6: الفوتونات وموجات المادة
- Page ID
- 196554
\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)
في هذا الفصل، ستتعرف على كمية الطاقة، وهو مفهوم قدمه الفيزيائي الألماني ماكس بلانك عام 1900 لشرح إشعاع الجسم الأسود. نناقش كيف قام ألبرت أينشتاين بتوسيع مفهوم بلانك ليشمل كمية الضوء («الفوتون») لشرح التأثير الكهروضوئي. نوضح أيضًا كيف استخدم الفيزيائي الأمريكي آرثر إتش كومبتون مفهوم الفوتون في عام 1923 لشرح تحولات الطول الموجي التي لوحظت في الأشعة السينية. بعد مناقشة نموذج بوهر للهيدروجين، وصفنا كيف افترض لويس فيكتور دي بروغلي موجات المادة في عام 1924 لتبرير نموذج بوهر ونفحص التجارب التي أجراها كلينتون دافيسون وليستر جيرمر في 1923-1927 والتي أكدت وجود موجات المادة لدى بروغلي.
- 6.1: مقدمة للفوتونات وموجات المادة
- كان اثنان من أكثر المفاهيم ثورية في القرن العشرين هما وصف الضوء كمجموعة من الجسيمات، ومعالجة الجسيمات كموجات. أدت هذه الخصائص الموجية للمادة إلى اكتشاف تقنيات مثل الفحص المجهري الإلكتروني، والذي يسمح لنا بفحص الأجسام شبه المجهرية مثل حبوب اللقاح، كما هو موضح أعلاه.
- 6.2: إشعاع الجسم الأسود
- جميع الأجسام تشع بالطاقة. تعتمد كمية الإشعاع التي يصدرها الجسم على درجة حرارته. ينص قانون الإزاحة التجريبي في فيينا على أنه كلما زادت حرارة الجسم، كلما كان الطول الموجي المقابل لذروة الانبعاث في منحنى الإشعاع أقصر. ينص قانون ستيفان التجريبي على أن الطاقة الإجمالية للإشعاع المنبعث عبر الطيف الكامل للأطوال الموجية عند درجة حرارة معينة تتناسب مع القوة الرابعة لدرجة حرارة كلفن للجسم المشع.
- 6.3: التأثير الكهروضوئي
- يحدث التأثير الكهروضوئي عندما يتم إخراج الإلكترونات الضوئية من سطح معدني استجابة لحادث إشعاع أحادي اللون على السطح. لها ثلاث خصائص: (1) تكون فورية، (2) تحدث فقط عندما يكون الإشعاع فوق تردد القطع، و (3) لا تعتمد الطاقات الحركية للإلكترونات الضوئية على السطح على شدة الإشعاع. لا يمكن تفسير التأثير الكهروضوئي بالنظرية الكلاسيكية.
- 6.4: تأثير كومبتون
- تأثير كومبتون هو المصطلح المستخدم لنتيجة غير عادية يتم ملاحظتها عند تناثر الأشعة السينية على بعض المواد. وفقًا للنظرية الكلاسيكية، عندما تنتشر موجة كهرومغناطيسية من الذرات، من المتوقع أن يكون الطول الموجي للإشعاع المتناثر هو نفس الطول الموجي للإشعاع الساقط. على عكس هذا التنبؤ بالفيزياء الكلاسيكية، تظهر الملاحظات أنه عندما تنتشر الأشعة السينية عن بعض المواد، مثل الجرافيت، فإن الأشعة السينية المتناثرة لها أطوال موجية مختلفة عن الموجة
- 6.5: نموذج بور لذرة الهيدروجين
- لا تستطيع الفيزياء الكلاسيكية تفسير طيف الهيدروجين الذري. كان نموذج Bohr للهيدروجين أول نموذج للبنية الذرية يشرح بشكل صحيح أطياف الإشعاع للهيدروجين الذري. وقد سبقه نموذج روثرفورد النووي للذرة. في نموذج روثرفورد، تتكون الذرة من نواة شبيهة بالنقطة ذات شحنة موجبة تحتوي تقريبًا على كتلة الذرة بأكملها والإلكترونات السالبة التي تقع بعيدًا عن النواة.
- 6.6: موجات المادة للمخرج دي برولي
- وفقًا لفرضية دي برولي، يجب أن تفي الفوتونات عديمة الكتلة وكذلك الجسيمات الضخمة بمجموعة واحدة مشتركة من العلاقات التي تربط الطاقة E بالتردد f، والزخم الخطي p مع الطول الموجي ⇒
- 6.7: ثنائية الموجة والجسيمات
- توجد ازدواجية الموجة والجسيمات في الطبيعة: في بعض الظروف التجريبية، يعمل الجسيم كجسيم؛ وفي ظل ظروف تجريبية أخرى، يعمل الجسيم كموجة. على العكس من ذلك، في ظل بعض الظروف المادية، يعمل الإشعاع الكهرومغناطيسي كموجة، وفي ظل ظروف فيزيائية أخرى، يعمل الإشعاع كحزمة من الفوتونات. أظهرت تجارب الشق المزدوج في العصر الحديث مع الإلكترونات بشكل قاطع أن صور حيود الإلكترون تتشكل بسبب الطبيعة الموجية للإلكترونات.
الصور المصغرة: إعداد تجريبي لدراسة التأثير الكهروضوئي. يتم وضع الأنود والكاثود في أنبوب زجاجي تم إخلاؤه. يقيس الفولتميتر فرق الجهد الكهربائي بين الأقطاب الكهربائية، ويقيس مقياس التيار الضوئي. الإشعاع الساقط أحادي اللون.