كواتم الطاقة هي أصغر وحدات للطاقة يمكن نقلها أو تبادلها في العمليات الفيزيائية. وهي اللبنات الأساسية للفيزياء الكمية، التي تصف سلوك المادة والطاقة على المستوى الذري. تعرف كواتم الطاقة أيضًا باسم الكواتم أو الحزم الطاقية.

ظهرت الفيزياء الكمية في بداية القرن العشرين كفرع جديد من الفيزياء تحدي الفيزياء الكلاسيكية لنيوتن وماكسويل. لم تستطع الفيزياء الكلاسيكية شرح بعض الظواهر، مثل انبعاث الضوء من الأجسام المحمصة، والاستقرار في الذرات، والأنماط المتقطعة لخطوط الطيف. قدمت الفيزياء الكمية مفهوم التكميم، مما يعني أن بعض الخصائص الفيزيائية يمكن أن تأخذ فقط قيمًا متقطعة بدلاً من القيم المستمرة.

في هذا المقال، سنستكشف أصل و أهمية كواتم الطاقة وكيف تتعلق بالضوء والذرات والإشعاع.

فشل الفيزياء الكلاسيكية

من المشكلات التي واجهتها الفيزياء الكلاسيكية هو شرح بنية وسلوك الذرات. وفقًا للفيزياء الكلاسيكية، تتكون الذرة من نواة مشحونة موجبة محاطة بجزيئات إلكترونات مشحونة سالبة تدور حولها مثل الكواكب حول الشمس. القوة التي تحتفظ بالإلكترونات في مداراتها هي التوازن بين قوة كولوم، التي تجذبها إلى النواة، والقوة الطرد المركزي، التي تدفعها بعيدًا.

ومع ذلك، كان لهذا النموذج عيبًا كبيرًا: وفقًا للفيزياء الكلاسيكية للنظرية الكهرومغناطيسية، يصدر جسيم مشحون متسارع إشعاعًا كهرومغناطيسيًا. وهذا يعني أن الإلكترون الدوار يجب أن يفقد طاقة ويتدحرج نحو النواة، مما يجعل الذرات غير مستقرة وتنهار. وهذا لا يحدث في الواقع، لذا لم تستطع الفيزياء الكلاسيكية شرح استقرار الذرات.

مشكلة أخرى واجهتها الفيزياء الكلاسيكية كانت شرح انبعاث الضوء من الأجسام المحمصة، المعروف باسم الإشعاع الأسود. وفقًا للفيزياء الكلاسيكية، الجسم الأسود هو جسم مثالي يمتص كل الإشعاع الوارد ويصدر إشعاعًا بجميع الترددات حسب درجة الحرارة. يجب أن يزداد شدة الإشعاع المنبعث بشكل مستمر مع التردد، وفقًا لمعادلة اشتقها رايلي وجينز.

ومع ذلك، تنبأت هذه المعادلة بأن الجسم الأسود سيصدر كميات لا حدود لها من الطاقة عند الترددات العالية، مما تعارض الملاحظات التجريبية. كان هذا التناقض يعرف باسم الكارثة فوق البنفسجية لأنه يعني أن الجسم الأسود سيصدر أكثر من الإشعاع فوق البنفسجي من الضوء المرئي.

فشل الفيزياء الكلاسيكية في شرح هذه الظواهر لأنها افترضت أن الطاقة يمكن نقلها أو تبادلها بأي كمية، بغض النظر عن ترددها أو طول موجتها. ومع ذلك، اتضح أن هذا الافتراض خاطئ عندما قدمت الفيزياء الكمية مفهوم كواتم الطاقة.

اكتشاف كواتم الطاقة

تم اقتراح مفهوم كواتم الطاقة لأول مرة بواسطة ماكس بلانك في عام 1900 عندما كان يدرس الإشعاع الأسود. لحل الكارثة فوق البنفسجية، اقترح أنه يمكن إصدار أو امتصاص الطاقة فقط في حزم متقطعة، وليس بشكل مستمر. أطلق على هذه الحزم اسم "كواتم" أو "عناصر الطاقة"، وربط طاقتها بتردداتها بمعادلة بسيطة:

E = hf

حيث E هي طاقة الكوانت، f هو تردده، و h هي ثابتة معروفة الآن باسم ثابت بلانك (6.626 x 10^-34 جول/ثانية).

أشارت معادلة بلانك إلى أن الجسم الأسود يمكنه إصدار ترددات معينة من الإشعاع اعتمادًا على درجة حرارته وأن الترددات الأعلى تتطلب كميات أكبر من الطاقة. هذا يشرح لماذا لا يصدر الجسم الأسود كميات لا حدود لها من الإشعاع فوق البنفسجي لأنه سيحتاج إلى كميات لا حدود لها من الطاقة للقيام بذلك.

كان فكرة بلانك ثورية لأنها اقترحت أن الطاقة مكممة، مما يعني أنها يمكن أن تأخذ فقط قيمًا متقطعة هي مضاعفات ثابت بلانك. هذا تناقض مع الفيزياء الكلاسيكية، التي افترضت أن الطاقة يمكن أن تأخذ أي قيمة.

تم دعم فكرة بلانك بشكل أكبر بواسطة ألبرت آينشتاين في عام 1905 عندما شرح ظاهرة أخرى لم تستطع الفيزياء الكلاسيكية شرحها: التأثير الكهروضوئي.

التأثير الكهروضوئي هو انبعاث الإلكترونات من سطح معدني عندما يتعرض للضوء. وفقًا للفيزياء الكلاسيكية، يجب أن تعتمد عدد وطاقة الإلكترونات المنبعثة على شدة وطول موجة الضوء على التوالي.

