الفيزياء الذرية

📅 آخر تحديث: ٢٧ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٧ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 14 صور
الموسوعة الحرة

الفيزياء الذرية هي فرع من فروع الفيزياء يدرس الذرات كنظام معزول من الإلكترونات ونواة ذرية . تشير الفيزياء الذرية عادةً إلى دراسة التركيب الذري والتفاعل بين الذرات. [ 1 ] وهي تهتم بشكل أساسي بكيفية ترتيب الإلكترونات حول النواة والعمليات التي تُغير هذه الترتيبات. يشمل ذلك الأيونات والذرات المتعادلة، وما لم يُذكر خلاف ذلك، يُفترض أن مصطلح الذرة يشمل الأيونات.

قد يرتبط مصطلح الفيزياء الذرية بالطاقة النووية والأسلحة النووية ، نظراً للاستخدام المترادف لكلمتي "ذري" و "نووي" في اللغة الإنجليزية القياسية . ويُفرّق الفيزيائيون بين الفيزياء الذرية - التي تتناول الذرة كنظام يتكون من نواة وإلكترونات - والفيزياء النووية ، التي تدرس التفاعلات النووية والخصائص المميزة لنوى الذرات.

كما هو الحال في العديد من المجالات العلمية، قد يكون التحديد الدقيق مصطنعًا للغاية، وغالبًا ما يُنظر إلى الفيزياء الذرية في سياق أوسع يشمل الفيزياء الذرية والجزيئية والبصرية . ونتيجة لذلك، تُصنف مجموعات البحث في الفيزياء الذرية عادةً على هذا النحو.

الذرات المعزولة

يركز علم الفيزياء الذرية بشكل أساسي على دراسة الذرات في حالة معزولة. تتكون النماذج الذرية من نواة واحدة قد تحيط بها إلكترون واحد أو أكثر. لا يهتم هذا العلم بتكوين الجزيئات ( مع أن الكثير من المبادئ الفيزيائية متشابهة)، كما أنه لا يدرس الذرات في الحالة الصلبة كمادة مكثفة . بل يهتم بعمليات مثل التأين والإثارة بواسطة الفوتونات أو التصادمات مع الجسيمات الذرية.

رغم أن نمذجة الذرات بمعزل عن بعضها قد لا تبدو واقعية، إلا أنه عند دراسة الذرات في الغازات أو البلازما ، نجد أن النطاقات الزمنية لتفاعلات الذرات هائلة مقارنةً بالعمليات الذرية التي تُدرس عادةً. وهذا يعني أنه يمكن التعامل مع كل ذرة على حدة كما لو كانت معزولة، وهو ما يحدث في أغلب الأحيان. وبناءً على هذا، تُشكل الفيزياء الذرية الأساس النظري لفيزياء البلازما وفيزياء الغلاف الجوي ، على الرغم من أن كليهما يتعامل مع أعداد هائلة من الذرات.

التكوين الإلكتروني

تشكل الإلكترونات أغلفة افتراضية حول النواة. وتكون هذه الأغلفة عادةً في حالة أرضية ، ولكن يمكن إثارتها عن طريق امتصاص الطاقة من الضوء ( الفوتونات )، أو المجالات المغناطيسية ، أو التفاعل مع جسيم متصادم (عادةً الأيونات أو الإلكترونات الأخرى).

في نموذج بور، يُظهر انتقال الإلكترون ذي المستوى n=3 إلى المستوى n=2، حيث ينبعث فوتون. يجب أن يكون إلكترون من المستوى (n=2) قد أُزيل مسبقًا عن طريق التأين.

تُسمى الإلكترونات التي تشغل غلافًا إلكترونيًا بحالة ارتباط . تُسمى الطاقة اللازمة لإزالة إلكترون من غلافه (نقله إلى ما لا نهاية) طاقة الارتباط . أي كمية من الطاقة يمتصها الإلكترون تزيد عن هذه الكمية تتحول إلى طاقة حركية وفقًا لقانون حفظ الطاقة . يُقال حينها أن الذرة قد خضعت لعملية التأين.

إذا امتص الإلكترون كمية من الطاقة أقل من طاقة الربط، فإنه ينتقل إلى حالة إثارة . بعد فترة زمنية معينة، ينتقل الإلكترون في حالة الإثارة (يخضع لانتقال) إلى حالة أدنى. في الذرة المتعادلة، يُصدر النظام فوتونًا بقيمة الفرق في الطاقة، لأن الطاقة محفوظة.

إذا امتص إلكترون داخلي طاقةً أكبر من طاقة الربط (مما يؤدي إلى تأين الذرة)، فقد ينتقل إلكترون خارجي ليملأ المدار الداخلي. في هذه الحالة، ينبعث فوتون مرئي أو أشعة سينية مميزة ، أو قد تحدث ظاهرة تُعرف بتأثير أوجيه ، حيث تُنقل الطاقة المنبعثة إلى إلكترون آخر مرتبط، مما يؤدي إلى انتقاله إلى نطاق الطاقة المستمر. يسمح تأثير أوجيه بتأيين الذرة عدة مرات بفوتون واحد.

