الميكانيك الكمي – الفصل السادس – فيزياء

🔷 الميكانيك الكمي – الفيزياء الحديثة للصف السادس الإعدادي

الميكانيك الكمي هو أحد أهم فروع الفيزياء الحديثة، ويمثل نقلة نوعية في فهمنا لسلوك المادة والطاقة عند المستويات الصغيرة جدًا، مثل الذرات والجسيمات دون الذرية. ظهرت هذه النظرية في أوائل القرن العشرين لتفسير ظواهر لم تستطع الفيزياء الكلاسيكية تفسيرها، مثل الإشعاع الحراري، والظاهرة الكهروضوئية، ومستويات الطاقة في الذرة.

✳️ لماذا ظهرت الحاجة إلى الميكانيك الكمي؟

الفيزياء الكلاسيكية (مثل قوانين نيوتن) كانت فعالة في تفسير حركة الأجسام الكبيرة، لكنها فشلت في التعامل مع الظواهر التي تحدث على مستوى الذرات. ومن هذه الظواهر:

• الإشعاع الجسم الأسود.
• طيف الذرة (خطوط الانبعاث).
• الظاهرة الكهروضوئية.
• الاستقرار الذري.

لذلك، ظهرت مفاهيم جديدة تعتمد على “كمّية الطاقة” والطبيعة الموجية للجسيمات، وهذه المفاهيم شكّلت الأساس لما يُعرف اليوم بالميكانيك الكمي.

🧠 المفاهيم الأساسية في الميكانيك الكمي

1️⃣ مبدأ التكميم (Planck’s Hypothesis)

العالم الألماني ماكس بلانك هو أول من اقترح أن الطاقة لا تُشع أو تُمتص بشكل مستمر، وإنما على شكل “كمّات” صغيرة تُدعى كوانتا (quanta).
وقد بيّن أن طاقة هذه الكمّات تتناسب طرديًا مع تردد الإشعاع:

$$E = h \cdot f$$

حيث:

• $E$: طاقة الكم.
• $h$: ثابت بلانك $6.63 \times 10^{-34} \, \text{J·s}$.
• $f$: التردد.

2️⃣ الظاهرة الكهروضوئية وتفسير أينشتاين

ظاهرة انبعاث إلكترونات من سطح معدن عند سقوط ضوء عليه تُسمى الظاهرة الكهروضوئية. الفيزياء الكلاسيكية لم تفسرها بدقة، لكن العالم ألبرت أينشتاين فسّرها باستخدام مفهوم الفوتون، وقال إن:

الضوء يتكون من جسيمات (فوتونات) وكل فوتون يحمل طاقة تعتمد على تردده، وإذا كانت هذه الطاقة أكبر من دالة الشغل للمعدن، فإنه يحرر إلكترونًا.

معادلة أينشتاين:

$$K.E = hf – \phi$$

حيث:

• $K.E$: الطاقة الحركية العظمى للإلكترون.
• $\phi$: دالة الشغل (أقل طاقة لازمة لتحرير إلكترون).
• $hf$: طاقة الفوتون.

3️⃣ الموجات المادية (دي برولي)

اقترح العالم لويس دي برولي أن الجسيمات مثل الإلكترونات يمكن أن تتصرف كموجات أيضًا، وهذا يُعرف بمبدأ الموجات المادية.
وقد اشتق علاقة تربط بين طول الموجة والكمية الحركية للجسيم:

$$\lambda = \frac{h}{p} = \frac{h}{mv}$$

وهذه العلاقة فسرت بعض الظواهر مثل حيود الإلكترونات وتداخلها، تمامًا كما يحدث مع الضوء.

4️⃣ مبدأ عدم اليقين (هايزنبرغ)

قدم العالم فيرنر هايزنبرغ مبدأً ثوريًا يُسمى مبدأ عدم التحديد أو عدم اليقين، وينص على أنه من المستحيل تحديد الموقع والسرعة (أو الزخم) لجسيم في الوقت نفسه بدقة متناهية. وهذا لا يرجع إلى خلل في الأجهزة بل إلى طبيعة الجسيمات نفسها.

$$\Delta x \cdot \Delta p \geq \frac{h}{4\pi}$$

حيث:

• $\Delta x$: اللاتحديد في الموقع.
• $\Delta p$: اللاتحديد في الزخم.

5️⃣ معادلة شرودنجر

قدم العالم النمساوي إرفين شرودنجر معادلة موجية تصف حركة الإلكترونات داخل الذرة، وليس كجسيم يدور في مسار محدد بل كموجة احتمالية.
الدالة الناتجة من هذه المعادلة تسمى الدالة الموجية، ومربعها يعطي احتمال وجود الإلكترون في نقطة معينة.

💡 التطبيقات العملية للميكانيك الكمي

الميكانيك الكمي ليس مجرد نظرية، بل أساس لعدد كبير من التطبيقات اليومية، منها:

• الليزر: يعتمد على انتقال الإلكترونات بين مستويات الطاقة.
• الحواسيب والمعالجات الدقيقة: تعتمد على فهم سلوك الإلكترونات داخل المواد الصلبة.
• التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI): يستخدم مبادئ الكم.
• الخلايا الشمسية: تعتمد على الظاهرة الكهروضوئية.
• الميكروسكوبات الإلكترونية: توظف مبدأ الموجات المادية.

📝 أمثلة مهمة في المنهج

🔸 مثال 1: احسب الطاقة الحركية العظمى لإلكترون انبعث من معدن عندما سقط عليه ضوء بطول موجي معين، ودالة الشغل للمعدن معلومة.
🔸 مثال 2: احسب طول موجة دي برولي لإلكترون يتحرك بسرعة معينة.
🔸 مثال 3: إذا علمت جهد الإيقاف، احسب دالة الشغل أو طاقة الفوتون.

🧩 مقارنة بين الفيزياء الكلاسيكية والكمومية

✅ الخلاصة

الميكانيك الكمي غيّر جذريًا فهمنا للعالم الذري. أصبح من الواضح أن الجسيمات مثل الإلكترونات لا تتبع قوانين الحركة الكلاسيكية، بل تظهر سلوكًا موجيًا واحتماليًا، وتتحكم فيها مبادئ مثل التكميم وعدم اليقين.
الفهم الجيد للميكانيك الكمي ضروري لتفسير الكثير من الظواهر الفيزيائية المعاصرة، ويُعتبر أساسًا للعديد من التقنيات الحديثة التي نعتمد عليها في حياتنا اليومية.