌خود اجازه دادم تا از رادرفورد درخواست کمک و راهنمایی کنم. در ژوئن ۱۹۱۳ با نوشتۀ دومم به منچستر سفر کردم. این نوشته، به‌جز ادامۀ بحث دربارۀ قانون جابجایی پرتوزا و پیدایی تابش بارکلا، به حالت بنیادین اتم‌هایی می‌پرداخت که چندین الکترون داشت. برای حلّ این مسئله درآغاز یک‌بار کوشیدم تا مدار الکترونها را براساس حلقه‌های بسته منظّم کنم، که ما را به یاد ساختار پوستهای اتم جی. جی. تامسون می‌انداخت. تامسون در آزمایش اوِّلیّۀ خود کوشیده بود تا به کمک مدل اتمیاش تناوب در جدول عناصر مندلیف را توضیح دهد.
در این زمان در آزمایشگاه رادرفورد به هِوِشی و پانِت برخوردم که من را از موّفقیّـت خود از مطالعات نظام‌مند اوّلیّه‌اشان باخبر کردند. آن دو در اوایل سال، در وین باهمدیگر روش نشنانگر را بر محلول سولفات سرب و کرومات سرب به‌کار گرفته بودند. این دیدارهای مکرّر در منچستر ما را ازهرحیث بسیار سر شوق میآورد و بهمن فرصت خوبی میداد تا بتوانم در جریان کار آزمایشگاه باقی بمانم. در این زمان، رادرفورد، که رابینسون دستیارش بود، با جدّیّت به کار تحلیل انتشار-β سرگرم بود و به‌همراه آندراجه طیفهای –γ را مطالعه میکرد. افزون بر آن هم، داروین و موزلی با تلاش بسیار به کار تحقیق تجربی و نظری دقیق خود دربارۀ خمیدگی پرتوهای رونتگن در بلورها مشغول بودند.
فرصت خوب دیگری برای دیدار رادرفورد به‌مناسبت نشست “انجمن بریتانیایی برای پیشرفت علم» در بیرمنگام در ماه سپتامبر ۱۹۱۳ پیش آمد. در این نشست، که خانم کوری هم در آن شرکت داشت، به‌خصوص به بحث کلّی دربارۀ مسئلۀ تابش پرداخته شد، که در آن اشخاص صاحب‌نامی مانند ری‌لای، لارمور و لورنتس شرکت داشتند؛ و به‌خصوص هم جینس، که نگاهی مقدّماتی به کاربرد نظریّۀ کوانتومی در مسئلۀ ساختار اتم افکند. حرف‌های روشن او درعمل نخستین اظهار عمومی به علاقۀ جدّی به نظراتی بود که عموماً در بیرون از گروه -منچستر با شک زیاد به آنها نگریسته میشد.
آنچه در این میان پیش آمد که رادرفورد و همۀ ما را خوشحال کرد، تذکار لرد ری‌لای به عنوان پاسخ به تقاضای رسمی سر جوزف لامور بود تا نظرش دربارۀ تازه‌ترین پیشرفتها را بیان کند. بی‌درنگ جواب آن پیش‌کسوت بزرگ دیرین برآمد که خود در سالهای پیش، سهم مهمّی در توضیح مسائل تابش ایفا کرده بود: ” در دوران جوانی بر ابراز عقاید خود بسیار مصرّ بودم و هم اینکه آن که بیش از شصت سال دارد نباید دربارۀ نظرات تازه حرفی بزند. و اگرچه باید اذعان کنم که امروزه دیگر بر چنین فکری پافشاری نمی‌کنم، امّا دراین باره آنقدر راسخم تا در این بحث شرکت نکنم!”
در دیدارم با داروین و موزلی در ماه ژوئن دربارۀ توالی درست در ترتیب عناصر از روی عدد اتمی آنها صحبت کرده بودم. برای نخستین بار از زبان موزلی از طرح‌هایش شنیدم تا این مسئله را از راه اندازهگیریهای نظام‌مند طیفهای عناصر با بسامد بالا به کمک روش لاوئه-براگ حلّ کند. موزلی با انرژی منحصربهفرد و توانایی خود، کاملاً هدفمند به آزمایش می‌پرداخت، بهطوریکه کارش به‌سرعت پیش میرفت، و به‌همین سبب هم درست در ماه نوامبر ۱۹۱۳ نامۀ بسیار دلگرم‌کننده‌ای از او به‌همراه گزارشی دربارۀ نتایج مهم آن از او دریافت کردم، و به‌همراه آن پرسش‌هایی دربارۀ توضیح آنها براساس قواعدی که در طیفهای نوری کاربرد خود را احراز کرده بود.
در تاریخ جدید فیزیک و شیمی، رویدادهای اندکی از همان آغاز، مانند کشف موزلی، این چنین علاقۀ عمومی را برانگیخته است؛ این کشف براساس قوانین کاملاً سادهای امکان میدهد تا عدد اتمی هر عنصری را، براسـاس طیف با بسامد بالا، تعیین کنیم. از یک سو، پشتیبانی آن از مدل اتمی رادرفورد بی‌درنگ شناخته شد، و از سوی دیگر، این گمان که مندلیف در جاهای گوناگون نظامش از توالی عناصر براساس افزایش وزن اتمی منحرف شده بود، کاملاً آشکار شد. به‌خصوص این نکته روشن شد که قوانین موزلی راهنمایی بی‌خطا در راه جستجوی آن عناصری بود که هنوز کشـف نشده است، که در جاهای خالی در ردیف‌های اعداد اتمی میگنجد.
دربارۀ مسئلۀ پیکربندی الکترون در اتم هم، کار موزلی آغاز خوبی بر پیشرفتی مهم بود. این واقعیّت که جاذبه‌ای که هسته بر الکترونهای منفرد در درونیترین جزء اتم اعمال میکند بسیار بزرگ‌تر از نیروی دافعۀ الکترونها بریکدیگر است، بنیانی بر فهم آن مشابهت چشم‌گیری فراهم آورد که میان طیفهای موزلی و آنهایی وجود داشت که از نظامی با یک الکترون انتظارش میرفت که به هستهای تنها بستگی داشت. امّا مقایسه‌ای مفصّل‌تر، نتایج تازه‌ای دربارۀ ساختار پوستهای بنای الکترونهای اتم ارائه داد.
