الهدف

بنهاية هذا الدرس، سيكون الطالب قادرًا على تطبيق علاقة دي بروي لحساب الطول الموجي للجسيمات المادية والتحقق من ازدواجية الموجة-الجسيم.

شرح الدرس

فرضية دي بروي (1924): لكل جسيم مادي طول موجي مرتبط بكمية تحركه:

λ = h/p = h/(mv)

حيث h = 6.626×10⁻³⁴ J·s وp كمية التحرك

التحقق التجريبي: تجربة دافيسون وجيرمر (1927): حيود الإلكترونات من بلورة نيكل أثبت طبيعتها الموجية.

مبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ:

Δx·Δp ≥ ħ/2 حيث ħ = h/(2π)

أسئلة تدريبية

1. احسب الطول الموجي لدي بروي لإلكترون سرعته 10⁶ م/ث. mₑ=9.11×10⁻³¹

عرض الإجابة

λ=h/(mv)=6.626×10⁻³⁴/(9.11×10⁻³¹×10⁶)=6.626×10⁻³⁴/9.11×10⁻²⁵=7.27×10⁻¹⁰ م≈0.727 نانومتر.

2. كرة كتلتها 0.1كجم تتحرك بـ10م/ث. احسب طولها الموجي. لماذا لا نلاحظ طبيعتها الموجية؟

عرض الإجابة

λ=h/(mv)=6.626×10⁻³⁴/1=6.626×10⁻³⁴ م. لا نلاحظه لأنه أصغر بكثير من أي حجم ذري (~10⁻¹⁰م). الطبيعة الموجية ذات أثر عملي فقط للجسيمات دون الذرية.

3. إلكترون تسارع عبر V=100V. احسب طوله الموجي. e=1.6×10⁻¹⁹

عرض الإجابة

KE=eV=1.6×10⁻¹⁷ J. v=√(2KE/m)=√(2×1.6×10⁻¹⁷/9.11×10⁻³¹)=√(3.51×10¹³)=5.93×10⁶ م/ث. λ=h/(mv)=6.626×10⁻³⁴/(9.11×10⁻³¹×5.93×10⁶)=1.23×10⁻¹⁰م≈0.123 nm.

4. ما الدليل التجريبي على ازدواجية الموجة-الجسيم للإلكترون؟

عرض الإجابة

تجربة دافيسون وجيرمر (1927): أطلقا إلكترونات على بلورة نيكل فظهر نمط حيود (مثل الأشعة السينية) مطابق للتنبؤات من علاقة دي بروي. هذا أثبت أن الإلكترونات تتصرف كموجات.

5. ما مبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ وما فلسفته؟

عرض الإجابة

Δx·Δp ≥ ħ/2. لا يمكن قياس موضع الجسيم وكميته التحرك معًا بدقة غير محدودة. هذا ليس محدودية في الأجهزة بل حقيقة أساسية في الطبيعة: فعل القياس يُغيّر الجسيم. الفلسفة: الجسيمات لا تمتلك خصائص محددة قبل القياس.

6. احسب عدم اليقين في موضع إلكترون إذا كان عدم اليقين في زخمه Δp=10⁻²⁴ كجم·م/ث. ħ=1.055×10⁻³⁴

عرض الإجابة

Δx≥ħ/(2Δp)=1.055×10⁻³⁴/(2×10⁻²⁴)=5.28×10⁻¹¹ م≈0.053 نانومتر.

7. ما الأساس الفيزيائي لاستخدام المجهر الإلكتروني بدلًا من الضوئي للأجسام الصغيرة جدًا؟

عرض الإجابة

الإلكترونات المتسارعة لها أطوال موجية أصغر بكثير من الضوء المرئي. الميكروسكوب يُفرّق بين تفاصيل مشابهة لطوله الموجي فقط. الإلكترون على 100kV: λ≈0.004nm مقارنة بـ400-700nm للضوء.

8. ما الذي تمثله الموجة في ميكانيكا الكم؟ هل هي موجة مادية حقيقية؟

عرض الإجابة

لا. الموجة في ميكانيكا الكم هي الدالة الموجية ψ التي يمثل مربعها |ψ|² كثافة احتمال وجود الجسيم في مكان ما. ليست موجة مادة تتموج في وسط بل موجة احتمالية.

9. لماذا لا يمكن حبس إلكترون في نواة الذرة (نصف قطرها ~10⁻¹⁵م)؟ استخدم مبدأ هايزنبرغ.

عرض الإجابة

Δx~10⁻¹⁵م→Δp≥ħ/(2Δx)=1.055×10⁻³⁴/(2×10⁻¹⁵)≈5.3×10⁻²⁰ كجم·م/ث. KE_min=(Δp)²/(2m)≈1.5×10⁻⁹ J≈10⁹ eV. هذه الطاقة هائلة لا تمتلكها الإلكترونات الذرية. لذا لا يمكن حبس الإلكترون في النواة.

10. قارن بين فوتون ضوء وإلكترون كلاهما له نفس الطول الموجي λ=0.1nm. احسب طاقة الفوتون وطاقة الإلكترون.

عرض الإجابة

طاقة الفوتون: E=hc/λ=6.626×10⁻³⁴×3×10⁸/10⁻¹⁰=1.99×10⁻¹⁵ J≈12.4 keV. الإلكترون: p=h/λ=6.626×10⁻³⁴/10⁻¹⁰=6.626×10⁻²⁴. KE=p²/(2m)=(6.626×10⁻²⁴)²/(2×9.11×10⁻³¹)=2.41×10⁻¹⁷ J≈150 eV. الفوتون أكثر طاقةً للنفس الطول الموجي.

11. كيف تُفسّر مستويات الطاقة في ذرة بور من منظور موجات دي بروي؟

عرض الإجابة

المستويات الطاقية المسموحة هي تلك التي يتلاءم فيها الطول الموجي للإلكترون مع محيط المدار: 2πr = nλ = nh/(mv). هذا يُفسّر تحديد المستويات: الإلكترون موجة دائمة (resonant standing wave) في مدار محدد.

12. ما الفرق الجوهري بين ازدواجية الموجة-الجسيم في عالم الكم وبين مثال الرياح المائية (موجات ماء)؟

عرض الإجابة

موجات الماء: ظاهرة جماعية لملايين الجزيئات تتحرك في وسط مادي. الموجة الكمية: خاصية لجسيم منفرد، وهي موجة احتمالية ليست في وسط مادي. كل جسيم منفرد يتداخل مع نفسه ويُعطي نمط حيود (تجربة الإلكترون الواحد).

💬 ابدأ من هنا — افهم أولًااطلب من ChatGPT أن يشرح الدرس مرة أو مرتين أو حتى عشر مرات، بطريقة أبسط أو بأمثلة أو بمواقف من الحياة. عندما تفهم، اقرأ الدرس جيدًا ثم أجب عن الأسئلة الاثني عشر.
1
Copy lesson information
2
Open ChatGPT
Paste lesson information in the ChatGPT chat box.
Open ChatGPT
3
Press Enter / Send
Press Enter / Send, then wait for ChatGPT to get ready with your lesson.
تحميل هذا الباب / Download this Chapterنسخة كاملة للدراسة بدون إنترنت، مع الأسئلة والإجابات والصور المتاحة.