بحث عن نظرية الكم والذرة

بحث عن نظرية الكم والذرة سنتعرف عليه من خلال هذا المقال، بحث عن نظرية الكم والذرة لأن نظرية الكم والذرة هي دراسة المادة على مستويات الذرية ودون الذرية.

بحث عن نظرية الكم والذرة

بدايةً في بحث عن نظرية الكم والذرة توضيح دور الكيميائيون خلال القرن العشرين بدراسة تركيب الذرات واكتشفوا الإلكترونات في عام 1897م وحينها أظهر العالم طومسون وجود جزيئات أساسية موجودة في الذرات وبعد أربعة عشر عامًا اكتشف العالم رذرفورد أنّ معظم كتلة الذرة توجد في نواة صغيرة حيث يبلغ نصف قطرها 100000 مرة من كتلة الذرة

وفي غضون ذلك قام ماكس بلانك خلال الفترة ما بين 1858م إلى 1947م بوضع نظرية تنص على أنّ أشعة الضوء مصنوعة من فوتونات مكافئة لجزيئات حركة الموجة ونتجت عن هذه الاكتشافات مفاهيم جديدة، وعندما تم دمج هذه المفاهيم والاكتشافات والنظريات ظهرت أفكار جديدة وكانت النتيجة هي نظرية الكم وسميت بذلك من الطبيعة المنفصلة لمستويات الطاقة في النظم المجهرية وهذه النظرية تعطي تفسيرات جيدة لظواهر العالم الذري وشبه الذري، ويُذكر بأنّ الذرة هي أساس بناء الكون وتتكون من البروتونات والنيوترونات داخل النواة التي تحيط بها الإلكترونات المدارية.

وفي البحث عن نظرية الكم والذرة يمكن بدايًة توضيح نموذج بور لذرة الهيدروجين كأبسط مثال على الذرة الذي يعد أول نموذج غير تقليدي عن الذرة، حيث وضح هذا النموذج أنّ أطياف الانبعاث للعناصر المختلفة تحتوي على خطوط منفصلة وتظهر هذه الخطوط بأربعة أطوال موجية تنبعث من الضوء في المنطقة المرئية ومنها أطياف الانبعاث لذرة الهيدروجين على شكل خطوط تظهر في أربعة أطوال تبلغ: 410 و 434 و 486 و 656 نانومتر

وتشير أطياف الانبعاث الكمي إلى أنّ الإلكترونات ربما لا توجد إلا داخل الذرة عند بعض الأقطار والطاقات الذرية، ومن هذا النموذج استخلص العالم بور معادلة مستويات الطاقة المختلفة في ذرة الهيدروجين ونجح أيضًا هذه النموذج في التنبؤ أيضًا بمستويات الطاقة في الأنظمة الأخرى ذات الإلكترون الواحد كالهيليوم.

ويُذكر في بحث عن نظرية الكم والذرة بُدأ اكتشاف ميكانيكا الكم كمجال للدراسة عندما أثبت الفيزيائيان ألبرت أينشتاين وماكس بلانك أنّ الضوء والمادة يمكنهما أنّ يتصرفا كجسيمات وموجات وضمن ذلك إذا كانت الجسيمات مثل الإلكترونات يمكن أن تتصرف كالموجات، فهذا يعني أنّها لا تملك موقعًا دقيقًا بالطريقة التي يمكن تخيلها بالنسبة للجسيم، وتوضح ميكانيكا الكم بأنّ لا يمكن معرفة بدقة كل من موقع وسرعة الإلكترون في نفس الوقت

وهذا يعني بأنّ لا بد من تخيل الإلكترونات كأشياء مفردة تدور حول الذرة وبدلاً من ذلك يوجد احتمال العثور على إلكترون في موقع معين، وينتهي بشيء يسمى بسحابة الإلكترون والتي تُعرف بأنّها مساحة في الفضاء من المحتمل وجود فيها إلكترون، ويضاف في بحث عن نظرية الكم والذرة أنّ للجسيمات أرقامًا مُعينة تسمى أرقام الكم، والتي تشمل أرقام الكم الجسيمية المدارية وأرقام الكم المغناطيسية، وبُذكر بأنّ لا يوجد إلكترونان في الذرة يمكن أن يكون لهما نفس أرقام الكم.

