أساسيات الفيزياء الحديثة

أساسيات الفيزياء الحديثة

مقدمة :

 جاءت نظرية الكم في بداية القرن العشرين, أيضا نظرية النسبية لحل العديد من المشكلات -

التي لم تستطيع الفيزياء الكلاسيكية حلها مثل :الظاهرة الكهرضوئية , ظاهرة كومبتون .

 يصدر عن الأجسام في الطبيعة اشعاعات كهرومغناطيسية عندما تكون درجة الحرارة فوق

الصفر المطلق

 يعتمد اشعاع الجسم على درجة الحرارة وطبيعة سطحه.

 وجهة نظر الفيزياء الكلاسيكية أن الاشعاع يتألف من موجات كهرومغناطيسية يصدر عن

الأجسام على هيئة سيل متصل من الطاقة بسبب الاهتزازات للجسيمات المشحونة داخلها

ويمكن للجسم المهتز أن يبعث مقدار من الطاقة أو يمتص عند تردد معين من اهتزازه.

س: ما هوالتصور الذي طرحه بلانك للأشعاع؟

 افترض أن الاشعاع عبارة عن وحدات منفصلة ليست متصلة تسمى كمات مفردها كمة للكل

منها طاقة محددة مكماة تتناسب طرديا مع تردد الاشعاع.

س: ماذا يصدر عن الأشعاع داخل المادة ؟

 جسيمات مهتزة

فرضية بلانك للاشعاع التي باتت تعرف بمبدأ تكمية الطاقة :"الطاقة الاشعاعية المنبعثة أو الممتصة

تساوي عدد صحيح من مضاعفات الكمية )ه تد("

يتم طاقة الكمة الواحدة من خلال العلاقة :

حيث ط : طاقة الكمة أو الفوتون)جول( , ه = ثابت بلانك ويساوي 6.6x 10 - 43 جول.ث ,

تد=تردد الجسم )هيرتز(

تقاس وحدة الطاقة بوحدتي الجول والالكترون فولت وللتحويل من )جول الى ev ( نقسم على

1.6x01 - 19 والعكس نضرب بنفس الرقم .

ألالكترون فولت: هي الطاقة الحركية التي يكتسبها الكترون عندما يتسارع عبر فرق جهد كهربائي

مقداره ) 1 ( فولت .

تكمية الطاقة

ط= ه x تد

مثال:

مراجعة# 1

هي ظاهرة انبعاث الكترونات من أسطح فلزات معينة عند سقوط ضوء مناسب عليها .

س: ماذا نعني بالإلكترونات الضوئية؟

 أي أن الالكترونات التي تنبعث نتيجة سقوط ضوء على أسطح الفلزات.

 تسمى الالكترونات المنبعثة الكترونات ضوئية.

 أول من درس هذه التجربة العالم لينارد .

س: على ماذا تحتوي الدارة التي استخدمها العالم لينارد ؟

 انبوب زجاجي مفرغ من الهواء في داخله لوحان فلزيان الاول المهبط )الباعث( والاخر

المصعد )الجامع(.

الظاهرة الكهروضوئية

بناء على الشكل الذي أمامك تلاحظ عند توصيل

الباعث بالقطب السالب والجامع بالقطب الموجب

للبطارية أن :

1 عند سقوط ضوء فوق بنفسجي على الباعث -

ينحرف مؤشر الميكروأميتر مما يدل على سريان

تيار في الحيز بين اللوحين

2 عند عكس الاقطاب للبطارية نلاحظ أن قراءة -

الميكروأميتر تتناقص الى أن تصبح صفرا عند

زيادة فرق الجهد تدريجيا ويسمى هذا المقدار

لفرق الجهد ب جهد الايقاف )القطع(.

س: بين سبب نشوء التيار الكهربائي في الدارة ؟

 عن طريق الكترونات منبعثة من الباعث ومتجهة نحو الجامع مما يعني أنها زودت بقدر كافي

من الطاقة مكنها من التحرر من ارتباطها بالفلز والاحتفاظ بالباقي على شكل طاقة.

س:ما سبب عكس الأقطاب في تجربة لينارد ؟

 لينشأ مجال كهربائي يعاكس حركة الالكترونات.

س: ما النتيجة التي حصل عليها لينارد عند عكس الأقطاب ؟

 لاحظ أن قراءة الميكروأميتر تتناقص الى أن تصبح صفرا

س: ما العوامل التي يعتمد عليها التيار المار في خلية كهروضوئية ؟

 1 تردد الضوء الساقط - 2 شدة الضوء الساقط -

 لاحظ ليناد عند سقوط ضوء بتردد مناسب على مهبط الخلية الكهروضوئية أن الميكروأميتر

يكشف عن مرور تيار كهربائي بغياب مصدر فرق الجهد فاستنتج أن مصدر التيار هو

الكترونات ضوئية تحررت من المهبط ووصلت الى المصعد.

 التيار الكهروضوئي : هو تيار ناتج من حركة الالكترونات المنبعثة من المهبط والمتجهة الى

المصعد.

 عندما أضاف لينارد الى الدارة مصدر فرق جهد كهربائي متغير كان جهد المصعد موجبا

والمهبط سالبا فلاحظ زيادة التيار الكهروضوئي فاستنتج أن الفرق في الجهد بين المصعد

والمهبط يبذل شغلا موجبا على الكترونات ناقلا اليها طاقة حركية ويجذب المزيد منها نحو

المصعد.

 تيار الاشباع : هو التيار الكهروضوئي الناتج من حركة الالكترونات الضوئية جميعها

المتحررة من المهبط والواصلة الى المصعد .

