Uploaded by SAIF KAZEM RADHI

9 2017 09 27!09 11 05 PM

advertisement
Quantum Mechanics
Chapter One: The Physical Foundations of Quantum Physics
‫االسس الفيزيائية للميكانيك الكمي‬
Chapter Two: Elementary Properties of Quantum Mechanics
)‫الصفات االولية للميكانيك الكمي (اهم الفصول‬
‫الجسيم الحر‬
Chapter Three: Free Particle
Chapter Four: Linear Harmonic Oscillator
‫المتذبذب التوافقي الخطي‬
Chapter Five: The One Electron Atoms
‫الذرات أحادية اإللكترون‬
‫طرق التصحيح‬
Chapter Six: Correction Atoms
‫المصادر‬
References
‫ عبد السالم عبد االمير‬.‫ د‬، ‫ جاسم الحسيني‬.‫الميكانيك الكمي ِ ــ د‬
‫ أمجد عبد الرزاق كريجه‬.‫ د‬، ‫ سالم حسن الشماع‬.‫اساسيات ميكانيك الكم ــ د‬
‫ ضياء احمد‬.‫ د‬، ‫ جاسم عبود‬.‫مقدمة في ميكانيك الكم ــ د‬
‫الجزء الثالث‬
Fundamental University Physics
Alonson and Fin
Introduction to Quantum Mechanics
Matthews
Quantum Mechanics
Powell and Grasmanu
1
‫‪Chapter One‬‬
‫‪Physical Foundations of Quantum Mechanics‬‬
‫ماهو ميكانيك الكم او ماهو مفهوم ميكانيك الكم ؟‬
‫ذلك التخصص من الفيزياء الذي يتناول دراسة االنظمة المجهرية (الدقيقة) ووجد لفشل الميكانيك الكالسيكي في ح ل‬
‫بعض المشكالت مثل توليد زوج االلكترون ــ بوزترون ‪ ،‬او ظاهرة كومبتن‬
‫ان الفيزياء التي يطلق عليها غالبا في وقتنا الحاضر الفيزياء الكالسيكيه ( ‪ )Classical physics‬اشتملت حتى عام‬
‫‪ 1909‬على ثالث مواضيع رئيسيه هي ‪ ،‬الميكانيك وتتم فيه دراسة حركةة االجسةام الظاهريةة والثرموديناميةك وهةو‬
‫متمم للميكانيك ويعني تناول العمليات التي تنطوي على تفاعالت حرارية بةين االجسةام ووسةطها المحةي والنظريةة‬
‫الكهرومفتاطيسية وتعني بدراسة المجاالت الكهربائية والمغناطيسية والعالقة فيما بينهما وبين الشحنات والتيار‪.‬‬
‫‪Classical Mechanics‬‬
‫‪Classical physics‬‬
‫‪Classical E.M.T‬‬
‫‪+ Q.M‬‬
‫الميكانيك الكالسيكي ‪ :‬يعالج الظواهر التي ترى بالعين المجرده‬
‫عياني (منضور) ‪Macroscopic system‬‬
‫الميكانيك الكمي ‪ :‬يعالج الظواهر التي الترى بالعين المجرده‬
‫مجرد (دقيق) ‪Microscopic system‬‬
‫‪Quantum Mechanics: is the study of matter and radiation at an atomic level, i.e. study‬‬
‫‪the theory of atomic and nuclear system.‬‬
‫‪2‬‬
‫س ‪ /‬ماهية ضرورة ميكانيك الكم‬
‫? ‪Q/ why the needful of Q.M‬‬
‫‪The needful of Q.M come from the failure of classical physics to explain several‬‬
‫‪physical phenomena Such as Black body Radiation, Stability of atoms, Photoelectric‬‬
‫‪effect, Compton effect ……….etc‬‬
‫الميكانيك الكمي ضروري النه يعالج الظواهر التي عجز الميكانيك الكالسيكي عن تفسيرها ومنها ‪:‬ـ‬
