تلخيص فيزياء إزدواجية الموجة والجسيم للصف الثاني عشر الفصل الثاني
تفسير الطبيعة الموجبة والجسيمية للإلكترون
.شعاع الإلكترونات ينظر إليه علي أنه مجموعة هائلة من الإكترونات ( طبيعة جسيمية ) .
2 .في إجمالها لها موجة مصاحبة تصف سلوكها الجماعي() طبيعة موجية ) .
3 .الإكترون علي حده يحمل الصفات الوراثية للإلكترونات ككل ، من حيث : الشحنة والكتلة والدوران
حول نفسه ( اللف املغزلي ) وكمية الحركة .
4 .للموجة المصاحبة طول موجي ، مما يعني أن شدة الموجة المصاحبة تدل علي تركيز الإلكترونات .
5 .يكون للموجة المصاحبة خواص الإنتشارو الإنعكاس والإنكساروالتداخل والحيود تماما كالضوء .ً
- و لكن هل معني ذلك أنه يمكن استخدام شعاع من الإلكترونات كما نستخدم شعاعًا من الضوء ؟
الإجابة / نعم ، و الدليل علي ذل هو اكتشاف الميكروسكوب الإلكتروني .
الميـــكروسكوب الإلكتــــروني
إستخدامة
رؤية تفاصيل الكائنات الحية الدقيقة والفيروسات ورؤية تفاصيلها .
الأساس العلمي
الطبيعة الموجية للألكترونات .
النموذجين الميكروسكوبي و الماكروسكوبي للفوتـــون
| النموذج الميكروسكوبي للفوتون | النموذج الماكروسكوبي للفوتون |
يمكن تصور الفوتون على أنه كرة نصف قطرها = القطر الموجي( y ) وتتذبذب بمعدل (u) | يمكننا أن نراقب الخواص الموجبة في سلوك حزمة الفوتونات ككل |
| مجموع هذه الفوتونات لها مجال كهربي ومجال مغناطيسي والمجالان متعامدان على بعضهما وعلى اتجاة سريان حزمة الفوتونات | شدة الموجة ومقياسهاشدة المجال الكهربائي أو شدة المجال المغناطيسي المصاحب لشعاع الضوء تدل على مدى تركيز الفوتونات |
| حزمة الفوتونات تحمل الطاقة التي يحملها شعاع الضوء | الحركة الموجية تكون مصاحبة لتيار فوتونات بأعداد كبيرة |
أي أن النموذجين الماكروسكوبي والميكرو سكوبي (الخاصية الموجبة والخاصية الجسيمية للفوتونات متلازمتين)فمن المهم | مرتبطين ببعضهما البعض أن نفهم كيف نطبق كلامنهمافي مكانه كما يلي |
| إذا كانت أبعاده أبعاد العائق في حدود ( )أي على مستوى الذرة أو الألكترون فإننا نطبق النموذج الميكروسكوبي أي الفوتون | إذا كانت أبعادالعائق أكبر كثيرا من( طبقنا النموذج الماكرو سوبي أي الموجة |
العلاقة بين الكتلة والطاقة
أثبت إينشتين أن الكتلة والطاقة ترتبطان معا بعلاقتة الشهيرة 2 E = m c
وهي العلاقة التي على أساسها يمكن تحويل أي قدر صغير من الكتلة إلى طاقة كبيرة جدا وهو مابني عليه عمل القنبلة الذرية حيث وجد أن إنشطار النواة يصحبة فقد كتلة صغيرة جدا ولكنه يتحول إلى طاقة كبيرة جدا حيث أن ثابت التناسب بين الكتلة والطاقة هو مربع سرعة الضوء وهوكمية كبيرة جدا ولذلك فإن قانونبقاء الكتلة وقانون بقاء الطاقة يندمجان في قانون بقاء الكتلة والطاقة معا
من تلخيص فيزياء إزدواجية الموجة والجسيم للصف الثاني عشر الفصل الثاني
الأساس العلمي للقنبلة الذرية
الفقد في الكتلة يتحول إلى طاقة هائلة حسب إثبات إينشتين
استنتاج قانون القوة التي يؤثر بها شعاع ضوئي على سطح معدن
1- إذا سقطشعاع من الفوتونات على سطح ما بمعدل ( )فإن كل فوتون يسقط على السطح وينعكس عنه يعاني تغيرا في كمية الحركة
2- فتكون القوة التي تؤثر بها حزمة الفوتونات على السطح هي التغير في كمية الحركة في الثانية
حيث :(bw)هي القدرة بالوات للطاقة الضوئية الساقطة على السطح
يلاحظ أن هذه القوة صغيرة جدا لأن سرعة الضوء ( c )مقدار كبير جدا
ولذلك فلا ت}ثر تأثيراملحوظا على سطح حائط أو كتاب مثلا ولكنها يمكن أن تؤثر على إلكترون حر لصغر كتلته وحجمه فتقذفه بعيدا وهو مايفسر ظاهرة كومتون
تفسير ظاهرة كومتون بفروض بلانك
الإشعاع الكهرو مغناطيسي يتكون من فوتونات وهذه الفوتونات تصطدم بالإلكترونات كما تصطدم كرات البلياردو عندئذ
1- تطبيق قانون بقاء كمية الحركة أي أن :
(كمية حركة الفوتون والإلكترون )قبل التصادم =(كمية حركة الفوتون والإلكترون )بعد التصادم
2- نطبق قانون بقاء الطاقة أي أن :
