النموذج الميكانيكي الكمي للذرة: استكشاف ما وراء المداري
هل تعلم ما هو النموذج الميكانيكي الكمي للذرة؟!
“لو استطاعت الذرات أن تتكلم، لكانت لغتها هي الشعر.”
كانت ملاحظة نيلز بور الشعرية بمثابة التحدي المتمثل في التعبير عن عالم ميكانيكا الكم الدقيق.
فقد أحدثت ميكانيكا الكم، التي ظهرت في القرن العشرين، ثورة في فهمنا لما هو مجهري.
نموذج ميكانيكا الكم ل إروين شرودنغر ، وهو خروج عن المدارات الثابتة، يستخدم الدوال الموجية لوصف احتمالات الإلكترون.
انضم معنا إلى الرحلة من بور إلى شرودنجر، واستكشف الدليل العملي لسلوك الإلكترونات.
ما هو النموذج الميكانيكي الكمي؟
ميكانيكا الكم هي فرع رائع من الفيزياء يتعمق في سلوك المادة والطاقة عند أصغر المقاييس، مثل الذرات والجسيمات دون الذرية. ولقد ظهرت في أوائل القرن العشرين، وأحدثت ثورة في فهمنا للعالم المادي.
تمثل الوظائف الموجية للإلكترون الموجود في ذرة الهيدروجين عند مستويات طاقة مختلفة المبدأ الأساسي لميكانيكا الكم وهو الاحتمال.
ووفقًا لملاحظة نيلز بور، “عندما يتعلق الأمر بالذرات، لا يمكن استخدام اللغة إلا كما هو الحال في الشعر”. يسلط هذا الشعور الضوء على التحدي العميق المتمثل في التعبير عن الفروق الدقيقة في هذا العالم المجهري.
في الصورة أدناه، تشير المناطق الأكثر سطوعًا إلى احتمالية أكبر للعثور على الإلكترون.
ولكن هذا لا يعني أن الإلكترون موجود بشكل نهائي؛ بل يشير إلى احتمالية تواجده في تلك المناطق.
و هذه الطبيعة الاحتمالية هي خروج أساسي عن الميكانيكا الكلاسيكية وتتحدى حدسنا حول حتمية العالم المادي.
يصف النموذج الميكانيكي الكمي الجسيمات ليس على أنها كرات بلياردو صغيرة ذات مسارات محددة جيدًا، بل على أنها كيانات تتميز بوظائف موجية.
وتلخص هذه الأخيرة احتمالات خصائص الجسيم، مثل موقعه وزخمه.
بينما ينص مبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ الشهير ، وهو حجر الزاوية في ميكانيكا الكم، على أن هناك حدًا متأصلًا للدقة التي يمكننا من خلالها معرفة أزواج معينة من الخصائص في وقت واحد، مثل الموضع والزخم.
التاريخ وراء النموذج الكمي
في أواخر القرن التاسع عشر وأوائل القرن العشرين، قاد السعي لكشف أسرار التركيب الذري العلماء إلى سلسلة من النماذج المتطورة.
وكانت قد بدأت الرحلة بنموذج بودنغ البرقوق، لكنها واجهت انتكاسة مع تجربة رقائق الذهب التي أجراها إرنست رذرفورد، والتي تناقضت مع النموذج الأولي.
و عندما بدا أن الإلكترونات متجهة إلى الاصطدام بالنواة والتسبب في الفناء، أثار نموذج رذرفورد النووي تساؤلات حول استقرار الذرة.
ومع ظهور فهم الطاقة الكمية، وذلك بفضل نظرية الكم لبلانك وتطبيقات أينشتاين في إشعاع الجسم الأسود والتأثير الكهروضوئي، قدم نيلز بور التكميم للزخم الزاوي للإلكترونات. وقد نجح نموذج بور في شرح أطياف ذرة الهيدروجين، لكن قيوده استمرت مع عناصر أكثر شمولاً.