اندکی بعد، کوسل مقالۀ مهمّی دربارۀ این مسئله ارائه کرد که مبدأ تابش بارکلا از سنخK, -L-, و M- را به فاصلۀ الکترون از یکی از آن دسته از حلقه‌هایی یا پوستههایی که به دور هسته قرار دارد مربوط می‌دانست. او به‌خصوص به مؤلّفههای kα و kβ در طیفهای موزلی، فرایندهای گذار فردی‌ای را نسبت میداد که در آنها یکی از الکترونهایی که در پوستۀ K- کم باشد با الکترونی دیگر در L- یا M- جایگزین میشود. کوسل با ایـن روش توانست دیگر روابط میان انـدازهگیریهای موزلی از بسامدهای طیفی را نشان دهد که به او این امکان را داد تا همۀ طیف با فرکانس بالای یک عنصر را به عنوان گرته‌ای ترکیبی نشان دهد که در آن حاصلضرب با یکی از جمله‌ها و ثابت پلانک آن انرژی‌ای مساوی است که لازم است تا الکترونی را از اتم آنقدر دور نگاه دارد که آن الکترون در بیرون از همۀ پوستهها قرار گیرد.
از آن گذشته، نظرات کوسل خود توضیحی بر این واقعیّت ارائه میداد که جذب تابش ورودی با افزایش طول موج عملاً با لبه‌ای از جذب آغاز میشود که آن دور کردن کامل الکترونی از پوستۀ مربوطه را در یک گام نشان میدهد. همچنین فرض کردیم که نبود حالات میانی تحریک شده به این سبب به‌وجود میآید که همۀ پوستهها در حالت بنیادین اتم به‌طور کامل پر شده است. و تا آنجایی که میدانیم این نظر بیان خود را سرانجام در اصل کلّی طرد پاؤلی می‌یابد که او در سال ۱۹۲۴ در مورد حالات بستگی الکترونهایی صورتبندی کرده است که از راه اشتقاق استونر از جزئیّـات ظریفتر ساختار پوستۀ اتـم رادرفورد از تحلیلی از قانونمندیهای طیفهای نوری برخاسته است.
Ⅴ
کشف اشتارک در پاییز سال ۱۹۱۳ دربارۀ اثر بسیار زیاد میدانهای الکتریکی بر ساختار خطوط طیف هیدروژن، فیزیک‌دانان را ازنو سراسیمه کرد. با آن توجّهی که او از سرهشیاری به هر پیشرفت فیزیکی‌ای میکرد، رادرفورد، پس از آنکه مقالۀ اشتارک را از فرهنگستان پروس دریافت کرده بود به من در نامهای نوشت: “گمان میکنم که حالا کار شماست تا دربارۀ اثر زیمن و اثرهای الکتریکی چیزی بنویسید که بتواند تاحدّممکن این مسئله را با نظریّۀ شما هماهنگ کند.” به تشویق رادرفورد من هم کوشیدم تا به این امرواقع وارد شوم. امّا خیلی زود هم بر من روشن شد که ما در مورد کنش میدانهای الکتریکی و مغناطیسی با دو مسئلۀ کاملاً متفاوت رودررو هستیم.
آنچه در توضیح لارمور و لورنتس دربارۀ کشف مشهور زیمن در سال ۱۸۹۶ مهم بود این بود که این توضیحها مستقیم بر حرکت الکترون به‌عنوان علّت طیفهای خطی استوار بود، و آنهم به‌این‌صورت که دراساس از فرضهای خاص سازوکار بستگی الکترونهای اتم مستقلّ بود. اگر حتّی پیدایی طیف را به گذارهای فردی میان حالات مانا نسبت دهیم، از راه اصل تناظر – به سبب قضایای کلّی لارمور- کارمان به اینجا می‌انجامد تا اثر متعارف زیمن را درمورد همۀ آن خطوط طیفی‌ای پیشبینی کنیم که از الکترونهایی منتشر میشود که در میدان متقارن مرکزی‌ای مانند اتم رادرفورد با هم پیوند دارد. بروز آثار به‌اصطلاح نامتعارف زیمن شگفتی‌های تازه‌ای را مطرح کرد که تازه ده سال بعد حل شد، یعنی پس از آنکه ساختار پیچیدۀ خطوط در طیفهای سری را به اسپین درونی یک الکترون برگرداندیم. یکی از گیراترین وصفهای این پیشرفت را، که از همه سو هم نوشته‌های مهمّی به آن افزوده شده است، در یادنامۀ مشهور پاؤلی، که به‌تازگی منتشر شده است، میتوان دید.
امّا در مورد یک میدان الکتریکی نتوانستیم برای تابشی که از اسیلاتوری هماهنگ منتشر میشود، انتظار اثری را داشته باشیم که متناسب با شدّت آن باشد، و کشف اشتارک به‌این دلیل تصوّر متعارف از ارتعاشات کشسانی الکترون را، به‌عنوان علّت ایجاد طیفهای خطّی، به‌طور قطعی منتفی میکند. حرکت کپلری الکترون به دور هسته با این حال حتّی بر میدان الکتریکی نسبتاً ضعیـف، از راه اختلالات معمول، تغییرات زیادی در شکل و موقعیّت مسیر به‌وجود میآورد. مطالعۀ موارد خاصی که در آنها مسیر در میدان خارجی کاملاً متناوب میماند، این امکان را به‌وجود آورد تا با استدلالهایی از همان نوع، مانند آنهایی که درمورد حالات مانای اتم هیدروژن غیرمختل به کار بردیم، تا بزرگی اثر اشتارک را به‌دست آوریم، و به‌خصوص رشد سریع از خطیّ به خط دیگر در سریهای طیف هیدروژن را توضیح دهیم. این ملاحظات دراین میان به‌طور روشن نشان داد که روشهای تقسیمبندی حالات مانای نظام‌های اتمی آنقدر تکامل پیدا نکرده بود تا بتواند جزئیّات ظریفتر این پدیده را توضیح دهد.