(طاقة حركة الفوتون والإلكترون)قبل التصادم =(طاقة حركة الفوتون والإلكترون)بعد التصادم
الإستنتاج:مما سبق نستنتج أن الفوتون له كمية حركة أي له سرعة وكتلةأي أنهجسيم كما للإلكترون كمية حركة أي له سرعة وكتلة وبالتالي فهو جسيم
- أي أن تأثير كومتون إثبات للصفات الجسيمية للفوتون
الفوتون: هو كم من الطاقة مركز في حيز صغير جدا له كتلة وله كمية حركة
1- أحسب السرعة التي تنبعث بها الإلكترونات من سطح معدن الطول الموجي الحرج له 650 nm عندما يتعرض لضوء طوله الموجي400 nm
2- تحررت إلكترونات من سطح معدن بسرعة4.6 105 m/s فإذا كان الطول الموجي للضوء الساقط 623 nm أحسب:
أ-التردد الحرج لهذا السطح
ب- دالة الشغل لهذا السطح
3 عند سقوط ضوء طوله الموجي 5000 Ao على سطح فلز انبعثت منه إلكترونات يسرعة 2.574 105 m/s فإذا سقط ضوء أحادي اللون طوله الموجي فسر رياضيا هل تنبعث إلكترونات من سطح هذا الفلز في هذه الحالة
4- انبعثت إلكترونات بطاقة قدرها4.8 J من سطح فلز بتأثير أشعة فوق بنفسجية طولها الموجي150 nm أوجد دالة الشغل للفلز وكذلك الطول الموجي الحرج للفلز
مقارنة بني التفسير الكلاسيكي و تفسير أينشتاين للظاهرة الكهروضوئية
| وجه المقارنة | التفسير الكلاسيكي | تفسير اينشتاين |
| كيفية الحدوث | الظاهرة الكهرو ضوئية يحدث عند أي تردد | لا يتحرر الإلكترون إلا إذا كانت تردد الضوء الساقط أكبر من أن يساوي التردد الحرج |
| زمن تحرير الإلكترونات | يمتص الالكترون الطاقة تدريجيا فلو كانت شدة الضوء قليلة أخذ زمنا اطول للتحرر | الزمن اللازم هو زمن التصادم بالألكترون فقط حتى لو كانت شدة الضوءقليلة |
| العوامل التي تتوقف عليها شدة التيار | تتناسب شدة التيار الكهروضوئي طرديا مع بصرف النظر عن تردده | شدة الضوء الساقط إذا كان تردده أكبر من التردد الحرج |
| العوامل التي تتوقف عليها طاقة الحركة | تتناسب طاقة حركة الالكترونات المنطلقة طرديا مع شدة الضوء الساقط | تتناسب طاقة حركة الإلكترونات المنطلقة طرديا مع تردد الضوء الساقط ولا تتوقف على شدته |
ولكن وجد من المشاهدات العملية أن:
1-.انطلاق الإلكترونات من سطح المعدن يعتمد علي تردد موجة الضوء الساقط عليه فلا تنطلق الإلكترونات إلا
إذا كان تردد الضوء الساقط أكبرمن قيمة معينة تسمي التردد الحرج ً
2- شدة التيار المار في دائرة الخلية الكهروضوئية يتناسب طردا مع شدة موجة الضوء الساقط بشرط ، أن يكون تردد الضوء الساقط أكبرمن التردد الحرج )υC. )
3 .طاقاة حركة الإلكترونات المنطلقة و بالتالي سرعتها تتوقف على تردد موجة الضوء الساقطة و ليس علي شدتها .
4 .إذا كاان تردد الضوء أكبر من التردد الحرج (υC ) و لكن شدته ضعيفة فإن انطلاق الإلكترونات
يحدث لحظيا وليس هناك فترة انتظار لتجميع الطاقة اللازمة لتحرير الإلكترونات بل تنطلق
الإلكترونات في هذه الحالة مباشرة في التو و اللحظة ، حيث لا يعتمد انطلاق الإلكترونات علي
شدة الضوء بل .يعتمد على تردده
تفسير إينشتاين
اعتبر أينشتاين أن الشعاع الضوئي عبارة عن حزمات أوكميات من الطاقة تسمى فوتونات تحمل
كل منها كمية محددة من الطاقة ( E ) تتناسب قيمتها مع تردد الموجات ، حيث : υ h = E.
2.لكل معدن طاقة تلزم لتحرير الإلكترون من سطحه و تسمي هذه الطاقة ب دالة الشغل و يرمز لها
بالرمز ( EW ) و قد وجد أن : EW = h υC
- حيث ( υC ) هو التردد الحرج للضوء الساقط .
3.إذا كانت طاقة الفوتون الساقط أقل من دالة الشغل :( EW < E ) ، ( υC < υ: )
- فإن الإلكترون لا يتحرر مهما كانت شدة الإضاءة و لا يحدث التيار الكهروضوئي .
4.إذا كانت طاقة الفوتون الساقط تساوي دالة الشغل ( EW = E ) ، ( υC = υ:
فإن هذا الفوتون يستطيع بالكاد أن يحرر إلكترونا واحدا و لا يكتسب أي طاقة حركة .
5.إذا كانت طاقة الفوتون الساقط أكبر من دالة الشغل : ( EW > E ) ، ( υC > υ: )
- فإن هذا الفوتون يحرر إلكترونا و يظهر فرق الطاقة علي شكل طاقة حركة (KE )يكتسبها الإلكترون فتزيد سرعته .