تسمى القيمة العظمى للتيار الكهروضوئي تيار الاشباع.

يمثل الشكل السابق العلاقة بين فرق الجهد بين المصعد والمهبط والتيار الكهربائي بحيث تمثل النقطة

)أ(التيار الكهروضوئي الناتج عند سقوط ضوء بتردد مناسب على مهبط الخلية ووصل الى المصعد

بغياب مصدر فرق الجهد وأيضا يدل على أن الالكترونات تمتلك قدرا كافيا من الطاقة الحركية مكنتها

من الوصول الى المصعد.

أيضا بين النقطتين )أ,و( تناقص للتيار الكهروضوئي تدريجيا مع الاستمرار في زيادة فرق الجهد

العكسي وهذا يدل على أن الالكترونات تنبعث بامتلاكها طاقة حركية مختلفة.

تمثل النقطة )و( جهد القطع.

أما النقطة )ب( نلاحظ أن مصدر فرق الجهد متغير فنلاحظ زيادة للتيار الكهروضوئي فيصبح فرق

الجهد بين المصعد والمهبط يبذل شغلا موجبا ناقلا طاقة حركية ويجذب المزيد منها نحو المصعد.

أما النقطة )د( والنقطة )ه( تمثل القيمة العظمى للتيار )تيار الاشباع( وذلك بسبب زيادة فرق الجهد

الموجب مما يؤدي الى زيادة التيار الكهروضوئي الى أن يصل الى مرحلة الثبات كما في النقطة )د(

ونلاحظ أن التيار الكهروضوئي ثابت بين النقطتين )د, ه( بالرغم من زيادة فرق الجهد بين المصعد

والمهبط وهذا يدل على أن الالكترونات المتحررة من المهبط جميعها وصلت الى المصعد.

 كلما زادت الطاقة الحركية للالكترونات المنبعثة احتاجت الى فرق جهد عكسي أكبر لايقافها

مما ينعدم التيار عندما يكون فرق الجهد العكسي كافي لايقاف الالكترونات الضوئية التي

تمتلك أكبر طاقة حركية.

جهدالأيقاف )القطع(:هو فرق الجهد بين الباعث والجامع الذي يكون كافيا لأيقاف أسرع الألكترونات

جق ( أو اقل فرق جهد كهربائي عكسي يلزم لجعل Δ( التي تمتلك طاقة حركية عظمى ويرمز له بالرمز

التيار الكهربائي صفرا.

ويرتبط جهد القطع بالطاقة الحركية العظمى من خلال العلاقة التالية :

حيث ش e : شحنة الالكترون

س: بين كيف تم حساب الطاقة الحركية العظمى من تجربة الخلية الكهروضوئية ؟

 من خلال قياس فرق جهد لقطع ومن ثم حساب الطاقة الحركية العظمى للإلكترونات الضوئية.

مثال) 1 )

ط ح عظمى =ش e جق Δ

عند تمثيل العلاقة بين فرق الجهد والتيار بيانيا نحصل على المنحنى ) 1( كما في الشكل وعند زيادة

شدة الضوء )كمية الضوء الساقطة ( نحصل على

المنحنى ) 2 ( ومنه نلاحظ أن فرق جهد القطع بقي

ثابتا مما يعني أن الطاقة الحركية العظمى للإلكترونات

بقيت ثابتة وبالتالي فأنها لا تعتمد على شدة الضوء

نستنتج أنه عند زيادة شدة الضوء الساقط عند ثبات

فرق الجهد بين المهبط والمصعد يزداد العدد الكلي

للالكترونات الضوئية الواصلة الى المصعد وبالتالي

يزداد التيار الكهروضوئي.

ولو تم تكرار التجربة باستخدام ضوء ذو تردد أكبر

نلاحظ زيادة فرق جهد القطع بقيمته المطلقة بزيادة التردد للضوء الساقط وبالتالي زيادة الطاقة

الحركية العظمى للإلكترونات المنبعثة.

يعتمد انبعاث الالكترونات على تردد الضوء الساقط على المهبط.

اذا كان تردد الضوء الساقط على سطح فلز أقل من قيمة معينة فلن تبعث الكترونات من الفلز مهما

كانت شدة الضوء الساقط ويعد التردد خاصية مميزة للفلز وتسمى تردد العتبة )تد.(

تردد العتبة : هو أقل تردد للفوتون الساقط يمكنه أن يحرر الكترونات من سطح الفلز .

س: ما المقصود بقولنا أن تردد العتبة لفلز الصوديوم يساوي ) 5.2x1014 هيرتز( ؟

 أي انه اذا سقط على سطح الصوديوم ضوء تردد أقل من هذا المقدار فلن تبعث الكترونات .

صالح البشيش الفيزياء الحديثة 0772188635

8 s.bshish@hotmail.com صالح البشيش

تفسير الظاهرة الكهروضوئية حسب نظريات الفيزياء الكلاسيكية للنموذج الموجي :

افترضت أن الضوء عبارة عن موجات كهرومغناطيسية تحمل طاقة وهذه الطاقة تزداد

بزيادة شدة الضوء ولا تعتمد على تردد الضوء أما النتائج التجريبية فهي :

1 أن الالكترونات تمتص الطاقة من الموجات الكهرومغناطيسية على نحو مستمر .أي عند زيادة -

شدةالضوء الساقط يزداد معدل امتصاص الالكترونات للطاقة وبالتالي تكسب طاقة حركية أكبر ولا

يوجد علاقة بين تردد الضوء الساقط والطاقة الحركية العظمى وهذا ما تم ناقضته نتائج التجربةاذ

تبين أن الطاقة الحركية العظمى تعتمد على تردد الضوء ولا تعتمد على شدته.

