بحث شامل عن نظرية الكم

hanan2021-04-20

227 4 دقائق

بحث شامل عن نظرية الكم، بعد دراسة طويلة من قبل العلماء تم اكتشاف نظرية حديثة وهي نظرية الكم أو ما تُعرف بميكانيكا الكم وهي عبارة عن جزء صغير من الفيزياء الحديثة، حيث تهتم بعلم سلوك المادة والضوء في المستوى الذري بشكل خاص والتي تقاس بالنانومتر أي يعادل (1× 10-9 متر).

تكمن النظرية في دراسة وتفسير طبيعة الذرة مثل الإلكترونات، البروتونات، والنيوترونات، مع دراسة قوية لمكوناتها الرئيسية الأصغر حجماً وهي الكواركات ” Quarks” سواء متجمعة أو متفرقة.

تعريف الكم في الكيمياء

نظرية الكم أو كيمياء الكم (Quantum chemistry) هي فرع أساسي من الكيمياء النظرية ذات التعقيد والصعوبة.
تهتم بدراسة سلوك الجزيئات والذرات أثناء التفاعل، والمختصة بدراسة الأجسام الغير المرئية ” دون الذرة”.
يرجع سبب تسميتها بنظرية الكم لارتباطها بالأعداد الكمية، وهي عبارة عن نتائج رياضية، تحدد أشكال وأحجام المستويات الإلكترونية.
صنف العلماء هذه ال��ظرية على أنها جزء من الكيمياء الحاسوبية، ويتم احتسابها بواسطة أجهزة الحاسب الآلي.
نتج عنها تنبؤات نظرية تقوم على دراسة الذرات والجزيئات والتي عادةً تمتلك طاقات متباعدة.

تاريخ ميكانيكا الكم

تضم نظرية الكم ” ميكانيكا الكم” على مفاهيم أساسية ربطها العلماء ببعضها البعض، كي يرصد طبيعة الذرات والجزيئات والتي تتمثل في الآتي:

الجُسيمات في العالم الكمّي هي موجات

في بداية القرن الـ 20 رصد العلماء طبيعة وسلوك الضوء من خلال تسخين غاز في أنبوب زجاجي.
وظل التفكير وطرح الأسئلة في لماذا صدر الضوء من الغاز ومر بواسطة منشور زجاجي أعطى خطوط ضوئية مستقيمة، وليست خطوط خافتة ومتباعدة؟
أجاب العالم الفيزيائي ” نيلز بور” على هذا السؤال بأن تركيب الذرة يشبه إلى حد كبير إلى النظام الشمسي والذي يتكون من نواة في المركز.
ويدور حوله إلكترونات في مدارات أساسية مثل الكواكب والشمس، ومن هذا إذا قمنا بتسخين المادة.
تقفز الإلكترونات من مدار إلى مدار آخر حول النواة والناتج عن تحفيزها بالتسخين (الحرارة).
ومن خلال هذه الإلكترونات نتج عنها طاقة في صورة ضوء، يطلق عليها ” القفزات الكمية”

لا يوجد رابط بين الجزيئات المنفصلة

افترض العالم الدنماركي ” نيلز بور” بأن الجزيئات عادة تكون مرتبطة من خلال الربط بين جزئين متقاربين مع بعضهما البعض، حتى تصبح خواصها متشابهة ومترابطة.
ولكن في نظرية الكم عند فصل أي جزئين مترابطين، ويصبح في مكانين بعيدين، سوف تظل خواصهما مترابطة ومتشابهة.
وعند قياس خواص إحدى الجزئيات نلاحظ أنه تأثر بما حدث للجزء الأخر.
كما وضح ايضاً بأن حركة الإلكترون حول نفسه في مسارين معاً.
سيكون إحدى هذا المسار في اتجاه عقارب الساعة، وبالتالي سيكون الآخر عكس اتجاه عقارب الساعة.

مؤسس نظرية الكم

قام مجموعة من العلماء بوضع أسس ونظريات لميكانيكا الكم منذ بداية القرن العشرين.
وأكثر العلماء الذين اجتهدوا في ظهور نظرية الكم هم ” نيلز بور، ألبرت أينشتاين، ماكس بلانك، ماكي بورن”
استطاعوا هؤلاء العلماء على إيجاد تفسير علمي لعلم الفيزياء الذرية والتي أطلق عليها الجسيمات الضوئية ” الفوتونات” في عام 1930 ميلادياً.
وبعد تعاون العلماء مع بعضهم ” ديفيد هيلبرت، جون فون نيومان، وبول” تم الإعلان عن نظرية الكم رسمياً للعالم أجمع.
ساعدت هذه النظرية في ظهور مجالات مختلفة مثل إلكترونات الكم، وكيمياء الكم.
كما قامت بتفسير العديد من المجالات مثل معرفة مزايا الجدول الدوري للعناصر الكيميائية.
وفسرت ايضاً سلوك الذرات أثناء حدوث التفاعل الكيميائي، وكيفية تكوين الروابط، وطرق تدفق الإلكترونات في التكنولوجيا الحديثة.

