الفيزياء الحديثة – الفصل السادس – السادس الاعدادي

💡 مقدمة في الفيزياء الحديثة:

الفيزياء الحديثة هي فرع من فروع الفيزياء نشأ في بداية القرن العشرين، ويمثّل نقلة نوعية في فهم الإنسان للكون. بخلاف الفيزياء الكلاسيكية التي وضع أسسها نيوتن، تهتم الفيزياء الحديثة بدراسة الظواهر التي لا يمكن تفسيرها باستخدام قوانين نيوتن، وخاصةً عندما تكون الأجسام صغيرة جدًا (كالذرات) أو تتحرك بسرعات قريبة من سرعة الضوء.

🔹 لماذا ظهرت الفيزياء الحديثة؟

مع تقدم التكنولوجيا وتطوّر أدوات القياس، واجه العلماء ظواهر لم تكن تتفق مع مبادئ الفيزياء الكلاسيكية، مثل:

• إشعاع الجسم الأسود.
• التأثير الكهروضوئي.
• سلوك الإلكترونات داخل الذرة.
• ثبات الذرة وعدم انهيارها.

كل هذه الظواهر دفعت الفيزيائيين لإعادة النظر في المفاهيم الكلاسيكية، وابتكار نظريات جديدة.

🧪 أهم محاور الفيزياء الحديثة:

1. إشعاع الجسم الأسود

• الجسم الأسود هو جسم يمتص كل الإشعاع الساقط عليه ولا يعكس شيئًا.
• التجارب أظهرت أن شدة الإشعاع المنبعث من هذا الجسم لا تتبع قوانين الفيزياء الكلاسيكية.
• الفيزيائي ماكس بلانك افترض أن الإشعاع لا ينبعث بصورة مستمرة، بل على شكل كمات (Packets) من الطاقة تُسمى الفوتونات.
• وضع معادلة لطاقة الفوتون:

  $$E = h \nu$$حيث $h$ هو ثابت بلانك، و $\nu$ هو تردد الإشعاع.

2. التأثير الكهروضوئي

• عند تسليط ضوء على سطح معدن معين، تُطرَد إلكترونات منه.
• لوحظ أن عدد الإلكترونات والطاقة الحركية لا تعتمدان على شدة الضوء، بل على تردده!
• هذا لا يتوافق مع الفيزياء الكلاسيكية.
• فسّر آينشتاين الظاهرة باستخدام نظرية بلانك: الضوء يتكوّن من فوتونات، وإذا كانت طاقة الفوتون أكبر من دالة الشغل للمعدن، يتم تحرير الإلكترون.
• معادلة آينشتاين:

  $$h\nu = W + \frac{1}{2}mv^2$$حيث:

  • $h\nu$: طاقة الفوتون.
  • $W$: دالة الشغل (الحد الأدنى من الطاقة لتحرير الإلكترون).
  • $\frac{1}{2}mv^2$: الطاقة الحركية للإلكترون المطرود.

3. الطبيعة الموجية للجسيمات (نظرية دي بروي)

• اقترح لويس دي بروي أن الجسيمات (مثل الإلكترونات) يمكن أن تُعامَل كموجات.
• العلاقة التي وضعها:

  $$\lambda = \frac{h}{p}$$حيث $\lambda$ هو الطول الموجي، و $p$ هو الزخم الخطي للجسيم.

• هذا المفهوم أصبح أساسًا لميكانيكا الكم، وفسّر سلوك الجسيمات دون الذرية.

4. مبدأ الريبة (اللايقين) لهايزنبرغ

• ينص على أنه لا يمكن قياس موقع وسرعة جسيم بدقة في الوقت نفسه.
• كلما زادت دقة قياس الموقع، قلت دقة معرفة الزخم، والعكس صحيح.
• المعادلة:

  $$\Delta x \cdot \Delta p \geq \frac{h}{4\pi}$$هذا المبدأ يبيّن أن العالم الذري تحكمه الاحتمالات، وليس اليقين.

5. معادلة شرودنجر

• وضعها العالم النمساوي إرفين شرودنجر لوصف سلوك الجسيمات كموجات.
• المعادلة تصف الحالة الموجية للإلكترون، والتي تتعلق بمكانه واحتمالية وجوده.
• لم تعد الإلكترونات تُنظر كجسيمات تدور في مدارات محددة كما في نموذج بور، بل كموجات احتمال حول النواة.

6. النموذج الذري الحديث

• بُني هذا النموذج اعتمادًا على ميكانيكا الكم.
• أهم خصائصه:
  • الإلكترون لا يدور في مسار دائري محدد.
  • مكان وجود الإلكترون يُعبر عنه بـ “السحابة الإلكترونية”.
  • طاقة الإلكترون كمومية، أي لا يمكن أن تكون أي قيمة بل محددة فقط.

💫 مقارنة بين الفيزياء الكلاسيكية والحديثة:

📌 تطبيقات الفيزياء الحديثة:

• الخلايا الشمسية (التأثير الكهروضوئي)
• الليزر
• الأجهزة الإلكترونية الدقيقة
• الرنين المغناطيسي MRI
• الميكروسكوبات الإلكترونية
• ميكانيكا الكم في الحوسبة الكمية

✅ خلاصة:

الفيزياء الحديثة تمثل ثورة علمية غيّرت نظرتنا للعالم، من المفاهيم الكلاسيكية الثابتة إلى عالم من الاحتمالات والكمات والموجات الجسيمية. وقد فسّرت ظواهر عديدة لم تكن مفهومة سابقًا، وفتحت الباب أمام تطورات تكنولوجية هائلة.