اصل تبادل انرژي كوانتومي توسط لايه*ها و زير لايه*ها در اتم*ها

اصل تبادل انرژي كوانتومي توسط لايه*ها و زير لايه*ها در اتم*ها

تعريف : موج الكترومغناطيس توليد شده توسط يك لايه يا يك زير لايه از يك اتم ( تراز انرژي ) ، فقط قابل جذب توسط همان لايه يا زير لايه از اتم ديگر است . به بيان ديگر موج الكترومغناطيس توليد شده توسط يك لايه يا يك زير لايه از يك اتم ، فقط در همان لايه يا زير لايه از اتم ديگر القا يا شارژ ميشود . به طور مثال همانطور كه مي*دانيم تمامي وسايل مخابراتي كه براي انتقال صوت ، تصوير ، اطلاعات و ... از امواج الكترومغناطيسي بهره مي*جويند براي عمل كرد خود يك محدوده فركانس مشخص و تعريف شده استاندارد و بين*المللي دارند كه نمي*توانند و نبايد وارد محدوده فركانسهاي ديگر شوند . به طور مثال امواج برنامه*هاي راديو و تلويزيون ، بي سيم پليس و ادارات ، نيروهاي نظامي ، شركتهاي خصوصي ، موبايل ، ماهواره ، راديو آماتورها و ......... هر كدام براي خود محدوده و پهناي باند دارند كه ورود به حريم ديگران تخلف فركانسي محسوب ميشود و به تاثيرات آن پارازيت گفته ميشود . اما هر دستگاه مخابراتي در نهايت يك محدوديت سخت افزاري براي استفاده از كل فركانسها و هر فركانس يك محدوديت فيزيكي براي كاربرد دارد . در واقع در اتم*ها هم اينگونه است ، يك لايه يا يك زير لايه نمي*تواند امواج گسيل شده توسط لايه*ها يا زير لايه*هاي نا همسان از اتم ديگري را جذب كند . به شكل زير دقت كنيد .



http://www.ki2100.com/images/physics/quantum/2.gif




همانطور كه از شكل فوق برمي*آيد تبادل انرژي فقط در لايه*ها و زير لايه*هاي همسان و مشابه مجاز و عملي است .



علت اين موضوع را مي*توان در پديده زير توجيه نمود .



طيف جذبي :

در سال 1814 فرانهوفر كشف كرد كه اگر به دقت طيف خورشيد را برسي كنيم ، خط*هاي تاريكي در طيف پيوسته آن مشاهده خواهيم كرد . اين مطلب نشان مي*دهد كه بعضي از طول موج*ها در نوري كه از خورشيد به زمين مي*رسد ، وجود ندارد و به جاي آنها ، در طيف پيوسته نور خورشيد خط*هاي تاريك ( سياه ) ديده مي*شود . اكنون مي*دانيم كه گازهاي عناصر موجود در جو خورشيد ، بعضي از طول موج*هاي گسيل شده از خورشيد را جذب مي*كنند و نبود آنها در طيف پيوسته خورشيد به صورت خط*هاي تاريك ظاهر مي*شود . در اواسط قرن نوزدهم معلوم شد كه اگر نور سفيد از داخل بخار عنصري عبور كند و سپس طيف آن تشكيل شود ، در طيف حاصل خطوط تاريكي ظاهر مي*شود . اين خطوط توسط اتم*هاي بخار جذب شده*اند . توضيحات بيشتر در مبحث هندسه دوجيني و ساختار اتم ارايه شده است .



http://ki2100.com/images/mat/atom/4.jpg



در واقع هم در طيف گسيلي و هم در طيف جذبي هر عنصر ، طول موج*هاي معيني وجود دارد كه از ويژگي*هاي مشخصه آن عنصر است . طيف*هاي گسيلي و جذبي هيچ دو عنصري مثل هم نيست . اتم هر عنصر دقيقا همان طول موج*هايي را جذب مي*كند كه اگر دماي آن به اندازه كافي بالا رود و يا به*هر صورت ديگر برانگيخته شود ، آنها را تابش مي*كند . حال اين سوال مهم مطرح ميشود كه انرژي جذب شده توسط اتمها در نهايت چه ميشود ؟

