اقرأ في هذا المقال
تسيطر الخصائص الكمومية على مجالات الفيزياء الذرية والجزيئية، حيث يتم تحديد مقدار الإشعاع بالنسبة لتردد معين من الإشعاع، ويمكن أن يكون هناك قيمة واحدة فقط للطاقة الكمومية لفوتونات ذلك الإشعاع؛ يمكن أن يكون لمستويات طاقة الذرات والجزيئات قيم كمية معينة فقط، وتحدث التحولات بين هذه الحالات الكمية عن طريق امتصاص عمليات الفوتون والانبعاث والانبعاث المحفز، وتتطلب كل هذه العمليات أن تكون طاقة الفوتون التي توفرها علاقة بلانك مساوية لفصل الطاقة للزوج المشارك من حالات الطاقة الكمية.
الطاقة الكهرومغناطيسية المنطلقة أو الممتصة
بأخذ انتقالات الإلكترون المرتبطة بالتفاعلات المرئية والأشعة فوق البنفسجية مع المادة كمثال، فإن امتصاص الفوتون لن يحدث إلا عندما تتطابق الطاقة الكمومية للفوتون بدقة 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 ترفع النظام من الحالة السفلية إلى الحالة العليا، فستكون المادة شفافة لهذا الإشعاع.
مستويات الطاقة المرتبطة بالجزيئات والذرات بشكل عام منفصلة، ومستويات الطاقة الكمية والانتقالات بين تلك المستويات عادة ما تنطوي على امتصاص أو انبعاث الفوتونات؛ تم استخدام مستويات طاقة الإلكترون كمثال هنا، ولكن توجد أيضًا مستويات طاقة كمية للاهتزاز الجزيئي والدوران، وتحدث التحولات بين الحالات الكمومية الاهتزازية عادةً في الأشعة تحت الحمراء وتكون التحولات بين الحالات الكمومية الدورانية في منطقة الميكروويف من الطيف الكهرومغناطيسي.
من الممكن أن يكون للإلكترونات المثارة في الذرات والجزيئات نوع آخر من التفاعل الذي يخفض طاقتها قبل أن تتمكن من الانتقال إلى الأسفل، ففي هذه الحالة سيصدرون فوتونًا ذا طاقة أقل وطول موجي أطول، حيث تسمى هذه العملية بالفلورة إذا حدثت بشكل أساسي على الفور.
من الممكن أيضًا أن تحتفظ المادة بطاقة الإثارة لفترة طويلة، مما يؤدي تدريجياً إلى التحولات الهبوطية مع الانبعاث، يسمى هذا الانبعاث المتأخر الفسفرة؛ منذ معامِلات آينشتاين، من المعلوم أن احتمالات الامتصاص والانبعاث هي نفسها، ووجود الفسفور يعني أن بعض التفاعل حدث بسرعة بعد الامتصاص الأولي الذي وضع الإلكترونات في حالة أكثر استقرارًا وطويلة العمر بحيث لا يمكن أن تسقط على الفور فيعترف بالهزيمة ويتراجع.
الاشعاع المغناطيسي
يأتي الإشعاع الكهرومغناطيسي من التغيير في موقع الإلكترونات في ذرات العناصر المختلفة، تفسر فيزياء الكم كيفية استخدام هذه الإلكترونات لإنتاج الأطوال الموجية المختلفة للضوء وما نعنيه عندما نقول أن الضوء “مكمَّى”؛ توضح نظرية بور أن الإلكترونات الموجودة حول النواة ليست موزعة عشوائيًا ولكنها موجودة في مستويات طاقة معينة تسمى “أصداف” وأن حركة الإلكترونات بين هذه الأصداف هي التي تسبب انبعاث أو امتصاص الطاقة وبالتالي انبعاث أو امتصاص خفيفة.
نموذج بوهر في تفسير الطاقة الكهرومغناطيسية الممتصة أو المنبعثة
يتكون نموذج بوهر من أربعة مبادئ:
- تفترض الإلكترونات مدارات معينة فقط حول النواة. هذه المدارات مستقرة وتسمى مدارات “ثابتة”.
- لكل مدار طاقة مرتبطة به، على سبيل المثال يحتوي المدار الأقرب للنواة على طاقة E1، والأقرب ومن ثم E2 وما إلى ذلك.
- ينبعث الضوء عندما يقفز الإلكترون من مدار أعلى إلى مدار منخفض ويتم امتصاصه عندما يقفز من مدار منخفض إلى مدار أعلى.
- يتم الحصول على طاقة وتواتر الضوء المنبعث أو الممتص من خلال الفرق بين طاقات المدار، على سبيل المثال
ΔE (الضوء) = E F – E I
إذا كانت مدارات الإلكترون مقيدة، فإن الطاقات التي يمكن أن يمتلكها الإلكترون مقيدة بالمثل ويتم تحديدها بواسطة المعادلة:
حيث R H ثابت يسمى ثابت Rydberg وله القيمة
2.18 × 10-18 جول
إن هذه القيمة هي مزيج من ثابت ريدبيرج 1.097 × 10 7 م -1 * ثابت بلانك وسرعة الضوء. (R H * h * c).
حيث أن ‘n’ هو عدد صحيح يسمى العدد الكمي الأساسي ويتوافق مع مختلف المدارات المسموح بها للإلكترون، وهكذا، فإن الإلكترون في أول مدار مسموح به (الأقرب إلى النواة) يكون له n = 1، والإلكترون في المدار التالي المسموح به بعيدًا عن النواة يكون n = 2 وهكذا.