درست به این دلیل، در سالهای بعد با واردکردن اعداد کوانتومی که مؤلِّفه‌های تکان چرخشی و همچنین دیگر انتگرالهای کنش را معیّن میکند، گام بزرگی به پیش آمدیم. این روشها را و. ویلسون برای نخستین بار در سال ۱۹۱۵ پیشنهاد کرده بود که خود آنها را درمورد مسیر الکترونی در اتم هیدروژن به‌کار گرفته بود. امّا در پی این وضع، که بر اساس مکانیک نیوتونی، در این مورد هر مسیری کاملاً با بسامد دورانیای تناوب دارد که تابعی از انرژی کل نظام است، درآغاز هیچ اثر فیزیکی تازه‌ای پیدا نشد. وابستگی جرم الکترونی به سرعت، که در مکانیک تازۀ اینشتین پیشبینی شده است، این ناجوری حرکتی را می‌زداید و از راه چرخش آرام مداوم با کمترین فاصله در مسیر کپلر به تناوب ثانوی‌ای در مؤلّفههای هماهنگش میرسد. همانطورکه زومرفلد در نوشتۀ مشهورش در سال ۱۹۱۶ نشان داد، تقسیم مجزّای کوانتومی تکانههای چرخشی و کنش حرکت دورانی، توضیح مشروح ساختار ظریف مشاهده‌شدۀ خطوط در طیفهای اتم هیدروژن و یون هلیوم را ممکن میکند.
زومرفلد و اپشتاین مطالعۀ خود از تأثیر میدانهای مغناطیسی و الکتریکی بر طیف هیدروژن را دنبال کردند. با به‌کارگیری استادانه از روشهای تقسیم کوانتومی چندتایی نظام‌های متناوب، آنها در موقعیّتی قرار گرفتند تا با مطابقت کامل با مشاهده، آن جمله‌های طیفی‌ای را به‌دست آورند که ترکیب آنها محوشدن خطوط هیدروژن را درپی خواهد داشت. سازگاری چنین روشهایی با اصل ناوردایی بی‌درروی حالات مانا، که ارنست در سال ۱۹۱۴ صورتبندی کرده بود تا ضروریات ترمودینامیکی را سروسامان دهد، از این راه ممکن شد که انتگرالهای کنش، که اعداد کوانتومی به آنها مرتبط میشود، با تغییر میدان خارجی، که در مقایسه با تناوبهای خاص نظام کند است، براساس مکانیک کلاسیک تغییر نکند.
دلایل دیگر بر ثمربخشی این روش از راه کاربرد اصل تناظر به‌دست آمد که آن را بر آن تابشی به‌کار گرفتیم که از نظام‌های تناوبی چندتایی منتشر میشود، بهطوریکه توانستیم از آنها به نتایج کیفی برای احتمالات نسبی درمورد فرایندهای مختلف گذار برسیم. این دیدگاه‌ها در همان آغاز با توضیح کرامر دربارۀ تغییرات به‌ظاهر دلخواه شدّت مؤلّفههای اثر اشتارک در خطوط هیدروژن تأیید نشد. به کمک افکاری مبتنی بر تناظر، حتّی این کار ممکن شد تا نبود برخی از انواع گذار در اتم به دیگر اتم‌ها را و حتّی فراتر از آن را توضیح دهیم، که آن‌چنان‌که روبی‌نویچ نشان داد، می‌توانست از راه کاربرد اصول پایستگی دربارۀ انرژی و تکان بر واکنش میان اتم و تابش مستثنی شود.
درپی انباشت روزافزون مصالح تجربی درمورد ساختار طیفهای نوری پیچیده، و همچنین جستجوی روشمند قانونمندی ظریف در طیفهای با بسامد بالا به‌دست زیگ‌بان و همـکارانش، تقسیمبنـدی حالات بستگی در اتم با چند الکترون، پیوسته پیشرفتهای تازه‌ای میکرد. به‌خصوص مطالعۀ نوع و روشی که در آن حالات بنیادین اتم از راه بستگی پی‌درپی الکترون به هسته درست میشود، به توضیح تدریجی ساختار پوسته در پیکربندی اتم انجامید. با اینکه در زمان این توضیح، عناصر اساسی‌ای مانند اسپین الکترون هنوز ناشناخته بود، امّا ده سال پس از کشف رادرفورد از هستۀ اتم این امکان به‌وجود آمد تا به توضیحی موجز از بسیاری از شاخصه‌های چشم‌گیر تناوبی نظام مندلیف دست یابیم.
این پرداختن به مسئله هنوز از ریشه‌وبن نیمه‌تجربی بود، و این هم لازم بود روشن شود که بر توانایی بر تشریح جامع خواصّ شیمیایی و فیزیکی عناصر، به کژ‌رویی‌ای تمام‌عیار از مکانیک کلاسیک نیاز بود، تا اصل موضوعۀ کوانتومی بتواند در گرتۀ منطقی بی‌ابهامی مطالعه شود. ما به این پیشرفت کاملاً شناخته‌شده در وقت خود باز می‌گردیم، امّا حالا کار گزارش از خاطرات با رادرفورد را پی می‌گیریم.
آغاز جنگ جهانی اوّل گروه منچستر را تقریباً به تعطیل کشاند، امّا من خوش اقبال بودم و توانستم رابطۀ نزدیکم با رادرفورد را حفظ کنم که از من در اوایل سال ۱۹۱۴ دعوت کرده بود تا جانشین داروین و شوستر در کرسی درس فیزیک ریاضی شوم. همینکه اوایل پاییز به منچستر رسیدم، آنهم پس از سفری پرشور به دور اسکاتلند، چند دوست قدیمی، که هنوز در آزمایشگاهشان مشغول به کار بودند، به من و همسرم به‌گرمی خوش‌آمد گفتند، زیراکه همکاران خارجیاشان آنجا را ترک کرده بودند و بسیاری از انگلیسیها هم خود را برای انجام خدمت سربازی معرّفی کرده بودند. رادرفورد و همسرش در آن زمان هنوز در آمریکا بودند، که پس از دیدار بستگانشان در نیوزیلند به آنجا رفته بودند، و به‌همین دلیل هم آنها چند هفته‌ای بعد به منچستر برگشتند، و ما هم همگی با آسودگی خیال و خوشحالی به آنها خوش‌آمد گفتیم.
