اساسيات علم فيزياء الكم
في البداية دعونا نتحدث عن معنى نظام مكمم quantized systemاو كمات quanta
في نظام الاعداد الرقمي الاعتيادي بامكاننا ان نقوم بتقسيم اي رقم الى ما لانهاية له من الكسور فمثلاً الرقم واحد نستطيع ان نقسمه الى انصاف او ارباع او اعشار وهكذا الى ما لانهاية فيكون عندنا بين الرقم صفر والرقم واحد عدد لانهائي من الارقام الكسرية.
في النظام الكمي تكون الكميات عبارة عن مضاعفات صحيحية لمقدار ثابت نسميه الكم، فعلى سبيل المثال البشر ممكن ان نعتبرهم نظام عد مكمم لانه لايوجد نصف انسان او جزء من انسان !!! فدائماً يكون العدد الكلي عدداً صحيحاً.
هل سمعت يوماً عن عائلة متكونه من 7.001 انسان ! لم تسمع اليس كذلك ؟ هذا مثال لنظام عد مكمم
وقد لاتكون الفاصلة بين رقم وما يليه في النظام الكمي متساوية كما هو الحال في مستويات الطاقة في الذرة، على سبيل المثال الارقام الاولية (الارقام التي لاتقبل القسمة الا على نفسها او الواحد) }1،2،3،5،7،11،13،.....{ لاحظ ان الفترة غير متساوية بين عدد واخر
اذن يمكن ان نعرف الكمات quanta على انها زيادة متقطعة في القيمة العددية، وهكذا لايكون الكم اي قيمة عددية بل قيمة من مجموعة اعداد تمثل كل القيم التي يمكن ان تساويها الكمية الفيزيائية.
تهانيّ ايها القارىء انت الان تعرف ما هو المقصود بنظام العد الكمي
اكتشاف ماكس بلانك
الفيزياء الحديثة ولدت على يد ماكس بلانك في اواخر القرن التاسع عشر عندما اكتشف تكمم الانظمة الاهتزازية
ما هي الانظمة الاهتزازية
البندول ورقاص الساعة والارجوحة كلها امثلة عن حركة اهتزازية فالارجوحة تتحرك جيئةً وذهاباً حول نقطة استقرارها (نقطة الاستقرار: هي النقطة التي يستقر عندها النظام المهتز عند توقفه عن الحركة).
اقصى ارتفاع تصل اليه الارجوحة نسميه السعة Amplitude فالسعة يمكن تعريفها على انها اقصى ازاحة للنظام المهتز عن نقطة استقراره.
وعند نقطة السعة هذه تصبح سرعة الارجوحة صفراً وهكذا تكون طاقة النظام متكونة كلياً من طاقة وضع.
ماهو المقصود بطاقة الوضع؟ potential energy
في البداية الطاقة Energy هي القابلية على انجاز شغل(عمل)
هل تذكر مقدار التعب الذي تشعر به عندما تضطر لرفع جسم ثقيل من على الارض؟ فعندما نرفع جسماً من الارض فاننا ننجز شغلاً وبالتأكيد كلما كان الجسم اثقل او كان الارتفاع الذي سترفعه اليه عالياً كان الشغل المنجز اكبر.
الان تصور اننا رفعنا ثقلاً ووضعناه على الكفة العليا لميزان ذو كفتين ماذا تعتقد انه سيحدث؟
ستهبط الكفة العليا الى الاسفل بينما ترتفع الاخرى الى الاعلى وهكذا نقول ان الجسم انجز شغلاً ، فالاجسام التي تبعد مسافة عن قوة جاذبة تكون لها القابلية على انجاز شغل ونقول عندها ان الجسم يمتلك طاقة وضع. ومقدار هذه الطاقة يساوي رياضياً:
P.E=mgh
حيث P.E هي طاقة الوضع و m هي كتلة الجسم (mass) و g هي التعجيل (التسارع) الارضي (acceleration of gravity) و h هو الارتفاع (height) .
