شرح ازدواجية الموجة ـ الجسيم في صورة واحدة pdf

تحميل شرح ازدواجية الموجة ـ الجسيم في صورة واحدة pdf

تحميل



شرح ازدواجية الموجة ـ الجسيم
ازدواجية الموجة ـ الجسيم

ضلت معظلة دراسة الضوء ومعرفة خصائصه وكونه موجة أم جسيم ، ضلت تلك المعظلة تحير علماء الفيزياء على مدار قرون ، تارةً تقسمهم إلى فريقين كل يتعصب لرأي معين وتارة يجتمعون أسفل رأي واحد ، فهل الضوء موجة أم جسيم ، أم هو موجة الجسيم : سنتعرف على التفصيلات بشرح مفصل فيما يلي :

* قادت المراقبات الأخيرة للطبيعة الموجية والجسيمية في صورة واحدة مفردة للحقل البلازموني plasmonic field، وهو حقل يتم إنتاجه عبر أرجحة الإلكترونات بشكل كلي على سطح معدن، إلى خبرٍ تصدَّر العناوين وإلى شيءٍ من سوء الفهم.
ظهرت الزعمات حول ابالضرورةل نقض مبدأ التكامل principle of complementarity ذلك الذي ينص على أنه لا يمكن رصد سلوك الموجة والجسيم في آن واحد، في الإعلام مؤخراً. ومع ذلك لا تقلقوا، ما يزال مبدأ التكامل مدعوماً.

ازدواجية الموجة ، الجسيم.

في أوائل القرن العشرين، تطورت فيزياء الكمّ من اكتشافات لإمكانية أن تسلك الأمواج الكهرومغناطيسية سلوك الجسيمات حينما تصطدم بسطح معدن وتقذف إلكتروناً. إذا سلكت سلوك الموجة فحسب، عندئذٍ فزيادة سعة الموجة سيزيد من سرعة قذف الإلكترون.
ولكن عوضاً عن زيادة سرعة الإلكترون، زادت السعة المتزايدة من عدد الإلكترونات المقذوفة.
وجد الفيزيائيون كذلكً أن تردد الموجة الضوئية المتفاعلة مع سطح المعدن ربما لعب دوراً هاماً. إذا كان تردد الموجة الكهرومغناطيسية أسفل قيمة معينة، والتي تعتمد على نوع المعدن، عندها لن يتم قذف أية إلكترونات.
وإذا كان تردد الموجة الضوئية يزداد بشكل مستمر أعلى القيمة الدنيا، فعندئذٍ ستكون للإلكترونات المقذوفة طاقة حركية أكبر.
اقترح أينشتاين عام 1905 أن الموجة الكهرومغناطيسية تلك التى تصطدم بسطح المعدن سلكت سلوك جسيمٍ يدعى الفوتون photon. الفوتون هو وحدة عامة أو حزمة من الطاقة الكهرومغناطيسية. تعادل الطاقة تلك التى يحملها الفوتون قيمة تردده مضروباً بثابت يدعى ثابت بلانك Planck’s constant (قدم بلانك تلك القيمة قبل بضعة أعوام حين تجربة مطابقة تصريحات إشعاع الجسم الأسود).

E=hf

حينما يصدِم فوتونٌ سطح المعدن، فإنه يتلاشى، ناقلاً طاقته إلى الإلكترون. إذا كان الفوتون يمتلك أدنى حد من التردد المطلوب لقذف الإلكترون، عند ذلك يُقذَف الإلكترون من دون حركة بعد القذف. إذا كان الفوتون يمتلك تردداً أكبر (أي يمتلك طاقة أكبر)، عندها يُقذَف الإلكترون وتكون له حركة يمكن قياسها. كمية الطاقة المرتبطة بحركة الإلكترون تعادل الطاقة تلك التى امتلكها الفوتون أعلى الكمية الدنيا المطلوبة لقذف إلكترون.
اعتمد الفيزيائيون بشكل كبير على أفكار أينشتاين في الأعوام القليلة التالية، من بينهم نموذج “بور” ذلك الذي قدمه نيلز بور Niels Bohr عام 1913. قام نيلز بور بتطوير نموذج كمومي لذرة الهيدروجين تلك التى تمتلك إلكترونات تدور حول النواة عند قيمٍ محددةٍ من أنصاف الأقطار والطاقة الموافقة لها. عاون ذلك النموذج في توضيح أطياف الانبعاث تلك التى تم رصدها في ذلك الوقت. يترافق الانتقال من مستوى طاقي أعلى إلى مستوى أدنى مع انبعاث فوتونٍ طاقته مساوية لفرق الطاقة بين المستويين.