اگر مقدار اين انرژي دريافتي كم باشد در نهايت همگي در داخل اتم جذب و به طرف لايه و زير لايه*هاي بالايي القا و شارژ شده و به صورت طيف مادون قرمز ( حرارت ) دفع ميشوند تا اتم به حالت اوليه و پايدار خود برگردد . طبيعي است كه اگر مقدار انرژي دريافتي نسبتا زياد باشد مستقيما توسط خود لايه*ها و زير لايه*ها دفع ميشود و مسلما مقداري از آن هم به لايه و زير لايه*هاي بالايي صعود و به صورت طيف مادون قرمز دفع خواهد شد . پديده*اي است كه به دفعات و به طور عيني مشاهده شده است . اما چنين به نظر ميرسد كه اين تبادل انرژي در اتمها به صورت پيوسته نبوده بلكه به صورت گسسته و كوانتومي ( بسته*اي ) ميباشد .





انرژي كميتي پيوسته است يا گسسته ؟

براي فهميدن اين موضوع نياز به يك مثال داريم ! همانطور كه مي*دانيم باطري يك انباره الكتريكي است كه جريان الكتريكي پيوسته و يكطرفه*اي را توليد مي*كند كه به اين نوع انرژي الكتريكي ، كميتي پيوسته مي*گويند ولي يك خازن ميتواند مقدار مشخصي از بار الكتريكي به اندازه ظرفيت خود را به صورت لحظه*اي ذخيره و به همان صورت لحظه*اي تخليه كند كه به اين نوع انرژي الكتريكي ، كميتي گسسته يا كوانتومي ( بسته*اي ) گفته ميشود . در فيزيك كلاسيك اگر در صدد توليد امواج راديويي ( الكترومغناطيسي ) باشيم ، مي*بايست اين جريان الكتريكي يكطرفه و پيوسته باطري را به يك جريان الكتريكي متناوب و گسسته تبديل كنيم كه راه آن استفاده از يك خازن و سلف ( سيم لوله ) است . همانطور كه مي*دانيم بار الكتريكي متناوبا مابين سلف و خازن رد و بدل شده و امواج راديويي توليد ميشوند . از طرفي با بالا رفتن فركانس موج ، انرژي موج نيز در واحد زمان افزايش مي*يابد به طور مثال اگر هر فركانس موج را يك ضربه در نظر بگيريم طبيعي است موجي كه فركانس بيشتري داشته باشد مي*تواند در واحد زمان ضربات بيشتري وارد كرده و انرژي بيشتري را انتقال دهد . هرچند كه امواج الكترومغناطيسي در هر طول موج خود دو كميت يا بسته مثبت و منفي را از خود نشان مي*دهند ولي در نهايت چنين به نظر ميرسد كه با تواتر يكنواخت و ثابت موج الكترومغناطيس كميت آن به صورت پيوسته باشد يعني شكل زير :



http://ki2100.com/images/physics/quantum/4.gif




ولي در فيزيك هسته*اي يا مكانيك كوانتومي معلوم شده است كه انرژي الكترومغناطيسي مابين اتم*ها به صورت بسته*هاي انرژي رد و بدل ميشود كه نام اين بسته*هاي انرژي را فوتون گذارده*اند و در محاسبات رياضي ( اندازه مقدار انرژي ) از آن استفاده مي*كنند . كوانتوم نور كه فوتون ناميده شده است مقدار مشخص از انرژي است كه اندازه آن E از رابطه E=hν به دست مي*آيد كه ν فركانس موج و h ثابت كوانتوم پلانك است كه مقدار خردي معادل 34-^10*6.626 ژول بر ثانيه دارد . مقدار h كوانتوم پايين انرژي الكترومغناطيس در نظر گرفته ميشود كه مربوط به يك سيكل موج ميشود . يكي از بزرگترين مناقشات و چالشها در علم فيزيك بر سر اين موضوع است كه آيا نور ماهيت موجي دارد يا ذره*اي كه نيوتن ماهيت ذره*اي را براي نور قائل بود كه بعدا مشخص شد نور خاصيت موجي دارد و در نهايت با توجيه كوانتومي پديده فتوالكتريك توسط انيشتين عنوان شد كه نور خاصيت ذره*اي دارد و اينك با توضيحات زير اين موضوع را مجددا تحت برسي قرار ميدهيم .