لنعد الان لمثال الارجوحة فعندما تصل الى اقصى سعة لها ترتد الارجوحة هابطةً بالاتجاه المعاكس وهكذا تبدأ طاقة الوضع بالتحول الى طاقة حركة وعند نقطة الاستقرار تتحول كل طاقة الوضع الى طاقة حركة وتكمل الارجوحة طريقها الى الاعلى بسسب الاستمرارية ويستمر تعاقب تحول الطاقة بين طاقة وضع وطاقة حركة بحيث تكون الطاقة محفوظة في النظام.
ماهو المقصود بطاقة الحركة Kinetic energy؟
عندما يرمي طفل مشاغب حجراً على زجاج نافذة فان الحجر ينجز شغلاً على الزجاج مؤدياً الى تحطيمه، وعندما تحرك المطرقة بقوة لتطرق مسماراً فان المطرقة تنجز شغلاً على المسمار لذا فان الاجسام المتحركة لها القابلية على انجاز شغل ونسمي ذلك طاقة حركة، اقصى شغل (او طاقة حركية K.E ) يمتلكه الجسم المتحرك بسرعة مثل v بفرض ان v اصغر بكثير من سرعة الضوء هو:
K.E=1/2 mv^2
الخواص الاساسية للطاقة هي انها لاتُفنى ولاتُستحدث ولاتُخلق من العدم وانما تتحول من شكل الى اخر.
مثال عن تحول الطاقة:
عندما نرفع جسماً عاليا بالهواء فانه يكتسب طاقة وضع، وعندما نترك هذا الجسم حراً فانه يسقط بفعل الجاذبية باتجاه الارض وهكذا تبدأ طاقة الوضع بالتحول الى طاقة حركية وعندما يصل الجسم الى لحظة اصطدامه بالارض تصبح كل طاقة الجسم طاقة حركة وعندما يصطدم بارض صلدة تتحول طاقة حركته الى طاقة حرارية.
سؤال: هل بامكاننا عكس العملية السابقة؟ يعني اذا سلطنا طاقة حرارية على جسم موضوع على الارض هل يؤدي هذا الى قذفه الى الاعلى؟
الجواب: لسوء الحظ كلا لانها ليست عملية تلقائية، ففي اي نطام مغلق تحدث التحولات تلقائياً فقط اذا كان التحول من حالة الترتيب order الى اللا ترتيب disorder او الاقل ترتيباً. ولكن هذا لايعني انه مستحيل، فبامكاننا اجراء ذلك اذا كان النظام مفتوحاً وهنا نحول الطاقة الحرارية الى طاقة كهربائية ومن ثم نحول الطاقة الكهربائية الى طاقة ميكانيكية تقوم بقذف الحجر الى الاعلى. وبامكان القارىء تخيل عدة سينوريوهات لاجراء ذلك عن طريق التغيير المتكرر لاشكال الطاقة. والارض مثال لنظام مفتوح فالشمس تغمر الارض بالطاقة ولولا ذلك ما امكن للحياة ان تظهر على الارض لان نشوء الحياة هو تحول من حالة اقل نظاماً الى اكثر نظاماً. حيث تقوم النباتات على سبيل المثال بتحويل المواد غير العضوية البسيطة الى مركبات عضوية معقدة بوجود ضوء الشمس فيما يعرف بالتركيب الضوئي photosynthesis
اذا تمكنت من الوصول الى هذه النقطة فانت الان تعلمت المقصود بالطاقة،و نوعين من انواع الطاقة،و الصفات الاساسية للطاقة. تهانيّ الحارة.
لنعد الان الى مثال البندول او الارجوحة فالارجوحة تحتاج الى زمن لكي تكمل دورة كاملة وهو الزمن اللازم للذهاب والاياب الى نقطة معينة نسمي هذا الزمن بزمن الدورة، اما عدد الدورات التي يقوم بها النظام الاهتزازي فنسميها التردد frequency ووحدات التردد هي الهرتز hertz (Hz) وهو بكل بساطة مقلوب زمن الدورة الواحدة، فعلى سبيل المثال رقاص الساعة يكمل دورة كاملة كل ثانية ويكون تردد الاهتزاز مساوياً واحد هرتز اي واحد دورة بالثانية. وفي شبكات الطاقة الكهربائية تهتز ناقلات الشحنة ذهاباً واياباً خلال الموصلات الكهربائية حوالي 50 او 60 مرة في الثانية بالاعتماد على الدولة التي تسكنها لذا نقول ان ترددها هو 50Hz او 60Hz .
