وصف الطبيعة المزدوجة للالكترون كيف يمكن تصور حركة الالكترون في المستويات الذرية ؟؟
الطبيعة الزدوجة للإلكترون تعني ان له خاصية موجية اي كالموجة وطبيعة مادية اي ان الالكترون مادة واثبات ذلك كالتالي:
وجد مرور الالكترونات خلال فتحات ضيقة او خلال بعض البلورات ووجد ان بعضها يحيد عن المرور اي عن مساره الاصلي ولا يمر من خلال تلك الفتحات وهذا دليل الطبيعة المادية
ووجد انه امكن تجميع الالكترونات في بؤورة وانعكاسها منها وهذه الخاصية تشبة الموجات الكهرومغناطيسية حيث تتجمع الموجات الكهربائية مع الموجات المغناطيسية في بؤرة واحدة ثم تفترق وعند اجتماعها في بؤورة واحدة تعطي الضوء والذي هو موجات كهرومغناطيسية ظاهرة للعين
سيطرت الفيزياء التقليدية ( الميكانيكا ، الديناميكا الحرارية ، الكهرومغناطيسية ) التي وضع نواتها نيوتن زهاء قرنين من الزمن وحققت انتصارات باهرة في الفيزياء وعلم الفلك ، وستظل دائما مآثر الفكر البشري وأمجاده وما زالت تعلمان في المدارس والجامعات ، على الرغم من أن الفروض التي قامت عليها غير صحيحة كالتفرقة الكاملة بين الموجات والجسيمات إلا أنها أعطت نتائج صحيحة قابلة للتطبيق عند السرعات الضعيفة التي لا تقارن بسرعة الضوء ، كما عجزت عن تفسير وتعليل بعض الظواهر مثل : الظاهرة الكهروضوئية ، وإشعاع الجسم الأسود ، وظاهرة كمبتون .
أدى ذلك إلى ميلاد ما يسمى الآن بالفيزياء الحديثة التي تشمل الميكانيكا النسبية , ميكانيكا الكم , الفيزياء الذرية والنووية وغيرها .
مزيد من التفصيل :
من خلال العصف الذهني بالطالبات باسترجاع ماسبق دراسته وهو تعريف الضوء وتعريف مبدأ هيجنز الذي تم دراسته الصف الثاني الثانوي
طبيعة الضوء
1 – نظرة الفيزياء القديمة:
( أ ) نظرية نيوتن الجسيميّة لطبيعة الضوء :
تنص على أن الضوء عبارة عن جسيمات تصدر من المصدر وكان المتزعم لهذه النظرية هو إسحاق نيوتن والذي استطاع بهذه النظرية تفسير بعض الظواهر العملية المتعلقة بطبيعة الضوء منها التحقق من صحة قوانين انعكاس الضوء . وقد لاقت النظرية الجسيمية لطبيعة الضوء القبول من الكثير من العلماء في ذلك الوقت و لكنها لم تستطع أن تعطي التفسير الجيد لبعض الظواهر الضوئية مثل انكسار الضوء وتداخل الضوء .
( ب ) نظرية هيجينز الموجيّة لطبيعة الضوء :
تنص على أن الضوء عبارة عن نوع من أنواع الأمواج ، وكان المتزعمين لهذه النظرية هم هيجينز وماكسويل و يونج . واستطاعت هذه النظرية أن تفسر وتحقق قوانين الانعكاس والانكسار باستخدام هذه النظرية . ولكنها لم تلقى هذه النظرية ترحاب علمي في بداياتها لعدة أسباب منها : أن جميع الأمواج المعروفة في ذلك الوقت ( صوت ، ماء ، ... الخ ) تنتقل خلال وسط مادي ، بينما الضوء يستطيع أن ينتقل إلينا من الشمس خلال الفراغ ، وكذلك فإن النظرية الموجية لم تعطي تفسيرا أو تعليلا لبعض الظواهر مثل : الظاهرة الكهروضوئية ، وإشعاع الجسم الأسود ، وظاهرة كمبتون .
2 – نظرة الفيزياء الحديثة :
الطبيعة المزدوجة للضوء :
عند شروط معينة فإن الجسيمات تسلك سلوك الموجات وعند شروط أخرى تسلك الموجات سلوك الجسيمات , وهذا ما يسمى بالطبيعة المزدوجة أي أن الجسيم يعامل أحيانا على أنه جسيم وأحيانا على أنه موجة .
توضيح :
إذا كان السؤال ما هي طبيعة الضوء بالتحديد هل موجية أم جسيميه ؟
فإنه لن تكن هناك إجابة محددة فبعض الظواهر تعتبر الضوء جسيمات ، وكذلك بعض الظواهر تعتبر الضوء موجات ، وأخيرا يمكن القول أنه خلال الأطوال الموجية الطويلة يتصرف الضوء كموجات ، وفي الأطوال الموجية القصيرة ( ذات الطاقة العالية) يتصرف كجسيمات.
نظرية الكم
تبسيط نظرية الكم :
قبل أن نستعرض قصة نشأة نظرية الكم سأذكر تبسيطا لمعنى نظرية الكم ، يقول بلانك :
تأخذ الطاقة المشعة من الأجسام الصلبة قيم من مضاعفات ثابت بلانك
( وفق العلاقة : ط = هـ د ) ،
حيث ( هـ ) ثابت بلانك ويساوي 6.62 × 10 ^ - 34 جول ثانية .