2 يحتاج الالكترون لبعض الوقت لامتصاص الطاقة الكافية وتجميعها ليتحرر من الفلز خاصة عند -

سقوط ضوء خافت )شدته قليلة( .هنا اثبتت التجربة أن الالكترونات تنبعث فور سقوط الضوء على

الفلز.

3 عند سقوط ضوء ذي شدة عالية على فلز يجب أن تحرر منه الكترونات بغض النظر عن تردد -

الضوء الساقط .وهذا لا يتفق مع التجربة لا تتحرر الكترونات من الفلز اذا كان تردد الضوء اقل من

تردد العتبة مهما بلغت شدة الضوء.

فشل النظرية الكلاسيكية في تفسير الظاهرة الكهروضوئية

حدوث تناقض في النتائج التجريبية مع ما تنبأت به الفيزياء الكلاسيكية وفقا للنموذج الموجي للضوء

وهذا ما لم تستطع الكلاسيكية تفسيره.

بعد التحديات التى وضعتها الظاهرة الكهروضوئية أمام الكلاسيكية قام آينشتين بربط فرضية بلانك

والظاهرة الكهروضوئية )تعميم مبدأ بلانك للطاقة ( افترض أن :

1 الضوء ينبعث على شكل كميات من الطاقة تتركز في حزم منفصلة أي كمات سميت بعد ذلك -

فوتونات .

2 عند سقوط الفوتونات على سطح الفلز يعطي الفوتون الواحد طاقته كاملة لألكترون واحد فيتحرر -

من ارتباطه بذرات الفلز بجزء من هذه الطاقة وينطلق بما تبقى على شكل طاقة حركية عظمى

3 لكي يتحرر الكترون من سطح الفلز يجب تزويده بطاقة لا تقل عن مقدار محدد)اقتران الشغل( -

اقتران الشغل) Φ (: أقل طاقة لازمة لتحرير الالكترون من سطح الفلز .

تفسير آينشتين للظاهرة الكهروضوئية

صالح البشيش الفيزياء الحديثة 0772188635

9 s.bshish@hotmail.com صالح البشيش

ويعطى بالعلاقة الآتية:

حيث تد.: تردد العتبة للجسم

ويقاس اقتران الشغل بوحدة الالكترون فولت والتي هي وحدة الطاقة ايضا.

كل فلز له مقدار من اقتران الشغل يختلف من فلز لآخر وبالتالي:

1 اذا كانت طاقة الفوتون اقل من اقتران الشغل فان الالكترون لا يتحرر من سطح الفلز . -

2 اذا كانت طاقة الفوتون مساوية لاقتران الشغل فأن الالكترون يتحرر من الفلز دون اكسابه طاقة -

حركية.

3 اذا كانت طاقة الفوتون أكبر من اقتران الشغل فأن الالكترون يتحرر من السطح ويحتفظ بطاقة زائدة -

على شكل طاقة حركية .

ويمكن التعبير عن ذلك بالمعادلة :

مهم جدا

تستخدم العلاقة التالية لحساب الطول الموجي وهي :

س= λ تد

حيث س: سرعة الضوء ثابتة

ووفقا لنموذج آينشتين عند زيادة شدة الضوء على سطح فلز مع بقاء تردده ثابت تعني:

1 زيادةعدد الفوتونات الساقطة في الثانية على وحدة المساحة. -

2 زيادة عدد الالكترونات الضوئيةالمتحررة في الثانية )أي زيادة التيار الكهربائي ( -

3 طاقة الفوتون لا تتغير لأنها تعتمد على على تردد الضوء فقط. -

4 الطاقة الحركية العظمى للالكترونات الضوئية لا تتغير بسبب عدم تغير جهد القطع -

Φ =ه تد.

ط فوتون= Φ +طح عظمى

صالح البشيش الفيزياء الحديثة 0772188635

10 s.bshish@hotmail.com صالح البشيش

أما عند زياد تردد الضوء الساقط مع بقاء شدته ثابتة :

1 طاقة الفوتون الواحد تزداد أي زيادة الطاقة الحركية العظمى للالكترونات الضوئية تزداد وبالتالي -

زيادة جهد القطع .

2 .العدد الكلي للالكترونات المتحررة لا يتغير لا ن عدد الفوتونات لم يتغير فلا يتغير تيار الاشباع.

من خلال الشكل المجاور نلاحظ أن الالكترونات المتحررة

تتفاوت في طاقتها الحركية ؟ تبعا لموقعها

ايضا كما في الشكل الالكترونات القريبة من السطح التى لا

تصطدم بذرات الفلز قبل تحررها تمتلك أكبر قدر من الطاقة

الحركية العظمى .

 حسب تفسير آينشتين الالكترونات الضوئية تنبعث بسرعات مختلفة من سطح الفلز مستندا

الى معظم حجم ذرة في الفراغ وأن سطح الفلز ينتهي على عمق مئات من الذرات.

 عند سقوط ضوء على سطح فلز فأن بعض الفوتونات تصطدم بذرات السطح الخارجية

وبعضها الآخر يصل الى العمق داخل السطح فيكون للفوتونات المقدار نفسه من الطاقة

)ه تد ( عند تردد معين للضوء واقتران شغل متساو عند جيع الذرات .

 الالكترونات المتحررة من ذرات السطح الخارجي جميعها تتحرر ممتلكة طاقة حركية عظمى

أما الالكترونات التي تتحرر من الداخل اثناء الاصطدام تفقد جزء من طاقتها الحركية على

العمق الذي تحررت منه لذا تتفاوت في سرعة انبعاثها من سطح الفلز.