‫‪ . 1‬استقرارية الذرة )‪(Stability of Atoms‬‬
‫‪ . 2‬الظاهره الكهروضوئيه )‪)Photoelectric Effect‬‬
‫‪ . 3‬ظاهرة كومبتن )‪)Compton Effect‬‬
‫‪ . 4‬توليد طول موجة االشعة السينية الصغرى‬
‫‪Generation of The Minimum x-Ray Wave Length‬‬
‫‪ . 5‬تكوين الزوج (الكترون ـ بوزترون) )‪(Pair Production‬‬
‫‪ . 1‬استقرار الذرة‬
‫‪Stability of Atoms‬‬
‫فشل الميكانيك الكالسيكي في تفسير استقرارية الذره في الوقت الذي نجح فيه الميكانيك الكمي من تفسيرها‪.‬‬
‫الجانب الكالسيكي ‪:‬ـ ان االلكترون في الذرة يدور حول النواة مغير اتجاه حركته باسةتمرار ولةذلك فهةو جسةم معجةل‬
‫وطبقا للنظرية الكهرومغناطيسية الكالسيكية ان اي شحنة كهربائية متحركه بتعجيةل تبعةا اشةعاعا كهرومغناطيسةيا‬
‫ولذلك يجب ان يفقد االلكترون الدائر حول النةواه دالةل الةذره جةزءا مةن طاقتةه اثنةاء الةدوران اي انةه يخسةر طاقتةه‬
‫بصوره مستمره مادامت الحركة مستمرة وبالتالي فيجب ان ينتهي بحركة حلزونيه مقتربا من النواة ‪ .‬ان الذرة تحت‬
‫الضروف الطبيعية تمثل تركيبا مستقرا اليبعا اي اشعاع‪.‬‬
‫الجانب الكمي ‪( ......‬بور)‬
‫‪ . 1‬يستطيع االلكترون ان يدور في مدارات متميزه ومستقره اذا كان زلمه الزاوي يساوي حاصل ضرب عدد‬
‫صحيح في مقدار ثابت وقيمته ‪1.05x10-34  joule sec‬‬
‫‪L  n  pr‬‬
‫‪ . 2‬يستطيع االلكترون ان ينتقل من مدار الى الر اذا حصل تغير في الطاقه ‪ E‬بسبب امتصاص او انبعةاث‬
‫في االشعاع بحيا ان تردد االشعاع ‪ ‬يعطى بالمعادلة‬
‫‪3‬‬
‫‪E‬‬
‫‪h‬‬
‫‪‬‬
‫حيا افترض بور ان االلكترون يدور على مسار دائري مركزه النواة ونصف قطره ‪ r‬وبسرعة زاوية ‪‬‬
‫‪L  n‬‬
‫‪pr  n ‬‬
‫‪mvr  n‬‬
‫‪ m r 2  n ‬‬
‫)‪(1‬‬
‫‪m r r  n ‬‬
‫حيا ‪ n‬عدد صحيح موجب ويألذ القيم ‪n  1,2,3,       ‬‬
‫‪e2‬‬
‫هذه القوة تزودنا بالقوة الجاذبةة‬
‫ولما كانت قوة الجذب االستاتيكي الكهربائي بين االلكترون والنواة هي‬
‫‪4   r 2‬‬
‫‪1‬‬
‫نحو المركز والتي تساوي كتلة االلكترون ‪ m‬في تعجيله المركزي ‪  2 r‬اي‬
‫‪e2‬‬
‫‪ m 2 r‬‬
‫‪2‬‬
‫‪4   r‬‬
‫‪1‬‬
‫)‪(2‬‬
‫وبحذف السرعة الزاوية ‪ ‬من المعادلتين (‪ )2( , )1‬وحل المعادلة الناتجة لـ ‪ r‬نحصل على‬
‫‪4    2 2‬‬
‫‪rn ‬‬
‫‪n‬‬
‫‪m e2‬‬
‫)‪(3‬‬
‫وبالتعويض عن قيمة ‪ r‬من المعادلة (‪ )3‬وحل المعادلة الناتجة لـ ‪ ‬نحصل على‬
‫‪m e4‬‬
‫‪1‬‬
‫‪16   n 3‬‬
‫)‪(4‬‬
‫‪3‬‬
‫‪2‬‬
‫‪‬‬
‫‪2‬‬
‫‪n ‬‬
‫نالحظ ان من المعادلة (‪ )4( , )3‬هنالك مجموعة واسةعة مةن المةدارات المسةتقرة عةددها النهةائي يتميةز تعضةها عةن‬
‫البعض بتميز قيم ‪ n‬الممكنة المتعددة ‪n  1,2,3,       ‬‬
‫ولحساب الترددات الممكنة لالشعاع المنبعا حسب فرضية بور الثانية فيجب ان نتعرف علةى طاقةة االلكتةرون فةي‬