چندی نپایید کهخود رادرفورد را برای انجام طرح‌های نظامی، به‌خصوص برای پیدا کردن روشهایی برای ردّیابی صوتی قایقهای زیردریایی فراخواندند، بهطوریکه کار تدریس تقریباً با اوانس، مک‌آور و من بود. امّا رادرفورد بازهم فرصت پیدا میکرد تا کار ابتکاری خاصّ خود را، که پیش از پایان جنگ هم در آن موفقیّت‌های زیادی داشت، پی بگیرد، و مثل همیشه هم به کارهای همکارانش همان علاقۀ زیاد را نشان میداد. انتشار نوشته‌های مشهور فرانک و هرتس از آزمایشهای خود دربارۀ تحریک اتم با ضربۀ الکترون در سال۱۹۱۴، برای مسئلۀ ساختمان اتم، محرّکی تازه به حساب می‌آمد.
از یک سو، این آزمایشها بر روی بخار جیوه دلیلی بر انتقال پلّکانی انرژی در فرایندهای اتمی بود؛ و از سوی دیگر، مقدار انرژی یونیزه‌کننده برای اتمهای جیوه، که آزمایشها آن را به‌روشنی نشان میداد، کمتر از آن نصفی بود که ما براساس تفسیر طیف جیوه انتظار داشتیم. به‌همین دلیل بی‌رغبت هم نبودیم تا گمان کنیم که یونیزه‌شدنی که مشاهده شده است با ضربه‌های الکترون مستقیماً مرتبط نیست، بلکه درعین‌حال از اثر نوری‌ای که در الکترود به وجود میآید، بروز میکند که از راه تابش منتشر‌شده از اتمهای جیوه در برگشت از حالت آغازین تحریک‌شده به حالت بنیادین پدیدار شده به‌وجود آمده است. با تشویق رادرفورد، من و ماکاور تصمیم گرفتیم این مسئله را روشن کنیم. برای این کار دستگاه کوارتز پیچیده‌ای با شبکه و الکترودهای مختلف را شیشه‌گر آلمانی ماهری ساخت که پیشتر لولههای چشم‌نواز پرتوهای آلفا-α را برای بررسی‌های رادرفورد از تشکیل هلیوم ساخته بود.
رادرفورد از سر بلندنظری کوشید تا اجازه‌نامه‌ای فراهم کند تا آن شیشه‌گر بتواند در زمان جنگ در انگلستان به کارش ادامه دهد، امّا طبع آن مرد، که چندان هم برای صنعت‌گرانی در حرفۀ او غیرمعمول نبود، و با حرف‌های فوق‌میهن‌پرستانه‌اش هم گاه غوغا میکرد، به اینجا انجامید که از طرف مأموران انگلیسی توقیف شود. همینکه دستگاه زیبای ما در حادثه‌ای که سرپیچش آتش گرفت، خراب شد، ما هم دیگر کمکی سراغ نداشتیم تا بتواند آن را بازسازی کند، و چون ماکاور هم کمی بعد خود را داوطلبانه به خدمت نظام معرفّی کرد، آن آزمایشها هم معطّل بر زمین ماند. نیازی هم نیست تا بگویم که این مسئله را با نتیجهای که از آن انتظار میرفت، دیویس و گاوچر کاملاً مستقلّ از ما در سال ۱۹۱۸ در نیویورک با آزمایشهای درخشان خود حلّ کردند. من کوششهای بیثمرمان را تنها از این جهت یادآوری کردم تا به دشواری‌هایی اشاره کنم که آزمایشگاه منچستر در آن زمان با آنها دست‌و‌پنجه نرم میکرد؛ این مشکلات شبیه به آنهایی است که خانمها باید در خانهداری به آنها بپردازند.
آن خوشبینی رادرفورد، که هرگز تمامی نداشت، بر اطرافیانش تأثیری بسیار شوق‌برانگیز داشت. به یاد میآورم که چگونه او به سبب شکستی جدّی در جنگ، آن گفتۀ قدیمی منسوب به ناپلئون را، نقل میکرد که با انگیسی‌ها نمی‌توان جنگید، چون اگر جنگ را ببازند، آنقدر کودن‌اند که نمیفهمند. خاطره‌ای زیبا و پرنتیجۀ دیگری هم برای من این بود که اجازه یافتم تا در بحثهای ماهیانۀ یکی از گروههایی که از دوستان شخصی رادرفورد بودند، شرکت کنم. اعضاء این گروه، الکساندر فیلسوف، تاوت مورّخ، الیوت انسان‌شناس، اسمیت و خایم وایزمن شیمی‌دان بودند که هم او سی سال بعد نخستین رئیس جمهور اسرائیل شد، و رادرفورد هم برای شخصیّت ممتازش احترام زیادی قائل بود.
خبر اندوه‌باری که برای همۀ ما در سال ۱۹۱۵ضربه‌ای سنگین بود، مرگ زودهنگام موزلی در میدان جنگ در گالیپولی بود. این رویداد جامعۀ فیزیک‌دانان را در همۀ دنیا عزادار کرد، و از همه بیشتر رادرفورد ناراحت بود که کوشیده بود تا او را به جایی در حبهه منتقل کند که در آنجا با خطر کمتری مواحه باشد.
من و همسرم در تابستان ۱۹۱۶ منچستر را ترک کردیم و به دانمارک برگشتیم، تا من در آنجا کرسی درس فیزیک نظری در دانشگاه دانمارک را برعهده بگیرم که به‌تازگی تأسیس شده بود. با وجود دشواری‌های فزاینده‌ای که در ارتباط پُستی وجود داشت، نامهنگاری خود را با رادرفورد همچنان حفظ کردم. گزارش‌های من دربارۀ ادامۀ کارهایم در نمایاندن کلّی نظریّۀ کوانتومی ساختار اتم بود که پیشرفت در طبقه‌بندی حالات مانا، که پیشتر آن را ذکر کردم، انگیزه‌ای برایم بود. رادرفورد میخواست بداند که چه خبرهای تازه‌ای از اروپا برای گفتن دارم، و علاقۀ خاصی هم به نخستین دیدار شخصی من با زومرفلد و ارنفست از خود نشان میداد. در نامههایش می‌نوشت که چگونه با وجود مشکلات زیاد و بار تعهدّاتش بازهم می‌کوشد تا مطالعاتش را در جهات گوناگون ادامه دهد. در پاییز سال ۱۹۱۶ از علاقه‌اش به برخی از نتایج شگفت‌انگیز دربارۀ جذب پرتوهای سخت γ نوشت که در لولههای تحت ولتاژ بالا به‌وجود آمده بود، که در آن زمان تازه تولید شده بود.
