نيروي الكتريكي موثر هسته و مدارهاي اتم

[ØÑтRдŁ§]

نيروي الكتريكي موثر هسته و مدارهاي اتم

نيروي الكتريكي موثر هسته، عبارت از نيروي الكتريكي است كه يك الكترون را به طرف هسته مي كشد. مثال اتم هيدروژن داراي يك پروتون و يك الكترون است. فرض كنيم نيروي الكتريكي كه از طرف هسته بر الكترون وارد مي شود برابر يك واحد باشد. اتم هليوم داراي دو پروتون و الكترون است. اما نيرويي الكتريكي كه بر هريك از الكترونهاي اتم هليوم وارد مي شود، برابر دو واحد نيست و بيروي الكتريكي موثري كه بر هر الكترون در اتم هليوم وارد مي شود تقريباً برابر 1.7 واحد است.

قاعده ي استالر

Staler's Rule

براي نخستين بار استالر روش ساده اي براي محاسبه نيروي الكتريكي موثر وارد به هر الكترون را ارائه داد. بنابر روش استالر نيروي الكتريكي هسته كه بر هر الكترون وارد مي شود، به اندازه ي S كاهش مي يابد و نيروي موثر هسته از رابطه ي زير به دست مي آيد.

Z*=Z-S.

كه در آن Z* , Z, S. به ترتيب نيروي الكتريكي موثر هسته، عدد اتمي و مقدار استالر ، يعني مقداري كه از نيروي الكتريكي واقعي كاهش مي يابد.

با توجه به روش استالر نخست بايد توجه كرد كه الكترون در كداميك از مدارات اصلي يا فرعي كه بصوررت زير داده مي شود، قرار دارد:

(1s)(2s,2p)(3s,3p)(3d)(4s,4p)(4d)(4f)(5s,5p)(5d)(5 f)...

در اين روش الكترونهاي سمت راست روي نيروي الكتريكي هسته كه بر يك الكترون وارد مي شود، تاثيري ندارند فرض كنيم مي خواهيم نيروي الكتريكي موثر بر الكتروني را كه در مدار n قرار دارد حساب كنيم در هر گروه، هر الكترون به اندازه ي 0.35 واحد از مقدار نيروي الكتريكي كه از طرف هسته اعمال مي شود، مي كاهند.

الكترونهاي گروه (s,p) n-1 به اندازه 0.85 واحد مي كاهند. الكترونهاي گروه n-2 به اندازه 1 واحد مي كاهند .

مثال: در اتم Sc كه شامل 21 پروتون است داريم:

S(4s) = 1 x (.35) + 9 x .85 + 10 x 1.0 = 18

So, Z*=21-18=3.

Example 2: As from a 3d perspective (Its nuclear has 33 protons);

S(3d)=20.3 and Z*=33-20.3=12.7

روش كلمنتي و رايموندي

Clementi and Raimondi

كلمنتي و رايموندي كار خود را روي نيروي الكتريكي موثر هسته در سال 1960 شروع كردند. در اين زمان اطلاعات زيادي در زمينه مدارات و مولكولها جمع آوري شده بود و كامپپوتر نيز اختراع شده بود كه در محاسبات بسيار مفيد بود. ايشان با استفاده از تابع موج روي اتمهاي مختلف از هيدروژن تا كريپتون كار كردند و يك روش رياضي براي محاسبه نيروي الكتريكي موثر هسته ارائه دادند. نتايج اين روش دقيق تر از روش استالر بود :

در روش كلمنتي

Atom : Sc,4s

Staler : Z*=3

Clementi : Z*=4.632



Atom : Sc,3d

Staler : Z*=12.7.

Clementi : Z*=17.378

توجه

قاعده ي استالر و روش كلمنتي بر مبناي آزمايش استوار است و و هيچگونه توضيح نظري ندارد كه چرا بايستي نيروي الكتريكي هسته براي رسيدن به الكترون در اتمهايي كه بيش از يك الكترون دارند، كاهش يابد.

