الضوء وطاقة الكم

1-1 الضوء وطاقة الكم

Light and Quantized Energy

الأهداف

• تقارن بين الطبيعة الموجية والجسيمية للضوء.
• تعرف طاقة الكم، وتفسر كيفية ارتباطها مع تغير طاقة المادة.
• تقارن بين الطيف الكهرومغناطيسي المستمر وطيف الانبعاث الذري.

مراجعة المفردات

الإشعاع: هو الأشعة أو الجسيمات، ومنها جسيمات ألفا، وجسيمات بيتا، وأشعة جاما، المنبعثة عن مادة مشعة.

المفردات الجديدة

• الإشعاع الكهرومغناطيسي
• الطول الموجي
• التردد
• سعة الموجة
• سرعة الموجة
• الطيف الكهرومغناطيسي
• الكم
• ثابت بلانك
• التأثير الكهروضوئي
• الفوتون
• طيف الانبعاث الذري

الفكرة الرئيسية

للضوء، وهو نوع من الإشعاع الكهرومغناطيسي، طبيعة ثنائية: موجية وجسيمية.

الربط مع الحياة

هل قمت يومًا بتسخين وجبة طعام باردة في الميكروويف؟ عندما تصل موجات الميكروويف إلى الطعام تقوم حزم صغيرة من الطاقة بتسخينه في وقت قصير.

---

الذرة والأسئلة التي تحتاج إلى إجابات

The Atom and Unanswered Questions

بعد اكتشاف الجسيمات الثلاثة المكوّنة للذرة مع بداية القرن التاسع عشر، واصل العلماء جهودهم لفهم تركيب الذرة وتوزيع الإلكترونات داخلها.

اقترح رذرفورد أن شحنة نواة الذرة موجبة، وأن كتلة الذرة متركزة في النواة المحاطة بإلكترونات سريعة الحركة. غير أن هذا النموذج لم يوضح كيفية ترتيب الإلكترونات في الفراغ حول النواة، ولم يوضح أيضًا سبب عدم انجذاب الإلكترونات السالبة الشحنة إلى النواة الموجبة الشحنة. كما أن هذا النموذج لم يمكن العلماء من تفسير الاختلاف والتشابه في السلوك الكيميائي للعناصر المختلفة.

فعلى سبيل المثال، توجد عناصر الليثيوم والصوديوم والبوتاسيوم في دورات مختلفة من الجدول الدوري، ومع ذلك فخواصها الكيميائية متشابهة؛ فهي تظهر في صورة فلزات في الطبيعة، وتتفاعل ذراتها بشدة مع الماء مطلقة غاز الهيدروجين، ولكنها تختلف في شدة تفاعلها، حيث يتفاعل كل من الصوديوم والبوتاسيوم بشدة مع الماء، كما في الشكل 1-1، حتى إن غاز الهيدروجين قد يشتعل عندئذ أو ينفجر.

في أوائل القرن التاسع عشر بدأ العلماء كشف لغز السلوك الكيميائي؛ إذ لاحظوا انبعاث ضوء مرئي من عناصر معينة عند تسخينها بواسطة اللهب. وأظهر تحليل هذا الضوء المنبعث ارتباط سلوك العنصر الكيميائي بتوزيع الإلكترونات في ذراته. ولفهم هذه العلاقة وطبيعة البناء الذري، سيكون من المفيد أولًا فهم طبيعة الضوء.

الشكل 1-1

الصورة التابعة: صفحة12_الشكل_1_1_تفاعلات_الليثيوم_والصوديوم_والبوتاسيوم_في_الماء.png

للعناصر المختلفة تفاعلات متشابهة في الماء، لكنها تختلف في شدة التفاعل.
العناصر الظاهرة: ليثيوم، صوديوم، بوتاسيوم.
الاتجاه الموضح أسفل الصور: زيادة شدة التفاعل.

---

الطبيعة الموجية للضوء

The Wave Nature of Light

يُعد الضوء المرئي نوعًا من الإشعاع الكهرومغناطيسي، وهو شكل من أشكال الطاقة الذي يسلك السلوك الموجي في أثناء انتقاله في الفضاء. ومن الأمثلة الأخرى للإشعاع الكهرومغناطيسي الميكروويف الذي يستخدم في طهي الطعام، والأشعة السينية التي يستخدمها الأطباء لفحص العظام والأسنان، والموجات التي تحمل برامج المذياع والتلفاز إلى المنازل.