در سالهای بعد رادرفورد بیش از هر وقت دیگر به امکان رسیدن به تبدیلات هستهای به‌کمک پرتوهای سریع α می‌پرداخت، و در نامهای هم به من در روز نهم دسامبر ۱۹۱۷ چنین نوشت:
گاهی این‌ور و آن‌ور نصف روز وقت پیدا میکنم تا بعضی از آزمایشهایم را امتحان کنم و فکر میکنم به نتایجی رسیده باشم که درنهایت بسیار اهمیّت دارد. ای‌کاش شما شما اینجا بودید تا می‌توانستیم باهم گفتگو کنیم. من در این آزمایشها کارم این است تا اتمهای سبک‌تر را، که با ذرّات α به حرکت در میآورم، اثبات و شمارش کنم. گمان میکنم این نتایج دربارۀ نوع و توزیع نیروها در نزدیکی هسته اطّلاعات تازه‌ای به‌دست دهد. سعی میکنم با همین روش هم اتم را بشکافم. در یک مورد نتایج بسیار امیدوارکننده است؛ امّا بازهم باید بیشتر کار کنم تا به یقین برسم. کای هم به من کمک میکند و همین حالا هم کارشناس شمارش است.
یک سال بعد، در روز ۱۷ نوامبر ۱۹۱۸، رادرفورد به‌شیوه‌ای که خاص خودش بود، از پیشرفتهای دیگرش خبر داد:
ای‌کاش شما اینجا بودید تا می‌توانستیم دربارۀ اهمیّت برخی از نتایج از برخوردهای هستهای باهم حرف بزنیم . من تاهمین حالا هم گمان میکنم به نتایج شگفتی رسیدهام، امّا این کار هم مشکل است و هم وقتگیر تا بتوانم به دلایل مطمئنی برای نتیجه‌گیری برسم. شمارش سوسوزنی‌های ضعیف برای چشم آدم‌های پیر سخت است، امّا در چهار سال گذشته به کمک کای توانستم در اوقات غیرمعمول قسمت بزرگی از کار را انجام دهم.
رادرفورد در نوشته‌های مشهورش در مجلّۀ فلسفه در سال ۱۹۱۹، که در آنها گزارشی از کشف بنیادینش از تبدیلات مهارشدۀ هسته اتم وجود دارد، به دیدارش از دوست دیرینهاش ارنست مارسدن در منچستر در نوامبر ۱۹۱۸ اشاره میکند. مارسدن پس از آتش‌بس در فرانسه از خدمت سربازی مرخّصی میگیرد و به‌دلیل تجربۀ زیادش با آزمایش با سوسوزن‌ها، که در واپسین روزهای منچستر با همکاری گایگر انجام داده بود، و رادرفورد را به راه کشف هستۀ اتم برده بود، حالا به رادرفورد کمک میکرد تا بتواند برخی از ناهنحاری‌های ظاهری را در توزیع آماری پروتونهای سریع توضیح دهد که با بمباران با ازت با پرتوهای α آزاد میشد. هرچند مارسدن از منچستر به نیوزلند برگشت تا دوباره به کارهای دانشگاهیاش بپردازد، امّا در همۀ سالهای پیشرو با رادرفورد ارتباط بسیار نزدیک داشت.
وقتی در ژوئیّۀ ۱۹۱۹ پس از آتش‌بس دوباره اجازه سفر پیدا کردیم، به منچستر رفتم تا رادرفورد را ببینم. در همین هنگام بود که از دیگر جزئیّات کشف تازۀ بزرگ او در تبدیلات هستهای مهارشده یا به‌اصطلاح مصنوعی باخبر شدم، که او با انجام آن به آن چیزی زندگی داده بود که خود ازسر دلبستگی “کیمیاگری جدید” می‌نامید، کشفی که با گذر زمان اهمیّت بسیار بر چیرگی انسان بر نیروهای طبیعت می‌یافت. رادرفورد در آن زمان تقریباً در آزمایشگاهش تنها بود، و آنطوری که از نامههایش پیداست، تنها کسی که کمکی در کارهای پژوهشی بنیادینش بود، جز مارسدن که برای دیداری کوتاه نزد او آمده بود، دستیار وفادارش ویلیام کای بود که با مهربانی و کمک‌حال‌بودنش طیّ سالها در آن آزمایشگاه محبّت همه را به‌دست آورده بود.در دیدارش با من، رادرفورد از تصمیم دشواری حرف زد که با آن روبرو بود تا به این پیشنهاد پاسخ دهد که کرسی استادی کاوندیش در کمبریج را بپذیرد که در آن زمان خالی بود، زیراکه جی. جی. تامسون بازنشسته شده بود. مسلّماً این تصمیم تا منچستر را پس از گذران سالهای زیاد پرفایده ترک کند، چندان برایش کار آسانی نبود، امّا طبیعتاً هم ناگزیر بود تا به آن درخواست جواب بدهد و آن سلسلۀ بی‌مانند از کرسی‌های استادی کاوندیش را ادامه دهد.