‫المدار المستقر‪.‬‬
‫الطاقة الكامنة لاللكترون تساوي‬
‫‪e2‬‬
‫‪4   r‬‬
‫‪1‬‬
‫‪4‬‬
‫واذا عوضنا عن ‪ r‬من المعادلة (‪ )3‬فالطاقة الكامنة تعطى بالمعادلة التالية‬
‫‪m e4‬‬
‫‪1‬‬
‫‪16 2  2  2 n 2‬‬
‫)‪(5‬‬
‫‪1‬‬
‫‪1‬‬
‫اضةةافة للطاقةةة الكامنةةةة االلكتةةرون يمتلةةةك طاقةةة حركيةةة ‪ mv 2‬او ‪m  2 r 2‬‬
‫‪2‬‬
‫‪2‬‬
‫‪V ‬‬
‫وبةةةالتعويض عةةن ‪  , r‬مةةةن‬
‫المعادلتين (‪)4( , )3‬‬
‫‪m e4‬‬
‫‪1‬‬
‫‪32   n 2‬‬
‫)‪(6‬‬
‫‪2‬‬
‫‪‬‬
‫‪2‬‬
‫‪2‬‬
‫‪T ‬‬
‫والطاقة الكلية ‪En‬‬
‫‪m e4‬‬
‫‪1‬‬
‫‪32 2  2  2 n 2‬‬
‫)‪(7‬‬
‫‪En  T  V  ‬‬
‫والخسارة في الطاقة عندما ينتقل االلكترون في حالة مميزة ‪ n  n1‬الى حالة مميزة بالعدد ‪n  n2‬‬
‫‪1‬‬
‫‪1‬‬
‫‪‬‬
‫)‬
‫‪n22 n12‬‬
‫)‪(8‬‬
‫(‬
‫‪m e4‬‬
‫‪32 2  2  2‬‬
‫‪E12 ‬‬
‫تردد االشعاع المطابق النتقال االلكترون من المدار ‪ n1‬الى المدار ‪n 2‬‬
‫‪E12‬‬
‫‪m e4‬‬
‫‪1‬‬
‫‪1‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫)‪( 2  2‬‬
‫‪2 3‬‬
‫‪h‬‬
‫‪8    n2 n1‬‬
‫)‪(9‬‬
‫العدد الموجي‬
‫‪1‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪c‬‬
‫‪  ‬يعطي بالعالقة التالية‬
‫‪m e4‬‬
‫‪1‬‬
‫‪1‬‬
‫(‬
‫‪‬‬
‫)‬
‫‪8  2 c  3 n22 n12‬‬
‫‪1‬‬
‫‪1‬‬
‫‪‬‬
‫)‬
‫‪n22 n12‬‬
‫)‪(10‬‬
‫(‪ R‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪m e4‬‬
‫‪ R ‬يسمى ثابت ريدبرك ‪ Rydberg constant‬المعادلة (‪ )10‬اعاله تعتبر المقيةاس الرئيسةي‬
‫حيا‬
‫‪8  2 c  3‬‬
‫لنجاح نطرية بور الانها مماثله لمعادلة تجريبية سبق ان توصل اليها العالم بلمر ‪. 1885‬‬
‫‪5‬‬
‫‪ . 2‬الظاهره الكهروضوئيه‬
‫‪Photoelectric Effect‬‬
‫هي ظاهرة انبعاث االلكترونات من سطح فلز نتيجة اضائته باشعاع كهرومغناطيسي ذي تردد مؤثر‪.‬‬
‫‪ Photon‬ضوء ساقط‬
‫كاثود‬
‫انود‬
‫الكترونات‬
‫منبعثه‬
‫_‬
‫‪+‬‬
‫‪A‬‬
‫يمكن مالحظة الخواص التالية النبعاث االلكترونات‬
‫‪ . 1‬االلكترون الينبعا عندما يكون تردد الفوتون اقل من تردد العتبه‪.‬‬
‫‪ . 2‬عندما يكون تردد الفوتون اكبر من تردد العتبه ‪    ‬كل فوتون يبعا االلكترون بطاقه حركيه تساوي‬
‫) ‪K.E  h (  ‬‬
‫تبعا للنظرية الكالسيكيه‪:‬ـ االلكترون ينبعا نتيجة المتصاصه طاقه مةن قبةل االلكترونةات فةي المعةدن مةن االشةعاع‬
‫الساق وكل االلكترون يتطلب طاقة اضافيه ‪(  ‬تعتمد على نوع المعدن) للهروب من المعدن ونتيحه لذلك سيكون‬
‫من المتوقع انه عندما يمتص االلكترون هذه الطاقة سوف يغادر المعدن بطاقة حركيه مقدارها صفر‬
‫اليمكن تفسير الخصائص المذكورة للظاهرة الكهروضوئيه لالسباب التالية‬
‫‪ . 1‬ليس باالمكان التنبؤ بوجود التردد الحرج ‪  ‬بحيا اذا كان تردد الشعاع الساق على سةطح الفلةز اقةل مةن‬
‫‪  ‬انعدام االنبعاث االلكتروني ‪.‬‬