خصائص الموجات

يمكن أن توصف الموجات جميعها بخصائص عدة، قد يكون بعضها مألوفًا لك؛ فعندما يرمي شخص حجرًا في بركة ماء مثلًا تتكون موجات دائرية مركزها الحجر الذي رميته تشبه تلك التي تظهر في الشكل 1-2a.

الطول الموجي هو أقصر مسافة بين قمتين متتاليتين أو قاعين متتالين، كما هو موضح في الشكل 1-2b، ويرمز له بالرمز اليوناني لامدا Lambda ويرمز له بالرمز λ. ويقاس بالأمتار أو السنتمترات أو النانومترات:

1 nm = 1 × 10^-9 m

التردد هو عدد الموجات التي تعبر نقطة محددة خلال ثانية، ويرمز له بالرمز f، ويقاس التردد بالهرتز Hz، وهو وحدة قياس عالمية تساوي موجة واحدة في الثانية. وفي الحسابات، يعبّر عن التردد بوحدة موجة لكل ثانية:

652 Hz = 652 موجة/ثانية أو 652/s أو 652 s^-1

1 Hz = 1 × 10^-3 KHz
1 Hz = 1 × 10^-6 MHz

تعلمت سابقًا أنه يمكنك إحداث موجة مستعرضة كتلك التي تظهر في الشكل 1-2b بتحريك نهاية الحبل الحرة إلى أسفل أو أعلى مسافة كبيرة. وتعرف سعة الموجة بأنها مقدار ارتفاع القمة أو انخفاض القاع عن مستوى خط الأصل. والطول الموجي والتردد لا يؤثران في سعة الموجة.

تنتقل الموجات الكهرومغناطيسية، ومنها الضوء المرئي، بسرعة ثابتة 3.00 × 10^8 m/s في الفراغ. وتعرف المسافات التي تقطعها الموجة في الثانية الواحدة أثناء انتشارها بسرعة الموجة، ويرمز لسرعة الضوء بالرمز c، وهي تساوي حاصل ضرب الطول الموجي λ للضوء في تردده f.

معدل سرعة الموجة الكهرومغناطيسية

الصورة التابعة: صفحة13_معدل_سرعة_الموجة_الكهرومغناطيسية.png

c = λ f

حيث إن:
c: سرعة الضوء في الفراغ.
λ: الطول الموجي.
f: التردد.

سرعة الضوء في الفراغ تساوي حاصل ضرب التردد في الطول الموجي.

الشكل 1-2

الصورة التابعة: صفحة13_الشكل_1_2_خصائص_الموجات_القمم_والقيعان.png

a. الموجات المائية الناتجة عندما تتحرك القطارة المهتزة خلال الموجات.
b. السعة، والطول الموجي، والتردد هي مميزات رئيسة للموجات.

سؤال داخل الشكل:
حدد من الصورة قمة، وقاعًا، وطولًا موجيًا.

---

الشكل 1-3

الصورة التابعة: صفحة14_الشكل_1_3_العلاقة_بين_التردد_والطول_الموجي.png

توضح هذه الموجات العلاقة بين الطول الموجي والتردد. فكلما ازداد الطول الموجي قل التردد.

سؤال استنتاج:
هل يؤثر التردد والطول الموجي في سعة الموجة؟

على الرغم من تساوي سرعة الموجات الكهرومغناطيسية جميعها في الفراغ، إلا أنه قد يكون للموجات أطوال موجات وترددات مختلفة. وكما ترى من المعادلة في الصفحة السابقة، فإن الطول الموجي والتردد يتناسبان عكسيًا أحدهما مع الآخر. ولفهم هذه العلاقة على نحو أفضل، تفحص الموجتين المرسومتين في الشكل 1-3. فعلى الرغم من أن كلتا الموجتين تنتقلان بسرعة الضوء، إلا أنك تستطيع ملاحظة أن الموجة الحمراء لها طول موجة أكبر وتردد أقل من الموجة البنفسجية.

الطيف الكهرومغناطيسي

يحتوي ضوء الشمس، وهو مثال على الضوء الأبيض، على مدى متصل من أطوال الموجات والترددات. وعند مرور الضوء الأبيض من خلال المنشور ينفصل إلى طيف متصل من الألوان يشبه الطيف المبين في الشكل 1-4، وهذه هي ألوان الطيف المرئي المسمى بالطيف المستمر؛ وذلك لأن كل نقطة فيه توافق مع طول موجة وتردد عزيزين. وقد تكون ألوان هذا الطيف مألوفة لديك، فإذا كنت قد رأيت قوس المطر من قبل فقد رأيت الألوان المرئية كلها مرة واحدة.