وهكذا صرت تعرف الثالوث الصفاتي للنظام الاهتزازي: طاقة النظام، السعة، والتردد.
اذاً ماذا اكتشف ماكس بلانك على اي حال؟
اكنشف ماكس بلانك حوالي سنة 1900 ان الانظمة الاهتزازية التي تهتز بتردد مثل f لايمكن ان تكون طاقتها اية قيمة، بل تكون مضاعفات صحيحة للقيمة hf اي تكون هكذا 1hf, 2hf, 3hf, …. حيث h هو ثابت بلانك ويساوي تقريباً 6.626*10^-34 J.s ، ولما كانت الطاقة في البندول او الارجوحة هي دالة لاقصى ارتفاع تصل اليه (السعة) فاذن اقصى ارتفاع للارجوحة لايمكن ان يكون اي قيمة، وطبعاً بسبب صغر ثابت بلانك فاننا لا نلاحظ الفرق بين ارتفاع معين والذي يليه.
كان اكتشاف بلانك بمثابة المقلاع الذي جعل كل الاكتشافات المدهشة في الفيزياء تقذف الى قلعة الحقيقة.
ما هي الموجات Waves
عندما يهتز اي نظام اهتزازي مثل الانواع التي مرت علينا سابقاً فانه يتسبب بهز Vibrate الوسط المحيط به، فمثلاً الاوتار الصوتية الموجودة في الحنجرة تقوم بالاهتزاز مسببة هز جزيئات الهواء، يمكنك تصور الحنجرة مثل صمام يقوم بالتحكم بمرور الهواء خلال القصبة الهوائية، فتح وغلق الصمام يؤدي الى حدوث تخلخل وتضاغط بجزيئات الهواء ينتقل هذا التأثير خلال الهواء حتى يصل الى اذن المستمع فينجز شغلاً على طبلة الاذن وبالتالي نسمع الصوت وهذا ما نسميه الامواج الصوتية.
الموجة لها القدرة على نقل الطاقة ورأينا كيف انها تنجز شغلاً على اذن السامع وعندما تكون طاقة النظام المهتز (سنسميه المذبذب من الان فصاعداً) عالية فان الشغل المنجز على الاذن يكون من الكبر بحيث يؤدي الى تميزقها مسبباً الطرش. والامواج الصوتية تحتاج الى وسط ناقل لانها تمثل اهتزازاً لجزيئات الوسط. ولذا لاينتقل الصوت في الفراغ او الفضاء الخارجي كما نرى في افلام الخيال العلمي !
اهتزاز جزيئات الهواء يكون على التوازي مع اتجاه انتشار الموجة لذا نسمي الموجة الصوتية موجة طولية وكل موجة يكون اهتزاز جزيئاتها بنفس اتجاه انتشار الموجة نسميها موجة طولية Longitudinal waves.