توجد قواعد اختيار صارمة إلى حد ما فيما يتعلق بالتكوينات الإلكترونية التي يمكن الوصول إليها عن طريق الإثارة بالضوء - ومع ذلك، لا توجد مثل هذه القواعد للإثارة عن طريق عمليات التصادم.

نموذج بور للذرة

يُعد نموذج بور، الذي اقترحه نيلز بور في عام 1913 ، نظرية ثورية تصف بنية ذرة الهيدروجين. وقد قدم فكرة المدارات الكمومية للإلكترونات، جامعاً بين الفيزياء الكلاسيكية والكمية.

المبادئ الأساسية لنموذج بور
  1. تتحرك الإلكترونات في مدارات دائرية
    • تدور الإلكترونات حول النواة في مسارات دائرية ثابتة تسمى المدارات أو مستويات الطاقة .
    • هذه المدارات مستقرة ولا تشع طاقة.
  2. تكميم الزخم الزاوي:
    • الزخم الزاوي للإلكترون مُكمّم ويُعطى بالعلاقة التالية: ل=مهـvر=نℏ،ن=1،2،3،...{\displaystyle \ L=m_{\text{e}}vr=n\hbar ,\quad n=1,2,3,\ldots }أين:
      مهـ{\displaystyle m_{\text{e}}}كتلة الإلكترون
      v{\displaystyle v}سرعة الإلكترون
      ر{\displaystyle r}نصف قطر المدار
      ℏ{\displaystyle \hbar }ثابت بلانك المختزل (ℏ=ح/2π{\displaystyle \hbar ={h}/{2\pi }})
      ن{\displaystyle n}: العدد الكمي الرئيسي، الذي يمثل المدار
  3. مستويات الطاقة
    • لكل مدار طاقة محددة. الطاقة الكلية للإلكترون فين{\displaystyle n}المدار رقم 1 هو: هـن=-13.6 هـVن2،{\displaystyle \ E_{n}=-{\frac {\mathrm {13.6~eV} }{n^{2}}},}أين13.6 هـV{\displaystyle \mathrm {13.6~eV} } هي طاقة الحالة الأرضية لذرة الهيدروجين.
  4. انبعاث أو امتصاص الطاقة
    • يمكن للإلكترونات الانتقال بين المدارات عن طريق امتصاص أو إطلاق طاقة تساوي الفرق بين مستويات الطاقة:Δهـ=هـو-هـأنا=حν،{\displaystyle \Delta E=E_{\text{f}}-E_{\text{i}}=h\nu ,}أين:
      ح{\displaystyle h}ثابت بلانك.
      ν{\displaystyle \nu }: تردد الإشعاع المنبعث/الممتص.
      هـو،هـأنا{\displaystyle E_{\text{f}},E_{\text{i}}}مستويات الطاقة النهائية والابتدائية.

التاريخ والتطورات

كان من أوائل الخطوات نحو الفيزياء الذرية إدراك أن المادة تتكون من ذرات . وقد ورد هذا الإدراك في النصوص المكتوبة بين القرنين السادس والثاني قبل الميلاد، مثل نصوص ديموقريطس وسوترا فايشيشيكا التي كتبها كانادا . [ 2 ] [ 3 ] ثم طُوِّرت هذه النظرية لاحقًا بالمعنى الحديث للوحدة الأساسية للعنصر الكيميائي على يد الكيميائي والفيزيائي البريطاني جون دالتون في القرن الثامن عشر. [ 4 ] في تلك المرحلة، لم يكن واضحًا ماهية الذرات، على الرغم من إمكانية وصفها وتصنيفها وفقًا لخصائصها (في كتلتها). وكان ابتكار الجدول الدوري للعناصر على يد ديمتري مندليف خطوة عظيمة أخرى إلى الأمام.

تُعتبر بداية الفيزياء الذرية الحقيقية هي اكتشاف الخطوط الطيفية ومحاولات وصف هذه الظاهرة، وعلى رأسها جوزيف فون فراونهوفر . [ 5 ] أدت دراسة هذه الخطوط إلى نموذج بور الذري ونشأة ميكانيكا الكم . وفي محاولة لتفسير الأطياف الذرية، تم الكشف عن نموذج رياضي جديد كليًا للمادة. وفيما يتعلق بالذرات وأغلفة الإلكترونات الخاصة بها، لم يُسفر هذا النموذج عن وصف أفضل فحسب، أي نموذج المدارات الذرية ، بل وفّر أيضًا أساسًا نظريًا جديدًا للكيمياء ( الكيمياء الكمية ) وعلم الأطياف . [ 6 ]

منذ الحرب العالمية الثانية ، شهد كل من المجالين النظري والتجريبي تقدماً سريعاً. ويعزى ذلك إلى التقدم في تكنولوجيا الحوسبة، الذي أتاح إنشاء نماذج أكبر وأكثر تعقيداً لبنية الذرة وعمليات التصادم المرتبطة بها. [ 7 ] [ 8 ] كما ساهمت التطورات التكنولوجية المماثلة في المسرعات ، وأجهزة الكشف، وتوليد المجالات المغناطيسية، والليزر، بشكل كبير في دعم العمل التجريبي.