‫‪ . 2‬لكل الترددات النظرية الكالسيكية تتنبأ بان االلكترونات تغادر بطاقة حركية مقدارها صفر‪.‬‬
‫النظرية الكميه‪ :‬ـ وضع العالم اينشتاين فرضيته بان الضوء ليس اشعاعا مستمرا من االمواج ولكنةه يتكةون مةن رذاذ‬
‫من الدقائق اي ان االشعاع يتألف من جسيمات تدعى بالفوتونات‬
‫طاقة الفوتون الواحد‬
‫‪E  h  ‬‬
‫ان انبعاث االلكترون يحدث نتيجة اصطدام االلكترون بالفوتون ويمتص طاقته كليا‪ ،‬وهذه الطاقة تتمثل في عمليتين‪:‬ـ‬
‫‪6‬‬
‫‪ . 1‬الطاقة المطلوبة الزالة االلكترون من المعدن وهي ‪ ‬‬
‫‪1‬‬
‫‪ . 2‬الطاقة الحركية ‪m v 2‬‬
‫‪2‬‬
‫معادلة اينشتاين‬
‫‪h    12 m v 2‬‬
‫اي ان االلكترون ينبعا فق اذا كانت الطاقة التي امتصها اكثر من ‪  ‬ويحصل ذلك عنةدما ‪    ‬اي اذا كةان‬
‫‪    ‬سيكون االلكترون منبعثا بطاقة حركيه‬
‫) ‪K.E  h    h (  ‬‬
‫‪h ‬‬
‫‪ . 3‬تأثير كومبتن‬
‫‪Compton effect‬‬
‫عند سقوط حزمة من االشعة السينية على صفيحة معدنية فان جزءا من االشعة سوف تتشتت وهذه االشعة المتشتتة‬
‫تخضع للتغير في الطول الموجي ‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪h‬‬
‫‪   ‬‬
‫) ‪(1  cos‬‬
‫‪mc‬‬
‫‪‬‬
‫فشلت النظرية الكالسيكية في تفسير المعادلة اعاله في حين دعم تشتت كومبتن النظرية الكمية ‪ .....‬حيا يفترض ا ن‬
‫االشعاع هو جسيمات ذات طاقه مكممه ‪ h‬يمكن ان تتفاعل مع الماده بدون امتصاص ‪.‬‬
‫ومن تكافؤ الزلم والطاقة ‪:‬‬
‫‪h‬‬
‫الفوتون يمتلك طاقه ‪ h‬تكافئ الزلم‬
‫‪c‬‬
‫حيا ان الفوتون يتحرك بسرعة الضوء ويمتلك زلم‪:‬‬
‫‪h h‬‬
‫‪‬‬
‫‪c‬‬
‫‪‬‬
‫‪p‬‬
‫ومةن قةانون حفةظ الطاقةةة والةزلم يمكةن اشةتقا معادلةةة تشةتت كةومبتن حيةا نفةةرض ان فوتةون سةاق طاقتةةه ‪h‬‬
‫‪h‬‬
‫وزلمه‬
‫‪c‬‬
‫تصادم تصادما مرنا مع االلكتةرون سةاكن حةر طلقتةه السةكونيه ‪ m c 2‬بعةد التصةادم يسةتطير الفوتةون‬
‫‪h ‬‬
‫بزاوية مقدارها ‪  ‬فتصبح طاقته وزلمه بعد التصادم ‪, h ‬‬
‫‪c‬‬
‫‪7‬‬
‫‪h ‬‬
‫‪c‬‬
‫‪P‬‬
‫‪h ‬‬
‫الفوتون المستطار (المتشتت)‬
‫‪‬‬
‫‪1‬‬
‫‪m 2‬‬
‫‪2‬‬
‫الكترون الهدف‬
‫‪E  h‬‬
‫‪h‬‬
‫‪c‬‬
‫فوتون ساقط‬
‫‪p‬‬
‫الكترون مرتد‬
‫وباستخدام قانوني انحفاض الزلم والطاقة لعملية تصادم كومبتن‬
‫)‪(1‬‬
‫‪h h ‬‬
‫‪‬‬
‫‪cos  pe cos‬‬
‫‪c‬‬
‫‪c‬‬
‫)‪(2‬‬
‫‪h ‬‬
‫‪sin   pe sin ‬‬
‫‪c‬‬
‫‪0‬‬
‫‪h  m c 2  h   we‬‬
‫)‪(3‬‬
‫ويمكن حذف زاوية ارتداد االلكترون ‪ ‬من المعادلتين (‪)2( , )1‬‬
‫‪h 2 2 2h 2  ‬‬
‫‪h 2  2‬‬
‫‪‬‬
‫‪cos  2  pe‬‬
‫‪c2‬‬
‫‪c2‬‬
‫‪c‬‬
‫نضرب المعادلة اعاله في ‪ c 2‬واضافة وطرح الحد ‪ 2h 2  ‬الى طرفها االيسر يمكن ان نكتب‬
‫)‪(4‬‬
‫‪h 2 (   ) 2  2h 2  (1  cos )  pe2 c 2‬‬
‫اما حل المعادلة (‪ )3‬لـ ‪ we‬وتربيع الناتج فيعطينا‬
‫)‪(5‬‬
‫‪h 2 (   ) 2  2h 2   m c 2  m2 c 4  we2‬‬