نحن لانسمع صوت تذبذب بندول الساعة او الارجوحة لان الاذن البشرية لاتحس بالامواج التي تكون ترددها اقل من 20 هرتز او اعلى من 20،000 هرتز (في الحقيقة تكون عتبة السمع عند معظم الناس حوالي 15،000هرتز)
الان كلنا كنا نتسلى بان نرمي حجراً في بركة الماء ونلاحظ سلسلة من الامواج المائية المتحدة المركز تنتشر بعيداً عن موقع سقوط الحجر، وهذا مثال اخر عن موجة تحدث بسبب اضطراب في توازن منظومة ما، هل لاحظت بان الامواج المائية كانت عبارة عن ارتفاع في مستوى الماء يتبعه هبوط في المستوى وهذا يعني ان اهتزاز جزيئات الماء يكون عمودياً على خط انتشار الموجة، نسمي هذا النوع من الموجات بالموجات المستعرضة Transverse waves. الاشعاع الكهرومغناطيسي ( الضوء يشكل حزمة صغيرة من الطيف الكهرومغناطيسي) يعتبر مثالاً لموجة مستعرضة. اذ يهتز المجال الكهربائي والمجال المغناطيسي كتؤمين عمودياً على بعضهما وعلى التعامد مع خط انتشار الموجة.الموجة لاتسبب انتقالاً لجزيئات الوسط عندما تنتشر من نقطة الى اخرى، فمثلاً لايمكنك ان تقرّب جسماً من حافة المسبح بان ترمي حجراً ورائه ! ظناً من ان الامواج المائية ستحمله الى الشاطىء !!! هذا يحدث في الافلام فقط. ولكن يمكن ان يكون الوسط الذي تنتشر فيه الموجة متحركاً.
اذن نعرف الموجة هكذا:
اضطراب ناشىء عن مصدر طاقة ينتقل في الفضاء ناقلاً الطاقة على طول خط انتشار الموجة.
لاتحتاج كل الموجات الى وسط ناقل فالطاقة الكهرومغناطيسية قادرة على الانتقال خلال الفراغ، في بعض الاحيان نفترض وجود وسط ناقل على الرغم من عدم وجوده بهدف تسهيل الدراسة كما هو الحال مع الايثر.
تردد الموجة هو تردد النظام المهتز(المذبذب)
الامواج قادرة على نقل الطاقة من نقطة الى اخرى، يعول العلماء على هذه النقطة بغية تفسير الجاذبية او تفسير الطريقة التي تتفاعل فيها الاجسام لان التأثير عن بعد يبدو عديم المعنى.
قانون الجاذبية لنيوتن يفترض ان الاجسام تجذب بعضها البعض فمثلاً الشمس تجذب الارض
ولكن الارض تبعد ملايين الكيلومترات عن الشمس فكيف تؤثر الشمس بالارض من هذا البعد؟
طبعاً لايمكننا كباحثين عن الحقيقة ان نجيب على طريقة الخلقيين وندعي ان العقل قاصر عن ادراك التأثير عن بعد !!!
وعلى الرغم من صحة الاشتقاق الرياضي لقانون نيوتن للجاذبية بدرجة مقبولة، لكن افتراضه ان الاجسام تؤثر ببعضها البعض عن بعد كان ثغرة كبيرة في قانونه.
يفسر اينشتاين الجاذبية باسلوب مغاير وقانون الجاذبية لاينشتاين اكثر دقة من قانون نيوتن ولكننا سنحتاج دراسة للنسبية لكي نفهم الموضوع.
تعتبر الزلازل نوعاً من الانواع الامواج والزلزال ويكون بشكل موجة طولية ومستعرضة والزلازل هو احد الادلة على كون باطن الارض ما يزال منصهراً. بامكانك ان تتصور الارض كمجموعة من الصفائح الصخرية تطفو على سطح كرة سائلة ونتيجة تحركات الكتل المنصهرة فان الصفائح الصخرية تتحرك حركة اهتزازية (كما تهتز السفينة بفعل الامواج المائية) ولو كان باطن الارض صلباً لما امكن حدوث الزلزال.
من خصائص الامواج: الانعكاس reflection، والانكسارrefraction ، والحيود diffractionفضلاً على التداخل والتراكب.
مفهوم الضوء:
كان الضوء حتى نهاية القرن التاسع عشر يعتبر نوع من انواع الامواج، ولا عجب في ذلك فالضوء يتصف بكل صفات الموجات من انعكاس وانكسار...الخ
لكن "هيرتز" عام 1887 أبى الا ان يعكر صفو الماء ويزعج مناصري الطبيعة الموجية للضوء عندما اكتشف ان الضوء قادر على اقتلاع الالكترونات من سطح المهبط في انبوبة الاشعة المهبطية Cathode Ray Tube (خير مثال على انبوبة الاشعة المهبطية هو شاشة التلفيزيون) وهو ماعرف بالظاهرة الكهروضوئية.
