بداية الفيزياء الحديثة
الفيزياء الحديثة هي أحد اهم فروع الفيزياء التي تهتم بدراسة المفاهيم الفيزيائية التي ظهرت بعد فيزياء اسحاق نيوتن، تستند إلى أهم نظريتين فيزيائيتين في القرن العشرين: النسبية وفيزياء الكم. كما تشمل أيضًا جميع النظريات الجديدة التي ظهرت بعد فيزياء نيوتن ومعادلات ماكسويل وقوانين الديناميكا الحرارية، والتي تم تصنيفها تحت اسم الفيزياء الكلاسيكية. يمكن اعتبار الفيزياء الحديثة أحدث معلم رئيسي في تاريخ الفيزياء، والدي تمتد جذوره إلى الحضارة اليونانية الحضارة الهندية القديمة، الحضارة الصينية، والحضارة الإسلامية، وانتهاءً بأفكار كوبرنيكوس وجاليليو وديكارت ونيوتن وآخرين.
نشأة الفيزياء الحديثة
على الرغم من العديد من الإنجازات الهامة للفيزياء الكلاسيكية، إلا أنها فشلت في تفسير بعض الظواهر الفيزيائية التي تطرح مشاكل حقيقية بسبب الحدود الضيقة لقوانين الفيزياء الكلاسيكية. ومن أبرز هذه المعضلات نجد مشكلة إشعاع الجسم الأسود والتأثير الكهروضوئي.
إشعاع الجسم الأسود
عندما تسقط أشعة على سطح جسم ما، يحدث شيئان فقط: إما أن تنعكس هذه الأشعة الساقطة على سطح الجسم، أو يمتصها الجسم وتزداد طاقته، وتختلف كمية الطاقة التي يمتصها وينعكس عليها حسب طبيعة الجسم. الجسم الأسود هو الجسم الذي يمتص كل طاقة الإشعاع الساقط عليه، ثم يعيد إشعاعها مرة أخرى بطريقة مثالية، لذلك يسمى باعث مثالي (لا يوجد جسم أسود في الحقيقة يمتص كل الطاقة الإشعاعية الناتجة عنه بنسبة 100٪.).
فشلت الفيزياء الكلاسيكية في تفسير إشعاع الجسم الأسود. فوفقًا للطريقة الكلاسيكية، فإن الإشعاع عبارة عن موجات كهرومغناطيسية تزداد شدتها مع زيادة التردد، فلماذا تنخفض شدة الإشعاع عند الترددات العالية وفقًا لمنحنى ماكس بلانك؟
افترض بلانك أن الإشعاع يتكون من مليارات الدقائق المنتهية الصغر تسمى الفوتونات، التي تزداد طاقتها مع زيادة التردد وتنخفض في العدد مع زيادة هذه الطاقة. وهذا يفسر سبب انخفاض شدة الإشعاع عند الترددات الأعلى.
التأثير الكهروضوئي
التأثير الكهروضوئي هو انبعاث الإلكترونات من سطح المعدن عند سقوط الإشعاع الكهرومغناطيسي عليه، بشرط أن يكون تردد الضوء الساقط مساويًا للتردد الحرج أو أكبر منه. كل معدن له ما يسمى بوظيفة (دالة) العمل، وهي الحد الأدنى من الطاقة التي يجب أن تمتلكها فوتونات الشعاع الساقط لإطلاق الإلكترونات من سطح المعدن دون نقل الطاقة الحركية وهي حاصل ضرب التردد الحرج في ثابت بلانك. لذلك، يجب أن يكون تردد الضوء الساقط مساويًا للتردد الحرج، أي أن طاقته تساوي وظيفة العمل، ومن ثم تسمى هذه الطاقة طاقة التأين، حيث لا يمكنها إطلاق إلكترون بالكاد دون اكتساب الطاقة الحركية، أو تردده أكبر من التردد الحرج، مما يعني أن طاقته أكبر من وظيفة عمل المعدن، ومن ثم يتم تحرير الإلكترون من سطح المعدن والفرق بين طاقة الشعاع الساقط ووظيفة الشغل يظهر في شكل طاقة حركية يكتسبها الإلكترون المحرّر.
حسب الفيزياء الكلاسيكية، يعتمد انبعاث الإلكترونات من سطح المعدن على شدة الأشعة الساقطة، بغض النظر عن تواتر الضوء الساقط. كما أن طاقة حركة الإلكترونات تزداد مع زيادة الكثافة وليس التردد. كما افترض أنه في الحالة التي تكون فيها شدة الشعاع الساقط أقل من اللازم، يتم تسليط الشعاع لفترة كافية لتحرير الإلكترون فيما يعرف بفترة تجميع الطاقة.
لكن العالم الألماني ألبرت أينشتاين قدم تفسيرًا للتأثير الكهروضوئي غير تفسير الفيزياء الكلاسيكية، والذي أهله لنيل جائزة نوبل في الفيزياء عام 1921 م. والدي مفاده ان إطلاق الإلكترونات من سطح المعدن يعتمد بالدرجة الأولى على التردد، بغض النظر عن شدة الأشعة الساقطة، ومن ذلك تزداد طاقة حركة الإلكترونات المنبعثة بزيادة التردد وليس الشدة، ولا يوجد ما يسمى بفترة تجميع الطاقة، حيث أن عملية انبعاث وإطلاق الإلكترونات تكون لحظية.
هكذا نشأت الفيزياء الحديثة وغيرت نظرتنا التقليدية للعديد من الظواهر التي تحدث على المستوى الميكروسكوبي وحققت نجاحًا كبيرًا في شرح كل ما فشلت الفيزياء الكلاسيكية في تفسيره.
المراجع
- https://physics.info/photoelectric/
- http://labman.phys.utk.edu/phys222core/modules/m10/modern_physics.html
- https://galileo.phys.virginia.edu/classes/252/home.html
تعليقات
إرسال تعليق