وتُشير أرقام الكم في البحث عن نظرية الكم والذرة إلى مستوى الطاقة الذي يوجد فيه الإلكترون وفي نموذج بور تمثل هذه الأرقام إلى مدى بعد المدار عن النواة فيسمى المدار الأول ن=1 والثاني ن=2 وهكذا، وبالنسبة لرقم الكم المغناطيسي فهو مجرد رقم يمثل الاتجاه الذي يُشير إليه الإلكترون، وتشير الخاصية الميكانيكية الكمية إلى أنّ الإلكترونات تكون على شكل أزواج

وفي كل زوج يدور إلكترون واحد في اتجاه معين بينما يدور الإلكترون الآخر في الاتجاه الآخر المعاكس ولا يمكن أن يوجد إلكترونان لهما نفس اتجاه الدوران، وفي حالة وجود مواد تحتوي على إلكترونات غير زوجية من المرجح أنّ تكون هذه المواد مغناطيسية. ويمكن في البحث عن نظرية الكم والذرة ذكر تطور آخر لهذه النظرية قام به العلم الفيزيائي لويس دي بروي بناءً على عمل آينشتاين وبلانك كما ذُكر سابقًا حيث أظهر كيف يمكن للموجات الضوئية أنّ تظهر خواص تشبه الجسيمات،

وافترض أنّ هذه الجسيمات يمكن امتلاكها خصائص تشبه الموجة، واشتق لويس معادلة توضح العلاقة بين كتلة الجسيم وطول الموجة المُقترنة به بالعلاقة: λ= ثابت بلانك/ كتلة الجسم*سرعة الجسم. حيث أنّ λ هي طول الموجة بوحدة المتر و ثابت بلانك بوحدة جول. ثانية وكتلة الجسيم بوحدة كغ وسرعة الجسم بوحدة متر/ثانية.

ويعتبر النموذج الميكانيكي الكمومي للذرة أكثر تجريدًا وتعقيدًا إلا أنّ الصورة الأكثر دقة؛ لكيفية عمل الذرات ولهذا السبب يسمح بتنبؤات أفضل حول كيفية تصرف الجسيمات عند محاولة التفاعل معها، وتستخدم ميكانيكا الكم لإنشاء أجهزة تلفزيون بشاشات مسطحة وأجهزة استشعار للكاميرات وأجهزة الكمبيوتر لذلك فإن معرفة ميكانيكا الكم مفيد جدًا، ويعتبر هذا النموذج الذي اقترحه العالم إروين شرودنجر أساس الفهم الحديث للذرة.

خاتمة عن نظرية الكم والذرة

بحث عن نظرية الكم والذرة الخلاصة: في هذه المقالة، نظرنا في تطور نظرية الكم والذرة والطرق المختلفة التي تم استخدامها لشرح سلوك الذرات. لقد رأينا أن ثنائية الموجة والجسيم للضوء هي سمة أساسية لنظرية الكم، وهذا يؤدي إلى مبدأ عدم اليقين في هايزنبرغ. لقد رأينا أيضًا كيف تم استخدام نظرية الكم لشرح سلوك الإلكترونات في الذرات، وكيف يمكن استخدامها للتنبؤ بخصائص الذرات والجزيئات.