ويتشكل قوس المطر عندما تشتت قطرات الماء الصغيرة الموجودة في الهواء ضوء الشمس الأبيض إلى ألوانه؛ إذ يتشكل الطيف في صورة قوس في السماء.

ملف في الكيمياء: محللو الطيف

الصورة التابعة: صفحة14_ملف_في_الكيمياء_محلل_الطيف.png

تحليل الطيف هو دراسة الطيف الممتص أو المنبعث من المادة. وبما أن لكل عنصر طيفًا مميزًا وفريدًا من نوعه ويشبه بصمة الإصبع، لذا يستخدم علماء الفيزياء الفلكية التحليل الطيفي للكشف عن مكونات بعض النجوم مثل الشمس. وتظهر طيف الامتصاص النجمي خطوطًا معتمة كثيرة، تمكن محللي الطيف من تعرف العناصر الموجودة في النجم.

الشكل 1-4

الصورة التابعة: صفحة14_الشكل_1_4_تحليل_الضوء_الأبيض_بالمنشور.png

عندما يمر الضوء الأبيض عبر منشور ينفصل إلى مكوناته المختلفة كطيف متصل: الأحمر، والبرتقالي، والأصفر، والأخضر، والأزرق، والنيلي، والبنفسجي.

---

صفحة 15

يظهر الطيف المرئي للضوء في الشكل 1-4 كجزء بسيط من الطيف الكهرومغناطيسي الكامل، الموضح في الشكل 1-5. ويشمل الطيف الكهرومغناطيسي على أشكال الإشعاع الكهرومغناطيسي كلها، وهو عبارة عن سلسلة من الموجات المتصلة التي تسير بسرعة الضوء، والتي تختلف في التردد والطول الموجي فقط.

ويظهر الشكل 1-4 اختلاف زاوية ميل الإشعاع باختلاف الطول الموجي أثناء مروره خلال المنشور، ما ينتج عنه سلسلة من الألوان: أحمر، برتقالي، أصفر، أخضر، أزرق، نيلي، وبنفسجي. كما تلاحظ عند دراسة طاقة الإشعاع المبينة في الشكل 1-5 أن الطاقة تزداد كلما ازداد التردد. وبناءً على ذلك، يظهر الشكل 1-3 أن تردد الضوء البنفسجي أكبر؛ وعليه فإن طاقته أكبر من الضوء الأحمر. وستدرس لاحقًا العلاقة بين التردد والطاقة.

يمكنك استخدام المعادلة:

c = λ f

لحساب الطول الموجي أو التردد لأي موجة؛ وذلك لأن الموجات الكهرومغناطيسية كلها تنتقل بالسرعة نفسها في وسط معين.

ماذا قرأت؟

اذكر العلاقة بين طاقة الإشعاع الكهرومغناطيسي وتردده.

الربط مع الفيزياء

تتعرض أجسامنا للإشعاع الكهرومغناطيسي من مصادر متنوعة. فبالإضافة إلى الإشعاع الصادر من الشمس، ينتج عن النشاطات الإنسانية إشعاعات تشمل موجات الراديو والتلفزيون، ومحطات تقوية الهاتف، والمصابيح، ومعدات الأشعة السينية الطبية. كما تساهم المصادر الطبيعية على الأرض مثل البرق والنشاط الإشعاعي الطبيعي في ذلك. وتعتمد معرفة الكون على الإشعاع الكهرومغناطيسي المنبعث من الأجسام البعيدة كالنجوم التي ترصد بأجهزة متخصصة على الأرض.

جائزة الملك فيصل

الصورة التابعة: صفحة15_جائزة_الملك_فيصل_ومجال_الطاقة_الذرية.png

مُنح البروفسور مصطفى عمرو السيد جائزة الملك فيصل / فرع العلوم عام 1410هـ؛ لأنه برع في استعمال الطيف، وكان من الكيميائيين الفيزيائيين المعاصرين، وله بحوث وضعته في الصف الأول من العاملين بالدراسات الطيفية.

ومن الممكن أن تؤدي دراساته في مجال الطاقة الضوئية إلى نتائج عملية مفيدة للإنسان في مجال الاستفادة من الطاقة الشمسية.

وقد سميت بعض قواعد التفاعلات التي اكتشفها باسمه، فيقال عنها قواعد السيد.

