على الرغم من أن الذرة والكم قد تتداخل أو تبدو متشابهة في العديد من المواقف، إلا أنها ليست كذلك من حيث المبدأ، إذ تعتبر ميكانيكا الكم هي موضوع أساسي في العلوم الفيزيائية، بينما الفيزياء الذرية هي تطبيقها لفهم فيزياء أصغر أجزاء المادة؛ أي الذرات.
عمليات الكم التي تحصل للذرات
تم اكتشاف نظرية متسقة للذرة، حيث بينت ووضحت هيكلها الأساسي وتفاعلاتها، حيث كان من العوامل الحاسمة في تحديث النظرية وجود دليل جديد يبين أن الضوء والمادة لهما خصائص موجية وجسيمية على المستويين الذري ودون الذري.
رفض المنظرون أن بور قد استخدم هجينًا خاصا من الديناميكيات النيوتونية الكلاسيكية للمدارات وبعض الافتراضات الكمومية للانتقال إلى مستويات طاقة الإلكترونات الذرية، وتجاوزت النظرية الجديدة طبيعة أن الإلكترونات هي جسيمات وقمت بالتعامل معها على أنها موجات؛ وبحلول عام 1926 حدث العلماء الفيزيائيون قوانين ميكانيكا الكم، والتي تسمى أيضًا ميكانيكا الموجة لفهم الظواهر الذرية ودون الذرية.
تتحكم الخصائص الكمومية في مجالات الفيزياء الذرية والجزيئية، حيث يتم معرفة الإشعاع على أنه بالنسبة لتردد معين من الإشعاع، حيث يمكن أن يكون هناك قيمة واحدة فقط للطاقة الكمومية لفوتونات ذلك الإشعاع.
ويمكن أن يكون لمستويات طاقة الذرات والجزيئات قيم كمية، حيث تحدث الانتقالات بين هذه الحالات الكمية بامتصاص عمليات الفوتون والانبعاث والانبعاث المحفز، وتحتاج كل هذه العمليات أن تكون طاقة الفوتون التي توجد في علاقة بلانك متساوية لعزل الطاقة للزوج المشارك من حالات الطاقة الكمومية.
الامتصاص والانبعاث
إذا انتقل الإلكترون المتصل بالتفاعلات المرئية والأشعة فوق البنفسجية مع المادة كمثال، فإن امتصاص الفوتون لن يحصل إلا عندما تتساوى الطاقة الكمومية للفوتون مع فجوة الطاقة بين الحالة الأولية والنهائية، وفي تفاعل الإشعاع مع المادة، إذا لم يكن هناك زوج من حالات الطاقة بحيث يمكن لطاقة الفوتون أن تقوم بنقل النظام من الحالة السفلية إلى الحالة العليا، فستكون المادة شفافة لهذا الإشعاع.
مستويات الطاقة المرتبطة بالجزيئات والذرات والأنوية بشكل عام منفصلة، ومستويات الطاقة الكمية والانتقالات بين تلك المستويات، وعادة ما تنطوي على امتصاص أو انبعاث الفوتونات، حيث تم استخدام مستويات طاقة الإلكترون على سبيل مثال هنا، ولكن توجد أيضًا مستويات طاقة كمية للاهتزاز الجزيئي والدوران.
تحدث التحولات بين الحالات الكمومية الاهتزازية عادةً في الأشعة تحت الحمراء وتكون التبادلات بين الحالات الكمومية الدورانية في منطقة الميكروويف من الطيف الكهرومغناطيسي، واحتمال أن يكون للإلكترونات المثارة في الذرات والجزيئات نوع آخر من التفاعل الذي يقلل طاقتها قبل أن تكون قادرة على الانتقال إلى الأسفل، وفي هذه الحالة سيصدرون فوتونًا ذو طاقة أقل وطول موجي أطول.
تسمى هذه العملية بالفلورة إذا حدثت بشكل أساسي فورا، حيث أن المادة تحتفظ بطاقة الإثارة لمدة كبيرة، مما يعمل تحولات هبوطية مع عملية الانبعاث، حيث يطلق على هذه العملية بالفسفرة، ومنذ معامِلات آينشتاين أ و ب تكون إمكانية الامتصاص والانبعاث لهما نفس الاحتمال، ووجود الفسفور يعني أن بعض التفاعل حدث بسرعة بعد الامتصاص الأولي الذي وضع الإلكترونات في حالة مستقرة ولمدة طويلة بحيث لا يمكن أن تسقط على الفور يعترف بالهزيمة.
الانبعاث المستحث
اذا كان الإلكترون في حالة مثارة بالفعل أي أن مستوى طاقة أعلى، على عكس أدنى مستوى ممكن أو حالة أرضية، فإن الفوتون الوارد يتساوى مع طاقة الكم بحيث يكون له فرق الطاقة بين مستواه الحالي ويمكن للمستوى الأدنى “تحفيز” الانتقال إلى ذلك المستوى الأدنى، مما ينتج عنه فوتونًا ثانيًا من نفس الطاقة.
عندما توجد مجموعة كبيرة من الإلكترونات في المستويات العليا تسمى هذه الحالة “انعكاس السكان”، التي تمهد الطريق لانبعاث محفز لفوتونات متعددة، وهذا هو الشرط المسبق لتضخيم الضوء الذي يحدث في الليزر، وبما أن الفوتونات المنبعثة لها علاقة زمنية واضحة وطور محددة ببعضها البعض، فإن الضوء يتمتع بدرجة عالية من التماسك.
مثل الامتصاص والانبعاث، حيث يتطلب الانبعاث المحفّز أن تكون طاقة الفوتون التي تمنحها وتبينها علاقة بلانك مساوية لفصل الطاقة للزوج المشارك من حالات الطاقة الكمومية.
في عام 1926، استخدم شرودنجر ثنائية جسيمات موجة الإلكترون لإنشاء وحل الصيغ الرياضية الصعبة التي تصف بدقة سلوك الإلكترونات في ذرة الهيدروجين؛ حيث تم إنشاء النموذج الميكانيكي الكمومي للذرة عن طريق حل معادلة شرودنجر.
