بحث عن نظرية الكم والذرة

مقدمة في نظرية الكم

بدأت الكيمياء كنظام خلال القرنين السادس عشر والثامن عشر في دراسة المواد الكيميائية الخاصة في مجال الصيدلية وهذه المواد تتكون من مركبات تتألف من عناصر كميائية لا تزيد عن 90 عنصرًا، ولكل منها عدد ذري مُختلف وهذا الاختلاف مثير جدًا للاهتمام فعلى سبيل المثال يتفاعل الليثيوم والصوديوم والبوتاسيوم والسيزيوم مع الماء بقوة ويزداد تفاعلها مع زيادة أعدداها الذرية، وأدى هذا الاكتشاف إلى ترتيبها في جدول دوري في القرن التاسع عشر، ونظرًا لتعامل نظرية الكم أو ميكانيكا الكم مع الجزئيات والعناصر والذرات والمركبات وامتلاكها للعديد من المقاربات الرياضية لذلك فإنّها تعد الأساس لعلم الكيمياء، وفي هذا المقال بحث عن نظرية الكم والذرة.

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.^[١]

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.^[٢]

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.

المراجع

1. ↑ "The quantum mechanical model of the atom", www.khanacademy.org, Retrieved 24-7-2019. Edited.
2. ↑ "The Quantum Mechanical Model: Definition & Overview", study.com, Retrieved 24-7-2019. Edited.