Ⅶ
از همان آغاز کار در آزمایشگاه کاوندیش، رادرفورد شمار زیادی از پژوهشگران را به دور خود جمع کرد. یکی از این شخصیّت‌های بسیار بزرگ استون بود که سالها با جی. جی. تامسون کار کرده بود و در زمان جنگ کارش را با استفاده از روش طیفنگاری جرمی آغاز کرده بود که به اثبات وجود تقریباً همۀ ایزوتوپهای عناصر می‌انجامید. این کشف که مدل اتمی رادرفورد را به‌درستی تأیید میکرد، کاملاً هم دورازانتظار نبود. در همان آغاز کار در منچشتر این نکته را فهمیده بودیم که بی‌نظمی‌های ظاهری در ترتیب وزن‌های اتمی عناصر، اگر این عناصر را براساس خواصّ شیمیایی منظّم کنیم، نشانی به دست میدهد که نزد عناصر پایدار نمی‌توان از آن انتظار رابطه‌ای روشن میان بار و جرم هستۀ اتمی را داشته باشیم. رادرفورد در نامههای ماه ژانویه و فوریۀ سال ۱۹۲۰ خوشحالیاش از کارهای استون را ابراز میکند، و به‌خصوص دربارۀ ایزوتوپهای کلر که به‌روشنی خصلت آماری انحراف اوزان اتمی از مقادیر درست را نشان میداد. او حتّی ازسر شوخ‌طبعی به آن بحثهای داغ اشاره میکند که در آزمایشگاه کاوندیش بر سر مزیّت‌های نسبی مدلهای اتمی گوناگون در گرفته بود که در پی کشف استون برانگیخته شده بود.
برای ادامۀ کار پیشرو شخصی رادرفورد دربارۀ ساختار و تبدیل هستههای اتمی، و هم برای مدیریّت اداری آن آزمایشگاه بزرگ، حضور جیمز چادویک، که از گروه قدیمی منچستربود، و از همان ابتدا نزد او بود، کمک بزرگی به‌حساب می‌آمد؛ چادویک پس از حبسی طولانی در آلمان، جایی که به هنگام شروع جنگ جهانی با گایگر همکاری میکرد، دوباره نزد رادرفورد برگشته بود. در میان همکاران رادرفورد در اوّلین سالهای کار کمبریج، بلاکت و الیس هم بودند که هر دو از خدمت سربازی برگشته بودند. الیس که در دوران حبس در آلمان هم‌رزم چادویک بود، در همانجا هم با راهنمایی او به درس فیزیک وارد شده بود. جنب‌وجوش تازه در گروه کاوندیش زمانی پدیدار شد که چند سالی بعد کاپیتنرا به آنجا آمد، که طرح‌هایی ازسر تیزهوشی به‌خصوص دربارۀ ایجاد میدانهای مغناطیسی، با شدّت‌هایی که گمانش هم نمی‌رفت، با خود به همراه آورده بود. در این کار جان کوک‌کرافت هم به او کمک میکرد. او به‌خاطر آنکه ترکیبی یکتا از علم و دانش فنّی بود، همکار برجستۀ رادرفورد شد.
چارلز داروین که استعداد خود در ریاضیّات را طیّ سالها کار در منچستر نشان داده بود، از همان آغاز به همراه رالف فاولر مسئولیّت کارهای نظری در آزمایشگاه کاوندیش را به‌عهده گرفت. این همکاری باعث پیشرفتهای خوبی در ترمودینامیک آماری و کاربرد آن در مسائل اخترفیزیک شد. همینکه داروین به ادین‌بورو رفت، فاولر که در این میان هم داماد رادرفورد شده بود، در آنجا ماند و تا جنگ جهانی دوم هم مشاور ارشد در کارهای نظری و استاد کمبریج باقی ماند. فاولر نه تنها با خوشحالی زیاد با آزمایشگاه کاوندیش همکاری داشت، بلکه خیلی زود هم بسیاری از شاگردان بااستعداد را پیدا کرد که تشویق‌های او برای آنها راهگشا بود. در میان آنها باید در درجۀ اوّل از لنارد جونز و هارتری نام برد که هردو به روش خود به پیشرفت فیزیک اتمی و فیزیک مولکولی کمک کردند، و به‌خصوص دیراک که از همان آغاز جوانی، استعداد منطقی ممتاز خود را نشان داده بود.
پس از آنکه در ۱۹۱۶ منچستر را ترک کردم، بی‌وقفه کوشیدم تا تجاربی را که در آزمایشگاه رادرفورد به‌دست آورده بودم به‌کار بندم، و با امتنان قلبی، پشتیبانی رادرفورد از سر مهربانی و از روی پشتکار را در خاطر داشتم که از همان آغاز نصیب کوششهای من میشد تا در کپنهاگ مؤسّسه‌ای برای پیشبرد همکاریهای نزدیک میان فیزیک‌دانان تجربی و نظری بنیان نهم. برای من بسیار خوشحال کننده بود که رادرفورد در پاییز ۱۹۲۰، درست وقتی که ساختمان مؤسّسه نزدیک به آماده‌شدن بود، فرصتی برای دیدار در کپنهاگ پیدا کرد. دانشگاه کپنهاگ هم به پاس احترام، درجۀ دکتری افتخاری به او اعطاء کرد؛ به‌همین مناسبت هم رادرفورد نطقی بسیار پرشور و آکنده از شوخ‌طبعی ایراد کرد که همۀ حضّار تا مدّتها آن را در خاطر داشتند.
برای پیشبرد کار در مؤسّسه این نکته هم بسیار اهمیّت داشت که دوست دیرین من از روزگار منچستر، یعنی گئورگ هوشی، کمی پس از پایانجنگ به جمع ما پیوسته بود.در آن بیش از بیست سالی که در کپنهاگ بود، کارهای مشهور فیزیکی شیمیایی و زیست‌شناختی بسیاری انجام داد که به کمک روش نشانه‌گر با ایزوتوپ‌ها صورت گرفته بود. رویدادی خاص، که رادرفورد هم با علاقۀ زیاد در آن شرکت داشت، همان به‌کارگیری کوستر و هوشی از روش موزلی در ۱۹۲۲ بود که با کامیابی درپی آن عنصر ناشناخته‌ای برآمده بودند که امروز “هاف‌نیوم” نامیده میشود و خوّاصش از تفسیر نظام تناوبی عناصر بازهم پشتیبانی بیشتری میکرد. دیدار جیمسفرانک، که به مناسبت گشایش آزمایشگاه به اینجا آمده بود،آغازی نوید‌بخش بر کار تجربی عمومی بود که در ماههای پس از ورودش به همکاران دانمارکی‌اش به روشی خوب، فنّ ظریف تحریک طیفهای اتمی از راه ضربۀ الکترون را درس میداد که با همکاری گوستاو هرتس هوشمندانه آن را پیش برده بود.
