ميكانيكا الكم
تمثيل ثنائي الأبعاد و ثلاثي الأبعاد لدالة الموجة الكمومية.ميكانيكا الكم
نظريّة فيزيائية أساسية ، جاءت كتعميم وتصحيح لنظريات نيوتن الكلاسيكية في
الميكانيكا. وخاصة على المستوى الذري ودون الذري
. تسميتها بميكانيكا الكم يعود إلى أهميّة الكم في بنائها(وهو مصطلح
فيزيائي يستخدم لوصف أصغر كمّية يمكن تقسيم الإشياء إليها ، ويستخدم في
للإشارة إلى كميات الطاقة المحددة التي تنبعث بشكل متقطع ، وليس بشكل
مستمر). كثيرا ما يستخدم مصطلحي فيزياء الكم والنظرية الكمومية كمرادفات
لميكانيكا الكم. وبعض الكتّاب يستخدمون مصطلح ميكانيكا الكم للإشارة إلى
ميكانيكا الكم غير النسبية.
مقدمة عامة
أتت النظرية الكمومية (و تسمى ايضا النظرية الكوانتية quantum theory )في
بدايات القرن العشرين مثل النظرية النسبية لحل اشكاليات مطروحة من قبل
النظرية الكلاسيكية , و يمكن تلخيص هذه الاشكاليات بعدم التناسق بين درجات
حرية الجسيمات (6) و درجات حرية الحقول (عدد غير محدود ) فحسب قانون توزع
الطاقة بالتساوي بين مختلف درجات حرية الجملة في حالة التوازن ، الذي يؤدي
الى انتقال معظم الطاقة من الجسيمات الى الحقول , و ينتج عن هذا تصورات
مخيفة مخالفة للواقع : فحسب هذه النظرة يجب على الالكترون الدائر حول
النواة ( حسب نموذج رذرفورد ) أن يصدر أمواجا كهرومغناطيسية وفقا لمعادلات
مكسويل تزداد شدتها الى اللانهاية، و بهذا يقترب أكثر فأكثر من النواة حتى
تنهار جميع الالكترونات ضمن النواة، لكن من المؤكد أن هذا لا يحصل في
الواقع . تقول النظرية الكلاسيكية أيضا أن اصدارات الذرة الضوئية يجب أن
تغطي جميع الترددات بنفس الشدة , لكن الواقع ينقض ذلك بشدة حيث تبدي الذرات
المختلفة أطيافا خاصة تتضمن اصدار امواج ضوئية على ترددات خاصة و محددة
جدا .
تنشأ مشكلة أخرى عندما نتأمل اشكالية الجسم الأسود "وهو جسم يمتص كامل
الاشعاع الساقط عليه ليعيد اصداره" حيث فشلت كل المحاولات المستندة الى
الميكانيك الإحصائي الكلاسيكي في توصيف اشعاع الجسم الأسود خصوصا في
الترددات العالية حيث تبدي القوانين المتوقعة انحرافا كبيرا عن الواقع و
هذا ما عرف لاحقا باسم الكارثة فوق البنفسجية .
أتت بدايات الحل في عام 1900 مع ماكس بلانك الذي اقترح فكرة ثورية هدفها
التنبؤ بتناقص الأنماط العالية التردد من اشعاع الجسم الأسود بافتراض ان
الاهتزازات الكهرطيسية تصدر بشكل كموم , حيث يعتبر الكم أصغر مقدار معين من
الطاقة يمكن تبادله بين الأجسام وفق تردد معين , و ترتبط طاقة الكم بتواتر
الاشعاع المرافق له :
حيث تعبر E عن طاقة الكم الصادر ,nu عن تواتر الاشعاع\تردده , h ثابت أصبح يدعى بثابت بلانك .