 السرعة التي تحدد تجريبيا هي فقط السرعة العظمى عن طريق قياس جهد القطع.

الأجابة:

صالح البشيش الفيزياء الحديثة 0772188635

11 s.bshish@hotmail.com صالح البشيش

مثال) 1 ( معتمدا على الشكل الذي يمثل العلاقة بين التردد

والطاقة الحركية العظمى أجب عما يلي:

1 - المحنيات المرسومة متوازية على ماذا تدل؟

2 - احسب ميل احد الخطوط وقارنه بثابت بلانك ماذا

تستنتج ؟

3 - ماذا تمثل نقطة تقاطع المنحنى مع محور التردد ؟

4 - هل يتمكن ضوء تردده ) 75 . x1015 هيرتز( من

تحرير الكترونات من سطح البوتاسيوم ؟ ماذا لو سقط على الخارصين؟

5 - تعطى نقطة تقاطع امتداد منحنى مع محور الصادات اقتران الشغل للفلز :أي الفلزات الثلاثة

يتطلب تحير الكترونات من سطحه أكبر طاقة ؟

الحل:

1 ميل متساوي والعلاقة خطية - 2 ميلها يساوي ثابت بلانك - 3 تردد العتبة للفلز -

4 نعم لان تردد الضوء أكبر , اما الخارصين لا لان تردد الضوء اقل من تردد العتبة . -

5 الخارصين لأن اقتران الشغل أكبر. -

صالح البشيش الفيزياء الحديثة 0772188635

12 s.bshish@hotmail.com صالح البشيش

 أثبت ميلكان صحة ما تنبأ به آينشتين بأن الضوء يتكون من وحدات منفصلة من الطاقة وان

للضوء طبيعة جسيمية أي ان النموذج الجسيمي نجح في تفسير الظاهرة الكهروضوئية بينما

فشل النموذج الموجي في تفسيرها وقام بقياس ثابت بلانك تجريبيا .

 )مهم جدا(:

 تمثل نقطة التقاطع مع محور

الصادات )محور الطاقة( اقتران

الشغل للفلز Φ .

 تمثل نقطة التقاطع مع محور

السينات )محور التردد( تردد العتبة

للفلز تد. .

 اذا مثل محور الصادات طح بوحدة

الالكترون فولت أو ج بوحدة

الفولت فانه بكلا الحالتين نحول

الى جول اما اذا كانت بوحدة الجول تبقى كما هي.

 عند حساب أكبر طول موجي للفلز هو الطول الموجي المصاحب لتردد العتبة

)س=تد. λ )أكبر طول موجي((

مثال) 2 )

الاجابة:

1 - ( 1 (أكبر من ) 2 ( لانه كلما زاد التيار زادت شدة الاضاءة.

2 - )أ( تمثل جهد القطع

3 - عن طريق زيادة جهد القطع بالقيمة المطلقة.

مثال) 19 ( صيفي 2018

الاجابة:

جهد القطع = 16 / 1 فولت

صالح البشيش الفيزياء الحديثة 0772188635

34 s.bshish@hotmail.com صالح البشيش

مثال) 19 ( شتوي 2019

• الاجسام الساخنة تبعث اشعاعا حراريا مثل فتيل مصباح التنغستن يتألف من طيف متصل من

الموجات وهو ما يسمى بالطيف المتصل.

• يعد الطيف الخطي صفة مميزة لغاز العنصر فلا يوجد غازان لهما الطيف الخطي نفسه.

• انواع الأطياف الذرية:

الأطياف الذرية

صالح البشيش الفيزياء الحديثة 0772188635

35 s.bshish@hotmail.com صالح البشيش

1 الطيف المتصل : هو طيف يتكون من الوان الطيف السبعة كاملة دون فراغات نحصل عليه -

بتحليل الضوء قبل مروره بأي غاز.

2 طيف الامتصاص الخطي: هو طيف متصل يتخلله خطوط سوداء ذات أطوال موجية محددة -

ونحصل عليه بتحليل الضوء بعد مروره بغاز معلوم .

3 طيف الانبعاث الخطي: هو عبارة عن خطوط ملونة ذات اطوال موجية محددة تظهر على -

خلفية سوداء نحصل عليه عند وضع العنصر )بحالته الغازية(.

من خلال الرسم نلاحظ أن الطول الموجي للضوء المرئي بين) 400-750 (نانومتر حيث توجد هذه

المنطقة بين منطقة الأشعة تحت الحمراء )أكبر من 750 نم( ومنطقة الأشعة فوق البنفسجية

)أقل من 400 نم(.

صالح البشيش الفيزياء الحديثة 0772188635

36 s.bshish@hotmail.com صالح البشيش

أبسط الاطياف الذرية دراسة وتحليل هو طيف ذرة الهيدروجين.

تعد ذرة الهيدروجين أبسط الذرات لاحتوائها على بروتون واحد والكترون واحد

من خلال الشكل الذي أمامك اذا تم تعويض )ن= 3 (نحصل على طول موجة الخط الطيفي الاول

في بالمر وعند تعويض )ن= 4 ( نحصل على الخط الثاني وكلما انتقلنا للاعلى تقل الاطوال

الموجية لهذه الخطوط.