إلا أن ازدواجية الموجة والجسيم، التي تشمل سلوكيات الضوء الشبيهة بالجسيمات والموجات، أدت إلى تعميق الفهم.
بينما كشف تركيب لويس دي برولي لمعادلات بلانك وأينشتاين عن طبيعة الطول الموجي لجميع المواد.
وصلت نقطة التحول مع عمل إروين شرودنغر حول النظرية الذرية في عام 1926. فقد طور معادلة رياضية معقدة لوصف سلوك الإلكترونات في ذرات الهيدروجين من خلال الاستفادة من ازدواجية الموجة والجسيم.
ونتيجة لذلك، أصبح النموذج الميكانيكي الكمي للذرة ممكنًا، وبالتالي كان بمثابة بداية ميكانيكا الكم.
على عكس نموذج بور، فإن النموذج الميكانيكي الكمي المشتق من نموذج شرودنغر لا يحصر الإلكترونات في مدارات محددة. و بدلًا من ذلك، يقدم وظائف موجية، تمثل احتمالية العثور على إلكترونات داخل سحابة إلكترونية.
و تشير هذه السحابة التي تم تصورها كنتيجة لإسقاط قلم تحديد على ورقة، إلى كثافات متفاوتة، مع وجود احتمالات أعلى بالقرب من النواة.
بينما يشير “المداري” إلى منطقة الاحتمالية بنسبة 90% داخل السحابة الإلكترونية، والتي تجسد التطور من نماذج الذرة الكمومية الكلاسيكية إلى عالم ميكانيكا الكم العميق.
السمات الرئيسية للنموذج الميكانيكي الكمي للذرة
لقد أحدث النموذج الميكانيكي الكمي للذرة ثورة في فهمنا للبنية الذرية. لذا، دعونا نستكشف ميزاته الرئيسية أدناه:
1. المدارات
بدلًا من المدارات الثابتة، يتم وصف الإلكترونات بتوزيعات احتمالية تسمى المدارات. تمثل هذه المناطق التي من المحتمل أن توجد فيها الإلكترونات.
2. مستويات الطاقة الكمية
لا يمكن للإلكترونات أن تتواجد إلا في مستويات طاقة محددة، وتنتقل بين هذه المستويات عن طريق امتصاص أو إصدار كميات منفصلة من الطاقة على شكل فوتونات.
3. ازدواجية موجة – جسيم
تُظهر الإلكترونات سلوكًا يشبه الموجة وسلوكًا يشبه الجسيمات. و تلتقط الدالة الموجية هذه الازدواجية، وهي دالة رياضية تصف سعة احتمال العثور على إلكترون في موضع معين.
4. مبدأ عدم اليقين
ينص هذا المبدأ الذي صاغه هايزنبرغ على أنه من المستحيل معرفة الموقع الدقيق للجسيم وزخمه في وقت واحد. فكلما زادت دقة معرفة أحدهما، قل دقة تحديد الآخر.
5. عدد الكمية
وتشمل هذه :
- رقم الكم الرئيسي (n).
- وعدد الكم السمتي (l)
- وعدد الكم المغناطيسي (m_l).
- وعدد الكم المغزلي (m_s).
يصفون الخصائص المختلفة للإلكترونات واتجاهاتها المكانية والدورانية.
6. دوران الإلكترون
تمتلك الإلكترونات خاصية جوهرية تسمى الدوران، مع قيمتين محتملتين: لأعلى أو لأسفل. و يمثل الرقم الكمي المغزلي هذا وهو أمر بالغ الأهمية في فهم سلوك الإلكترون.
7. مبدأ استبعاد باولي
لا يمكن لأي إلكترونين في الذرة أن يكون لهما نفس مجموعة الأعداد الكمومية. و يمنع هذا المبدأ الإلكترونات من احتلال نفس الحالة الكمومية وهو أمر أساسي لاستقرار الذرات وبنيتها.