لاحظ هرتز انه عند زيادة شدة الضوء المسلط على طرف المهبط فان التيار الكهربائي يزداد التيار الكهربائي وهذا يعني زيادة الالكترونات المنبعثة من المهبط. ولحد هذه النقطة فان القضية ربما تبدو ظاهرياً كما لو ان التفسير الموجي للضوء قادر على تفسير هذا الامر.
ولكن الصدمة هو عندما نعرف ان الانبعاث الكهروضوئي لا يحصل الا عندما يتجاوز تردد الضوء قيمة معينة نسميها التردد الحرج وقد تم اثبات ان قيمة هذا التردد تعتمد على نوع المادة التي يصنع منها المهبط.
المشكلة ان النظرية الموجية للضوء غير قادرة على تفسير هذا الموضوع لانه لايوجد فرق واضح للموجة في تردد معين عن تردد اخر اعلى قليلاً منه فلماذا يحصل هذا الانبعاث عند هذا التردد بالتحديد وما بعده؟ سؤال محير !!
ربما كان الاصح ان نفرض ان الضوء هو سيل من الجسيمات وهكذا نقول ان هذه الجسيمات تصطدم بالالكترونات وتقلعها(بالحقيقة هذه الكلمة ليست وصفاً فيزيائياً صحيحاً والاصح هو ان نقول ان الضوء يزود الالكترون بطاقة حركية تزيد عن دالة الشغل لذاك المعدن فيتمكن الالكترون من الانبعاث) من سطح المعدن ولكن مرة اخرى لماذا يحدث هذا فقط عندما يتجاوز تردد الضوء تردداً معيناً ؟
عند التردد الذي يحدث الانبعاث فيه يمكن لاقل شدة ضوئية ان تؤدي الى انبعاث الكتروني كما لو ان الموجة تركزت كلها على الكترون واحد مسببة انبعاثه
باءت كل المحاولات لتفسير الظاهرة الكهروضوئية بالفشل !!!
تفسير اينشتاين لمعنى الضوء
قد يصح ان نقول ان تفسير اينشتاين للضوء كان اعظم اعماله على الاطلاق !
وفي سبيل هذا التفسير، تمسك اينشتاين بفرضيات ماكس بلانك حول تكمم المذبذبات، حيث يمكننا اعتبار الضوء يتكون من مذبذبات ذرية فيتسبب هبوط الالكترون من مدار عال الى مدار اقل علواً من مستويات الطاقة في الذرة في انبعاث الضوء.
الان الملاحظة العظيمة لاينشتاين هي:
بما ان الطاقة مكممة في المذبذبات التي تولد الضوء فان طاقة المذبذب لاتنبعث مع الموجة الضوئية بشكل مستمر !!
لكي تفهم ماذا عنى اينشتاين تذكر ان طاقة المذبذب لاتكون الا مضاعفات صحيحة من 1hf, 2hf, 3hf, …. هل تذكر ذلك ؟
الان افرض ان طاقة المذبذب في لحظة معينة كانت 20hf الان لايمكن للمذبذب ان يفقد الطاقة بتدريج مستمر فلا يمكن ان تصبح طاقته هكذا 19.9999hf اليس كذلك؟
لذا لابد ان يفقد المذبذب طاقته بشكل نبضات او دفقات من الطاقة تكون مقدارها hf هكذا 20hf فيفقد 1hf وتصبح طاقته 19hf وهكذا دواليك.
هذا يعني ان الطاقة الضوئية تنبعث من المصدر الضوئي بشكل نبضات من الطاقة او كمات من الطاقة تكون مقدارها hf نسمي هذه النبضات او الكمات بالفوتونات.
وهكذا تم تفسير الظاهرة الكهروضوئية فعندما يصطم الفوتون بالالكترون فان مقدار الطاقة التي يمنحها اليه تعتمد على تردد الضوء f وبالتالي كلما زاد تردد الضوء زادت طاقة الالكترون الى ان تصل حداً تكون فيه الفوتونات قادرة على قلع الالكترون من سطح المعدن.
