الانتقالات الكمية

بمراقبة شعلة بنزن Bunsen flame غير المضيئة والمحتوية على قليل من بخار الصوديوم ( ملح عادي بالشعلة ) من خلال منشور او مخززة حيود يظهر بالطيف خط وحيد ^* في منطقة اللون الاصفر . ويشمل الجزء المرئي من الضوء بأكمله طولاً موجيا واحداً فقط يناظر هذا الخط . وبالعكس ، اذا مر الضوء الشامل لجميع الاطوال الموجية المرئية المبينة في التحليل الإسبكتروسكوبي ( الطيفي ) خلال بخار صوديوم ،فان الضوء الممتص الوحيد هو ما يناضر هذا الخط الطيفي الاصفر بينما تمر جميع الاطوال الموجية الاخرى دون ان تمتص . هذا الاكتشاف الشهير لكل من كرشوف وبنزن اصبح اساس " التحليل الطيفي  spectram analysis  " . وكالصوديوم ، فلكل عنصر متعادل  neutral  اخر خطوط طيف مميزة – وفي المنطقة المرئية ، ليس خطاً واحداً مثل الصوديوم ) ، وانما عدة خطوط ، فالحديد مثلاً له عدة آلاف من الخطوط في منطقة الطيف المرئي ، ولكل عنصر يوجد خطوط اخرى في منطقة الضوء الاحمر وفوق البنفسجي . ويمكن الحصول على إزاحات طيفية لخطوط الطيف ، وكذا تحليل الخط الواحد منها الى خطوط متلاصقة متعددة ، وذلك بتعريض ذرات انتاج الضوء لتأثير مغنطيسي او كهربائي ( ظاهرة شتارك Stark effect  ) ، وظاهرة زيمان Zeeman effect  ) ومع هذا الاستثناء فان خطوط الطيف لكل عنصر تتحدد بصورة دقيقة ، لذا يمكن بدراسة طيف الشعلة تحديد العناصر بها .

وصار هذا لدى الكيميائيين من اهم طرق الكشف عن ادق آثار العناصر .

تبين مصادر الضوء التي تقوم فيها الجزيئات بدلا من الذرات بإنتاج الضوء أن كل نوع من الجزيئات له طيف محدد مميز .

اصبح التحليل الطيفي من اهم الوسائل المفيدة في مجال علم الفلك astronomy اذ يشمل طيف النجوم والمجرات بصورة اساسية نفس خطوط الطيف التي يمكن الحصول عليها بوضع مختلف العناصر في مسار ضوء المصادر الارضية ، الامر الذي يدل اساساً على ان عالم النجوم جميعه يتكون من نفس العناصر الكيميائية الارضية المألوفة لنا . واكثر من ذلك قدمت لنا دراسات اطياف النجوم وفرة من المعرفة عن الطبيعة الفيزيائية لمختلف الاجرام السماوية والاحوال التي تتعرض لها الذرات المضيئة هناك ، وبصفة خاصة تستثنى من القاعدة خطوط كثيرة في اطياف النجوم لا يمكن الحصول عليها في اي معمل على الارض ، مما يدل على وجود المادة هناك في ظل ظروف لا تتوفر في المعمل ( مثال ذلك الغازات المخلخلة جداً ) وحتى في هذه الحالات لا يوجد عناصر كيميائية خلال عناصر الارض المعروفة. تقدم الاطياف معلومات وفيرة متطورة عن طبيعة الذرات اكثر من طريقة اختبار اخرى . ويبدو بوضوح ان هناك المزيد من المعلومات عن طبيعة ذرة الحديد يمكن الحصول عليها من خلال الآلاف خطوط الطيف لهذا العنصر اكثر من مجرد معلومات عددية بسيطة عن العدد الكتلي mass number  والعدد الذري  atomic number  وابعاد الذرة بالتقريب. ولكن كان من الضروري اولاً فهم معنى هذه الاطياف وهو امر ليس باليسير تماماً . ولم يكن مستغرباً في حد ذاته ان الحركات الداخلية للذرات كانت تتأثر من الخارج بانبعاث الضوء ، اذ من المعلوم ان مكونات الذرة تحمل شحنة كهربائية ، ولذلك تعمل كهوائي صغير عندما تتحرك .

