نظام وحدات

وحدات ذرية

Atomic units are a system used in atomic physics and quantum chemistry where the electron mass, elementary charge, reduced Planck constant and Coulomb constant equal one, making the Bohr radius and the Hartree energy the natural scales of atomic structure.
13 مقالات ذات صلة

الوصف

Atomic units are a measurement system designed for the world of atoms and molecules, where the natural scales are set by the electron itself. In this system, the electron mass (mₑ), the elementary charge (e), the reduced Planck constant (ħ), and the Coulomb constant (1/4πε₀) are all set to 1. This choice makes the Bohr radius — the typical distance of an electron from a hydrogen nucleus — equal to 1 atomic unit of length, and the Hartree energy — the binding energy of the hydrogen atom — equal to 1 atomic unit of energy. Everything in atomic physics then becomes a simple number: the hydrogen atom's ground state energy is -0.5, the electron's orbital radius is 1, and so on.

التاريخ

Atomic units were introduced by the physicist Douglas Hartree in the 1920s, who developed them to simplify his numerical calculations of atomic structure, and they were later formalized and widely adopted in quantum chemistry.

كيف يعمل

To set up atomic units, you define the unit of mass as the electron mass, the unit of charge as the electron charge, and the unit of angular momentum as ħ. From these, the unit of length emerges as the Bohr radius (a₀ ≈ 5.29×10⁻¹¹ m), and the unit of energy as the Hartree (Eₕ ≈ 4.36×10⁻¹⁸ J). The Coulomb constant is then automatically 1, because the force between two unit charges at unit distance is 1. In practice, you write the Schrödinger equation with mₑ = 1, e = 1, ħ = 1, and 1/4πε₀ = 1, and all quantities are expressed in these units.

في التطبيق

Atomic units are the standard in quantum chemistry software (like Gaussian and GAMESS) and in atomic physics research, used for calculating molecular structures, spectra, and chemical reactions.

حقيقة طريفة

In atomic units, the speed of light is about 137 — the inverse of the fine-structure constant — which is why relativistic effects in atoms are small but not negligible.