بعد عشرين سنة من طرح أينشتاين لفكرة طبيعة الجُسيم المرتبطة بالموجة الكهرومغناطيسية، طرح دي بروغلي de Broglie فكرة طبيعة الموجة المرتبطة بالجسيم.لأن الأمواج الكهرومغناطيسية يمكن أن تسلك سلوك الجسيمات وأن تمتلك عزماً (تم وصفه كذلكً في النسبية الخاصة)، اقترح دي بروغلي في 1924 أن الجسيمات يمكن أن تسلك سلوك الأمواج.


العلاقة بين عزم الفوتون وطوله الموجي:

p=h/λ

طرح دي بروغلي فكرة أن الطول الموجي ذلك الذي يصف طبيعة موجة الجسيم هو:

λ=hmv

الجسيمات اللانسبية السرعة Nonrelativistic particles هي جسيماتٌ تتحرك بسرعة ليست قريبة من سرعة الضوء. يساوي عزم الجسيم اللا نسبي السرعة حاصل جداء كتلته بالسرعة. لأجل شيء مثل عربة بوزن 1800 كيلوغرام، تتحرك بسرعة 65 ميل بالساعة (حوالي 30 متر بالثانية)، سيكون الطول الموجي 1.227×10-38 متر، أي صغير للغاية ليتم قياسه. لأجل الكترون يسافر بسرعة تعادل ربع سرعة الضوء، سيكون الطول الموجي 9.698×10-12 متراً، تأثير صغير ومع ذلك قابل للقياس.

تاريخ ازدواجية الموجة ، جسيم.

منذ قد تم طرحُ أفكارٍ على أن الأمواج يمكن أن تسلك سلوك الجسيمات وأن الجسيمات يمكن أن تسلك سلوك الأمواج، كان هناك عدد مذهل من التجارب تلك التى تدعم تلك الأفكار، ولم تُظهر أي من التجارب حدوث معضلة ذات قيمة فيها.
مثال كلاسيكي وهو تجربة الشقين double-slit experiment- ضوء متناسق أحادي اللون يشع عبر شقين- تلك التى تنتج نمطَ تداخلٍ على شاشة بعيدة، وكذلكً لأجل جسيمات، طالما لا نجرب تحديد أي من الشقين ربما عبره الجسيم.

مخططٌ لتجربة الشقين بإستعمال الإلكترونات. ازدواجية موجة الجسيم
مخططٌ لتجربة الشقين بإستعمال الإلكترونات.

تجربة ذات الشقين ، إزدواجية موجة الجسيم

تظهر نتائج تجربة الشقين تلك التى قام بها الدكتور تونومورا Tonomura، نمطَ التداخل المتشكل لإلكترونات مُفردة. عدد الإلكترونات في الصور هو 11 (a), 200 (b), 6000 (c), 40000 (d), 140000 (e).

هل مبدأ التكاملية لازال متماسكاً ؟

نحتاج كلاً من وصف الموجة والجسيم لكي نَصف بشكل شامل الفوتون أو الإلكترون. ومع ذلك كما تُبين تجربة الشقيْن، فلسنا قادرين على قياس كِلا السلوكين في آن معاً. إذا جربنا قياس سلوك الموجة عندها سنرى السلوك الموجي فحسب، ولو جربنا قياس سلوك الجسيم عندها نرى السلوك الجسيمي فحسب. ويُعرف ذلك بمبدأ التكاملية.
الصورة في الأدنى مهمة للغاية، لم يسبق أن قد تم التقاط صورة تحوي كلا السلوكين الموجي والجسيمي معاً. على أي حال، ذلك ليس التقاطاً للطبيعة الموجية والجسيمية لفوتون واحد أو إلكترون واحد، بل هو التقاطٌ للموجة عند تتبادل مع الحقل للفوتونات (حزم الطاقة) مع شعاع من الإلكترونات المستعمل لتصوير الحقل.

