في عالم الجسيمات الدقيقة

by Kirill Shcholkin, ق. شولكين, محمد نبيل إسماعيل (Translator)

Член-корреспондент АН СССР К.И. Щелкин в серии очерков популярно рассказывает о строении атомов и атомных ядер вещества и антивещества, о ядерных силах, строении нуклонов.

Genres: Physics

336 pages, Paperback

Published January 1, 1972

About the author

Kirill Ivanovich Shchelkin (Russian: Кирилл Иванович Щёлкин) was a Soviet Georgian physicist known for his theoretical and experimental advances in combustion and gas dynamics, for his work on the first Soviet nuclear and thermonuclear weapons, and for his role as the first scientific director of the Soviet nuclear weapons development centre in the Urals at Chelyabinsk-70 and deputy scientific director of the Soviet atomic bomb project.

Reviews

[Mohamed · Rating 5 out of 5]

لقد بدا لنا وصف الاعداد الكمية وحالات الالكترون في ذرة الهيدروجين وهي أخف الذرات وأبسطها بسيطاٌ للغاية وشبيهاٌ بوصف حركة الجسيمات في الميكانيكا الكلاسيكية , وحتي نتخلص ولو جزئيا من الكلاسيكية في عرض افكار عالم الجسيمات يمكنني هنا التطرق في الحديث معكم عن المبادئ الاساسية التي تقوم عليها ميكانيكا الكم وخاصة مبدأي اللايقين والتراكب وقد استطاع العلماء استخلاص هذان المبدآن من خلال تعميم النتائج التجريبية المميزة لعالم الجسيمات الاولية .

لو أن هناك عدة حالات ممكنة -مسموح بها- للجسيم (الكترون – بروتون – نيوترون …الخ) فيفترض في ميكانيكا الكم دائماٌ وأبداٌ أن هذا الجسيم يستطيع ان يتواجد في العديد من تلك الحالات في نفس الوقت او حتي في كل الحالات , فمن المستحيل علي سبيل المثال ان نفترض أن الالكترون في الذرة يقع في المدار الأول (عندما يكون العدد الكمي الرئيسي n =1 ) فهنالك دوماٌ احتمال ما لوجوده في أن واحد في حالتين او ثلاثة أو حتي في كل الحالات الممكنة , وهذا يعني أن هناك احتمالاٌ ما مختلفاٌ بالنسبة الي الحالات المختلفة لوجود الالكترون لا في المدار الأول فقط بل وفى أي مدار أخر وبالنسبة الي الذرات الثقيلة فهناك حتي احتمال لوجود الالكترون داخل نواة الذرة ووجود هذا الاحتمال يفسر فكرة أسر النواة للإلكترون , والذي يؤدي الي تحول بروتون واحد في النواة الي نيوترون , غير أنه لا يمكن ابداٌ ظهور الكترون بين المدارات , فالحالة بين المدارات لا تنتمي الي الحالات المحتملة والممكنة للإلكترون .

وتتميز حالة الالكترون (أو أي جسيم أخر ) في ميكانيكا الكم بدالة ما تسمي Ψ -أبساي- الدالة الموجية , والمسالة الاساسية في ميكانيكا الكم هي تعيين هذه الدالة واذا كانت سرعة الجسيم بطيئة بالمقارنة لسرعة الضوء فيمكن تعيين تلك الدالة بحل معادلة شرودنجر , اما اذا كانت سرعة الجسيم غير بطيئة بالمقارنة لسرعة الضوء فتحل معادلة -ديراك- أخري للإلكترون قام بوضعها عبقري الفيزياء النظرية ديراك .

