الفيزياء الذرية

الفيزياء الذرية: الدراسة العلمية لهيكل الذرة وحالة طاقتها وتفاعلاتها مع الجسيمات الأخرى والمجالات الكهربائية والمغناطيسية. أثبتت الفيزياء الذرية أنها تطبيق ناجح بشكل مذهل لميكانيكا الكم ، التي تعد أحد أحجار الزاوية للفيزياء الحديثة.

تعود فكرة أن المادة مكونة من كتل بناء أساسية إلى الإغريق القدماء ، الذين تكهنوا بأن الأرض والهواء والنار والماء قد تشكل العناصر الأساسية التي يتم بناء العالم المادي منها. كما طوروا مدارس فكرية مختلفة حول الطبيعة النهائية للمادة. ولعل أبرزها كانت المدرسة الذرية التي أسسها الإغريق ليوكيبوس من ميليتوس وديموقراطس تراقيا حوالي 440 قبل الميلاد. لأسباب فلسفية بحتة ، وبدون الاستفادة من الأدلة التجريبية ، طوروا فكرة أن المادة تتكون من ذرات غير قابلة للتجزئة وغير قابلة للتدمير. الذرات تتحرك بلا توقف عبر الفراغ المحيط وتتصادم مع بعضها البعض مثل كرات البلياردو ، مثل النظرية الحركية الحديثة للغازات. ومع ذلك ، فإن ضرورة الفراغ (أو الفراغ) بين الذرات تثير أسئلة جديدة لا يمكن الإجابة عليها بسهولة. لهذا السبب ، تم رفض الصورة الذرية من قبل أرسطو والمدرسة الأثينية لصالح فكرة أن المادة مستمرة. ومع ذلك استمرت الفكرة ، وعاودت الظهور بعد 400 عام في كتابات الشاعر الروماني لوكريتيوس ، في عمله De rerum natura (في طبيعة الأشياء).

لم يتم عمل المزيد لتعزيز فكرة أن المادة قد تكون مصنوعة من جزيئات دقيقة حتى القرن السابع عشر. اقترح الفيزيائي الإنجليزي إسحاق نيوتن ، في كتابه Principia Mathematica (1687) ، أن قانون بويل ، الذي ينص على أن ناتج الضغط وحجم الغاز ثابت عند نفس درجة الحرارة ، يمكن تفسيره إذا افترض المرء أن الغاز هو تتكون من جزيئات. في عام 1808 اقترح الكيميائي الإنجليزي جون دالتون أن كل عنصر يتكون من ذرات متطابقة ، وفي عام 1811 افترض الفيزيائي الإيطالي أميديو أفوجادرو أن جزيئات العناصر قد تتكون من ذرتين أو أكثر عالقة معًا. دعا أفوغادرو جزيئات التكتلات ، وعلى أساس العمل التجريبي ، افترض أن الجزيئات في غاز الهيدروجين أو الأكسجين تتكون من أزواج من الذرات.

خلال القرن التاسع عشر ، طورت فكرة عدد محدود من العناصر ، يتكون كل منها من نوع معين من الذرة ، والتي يمكن أن تجمع في عدد غير محدود تقريبًا من الطرق لتشكيل المركبات الكيميائية. في منتصف القرن ، أرجعت النظرية الحركية للغازات بنجاح مثل هذه الظواهر مثل ضغط ولزوجة الغاز إلى حركات الجسيمات الذرية والجزيئية. بحلول عام 1895 ، ترك الوزن المتزايد للأدلة الكيميائية ونجاح النظرية الحركية القليل من الشك في أن الذرات والجزيئات كانت حقيقية.

ومع ذلك ، أصبح الهيكل الداخلي للذرة واضحًا فقط في أوائل القرن العشرين مع عمل الفيزيائي البريطاني إرنست رذرفورد وطلابه. حتى جهود رذرفورد ، كان النموذج الشائع للذرة هو ما يسمى نموذج "البرقوق" ، الذي دعا إليه الفيزيائي الإنجليزي جوزيف جون طومسون ، والذي اعتبر أن كل ذرة تتكون من عدد من الإلكترونات (الخوخ) المضمنة في هلام من الشحنة الموجبة (بودنغ) ؛ تعمل الشحنة السالبة الإجمالية للإلكترونات على موازنة الشحنة الموجبة الإجمالية تمامًا ، مما يؤدي إلى ذرة محايدة كهربائيًا. أجرى رذرفورد سلسلة من تجارب التشتت التي تحدت نموذج طومسون. لاحظ رذرفورد أنه عندما اصطدمت شعاع من جسيمات ألفا (المعروفة الآن باسم نوى الهيليوم) بورقة ذهبية رقيقة ، انحرفت بعض الجسيمات إلى الخلف. كانت هذه الانحرافات الكبيرة غير متسقة مع نموذج البرقوق.

