لا مستحيل مع الشغف بالمعرفة.. حتى الضوء ينحني حين نفهمه
أبسط ذرة في الكون هي ذرة الهيدروجين لأنها لا تحتوى الا على الكترون واحد وبروتون واحد ومع بساطتها لكن الفيزياء المفسرة لها صعبة .
فمثلا ما تراه في الصورة المرفقة من رسومات جميلة ليس سوى دوال الموجة لذرة الهيدروجين (Hydrogen Wave Function) أو بالأصح، أشكال التوزيع الاحتمالي للإلكترون في الذرة. أي أين يمكن وجود ذلك الإلكترون في الذرة.
كل مربع من هذه المربعات يُمثّل شكلًا ثلاثي الأبعاد لدالة موجة إلكترون في ذرة الهيدروجين، لكن بشكل مسطح (2D projection)، يبيّن:
أين من المحتمل أن نجد الإلكترون؟
الألوان تدل على كثافة الاحتمال (اللون البنفسجي أقل احتمال، والأبيض/الأصفر أكثر احتمال).
ما هي دالة الموجة؟
في ميكانيكا الكم، الإلكترون لا يدور حول النواة ككوكب حول الشمس، بل هو يُمثل "سحابة" من الاحتمالات.
دالة الموجة (Ψ) تخبرنا ما هو احتمال وجود الإلكترون في نقطة معينة حول النواة. مربع هذه الدالةΨ|²| يعطينا التوزيع الاحتمالي الذي تراه بالصورة.
ما معنى الرموز (n, l, m) تحت كل شكل؟
كل شكل يحمل ثلاث أرقام، مثلًا: (3, 2, 1). وهذه الأرقام مهمة جدًا:
n (العدد الكمي الرئيسي):
يحدد حجم المدار أو كم هو بعيد عن النواة.
كلما زاد n، كبرت "السحابة الإلكترونية".
مثلًا: ... ,n = 1, 2, 3, 4
l (العدد الكمي المداري):
يحدد شكل المدار.
له قيم من 0 إلى (n - 1).
عندما:
l = 0 → المدار كروي (s-orbital)
l = 1 → شكل دمبل (p-orbital)
l = 2 → شكل زهري (d-orbital)
l = 3 → أشكال أعقد (f-orbital)
m (العدد الكمي المغناطيسي):
يحدد اتجاه المدار في الفضاء.
يأخذ قيمًا من -l إلى +l.
ماذا تمثل الألوان في الصورة؟
الشريط اللوني على اليمين يوضح أن:
اللون البنفسجي الغامق = احتمال ضعيف لوجود الإلكترون.
اللون الأبيض المصفر = احتمال قوي لوجوده.
مثال مبسط من الصورة:
(2,0,0):
n = 2 → المدار أبعد قليلاً من النواة.
l = 0 → مدار كروي.
m = 0 → لا يوجد اتجاه مميز (لأنه كروي).
(3,1,0):
n = 3 → المدار أكبر.
l = 1 → مدار على شكل دمبل.
m = 0 → اتجاه معين في الفضاء.
لماذا هذا مهم؟
هذه الصور ليست فقط رسومات جميلة، بل:
تفسر كيف يتصرف الإلكترون داخل الذرة.
تُستخدم في فهم التفاعلات الكيميائية، الروابط، وأطياف الذرات.
تُمثل أحد أعظم إنجازات ميكانيكا الكم: تفسير بنية الذرة بدون الحاجة إلى النماذج الكلاسيكية.
كلما زاد عدد الالكترونات في الذرة كلما تعقدت الرياضيات الشارحة لها .
لهذا إنما يخشى الله العلماء
هنا بعض المفاهيم الفيزيائية في ميكانيك الكم:
بالفيزياء الكمومية، يُعد مفهوم "الموجة" أمرًا جوهريًا لفهم سلوك الجسيمات على المستويات الذرية وتحت الذرية. ويتجلى هذا السلوك الموجي في ما يُعرف بازدواجية الموجة-الجسيم، والتي تنص على أن كل جسيم أو كيان كمومي يُظهر خصائص موجية وجسيمية في آنٍ واحد.
المفاهيم الرئيسية:
دالة الموجة (Ψ):
هي دالة رياضية تصف الحالة الكمومية لجسيم أو نظام من الجسيمات.
تحتوي على جميع المعلومات المتعلقة بالنظام، وتُستخدم لحساب احتمالات وجود الجسيم في حالة أو موقع معين.
مربع القيمة المطلقة لدالة الموجة (Ψ|²|) يمثل كثافة الاحتمال لوجود الجسيم في موقع محدد.
معادلة شرودنجر:
تُعد من المعادلات الأساسية في ميكانيكا الكم، وتصف كيف تتغير دالة الموجة بمرور الزمن.
يمكن صياغتها بصيغتين: زمنية وغير زمنية، وتُستخدم لحساب دالة الموجة للنظام الكمومي.
التراكب (Superposition):
يمكن للجسيمات الكمومية أن توجد في حالة تراكب، أي في عدة حالات في آنٍ واحد حتى يتم قياسها.
يظهر هذا المبدأ في تجارب مثل تجربة الشقين المزدوجين، حيث تُظهر الجسيمات نمط تداخل يُميز الموجات عندما لا يتم رصدها.
الترابط الكمومي (Quantum Entanglement):
تظل الجسيمات المتشابكة مترابطة كموميًا بغض النظر عن المسافة بينهما، حيث يؤثر قياس أحدها فورًا على حالة الآخر.
تُظهر هذه الظاهرة السلوك غير المحلي للأنظمة الكمومية، وتُعد تحديًا للفهم الكلاسيكي لمفهومي الانفصال والمحلية.
مبدأ عدم اليقين:
صاغه العالم فيرنر هايزنبرغ، وينص على أنه لا يمكن معرفة زوج من الخصائص الفيزيائية (مثل الموقع والزخم) بدقة مطلقة في الوقت نفسه.
هذه اللادقة الجوهرية تُعد من الخصائص الأساسية في ميكانيكا الكم، وتنشأ من الطبيعة الموجية للجسيمات.