تطبيقات نظرية الكم والذرة

 

• الأجهزة الالكترونية مثل الكمبيوتر والهاتف
  بحث عن نظرية الكم والذرة حيث ان من فوائد ميكانيكا الكم أنها تساعدنا على فهم طبيعة الجسيمات الصغيرة مثل الإلكترونات. وكما اوضحنا سابقا أن ميكانيكا الكم تعمل على مبدأ تكافؤ المادة والموجة أن المواد لها خصائص موجية، وأن المنظور الماديّ والموجيّ للأشياء وجهان لعملة واحدة. فمن اهم تطبيقات ميكانيكا الكم أنها تساعدنا على فهم وكذلك التحكم في موصلية المواد الصلبة المختلفة حسب فهمنا للطبيعة الموجيّة للإلكترون.
  فمثلًا عندما يضاف إلى السيليكون شوائب من مواد أخرى مثل الفسفور والبورون؛ تحسن بدورها من أدائه كشبه موصل. أو مثلًا عندما نضع طبقات من السيليكون بعضها فوق بعض، يكون لدينا ترانزستورات على مستوى النانو؛ فتعطينا الإمكانية أن نملأ لوحة صغيرة لا تتجاوز مساحتها مساحة ورقة بمليارات الترانزستورات التي بدورها تعد حجر الأساس في صناعة الإلكترونيات عامة مثل الكمبيوتر و الهواتف.
• استخدامات ميكانيكا الكم فى التشفير
  يتم استخدام التشفير cryptography المعقد لحماية الحسابات البنكية والهويات من عمليات الاحتيال أثناء القيام بعمليات البيع والشراء عن طريق الإنترنت. ولكن تشكل الحواسيب الكمومية الفائقة quantum computers مصدر محتمل للهجمات ضد معلوماتنا الشخصية. لذلك قام باحثون من جامعة بريستول للهندسة التقنية بتطوير دارات من رقاقات ميكروية إذ تستغل عالم ميكانيكا الكم الغريب وتوفر مستوى محسن من الأمن باستخدام قوانين الفيزياء الكمومية وهذا يعتبر م أهم تطبيقات ميكانيكا الكم.
  توزع هذه الأجهزة مفاتيح التشفير cryptographic keys باستخدام خواص التشابك الكمومي Quantum Entanglement والتموضع الفائق superposition، إضافة إلى العشوائية المطلقة randomness التي يوفرها السلوك الكمومي، وهذا غير قابل للتحقيق إلا عن طريق ميكانيك الكم.
  ويقول الباحث الرئيسي البروفيسور مارك تومسون Mark Thompson: “يسمح النظام الذي قمنا بتطويره بتبادل المعلومات باستخدام فوتونات photons ضوئية مفردة في حالة كمومية quantum state”. ويضيف: “في حال تعرض الإرسال للاختراق من قبل متنصت، فإن ذلك سيسبب انهيار الحالات الكمومية وسينذرك النظام حالاً بوجوده وسوف ينهي الإرسال”.
  هذا التعاون العالمي -الذي ضم باحثين من بريستول وغلاسكو Glasgow والمؤسسة الوطنية لتكنولوجيا المعلومات والاتصالات NiCT في اليابان- استخدم مصنعين لرقاقات من أنصاف النواقل semiconductor chip على نطاق تجاري لصنع أجهزتهم بشكل مشابه لنماذج انتل Intel السيليكونية في وحدات المعالجة المركزية CPU. لكن بدلاً من استخدام الكهرباء، استخدمت هذه الأجهزة المصغرة الضوء لترميز المعلومات عند مستوى الفوتون المفرد single photon level، مما وفر مفاتيح تشفير غير محدودة العمر.
• تطبيقات ميكانيكا الكم في الكيمياء
  بحث عن نظرية الكم والذرة حيث ان هناك كثير من التفاعلات الكيميائية التي تكون الإنزيمات عاملاً أساسيًا بها، هذه التفاعلات تعتمد على تبادلِ بروتون (نواة هيدروجين) بين المتفاعلات والنواتج. و في مثل تلك التفاعلات يحدث تبادل البروتون حتى في ظل عدم وجود طاقة كافية؛ كدليل على احتمالية حدوث نفق كميّ ينقل البروتون بشكل لحظيّ من المتفاعلات إلى النواتج.
  وأيضا في حالة استبدال البروتون بنواة الديوتيريوم (وهو أحد نظائر الهيدروجين وله ضعف كتلة نواة الهيدروجين تقريبًا)؛ والذي يؤدي إلى انخفاض معدل انتقال النوٌيات من المتفاعلات إلى النواتج إلى واحد على المائة من الاحتمالية الأصلية. وبينما يتعارض هذا الانخفاض الشديد في احتمال حدوث مثل هذا التفاعل مع التوقعات الكلاسيكية، يتفق مع التنبؤات الكمية؛ معطيًا إشارة بقبول نموذج النفق الكميّ في التفاعلات الكيميائية.
  مع براكسيلابس يمكنك إجراء تجارب العلوم من أي مكان باستخدام المعامل الافتراضية الثلاثية الأبعاد