تجربة توضح ازدواجية الجسيم

يظهر الجزء الأدنى من الصورة إسقاطاً ثلاثي الأبعاد لخريطة فوقها. يمكن رؤية التكميم على طول المحور x والنمط الموجي على طول المحور y.


يتم حصر حقل كهربائي خاص يُعرف بحقل بولاريتون ذي سطح بلازموني surface plasmon polariton field، على سطح سلك نانويٍ معدني. لا يمكن أن يتحرك الحقل عمودياً على السطح، ومع ذلك يمكن أن يتحرك على طوله، وبذلك يمكن أن يتداخل مع الحقول المرتدة عن نهايات السلك النانوي لتنتج نمط موجة مستقرة، مثل الأمواج الرنانة على وتر.

الموجة الموقوفة ، المستقرة
موجة مستقرة

يتم إنتاج الحقل السطحي عبر التذبذبات الكلية للإلكترونات الحرة على سطح المعدن. يتم إنتاج أنماط الموجة المستقرة (الأنماط الرنانة) عبر إرسال نبض إشعاع ليزر أسفل أحمر بطول موجي يبلغ 800 نانومتر. يسبب نبض الليزر اهتزاز الإلكترونات بشكل كُلي على السطح ذلك الذي يدعى السطح البلازموني، ويتم خلق حقل بولاريتون ذي سطح بلازموني. يستعمل مصطلح بولاريتون لتحديد اقتران قوة الحقل عند إثارة ثنائية القطبية، وذلك بسبب توزع الإلكترونات في السلك النانوي المعدني. يتم الحصول على وضع الرنين عبر تغيير استقطاب (جهة الحقل الكهربائي) لنبضة شعاع الليزر أسفل الأحمر.

يقوم العلماء بحقن الحقل بالإلكترونات لأجل تصويره. تأتي الإلكترونات من بندقية إلكترونية، وتستعمل التأثير الكهروضوئي ذلك الذي ذكرناه من قبلً.يصدم ضوء الليزر أعلى البنفسجي النابض سطح المعدن، ويطلق مجموعة من الإلكترونات بسرعات نسبية.يتم رصد الإلكترونات وقياس التغير في طاقتها. استعمل العلماء طريقةً حديثةً لأجل تصوير الحقل وتدعى “المجهر الإلكتروني ذو الحقل القريب المستحث بالفوتونات” Photon Induced Near-field Electron Microscopy واستعملوا من أجل ذلك مجهرَ إلكترونٍ ذو طاقة مرشحة نافذة وفائقة السرعة.عبر قياس كيف تتأثر طاقة الإلكترون، راقب العلماء كيف تفاعل الحقل مع الإلكترونات. لهذا يمكنهم تصوير الحقل.إذا تسارعت الإلكترونات، عندها تكون الطاقة ربما انتقلت من الحقل إلى الإلكترونات، ولو تباطأت، عندها تكون الطاقة ربما انتقلت من الإلكترونات إلى الحقل.عبر تصفية الإلكترونات تلك التى تسارعت وتصوير كمية الإلكترونات القادمة من موقع معين حول السلك النانوي لفترات تأخير زمنية متعددة، قاموا بتسجيل وسيلة تقدم نمط الموجة المستقرة مع مرور الزمن على سطح السلك النانوي.