وتكون كلا من حالات الجسيم الممكنة توصف بدالة ذاتية Ψ1 – Ψ2 – Ψ3 …الخ , وهذه الدوال قد تكون كثيرة للغاية بل يصل عددها أحياناٌ الي ما لانهاية , وبالنسبة الي الالكترون المرتبط بالذرة فتكون حالات الالكترون الممكنة متفرقة , أي أن احداها تختلف عن الأخرى بقيمة محدودة , ففي ذرة الهيدروجين تختلف كل من الحالات عن الأخرى علي الاقل في قيمة واحدة من الاعداد الكمية الأربعة , فليس هناك مثلاٌ زوج واحد من الحالات تتساوي فيه كل الاعداد الكمية .
أما اذا كان الالكترون حراٌ , فان عدد حالاته الذاتية يصبح غير محدود ولذا فان طيف الحالات الذاتية للإلكترون الحر ليس متفرقاٌ وإنما متصلاٌ , وتتجدد الحالة الفعلية للإلكترون بمجموع (تراكب) حالاته الذاتية Ψ1 – Ψ2 – Ψ3 …الخ حيث تؤخذ كل حالة تبعا لاحتمالها .
والدالة الموجية للجسيم الذي تتخذ حالاته الذاتية بالدوال الذاتية السابقة يكون
Ψ = n1Ψ1+n2Ψ2+n3Ψ3 …

حيث n ترمز الي معاملات تعبر عن احتمال وجود الجسيم في الحالات Ψ1 – Ψ2 – Ψ3 وتعطي تلك المعادلة السابقة وصفاٌ رياضياٌ لتراكب الحالات وهذا التراكب من النوع الخطي حيث كل الدوال التي تدخل فيه هو دوال مرفوعة للاس 1 , ولإيجاد الدالة الموجية , يتحتم علينا تعيين المجموعة الكاملة من الدوال Ψ .

التعقيدات الرياضية لميكانيكا الكم كبيرة والرياضيات الخاصة بها متطورة نوعاٌ ما , فميكانيكا العلم تعتبر من أعظم منجزات العقل البشري.

اذا نظرناٌ لمبدأ التراكب لابد لنا ان نتصور الالكترون في الذرة بشكل أكبر ابهاماٌ من نظرتنا لها من خلال النظرة الكلاسيكية فسيتضح لنا ان الالكترون موزع علي عدة حالات بشكل غير منتظم واحتمالية وجوده في بعض الحالات كبير نسبياٌ واقل لحالات أخري , غير ان الالكترون غير منقسم الي اجزاء موزعة علي الحالات المختلفة فمن القياسات يتضح أنه يقع بكامله في حالة واحدة , الا ان احتمال وجوده في هذه الحالة او تلك هو الذي يختلف فقط, ويبدو مبدأ أخر من مبادئ ميكانيكا الكم وهو أكثر غرابة وهو مبدأ عدم اليقين لهايزنبرج .

تبعاٌ لعلاقة اللايقين لهايزنبرج التي هي التعبير الرياضي عن مبدأ اللايقين فأننا اذا قمنا بقياس موضع الالكترون (او أي جسيم أخر) بدقة فلن يكون بمقدورنا ان نعرف في نفس الوقت أي شيء عن طاقة حركته , فيمكن لطاقة الحركة ان تكون أي قيمة وبالعكس بتحديد طاقة الحركة بدقة لا يمكن معرفة أي شيء عن موضع الالكترون , فاحتمال وجوده عند أي نقطة في الفراغ يكون متساوياٌ .

بعبارة أخري يمكننا القول انه لا يمكن للإلكترون ان يتمتع بقياس دقيق لقيمتين دقيقتين للموضع وطاقة الحركة في نفس الوقت , وهناك كمية محددة تماماٌ للقيمة الصغرى لحاصل ضرب عدم اللايقين اثناء قياس طاقة الحركة في اللايقين اثناء قياس الموضع , وهي غير مرتبطة بمستوي أجهزة القياس وتميز طبيعة هاتين الكميتين المتعلقة بميكانيكا الكم , والجدير بالذكر ان مبدأ اللايقين كمبدأ التراكب يؤدي هو الاخر الي نوع من الابهام بالنسبة الي الجسيم , فمن المستحيل ان نتصور ( وهذا واقعياٌ غير موجود) مثلاٌ وضعاٌ دقيقاٌ للغاية وحدود دقيقة للإلكترون , فلو كان الامر كذلك لأدي هذا الي عدم لا نهائي في طاقة حركة الالكترون ومن المستحيل ان نتخيل خصائص عالم الجسيمات الاولية هذه تصوراٌ ملموساٌ , لذلك فان تلك الخصائص لم تصبح من معارفنا العلمية الا بعد العديد من التجارب العلمية التي لا خلاف عليها .

[Luai Alrantisi · Rating 5 out of 5]

من اروع ما قرأت في حياتي