أحدث الموضوعات

مقدمة فى كيمياء الكم : إخفاق الفيزياء الكلاسيكية في تفسير ظاهرة إشعاع الجسم الأسود

.


مقدمة 

كان الاعتقاد السائد عند بعض الفيزيائيين فى القرن التاسع عشر بأن التركيب النظري للفيزياء الكلاسيكية هي العلم الذي نما قبل 1900 ويتضمن ميكانيكا نيوتن الكلاسيكية ونظرية ماكسويل فى الكهربائية والمغناطيسية والأشعة الكهرومغناطيسية والديناميكا الحرارية ونظرية الحركية للغازات.

ثم بعد ذلك أصبح العلم متكاملاً وبمقدوره إعطاء التفسير عن الظواهر الملحوظة ولكن فى الربع الأخير من هذا القرن، ظهرت نتائج عملية لم تتمكن نظريات الفيزياء الكلاسيكية من تفسيرها.

وهذه النتائج العملية كانت تتعلق بظواهر ذرية وجزيئية وقد حدا هذا الأمر آنذاك الباحثين إلى صياغة نظرية جديدة بإمكانها إعطاء تفسير مقبول منسجم مع النتائج العملية. هذه النظرية تسمي بنظرية الكم Quantum theory.


إخفاقات الفيزياء الكلاسيكية

أخفقت الفيزياء الكلاسيكية فى تفسير المسائل المتعلقة بالظواهر الذرية والجزيئية وهي تتضمن :
1- إشعاع الجسم الأسود
2- التأثير الكهروضوئي 
3- الخطوط الطيفية الذرية  

وكنا قد تكلمنا فى الدروس السابقة عن ظاهرة التأثير الضوئي ويمكن أن تقرأه من هنا ، وعن الخطوط الطيفية الذرية ويمكن أن تقرأه من هنا ولكن فى هذا الدرس سوف نتكلم فقط عن ظاهرة إشعاع الجسم الأسود، وإخفاق الفيزياء الكلاسيكية فى تفسيرها.

إشعاع الجسم الأسود

** إن الجسم الأسود هو الجسم أو المادة التى تمتص جميع الأشعة الكهرومغناطيسية الساقطة علية. وأحسن نموذج تقريبي للجسم الأسود هو مجوف كروي ذو ثقب صغير جداً يسمح بدخول الأشعة.

** إن أية أشعة تدخل هذا الثقب سيتم حجزها فى داخل المجوف وبالتالي امتصاصها والشكل التالي يوضح التوزيع الطاقي فى الجسم الأسود عند درجة حرارة إن أية أشعة تدخل هذا الثقب سيتم حجزها فى داخل المجوف وبالتالي امتصاصها والشكل التالي يوضح التوزيع الطاقي فى الجسم الأسود عند درجة حرارة 1500K.


** أن المحاولات النظرية لاستنباط هذا السلوك ثانية كانت من قبل ألفين عام 1896 ورايلي عام 1900 ولم يحالفهما النجاح. حيث تمكن قين من اشتقاق معادلة ملائمة للنتائج عند الأطوال الموجبة القصيرة فى حين تمكن رايلي من الحصول على معادلة مناسبة عند الأطوال الموجية الكبيرة.

** وإن عدم وجود علاقة رياضية تلائم جميع الأطوال دفعت ماكس بلانك وذلك عام 1900 إلى اقتراح فرضية جديدة مفادها أن ذرات أو جزئيات الجسم الأسود يمكنها بعث أو امتصاص طاقة كهرومغناطيسية ذات تردد υ بمقادير معينة أو كميات والمقدار هنا هو υλ سمي بثابت بلانك فقط.

** فى حين وفقاً للفيزياء الكلاسيكية يفقد أو يكتسب النظام أية مقدار من الطاقة دون تحديد.


** وإذا رمزنا ΔE لتغير الطاقي فى ذرة الجسم الأسود نتيجة لانبعاث أشعة كهرومغناطيسية ذات التردد υ عندئذ يكون ΔE= υλ  وتسمى ΔE أيضا بطاقة الكم energy of quantum أما ثابت بلانك h فيساوي 6.626x10-34 جول.ثانية، وباستخدام هذه الفرضية – فرضية بلانك – استطاع وضع تعبير رياضي للتوزيع الطاقي فى الجسم الأسود 


حيث (R(υ هي دالة تمثل التوزيع الترددي لأشعة الجسم الأسود المنبعثة
K = ثابت بولتزمان
C = هي سرعة الضوء.


هذه العلاقة تمسي بقانون بلانك وهي تعطي نتيجة منسجمة بصورة جيدة مع التوزيع الطيفي الملحوظ لأشعة الجسم الأسود. والشكل التالي يبين ملائمة محاولة بلانك النظرية مع النتيجة العملية المبينة فى الشكل السابق بعكس محاولة رايلي.


وفى الدروس القادمة أن شاء الله سوف نتناول أخفاق الفيزياء الكلاسيكية فى تفسير ظاهرة التأثير الكهروضوئي والخطوط الطيفية للذرات وكيف كانت هذة الأخفاقات أهم الاسباب فى ظهور ما يعرف بكيمياء الكم.
المراجع : الفصل الأول " مقدمة فى كيمياء الكم " من كتاب مبادئ كيمياء الكم للمؤلف / محمد مجدي واصل أستاذ الكيمياء الفيزيائية -  جامعة الأزهر - جمهورية مصر العربية .  


.

ليست هناك تعليقات