8. السحب الإلكترونية
يتم تصور التوزيع الاحتمالي للعثور على إلكترون على أنه سحابة إلكترونية، تمثل الفضاء ثلاثي الأبعاد حيث من المحتمل أن يوجد الإلكترون.
توفر هذه الميزات مجتمعة وصفًا شاملاً ودقيقًا لسلوك وخصائص الإلكترونات في الذرة، مما يشكل أساس ميكانيكا الكم.
نموذج شرودنغر الذري
إن نموذجه الذري ليس مجرد نظرية؛ إنه دليل عملي لفهم سلوك الإلكترونات في عالم الكم.
في هذا النموذج، حركة الإلكترون غير مقيدة بالصلابة المدارية. يتم تمثيل احتمالية وجود الإلكترونات داخل سحابة إلكترونية من خلال وظائف موجة شرودنغر. إنه يوفر تمثيلًا أكثر مرونة ودقة لنشاط الإلكترون من المسارات الصلبة للنماذج الكلاسيكية.
ادرس فكرة المدارات، وهي المناطق التي يكون فيها احتمال تواجد الإلكترونات بنسبة 90%. وعلى النقيض من النماذج التقليدية، التي تحدد المسارات الدقيقة، فإن المدارات تثير بعض عدم اليقين. إنها توفر أساسًا مفيدًا لفهم المكان الذي يمكن أن تنتهي فيه الإلكترونات في الذرة.
تقدم معادلة شرودنجر مقياس الطاقة الكمي، وهو خروج عن مستويات الطاقة المستمرة في الفيزياء الكلاسيكية. يتيح لنا هذا الجانب العملي فهم حالات الطاقة المميزة والمكممة للإلكترونات في الذرة.
بالإضافة إلى ذلك، غالبًا ما يرتبط اسم شرودنجر بالتجربة الفكرية المثيرة للاهتمام المعروفة باسم “قطة شرودنغر“. تتعمق هذه التجربة في الطبيعة الغريبة للتراكب الكمي، حيث يمكن أن توجد قطة في صندوق مغلق، حية وميتة، في نفس الوقت، حتى يتم ملاحظتها.
يضيف هذا المفهوم عمقًا فلسفيًا لمساهمات شرودنغر في ميكانيكا الكم، مستكشفًا الآثار العميقة للتراكب والملاحظة في عالم الكم.
أعداد الكم والمدارات الإلكترونية
يعد فهم توزيع الإلكترونات داخل الذرة أمرًا ضروريًا عند تعلم ميكانيكا الكم وتكوين الإلكترون.
نموذج بور، على الرغم من كونه أحادي البعد، استخدم الرقم الكمي ‘n’ لتصوير الحجم المداري.
بينما يتطلب نموذج شرودنغر ثلاثي الأبعاد ثلاثة أرقام كمومية
- العدد الرئيسي (n)
- والزاوي (l)
- والمغناطيسي (m) – لتوصيف حجم وشكل واتجاه مدارات الإلكترون.
- يحدد رقم الكم الرئيسي (n) الحجم المداري
- ويعكس الطاقة بشكل غير مباشر.
- يشير رقم الكم الزاوي (l) إلى الشكل المداري
- ويميز بين الأشكال الكروية (l=0)
- والقطبية (l=1)
- وأوراق البرسيم (l=2).
- يتم تقديم رقم الكم المغناطيسي (m) لتحديد الاتجاه المداري.
تحكم القواعد مجموعات هذه الأرقام الكمومية: n، وl، وm هي أعداد صحيحة ذات قيود محددة.
الأصداف، المكونة من مدارات تشترك في نفس العدد الكمي الرئيسي، تنقسم أيضًا إلى مدارات فرعية لها نفس العدد الكمي الزاوي.
حيث توضح الأغلفة الفرعية، التي يُشار إليها بأحرف مثل s وp وd وf، تكوين الإلكترون.
