Back to chapter

7.8:

مبدأ عدم اليقين

JoVE Core
Chemistry
A subscription to JoVE is required to view this content.  Sign in or start your free trial.
JoVE Core Chemistry
The Uncertainty Principle

Languages

Share

الإلكترون هو جسيم دون-ذري كتلته m. لكنه يتصرف كموجة،بسرعة v،كما يتضح من فرضية دي برولي. إذا،للإلكترون كلاًمن خصائص شبه الموجة و خصائص شبه الجسيمات.لسوء الحظ،لا يمكن أن نشهد الإلكترون كجسيم بموقع محدد-وكموجة بسرعة معروفة أو زخم معروف-في نفس الوقت. ماذا يحدث عند إعداد التجربة لمراقبة الطبيعة المزدوجة للإلكترون؟أولاًلنعد النظر في تجربة الشق المزدوج حيث توجد فتحتان متقاربتان. عندما يمر شعاع من الإلكترونات عبر الشقوق،يتم إنتاج نمط متداخل.هذه خاصية فريدة من نوعها للأمواج. عندما تمر الإلكترونات واحدة تلو الأخرى،لوحظ نفس النمط. بما أن الإلكترون جسيم،فيجب أن يكون من الممكن مراقبة أي شق أو شقوق التي يسافر من خلالها.لدراسة هذا،يتم ترتيب شعاع الليزر مباشرة خلف الشقوق. عندما ينتقل الإلكترون من خلال شق،ينتج وميضًا صغيرًا يشير إلى اي شق قد مر من خلاله للتو. أثناء التجربة،تلاحظ الومضات في شق واحد فقط في المره الواحده،ولكن ليس في كلا الشقين في آنٍواحد.علاوة على ذلك،لم يعد من الممكن ملاحظة نمط التداخل بدلاًمن ذلك،يظهر خطان ساطعان. اثناء محاولة مراقبة طبيعة جسيمات الإلكترون،ضاعت طبيعته الموجية. بمعنى آخر،يتم ملاحظة الإلكترون إما كجسيم أو موجة،لكن ليس كلاهما في آن واحد.طبيعة الجسيمات والطبيعة الموجية للإلكترون،وبتوسيع موقعها وزخمها،تكون لذلك خصائص مكملة. و هو ما يعني أنه من المستحيل أيضًا مراقبة الموقع الدقيق وسرعة للإلكترون فى نفس الوقت. ذكر فيرنر هايزنبرج أن عدم اليقين في هذه الخصائص،ممثل بـ delta-x و m-delta-v،يجب أن يكون أكبر من أو يساوي كمية محددة وثابت بلانك يزيد عن 4 pi يُعرف هذا بمبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ.كلما تحدد موقع الإلكترون بدقة أكثر وكلما كانت دلتا-x أصغر،كلما قل اليقين في معرفة سرعة الإلكترون و ازدادت دلتا-v،والعكس صحيح. الآن،لنضع في اعتبارنا كرة غولف مستلقية عند نقطة الإنطلاق. وفقًا للفيزياء الكلاسيكية،الدرب أو المسار لكرة الجولف يمكن توقعه من خلال معرفة موقعها الأول،والقوة التي تضرب بها،وتأثير العوامل الأخرى،مثل الجاذبية والرياح والهواء المقاومة.باستخدام هذه البيانات،موقع كرة الجولف وسرعتها يمكن تحديدهما في أية لحظة. ومع ذلك،إذا كان الموقع الأولي لكرة الجولف معروفًا فقط،لا يمكن استنتاج موقعها النهائي. وبالمثل،للإلكترون،لأن كلاًمن موقعه وسرعته لا يمكن معرفتهما في نفس الوقت،كما لا يمكن التنبؤ بمساره.يُعرف هذا بسلوك عدم التعيين للإلكترون. لا يمكن لموقعها الحالي تحديد موقعها المستقبلي. لهذا السبب،و بدلاًمن وصف مكان دقيق للإلكترون،نستخدم احتمالية،أو احتمال،العثور عليه داخل منطقة معينة من الذرة.يُعرف هذا بكثافة الاحتمال،حيث كل نقطة تمثل الموقع المحتمل للإلكترون داخل الذرة. كثافة النقاط تتناسب مع احتمالية إيجاد الإلكترون. لذلك،من المرجح أن يوجد الإلكترون بشكل أقرب إلى نواة الذرة من البقاء بعيداًجداًوبالتالي،لتمثيل أكثر دقة للذرة يتم تصوير النواة محاطة بالكثافة المحتملة للإلكترونات الخاصة بها،والتي تُعرف أيضًا كنموذج السحابة الإلكترونية.

7.8:

مبدأ عدم اليقين

لقد اعتبر فيرنر هيسينبيرغ حدود مدى دقة قياس خصائص الإلكترونات أو غيرها من الجسيمات المجهرية. ولقد قرر أن هناك حداً أساسياً للكيفية التي يمكن بها قياس وضع الجسيم’ وزخمه في نفس الوقت بدقة. وكلما كان قياس قوة دفع الجسيم أكثر دقة، كلما كان الموقع في ذلك الوقت أقل دقة، والعكس صحيح. وهذا هو ما يسمى الآن مبدأ عدم اليقين في هايسنبرغ. فقد عمل رياضياً على وضع عدم اليقين في الموقف وعدم اليقين بشأن الزخم  بين الكمية التي تشتمل على ثابت بلانك’.

Eq1

تحسب هذه المعادلة الحد إلى أي مدى يمكن للمرء أن يعرف بدقة الموقع المتزامن لجسم ما وزخمه.

وبالتالي، كلما كان موضع الإلكترون أكثر دقة، كلما كانت السرعة المتجهة له أقل دقة والعكس صحيح. على سبيل المثال، يمكن للمرء أن يتنبأ بمكان هبوط كرة البيسبول في المجال الخارجي من خلال الإشارة إلى موقعها الأولي وسرعتها وعن طريق التفكير في تأثير الجاذبية والرياح، وما إلى ذلك. يمكن تقدير مسار كرة البيسبول.

بالنسبة للإلكترونات، لا يمكن تحديد الموضع والسرعة في نفس الوقت. لذلك، لا يمكن تحديد مسار الكترون لذرة ما. هذا السلوك غير محدد. بدلاً من الموقع الدقيق للإلكترونات، يمكننا الحديث عن إمكانية احتمال العثور على إلكترون في منطقة معينة من الذرة، وهي كثافة احتمال. يمكن الإشارة إليها على أنها مربّع psi (ψ2). وكلما ارتفعت احتمالات العثور على إلكترون في منطقة معينة، كلما كانت قيمة مربّع psi أكبر . بناءً على ذلك، يتم وصف الذرات بأنها تتكون من نواة محاطة بسحابة إلكترون.

إن مبدأ هايسينبيرغ’ يفرض قيوداً قصوى على ما يمكن معرفته في العلم. وبوسعنا أن نثبت أن مبدأ عدم اليقين كان نتيجة لثنائية الموجة–الجسيمات، والتي تكمن في قلب ما يميز نظرية الكمّ الحديثة عن الميكانيكيا الكلاسيكية.

تم اقتباس هذا النص من Openstax, Chemistry 2e, Section 6.3: Development of Quantum Theory.