الشكل 1-5

الصورة التابعة: صفحة15_الشكل_1_5_الطيف_الكهرومغناطيسي.png

يشمل الطيف الكهرومغناطيسي مدى واسعًا من الترددات، ويشكل جزء الطيف المرئي منه حيزًا ضيقًا جدًا. وكلما زادت الطاقة والتردد قل الطول الموجي.

المناطق الموضحة في الشكل:

• موجات الراديو
• موجات الميكروويف
• تحت الحمراء
• الضوء المرئي
• فوق البنفسجي
• الأشعة السينية X
• أشعة جاما

---

مثال 1-1

حساب الطول الموجي لموجة كهرومغناطيسية

تستخدم موجات الميكروويف في طهي الطعام ونقل المعلومات. فما الطول الموجي لموجات الميكروويف التي ترددها:

3.44 × 10^9 Hz ؟

1. تحليل المسألة

تردد موجة الميكروويف معطى. وتعرف أيضًا أن موجات الميكروويف هي جزء من الطيف الكهرومغناطيسي الذي يرتبط كل من سرعته وتردده وطول موجته مع المعادلة:

c = λ f

حيث قيمة c معروفة وثابتة. لذا قم أولًا بحل المعادلة للحصول على الطول الموجي، ثم عوض القيم المعروفة لحسابه.

المعطيات

f = 3.44 × 10^9 Hz
c = 3.00 × 10^8 m/s

المطلوب

λ = ? m

2. حساب المطلوب

حل المعادلة التي تربط بين السرعة والتردد والطول الموجي للموجة الكهرومغناطيسية للحصول على الطول الموجي λ.

اكتب معادلة معدل سرعة الموجة الكهرومغناطيسية:

c = λ f

حل لإيجاد λ:

λ = c / f

عوض قيم:

c = 3.00 × 10^8 m/s
f = 3.44 × 10^9 Hz

λ = 3.00 × 10^8 m/s ÷ 3.44 × 10^9 Hz

لاحظ أن الهرتز يساوي 1/s أو s^-1.

λ = 3.00 × 10^8 m/s ÷ 3.44 × 10^9 s^-1

λ = 8.72 × 10^-2 m

3. تقويم الإجابة

الإجابة معبر عنها بوحدات صحيحة للطول الموجي وهي المتر m. وكلتا القيمتين المعروفتين في المسألة معبر عنها بثلاثة أرقام معنوية، لذا يجب أن تحتوي الإجابة على ثلاثة أرقام معنوية، وهي كذلك. وقيمة الطول الموجي ضمن نطاق الطول الموجي للميكروويف المبين في الشكل 1-5.

مسائل تدريبية

• تحصل الأجسام على ألوانها من خلال عكسها أطوالًا موجية معينة عندما يصطدم بها اللون الأبيض. فإذا كان الطول الموجي للضوء المنعكس من ورقة خضراء يساوي 4.90 × 10^-7 m، فما تردد موجة هذا الضوء؟

• يمكن للأشعة السينية أن تخترق أنسجة الجسم وتستعمل على نطاق واسع لتشخيص اضطرابات أجهزة الجسم الداخلية ومعالجتها. ما تردد أشعة سينية طولها الموجي 1.15 × 10^-10 m؟

• بعد تحليل دقيق، وجد أن تردد موجة كهرومغناطيسية يساوي 7.8 × 10^2 Hz. ما سرعة هذه الموجة؟

• تحفيز: تذيع محطة راديو FM بتردد مقداره 94.7 MHz، في حين تذيع محطة AM بتردد مقداره 820 KHz. ما الطول الموجي لكل من المحطتين؟ أي الرسمين أدناه يعود إلى محطة FM، وأيهما يعود إلى محطة AM؟

الصورة التابعة: صفحة16_رسم_الموجات_في_مسائل_تدريبية_FM_AM.png

---

الطبيعة المادية للضوء

The Particle Nature of Light

على الرغم من أن اعتبار الضوء موجة يفسر الكثير من سلوكه، إلا أن هذه الحقيقة قد فشلت في تفسير الكثير من صفات الضوء التي تبين أنه مادة؛ إذ لم يستطع النموذج الموجي للضوء تفسير لماذا تطلق الأجسام الساخنة فقط ترددات محددة من الضوء عند درجات حرارة معينة، أو لماذا تطلق بعض الفلزات إلكترونات عندما يسقط عليها ضوء ذو تردد معين. لذا أدرك العلماء الحاجة إلى بناء نموذج جديد، أو مراجعة النموذج الموجي للضوء لمعالجة هذه الظواهر.

