الضوء والذرة: الطبيعة المزدوجة والكمّ

خصائص الموجة

• الطول الموجي λ: أقصر مسافةٍ بين قمّتين متتاليتين (أو قاعين متتاليين).
• التردّد ƒ: عدد الموجات التي تمرّ بنقطةٍ في الثانية (وحدته الهرتز Hz).
• السعة: أقصى إزاحةٍ للموجة عن موضع اتزانها (لا تعتمد على السرعة).
• تنتقل الموجات الكهرومغناطيسية في الفراغ بسرعةٍ ثابتة c = 3×10⁸ m/s، وتربطها العلاقة c = λƒ؛ فالطول الموجي يتناسب عكسيًّا مع التردّد.

الطبيعة الجسيمية للضوء (الكمّ)

• الكمّ (Quantum): أقلُّ كميةٍ من الطاقة يمكن أن تكتسبها الذرّة أو تفقدها.
• التأثير الكهروضوئي: انبعاث إلكتروناتٍ من سطح الفلز عند سقوط ضوءٍ بترددٍ مناسب؛ فسّره أينشتاين بأنّ للضوء طبيعةً جسيمية، ومكوّنٌ من فوتونات.
• الفوتون: جسيمٌ لا كتلة له يحمل كمًّا من الطاقة، وطاقتُه E = hƒ حيث h ثابت بلانك = 6.626×10⁻³⁴ J·s؛ فطاقة الفوتون تتناسب طرديًّا مع التردّد وعكسيًّا مع الطول الموجي.

الأطياف الذرية

• طيف الانبعاث الذري: خطوطٌ ملوّنةٌ منفصلة تنطلق من ذرّات العنصر، وهو فريدٌ لكلِّ عنصر فيُستخدم في التعرّف عليه ودراسة مكوّنات النجوم (التحليل الطيفي).
• طيف الامتصاص الذري: خطوطٌ سوداء فوق طيفٍ متّصل.

نموذج بور وسلاسل طيف الهيدروجين

اقترح بور أنّ لذرّة الهيدروجين مستوياتِ طاقةٍ محدّدةً يُرمز لها بـ n؛ والإلكترون إمّا في حالة استقرار أو إثارة (يمتصّ طاقةً عند الإثارة، ويُطلقها عند العودة إلى الاستقرار)، وكلّما زادت n زاد الحجم الذري وطاقة المستوى.

النموذج الميكانيكي الكمّي

نموذجٌ يعامل الإلكترون على أنّه موجة، ويحدّد طاقته بقيمٍ معيّنة دون وصف مساره حول النواة. وأهمّ علمائه:

• دي برولي: لكلِّ جسيمٍ متحرّكٍ طولُ موجةٍ مصاحب λ = hm·v (ثابت بلانك ÷ الكتلة × السرعة).
• مبدأ هايزنبرج للشكّ (عدم التأكّد): يستحيل تحديد مكان الإلكترون وسرعته معًا بدقّةٍ في الوقت نفسه.
• معادلة شرودنجر: أثبتت أنّ إلكترون الهيدروجين يسلك سلوك الموجة.