‫وحيا ان طاقة االلكترون الكلية ‪ p e , we‬يرتبطان تبعا لمبادئ النطرية النسبية‬
‫‪we2  pe2 c 2  m2 c 4‬‬
‫)‪(6‬‬
‫‪8‬‬
‫عندئةةذ يمكةةن حةةذف ‪ p e , we‬وذلةةك بطةةرح المعادلةةة (‪ )4‬مةةن المعادلةةة (‪ )5‬ومةةن ثةةم التعةةويض عةةن ‪we2  pe2c 2‬‬
‫بالكمية ‪ m2 c 4‬لنحصل على‬
‫) ‪2h(   )  m c 2  2h 2  (1  cos‬‬
‫والتي باالمكان كتابتها على النحو التالي‬
‫‪(   ) c‬‬
‫‪h‬‬
‫‪‬‬
‫) ‪(1  cos‬‬
‫‪ ‬‬
‫‪m c‬‬
‫يمكةن بسةه ولة ان نبةين ان المقةدار فةي الطةرف االيسةةر مةن المعادلةة اعةاله يسةاوي ) ‪ (   ‬واليةرا نحصةل علةةى‬
‫المعادلة الخاصة باستطارة كومبتن‬
‫‪h‬‬
‫) ‪(1  cos‬‬
‫‪mc‬‬
‫‪      ‬‬
‫‪ . 4‬توليد طول موجة االشعة السينية الصغرى‬
‫‪Generation of the minimum x-ray wave length‬‬
‫من المعلوم ان االلكترونات ذات الطاقات العالية في انبةوب االشةعة السةينية تسةتطيع ان تولةد فوتونةات اشةعة سةينية‬
‫بطاقة عظمى محدده ‪ ،‬وهي ظاهرة اليمكن تفسيرها اال على اساس ان االشعاع الكهرومغناطيسةي يتصةرف كفوتةون‬
‫عند تفاعله مع الماده‬
‫‪, c  ‬‬
‫‪12396 ‬‬
‫‪A‬‬
‫‪V‬‬
‫‪9‬‬
‫‪min ‬‬
‫‪h max  e V‬‬
‫‪eV‬‬
‫‪ max ‬‬
‫‪h‬‬
‫‪c‬‬
‫‪ max ‬‬
‫‪ min‬‬
‫‪ch‬‬
‫‪eV‬‬
‫‪min ‬‬
‫‪ . 5‬تكوين الزوج ( االلكترون ـــ بوزترون ) ‪Pair Production‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫تعتبر ظاهرة تكوين الزوج ( ‪ ) e ، e‬دعم آلر للنظرية الكمية لالشعاع ‪ ،‬يتولةد الةزوج فةي الهةواء عنةدما تزيةد طاقةة‬
‫االشعة السينية على ضعف طاقة السكون لاللكترون والبوزترون ‪ . ..‬اي ان طاقة االشعة السينية يجب ان تكون اكبر‬
‫من ‪ 2m c 2‬وفقا للمتباينة ‪ h  2m c 2‬اما اقل طاقة فوتون لالشعة السينية لتوليد زوج فهةي بطبيعةة الحةال‬
‫يجةب ان تسةاوي ‪ 2m c 2‬والتةي تعةادل ‪ 1.02MeV‬وتسةمى الظةاهرة العكسةية لتكةوين الةزوج بفنةاء الةزوج ( (‬
‫‪ Annihilation‬وتتم بتكوين فوتونين طاقة كل منهما ‪ h‬بعد فناء الزوج‪.‬‬
‫ازدواجية الجسيم والموجة لالشعاع الكهرومغناطيسي‬
‫‪The Wave – Particle Duality of Electromagnetic Radiation‬‬
‫ان االشةةعاع الكهرومغناطيسةةي مكةةون مةةن جسةةيمات (دقةةائق) تسةةمى بالفوتونةةات ومةةن جانةةب آلةةر النتةةائج الخاصةةة‬
‫بالتدالل والحيود اليمكن تفسيرها اال بافتراض الصفة الموجية لالشعاع الكهرومغناطيسي‪.‬‬
‫فكيف يمكن لهذين الرأيين المتناقضين ظاهريا ان يكونا متوافقين ؟‬
‫‪ ‬ان تجارب التدالل والحيود تحتاج الى التفسير الموجي وهي تجارب تتحرى فيها كيف واين يسير الضوء‪.‬‬
‫‪ ‬بينما تجارب الظاهرة الكهروضوئية وتاثير كومبتن وتوليد االشعة السينية الصغرى وتوليد وفناء الزوج ‪.. ..‬‬
‫تحتاج الى التفسير الجسيمي فتحرى فيها تفاعل االشعاع الكهرومغناطيسي مع المادة‬