بيد انه لم يمكن تفسير اطرادات الاطياف في اطار تفسير تصور الاشعاع على اساس من مبادئ الميكانيكا الكلاسيكية والالكتروديناميكا . لقد اظهر التحليل الدقيق اطرادات رياضية بسيطة ورشيقة في الاطياف . ففي الهيدروجين مثلا يمكن تمثيل خطوط الطيف بواسطة معادلات رياضية في غاية البساطة ( بالمر ، ليمان ، باشان pascchen, Layman ,Balmer  ) ووضع ريتس Ritz  لكل العناصر قانوناً رياضياَ عاماً في غاية البساطة ( سمي باسمه ) ، بيد انه يستحيل الحصول على تفسير فيزيائي لهذه الاطرادات المحددة بالتجربة تبعاً للتصورات الفيزيائية قبل عام 1900 التي حاولنا شرح افكارها الاساسية في الفصول السابقة . ورغم ما اسهمت به كل دراسات  الطيف في مجالات علوم الكيمياء والفلك ، فقد ظلت هذه الدراسات بمنأى تماماً عن دائرة البنية النظرية لعلم الفيزياء في ذلك الحين . أما ما اكتشفه بالمر وريتس وغيرهما من اطرادات غامضة وقتها فقد ظلت الى جانب الدراسات الطيفية حبيسة متحف العلوم الفيزيائية physical science .

وبظهور نظرية الكم quantum theory على يد بلانك تغيرت الاحوال بصورة مترددة بداية ثم قوية سريعة في السنوات اللاحقة حتى كان عام 1913 عندما اوضح نيلز بور Niels Bohr  إمكان تفسير طيف الهيدروجين ابسط الاطياف على اساس من نظرية الكم وكذلك فهم قاعدة ريتس العامة في اطار هذه النظرية نفسها. ومن وقتها اظهر التطور الثري جداً لأفكار بور فوائد جمة وزادت معلوماتنا عن الاطياف الى حد بعيد في ظل التأثير المتبادل للفكر النظري والابحاث التجريبية . وفي نفس الوقت وضحت الأمور تدريجياً بشأن معني اطرادات هذه الاطياف .

ولفهم قليل من النقاط الرئيسية لهذا التطور لابد مرة أخرى من إهمال التعاقب التاريخي .

لقد أدت " تجارب التصادم الإلكتروني electronic impact " على يد فرانك Franck وهيرتزHertz الى نتائج مذهلة في غاية الاهمية شأنها في ذلك شأن اكتشاف كمات الضوء . وفي هذه التجارب كان يتم قذف ذرات غاز ما أو جزيئات بإلكترونات ذات سرعات محكومة معلومة بدقة وتبين أن التصادمات كانت دائما من النوع المرن تماماً مع الإلكترونات بطيئة السرعة جداً .إذا ضرب من الخارج أي نظام ماكروفيزيائي قابل للذبذبة من الداخل فإنه يتعرض الى حد ما لذبذبات شديدة ويمتص النظام من الجسم المقذوف طاقة داخلية تتراوح بين صفر الى كل طاقة هذا الجسم تبعاً لشدة التصادم ، وفي جميع الحالات التي لا يتم فيها انتقال طاقة بالمرة " وهو أمر بعيد الاحتمال تماما" يكون التصادم " مرناً elastic ".

وتبين تجارب فرانك – هيرتز أن الذرة تسلك في هذا الصدد مسلكاً مختلفا تماماً ، إذ أن الإلكترونات البطيئة جداً لا يمكنها نقل طاقة داخلية الى الذرة كلية ، فالذرة لا تمتص طاقة صغيرة كهذه ، ولكي تمتص الذرة طاقة من إلكترون لابد أن يكون هذا ذا قدر محدد من الطاقة وبحد أدنى ينتقل الى الذرة كاملاً وليس جزءا فيه.

واذا كانت طاقه حركة الكترون أكبر قليلا من هذا الحد الادنى ، فان الذرة لا تمتص دائماً الا بقدر ذلك الحد الادنى من الطاقة . واذا ظلت طاقة الإلكترون أكبر فإن الذرة عند اصطدامها به تمتص منه طاقة أكبر ولكن بمقادير ( محددة) .