هر لايه يا زير لايه اتم به منزله يك سلف ( سيم لوله ) يا يك خازن ميتواند انرژي مشخصي را به صورت ميدان الكتريكي در خود جذب و ذخيره كند كه با افزايش آن ، يكجا و به صورت يك بسته ( كوانتوم ) از انرژي دفع ميشود كه در اين حالت هرقدر به هسته و مركز اتم نزديك شويم بر شدت ميدان الكتريكي افزوده و هر چه از مركز هسته فاصله بگيريم از شدت ميدان الكتريكي كاسته ميشود . پس ميتوان نتيجه گرفت كه كوانتوم*هاي انرژي دفع شده از لايه*ها و زير لايه*هاي پايين اتم ، پر انرژي*تر از كوانتوم*هاي انرژي دفع شده از لايه*ها و زير*لايه*هاي بالاتر اتم است . آنچه كه اتفاق مي*افتد اين است كه امواج الكترومغناطيسي بسته به فركانس*شان در لايه و يا زير لايه مربوطه اتم القا و شارژ ميشوند و باعث بالا رفتن پتانسيل ميدان الكتريكي در لايه يا زير لايه ميشوند كه اين افزايش پتانسيل باعث شتاب الكترونها در صورت وجود در لايه و زير لايه*ها ميشود كه اگر اين انرژي و شتاب الكترون به اندازه كافي باشد الكترون به مدار بالاتر جهش مي*كند كه در نهايت با تخليه انرژي به صورت ميادين و امواج الكترومغناطيسي ، الكترون به مدار قبلي تنزل مي*كند . در واقع بجاي اينكه E=hν را مربوط به انرژي جنبشي ذره مادي به نام فوتون تعبير كنيم مي*توانيم آن را انرژي پتانسيل الكتريكي ذخيره شده در لايه يا زير لايه اتم بدانيم كه با افزايش فركانس موج يا شدت ميدان الكتريكي لايه و زير لايه رابطه مستقيم داشته ولي با افزايش محيط مدار يعني افزايش شعاع مدار رابطه معكوس دارد . پس مي*توان نتيجه گرفت كه ميادين الكتريكي به صورت دايره*وار پيرامون هسته اتم*ها شكل مي*گيرند كه اگر به صورت كره بود اين انرژي ميبايست با مجذور فاصله ( شعاع مدار ) رابطه معكوس داشته باشد كه چنين نيست . به طور مثال طول موج طيف بنفش مريي از 390 الي 430 نانومتر و طول موج طيف قرمز 650 الي 800 نانومتر است ، در واقع فركانس طيف بنفش مريي تقريبا دو برابر تواتر طيف قرمز مريي است كه طبق رابطه پلانك انرژي طيف بنفش مريي تقريبا دو برابر طيف قرمز مريي خواهد بود كه بيانگر اين موضوع است كه پتانسيل و شدت ميدان الكتريكي در لايه اول اتم درست دو برابر پتانسيل و شدت ميدان الكتريكي در لايه هفتم اتم است براي اينكه شعاع مدار و محيط مدار ، دو برابر و بدنبال آن پتانسيل و شدت ميدان الكتريكي نصف و بدنبال آن سرعت زاويه*اي الكترون كاهش و فركانس و تواتر نيز نصف شده است . يعني اگر شدت ميدان الكتريكي در پيرامون يك بار الكتريكي ساكن با عكس مجذور شعاع متناسب باشد يعني E≈1/r² ، شدت ميدان الكتريكي در پيرامون يك بار الكتريكي دوار ( با اسپين ) يعني هسته اتم با عكس شعاع مدار متناسب است يعني E≈1/r . كه در حالت كلي بيانگر اين موضوع است كه شدت ميدان الكتريكي در مدارهاي اتم با شعاع مدار رابطه عكس دارد نه با مجذور شعاع مدارها . البته اين رابطه بر روي صفحه*اي كه مدارها روي آن قرار گرفته*اند و اين صفحه با محور دوران هسته عمود است متصور ميباشد يعني شكل زير :



