مرحبا عزيزي القارئ في سلسلة دروس كيمياء الكم Quantum Chemistry العلم الذي يختص في دراسة سلوك الذرات و الجزيئات والتفاعلات بينها بالاعتماد على ميكانيكا الكم و نظرية الحقل الكمومي كمقاربة بورن اوبنهايمر هدا التخصص يعتبر الفرع الاكتر نجاحا في فروع الفزياء النظرية
نبدأ أولا في العريف بالفرق بين الفيزياء الكلاسيكية و الكمومية من خلال الجدول التالي :
الميكانيك الكلاسيكية :

 

الميكانيك الكلاسيكية ميكانيكا الكم
اﻷجسام الكبيرة والثقيلةاﻷجسام دون الذرية و الخفيفة
حتميةاحتمالية
استمراريةمحددة ,متقطعة, متكممة
مسار محدد دالة موجية
حدسية (يمكن التنبؤ بها)غير حدسية

ميكانيكا نيوتن هي أساس الفيزياء الكلاسيكية و تكون إلى جنب الديناميكا  الحرارية و نظرية اﻷمواج في البصريات و معادلة ماكسويل في النظرية الكهرومغناطيسية ما نسميه الفيزياء الكلاسيكية التي تفسر نطاق واسع من الظواهر الكونية على المستوى الماكروسكوبي . لكن كل هذه النظريات تفشل بشكل ذريع عندما تطبق على ظواهر النظام الذري والنووي، على سبيل المثال :  إشعاع الجسم اﻷسود و التأثير الكهروضوئي
ولهذه اﻷسباب بالذات ظهرت ميكانيكا الكم التي تعتبر حاليا أفضل نظرية تفسر الظواهر الكونية على المستوى الميكروسكوبي و التي ساهمت في تغيير وجهت نظرنا للكون
بعد هذا الفشل تدخل كل من ماكس بلانك و اينشتاين لتفسير هذه الظواهر باستعمال الفرضية الكمومية و بالتالي يعتبران ضمن مؤسسي هذه النظرية إلى جانب وينر هيزنبرغ "Werner Heisenberg" و ماكس بورن "Max Born" و باسكال جوردان "Pascual Jordan" الذين قامو بصياغتها كميكانيكا مصفوفة في منتصف سنة 1920 . ثم على شكل ميكانيكا موجية فيما بعد من طرف إروين شرودينغر Erwin Schrödinger و لويس دو بروكلي Louis de Broglie و اخيرا على شكل إحصاء كمي للأجسام دون الذرية من طرف فيرمي-ديراك و بوز-اينشتاين .. ثم سنة 1930 قام بول ديراك  بجمع النسبية الخاصة و النظرية الكمية في معادلة واحدة "معادلة ديراك"
- الميكانيكا الكلاسيكية : تطبق على اﻷجسام باﻷحجام الطبيعية و ذات الكتل الكبيرة كالتي نراها كل يوم (الكواكب - السيارة - الكرة - البشر الخ ..) نطبق عليها قوانين نيوتن .. و تتميز بالاستمرارية مع امكانية تغيير السرعة و الطاقة و قوة الدفع و باقي خواص الجسم


و عند حل معادلة نيوتن (F=ma) نحصل على مسار يتحرك خلاله الجسم مع الوقت (دائري - مستقيمي الخ ...) كما يمكنك خلال أي وقت أن تتنبأ بمكانه و زخمه .. و الحصول على نفس النتائج عند إعادة التجربة بنفس الشروط البدئية و أخيرا يمكننا فهم طريقة عمله فمثلا عند رمي كرة نعرف أنها ستسقط على اﻷرض بشكل متسارع وبالتالي نحن نفهم طريقة عمل اﻷشياء على هذا المستوى و كيفية التحكم بها

ميكانيكا الكم : تطبق على اﻷجسام الجد صغيرة المكروسكوبية و الخفيفة و تفسر الظواهر على مستوى الذرة والجسيمات دون الذرية .. و هذا مهم في الكيمياء ﻷن المقياس الذي تصبح فيه القوانين الكمية مطبقة هو مقياس الذرات و الالكترونات و الجزيئات .. مايميز ميكانيك الكم هو وجود حالة جد محددة ومختارة على عكس ميكانيك نيوتن التي تعرف وجود مجالات باكملها (Quantized) (وهنا من أين أتت كلمة كم - Quantum) و هذا يعني ان هناك عدد محدد من الحالات التي يمكن أن يتخدها الجسم (مثلا لا يمكنه تغيير طاقته ﻷي قيمة و لكن هناك قيم محددة يمكنه اتخادها) و على عكس الميكانيكا الكلاسيكية لا تطبق عليها قوانين النيوتن و يتم اعتماد معادلة شرودينغر بدلها (سنشرحها في القادم من الدروس) .. تعطينا هذه المعادلة دالة موجية لا تحدد مكان تموضع الجسم المدروس و احداثياته خلال الزمن .. ولكن في المقابل تفسر لنا الجسيم كموجة و كما نعلم فالموجة تنتشر بالفضاء ولا تملك قيم موضع و زخم ثابتة (المقدار الوحيد الثابت فيها هو الطاقة) .. كما أن نتائجها احتمالية لا غير فمثلا لو امتلكنا نظامين في نفس الحالة و قمنا بالقياس عليهما يمكن أن نحصل على نتائج مختلفة !


و لكن هناك فقط احتمالات للنتائج التي يمكن الحصول عليها .. بحيث يمكن تحديد الاحتمالات الممكنة من خلال الدالة الموجية ولكن لا يمكننا تحديد النتيجة التي سنحصل عليها بالضبط و أخيرا لا يمكننا حدس طريقة عمل هذا النظام فهناك الكثير من الميزات التي لن تفهمها قبل فهم معادلة شرودينغر و الدالة الموجية وكيفية عملهما

إعداد : عصام فضيلي

مراجعة علمية : قاسم أمين

اترك رد

اكتب تعليق
أدخل اسمك هنا