ويشتمل محتوى الطاقة في النظام الماكروفيزيائي على قيمة معينة يمكن ان تتغير بصورة مستمرة . أما في حالة الذرة ، فان محتوى الطاقة لا يمكن ان يتغير على نحو مستمر ، وبدلاً من ذلك فهناك " مناسيب طاقة energy levels " محددة للذرة . وسوف يتضح معنى هذه العبارة حالاً إذ بوسعنا توضيح الفرق بين تغير الطاقة المستمر وغير المستمر، وذلك بمقارنة المسار المائل الأملس مع السلم ذي الدرجات . ولكن لا يجب الافتراض بان مناسيب الطاقة ( الدرجات steps ) في الذرة ذات فواصل separation وانما تتغير في الواقع هذه الفواصل لكل ذرة وعلاوة على ذلك ، فان مواضع المناسيب المختلفة للطاقة يختلف من عنصر الى عنصر ، فكل عنصر له كثير من هذه المناسيب المختلفة للطاقة يختلف من عنصر الى عنصر ، فكل عنصر له كثير من هذه المناسيب تتقارب أكثر واكثر حتى حد معين ، إذ زاد عنه ما تمتصه الذرة من طاقة فإنها تصير " متأنية ionized " إذ ينفصل إلكترون من قشرته ويطير حاملاً معه ما زاد من طاقة . هذا التأين ionization  للذرة بتصادمها مع الكترون عالي السرعة بما يكفي تم اكتشافه في حالات قلائل على يد لينارد Lenard . لكننا في مقامنا هذا نواجه مناسيب طاقة اقل من " حد التأين ionization limit  " وهي المناسيب التي تهمنا الى حد كبير .

المفارقة paradox في هذه النتيجة واضحة : ليس بوسع احد تخيل حقيقة تعصف بوحشية كل التصورات التي شيد عليها صرح الفيزياء الكلاسيكية  classical physics  بعد انتهاك مبدأ الاتصال  principle of continuity ، وحيث استقر الرأي على أن الذرة لا يمكن مطلقا أن يكون لها من مناسيب الطاقة إلا ما يناسبها منها بالضبط فلا بد أن نقرر بأن تغييرات الطاقة أيضاً لا يمكن ان تحدث بصورة متصلة . ولهذا السبب لم تعد الذرة كالبنية الماكروفيزيائية حيث يتغير محتوى الطاقة زيادة ونقصا بصورة متصلة . إن تغيير الحالة الذي في ظله تنزاح الذرة من أحد مناسيب طاقتها الى منسوب أخر بعد عملية اساسية غير متصلة discontinuous  ، أي " انتقال (تحول ) كمي quantum transition " فالطبيعة تصنع الانتقالات ! وعلى ما يبدو من مفارقة في هذه النتائج فهي متفقة ومتناغمة مع ما اضطررنا لتقريره بشأن طبيعة الضوء وما تنطوي عليه بنفس القدر من مفارقه.

تعلمنا الآن أن الذرة تغير طاقتها الداخلية في صورة قفزات jumps  غير متصلة ، ومن قبل عرفنا ان طاقة شعاع الضوء- بصورة مختلفة تماماً عن النظرية الموجية الكلاسيكية – تتركز في جسيمات الضوء المستقلة . إذاً ، كلا المفارقتين متفقتان ، كما توصلنا إلى التصور بأن الضوء ينشأ في صورة انتقال . كمي غير متصل لطاقه الذرة التي تبث ايضا ما امتصته من طاقة في صورة كم من ضوء quantum light ، ويحدث العكس في حالة امتصاص الذرة للضوء . قام كل من فرانك وهيرتز ( ومن بعدهما فيزيائيون آخرون كثيرون ) بمراجعة هذا التصور والتحقق من صحته بكل استنتاجاته من خلال اختبارات تجريبية متعددة . وبهذا التصور يمكننا حساب جميع خطوط الطيف لأي ذرة اذا علمنا مناسيب طاقتها ، والعكس بالعكس ، لأننا نعلم أن كم الضوء ذا الطاقة المحددة ( لأنه ناتج من انتقال كمي في ذرة ما يناظر التغير في طاقتها) له ايضا طول موجي محدد تماما يمكن حسابه من الطاقة تبعا للعلاقة السابقة. أمكن ايضا بالتجربة المباشرة التحقق من ان الذرات التي ارتفعت الى منسوب طاقة محدد ربما بالتصادم مع إلكترون يصدر عنها من خطوط الطيف لهذا العنصر فقط التي تناظر منسوب طاقتها " الحالة الابتدائية initial condition " كما امكن أيضاً ملاحظة انتقالات الطاقة بين ذرتين مصطدمتين بحيث تقفز إحداهما الى منسوب طاقة أعلى ، وفي نفس الوقت تهبط الذرة الاخرى لمنسوب الطاقة الادنى ، وما تبقى من طاقة زائدة فإنه يتحول الى طاقة حركة للذرتين المرتدتين عن بعضهما . هذه مجرد تلميحات سريعة ، أما فكرة وجود عمليات مولدة ( أو ماصة ) للضوء فهي فكرة أكدت صحتها القياسات التجريبية الحديثة.

_____________________