مفهوم الكم

تشع الأجسام ضوءًا عند تسخينها. انظر الشكل 1-6 الذي يوضح هذه الظاهرة؛ إذ تبدو قطعة الحديد رمادية داكنة عند درجة حرارة الغرفة، ولكنها تتوهج باللون الأحمر عند تسخينها بصورة كافية، ثم تتحول إلى اللون البرتقالي، ثم إلى اللون الأزرق إذا سخنت أكثر. وسوف تتعلم أن درجة حرارة الجسم مقياس لطاقة حركة الجسيمات المكونة له. فكلما سخن الحديد أصبحت طاقته أكبر، ويبعث ألوانًا مختلفة من الضوء ذات ترددات وأطوال موجية مميزة لها.

لم يستطع النموذج الموجي تفسير انبعاث هذه الأطوال الموجية المختلفة. وفي عام 1900م بدأ الفيزيائي الألماني ماكس بلانك 1858-1947م البحث عن هذه الظاهرة عندما كان يدرس الضوء المنبعث من الأجسام الساخنة. وقادته هذه الدراسة إلى استنتاج مدهش، وهو أنه يمكن للمادة أن تكتسب أو تخسر طاقة على دفعات بكمية صغيرة محددة تسمى الكم. والكم هو أقل كمية من الطاقة يمكن أن تكتسبها الذرة أو تفقدها.

ماذا قرأت؟

فسر لماذا يتغير لون الأجسام الساخنة تبعًا لدرجة حرارتها؟

أدت الخبرة السابقة بالعلماء إلى الاعتقاد أنه يمكن أن تمتص الطاقة أو تشع في كميات متغيرة وباستمرار دون حد أدنى لهذه الكمية. فعلى سبيل المثال، فكّر في عملية تسخين شريحة من الخبز داخل فرن الميكروويف، فقد يبدو لك أنك تستطيع إضافة أي كمية من الطاقة الحرارية إلى شريحة الخبز عن طريق التحكم في القوة والفترة الزمنية للفرن. والحقيقة أن درجة الحرارة تزداد بكميات صغيرة متواصلة عندما تمتص جزيئاتها كمًا محددًا من الطاقة. ولأن عملية ازدياد درجة الحرارة تحدث تدريجيًا ببطء، لذا تبدو الزيادة في درجة الحرارة وكأنها مستمرة بدلًا من حدوثها على دفعات صغيرة.

المفردات الأكاديمية

الظاهرة: حقيقة أو حدث قابل للملاحظة.
خلال العواصف المطرية تمر عادة التيارات الكهربائية من الغيوم إلى الأرض أو بين الغيوم نفسها، وهذه ظاهرة تدعى البرق.

الشكل 1-6

الصورة التابعة: صفحة17_الشكل_1_6_لون_الجسم_الساخن_وعلاقته_بطاقة_الإشعاع.png

يعتمد طول موجة الضوء المنبعث من فلز ساخن، مثل الحديد الموجود عن اليمين، على درجة الحرارة. فالحديد رمادي في درجة حرارة الغرفة، ويتحول أولًا إلى اللون الأحمر، ثم إلى البرتقالي الوهاج.

سؤال الشكل:
فسر العلاقة بين اللون ودرجة حرارة الفلز.

---

اقترح بلانك أن الطاقة المنبعثة من الأجسام الساخنة مكمّاة، ثم أثبت رياضيًا وجود علاقة بين طاقة الكم وتردد الإشعاع المنبعث.

طاقة الكم

الصورة التابعة: صفحة18_معادلة_طاقة_الكم.png

E quantum = h f

حيث إن:
E: طاقة الكم
h: ثابت بلانك
f: التردد

طاقة الكم تساوي حاصل ضرب ثابت بلانك في تردد الضوء.

ثابت بلانك يساوي:

h = 6.626 × 10^-34 J.s

حيث إن J رمز الجول، وهو وحدة الطاقة العالمية. وتظهر المعادلة أن طاقة الإشعاع تزداد بازدياد تردده f.

واعتمادًا على نظرية بلانك لكل تردد معين، فإن المادة تشع أو تمتص طاقة بمضاعفات صحيحة لقيم:

h f, 2 h f, 3 h f

وما إلى ذلك. وتشبه هذه العملية بناء طفل لجدار من المكعبات الخشبية؛ إذ يستطيع الطفل أن يزيد أو ينقص من ارتفاع الجدار بوضع أو إزالة عدد من المكعبات. وبالمثل تمتلك المادة مقادير محددة وثابتة من طاقة الكم، لا يوجد بينها كميات أخرى من الطاقة.