‫‪ ‬لةةذلك نفتةةرض ان االشةةعاع الكهرومغناطيسةةي يتكةةون اساسةةا مةةن فوتونةةات التسةةير بخطةةوط مسةةتقيمة وهةةو‬
‫افتراض يختلف عن نظرية نيوتن للدقائق ‪.‬‬
‫‪ ‬من ناحية الرى نتعامل مع الفوتونات الساقطة على نقطة من لالل محزز الحيود‬
‫‪ ‬بناء على هذا التفسير يمكن اعتبار تموجات الضوء‪ :‬عبارة عن تموجات ترشد )‪ (guide‬الفوتونات بحيا‬
‫ان شدة الموجة في اي نقطة تتناسب مع احتمالية وجود الفوتون في تلك النقطة‪.‬‬
‫ان هذا الوصف يختلف عن الوصف الكالسيكي‪.‬‬
‫فالنظرية الكالسيكية تقدم وصفا سببيا )‪ )causal‬من حيا انها تخص مسارا معينا وعلى درجة كبيرة مةن الدقةة‬
‫لحركة الجسم في مجال القوة بينما الوصف اعاله ماهو اال وصف احتمال علةى الحصةول الفوتةون فةي محةل مةا‬
‫ويعطةي فقة احتماليةةة وجةوده فةي ذلةةك المحةل او النقطةة وعنةةد التعامةل مةع عةةدد كبيةر مةن الفوتونةةات فانهةا مةةن‬
‫التصاص الميكانيك الكمي ‪.‬‬
‫اي ان النظرية تعطي االحتمالية فق بالنسبة لجسيم واحد‬
‫‪10‬‬
‫‪ p  mv‬‬
‫‪E 2  p 2 c 2  m2 c 4‬‬
‫‪m  0‬‬
‫كتلة السكون للفوتون‬
‫‪For photon‬‬
‫‪ E 2  p 2c 2  0‬‬
‫‪E  pc‬‬
‫‪hc‬‬
‫‪‬‬
‫‪E  h ‬‬
‫‪hc‬‬
‫‪‬‬
‫‪pc ‬‬
‫‪h‬‬
‫معادلة ديبرولي تجمع بين فكرة الجسيم والموجة‬
‫‪‬‬
‫طول موجته‬
‫‪But‬‬
‫‪p‬‬
‫زخمه‬
‫س) احسب طول موجة دي برولي اللكترون يسير بسرعة ‪ v  2106 m/s‬؟ (كتلة االلكترون هي‬
‫‪ )Kg me  9.1 10 31‬ثم قار نها مع جسيم يسير بسرعة ‪ 10 m/s‬وكتلته (‪ )1 gm‬؟‬
‫‪Solution:‬‬
‫‪a) For electron‬‬
‫‪h‬‬
‫‪p‬‬
‫‪‬‬
‫لاللكترون‬
‫‪h‬‬
‫‪h‬‬
‫‪ ‬‬
‫‪p mv‬‬
‫‪6.6  10 34‬‬
‫‪‬‬
‫‪9.1  10 31  2  10 6‬‬
‫‪‬‬
‫‪  3.6  1010  3.6 A‬‬
‫‪when m  1 gm‬‬
‫للجسيم‬
‫‪b) For particle‬‬
‫‪6.6  10 34‬‬
‫‪‬‬
‫‪1  10 3  10‬‬
‫‪‬‬
‫‪A‬‬
‫‪22‬‬
‫‪ 6.6 10‬‬
‫‪32‬‬
‫‪  6.6 10‬‬
‫اذن الجسيمات التي كتلتها كبيرة التظهر صفتها الموجية ‪ .‬لذلك االلكترون صفتها الموجية واضحة‪.‬‬
‫مالحظة عندما ‪   0‬معناها نحن في الميكانيك الكالسيكي‬
‫‪11‬‬
‫المظهر الموجي للجسيمات المادية‬
‫‪Wave Aspect of Matter (De Broglis Hypothesis‬‬
‫في عام ‪ 1924‬اقترح العالم دي برولي بان الضوء يتكون من فوتونات تقاد بواسطة الموجة وبشكل مشابه ربما يوجد‬
‫موجة مطابقه والتي تقود جسيمات الموجة‬
‫وهو يفترض العالقات‬
‫‪E  h‬‬
‫‪h h‬‬
‫‪‬‬
‫‪c‬‬
‫‪‬‬
‫‪p‬‬
‫وتشير هذه العالقات الى ان الطاقة والزلم للجسيمات وبتردد وطول مةوجي للموجةه تبقةى حقيقيةة لجسةيمات المةادة‪.‬‬
‫وقد افترض ان مايكون للموجة هو نفس مايكون للفوتونات ذلةك ان االحتماليةة للجسةيمه الماديةة تكةون فةي اي نقطةه‬
‫تتناسب مع مربع السعة (الشدة) في تلك النقطة للموجة التي تمتلك تردد وطول موجي معطى حسب العالقة‬
‫‪h‬‬
‫‪p‬‬