الأكبر طولا موجيا هو الخط الأول وأقصرها الخط الأخير )ن=مالانهاية(

صالح البشيش الفيزياء الحديثة 0772188635

37 s.bshish@hotmail.com صالح البشيش

مثال) 1 )

مثال) 2 )

 استطاع بور من خلاله أن يقدم حلولا للصعوبات التي واجهها نموذج رذرفورد واستفاد من

مبدأ التكميم لبلانك واقترح تعميم هذا المبدأ ليشمل الذرة واهم ما لخصه نموذج بور من

فرضيات لتطبيقه على ذرة الهيدروجين:

نموذج بور لذرة الهيدروجين

صالح البشيش الفيزياء الحديثة 0772188635

38 s.bshish@hotmail.com صالح البشيش

1 يتحرك الالكترون حول النواة في مدارات دائرية بتأثير قوة الجذب الكهربائية بين الالكترون -

ذي الشحنة السالبة والنواة الموجبة الشحنة .

2 يوجد مجموعة محددة من المدارات يمكن للالكترون أن يتواجد فيها وتكون طاقته في أي -

من هذه المدارات ثابتة , ويتم وصف هذه الحالة بأنها "مستويات الطاقة " ولا يمكن

للالكترون أن يشع طاقة طالما بقي في مستوى طاقة معين .

3 يشع الالكترون طاقة اذا انتقل من مستوى طاقة عال الى مستوى طاقة منخفض . -

تكون الطاقة المنبعثة مكممة على شكل فوتون , كما يمكن للالكترون أن ينتقل من مستوى

طاقة منخفض الى مستوى طاقة عال اذا امتص فوتون طاقته تساوي فرق الطاقة بين

المستويين ويمكن حساب طاقة الفوتون المنبعث أو الممتص:

حيث )ط.( طاقة المستوى الابتدائي , )ط( طاقة المستوى النهائي )ه تد (: طاقة الفوتون

4 المدارات المسموح للألكترون أن يتواجد فيها هي التي يكون فيها الزخم الزاوي للالكترونات -

من مضاعفات

أي أن :

حيث : ن= 1 , 2 , 3 ....

وبالأعتماد على هذه الفرضيات يمكن حساب أنصاف أقطار المدارات المسموح للألكترون أن يتواجد

فيها من خلال العلاقة التالية :

وفي حالة الأستقرار فأن الالكترون يكون في المدار الأول ن= 1

 ويمكن حساب الطاقة الكلية للألكترون في المستوى ذي الرقم )ن( في ذرة الهيدروجين ,

بوحدة الالكترون فولت من خلال:

ط ط. =ه تد –

صالح البشيش الفيزياء الحديثة 0772188635

39 s.bshish@hotmail.com صالح البشيش

والاشارة السالبة تعني أنه يجب تزويد الالكترون بطاقة تساوي طاقة المدار لتحريره من الذرة

دون اكسابه أي طاقة حركية وسمى طاقة التحرر بطاقة التأين.

يطلق على المستويات التي تعلو المستوى الاول مستويات الاثارة .

لكي يصل الالكترون الى حالة الاستقرار يجب أن يعود من مستوى الاثارة الى مستوى

الاستقرار وقد تكون عودته مرة واحدة أو على مراحل وفي كل مرة ينتقل الالكترون

فيها من مستوى طاقة الى مستوى طاقة ادنى منه يبعث فوتونا طاقته تساوي فرق

الطاقة بين هذين المستويين .

مثال) 1 (: معتمدا على الشكل الذي أمامك يوضح مخططا لمستويات الطاقة في ذرة الهيدروجين

ومتسلسلات خطوط الطيف لذرة الهيدروجين :

1 - ما أكبر طول موجي في متسلسلة ليمان .

صالح البشيش الفيزياء الحديثة 0772188635

40 s.bshish@hotmail.com صالح البشيش

2 - ما أقصر طول موجي في متسلسلة بالمر .

3 - اذا انتقل الكترون من المستوى الثالث الى الرابع ,فأحسب طاقة الفوتون الممتص.

الحل:

تحدث ظاهرة الحيود والتداخل للموجات فقط وهما من الخصائص المعروفة للضوء.

- الفوتون له خواص موجية مثل التردد والطول الموجي اضافة الى خواص

جسيمية.

- للضوء طبيعة مزدوجة )موجية جسيمية( وكلاهما ملازمات للضوء وفي بعض -

الحالات يسلك الضوء سلوك الجسيمات وفي حالات سلوك الموجات.

- اطروحة دي بروي للدكتوراة " للفوتونات خواص جسيمية وموجية ومن المحتمل

أن يكون لاشكال المادة نفس الخواص"

- تنص فرضية دي بروي "الاجسام المادية لها طبيعة مزدوجة )جسيمية موجية(" -

ومن خلال العلاقة التالية يمكن حساب طول الموجة المصاحبة لحركة الجسم :

حيث)ك(: كتلة الجسم , )ع( : سرعة الجسم

- الموجات المصاحبة للمادة لا تظهر في حالة الاجسام الكبيرة لان

الموجات المصاحبة للجسيمات صغيرة ولا يمكن ملاحظتها.

الطبيعة المزدوجة للاشعاع والمادة

صالح البشيش الفيزياء الحديثة 0772188635

47 s.bshish@hotmail.com صالح البشيش

مثال

صالح البشيش الفيزياء الحديثة 0772188635

48 s.bshish@hotmail.com صالح البشيش

اسئلة وزارية

مثال) 1 )

صالح البشيش الفيزياء الحديثة 0772188635

49 s.bshish@hotmail.com صالح البشيش

تتكون النواة للذرات من بروتونات موجبة الشحنة ونيوترونات متعادلة كهربائيا باستثناء نواة

الهيدروجين التي تحتوي على بروتون واحد فقط.