لم يمض وقت طويل حتى تمكن كومبتون سنة 1923 من اثبات وجود الفوتونات في اشعة اكس X-Ray وهو ما يعرف بظاهرة كومبتون،وبالتالي فان الفوتون اصبح كم الطاقة الكهرومغناطيسية بشكل عام اذ ان الضوء هو اشعة كهرومغناطيسية ويشكل فقط الجزء المرئي من الترددات الكهرومغناطيسية.
وتم اثبات ان الفوتون يخضع لقانون حفظ الطاقة وبقاء الزخم الزاوي عند اصطدامه بالالكترونات، وهذا يعني ان الفوتون يتصرف كجسيم عند تفاعله interact مع المادة.
نعرف الفوتون على انه كم (نبضة) الطاقة الكهرومغناطيسية
ونعرفه ايضاً على انه جسيم حامل للقوة
بالامكان حساب كتلة الفوتون بالاعتماد على معادلة الطاقة الشهيرة لاينشتاين E=mc^2 حيث c تمثل سرعة الضوء في الفراغ و E تمثل الطاقة (طاقة الفوتون في مثل هذه الحالة).
الكتلة السكونية للفوتون تساوي صفر يعني عندما نوقف الفوتون عن الحركة (طبعاً هذا لايمكن الا اذا اصطدم بجسيم مادي مثل الالكترون) فانه يتلاشى معطياً طاقته كلها للجسيم الذي اصطدم به.
لا يمتلك الفوتون اي شحنة
عمر الفوتون غير محدد ويمكن اعتباره لانهائي.
بعد ان اثبت اينشتاين ان الموجات ممكن ان تتصرف في حالات معينة كاجسام، ظهر السؤال عن احتمال صحة العكس... فلم لايمكننا ان نفترض ان الاجسام ايضاً تتصرف كامواج ؟! وقد يبدو هذا الكلام غريباً وغير معقول للوهلة الاولى ولكننا اعتدنا دائماً ان نصف الاشياء التي لم نعتد عليها بانها غير معقولة.
عولج السؤال للمرة الاولى على يد "لوي دي برولي" عام 1923 وكان هذا جزءاً من رسالته لنيل درجة الدكتوراه وتمكن دي برولي ذو الواحد والثلاثين عاماً من اثبات هذه الظاهرة. فكر برولي على اساس انه بما ان كمية تحرك الفوتون تساوي λ/h فقد يكون من الممكن ان تكون كمية تحرك جسم مادي مثل الالكترون مساوية لهذا المقدار وتكون λ هي الطول الموجي (المسافة التي تقطعها الموجة خلال زمن دورة واحدة) او اي ظاهرة موجية مرتبطة بالجسم ولما كانت كمية تحرك الجسم المادي تساوي mv بفرض ان السرعة اقل بكثير من سرعة الضوء، لذا كتب برولي:
mv= λ/h
او
λ=mv/h
وهذا ما يسمى بطول دي برولي الموجي لجسم ما
ولمن لايذكر الرموز اقول: m هي الكتلة v هي السرعة h ثابت بلانك.
بسبب صغر ثابت بلانك فاننا لا نلاحظ الطبيعة الموجية للاجسام في حياتنا اليومية تخيل مثلاً كرة بيسبول وزنها 50 غرام تتحرك بسرعة 20 متر في الثانية، بامكانك ان ترى بعد تعويض الارقام في المعادلة ان الطول الموجي للكرة يساوي: 6.6*10^-32 متر !!!! ولايمكن ملاحظة هكذا شيء بالعين المجردة كما انه حتى نجري تجربة حيود على مثل هذي الكرة فانه يجب علينا ان نجعلها تمر بين شقوق تفصل بينها مسافة كهذه. وحيث ان هذه المسافة اصغر من الابعاد الذرية كان من المستحيل اجراء مثل هذه التجربة. لذا لايمكن ملاحظة التأثير الموجي للاجسام الا اذا كانت كتلة الجسم من الصغر بحيث يكون الطول الموجي قابلاً للقياس.