اجازه بدهيد اين پديده را از ديدگاه نظريه سي. پي. اچ. بررسي كنيم. آيا نيرو تباه مي شود؟ اگر نيرو تباه نمي شود، پس چرا نيروي موثر هسته از يك مدار به مدار ديگر كاهش مي يابد؟ براي مقدار نيرويي كه كاهش مي يابد، چه اتفاقي مي افتد؟ آيا نيرو تبديل پذير است؟ نيرو به چه چيزي تبديل مي شود؟ هنگاميكه يك الكترون به طرف پروتون شتاب مي گيرد، انرژي الكترون افزايش مي يابد. سئوال اين است كه براي مقدار نيروي موجود در ميدان چه اتفاقي مي افتد؟

با توجه به نظريه سي. پي. اچ. نيرو و انرژي به يكديگر قابل تبديل هستند. اجازه بدهيد كاهش نيروي الكتريكي هسته را با استفاده از تبديل نيرو و انرژي به يكديگر توضيح دهيم.

كار كوانتومي است

در مورد قضيه كار انرژي W=DE برخوردي دوگانه وجود دارد. قسمت كار آن را با مكانيك كلاسيك مد نظر قرار مي دهند و كار را كميتي پيوسته در نظر مي گيرند، در حاليكه با انرژي آن برخوردي كوانتومي دارند. در واقع بايستي هر دو طرف رابطه را با ديد كوانتومي در نظر گرفت. در اين مورد مثالهاي زيادي مي توان ارائه داد كه با اين برخورد دوگانه در تناقض قرار خواهد گرفت. هنگاميكه يك فوتون در ميدان گرانشي سقوط مي كند، انرژي آن افزايش مي يابد. همچنانكه مي دانيم انرژي فوتون كوانتومي است، لذا كار انجام شده روي آن نيز بايد كوانتومي باشد. يك كوانتوم كار را بصورت زير تعريف مي كنيم:

Wq=FgLp

كه در آن Wq, Fg, Lp از چپ براست به ترتيب كوانتوم كار، كوانتوم نيروي گرانش و طول پلانك است. و در حالت كلي مقدار كار از رابطه ي زير به دست مي آيد :

W=nWq, n is an integer number. (n=...-2, -1, 0, 1, 2...)

با اين تعريف نيروي الكتريكي موثر هسته را بررسي مي كنيم.

نيروي الكتريكي موثر هسته

با توجه به نظريه سي. پي. اچ. هنگاميكه نيرو روي يك ذره/جسم كار انجام مي دهد، اگر كار متبت باشد، نيرو به انرژي تبديل مي شود و اگر كار منفي باشد، در اين صورت انرژي به نيرو تبديل مي شود.

فرض كنيم يك اتم با تعداد Z پروتون و نيدوي الكتريكي هسته Fz و نيروي الكتريكي موثر Fz* را روي يك الكترون اعمال مي كند. در طي زمانيكه نيروي الكتريكي مي خواهد به الكترون مورد نظر برسد، روي ساير الكترونهايي كه در مسير يا اطراف آن وجود دارند، كار انجام مي دهد. بنابراين مقدار Fw به انرژي تبديل مي شود، يعني E=W و به اندازه Fw از مقدار Fz كاسته خواهد شد و داريم Fz*=Fz - Fw با توجه به مدار بندي زير:

(1s)(2s,2p)(3s,3p)(3d)(4s,4p)(4d)(4f)(5s,5p)(5d)(5 f)...

و در نظر گرفتن شكل، نيروي الكتريكي هسته براي رسيدن به الكترون مورد نظر، روي الكترونهاي سمت راست مدار بندي، هيچگونه كاري انجام نميدهد.

در مقاله

از الکتروگراویت و مگنتوگراویت تا الکترومغناطیس

به سئوالات زیر پاسخ داده شده است

الف - ذرات باردار چگونه از یک ذره ی خنثی تولید می شوند؟

ب - ذره ی تبادلی (فوتون) چگونه و از چه چیزی تولید می شود؟

ج - فوتون حامل انرژی الکترومغناطیسی است که شامل دو میدان الکتریکی و مغناطیسی عمود بر هم است. چه رابطه ای بین این میدانهای الکترومغناطیسی و بار الکتریکی ذرات ماده - پاد ماده که در فرایند آفرینش تولید می شوند، وجود دارد؟