1 البروتونات يرمز) - Z ( ويسمى ايضا العدد الذري

2 النيوترونات ) - N )

وتسمى معا نيوكليونات ويرمز لها بالرمز ) A( ويسمى ايضا العدد الكتلي.

N + A=Z

بنية النواة وخصائصها

صالح البشيش الفيزياء الحديثة 0772188635

68 s.bshish@hotmail.com صالح البشيش

النظائر: هي ذرات العنصر نفسه تتساوى في العدد الذري ) Z ( وتختلف في العدد الكتلي ) A ( مثل :

تقاس الجسيمات النووية بوحدة ودة كتلة ذرية ويرمز لها بالرمز و.ك.ذ

1 و.ك.ذ= 1.660539 X 10 - 27 كغم 1 e.v = 1.6x 10 - 19 جول

1 و.ك.ذ= 931.5 مليون الكترون فولت

يمكن حساب الطاقة المكافئة لوحدة كتل ذرية أيضا بوحدة ) ev ( كما في المثال

 أول من أشار الى شكل النواة العالم رذرفورد في تجربته الشهيرة عندما قام بقذف صفائح فلزية

بجسيمات ألفا افترض أن نوى ذرات الفلز كروية الشكل تقريبا ونصف قطرها يعطى بالعلاقة

التالية :

حيث )نق.( ثابت يساوي 1.2x 10 - 15 م تقريبا للعناصر الخفيفة . ) A (:العدد الكتلي

مثال:

صالح البشيش الفيزياء الحديثة 0772188635

69 s.bshish@hotmail.com صالح البشيش

مثال : بين أن كثافة النواة ثابتة بمعنى أن نوى العناصر جميعها متساوية في الكثافة تقريبا

)تذكر قانون الكثافة = الكتلة /الحجم(

الحل:

مثال

سؤال : احسب نصف قطر نواة الالمنيوم ) 27 ( , نواة البيريلوم ) 8 .)

صالح البشيش الفيزياء الحديثة 0772188635

70 s.bshish@hotmail.com صالح البشيش

صالح البشيش الفيزياء الحديثة 0772188635

71 s.bshish@hotmail.com صالح البشيش

صالح البشيش الفيزياء الحديثة 0772188635

72 s.bshish@hotmail.com صالح البشيش

يقصد باستقرار النواة بأنها النواة التي يكون فيها عدد البروتونات مساو لعدد النيوترونات

)تكون غير مشعة(.

س: ما هو سبب وجود نوى مستقرة وآخرى غير مستقرة .

لأن النواة تحتوي على بروتونات موجبة فأن هذه البروتونات تتنافر مع بعضها مما يؤدي الى تفكك

النواة وبما أنها مستقرة فلا بد من وجود قوة آخرى تمسك مكونات النواة تسمى القوة النووية.

القوة النووية: قوة تجاذب ذات مدى قصير جدا تربط النيوكليونات المتجاورة في النواة .

 القوة التي تعمل على تجاذب البروتونات هي القوة النووية

 القوة التي تعمل على تنافر البروتونات هي القوة الكهربائية

خصائص القوة النووية :

1 - تنشأ بين النيوكليونات جميعها بغض النظر عن الشحنة )بروتون بروتون( -

)نيوترون نيوترون()بروتون نيوترون(. – -

2 - مداها قصير.

3 - مقدارها كبير جدا .

4 - قوى تجاذب

س: ماذا نعني بأن القوة النوووية ذات مدى قصير ومقدارها كبير .

أي أنها تنشأ بين النيوكليونات المتجاورة

فمثلا عندما تكون المسافة بين بروتين

1.4x10 - 15 م فأن قوة التنافر الكهربائية بين

بروتونين في نواة أكبر من القوة النووية اذا

زاد البعد بينهما الى أربعة اضعاف هذا

المقدار.

 تصنف النواة الى مستقرة وغير

مستقرة )مشعة(حيث يمثل النيوترون

عامل مهم في استقرار النواة فوجود

عدد مناسب منها يجعل القوة النووية

تسود على القوة الكهربائية .

استقرار النواة

صالح البشيش الفيزياء الحديثة 0772188635

73 s.bshish@hotmail.com صالح البشيش

 يمثل الشكل العلاقة بين عدد البروتونات وعدد النيوترونات للنوى المستقرة وتمثل النوى بنقاط

زرقاء تشكل حزمة ضيقة تسمى نطاق الاستقرار ويتم تصنيفها حسب العدد الذري الى :

س: علل الأنوية التي يزيد عدد عددها الكتلي عن 82 تكون غير مستقرة .

 لكبر حجم النواة وتباعد النيوكلونات عن بعضها البعض وبالتالي لا تستطيع القوى النووية

التغلب على القوى الكهربائية .

صالح البشيش الفيزياء الحديثة 0772188635

74 s.bshish@hotmail.com صالح البشيش

هي الطاقة الخارجية التي يجب أن تزود بها النواة لفصل مكوناتها عن بعضها نهائيا.

 هي الأقوى في الطبيعة

 عند فصل مكونات النواة عن بعضها يحتاج الى طاقة كبيرة .