ملخص نظرية الكم والذرة

كيفية عمل الخلية الكهروضوئية
١.عندما لا يسقط اشعاع كهرومغناطيسي على المهبط في الخلية الكهروضوئية لا يسري تيار كهربي ( لأن الدائرة الكهربائية مفتوحة)
2- عندما يسقط اشعاع كهرومغناطيسي ذو تردد معين بحيث يكون أكبر من أو يساوي تردد العتبة فانه تتحرر الالكترونات من المهبط وتتدفق باتجاه المصعد ، فيمر تيار كهربائي في الدائرة يتم قياسه بواسطة الجلفا نومتر.
ملاحظات هامة
1- يتغير تردد العتبة بتغير نوع مادة الفلز في المهبط
2. لا تعتمد تحرير الإلكترونات ( مرور التيار) على شدة الضوء الساقط ولكن يعتمد على تردده ( أكبر من أو يساوي تردد العتبة).
3. زيادة شدة الإشعاع يؤدي لزيادة تدفق الالكترونات الضوئية أي زيادة شدة التيار بشرط أن يكون تردد الضوء أكثر من تردد العتب

علل لما يلي
1. تتحرر الالكترونات من السيريوم عند استخدام جميع الألوان في الطيف المرئي عدا الأحمر
لأن تردد اللون الأحمر أقل من تردد العتبة للسيزيوم وبالتالي فإنه لا يمتلك الطاقة الكافية لتحرير الإلكترونات من الفلز على عكس بقية ألوان الطيف المرئي والتي تمتلك ترددات أكبر من تردد العتبة السيزيوم
2. لا تتحرر الالكترونات من سطح الزنك عند تعريضها في طول موجي للضوء المرئي
لأن نطاق ترددات الطيف المرئي أقل من تردد العتبة لفلز الزنك، لذا فان طاقتها غير كافية لتحرير الإلكترونات من الزنك
3. عند سقوط الأشعة فوق البنفسجية على لوح زنك مشحون بشحنة سالبة ، فانه يفقد شحنته
لأن تردد الأشعة الفوق بنفسجية أكبر من تردد العتبة للزنك وبالتالي فان لديها الطاقة الكافية لتحرير الإلكترونات( سالبة الشحنة) من سطح الفلز ، فيشحن اللوح بشحنات موجية لتتعادل مع الشحنات السالبة الموجودة عليه أصلا، مما يؤدي لفقدان شحنته
4. عند سقوط الأشعة فوق البنفسجية أو الضوء المرئي على لوح زنك مشحون بشحنة موجبة فانه يظل مشحونا دون أن يفقد شحنته
لأن سقوط الأشعة فوق البنفسجية تعمل على تحرير الالكترونات من لوح الزنك يفعل ظاهرة الانبعاث الكهروضوئي ( تردد الا أشعة فوق البنفسجية أكبر من تردد العتبة للزنك)، فيشحن اللوح بشحنات موحية تضاف الى الشحنات الموجية الموجودة عليه أصلا
تفسير نظرية الموجات الكهرومغناطيسية لماكسويل لظاهرة الانبعاث الكهروضوئي
فشلت نظرية الموجات الكهرومغناطيسية لماكسويل في تفسير ظاهرة الانبعاث الكهروضوئي، وقد فسرها كالآتي
1. عند سقوط اشعاع كهرومغناطيسي على سطح فلز ، يعمل المجال الكهربي على تحرير الإلكترونات وتسريعها.
2. بزيادة شدة الإشعاع الكهرومغناطيسي يزداد شدة المجال الكهربي و يزداد تحرر الالكترونات وتسريعها
3. علما تكون شدة الاشعاع قليلة ( ضوء خافت) ، فان الالكترونات في الفلز تحتاج فترة طويلة لامتصاص الطاقة وذلك لاكتساب طاقة كافية لتحريرها.