تأتي اشكاليات أخرى من التبصر في طبيعة الضوء ففي حين يؤكد نيوتن ان طبيعة
الضوء جسيمية ( فهو مؤلف من جسيمات صغيرة، و تؤيده في ذلك العديد من
التجارب , نجد أن يونغ يؤكد أن الضوء ذو طبيعة موجية و تؤكد تجارب يونغ حول
التداخل الضوئي و الانعراج هذه الطبيعة الموجية . في عام 1923 اقترح لويس
دو بروي أن ينظر الى جسيمات المادة و ذراتها أيضا على انها جسيمات تسلك
سلوكا موجيا احيانا مقترحا معادلة تشابه معادلة بلانك :
.
حيث : λ, طول الموجة , و p العزم.
بدأت هنا تتضح ملامح صورة جديدة للعالم تتداخل فيها الجسيمات و الحقول
المهتزة بحيث يصعب التمييز بينهما و كان هذا ما مهد الطريق لظهور ميكانيك
الكم عندما وضع نيلز بور نظريته الذرية التي لاتسمح للاندفاع الزاوي بأخذ
قيم سوى المضاعفات الصحيحة للقيمة :
حيث تعبر L عن قيم الاندفاع الزاوي ,n عدد صحيح (3,2,1,...)
و هكذا ظهرت مستويات للطاقة المستقرة يمكن وضع الالكترونات الدائرة فيها مفسرة ثبات التركيب
و الخطوط الطيفية للذرات , لكن هذا لم يكن سوى البداية . في عام 1925 قام
العالم الالماني هايزنبرغ بتقديم مبدأه في الارتياب الذي ينص على عدم
قدرتنا على تحديد موضع و سرعة ( اندفاع ) الجسيمات الكمومية بآن واحد و
بدقة متناهية . كانت هذه بداية سلسلة من الصدمات التي تلقتها نظرتنا
الكلاسيكية للعالم و التي تحطمت معها كل الصورة الميكانيكية الآلية التي
سادت حول العالم بعد انتصارات فيزياء نيوتن المدوية في القرنين السابقين .
قام هايزنبرغ بصياغة قواعد ميكانيك الكم بصياغة جبر المصفوفات فيما عرف بعد
ذلك بميكانيك المصفوفات matrix mechanics , 1926 ظهر شرودنغر بمعادلته
الموجية الشهيرة التي تبين تطور دالة موجة الجسيم الكمومي مع الزمن و عرفت
تلك الصياغة بالميكانيك الموجيwave mechanics , لكن رغم الاختلاف الظاهري
العميق بين الصياغتين فان نتائجهما كانت متطابقة , هذا ما دفع بول ديراك
بعد ذلك لتوحيدهما في اطار شامل عرف بنظرية التحويل transformation theory
نموذج بور للذرةأظهرت تجارب راذرفورد أن الذرة تتكون من مركز مشحون إيجابا يسمى نواة
وإلكترونات تتحرك حولها. بينت أعمال علماء الذرة حول أطياف الإمتصاص و
الإنبعاث أن هذه الأطياف متقطعة وليست مستمرة. هذه الخاصية وجدت تفسيرها
الأول فيما يعرف بنموذج بور للذرة. كانت أهم فرضية لبور هي أن الإلكترونات
لا يمكنها سوى الحركة في مدارات دائرية يكون فيها الإلكترون مستقر أي لا
يشع و إلا فإنه بعد مرور فترة من الزمن سوف يفقد كل طاقته و يسقط على
النواة. هذا يعني أن الإلكترون لا يمكنه أن يحتل إلا سويات طاقة معينة أي
أن طاقته مكممة. في حالة أستثارة الذرة فإن الإلكترون سوف ينتقل إلى سوية
طاقة أعلى ثم يعود إلى حالته الأولى مع انبعاث فوتون ذو طاقة مساوية
تماماللفرق بين طاقتي السويتين .
في الفيزياء الذرية نموذج بور يصور الذرة كنواة صغيرة موجبة الشحنة محاطة
بالإلكترونات الموجودة في مدارات - وذلك مثل النظام الشمسي . ونظرا لسهولة
هذا النموذج فإنه لا يزال يستخدم كمقدمة لدارسي ميكانيكا الكم
الأحد فبراير 27, 2011 12:44 am