التأثير الكهروضوئي

توصل العلماء إلى أن النموذج الموجي للضوء لم يكن قادرًا على تفسير الظاهرة المسماة بالتأثير الكهروضوئي.

وفي التأثير الكهروضوئي تنبعث الإلكترونات المسماة الفوتوإلكترونات من سطح الفلز عندما يسقط عليه ضوء بتردد مساوٍ لتردد الفوتون أو أعلى منه، على سطح الفلز، كما في الشكل 1-7. ويتنبأ النموذج الموجي أن حتى الضوء المنخفض الطاقة والمنخفض التردد سوف يتراكم ويوفر الطاقة اللازمة لإطلاق الفوتوإلكترونات من فلز ما مع مرور الوقت. وفي الحقيقة، لن يطلق الفلز الفوتوإلكترونات إذا كان الضوء الساقط عليه ذا تردد أقل من التردد اللازم لإطلاق الفوتوإلكترون.

فعلى سبيل المثال، لا يمكن للضوء الأقل ترددًا من:

1.14 × 10^15 Hz

إطلاق الفوتوإلكترونات من فلز الفضة مهما كانت شدته أو زمن تأثيره. إلا أن الضوء الباهت الذي تردده يساوي:

1.14 × 10^15 Hz

أو أكبر من ذلك يطلق الفوتوإلكترونات من فلز الفضة.

ماذا قرأت؟

صف التأثير الكهروضوئي.

الكيمياء في واقع الحياة

الطاقة الشمسية

الصورة التابعة: صفحة18_الكيمياء_في_واقع_الحياة_الخلايا_الكهروضوئية.png

الخلايا الكهروضوئية تستعمل التأثير الكهروضوئي في تحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كهربائية.

الشكل 1-7

الصورة التابعة: صفحة18_الشكل_1_7_التأثير_الكهروضوئي.png

يحدث التأثير الكهروضوئي عندما يصطدم ضوء بتردد معين بسطح فلز فتنطلق الإلكترونات. وعندما تزداد شدة الضوء يزداد عدد الإلكترونات المنبعثة. وعندما يزيد تردد الضوء، تزيد طاقة الإلكترونات المنبعثة.

---

الطبيعة الثنائية للضوء

اقترح ألبرت أينشتاين في عام 1905م لتوضيح التأثير الكهروضوئي أن للضوء له طبيعة ثنائية؛ فلحزمة الضوء خواص موجية وأخرى مادية. ويمكن القول إنه حزمة من أشعة من الطاقة تسمى الفوتونات. والفوتون جسم لا كتلة له يحمل كمًا من الطاقة. واستنادًا لفكرة بلانك عن طاقة الكم، وجد أينشتاين أن طاقة الفوتون تعتمد على تردده.

طاقة الفوتون

الصورة التابعة: صفحة19_معادلة_طاقة_الفوتون.png

E photon = h f

حيث إن:
E: طاقة الفوتون
h: ثابت بلانك
f: التردد

طاقة الفوتون تساوي حاصل ضرب ثابت بلانك في تردد الضوء.

وكما اقترح أينشتاين أيضًا أن لكل فوتون حدًا معينًا من الطاقة يؤدي إلى إطلاق الفوتوإلكترون من سطح الفلز. وبناءً على ذلك، فإن الأعداد الصغيرة من الفوتونات التي لها طاقة أعلى من الحد المعين الذي أشار إليه أينشتاين سوف تتسبب في التأثير الكهروضوئي وإطلاق الفوتوإلكترون. هذا وقد فاز أينشتاين بجائزة نوبل في الفيزياء عام 1921م لقيامه بهذا البحث.

---

مثال 1-2

احسب طاقة الفوتون

يحصل كل جسم على لونه عن طريق عكس جزء معين من الضوء الساقط عليه. ويعتمد اللون على طول موجة الفوتونات المنعكسة، ثم على طاقتها. ما طاقة فوتون الجزء البنفسجي لضوء الشمس إذا كان تردده:

7.230 × 10^14 s^-1 ؟

1. تحليل المسألة

المعطيات

f = 7.230 × 10^14 s^-1
h = 6.626 × 10^-34 J.s

المطلوب

E photon = ? J

2. حساب المطلوب

اكتب معادلة طاقة الفوتون:

E photon = h f

عوض:

h = 6.626 × 10^-34 J.s
f = 7.230 × 10^14 s^-1

E photon = (6.626 × 10^-34 J.s)(7.230 × 10^14 s^-1)

E photon = 4.791 × 10^-19 J

3. تقويم الإجابة

إن طاقة الفوتون الواحد من الضوء صغيرة للغاية كما هو متوقع. ووحدة الطاقة هي الجول، وهناك أربعة أرقام معنوية.