النموذج الجسيمي للموجات
10. التأثير الكهروضوئي لماذا يكون الضوء ذو الشدة العالية والتردد المنخفض غير قادر على تحرير إلكترونات من فلز، في حين أن الضوء ذا الشذة المنخفضة والتردد العالي يستطيع ذلك ؟ فسر إجابتك.
الضوء شكل من أشكال الإشعاع الكهرومغناطيسي، وهو عديم الكتلة، ومع ذلك لديه طاقة حركية. وكل مرة يسقط فيها فوتون على سطح الفلز، فإنه يتفاعل فقط مع الکترون واحد. والفوتون ذو التردد المنخفض لا يملك طاقة كافية لتحرير إلكترون من سطح الفلز، لأن الطاقة ترتبط مباشرة بالتردد وليس بالشدة، في حين الضوء ذو التردد العالي يستطيع تحقيق ذلك.
11. تردد إشعاع الجسم الساخن وطاقته كيف يتغير تردد الإشعاع المقابل لأعلى شدة عندما ترتفع درجة حرارة الجسم ؟ وكيف تتغير الكمية الكلية للطاقة المنبعثة ؟
إن كلا من تردد قمة الشدة والطاقة الكلية المنبعثة يزدادان. إذ تزداد قمة الشدة بدلالة ، بينما تزداد الطاقة الكلية بدلالة T4.
12. التأثير الكهروضوئي وتأثير كومبتون سلط عالم أشعة X على هدف، فانطلق إلكترون من الهدف دون أن ينبعث أي إشعاع آخر. وضح ما إذا كان هذا الحدث ناتجا عن التأثير الكهروضوئي أم تأثير كومبتون.
الحدث ناتج عن التأثير الكهروضوئي، وهو عبارة عن التقاط فوتون بواسطة إلكترون في المادة وانتقال طاقة الفوتون إلى الإلكترون.
13. التأثير الكهروضوئي وتأثير كومبتون ميز بين التأثير الكهروضوئي وتأثیر کومبتون.
تأثير كومبتون عبارة عن تشتت الفوتون بواسطة المادة، منتجا فوتونا له طاقة وزخم أقل، في حين التأثير الكهروضوئي عبارة عن انبعاث إلكترونات من الفلز عندما يسقط عليه إشعاع ذو طاقة كافية.
26. الأطوال الموجية للمادة والإشعاع عندما يصطدم إلكترون بجسيم ثقيل فإن سرعة الإلكترون و طول موجته يتناقصان. بناء على ذلك، كيف يمكن زيادة الطول الموجي لفوتون ؟
إذا كان الفوتون يخضع لتشتت كومبتون مع هدف ثابت فان الطول الموجي للفوتون سيزداد
27. مبدأ عدم التحديد لهيزنبرج عندما يمر ضوء أو حزمة من ذرات خلال شق مزدوج فإنه يتكون نمط تداخل. وتحدث كلتا النتيجتين حتى عندما تمر الذرات أو الفوتونات خلال الشقين في الوقت نفسه. كيف يفسر مبدأ عدم التحديد لهيزنبرج ذلك ؟
ينص مبدأ هيزنبرغ على أنه من غير الممكن قياس زخم جسيم وتحديد موقعه بدقة في الوقت نفسه، فإذا استطعت تحديد الموقع الدقيق لفوتون أو ذرة عندما تعبر خلال الشق فإنك لن تستطيع معرفة زخمه بدقة. لذلك فإنك لن تكون متأكدا من أي الشقوق قد عبرت الحزمة الناتجة عن توزيع الفوتونات أو الذرات التي يمكن مشاهدتها في نمط التداخل.
