في الفيزياء الذرية والتأثيرات الكمومية على الذرات، حيث تلعب دراسة ذرة الهيدروجين وطيفها دورًا مهمًا، عندما تمت دراسة طيف الهيدروجين من قبل العلماء لاحظت الفيزياء أن الخط الطيفي الأحمر المألوف لذرة الهيدروجين يتكون من خطين متقاربين، وهذا يعني أن الخط الطيفي تم تقسيمه إلى خطين متقاربين أو متقاربين ويُعرف تقسيم الخطوط الطيفية بالبنية الدقيقة أو البنية الدقيقة للخطوط الطيفية، ويُعتبر من أوائل الأدلة التجريبية على دوران الإلكترون.
ما هي البنية الدقيقة لذرة الهيدروجين
يُعرف الهيكل الدقيق لذرة الهيدروجين أيضًا باسم الطيف الدقيق للهيدروجين، أن ذرة الهيدروجين هي واحدة من أبسط أشكال الذرة المتاحة، والتي تتكون من إلكترون واحد في غلاف التكافؤ الخاص بها، يتكون طيف ذرة الهيدروجين من سلسلة مختلفة من الخطوط الطيفية وتندرج هذه المجموعات من الخطوط الطيفية في منطقة مختلفة من الطيف الكهرومغناطيسي على سبيل المثال تقع سلسلة بالمر في المنطقة المرئية من الطيف الكهرومغناطيسي.
عند فحص سلسلة بالمر للخطوط الطيفية تبين أنها تتكون من أربعة خطوط طيفية مختلفة تقابل أطوال موجات البنفسجي والأزرق والأخضر والأحمر، وعندما تم فحص الخطوط الطيفية لطيف الهيدروجين تحت مقياس طيف عالي الدقة وجد أن خطًا طيفيًا واحدًا يبدو أنه يتم حله إلى زوجين من الخطوط الفردية المتقاربة، بحيث يكون لهذه الخطوط المنقسمة أطوال موجية مختلفة قليلاً، حيث يُعرف هذا الخط الطيفي المنفصل بالبنية الدقيقة لذرة الهيدروجين.
عندما يتم فحص الخط الطيفي الأحمر المعروف أيضًا باسم الخط عن كثب بمقاييس الطيف عالية الدقة وجد الفيزيائيون أنه يتكون من خطين مزدوجين متقاربين بسبب اقتران الدوران والمدار، ومن المعروف أن الإلكترونات تدور حول النواة في مدارات محددة وبسبب الحركة المدارية للإلكترونات يتولد مجال مغناطيسي عندما تتفاعل اللحظة المغناطيسية للإلكترون المغزلي مع المجال المغناطيسي، حيث يُعرف هذا التفاعل باسم اقتران الدوران المغزلي.
في التحليل الطيفي الذري تُعطى مستويات طاقة إلكترونات الذرة بالصيغة التالية:
[n ^ {2s + 1} l_ {j} … (1) \] حيث أن n هي الرقم الكمي الرئيسي و l هو العدد الكمي للزخم الزاوي المداري و j هو العدد الكمي الكلي للزخم الزاوي، واعتمادًا على قيمة l مدارات مختلفة أو مستويات طاقة محددة على سبيل المثال بالنسبة لـ l = 0 هناك مدار S بالنسبة لـ l = 1 هناك مدار P وما إلى ذلك.
الطيف الدقيق
يصف الهيكل الدقيق للخط الطيفي تقسيم الخطوط الطيفية بسبب دوران الإلكترون والتصحيح النسبي للطاقة الكلية لإلكترون ذرة الهيدروجين، فعندما تنتقل الإلكترونات من مستويات طاقة منخفضة إلى مستويات طاقة أعلى عن طريق امتصاص الطاقة فإنها ستكون غير مستقرة، وبالتالي تفقد طاقتها في شكل فوتونات ذات أطوال موجية مختلفة ينتج عنها أيضًا طيف.
سيؤدي التفاعل بين المجال المغناطيسي الناتج عن الحركة النسبية للنواة والزخم الزاوي المغزلي للإلكترون إلى تقسيم طاقة الإلكترونات إلى مستويين من الطاقة، وسيكون للإلكترون الذي يحتوي على زخم دوران مغناطيسي، ويختبر عزمًا بسبب وجود مجال مغناطيسي، ومن ثم يقوم بتدويره في نفس الوقت مع الإلكترون، حيث سيشمل أيضًا على بعض زخم الدوران المغناطيسي ويواجه عزمًا بسبب وجود مجال مغناطيسي.
البنية الدقيقة لخط H Alpha
خط (H-alpha) هو خط طيفي أحمر عميق محدد موجود في سلسلة بالمر ويبلغ الطول الموجي لـ (H-alpha) حوالي 656 نانومتر، وينشأ خط (H-alpha) عندما ينتقل الإلكترون من المستوى الثالث إلى الثاني من أدنى مستوى للطاقة، حيث يعد خط (H-alpha) أحد ألمع الخطوط الطيفية في سلسلة بالمر.