 كتلة النواة تكون دائما أقل من مجموع كتل مكوناتها لأن الفرق في الكتلة يتحول الى طاقة وفقا

لمعادلة آينشتين في تكافؤ )الطاقة الكتلة( وهذا المقدار يمثل بطاقة الربط النووية. –

طاقة الربط النووية

صالح البشيش الفيزياء الحديثة 0772188635

75 s.bshish@hotmail.com صالح البشيش

يمثل الشكل اندماج النيوترون مع البروتون أحد نظائر نواة الديتيروم ويسمى الفرق في الكتلة مقدار

الطاقة التي يجب أن تزود بها النواة لفصل مكوناتها تسمى طاقة الربط النووية ويمكن حساب فرق الكتلة

ك( من خلال العلاقة التالية : Δ(

ويمكن حساب طاقة الربط من خلال العلاقة التالية:

ولحساب طاقة الربط لكل نيوكليون :

مثال) 1 :)

صالح البشيش الفيزياء الحديثة 0772188635

76 s.bshish@hotmail.com صالح البشيش

مثال) 2 )

مثال) 3 )

صالح البشيش الفيزياء الحديثة 0772188635

77 s.bshish@hotmail.com صالح البشيش

صالح البشيش الفيزياء الحديثة 0772188635

78 s.bshish@hotmail.com صالح البشيش

يمثل الشكل السابق أن:

1 الأنوية الأكثر استقرارا وتفكيكها يتطلب طاقة وهي التي لها أعلى طاقة لكل نيوكليون ربط مثل -

عنصر 56Fe .

2 الأنوية التي لها قابلية الأندماج النووي هي الأنوية الخفيفة مثل عنصر - 2H .

3 الأنوية التي لها قابلية على الأنشطار النووي هي الأنوية الثقيلة مثل عنصر - 238U

وحسب الشكل يمكن تصنيف النوى حسب العدد الكتلي الى :

صالح البشيش الفيزياء الحديثة 0772188635

79 s.bshish@hotmail.com صالح البشيش

مثال) 1 (: يمثل المنحنى البياني المجاور العلاقة بين طاقة الربط النووية لكل نيوكليون والعدد الكتلي

لمجموعة من العناصر) Z.X.Y.W ( اعتمادا على

المنحنى أجب عما يلي :

1 أي هذه العناصر أكثر استقرارا ؟ولماذا؟ -

2 أي هذه العناصر أكثر قابلية للأنشطار وأيها أكثر -

قابلية للاندماج عند احداث تفاعل نووي؟

3 أحسب طاقة الربط للعنصر ) - X ؟ )

الحل :

1 العنصر) - Y ( لأن له أعلى طاقة ربط

2 أكثر قابلية للانشطار ) - W ( وأكثر قابلية للأندماج ) Z )

3 -

8 =طاقة الربط/ 200 === < 1600 مليون الكترون فولت

صالح البشيش الفيزياء الحديثة 0772188635

80 s.bshish@hotmail.com صالح البشيش

صالح البشيش الفيزياء الحديثة 0772188635

81 s.bshish@hotmail.com صالح البشيش

 يتم وصف النوى غير المستقرة بأنها مشعة .

 للوصول الى حالة الاستقرار تتحول النواة غير المستقرة في الطبيعة الى نواة أخرى عن طريق

التخلص من جزء من طاقتها على شكل انبعاث اشعاعات أو جسيمات.

 المبادئ التي يخضع لها أي أضمحلال

1 مبدأ حفظ العدد الذري - 2 مبدأ حفظ العدد الكتلي - 3 مبدأ حفظ الزخم الخطي -

4 مبدأ حفظ )الطاقة الكتلة( – -

النشاط الأشعاعي : هو نتاج عملية اضمحلال لنوى غير مستقرة .

بناء على الشكل الذي أمامك يدل على أن الاشعاع المنبعث يتألف من

ثلاث أنواع :

1 أشعة الفا - α : جسيمات موجبة الشحنة يتكون الواحد منها من

بروتونين ونيوترونين فهي تماثل نوى الهيليوم He24

 تمتاز بقدرتها العالية على تأين الذرات للمادة التي تصطدم

بها وذلك بسبب كبر كتلتها وكبر شحنتها مما يجعل من

احتمال تصادمها مع الذرات كبير جدا وتفقد الفا معظم طاقتها

في التأين وبالتالي تصبح قدرتها على النفاذ ضعيفة اي لا

تخترق صفحة من الورق.

 يقل عددها الذري بمقدار ) 2 ( والعدد الكتلي ) 4 . )

عند اضمحلال احد العناصر الغير مستقرة لجسيم الفا فأن نواة العنصر الجديد تصبح مستقرة بحيث

يتغير عددها الكتلي والذري كما في المعادلة :

حيث ) x (: النواة الأصلية)المشعة( , ) Y(: النواة الناتجة

س:اذكر المبادئ المحفوظة في التفاعلات النووية.

1 مبدأ حفظ الزخم - 2 مبدأ حفظ الكتلة الطاقة - - 3 مبدأ حفظ العدد الكتلي - 4 مبدأ حفظ الشحنة -

النشاط الأشعاعي

صالح البشيش الفيزياء الحديثة 0772188635

82 s.bshish@hotmail.com صالح البشيش

مثال:

س:هل يتحقق مبدأ حفظ )الطاقة الكتلة (أثناء اضمحلال الفا. -

 يتحول فرق الكتلة الى طاقة , تظهر على شكل طاقة حركية يحملها جسيم الفا والنواة الناتج

 ينص مبدأ حفظ العدد الكتلي" مجموع الاعداد الكتلية للنواتج يساوي العدد الكتلي للنواة الأم"

 مبدأ حفظ العدد الذري "مجموع الاعداد الذرية للنواتج مساوي العدد الذري للنواة الام" والذي

يعتبر صورة من قانون حفظ الشحنة.

 مبدأ حفظ )الطاقة الكتلة("مجموع الطاقة والكتلة للنوى والجسيمات المتفاعلة يساوي مجموع -

الطاقة والكتلة للنوى الناتجة".