‫وبناء على ذلك فان مدارات االلكترون في ذرة الهيدروجين وطبقا لنظرية بور يمكن ان يعرف بشرط ينص ع لى ان‬
‫‪‬‬
‫‪,‬‬
‫‪E  h  ‬‬
‫(المدار المغلق يجب ان يكون مساوي لعدد صحيح مضروب في ‪) ‬‬
‫وللبرهان على ذلك‬
‫نفرض ان محي مسار بور الدائري يعطى بالعالقة‬
‫‪2r  n‬‬
‫حيا ‪ n‬عدد صحيح وبالتعويض عن ‪ n‬من المعادلة‬
‫‪h‬‬
‫‪‬‬
‫‪p‬‬
‫‪h‬‬
‫‪h‬‬
‫‪‬‬
‫‪p mv‬‬
‫‪h‬‬
‫‪ n‬‬
‫‪2‬‬
‫‪2r  n‬‬
‫‪ pe  m v r  n‬‬
‫وهذه العالقة هي فرضية بور االولى‬
‫لقد تحقق زعم ديبرولةي عةام ‪ 1928‬حيةا اكتشةف العالمةان دافيسةون وكريمةر تجريبيةا ان االلكترونةات ذات الطاقةة‬
‫‪ 200 eV‬الساقطة على بلورة النيكل تنعكس عنها بطريقة تشةابه الحيةود لموجةات مسةتوية عةن ذرات البلةوره ذات‬
‫المسافات البينية ‪ d‬المنتظمة‪ .‬وقد اثبت بعد تجارب عديدة ان زاوية الحيود حسب النظرية الكالسيكية‬
‫‪12‬‬
‫‪‬‬
‫‪d‬‬
‫~‪‬‬
‫موافةق لطةول موجةة يسةاوي بالضةب لطةول موجةة ديبرولةي اللكتةرون طاقتةه ‪ 200 eV‬و يمكةن حسةاب طةول هةةذه‬
‫الموجة بسهولة من المعادلتين‬
‫‪h‬‬
‫‪‬‬
‫‪p  2mE , p ‬‬
‫‪h‬‬
‫‪2mE‬‬
‫مبدأ الالدقة لهايزنبرك‬
‫‪‬‬
‫‪Uncertainly principle‬‬
‫وفق مفاهيم الميكانيك الكالسيكي التوجد هنالةك حةدود تفةرض علةى دقةة القيةاس‪ .‬ويصةبح نفةس الشةئ فةي الميكانيةك‬
‫الكمي ولكن لمتغير واحد فق ‪ .‬واالمر يختلف تماما في حالة قياس متغيرين في ان واحد فمثال عن قياس احداثي جسم‬
‫وزلمه في وقت واحد نجد عند قياس االحداثي يستلم الجسم زلما لارجيا فيةؤثر ذلةك علةى دقةة قيةاس زلمةه االنةي‬
‫والعكس ايضا صحيح اي عند قياس زلمه في اول االمر فيغير موضعه فيؤثر ذلك على دقة‪.‬‬
‫فاذا كان الالدقة في تحديد موضع الجسيم هو ‪ x‬في زلمه هو ‪ p‬فعندئذ‬
‫‪x  p  ‬‬
‫ولتوضيح ذلك نالذ مسالة قياس موضع جسم صغير كااللكترون الذي يمكن ان يتم باستخدام المجهر وللحصول على‬
‫تحليل عالي يجب استخدام عدسة ذات فتحة كبيرة ةان يكون الضوء ذات طول موجي قصير ‪ .‬ولجعل التشويش اقل‬
‫مةةايمكن يسةةتخدم ضةةوء شةةدة اضةةائته قليلةةة فاننةةا نفةةرض اسةةتخدام فوتةةون واحةةد‪ .‬يسةةق ضةةوء ضةةعيف جةةدا طاقتةةه‬
‫‪13‬‬
‫‪ E  h‬عالية على االلكترون فيضيئه‪ .‬هذا الفوتون بعد اصطدامه فااللكترون يستطير مارا لالل عدسةة المجهةر‬
‫ويتابع حركته حتى يصل نقطة ما على الحاجز‪ .‬اما االلكترون فيرتد بسبب اصطدامه مع الفوتون وفي هذه التجربه‬
‫ماهو مقدار الالدقة التي ادللت على حركته‬
‫ان موضع االلكترون معروف بصورة تقريبية فق الننا النعلم موقع النقطة على حاجز الحيود التي وصله ا الفوتون‬
‫وفي الحقيقة تحتاج الى فوتونات عديدة للحصول على التناظر في نم الحيود‪ .‬لكن نا نستطيع القول فق ان الفوتون‬
‫باحتمال كبير قد سق على الحاجز ضمن حلقة الحيود االولى ‪ .‬والالدقة معرفةة بداللةة موضةع االلكتةرون تعيةين هنةا‬