إلى جانب الظواهر المعروفة التي يمكن وصفها باستخدام ميكانيكا الكم العادية، يمكن أن تحدث عمليات فوضوية [ 9 ] تحتاج إلى أوصاف مختلفة.

علماء فيزياء ذرية بارزون

ما قبل ميكانيكا الكم
ما بعد ميكانيكا الكم

انظر أيضاً

فهرس

  • ويل رافين (2025). الفيزياء الذرية للجميع . سبرينغر نيتشر . doi : 10.1007/978-3-031-69507-0 . ISBN 978-3-031-69507-0.
  • سومرفيلد، أ. (1923) التركيب الذري والخطوط الطيفية. (مترجم من الألمانية "Atombau und Spektrallinien" 1921)، دار نشر Dutton.
  • فوت، سي جيه (2004). الفيزياء الذرية . مطبعة جامعة أكسفورد. ISBN 978-0-19-850696-6.
  • سميرنوف، ب. إي. (2003) فيزياء الذرات والأيونات ، سبرينغر. رقم ISBN 0-387-95550-X.
  • ساس، ل. (1992) البنية الإلكترونية للذرات، جون وايلي وأولاده. ISBN 0-471-54280-6.
  • هيرزبرغ، جيرهارد (1979) [1945]. الأطياف الذرية والبنية الذرية . نيويورك: دوفر. ISBN 978-0-486-60115-1.
  • بيث، إتش إيه وسالبيتر إي إي (1957) ميكانيكا الكم للذرات ذات الإلكترون الواحد والإلكترونين. سبرينغر.
  • بورن، م. (1937) الفيزياء الذرية. بلاكي وأولاده المحدودة.
  • كوكس، ب. أ. (1996). مقدمة في نظرية الكم والأطياف الذرية . مطبعة جامعة أكسفورد. رقم ISBN 978-0-19-855916-0
  • كوندون، إي يو وشورتلي، جي إتش (1935). نظرية الأطياف الذرية . مطبعة جامعة كامبريدج. ISBN 978-0-521-09209-8.{{cite book}}عدم توافق رقم ISBN / التاريخ ( مساعدة )
  • كوان، روبرت د. (1981). نظرية التركيب الذري والأطياف . مطبعة جامعة كاليفورنيا. ISBN 978-0-520-03821-9.
  • ليندغرين، آي. وموريسون، ج. (1986). نظرية الأجسام المتعددة الذرية (  الطبعة الثانية). سبرينغر-فيرلاغ. ISBN 978-0-387-16649-0.

مراجع

  1. ↑ ديمترودر، و. (2006). الذرات والجزيئات والفوتونات : مقدمة في الفيزياء الذرية والجزيئية والكمية . برلين: سبرينغر. ISBN  978-3-540-32346-4. OCLC 262692011 . 
  2. ↑ بولمان، برنارد؛ بولمان، برنارد (2001). الذرة في تاريخ الفكر البشري . أكسفورد: مطبعة جامعة أكسفورد. ISBN 978-0-19-515040-7.
  3. ↑ كندا؛ سانكارا ميسرا؛ تشاندراكانتا تاراكالانكارا؛ جايانارايانا تاركابانتشانانا (1923). سوترات Vaisesika في كندا. ترجم من قبل ناندالال سينها . روبارتس - جامعة تورنتو. مكتب الله أباد بانيني.
  4. ↑ دالتون، جون (16-09-2010). نظام جديد للفلسفة الكيميائية . مطبعة جامعة كامبريدج. doi : 10.1017/cbo9780511736407 . ISBN 978-1-108-01968-2.
  5. ↑ براند، جون سي دي (1995). خطوط الضوء: مصادر التحليل الطيفي التشتتي، 1800-1930 . لوكسمبورغ: دار نشر غوردون وبريتش. رقم ISBN 978-2-88449-162-4.
  6. ↑ سفانبيرغ، س. (2004). التحليل الطيفي الذري والجزيئي . سبرينغر. ISBN 3-540-20382-6.
  7. ↑ بيل، ك. ل.؛ بيرينغتون، ك. أ.؛ كروثرز، د. س. ف.؛ هيلبرت، أ.؛ تايلور، ك. (2002). الحوسبة الفائقة، عمليات التصادم، والتطبيقات . سبرينغر. ISBN 0-306-46190-0.
  8. ↑ أموسيا، م. يا.؛ تشيرنيشيفا، ل. ف. (1997). حساب العمليات الذرية . دار نشر معهد الفيزياء. ISBN 0-7503-0229-1.
  9. ↑ بلوميل، ر.؛ راينهارت، و.ب. (1997). الفوضى في الفيزياء الذرية . مطبعة جامعة كامبريدج. ISBN 0-521-45502-2.