١
الجسم الأسود وفشل الفيزياء الكلاسيكية
الكارثة فوق البنفسجية: تنبأت الفيزياء الكلاسيكية بأن الجسم الأسود يُشعّ طاقة لا نهائية عند الترددات العالية (فوق البنفسجية)، وهذا ما سُمّي "الكارثة فوق البنفسجية" — تناقض صارخ مع الواقع المُلاحَظ.
فرضية بلانك (1900): اقترح ماكس بلانك حلاً جريئاً: الطاقة لا تُشعّ بصورة مستمرة، بل على شكل حزم صغيرة تُسمى كمومات (كوانتا). كل كم طاقته تساوي:
E = h · f
E — الطاقة (جول)
h = 6.626×10⁻³⁴ J·s (ثابت بلانك)
f — تردد الإشعاع (Hz)
ثابت بلانك h = 6.626 × 10⁻³⁴ J·s هو أحد أصغر الثوابت الفيزيائية، ويُعبّر عن مقدار الكم الأساسي للطاقة. اكتشافه فتح الباب أمام الفيزياء الكمية.
٢
التأثير الكهروضوئي — آينشتاين يفسّر
ملاحظة مُحيّرة: عند إسقاط الضوء على صفيحة معدنية، تنبثق إلكترونات — لكن فقط إذا تجاوز تردد الضوء قيمة حدّية معينة، بصرف النظر عن شدة الضوء!
تفسير آينشتاين (1905): الضوء يتصرف كجسيمات تُسمى فوتونات. كل فوتون يحمل طاقة E = hf. لإخراج إلكترون من المعدن تحتاج طاقته أن تتجاوز دالة الاقتلاع φ.
Ek = hf − φ
Eₖ — الطاقة الحركية للإلكترون (J)
hf — طاقة الفوتون (J)
φ — دالة الاقتلاع (طاقة العتبة)
حصل آينشتاين على جائزة نوبل عام 1921 تحديداً على تفسيره للتأثير الكهروضوئي، وليس على نظرية النسبية كما يُشاع!
٣
محاكاة تفاعلية — التأثير الكهروضوئي
جرّب بنفسك: التأثير الكهروضوئي
طاقة الفوتون
—
× 10⁻¹⁹ J
طاقة الإلكترون Eₖ
—
× 10⁻¹⁹ J
الحالة
—
٤
ازدواجية الموجة-الجسيم
دي بروي (1924): إذا كان الضوء يتصرف كجسيمات (فوتونات)، فلماذا لا تتصرف الجسيمات المادية كالإلكترونات كموجات؟ هذه الفكرة تُسمى ازدواجية الموجة-الجسيم.
λ = h / mv
λ — الطول الموجي (م)
h = 6.626×10⁻³⁴ J·s
m — كتلة الجسيم (kg)
v — سرعة الجسيم (m/s)
مثال — الإلكترون: إلكترون بسرعة 10⁶ m/s وكتلة 9.11×10⁻³¹ kg له طول موجي:
λ = 6.626×10⁻³⁴ / (9.11×10⁻³¹ × 10⁶) ≈ 0.728 نانومتر
هذا في نطاق الأشعة السينية! مما يفسر انحراف الإلكترونات كالموجات.
λ = 6.626×10⁻³⁴ / (9.11×10⁻³¹ × 10⁶) ≈ 0.728 نانومتر
هذا في نطاق الأشعة السينية! مما يفسر انحراف الإلكترونات كالموجات.
المجهر الإلكتروني يعتمد على الطبيعة الموجية للإلكترونات لتصوير الذرات والجزيئات بدقة لا يمكن للضوء المرئي بلوغها!
٥
اختبر فهمك
١. طاقة الكم الضوئي (الفوتون) تعتمد على:
٢. التأثير الكهروضوئي أثبت:
٣. رفع شدة الضوء دون الحد الحرج (التردد أقل من العتبة) يؤدي إلى:
٤. علاقة دي بروي (λ = h/mv) تُعطي:
٦
ملخص الدرس
ثابت بلانك
h = 6.626 × 10⁻³⁴ J·s
طاقة الفوتون
E = hf
التأثير الكهروضوئي
Eₖ = hf − φ
علاقة دي بروي
λ = h / mv
الكارثة فوق البنفسجية
فشل الفيزياء الكلاسيكية
الازدواجية
الضوء والمادة: موجة وجسيم