مسائل تدريبية

• احسب طاقة الفوتون الواحد في كل من الإشعاعات الكهرومغناطيسية الآتية:

a. 6.32 × 10^20 s^-1
b. 9.50 × 10^13 Hz
c. 1.05 × 10^16 s^-1

• تستخدم موجات الميكروويف التي طولها الموجي 0.125 m لتسخين الطعام. ما طاقة فوتون واحد من إشعاع الميكروويف؟

• تحفيز: يدخل مركب كلوريد النحاس الأحادي في صناعة الألعاب النارية، فعندما يسخن إلى درجة حرارة 1500 K تقريبًا، يشع لونًا أزرق ذا طول موجي 4.50 × 10^2 nm. ما طاقة فوتون واحد في هذا الضوء؟

---

طيف الانبعاث الذري

Atomic Emission Spectra

هل تساءلت كيف ينشأ الضوء في مصابيح النيون المتوهجة؟ هذه العملية ظاهرة أخرى لا يمكن تفسيرها بواسطة النموذج الموجي للضوء. ينتج ضوء النيون عند مرور الكهرباء في أنبوب مليء بغاز النيون، حيث تمتص ذرات النيون الطاقة، وتنتقل إلى حالة عدم الاستقرار، أي الإثارة. وحتى تعود إلى حالة الاستقرار ينبغي أن تبعث الضوء لكي تطلق الطاقة التي امتصتها. وعند مرور ضوء النيون من خلال منشور زجاجي ينتج عن ذلك طيف الانبعاث الذري للنيون.

طيف الانبعاث الذري لعنصر ما هو مجموعة من ترددات الموجات الكهرومغناطيسية المنطلقة من ذرات العنصر. ويتكون طيف الانبعاث الذري للنيون من عدة خطوط منفصلة من الألوان مرتبطة مع ترددات الإشعاع المنبعثة من ذرات النيون، وهو ليس مدى متصلًا من الألوان، كما هو الحال في الطيف المرئي للضوء الأبيض.

ماذا قرأت؟

وضح كيف ينتج طيف الانبعاث؟

لكل عنصر طيف انبعاث ذري فريد ومميز يستخدم لتعرف العنصر أو تحديد ما إذا كان ذلك العنصر جزءًا من مركب. فعلى سبيل المثال، عندما يغمس سلك بلاتين في محلول نترات الاسترانشيوم ويعرض على لهب بنزن، تبعث ذرات الاسترانشيوم لونًا أحمر مميزًا. ويمكنك إجراء اختبار لون اللهب هذا على مجموعة من العناصر في المختبر.

يوضح الشكل 1-8 التوهج الأرجواني الزهري المميز الناتج عن تهيج ذرات الهيدروجين، والذي ينتج عند مروره بمنشور خطوط الطيف الأربعة المميزة لعنصر الهيدروجين. لاحظ اختلاف الطبيعة الخطية لطيف انبعاث الهيدروجين الذري عن طبيعة الطيف المستمر.

الربط مع علم الفلك

طيف الانبعاث الذري مميز للعنصر، ويمكن استخدامه لتعرف ذلك العنصر. وإن حقيقة ظهور ألوان معينة فقط في طيف الانبعاث الذري للعنصر يعني انبعاث ترددات محددة من الضوء.
تنتهي الصفحة في الملف عند بداية جملة: "ولأن..."، ويبدو أن بقية الفقرة موجودة في الصفحة التالية غير المرفقة.

---

تجربة

تحديد ماهية المركبات

كيف يختلف لون اللهب باختلاف العناصر؟

الصورة التابعة: صفحة20_تجربة_تحديد_ماهية_المركبات.png

خطوات العمل

• اقرأ تعليمات السلامة في المختبر.
• اغمس سلك بلاتين أو أحد أعواد تنظيف الأذن القطنية، بعد مسكه بالملقط، الستة في محلول كلوريد الليثيوم، ثم عرضه للهب بنزن، ولاحظ لون اللهب، وسجل ملاحظاتك في جدول البيانات.
• كرر الخطوة 2 مستخدمًا محاليل النترات الآتية: كلوريد الصوديوم، كلوريد البوتاسيوم، كلوريد الكالسيوم، كلوريد الاسترانشيوم، وسجل لون لهب كل منها في جدول البيانات.
• قارن نتائج اختبار لون اللهب بما هو مكتوب للعناصر في نهاية الكتاب.
• كرر الخطوة 2 مستخدمًا عينة من محلول مجهول يزودك بها المعلم، ثم سجل لون اللهب الناتج.
• تخلص من عيدان القطن المستعملة كما يرشدك المعلم.