د - نقش گرانش (گراویتونها) در این فرایند ها چیست؟

نگاهی نوین به شواهد تجربی

برای به دست آوردن یک نتیجه ی رضایت بخش که بتوان با استفاده از آن به اتحاد نیروهای الکترومغناطیسی و گرانشی رسید، نمی شود و نباید با دیدگاه معمول به آن برخورد کرد. زیرا این دیدگاه در هشتاد سال گذشته با تمام تلاشی که انجام شده، موفقیت چندانی نداشته است

واقیعیت غیر قابل انکار این است که کاری که گرانش روی فوتون انجام می دهد، علاوه بر تغییر انرژی آن، بر شدت میدانهای الکتریکی و مغناطیسی آن نیز موثر است و این چیزی است که مکانیک کوانتوم و نسبیت برای آن توضیحی ندارند

از دیدگاه مکانیک کوانتوم، فوتون بسته انرژی در حال دوران است. همچنین میدانهای الکتریکی و مغناطیسی اطراف یک پرتو نوری ازنوع میدانهای الکترومغناطیسی استاتیک نیست. میدان الکترومغناطیسی که توسط یک فوتون ایجاد می شود، بسیار قوی تر از میدان گرانشی آمیخته با آن است. همچنین هنوز شناخته نشده که این دو میدان الکترومغناطیسی و گرانشی چگونه توسط فوتون تولید می شود و چرا تا این اندازه اختلاف دارند. این یک معمای حل نشده ی فیزیک است

باید توجه داشت که برای حل یک مسئله قدیمی، نمی توان به همان راه حل های کهنه و متداول بسنده کرد، بلکه باید به دنبال راه حلهای متفاوت و نوین بود تا به نتایج قابل قبولی رسید. البته باید توجه داشت که فیزیک دانشی متکی بر تجربه است، بنابراین هر توصیفی از پدیده های فیزیکی که بخواهد نظریه ای را مطرح کند، باید متکی بر شواهد تجربی باشد. بر این اساس است که نمی توان و نباید یک نظریه جدید شواهد تجربی را نقض کند، بلکه باید در شواهد تجربی ریشه گرفته و برای توجیه همین شواهد تجربی بکار رود و در این کارایی است که سیر تحول منطقی و تکامل خود را خواهد پیمود

حتی چنین نگرشی نیز نمی تواند روابط پذیرفته شده و متکی بر آزمایش را نفی کند، بلکه تنها می تواند به تعدیل یا تعمیم آنها بپردازد. نگاه نظریه سی. پی. اچ. به فیزیک از این زاویه است. بهمین دلیل در نظریه سی. پی. اچ. تلاش می شود با درک شهودی از پدیده ها روابط پذیرفته شده را تعمیم دهد. در این راستا به تعمیم یکی از بنیادی ترین روابط شناخته شده ی فیزیک، یعنی قضیه کار و انرژی می پردازیم

بار الکتریکی و نیروی الکتریکی

هنگامیکه انرژی به ذرات باردار تبدیل می شود، مانند آنچه که در پدیده ی تولید زوج الکترون - پوزیترون روی می دهد، این ذرات موجودیت و خواص الکتریکی خود را با انتشار فوتون های تبادلی بروز می دهند. در واقع بار الکتریکی یک ژنراتور (تولید کننده) نیروی الکتریکی است و گراویونهای اطراف را انباشته کرده و به صورت ذرات تبادلی نیروی الکتریکی در فضا منتشر می کند. یک بار الکتریکی منزوی را در نظر بگیرید که دائم در حال انتشار نیروی الکتریکی است، و هیچگاه جرم آن کاهش نمی یابد. این امر به دلیل آن است که مواد مورد مصرف آن گراویتون است که در اطراف آن به وفور یافت می شود. مقاومت گرانش در مقابل تغییر میدان الکتریکی بصورت میدان مغناطیسی ظاهر می شود. قانون آمپر را به یاد آورید

آلفای گرانش

گراویتون بار-رنگ یا مغناطیس-رنگ است. یک گراویتون نظیر ذره ی تبادلی نیروی الکتریکی (فوتون) عمل می کند. بنابراین ما می توانیم با توجه به عدد آلفا مقدار عددی ذره ی تبادلی گرانش را توضیح دهیم. همچنانکه می دانیم عدد آلفا برابر است