‫باالستناد الى مبادئ البصريات الطبيعية على وجه التقريب بالعبارة‬
‫‪f‬‬
‫‪D‬‬
‫‪x ‬‬
‫(‪)1‬‬
‫حيا ‪ ‬تمثل طةول موجةة الضةوء السةاق ‪ f ,‬البعةد البةؤري ‪ D ,‬قطةر العدسةة الشةيئية للمجهةر‪ .‬وبسةبب عمليةة‬
‫التصادم اثناء اجراء القياس لتعيين الموضع فان االلكترون يرتد بمقدار غير معلةوم وذلةك النةه ليسةت هنالةك وسةيلة‬
‫لمعرفة نت اي جزء من العدسة الشيئية قد نفذ الفوتون ‪ .‬وحيا انه من الممكن ان يكون الفوتون قد نفذ من اي جزء‬
‫من العدسة فاننا نتوقع ان يكون مقدار الالدقة في مركبة الزلم في االتجاه ‪ x‬يساوي‬
‫‪D‬‬
‫‪2f‬‬
‫‪p  p x‬‬
‫‪h D h D‬‬
‫‪‬‬
‫‪c 2f  2f‬‬
‫)‪(2‬‬
‫‪‬‬
‫من المعادلتين (‪ )2( , )1‬نجد ان مقداري الالدقةة فةي الموضةع والةزلم يحويةان طةول موجةة الضةوء وابعةاد المجهةر‬
‫يحيا يكون احدهما مقلوب االلر‪ .‬عند جعل ‪ x‬صغيرا ينبغي ان يكون ‪ p‬كبيرا والعكس بالعكسه هكذا‬
‫‪‬‬
‫‪2‬‬
‫)‪(3‬‬
‫‪x  p ‬‬
‫وهنالك ايضا عالقة مشابهة للعالقة (‪ )1‬تخص الطاقة ‪ E‬والزمن ‪ t‬بالشكل‬
‫‪E  t  ‬‬
‫‪14‬‬
‫?‪Q1) Prove The Impossibility of Finding The Electron Inside Nucleus‬‬
‫اثبت استحالة وجود االلكترون دالل النواة ؟‬
‫‪Solution:‬‬
‫‪Since the radius of nucleus is about 10-14 m this means that Δx  1014 m‬‬
‫لكي يكون االلكترون في دالل النواة فان مقدار التحديد في موضعه اليزيد عن قطر النواة اي ان ‪Δx  10 14 m‬‬
‫‪ Δx Δp  ‬‬
‫وعليه يكون االتحديد في زلمه‬
‫‪ 1.05  1034‬‬
‫‪‬‬
‫‪ 1.05  10 20 kg m s 1‬‬
‫‪14‬‬
‫‪Δx‬‬
‫‪10‬‬
‫‪p 2 c 2  m2 c 4‬‬
‫‪Δp ‬‬
‫‪E‬‬
‫‪p 2 c 2  m2 c 4‬‬
‫‪ E  pc‬‬
‫‪ E  p c‬‬
‫‪1.05  10 20  3  108  20MeV‬‬
‫‪Since the average binding energy of particle inside nucleus is 8MeV and 20MeV is‬‬
‫‪grate than thus the electron can not be found inside the nucleus‬‬
‫بما ان معدل طاقة الرب الموجوده دالل النواة تقدر بحوالي ‪ 8MeV‬وهذه القيمة اقل بكثير من طاقة االلكترون‬
‫‪ 20MeV‬ولهذا السبب اليصح وجود االلكترون دالل النواة‬
‫مبدأ التقابل‬
‫‪The correspondence principle‬‬
‫هذا المبدأ اقترحه العالم بور وينص على انه‪:‬‬
‫(حركة منظومه كما توصف بواسطة الميكانيك الكمي تتفق مع حركتها التةي توصةف بواسةطة الميكانيةك الكالسةيكي‬
‫في الغاية التي فيها يمكن اهمال ثابت بالنك ‪) ‬‬
‫اذا كانت المنظومة كبيره بما فيه الكفايه ولم تكن حاجتنا لدقة القياس كبيره فان الميكانيك الكالسيكي يزودنا بتقريةب‬
‫جيةد لحركةة المنظومةه هةذا المبةدأ يسةمى ايضةا بالغايةة الكالسةيكيه (‪ )classical limit‬للميكانيةك الكمةي‪ .‬وان حركةة‬
‫المتذبذب البسي او الجسيم الحر في صندو الجهد امثله للتحقق من صحة هذا المبدأ‪.‬‬
‫‪15‬‬
Download