و تحتوي كل قذيفة على مدارات عددها هو مربع عدد الكم الرئيسي، وكل قذيفة فرعية تحتوي على 2(ل)+1 مدارات.
تنشأ الاستثناءات في الكروم والنحاس، حيث يتحرك إلكترون واحد من 4s إلى 3d، متحديًا التكوين الإلكتروني المتوقع.
ومع ذلك، فإن مبدأ أوفباو يوجه عمومًا عملية التعبئة المنظمة للمدارات، ويحدد التكوين الإلكتروني للعناصر، ويتوافق مع بنية الجدول الدوري.
تحدد الطاقات النسبية للمدارات، التي يحكمها الحجم والشكل، ترتيب الإلكترونات، مما يعرض القوة التنبؤية الرائعة للمبادئ الكمومية في فهم السلوك الذري.
ما وراء المداري: التطورات الحديثة وتطبيقات الذرة الكمومية
في عالم ميكانيكا الكم، تم إحراز تقدم كبير يعيد تشكيل فهمنا للكيمياء. تلعب كيمياء الكم، وهي مزيج من ميكانيكا الكم والكيمياء، دورًا حاسمًا من خلال توفير نظرة تفصيلية حول كيفية ارتباط الجزيئات.
و يتضمن ذلك معرفة مجموعات الجزيئات التي من المرجح أن تحدث والكميات المحددة من الطاقة المشاركة في هذه العمليات.
تطورت ميكانيكا الكم، التي بدأت بالتركيز على المدارات، إلى أداة متعددة الاستخدامات تتجاوز مجرد دراسة سلوك الإلكترون. لقد أصبح الأمر عمليًا جدًا، خاصة في التنبؤ بالتفاعلات الكيميائية وتفسيرها.
تساعد ميكانيكا الكم الكيميائيين على توقع كيفية تفاعل المواد الكيميائية المختلفة من خلال إظهار التركيبات الجزيئية المفضلة بشكل واضح.
لذا، فإن هذا النموذج الميكانيكي الكمي ليس مجرد مفهوم نظري، بل هو أداة قيمة للكيميائيين.
إنه يرشدنا من فهم الأساسيات إلى التنبؤ بالتفاعلات الكيميائية في العالم الحقيقي والتحكم فيها.
وبينما نعمل على تطوير معرفتنا وتقنيتنا، فإن الشراكة بين ميكانيكا الكم والكيمياء تستمر في فتح إمكانيات جديدة في علوم المواد، والتحفيز، وتطوير أدوية جديدة.
وفي الختام:
عند دراسة سلوك الجسيمات الصغيرة مثل الإلكترونات، فإن ميكانيكا الكم تشبه الغوص العميق في العالم المجهري.
إذ توفر ميكانيكا الكم درجة من عدم اليقين على عكس الفيزياء التقليدية، التي تتعامل مع القياسات الدقيقة.
تخيل أن الإلكترونات لا تتبع مسارات ثابتة ولكنها موجودة في مناطق تسمى المدارات مع احتمال تواجدها هناك بنسبة 90% .
إن وصف معادلات شرودنجر لهذه الإستراتيجية القائمة على الاحتمالية يساعدنا في فهم سلوك الإلكترون.
والآن بعد أن لاحظنا تطور الفهم الكمي من بور إلى شرودنغر، نرى كيف أن هذه المعرفة ليست نظرية فقط.
اقرأ أيضًا:
ما هي الحوسبة الكمومية: تعريفها، وكيفية استخدامها
نصائح للرؤساء التنفيذيين حول الحوسبة الكمومية
الكمبيوتر الكمي من Google يحطم كل التوقعات
الحوسبة الكمومية واكتشاف الهجمات السيبرانية
أفضل 10 تطبيقات صناعية للحوسبة الكمومية
أنواع و مكونات أجهزة الحوسبة الكمومية
10 منصات برمجية مجانية للحوسبة الكمومية