طاقة الربط، هي كمية الطاقة المطلوبة لفصل جسيم عن نظام من الجسيمات أو لتفريق كل جسيمات النظام، حيث تطبق طاقة الربط بشكل خاص على الجسيمات دون الذرية في النوى الذرية، والإلكترونات المرتبطة بنوى الذرات، والذرات والأيونات المرتبطة ببعضها البعض في بلورات.
استخدام الطاقة لحصر الجسيمات
تم اختيار ذرة الكربون ولا سيما ذرة النظير 14 درجة مئوية، وذلك لتوضيح آثار ميكانيكا الكم على الطاقة اللازمة لحصر الجسيم في منطقة من الفضاء، فبدون الرجوع إلى تفاصيل طبيعة القوى الأساسية تعطي ميكانيكا الكم فكرة مفادها أن الأمر يتطلب 10 إلكترونات فولت لاحتواء الإلكترونات في الذرات وطاقات بترتيب (MeVs) لاحتواء البروتونات في النوى.
بأخذ قطر ذرة كربون من الجدول الدوري وحساب الحد الأدنى من الطاقة المتوافق مع مبدأ عدم اليقين للحجم المكعب لهذا البعد، يتم الحصول على قيمة 10.4 فولت، إذ يقارن هذا مع القيمة المرصودة 11.3 فولت لإمكانية التأين الأولى لذرة الكربون، فإذا تم حساب الحد الأدنى من طاقة الحبس للبروتون في مساحة بحجم ذرة كربون فسوف يتبين أن ذلك يساوي 0.0056 إلكترون فولت فقط.
يمكن مقارنة هذه الطاقة المنخفضة للغاية بمتوسط الطاقة الحرارية البالغ 0.04 فولت عند 300 كلفن، وهذا يعني أن البروتون مع الطاقة التي توفرها الطاقة الداخلية للبيئة الطبيعية فقط يمكنه أن يتجول داخل وخارج الفضاء الذري.
ماذا يحدث عند تطبيق الحد الأدنى من الطاقة على نواة الكربون
عندما يتم تطبيق الحد الأدنى من حساب الطاقة على نواة الكربون، فإن الصورة مختلفة تمامًا إذ أن الطاقة المحصورة للاحتفاظ بالبروتون داخل حجم مكعب مساوي للقطر النووي هي 5.6 ميغا إلكترون فولت، إذ يقارن هذا بشكل جيد من حيث الحجم مع متوسط طاقة الربط الملحوظة البالغة 7.5 ميجا فولت للنيوكليونات في نواة الكربون 14، لذلك بدون أدوات أخرى غير مبدأ عدم اليقين تم انشاء مقياس الطاقة للعمليات النووية، حيث أن العمليات المشعة المرصودة تقع في نطاق 0-10 MeV وهذا يتوافق مع مبدأ عدم اليقين.
قصة الإلكترون أكثر دراماتيكية، إذ تم ملاحظة انبعاث الإلكترونات من نواة الكربون 14 في اضمحلال بيتا بطاقة صغيرة نسبيًا تبلغ 0.016 ميجا فولت، حيث أن هذا لا يعني أن هناك إلكترونات معلقة داخل نواة الكربون، بل أن الحد الأدنى لطاقة الحبس للإلكترون في الحجم النووي هو 10.2 جيجا إلكترون فولت، أي نصف مليون مرة أكبر من طاقة الانحلال المرصودة لنواة الكربون 14.
ثم يشير حساب طاقة الحبس المطلوبة إلى أن الإلكترون المرصود قد تم إنشاؤه داخل النواة كجزء من عملية الاضمحلال الإشعاعي بدلاً من أن يكون مجرد طرد لإلكترون كان موجودًا بالفعل.
ماذا يحدث لذرات الجزيئات في بيئة محصورة
بعد وقت قصير من اكتشاف ميكانيكا الكم تم تطوير عدة أنظمة نموذجية، واحدة منها وربما أبسطها كانت مشكلة الجسيمات في علبة، حيث كشفت حلول هذا النظام المحصور عن عدة جوانب لنظام ميكانيكي الكم، فكلما كان الجسيم محصورًا في الفضاء زادت طاقته، ويتماشى عدم اليقين في موقعه وعدم اليقين في زخمه مع مبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ، ونتيجة لذلك يمكن أن يكون للنظام الميكانيكي الكمومي طاقة غير صفرية حتى عند 0 كلفن.
بعد حل مشكلة ذرة الهيدروجين وحساب طيف ذرة الهيدروجين بواسطة ميكانيكا الكم تم حل مشكلة حصر ذرة الهيدروجين في كرة ذات نصف قطر محدود، حيث أصبح من الواضح أن طاقة الحالات المقيدة للنظام المحصور زادت إلى ما بعد طاقة ذرة الهيدروجين الحرة مما يشير إلى أن البروتون والإلكترون يمكن أن يتعايشا في الفضاء الضيق، ومع ذلك قد لا يشكلان ذرة هيدروجين.
تم اتباع نتائج مماثلة لأيون جزيء الهيدروجين داخل أسطوانة، حيث أصبح من الواضح أن الذرات والجزيئات تحت الضغط يمكن أن تتصرف بشكل مختلف، وكان من المتوقع إمكانية تكوين معدن الهيدروجين تحت ضغط مرتفع.
يمكن أن يؤدي فرض قيود التناظر إلى رفع انحطاط الطاقة وأصبحت حالات الزخم الزاوي للنظام ميزة مهمة في ميكانيكا الكم تتجاوز الذرات والجزيئات، وتم استخدام تأثير جان تيلر الناتج لشرح الموصلية الفائقة للمعادن أيضًا، ويمكن فهم خصائص الأنظمة الذرية والجزيئية تحت تأثير المجالات الكهربائية والمغناطيسية والكهرومغناطيسية.
إن موضوع الأنظمة الذرية والجزيئية المقيدة واسع، وتتراوح التداعيات من تكوين الأقزام البيضاء والنجوم النيوترونية من ناحية إلى العوازل التي تتحول إلى معادن وتحول الجرافيت إلى الماس من ناحية أخرى، وشهدت السنوات الأخيرة نموًا هائلاً في دراسة أنظمة الأبعاد المقيدة مثل صفائح الجرافين ثنائية الأبعاد وتعديلاتها التي تظهر خصائص غير معروفة حتى الآن والتي هي ميكانيكية كمومية بطبيعتها.