 مبدأ حفظ الزخم الخطي " الزخم الخطي للنوى والجسيمات المتفاعلة أو المضمحلة يساوي

الزخم الحطي للنوى والجسيمات الناتجة من التفاعل أو الاضمحلال"

صالح البشيش الفيزياء الحديثة 0772188635

83 s.bshish@hotmail.com صالح البشيش

2 اشعة بيتا - β :تتكون من الكترونات e1-0 وتنتقل بسرعة عالية جدا ولصغر شحنتها فأن قدرتها على

التأين قليلة ولصغر كتلتها يكون مدى نفاذيتها كبيرا.

عندما نقول نواة مشعة بعثت دقيقة بيتا أي أن النواة بعثت الكترونا فتميل بعض انوية العناصر التي

بعثت جسيم بيتا لتتحول الى نواة جديدة أكثر استقرار.

ويمكن التعبير عن تفاعل )اضمحلال بيتا( من خلال المعادلة:

من هذا الاضمحلال نستنتج أن النواة الجديدة فقدت نيوترون وكسبت بروتون مع بعثها لاشعة بيتا

السالب.

س: كيف يمكن لنواة أن تبعث الكترونا وهي لا تحتوي على الكترون؟

 لان احد النيوترونات يضمحل الى بروتون والكترون وبسبب كتلته الصغيرة ينبعث الالكترون

الى خارج النواة بينما يبقى البروتون داخل النواة

س: كيف يمكن للنواة أن تبعث بوزيترون؟

 بسبب تحلل البروتون الى نيوترون وبوزترون وبسبب صغر كتلة البوزترون فأنه يبعث خارج

النواة بينما يبقى النيوترون داخل النواة.

 أي نشاط اشعاعي يبعث أشعة بيتا يخضع لمبدأ حفظ العدد الكتلي وحفظ العدد الذري ولكي يتم

تحقيق مبدأ حفظ الزخم الخطي وحفظ )الطاقة الكتلة( يجب انبعاث جسيم صغير مهمل الكتلة -

وغير مشحون .

 عند انبعاث الكترون يصاحبه جسيم صغير آخر مهمل الكتلة وغير مشحون ويسمى ضديد

نيوترينو.

النيوترينو: جسيم صغير مهمل الكتلة ليس له شحنة يصاحب اضمحلال بيتا.

البوزترون: هو نتاج تحلل أحد البروتونات الى نيوترون وبوزترون بحيث ينبعث البروتون ويبقى

البروتون داخل النواة.

صالح البشيش الفيزياء الحديثة 0772188635

84 s.bshish@hotmail.com صالح البشيش

س: اكتب معادلة تحلل النيوترون والبروتون؟

س: اكتب معادلة نووية تعبر عن اضمحلال النواة عندما تبعث بوزترونا؟

3 اشعة غاما :هي أشعة كهرومغناطيسية )فوتونات( , ليس لها كتلة , ذات طاقة عالية جدا, قدرتها -

على النفاذ عالية, قدرتها على التأين قليلة لانه لا شحنة لها.

عندما تبعث النواة جسيم الفاأو بيتا فأن النواة الناتجة تكون غالبا في مستوى الأثارة فتبعث اشعة غاما

وتنتقل الى مستوى الاستقرار.

س: عندما تبعث النواة دقائق الفا أو بيتا فأن النواة الناتجة تبقى مثارة فسر ذلك؟

بسبب امتلاكها طاقة زائدة عن الوضع الطبيعي لها ولكي تستقر النواة يجب التخلص من هذه الطاقة

باعثة اشعة غاما ولا يحد تغيير في العدد

الكتلي والذري للنواة الباعثة.

من خلال الشكل نلاحظ مثالا على اضمحلال

غاما من خلال نواة 12B5 غير المستقرة ولكي

تصل الى وضع الاستقرار يتم ذلك بطريقتين

:

1 أن تبعث تبعث جسيم بيتا طاقته - 13.4

مليون الكترون فولت وينتج عنها نواة 12c6

نواة مستقرة كما في المعادلة :

2 أن تبعث جسيم بيتا طاقته طاقته - 9 مليون

الكترون فولت وينتج نواة * 12c6 غير

صالح البشيش الفيزياء الحديثة 0772188635

85 s.bshish@hotmail.com صالح البشيش

المستقرة وهذا يعني أن لدى النواة الناتجة طاقة زائدة وكيل تصل الى مستوى الاستقرار تبعث اشعة

غاما على هيئة فوتون طاقته 4.4 مليون الكترون فولت كما في المعادلة

ايضا مثال آخر

سؤال:

عند اضمحلال النواة غير المستقرة فأنها تتحول الى نواة جديدة واذا كانت النواة الناتجة غير مستقرة

فأنها تضمحل من جديد مكونة نواة جديدة )أي قد تمر بسلسلة من التحولات قبل أن تستقرباعثة دقائق الفا

أو بيتا (

سلاسل الاضمحلال الاشعاعي الطبيعي: مجموعة تحولات متتالية تلقائية تبدأ بنظير مشع لعنصر ثقيل

وتنتهي بنواة نظير مستقر لعنصر آخر.

من أشهر سلاسل الأضمحلال الأشعاعي الطبيعي:

1 سلسلة اليورانيوم - 2 سلسلة الأكتينيوم - 3 سلسلة الثوريوم -

يمثل الشكل سلسلة من التحولات لاضمحلال الاشعاع الطبيعي لنواة اليورانيوم 238U92 لتنتهي السلسة

بنظير الرصاص المستقر 206Pb82 .

الاشعاع النووي الطبيعي