فإما أن تكون الطاقة مساوية لـ 6.62 × 10 ^ - 34
أو 13.24 × 10 ^ - 34
أو 19.86 × 10 ^ - 34
وهكذا ...
ويستحيل أن تأخذ الطاقة قيما عشوائية من غير مضاعفات ثابت بلانك
مثل : 17 × 10 ^ - 34
مثال آخر للتبسيط ، تعتبر الأعداد الزوجية مكممة فهي تأخذ قيما من مضاعفات 2 ، ويستحيل أن نعتبر أي عدد عشوائي عددا زوجيا دون أن يكون من مضاعفات 2 .
نشأة نظرية الكم :
تشع الأجسام الصلبة إذا سخنت لدرجات حرارة مختلفة ، وبينت الدراسات التي أخذت لهذه الأجسام الساخنة بان مقدار طاقة الشعاع المنبعثة منها يعتمد على طولها الموجي .
وكانت هناك محاولات لإيجاد تفسير هذه العلاقة بواسطة نظرية الموجات المعروفة وقوانين الديناميكا الحرارية ولاقت نجاحا جزئيا ، فاستطاعت إحدى النظريات تفسير هذه العلاقة عند الأطوال الموجية القصيرة ولكنها فشلت عند الأطوال الموجية الطويلة ، أما النظرية الأخرى فنجحت عند الأطوال الموجية الطويلة ولكنها فشلة عند الأطوال الموجية القصيرة ، و أتضح من ذلك أن هنالك شيء أساسيا ماز ل مفقودا في قوانين الفيزياء الكلاسيكية .
في ديسمبر 1900م استطاع الفيزيائي الألماني ماكس بلانك أن يهز الأوساط العلمية بحل هذه المعضلة بافتراض يختلف اختلافا كبيرا عن المفاهيم المقبولة في ذلك الزمان ، حيث افترضت الفيزياء الكلاسيكية بان الذرات والجزيئات تستطيع أن تمتص أو تبعث أي قيم عشوائية من طاقة الشعاع ، أما بلانك فقد قال بان الذرات والجزيئات تستطيع أن تمتص و أن تبعث الطاقة في شكل قيم منفصلة فقط مثل الحزم الصغيرة ( وبمعنى آخر طاقة الموجات الضوئية مكممة ، فتتم بصورة متقطعة [ كمّات] ) .
ولقد أعطي بلانك اسم الكم أو الفوتون لأصغر كمية من الطاقة يمكن امتصاصها أو انبعاثها من الشعاع الكهرومغناطيسية وهو ما يعرف الآن بثابت بلانك .
الخلاصة :
فروض نظرية الكم للعالم بلانك:
1- الضوء يتكون من كمات محدده من الطاقة تسمي فوتونات .
2- طاقة كل فوتون ( الإشعاع الكهرومغناطيسي ) تتناسب طرديا مع تردده وعكسيا مع الطول الموجي
.
قد أثار ماكس بلانك مشكلة وهى هل طبيعة الضوء موجية أم ذرية؟؟؟مثل هذا الإزدواج أصبح طبيعياً فالضوء مادة وفى نفس الوقت طاقة ولابد أن يحمل أثر هذه الطبيعة المزدوجة وهى ازدواج وليس تناقضاً لأن الذرة ليست شكلاً ثابتاً وحيداً للمادة وإنما هى فى ذات الوقت يمكن أن تتبعثر أمواجاً
سلوك الضوء :
يتسم الضوء بطبيعة مزدوجة، فمن ناحية يسلك الضوء سلوك الموجات ومن ناحية أخرى فإنه يسلك سلوك الدقائق المادية.
تفسر النظرية الموجية للضوء كثيراً من خصائصه بشكل جيد ( الانكسار ..... ) ولكنها تعجز عن تفسير خصائص ضوئية أخرى معروفة لنا .
فمثلاً حينما يصطدم الضوء ذو الطاقة العالية بصفيحة معدنية فإنه ينتج تياراً كهربائياً ، ويعجز الضوء منخفض الطاقة عن ذلك . ولو كان الضوء ذا طبيعة موجية فقط لوجب الحصول على التيار الكهربائي من الصفيحة المعدنية سواء أكانت الموجات ضعيفة أم قوية حيث أن الصفيحة في هذه الحالة تمتص الموجات وتنتج التيار المتناسب معها .
وهكذا نرى أن للضوء أيضاً طبيعة جسيمية مادية .
تهيج الذرات :
تَتنج كل أنواع الضوء عن ذرات في حالة تهيج . ومن المعلوم أن الذرة تتهيج نتيجة حصولها على طاقة ضوئية أو غيرها من مصدر خارجي .
توجد الالكترونات حول الذرة في مستويات طاقة خاصة بها ، فإذا امتص الالكترون طاقة فإنه يرتفع إلى مستوى طاقة أعلى من طاقته ، مما يؤدي إلى تهيج الذرة .
ولكن الذرة تفضل دائماً وضع الاستقرار ، لذلك يعود الالكترون إلى مستواه الأصلي ، مطلقاً كمية من الطاقة على شكل فوتونات .
الفوتون : كمية محددة من الطاقة . والالكترون أثناء عودته من مستوى طاقة أعلى إلى مستواه الأصلي يبعث
عدداً من الفوتونات .