Concept graph →

مقالات ذات صلة · 13

ذرات الكناري في منجم الفراغ
كانت الكناري تُؤخذ إلى المنجم ليس من أجل تغريدها. كان الطائر يسقط من مجثمه قبل أن يلاحظ عامل المنجم غاز أول أكسيد الكربون. في الفراغ فائق الارتفاع، يقوم بدور الكناري سحابة من مئة ألف ذرة من الليثيوم أو الروبيديوم. يبرّدها الليزر إلى عشرات الميكروكلفن، فتبقى معلقة في مصيدة مغناطيسية ضحلة لا يتجاوز عمقها ألف كلفن تقريبًا.
سُلَّم بلا تصادمات: كيف نُصحِّح حساب طاقة انفصال الإلكترون
يغادر الإلكترون الجزيء كما يغادر الساكن الطابق العلوي: لكي يخرج، عليه أن يتجاوز درجات من الطاقة. لكن في السُّلَّم الكمومي، الدرجات ليست فارغة: فهناك إلكترونات أخرى تتزاحم عليها، وهذا الازدحام يغيّر ارتفاع الصعود. الطريقة القياسية ADC(3) لا تلاحظ هذا الازدحام، فهي تفترض أن كل إلكترون يصعد على سُلَّم فارغ. لذلك فإن طاقة الانفصال التي تتنبأ بها تكون مبالغًا فيها بشكل منهجي.
كيمياء الكم لمئات الآلاف من الذرات: نموذج UBio-MolFM
الماء في الكوب يبدو متصلًا، لكنه في الحقيقة رقصة ديناميكية لتريليونات الجزيئات التي تكسر وتكوّن الروابط الكيميائية باستمرار. رؤية هذه الرقصة بكل تفاصيلها كانت مستحيلة سابقًا: الحسابات الدقيقة التي تراعي الخصائص الكمومية للإلكترونات — طبيعتها الموجية وتوزيعها الاحتمالي — كانت تتعامل فقط مع أنظمة صغيرة جدًا لا تتجاوز مئات الذرات. النموذج الجديد UBio-MolFM يغير قواعد اللعبة.
كيف نلتقط التوهج الحراري للفراغ
إذا عجّلنا مراقبًا إلى سرعة قريبة من سرعة الضوء، فإن الفراغ من حوله لن يبقى باردًا. ينشأ توهج حراري — تأثير تنبأ به في عام 1976 وسُمي باسم ويليام أونروه. بالنسبة للتسارعات الأرضية، يكون هذا التوهج ضعيفًا للغاية، مثل همس في حفلة موسيقى الروك.
صدى الفراغ: كيف نلتقط غير المرئي
راحة اليد فوق موقد ساخن تشعر بالحرارة حتى عندما يبدو الهواء المحيط باردًا. شيء مشابه يحدث للإلكترونات في تأثير أهارونوف-بوم: الجسيم يشعر بالجهد الكهربائي رغم دخوله منطقة أُطفئ فيها المجال بالفعل. النسخة الكهربائية من التأثير — عندما يتغير الجهد (الجهد القياسي) مع الزمن ويُزاح طور موجة الإلكترون — ظلت حتى الآن حبرًا على ورق. لم يقم أحد بتجربة مع جهود محمية ومتغيرة زمنيًا.
لماذا 'تقلص' البروتون ثم 'عاد إلى حجمه'؟
لمعرفة الحجم الحقيقي للبروتون، استبدل الفيزيائيون الإلكترون في ذرة الهيدروجين بنسخته الثقيلة — الميون. الميون، مثل عدسة مكبرة بتكبير ألف مرة، يقترب من النواة عن كثب و'يتحسس' البروتون بدقة لم تكن متاحة من قبل. أظهر التحليل الطيفي أن البروتون أصغر بنحو 4% مما أعطته التجارب القديمة مع الإلكترون العادي.
المحيط الخفي الذي يمسك بالذرة
وفقًا للميكانيكا التقليدية، يجب أن يدور الإلكترون حول النواة ويسقط عليها بسرعة — مثل متزلج الأمواج الذي يفقد سرعته ويسقط عن لوحه. لكن الذرات تعيش مليارات السنين. لأن الفضاء ليس فارغًا. حتى في الفراغ المطلق، يتلاطم بحر كهرومغناطيسي غير مرئي — يُعرف بحقل النقطة الصفرية. أمواجه تدفع الإلكترون باستمرار. سر الاستقرار يكمن في الإيقاع.
قياس ذرة الهيدروجين بدقة تصل إلى أجزاء من التريليون
ذرة الهيدروجين تشبه ساعة صغيرة تدق بدقة يحلم بها المهندسون. عندما يقفز الإلكترون بين المدارات، فإنه يمتص أو يصدر ضوءًا بتردد محدد بدقة، وهذه هي "النبضة". في العمل الجديد، التقط الفيزيائيون أحد هذه الانتقالات، بين الحالتين 2S و6P، وقاسوا تردده بهامش خطأ أقل من جزء من المليار من المئة. الرقم الناتج هو 730 690 248 610.79 كيلوهرتز، والخطأ 0.48 كيلوهرتز فقط.
الهيليوم-4: دقة تصل إلى 48 هرتز تكشف أسرار النوى الذرية
ذرة الهيليوم تشبه نظامًا شمسيًا مصغرًا: تدور الإلكترونات حول النواة، لكن مداراتها تحكمها قواعد صارمة. لقد تعلّم العلماء مراقبة هذه الحركات بدقة مذهلة. في تجربة جديدة، قاموا بقياس تردد الانتقال بين حالتين لذرة الهيليوم-4، وكأنهم التقطوا اللحظة التي يقفز فيها كوكب من مدار إلى آخر.
جسيم شبح: كيف التقطنا إشارة إلى قوة جديدة
في المعهد الهنغاري لأبحاث النواة ATOMKI، لاحظ الفيزيائيون شيئًا غريبًا: في اضمحلال نوى ذرية مثارة، تتولد أحيانًا أزواج من الإلكترون والبوزيترون تتناثر بزاوية غير عادية. وكأن هناك جسيمًا وسيطًا غير مرئي يختبئ بينهما، يظهر للحظة ثم يختفي.
النوى الكونية: ماذا تخبرنا عن نجومها؟
مثل المتسابقين في سباق طويل، تتسابق نوى الذرات - من الهيليوم الخفيف إلى الحديد الثقيل - عبر المجرة بأكملها نحو الأرض. عند خط النهاية، في الكاشف الموجود على منطاد على ارتفاع عالٍ، نرى أن النوى الثقيلة تصل أكثر إرهاقًا قليلًا من النوى الخفيفة. الفرق صغير، لكنه يتكرر من رحلة إلى أخرى.
الأشعة الكونية تكسر قانونًا بسيطًا
عالياً فوق الأرض يحلّق قمر صناعي، وبداخله جهاز بحجم خزانة صغيرة. يلتقط جسيمات ظلت تندفع عبر المجرة لمليارات السنين حتى اصطدمت أخيرًا بالكاشف. تُسمى هذه الجسيمات بالأشعة الكونية، وهي تحمل إلينا أخبارًا عن انفجارات نجوم بعيدة. جهاز NUCLEON على القمر الصناعي «ريسورس-بي» ظل ستة أشهر يجمع هذه «الرسائل من الفضاء».
نوى كونية تكشف عن طاقاتها
عالياً فوق الغطاء الجليدي لأنتاركتيكا، ظل بالون يحمل كاشفًا معلقًا لمدة عشرين يومًا. كان يلتقط جسيمات صغيرة جدًا، ظلت تحلق نحونا لملايين السنين قادمة من انفجارات نجمية بعيدة. الآن، فك العلماء حمولته وأخبرونا عن الطاقة التي حملتها البروتونات ونوى العناصر المختلفة. اتضح أن الجسيمات ليست كلها متشابهة.