نخستین فیزیک‌دان نظری، از میان فیزیک‌دانان برجسته که مدّت زیادی نزد ما ماندند، هانس کرامرز بود که چون مردی بسیار جوان در زمان جنگ از هلند به کپنهاک آمده بود. او در ده سالی که با ما کار میکرد، فردی بسیار ارزشمند برای گروه ما به‌حساب می‌آمد، تا آنکه در سال ۱۹۲۶ از شغلش به‌عنوان استادیار در مؤسّسه کناره‌گیری کرد تا بتواند کرسی استادی در اوترشت را بر عهده بگیرد. اندکی پس از ورود کرامرز به کپنهاگ دو مرد جوان که نوید آینده‌ای بسیار روشن را می‌دادند، اسکار کلاین از سوئد و اسوِن روزلند از نروژ، نزد ما آمدند. این دو با اشاره به پیدایی ضربه‌هایی از نوع دوم، که با آنها اتم را از راه بمباران با الکترون از حالت مانای بالا به حالت مانای پایین میبرد، در‌حالی‌که بر سرعت الکترون افزوده میشد، در همان سال ۱۹۲۰ مردانی صاحب‌نام بودند. پیدایی چنین فرایندهایی درواقع برای تضمین تعادل گرمایی بسیار مهم است، که مشابه با گذارهای تابش القایی است که در نتیجه‌گیری اینشتین از فرمول پلانک درمورد تابش حرارتی اهمیّت زیادی داشت. توجّه به ضربه‌های نوع دوم به‌خصوص بر توضیح خوّاص تابش از هواکرۀ ستارگان مهمّ بود؛ و این مسئلهای بود که پیشتر ساها، که در کمبریج با فاولر کار کرده بود، دربارۀ آن پژوهش‌های مهمّی کرده بود.
به گروه ما در مؤسّسۀ کپنهاگ، در ۱۹۲۲ پاؤلی و دو سال پس از آن هایزنبرگ پیوستند، که هردو شاگرد زومرفلد بودند، و هرچند هنوز خیلی جوان بودند، کارهای بسیار عالی‌ای منتشر کرده بودند. وقتی در تابستان ۱۹۲۲ به گوتینگن رفته بودم تا در آنجا سخنرانی کنم، با آنها آشنا شدم، بهطوریکه استعداد غیرمعمول آنها بر من تأثیری عمیق گذاشت. ماندن من در گوتینگن سرآغاز همکاری طولانی و ثمربخش گروه کپنهاگ با آن گروهی بود که دراینجا زیر نظر بورن و فرانک کار میکردند. روابط نزدیک ما با مرکز بزرگ کمبریج هم از همان آغاز رو به بهبود میرفت، بهطوریکه کسانی چون داروین،دیراک، فاولر، هارتری، موت و دیگران هم گاه اقامتی طولانی نزد ما داشتند.
* * * *
* متن حاضر ویرایش کامل آن درسی است که در یکی از نشستهای انجمن فیزیک لندن در کالج سلطنتی علم و فنّاوری در بیست‌و‌هشتم نوامبر ۱۹۵۸ بدون نوشته ارائه شده است.
——————————————————————————
فهرست مطالب:نیلس بور: فیزیک اتمی و شناخت بشری (جلد دوم):
- فیزیک اتمی و فلسفه: علیّت و مکملیّت: نوشته‌ای برای “فلسفه در میانۀ سده”، فلورانس، ۱۹۵۸؛ بنگرید به: نیلس بور: فیزیک اتمی و فلسفه
- یکپارچگی شناخت بشری: سخنرانی در همایش “بنیاد اروپایی فرهنگ”، در کپنهاگ، اکتبر ۱۹۶۰، اروپا، ماهنامه سیاسی، علمی، فرهنگی، اوت ۱۹۶۱؛ بنگرید به: نیلس بور: یکپارچگی شناخت بشری
- وابستگی علوم به یکدیگر: سخنرانی در همایش بین‌المللی علوم داروسازی در کپنهاگ، اوت ۱۹۶۰؛ نیلس بور: وابستگی علوم به یکدیگر
- نور و حیات – یک‌بار دیگر: سخنرانی نیلس بور در آیین گشایش مؤسّسۀ ژنتیک دانشگاه کلن، ژوئن ۱۹۶۲؛ نیلس بور: نور و حیات – یک‌بار دیگر
- درس یادبود رادرفورد، ۱۹۵۸: یادبود بنیان‌گذار فیزیک هستهای، ۱۹۶۱
- پیدایش مکانیک کوانتومی: نوشتۀ نیلس بور، در: ورنر هایزنبرگ و فیزیک زمان ما، فی‌وگ؛ نیلس بور: پیدایش مکانیک کوانتومی
- اجلاس سولوی و پبشرفت فیزیک اتمی: سخنرانی در دوازدهمین گردهمایی سولوی در بروکسل، اکتبر ۱۹۶۱؛ بنگرید به: نیلس بور: فیزیک اتمی و شناخت بشری Iا: اجلاس سولوی و پیشرفت فیزیک اتمی
فهرست مطالب جلد دوم به زبان آلمانی:
Niels Bohr: Atomphysik und Menschliche Erkenntnis: Inhaltsverzeichnis (Band II)
Atomphysik und Philosophie — Kausalität und Komplementarität 1
Beitrag zu „Philosophy in the Mid-Century”, herausgegeben von R. Klibansky. La Nuova Italia Editrice, Florenz 1958. Max Planck Festschrift, VEB Verlag der Wissenschaften, Berlin 1958.
Die Einheit menschlicher Erkenntnis 8
Vortrag auf dem Kongress der „Fondation Européenne de la Culture” in Kopenhagen, Oktober 1960. Europa, Monatszeitschrift für Politik, Wirtschaft, Kultur, August 1961.
Die Verbindung zwischen den Wissenschaften 17
Vortrag auf dem Internationalen Kongress der Pharmazeutischen Wissenschaften in Kopenhagen, August 1960.
Licht und Leben — noch einmal 23
Vortrag anlässlich der Einweihung des Instituts für Genetik der Universität Köln, Juni 1962. Unvollendetes Manuskript. Die Naturwissenschaften 50, 725, 1963.
