ما هي كوانتا الطاقة؟
تعد كوانتا الطاقة أحد أساسيات فيزياء الكم التي نسمع عنها كثيرًا، لفهمها بشكل أفضل، علينا أولاً أن نفهم الحاجة إلى هذه الفيزياء الجديدة، لقد أجابت الفيزياء النيوتونية أو الفيزياء الكلاسيكية الراسخة بالفعل والشهيرة على الكثير من الأسئلة التي تزعج البشرية، ولكن كان لها حدودها الخاصة.
لماذا فشلت الفيزياء الكلاسيكية؟
كان النموذج السابق للذرة الذي اقترحه “إرنست رذرفورد” يشبه إلى حد كبير نظام الكواكب حيث تدور الإلكترونات حول النواة مثل الكواكب التي تدور حول الشمس، يقترح تطبيق الفيزياء الكلاسيكية على النموذج موازنة قوة الجذب بين الإلكترون والنواة، وقوة الطرد المركزي الخارجية. تمت صياغة مجموعة كاملة من المعلمات باستخدام معادلة توازن القوة هذه.
ومع ذلك، وفقًا للنظرية الكهرومغناطيسية الراسخة، فإنّ الجسيم المشحون المتسارع يصدر إشعاعًا كهرومغناطيسيًا، الآن إذا أطلق الجسم إشعاع كهرومغناطيسي، فإنّه يفقد طاقته، وبالتالي ستنخفض طاقة الإلكترون الذي يدور في المدار وسيقع في النهاية في النواة، وهذا بالتأكيد ليس هو الحال، مهد هذا الخلل الكبير في الفيزياء الكلاسيكية الطريق لفيزياء جديدة تُعرف باسم “فيزياء الكم“، على الرغم من أنّ الفيزياء الكلاسيكية لم تكن قادرة على تفسير ذلك، إلا أنّها تعطي نتائج ممتازة في الاعتبارات العامة اليومية، ومن ثمّ يقتصر تطبيقه على أشياء أكبر بكثير من الذرة وأيضًا أبطأ بكثير من الضوء.
مقدمة إلى كوانتا – Quanta:
خلال أوائل القرن العشرين، كان الفيزيائي الألماني “ماكس بلانك” يدرس الإشعاعات المنبعثة من الجسم الأسود، ولكي يشرحها تمامًا، توصل إلى نظرية التكميم هذه، كان أول من تحدث عن التكميم، وفقًا له، لا يمكن أن تنبعث الإشعاعات الكهرومغناطيسية إلا في شكل منفصل وليس مستمر، وهكذا اقترح أنّ جميع الإشعاعات الكهرومغناطيسية، وبالتالي الضوء أيضًا، تنبعث في حزم معينة من الطاقة والتي أطلق عليها “كوانتا” أو بشكل أكثر دقة “كوانتا الطاقة” (energy quanta)، لذلك ربط طاقة الإشعاع بالتردد (f) بالمعادلة التالية:
E = hf
حيث: (E) مرتبطة بالطاقة، (h) هو ثابت بلانك (= 6.626 × 10-34 Joule – second).
وبالتالي، لا يمكن نقل الطاقة إلا بطريقة كمية، أي في مضاعفات متكاملة “لثابت بلانك” فقط، في وقت لاحق، أدى التأثير الكهروضوئي لأينشتاين أيضًا إلى نفس النتيجة، وسّع فكرة بلانك وقال إنّه ليس فقط الانبعاث أو الامتصاص، ولكن الطاقة نفسها مكمّلة.
شرح كوانتا الطاقة:
يمكن أن يُعزى أصل كوانتا الطاقة إلى نموذج الذرة المطوَّر بواسطة “نيلز بور”، قام بتطبيق فكرة “بلانك” على الفيزياء الذرية وقدم نموذجًا تدور فيه الإلكترونات حول النواة ولكن في مدارات متميزة وثابتة، يشير المدار الثابت إلى وجود طاقة ثابتة وبالتالي عدم سقوط الإلكترون في النواة.
يُعرَّف المدار بأنّه مستوى طاقة تبقى فيه الإلكترونات ويسمح لها بالانتقال من مستوى إلى آخر، المستوى القريب من النواة يحتوي على طاقة أقل مقارنة بالمستوى البعيد، وبالتالي، إذا انخفض الإلكترون من مستوى أعلى إلى مستوى أدنى، نحصل على طاقة مساوية للاختلاف بين المستويين، وسوف يقفز الإلكترون إلى مستوى أعلى فقط إذا تمّ تزويده بطاقة مساوية للفرق، يُعرف هذا “بالقفزة الكمية” (quantum jump). إذا قدمنا طاقة أقل من الفرق، فستبقى على نفس المستوى.
يوضح نموذج الأنماط الطيفية الفريدة التي تظهرها العناصر المختلفة في طيف الانبعاث ألوان طيفية مختلفة والتي تدل على مستويات طاقة مختلفة، تمّ العثور على الطاقة المقابلة لكل لون في النموذج لتكون مماثلة للاختلاف في مستوى الطاقة في مختلف المدارات، كلما ارتفعت القفزة، أي أن قفزة المدار أعلى هي الطاقة المصاحبة لها وأقرب لونها إلى النهاية البنفسجية للطيف في النمط الطيفي، لو لم تكن هناك مستويات ثابتة من الطاقة، فإنّ الأطياف المنبعثة من ذرة مثارة ستكون مستمرة من الأحمر إلى البنفسجي، وهذا بالتأكيد ليس هو الحال، ومن هنا أوضح نموذج بور التحفظ في الطاقة (discreteness of energy).