أدى هذا العمل إلى النموذج الذري لرذرفورد ، حيث تحيط نواة ثقيلة ذات شحنة موجبة بسحابة من الإلكترونات الخفيفة. تتكون النواة من بروتونات ذات شحنة موجبة ونيوترونات محايدة كهربائيًا ، يبلغ حجم كل منها 1،836 مرة تقريبًا مثل الإلكترون. نظرًا لأن الذرات دقيقة جدًا ، يجب استنتاج خصائصها من خلال التقنيات التجريبية غير المباشرة. ومن أهم هذه العوامل التحليل الطيفي ، الذي يُستخدم لقياس وتفسير الإشعاع الكهرومغناطيسي المنبعث أو الممتص من الذرات أثناء خضوعها للتحولات من حالة طاقة إلى أخرى. يشع كل عنصر كيميائي الطاقة بأطوال موجية مميزة ، والتي تعكس تركيبها الذري. من خلال إجراءات الميكانيكا الموجية ، يمكن حساب طاقات الذرات في حالات الطاقة المختلفة والأطوال الموجية المميزة التي تنبعث منها من ثوابت فيزيائية أساسية معينة - وهي كتلة الإلكترون والشحنة ، وسرعة الضوء ، وثابت بلانك. استنادًا إلى هذه الثوابت الأساسية ، يمكن للتنبؤات العددية لميكانيكا الكم أن تفسر معظم الخصائص الملاحظة للذرات المختلفة. على وجه الخصوص ، تقدم ميكانيكا الكم فهمًا عميقًا لترتيب العناصر في الجدول الدوري ، مما يوضح ، على سبيل المثال ، أن العناصر الموجودة في نفس العمود من الجدول يجب أن يكون لها خصائص متشابهة.

في السنوات الأخيرة أحدثت قوة ودقة الليزر ثورة في مجال الفيزياء الذرية. فمن ناحية ، زادت أشعة الليزر بشكل كبير من الدقة التي يمكن من خلالها قياس الأطوال الموجية المميزة للذرات. على سبيل المثال ، تستند المعايير الحديثة للوقت والتردد إلى قياسات الترددات الانتقالية في السيزيوم الذري (انظر الساعة الذرية) ، ويرتبط تعريف العداد كوحدة الطول الآن بقياسات التردد من خلال سرعة الضوء. بالإضافة إلى ذلك ، أتاحت الليزر تقنيات جديدة تمامًا لعزل الذرات الفردية في المصائد الكهرومغناطيسية وتبريدها إلى ما يقرب من الصفر المطلق. عندما يتم جلب الذرات بشكل أساسي للراحة في المصيدة ، يمكن أن تخضع لانتقال طوري ميكانيكي كمّي لتكوين مائع فائق يعرف باسم تكثيف بوز-آينشتاين ، بينما يبقى في شكل غاز مخفف. في هذه الحالة الجديدة للمادة ، تكون جميع الذرات في نفس الحالة الكمية المتماسكة. ونتيجة لذلك ، تفقد الذرات هوياتها الفردية ، وتصبح خواصها الموجية الميكانيكية الكمومية هي السائدة. ثم يستجيب المكثف بأكمله للتأثيرات الخارجية ككيان واحد متماسك (مثل مدرسة الأسماك) ، بدلاً من كونه مجموعة من الذرات الفردية. أظهرت الأعمال الحديثة أنه يمكن استخلاص شعاع متماسك من الذرات من المصيدة لتكوين "ليزر ذرة" مشابه لحزمة الفوتونات المتماسكة في الليزر التقليدي. لا يزال ليزر الذرة في مرحلة مبكرة من التطوير ، ولكن لديه القدرة على أن يصبح عنصرًا رئيسيًا في التقنيات المستقبلية لتصنيع الأجهزة الإلكترونية الدقيقة والأجهزة النانوية الأخرى.