تتشكل الموجة المستقرة بعد أن يصلها نبض أشعة الليزر أسفل الحمراء، من ثم تتأرجح القمم والقيعان لنمط الموجة المستقرة صعوداً ونزولاً، تبقى العقد ثابتة، وفي الاخر تتشتت الموجة المستقرة.وفيما تقترب الإلكترونات من الحقل السطحي تتسارع باتجاه الحقل أو بعيداً عنه وذلك بالاعتماد على جهة الحقل في تلك اللحظة. إذا تسارعت الإلكترونات باتجاه الحقل فيما تتوجه نحو الكاشف، سيكون هناك كثير من الإلكترونات القادمة من ذلك الموقع أكبر من المواقع تلك التى لا يتم سحبها نحوها.هذا ما يوفر معلومات حول التغير المكاني للموجة المستقرة على السلك النانوي، ما يسمح بتصوير طبيعة لحقل الموجية على السلك النانوي.

يمتلك الباحثون طريقةً للتحكم بمقدار الوقت بين خلق الحقل الرنان على السلك النانوي المعدني والتفاعل بين الحقل الرنان والإلكترونات. يقومون بذلك عبر تغيير الوقت بين النبض أسفل الأحمر ذلك الذي يخلق الحقل الرنان والنبض أعلى البنفسجي ذلك الذي يصدر حزم الإلكترون. يسمح لهم ذلك بمتابعة الحقل الرنان في الوقت ذلك الذي ينشأ فيه على سطح السلك النانوي المعدني، تبقى عقد الموجة الرنانة عقداً وتتحول القمم إلى قيعان وإلى قمم مرة ثانية. يمكن التحكم بزمن التأخير إلى حدود الفيمتوثانية (جزء من مليون من الثانية). بالمقارنة مع الأفلام تلك التى نشاهدها والتي تعرض عادةً 25 إطاراً في الثانية، كان اولئك العلماء يشاهدون تقريباَ ترليوني إطار في الثانية، ومع ذلك تذكروا أن العملية كلها تكلم في أزمنة أقل بعديد من ثانية. حينما يتفاعل الإلكترون مع حقل كهرومغناطيسي، يتتبادل معان حزماً مكممةً من الطاقة. تُظهر نتائج التجربة طيف امتصاص وإصداراً منفصلاً حينما يتم ضبط وقت التاخير الزمني إلى الصفر. قام العلماء بقياس كميات من الطاقة مقدارها 1.55 إلكترون فولت، ومضاعفات صحيحة لكميات الطاقة.

عبر فلترة الإلكترونات عبر رؤية تلك تلك التى تزايدت الطاقة فيها (الحاصلة على حزم طاقة)، تمكن العلماء من تسجيل متى يتتبادل مع الحقل حزمة طاقة (الفوتون) مع إلكترون. عبر مطابقة معلومات كثافة الإلكترون المكانية لأجل تأخر زمني يساوي الصفر، مع معلومات تتبادل مع حزم الطاقة، تمكن العلماء من التقاط كل من الطبيعة الموجية والجسيمية للحقل السطحي، المبينة عبر تتبادل معها الفوتونات مع إلكترونات التصوير.اتبعت التجربة فى ذلك الحين قواعد ميكانيكا الكم تلك التى نفهمها، عبر عدم رصد طبيعة الموجة والجسيم لأي فوتون مفرد في آن معاً.


المصدر : ناسا بالعربي
ــــــــــــــــــــــــــــ
شارك زملاءك من الزر أدناه لتعم الفائدة

Download



شارك من أجل منفعة الأخرين - شارك موضوع "شرح ازدواجية الموجة ـ الجسيم في صورة واحدة pdf" لأصدقائك

شارك شارك شرح ازدواجية الموجة ـ الجسيم في صورة واحدة pdf على فيسبوكشارك شرح ازدواجية الموجة ـ الجسيم في صورة واحدة pdf على تويترشارك شرح ازدواجية الموجة ـ الجسيم في صورة واحدة pdf على جوجلFacebookشارك شرح ازدواجية الموجة ـ الجسيم في صورة واحدة pdf على موقعكشارك شرح ازدواجية الموجة ـ الجسيم في صورة واحدة pdf على منتدى


موضوعات مشابهة ل "شرح ازدواجية الموجة ـ الجسيم في صورة واحدة pdf"

موضوعات تهمك

التعليقات مغلقة

التعليقات مغلقة. لن تتمكن من اضافة تعليق فى هذه التدوينة