http://ki2100.com/images/physics/quantum/5.gif



در نهايت ميتوان اشكال زير را براي ميادين الكتريكي و الكترومغناطيسي پيرامون اتم يا يك ذره باردار تصور نمود :




http://ki2100.com/images/physics/quantum/1.jpg




http://ki2100.com/images/physics/aurora/3.gif





حد نهايي دما براي ماده :


همانطور كه مي*دانيم موج الكترومغناطيس حامل انرژي است و اصولا خودش هيچ دمايي ندارد و بعد از اينكه بر ماده*اي تابش كرد ، انرژي آن در ماده يا بهتر است بگوييم ترازهاي انرژي يا لايه*ها و زير لايه*ها شارژ يا جذب و باعث بالا رفتن دما در ماده ميشود ، براي اينكه يك تابش ثابت مي*تواند حرارتهاي مختلفي در مواد و رنگهاي گوناگون ايجاد كند كه علت آن توضيح داده شد و مربوط به خود رنگ و تيرگي و روشني آن ميشود . فرض كنيد بينهايت انرژي الكترومغناطيسي را در نقطه*اي تشديد و يا متمركز كرديم ، دما در آن نقطه معني ندارد زيرا بعد از اينكه ماده در آن نقطه قرار گرفت دما معني پيدا مي*كند آنهم براي ماده نه براي خود موج الكترومغناطيسي و دما در اين ماده تا جايي بالا مي*رود كه ماده توان جذب آن موج الكترومغناطيس را داشته باشد و زماني كه ترازها و يا لايه*هاي انرژي منتفي و مضمحل شدند ، دما در همان نقطه ثابت ميشود و بيشتر از آن بالا نمي*رود و معني و مفهوم هم نخواهد داشت .



جهت برسي طيف نشري خطي عناصر ، اگر اين عنصر به صورت گاز باشد درون لامپ خلا نموده ، فشار گاز را كم كرده و بعد از تخليه الكتريكي در آن ، طيف عنصر را با عبور از منشور تجزيه و برسي ميكنند . ولي اگر اين عنصر جامد و يا مايع باشد ابتدا آن را بخار كرده و سپس درون لامپ خلا با تخليه الكتريكي يونيزه نموده و طيف آن را بعد از عبور در منشور ، تجزيه و مطالعه مي*كنند . ولي طيف گازها در فشار زياد ( ستارگان ) و اجسام ( جامدات ) پيوسته بوده و به صورت خطي نمي*باشد و اين طيف مستقل از نوع عنصر است و فقط به حرارت عنصر وابسته است ، اگر حرارت پايين باشد فقط طيف مادون قرمز و اگر خيلي داغ باشد طيف ماوراي بنفش نيز توليد و منتشر ميشود و با اين شيوه اندازه گيري ، حرارت عناصر سنجيده ميشود . در واقع فشار در گازها و تراكم در جامدات مي*تواند طيف نشري خطي آنها را به طيف پيوسته*اي تبديل كند . به شكل زير توجه نماييد :



http://ki2100.com/images/forum/c.gif



چنين به نظر ميرسد كه الكترونها در زماني كه فشار گاز كم است در روي مدارها ( لايه*ها و زير لايه*ها ) حضور دارند ، يعني چرخش آنها به دور هسته روي خط است . ولي الكترونها در زماني كه فشار گاز زياد است در ميان مدارها ( ميان لايه*ها و زير لايه*ها ) حضور دارند يعني چرخش آنها به دور هسته روي منطقه و باندي از سطح صفحه ميباشد .