خصائص الهيكل الدقيق
- الهيكل الدقيق هو كسر الخطوط الطيفية الأولية للذرة إلى مكونين أو أكثر كل منها يشير إلى طول موجي مختلف قليلاً في التحليل الطيفي، عندما تنتقل الذرة من حالة طاقة إلى أخرى فإنها تنتج الضوء، مما يخلق بنية دقيقة، إذ تنتج خطوط الانقسام والمعروفة أيضًا بالبنية الدقيقة للخطوط الرئيسية عن تفاعل الحركة المدارية للإلكترون مع الدوران الميكانيكي الكمومي.
- يمكن مقارنة الإلكترون بجزء علوي دوار مشحون كهربائيًا، ونتيجة لذلك يتصرف مثل قضيب مغناطيسي صغير، إذ يتم إنشاء الهيكل الدقيق عندما يتفاعل إلكترون مغزلي مع المجال المغناطيسي الناتج عن ثورة الإلكترون حول النواة الذرية، إن ثابت البنية الدقيقة هو ثابت بلا أبعاد يصف مقدار الانقسام.
- تحتوي ذرات الفلزات القلوية مثل الصوديوم والبوتاسيوم على مكونين هيكليين دقيقين يُطلق عليهما المضاعفات، بينما تحتوي ذرات الأرض القلوية على ثلاثة مكونات بنية دقيقة تسمى ثلاثة توائم؛ وذلك لأن ذرات الفلزات القلوية تحتوي على إلكترون واحد فقط خارج النواة المغلقة أو غلاف الإلكترونات في حين أن ذرات الأرض القلوية لها إلكترونان.
- مع زيادة العدد الذري يرتفع الفصل المزدوج للخطوط المطابقة، لذلك قد لا يتم حل مزدوج مع الليثيوم الذي يحتوي على عدد ذري (3) بواسطة مطياف متوسط، ولكن يمكن فصل مزدوج مع الروبيديوم الذي يحتوي عدد ذري (37) على نطاق واسع.
- عندما يتم وضع مصدر الضوء في مجال مغناطيسي يحدث تأثير زيمان، حيث يقسم الخط الطيفي إلى مكونين أو أكثر بترددات مختلفة قليلاً، إذ لاحظ العالم الهولندي بيتر زيمان ذلك لأول مرة في عام 1896 على أنه سماكة لخطوط (D) الصفراء للصوديوم في لهب عالق بين أقطاب مغناطيسية قوية، وفي وقت لاحق تم اكتشاف أن التوسيع كان ناتجًا عن انقسام واضح للخطوط الطيفية إلى ما يصل إلى 15 مكونًا.
اكتشاف زيمان للهيكل الدقيق
أكسبه اكتشاف زيمان جائزة نوبل في الفيزياء عام 1902 والتي تقاسمها مع زميله الفيزيائي الهولندي هندريك أنطون لورنتز، حيث افترض لورنتز أن تذبذبات الإلكترونات داخل الذرة تولد الضوء وأن المجال المغناطيسي سيؤثر على التذبذبات، وبالتالي على تردد الضوء المنبعث.
كان لورنتز قد اخترع في الماضي فرضية متعلقة بتأثير المغناطيسية على الضوء، وقد تم التحقق من صحة هذه الفكرة من خلال دراسة زيمان، وتم تحديثها لاحقًا بواسطة ميكانيكا الكم، والتي تنص على أنه مع انتقال الإلكترونات من مستوى طاقة منفصل إلى آخر، حيث تنبعث خطوط طيفية من الضوء وفي المجال المغناطيسي يتم تقسيم كل مستوى من المستويات، والذي يتم تحديده بواسطة زخمه الزاوي إلى محطات فرعية ذات طاقة متساوية.
ساعد تأثير زيمان علماء الفيزياء في معرفة مستويات طاقة الذرات من حيث العزم الزاوي، كما أنه يجعل من الممكن التحقيق في النوى الذرية وأمثلة أخرى مثل الرنين الإلكتروني المغنطيسي ويبين نمط وكمية الانقسام إلى وجود مجال مغناطيسي بالإضافة إلى شدته، حيث يمكن أن يحتوي العدد الكمي L على قيم عدد صحيح غير سالب، ويمكن تحديد انقسام المجال المغناطيسي من حيث المستويات باستخدام الصيغة 2 * L + 1.
عندما ينتقل إلكترون بين المدارين الثاني والثالث (N = 2 و N = 3) يتشكل خط في القسم الأحمر من الطيف ويبلغ الطول الموجي الذي يحدث عنده هذا 656 نانومتر، ويتم تسمية خط الهيدروجين ألفا من بعده وصُممت مرشحات ألفا الهيدروجين لحجب أكبر قدر ممكن من الطيف تاركًا نطاقًا تردديًا صغيرًا جدًا للضوء مع تردد H-)(alpha للمرور من خلاله.
وفي نهاية ذلك فإن النسبة لذرة الهيدروجين تعتمد مستويات الطاقة فقط على عدد الكم الأساسي n، حيث تتدهور مستويات الطاقة مما يعني أن الإلكترون في ذرة الهيدروجين يمكن أن يكون في حالات مختلفة مع وظائف موجية مختلفة موضحة بأرقام كمية مختلفة ولا يزال لديه نفس الطاقة، وهذا هو تفسير ميكانيكا الكم لذرة الهيدروجين.