التحليل

• اقترح سبب إعطاء كل مركب لونًا مختلفًا للهب بنزن على الرغم من احتوائها جميعًا على الكلوريد.
• وضح كيف يرتبط اختبار لون لهب العنصر مع طيف الانبعاث الذري له؟
• استنتج هوية المادة المجهولة، معللًا إجابتك.

الشكل 1-8

الصورة التابعة: صفحة20_الشكل_1_8_طيف_الانبعاث_الذري_للهيدروجين.png

يمكن فصل اللون الأرجواني المنبعث من الهيدروجين إلى مكوناته المختلفة باستخدام المنشور. يتكون طيف الانبعاث الذري للهيدروجين من أربعة خطوط بأطوال موجية مختلفة.

سؤال الشكل:
حدد أي خط له أعلى طاقة؟
صحيح، دي صفحة ناقصة من التفريغ السابق. هذا تفريغ الصفحة كاملة بالترتيب من الملف المرفق

الشكل 1-9

اسم الصورة المقترح:
صفحة21_الشكل_1_9_طيف_الامتصاص_وطيف_انبعاث_الهيليوم.png

الطيف الأول: طيف امتصاص، يتألف من خطوط سوداء فوق طيف مستمر. وترتبط الخطوط السوداء مع ترددات معينة يمتصها عنصر محدد، هو الهيليوم في هذه الحالة. ويمكن مطابقتها بالخطوط الملونة في طيف انبعاث الهيليوم المبين أسفل طيف الامتصاص.

---

هذه الترددات المنبعثة مرتبطة مع الطاقة وفقًا للمعادلة:

E photon = h f

لذا تنبعث الفوتونات ذات الطاقات المحددة فقط. ولم ينتبه أحد لهذه الحقائق من خلال قوانين الفيزياء الكلاسيكية، بل توقع العلماء ملاحظة انبعاث طيف مستمر من الألوان عندما تفقد الإلكترونات المثارة طاقتها.

تمتص العناصر ترددات محددة من الضوء فيتكون طيف الامتصاص. وتظهر الترددات الممتصة في طيف الامتصاص كأنها خطوط سوداء، كما في الشكل 1-9. وعند مقارنة طيف الانبعاث الخاص بالعنصر مع طيف الامتصاص، يستطيع العلماء أن يحددوا تركيب الطبقات الخارجية للنجوم.

---

تجربة عملية

اختبار اللهب

اسم الصورة المقترح:
صفحة21_تجربة_عملية_اختبار_اللهب.png

ارجع إلى دليل التجارب العملية على منصة عين الإثرائية.

---

التقويم 1-1

الخلاصة

الفكرة الرئيسية

• تحدد الموجات كلها بالطول الموجي، التردد، السعة، والسرعة.
• تنتقل الموجات الكهرومغناطيسية جميعها بسرعة الضوء في الفراغ.
• للموجات الكهرومغناطيسية كلها خواص موجية ومادية.
• تبعث المادة الطاقة وتمتصها بكميات محددة.
• ينتج الضوء الأبيض طيفًا مستمرًا، ويتكون طيف انبعاث العنصر من سلسلة خطوط ملونة ومنفصلة.

---

أسئلة التقويم 1-1

• قارن بين الطبيعة الموجية والطبيعة المادية للضوء.

• صف الظاهرة التي يمكن أن تفسر بواسطة النموذج المادي للضوء فقط.

• قارن بين الطيف المستمر وطيف الانبعاث.

• قوّم استعمال نظرية بلانك لمعرفة كمية الطاقة التي تكتسبها المادة أو تفقدها.

• ناقش الطريقة التي استخدم فيها أينشتاين مفهوم الكم عند بلانك لتوضيح التأثير الكهروضوئي.

• فسر الرسم المعطى المسمى بالشكل 1-5 وما تعرفه عن الإشعاع الكهرومغناطيسي للمقابلة بين القائمتين الآتيتين:

| الرقم | الوصف |
| ----- | ------------- |
| 1 | أطول طول موجي |
| 2 | أعلى تردد |
| 3 | أعلى طاقة |

| الحرف | نوع الإشعاع |
| ----- | ---------------- |
| a | إشعاع جاما |
| b | موجة تحت الحمراء |
| c | موجات الراديو |