وقد حصل دافيسون وجرمر عام 1927 على اثبات مباشر للطبيعة الموجية للاجسام المادية اثناء دراستهما لاستطارة الالكترونات من البللورات المعدنية، وقد وجدا انه تحت ظروف معينة فان الالكترونات تستطار بصورة "انتقائية" فتخرج الكترونات كثيرة عند زوايا معينة وتخرج كمية ضئيلة عند زوايا اخرى ولم يكن لديهما اي تفسير لهذه الظاهرة وقررا انها غير قابلة للتفسير....
حينما اقترح على دافيسون وجرمر بان هذا قد يكون ناشئاً عن تأثير التداخل الموجي الناتج من الطبيعة الموجية للالكترونات، كما فرضها دي برولي، فانهما اجريا المزيد من التجارب وسرعان ما اكد عدد من الباحثين ان الالكترونات تنعكس من البللورات بنفس الطريقة التي تنعكس بها اشعة اكس وقد تم التأكد من ان معادلة دي برولي تعطية الزاوية الدقيقة التي ينعكس بها الالكترون وهكذا صار عندنا اثبات معقول للطبيعة الموجية للاجسام.
ان اعظم تفسير نشأ عن اكتشاف الطبيعة الموجية للاجسام هو تفسير سبب انفصال المدارات المستقرة في نموذج بوهر. لاحظ بوهر ان انصاف اقطار المدارات الالكترونية في ذرة الهيدروجين لاتكون اي قيمة... بل تتخذ قيماً منفصلة ولم يكن قادراً على اعطاء اي تفسير لمثل هذا الانفصال. ان مستوايات الطاقة للالكترونات في الذرة بنفس الطريقة لا تكون اي قيمة بل تكون مكممة بحيث تكون قيمتها:
En=-13.6/n^2 eV
حيث n عدد صحيح موجب (1،2،3،4،....)
ولان طاقة الالكترون قليلة جداً فانها غالباً ما تعطى بوحدات الكترون-فولت (eV) وتمثل مقدار الطاقة التي يكسبها الالكترون عندما يمرر خلال فرق جهد مقداره واحد فولت وتساوي
eV=1.6x10^-19 J
وهكذا فان مستويات الطاقة الالكترونية تبدا بالمستوى الارضي Ground level عندما n=1 حيث يكون مستوى الطاقة -13.6 بينما عندما n=2 يكون مستوى طاقة الالكترون:
E2=-13.6/4=-3.4 eV
لاحظ ان الاشارة السالبة تعني ان الالكترون محتجز في الذرة بواسطة جاذبية النواة الموجبة (تذكر الاجسام ذات الشحنة المختلفة تتجاذب والتي تكون شحنتها متشابهة تتنافر) واذا امتلك الالكترون طاقة مقدارها ولو 0 على الاقل فان هذا يعني امتلك الطاقة التي تؤهله الهروب من نطاق جذب النواة ويصبح في مثل هذه الحالة حرة
اذا كان الالكترون في المدار الثاني حيث En=-3.4 فان الالكترون يحتاج ليكسب طاقة مقدارها 3.4 eV على الاقل ليتحرر من الذرة ويسمى هذا المقدار بطاقة التأين Ionization Energy
اظن انني هنا بحاجة لان أشرح شيئاً بسيطاً عن التركيب الذري بمعناه الحديث فاغلب الناس مازالوا يتصورون الذرة كمجموعة من الالكترونات التي تدور حول النواة كما هو الحال في النظام الشمسي !!!!
حسناً هذا خطأ !!! الالكترون لايدور حول النواة كما تدور الكواكب حول الشمس ويالها من صدمة لمن لايعرف !!!!