28. التفكير الناقد ابتكر الفيزيائيون مؤخرا محزوز حيود للموجات الضوئية الموقوفة (المستقرة). وتكون الذرات التي تمر خلال المحزوز نمط تداخل. إذا كانت المسافة الفاصلة بين الشقوق nm 250 تقريبا) فما مقدار طول موجة دي برولي المصاحبة للذرات تقريبا ؟
لمحزوز الحيود يکون 0 d sin =، حيث d البعد بين الشقوق و زاوية الفصل بين القمم المتتالية. لذلك فإن طول موجة دي برولي تعطى بالعلاقة 0 sin 250) = 4، إذا اعتبرنا أن 0.1 = 0 sin تقريبا فإن طول موجة دي برولي تساوي بضع عشرات من النانومتر
إتقان المفاهيم صفحة 56
30. الضوء المتوهج يضبط مصباح كهربائي متوهج باستخدام مفتاح تحكم. ماذا يحدث للون الضوء الصادر عن المصباح عند إدارة مفتاح التحكم إلى أقل قراءة ؟
يصبح الضوء أكثر إحمرارا
31. وضح مفهوم تکميم الطاقة.
تكميم الطاقة يعني أن الطاقة توجد على شكل مضاعفات صحيحة كمية ما.
32. ما الذي تم تکمية في تفسير ماكس بلانك لإشعاع الأجسام المتوهجة ؟
إن الطاقة الاهتزازية للذرات المتوهجة مكممة.
33. ماذا تسمى كمات الضوء ؟
الفوتونات.
34. شط ضوء على مهبط خلية ضوئية، وكان تردد الضوء أكبر من تردد العتبة لفلز المهبط. كيف تفسر نظرية أينشتاین للتأثير الكهروضوئي حقيقة زيادة تبار الإلكترونات الضوئية كلما زادت شدة الضوء ؟
كل فوتون يحرر إلكتروئا ضوئيا، والضوء ذو الشدة العالية يحتوي على عدد فوتونات أكثر لكل ثانية، لذا يسبب تحریر عدد الكترونات ضوئية أكثر لكل ثانية.
35. وضح كيف فسرت نظرية أينشتاين حقيقة أن الضوء الذي تردده أقل من تردد العتبة لفلز لا يحرر إلكترونات ضوئية منه، بغض النظر عن شدة الضوء ؟
الفوتونات ذات التردد الأقل من تردد العتبة ليس لها طاقة كافية لتحرير إلكترون. أما إذا ازدادت شدة الضوء فإن عدد الفوتونات يزداد ولكن طاقتها لا تزداد، وتبقى الفوتونات غير قادرة على تحرير الكترون.
36. الفيلم الفوتوجرافي لأن أنواعا معينة من أفلام الأبيض والأسود ليست حساسة للضوء الأحمر، فإنه يمكن تحميضها في غرفة مظلمة مضاءة بضوء أحمر. فسر ذلك بناء على نظرية الفوتون للضوء.
فوتونات الضوء الأحمر ليس لها طاقة كافية لإحداث تفاعل كيميائي مع الفيلم الذي يتعرض له.
37. كيف أظهر تأثير كومبتون أن للفوتونات زخما، كما أن لها طاقة.
تنقل التصادمات المرنة كلا من الزخم والطاقة للفوتونات فقط إذا كان لها زخم يمكنها من تحقيق المعادلات.
38. الزخم p لجسيم مادي يعطى بالمعادلة p= my. هل تستطيع حساب زخم فوتون مستخدما المعادلة نفسها ؟ وضح إجابتك.
لا، لأن استخدام هذه المعادلة تجعل زخم الفوتون صفرا لأن الفوتونات مهملة الكتلة. وهذه النتيجة غير صحيحة لأن الفوتونات المهملة الكتلة زخمها ليس صفرا
39. وضح كيف يمكن قياس الخصائص التالية للإلكترون:
وازن بين قوة الجذب مع قوة المجال الكهربائي المؤثرتين و الشحنة