Rutherford-Gedenkvorlesung 1958: Erinnerungen an den Begründer der Kernphysik und an die von seinem Werk ausgehende Entwicklung 30
1961 vollendete Ausarbeitung einer auf der Sitzung der „Physical Society” in London im Imperial College of Science and Technology am 28. November 1958 ohne Manuskript gehaltenen Vorlesung.. Proceedings of the Physical Society, London, 78, 1083, 1961.
Die Entstehung der Quantenmechanik 75
Beitrag zu „Werner Heisenberg und die Physik unserer Zeit”. Verlag Friedr. Vieweg & Sohn, Braunschweig 1961.
Die Solvay-Konferenzen und die Entwicklung der Atomphysik 80
Vortrag auf der 12. Solvay-Konferenz in Brüssel, Oktober 1961. In „La Théorie Quantique des Champs”, Interscience Publishers, New York 1962.
فهرست مطالب: نیلس بور: فیزیک اتمی و شناخت بشری (جلد اوّل): Atomphysik und menschliche ErkenntnisALEPH/NBA library، فیزیک اتمی و شناخت بشری ، http://www.worldcat.org/oclc/488876558
مقدّمۀ مترجم: ص ۹؛ دربارۀ مؤلّف: ص ۱۱؛ پیشگفتار: ص ۱۳؛ درآمد: ص ۱۵؛ نور و حیات (اوت ۱۹۳۲): ص ۱۹؛ زیست‌شناسی و فیزیک اتمی (اکتبر ۱۹۳۷): ص ۳۳؛ فلسفۀ طبیعی و فرهنک‌های بشری (اوت ۱۹۳۸) ص ۴۹؛ بحث با اینشتین در بارۀ مسائل معرفت‌شناختی فیزیک اتمی (۱۹۴۹) ص ۶۱؛ وحدت معرفت (اکتبر ۱۹۵۴) ص ۱۰۵؛ اتم و شناخت بشری (اکتبر ۱۹۵۵) ص ۱۲۵؛ فیزیک و مسئلۀ حیات (فوریۀ ۱۹۴۹) ص ۱۳۹؛ واژه‌نامۀ آلمانی-فارسی: ص ۱۴۹؛ فهرست راهنما: ص ۱۵۹
فهرست مطالب فیزیک اتمی و شناخت بشری (۱) به زبان آلمانی:
Inhaltsverzeichnis
Einleitung
Licht und Leben ……………….3
Vortrag bei der Eröffnungssitzung des II. Internationalen Kongresses für Lichttherapie, Kopenhagen, August 1932. Nature 131, 421 und 457, 1933. Die Naturwiss. 21, 245, 1933.
Biologie und Atomphysik………. .. .. ۱۳
Vortrag auf dem Internationalen Kongress für Physik und Biologie um Gedächtnis von Luigi Galvani, Bologna, Oktober 1937 Kongress Berichte, Bologna 1938.
Erkenntnistheoretische Fragen in der Physik und die menschlichen Kulturen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 23
Ansprache beim Internationalen Kongress für Anthropologie und Ethnologie, Kopenhagen 1938, gehalten anlässlich eines Kongressausfluges nach Schloss Kronborg, Helsingor. Nature 143, 268, 19.39.
Diskussion mit Einstein über erkenntnistheoretische Probleme in der Atomphysik………………………. ۳۲
Beitrag zu “Albert Einstein als Philosoph und Naturforscher”. ۷. Band der “library of Living Philosophers”, herausg. von P. A., Schlipp, Evanston 1949. Deutsche Ausgabe im Verlag W. Kohlhammer, Stuttgart ۱۹۵۵
Einheit des Wissens………………………. ۶۸
Beitrag zum Symposium über „The Unity of Knowledge” in Verbindung mit dem ۲۰۰ jährigen Jubiläum der Columbia Universität, York, Oktober 1954. In „The Unity of Knowledge”, herausg. von Lewis Leary. Doubleday and Co., New York 1955.
Die Atome und die menschliche Erkenntnis ۸۴
Vortrag auf einer Sitzung Dänischen Akademie der Wissenschaften, Kopenhagen, Oktober 1955. Akademie-Übersicht für 1955/56, S. 112
Die Physik und das Problem des Lebens
1957 vorgenommene Ausarbeitung einer Vorlesung in der Dänischen Medizinischen Gesellschaft, Kopenhagen, Februar 1949
————————————————–
Related links:
ورنر هایزنبرگ: حقیقت علمی و حقیقت دینی؛ نیلس بور: نور و حیات یک‌بار دیگر؛ نیلس بور: وابستگی علوم به یکدیگر؛ نیلس بور: فیزیک اتمی و فلسفه؛ ورنر هایزنبرگ: فیزیک و فلسفه؛ فون وایتسکر: جهان از نگاه فیزیک؛ نیلس بور: مجموعۀ آثار (۲)؛ ورنر هایزنبرگ: آن سوی مرزها؛ ورنر هایزنبرگ: جزء و کلّ؛ژاک مونو: تصادف و ضرورت (فهرست مطالب)؛ژاک مونو: تصادف و ضرورت
Kurztitelaufnahme
Niels Bohr: Atomphysik und Menschliche Erkenntnis II, Friedrich Vieweg und Sohn, Braunschweig 1966: Rutherford-Gedenkvorlesung 1958
نیلس بور: فیزیک اتمی و شناخت بشری (۲)، فریدریش فی‌وگ و پسر، براونشوایگ، ۱۹۶۶، درس یادبود رادرفورد ۱۹۵۸(بخش اوّل، دوم، و سوم)
* * * *
حسین نجفی‌زاده (نجفی زاده)، بهمن‌ماه ۱۳۹۳
—————————————————————————————
© انتشار برگردان فارسی: Niels Bohr: Atomphysik und Menschliche Erkenntnis II، نیلس بور: فیزیک اتمی و شناخت بشری ( جلد دوم)، درس یادبود رادرفورد، حسین نجفی‌زاده (نجفی زاده)، به سیاقی که در این وبگاه آمده، بدون اجازۀ کتبی از www.najafizadeh.ir ممنوع است.
© Copyright 2015 by www.najafizadeh.ir All Rights Reserved.