في النموذج الكلاسيكي القديم للذرة او ذرة رذرفورد، افترض رذرفورد ان الذرة عبارة عن فراغ كبير تتوسطه ذرة صغيرة الحجم وتدور حولها الالكترونات في مدارات دائرية تبعد عن النواة مسافة تساوي نصف قطر الحركة الدائرية وليكن r من كلمة radius
الان، عندما يكتسب الالكترون طاقة بطريقة ما مثل ان يصطدم جسيم به او عن طريق الحرارة ففي مثل هذه الحالة تزداد طاقة الالكترون ويزداد نصف قطر دورانه يعني بكلمات اخرى يبتعد عن النواة (كلما زادت طاقة الالكترون كلما زاد نصف قطر دورانه او زاد بعده عن النواة والعكس صحيح). ولان كل المواد تميل لان تبقى في اقل مستوى طاقة ممكن فان الالكترون لن يبقى مستثاراً في ذاك المدار بل انه سيفضل ان يفقد طاقته بشكل اشعاع ويهبط الى اقل مستوى طاقة ممكنن ولكن فان الزمن الذي يبقى فيه الالكترون مستثاراً يكون مختلفاً من مادة الى اخرى فقد لايزيد عن 10^-18 ثانية ! بينما قد يستغرق اياماً في مواد اخرى. الاشعاع المنبعث يكون بشكل موجة كهرومغناطيسية وقد يكون الطول الموجي لهذه الموجة من ضمن نطاق الحزمة المرئية من الاشعة الكهرومغناطيسية ولذا تولد تلك المادة ضوءاً.
الان المشكلة الاساسية مع هذا النموذج هو انه عند دراسة الطيف الضوئي المنبعث من الغازات الساخنة الى درجة التوهج وجد ان هذا الطيف يتكون من خطوطا متقطعة ولايشكل طيفاً مستمراً بمعنى اخر وجد ان الاطوال الموجية للغازات تتخذ قيم معينة فقط. والان تذكر ان هذه الاطوال نشأت عن طريق الاشعاع الذي تولد من هبوط الالكترون من مستوى طاقة معين الى اخر ولكن بما ان الالكترون حسب نموذج رذرفورد ممكن ان يتخذ اي مستوى طاقة فقد كان المفروض ان يكون الطيف الضوئي مستمراً وليس متقطعاً...لم يستطع نموذج رذرفورد ان يجيب عن هذا التساؤل. نجح نموذج بوهر في تفسير ذلك كما قلنا بالادعاء بان مستويات طاقة الالكترون مككمة كما راينا ولكن لم يستطع بوهر ان يفسر لماذا يحدث الانفصال او التككم في مستويات الطاقة كما انه نجح فقط في تفسير الذرات ذات الالكترون الواحد فقط يعني ان هذا النموذج يفسر ذرة الهيدروجين او.........فقط !!!!
طبعاً سبب التكمم هو الطبيعة الثنائية للاجسام فعندما يتحرك جسم ما فانه يسلك سلوكاً مزدوجاً غير قابل للفصل:سلوك جسيمي(مادة) وسلوك موجي وهكذا فالالكترون لايدور حول الذرة ابداً !!! ولكنه يهتز حول الذرة بشكل موجة واقفة Standing wave وهكذا حتى يكون المدار (من فصاعداً سندعوها القشرة Shell لانه لايوجد دوران كما قلنا) مستقراً يجب ان يكون محيط القشرة مساوياً لعدد صحيح مضروباً بالطول الموجي للالكترون والا فان التداخل بين بداية موجة الالكترون ونهايتها سيصبح تداخل اتلافي وبالتالي تخمد الموجة. وهكذا فسر سر انفصال القشرة الالكترونية بسبب الطبيعة الموجية وسنرى فيما بعد، انه بعد ان كان التصرف الموجي للاجسام هو سبب تككم الظواهر فان "مدرسة" كوبنهاكن ستقوم بالانقلاب على المبدأ الذي اسسته عندما ستفسر الظواهر الكمية في الميكانيك الكمي فيما يعرف في تفسير كوبنهاكن لميكانيك الكم Copenhagen interpretation of Quantum Mechanicsولكن هذا موضوع اخر
مصادر:
1/1996 s.36-44
0 التعليقات:
إرسال تعليق