ومع ذلك، أظهرت التجارب أن هذا ليس صحيحًا: بدلاً من ذلك، اعتمد عدد الإلكترونات المنبعثة على تردد الضوء، وكان هناك تردد أدنى أقل منه لا يتم انبعاث أي إلكترونات على الإطلاق. اعتمدت طاقة الإلكترونات المنبعثة على كلا من التردد والشدة: كان التردد الأعلى يعني الطاقة الأعلى، بينما الشدة الأعلى تعني المزيد من الإلكترونات.

شرح آينشتاين هذا بتوسيع فكرة بلانك وافتراض أن الضوء نفسه مكمم في حزم تسمى الفوتونات.

اقترح أن لكل فوتون طاقة تناسبية مع تردده، وتعطى بنفس المعادلة التي اقترحها بلانك:

E = hf

وأقترح أيضًا أنه عندما يصطدم الفوتون بسطح معدني، يمكنه نقل طاقته إلى إلكترون. إذا كانت طاقة الفوتون أكبر من أو تساوي وظيفة العمل للمعدن، والتي هي الطاقة الدنيا اللازمة لإخراج إلكترون من السطح، فإن الإلكترون سيتم انبعاثه بطاقة حركية تساوي الفرق:

KE = hf – Φ

حيث KE هي الطاقة الحركية للإلكترون الضوئي، وΦ هي وظيفة العمل للمعدن.

أظهر شرح آينشتاين للتأثير الكهروضوئي أن الضوء يتفاعل كجسيم عندما يتفاعل مع المادة وأن طاقته مكممة في الفوتونات. كان هذا انحرافًا جذريًا عن الفيزياء الكلاسيكية، التي عاملت الضوء كموجة مستمرة.

تم تأكيد نظرية آينشتاين للتأثير الكهروضوئي تجريبيًا بواسطة روبرت ميليكان في عام 1916، الذي قاس الطاقة الحركية للإلكترونات الضوئية كدالة لتردد وشدة الضوء. وجد أن النتائج تتفق مع توقعات آينشتاين وأن هناك علاقة خطية بين الطاقة الحركية والتردد، بمعدل ميل يساوي ثابت بلانك.

أهمية كواتم الطاقة

كان اكتشاف كواتم الطاقة اختراقًا كبيرًا في الفيزياء، حيث كشف أن المادة والطاقة ليست كيانات منفصلة، ولكن جوانب مختلفة من نفس الواقع. كما أظهر أن الظواهر الفيزيائية على المستوى الذري لا يمكن شرحها بواسطة الفيزياء الكلاسيكية، التي تفترض أن المادة والطاقة مستمرة ومتوقعة.

تكمن أهمية كواتم الطاقة في فهم العديد من جوانب الفيزياء الكمية، مثل بنية الذرة وخطوط الطيف وروابط الكيمياء وأجهزة الليزر والتسلل الكمي. ولها أيضًا العديد من التطبيقات العملية في مجالات مثل علم المواد والتكنولوجيا النانوية والإلكترونيات والطب.

على سبيل المثال، تستخدم كواتم الطاقة لخلق أجهزة مثل الخلايا الكهروضوئية، التي تحول الضوء إلى كهرباء؛ وأنبوب الضوئي المضاعف، الذي يضخم الإشارات الضعيفة للضوء؛ وأجهزة الدايودات الضوئية (LEDs)، التي تنتج الضوء من الكهرباء. تستخدم كواتم الطاقة أيضًا لقياس الخصائص مثل درجة الحرارة والضغط والإشعاع والحقول المغناطيسية.

كما أن كواتم الطاقة مهمة لدراسة الظواهر مثل الانشطار النووي والاندماج النووي، والتي تتضمن تحويل الكتلة إلى طاقة وفقًا للمعادلة الشهيرة لأينشتاين:

E = mc^2

حيث E هي الطاقة المنبعثة أو الممتصة، m هي الفرق في الكتلة قبل وبعد التفاعل، وc هي سرعة الضوء.

كما أن كواتم الطاقة تشارك في عمليات مثل التحلل الإشعاعي، والذي يحدث عندما يصدر نواة غير مستقرة جسيمات أو فوتونات؛ وإنتاج الزوج، والذي يحدث عندما يخلق فوتون عالي الطاقة زوجًا من الإلكترون والبوزيترون.

الخاتمة

كواتم الطاقة هي أصغر وحدات للطاقة يمكن نقلها أو تبادلها في العمليات الفيزيائية. وهي اللبنات الأساسية للفيزياء الكمية، التي تصف سلوك المادة والطاقة على المستوى الذري.

تم اقتراح مفهوم كواتم الطاقة لأول مرة بواسطة ماكس بلانك في عام 1900 لشرح الإشعاع الأسود، ومن ثم تم توسيعه بواسطة ألبرت آينشتاين في عام 1905 لشرح التأثير الكهروضوئي. أظهرت هذه الظواهر أن الطاقة مكممة، مما يعني أنها يمكن أن تأخذ فقط قيمًا متقطعة هي مضاعفات ثابت بلانك.

تحدي اكتشاف كواتم الطاقة للفيزياء الكلاسيكية، التي افترضت أن الطاقة يمكن أن تأخذ أي قيمة وأن الضوء يتصرف كموجة مستمرة. كما كشف أن المادة والطاقة ليست كيانات منفصلة، ولكن جوانب مختلفة من نفس الواقع.

بيان: احترام الأصلي، المقالات الجيدة مستحقة لمشاركة، إذا كان هناك انتهاك يرجى اتصال حذف.