وبالتالي يمكن تخطيط الطاقات النسبية لهذه المدارات المسموح بها للإلكترونات على النحو التالي:
كل الطاقات النسبية سلبية
تطبيقات الطاقة الكهرومغناطيسية المنبعثة أو الممتصة
الأسفار و الفسفور
الإسفار هو انبعاث الضوء من مادة امتصاص الضوء أو أي إشعاع كهرومغناطيسي آخر، إذ إنه شكل من أشكال التلألؤ الضوئي، وفي معظم الحالات، يكون للضوء المنبعث طول موجي أطول، وبالتالي طاقة أقل من الإشعاع الممتص.
ومع ذلك، عندما يكون الإشعاع الكهرومغناطيسي الممتص شديدًا، فمن الممكن لإلكترون واحد أن يمتص فوتونين؛ يمكن أن يؤدي امتصاص الفوتونين هذا إلى انبعاث إشعاع بطول موجي أقصر من الإشعاع الممتص، وقد يكون للإشعاع المنبعث أيضًا نفس الطول الموجي للإشعاع الممتص، ويطلق عليه “تألق الرنين”.
يحدث الإسفار عندما يرتاح إلكترون مداري لجزيء أو ذرة إلى حالته الأساسية عن طريق إصدار فوتون من الضوء بعد تحريضه إلى حالة كمومية أعلى بواسطة نوع من الطاقة، وتحدث أكثر الأمثلة اللافتة للنظر عن التألق عندما يكون الإشعاع الممتص في منطقة الأشعة فوق البنفسجية من الطيف، وبالتالي غير مرئي للعين البشرية، والضوء المنبعث في المنطقة المرئية.
ويعتبر الفسفور نوعًا محددًا من التلألؤ الضوئي المرتبط باللمعان، على عكس الفلورة، لا تقوم المادة الفسفورية على الفور بإعادة إصدار الإشعاع الذي تمتصه، حيث يقترن إثارة الإلكترونات إلى حالة أعلى بتغير حالة الدوران، وبمجرد أن تكون الإلكترونات في حالة دوران مختلفة، لا يمكنها الاسترخاء في الحالة الأرضية بسرعة لأن إعادة الانبعاث تتضمن انتقالات حالة طاقة ممنوعة ميكانيكيًا، ونظرًا لأن هذه التحولات تحدث ببطء شديد في مواد معينة، فقد يتم إعادة إصدار الإشعاع الممتص بكثافة أقل لمدة تصل إلى عدة ساعات بعد الإثارة الأصلية.
الليزر
الليزر هو جهاز ينبعث منه ضوء أحادي اللون (إشعاع كهرومغناطيسي)، يقوم بذلك من خلال عملية تضخيم ضوئي تعتمد على الانبعاث المحفّز للفوتونات، ونشأ مصطلح “الليزر” كاختصار لتضخيم الضوء بواسطة الانبعاث المحفز للإشعاع، ويتميز الليزر عن مصادر الضوء الأخرى بدرجة عالية من التماسك المكاني والزماني، مما يعني أن الليزر يُخرج شعاعًا ضيقًا يحافظ على علاقته بالطور الزمني.
تعتمد مبادئ تشغيل الليزر إلى حد كبير على ميكانيكا الكم، وقد يكون أحد الاستثناءات هو ليزر الإلكترون الحر، والذي يمكن تفسير تشغيله فقط من خلال الديناميكا الكهربائية الكلاسيكية، وعندما يتم تحفيز الإلكترون من مستوى طاقة أقل إلى مستوى طاقة أعلى، فإنه لن يبقى على هذا النحو إلى الأبد.
قد يتحلل الإلكترون في الحالة المثارة إلى حالة طاقة منخفضة غير مشغولة وفقًا لثابت زمني معين يميز هذا الانتقال؛ عندما يتحلل مثل هذا الإلكترون دون تأثير خارجي، فإنه يصدر فوتونًا، هذه العملية تسمى “الانبعاث التلقائي”؛ إن المرحلة المرتبطة بالفوتون المنبعث عشوائية، وبالتالي، قد ينتج عن مادة بها العديد من الذرات في حالة مثارة إشعاع أحادي اللون للغاية، لكن الفوتونات الفردية لن يكون لها علاقة طور مشتركة وستنبعث في اتجاهات عشوائية.
ومع ذلك يمكن للفوتون الخارجي بتردد مرتبط بالانتقال الذري أن يؤثر على الحالة الميكانيكية الكمومية للذرة، ومع مرور الفوتون الساقط، يمكن تحسين معدل انتقالات الذرة المثارة بشكل كبير إلى ما بعد ذلك بسبب الانبعاث التلقائي، وتسمى عملية التحلل “المستحثة” هذه بالانبعاث المُحفَّز.
ويستخدم الإشعاع الكهرومغناطيسي على نطاق واسع في معالجة الأغذية ويمكن أن يدمر الكائنات الحية الدقيقة في الأطعمة، حيث تم استكشاف منطقة الموجات الراديوية أو الموجات الكهرومغناطيسية من الطيف الكهرومغناطيسي للاستخدام المحتمل في معالجة الأغذية مع نتائج ناجحة في تعطيل الميكروبات، وتعتمد طرق معالجة الطعام المختلفة على استخدام الطاقة المنبعثة من الإشعاع الكهرومغناطيسي.