نتائج ميكانيكا الكم

استعان العالم أينشتاين بقوانين الكم كي يقوم بتفسير ظاهرة الكهروضوئية وهي عبارة عن ظاهرة تحرك الضوء في صورة موجات عند تعرضها لكم كبير من الطاقة، وتم تسميتها في ذاك الوقت ” ازدواجية الذرة والموجات” وبعد ذلك توالت نتائج نظرية الكم من خلال الآتي:

علم ميكانيكا الكم

هو عبارة عن دراسة ظاهرة الكهروضوئية وتأثيرها في حدوث تغييرات فعالة في علم الفيزياء.
وبالتالي ساعدت بقوة في ظهور علم جديد وهو ” علم ميكانيكا الكم” وكان السبيل الوحيد في حل معضلات الفيزياء مثل معضلة ثبات الذرة، ومعضلة تحرك الشحنات بحركة دائرية.

طيف انبعاث ذرة الهيدروجين

استعان العالم “نيلز بور” ظاهرة انبعاث ذرة الهيدروجين عن طريق نظرية الكم، واكتشف بأن إشعاعات العناصر الضعيفة لها خصائص جيدة.
مثل غاز الهيدروجين وذلك عند تعرضه لطاقة كبرى، فإنه يصدر إشعاعات متوهجة لونها زرقاء.

اكتشاف ظاهرة كومبتون

قام العالم الأمريكي ” آرثر كومبتون” باستكمال مثيرة العالم ” بور” وتوصل إلى أن الفوتونات تعمل مثل الجسيمات الصغيرة المستقلة الكتلة.
وحينها أطلق عليها اسم ” ظاهرة كومبتون” وحاز على هذا الاكتشاف جائزة نوبل عام 1927 ميلادياً.

اكتشاف المجهر الإلكتروني

عندما اخترع العالم الفرنسي “ لويس دي بروي” المجهر الإلكتروني بأن الإلكترونات تتعرج عند سيرها من شقوق صغيرة تشبه إلى حد كبير بتعرج أمواج الضوء.
كما نجح المجهر الإلكتروني في كشف حركة الجسيمات داخل الخلايا متناهية الصغر.
ومن هذا الاكتشاف حصد العالم ” بروي” جوائز عديدة أهمها جائزة نوبل عام 1929 ميلادياً.

تطبيقات نظرية الكم

حصدت نظرية الكم على نجاحاً ملحوظاً في دراسة وتفسير سلوك الذرات ومشاركتها مع المجالات العلمية المختلفة، وأصبح لها الفضل في اكتشاف المزيد من نظريات الكم من خلال تطبيقات ساعدت في تفسيرها بشكل أفضل مما سبق مثل:

أنظمة التصوير بالرنين المغناطيسي.
المجهر الإلكتروني وأجهزة الترانزستورات والدايو.
ذاكرة التخزين الموجودة في أجهزة الهاتف الذكي.
نقل البيانات عن طريق مسافات بعيدة بواسطة استخدام تكنولوجيا النقل الفضائي الكمي.
دراسة الظواهر الغير مفسرة منها ثبات المدارات التي تدور بداخلها الإلكترونات في المستوى الذري، والإشعاع الصادر عن الجسم الأسود.
تفسير ظاهرة التدفق الغير احتكاكي للسائل في درجات حرارة منخفضة قريبة لدرجة الصفر.
تحديث نظام البث في أجهزة الحاسوب والتي ساعدت كثيراً في تسهيل العمليات الحسابات الكمية والإحصاء.
حيث يسمى بأنظمة الحوسبة الكمية المستخدمة في مجال��ت (الخدمات اللوجستية والذكاء الاصطناعي، الأمن الحسابي، الطب والصيدلة).
دراسة العديد من المجالات الحيوية المتنوعة منها عملية البناء الضوئي وقدرتها في إنتاج النباتات وبعض أنواع الكائنات الحية، وتفسير علم مستقبلات الرائحة في الأنف، وهياكل البروتين.