كيمياء فيزيائية التحكم الليزيري بالتفاعلات الكيميائية( الفيمتو والنانو سكند) الجزء الثاني

المصدر: التحكم الليزيري بالتفاعلات الكيميائية( الفيمتو والنانو سكند) الجزء الثاني
في منتدى : قسم الكيمياء

تداخل الأمواج الضوئية​

تبدو ظاهرة التداخل البناء والهدام مرئية للعيان إذا ما وجهنا حزمة ضوء ليزري نحو صفيحة معتمة أُحْدِث فيها شقان طوليان ضيقان، حيث يسلك كل شق سلوك منبع ضوئي، فتنبعث منه الأمواج وتنتشر خارجه. تتداخل الأمواج المنبعثة من الشقين فيما بينها، ويُرى هذا التداخل إذا ما وضعنا حاجزا وراء الشقين، حيث نلاحظ أن شكلا من شرائح منيرة ومعتمة قد ارتسم عليه. تدل المناطق المنيرة على ظاهرة التداخل البناء، في حين تدل المناطق المعتمة على ظاهرة التداخل الهدّام. تستند التقانة الأخيرة المعتمدة في مجال التحكم في الجزيئات إلى أن الضوء ليس الكيان الوحيد الذي يبدي ظاهرة التداخل. فهناك كيانات أخرى، مثل جسيمات الإلكترونات والذرات والجزيئات، تسلك سلوك الأمواج، ويمكنها بالتالي أن تتداخل فيما بينها، وذلك استنادا إلى مبدأ أساسي في الميكانيك الكمومي [انظر: The " Duality in Matter and Light",by M. O. Scully - B.-G. Englert - H.

Walther;Scientific American, December 1994].​

وقد أثبتت التجارب وجود الأمواج المواكبة للجسيمات المادية، وبالتالي تداخل هذه الجسيمات.

ترابط الطور، ويدل على الطريقة التي تصدر بها الذرات الطاقة المشعة أو الضوء. ففي منابع الضوء التقليدية، مثل مصابيح الإنارة المنزلية، تصدر الذرات المنارة الضوء بصورة تلقائية وبحيث تبث كل ذرة ضوءها على نحو مستقل عما تفعله الذرات الأخرى، ولذلك لا تترابط الأمواج الضوئية الصادرة عن الذرات المختلفة، ويتشكل الضوء الناتج من إصدارات عشوائية غير منتظمة، كما يبدو (الصورة العليا في الصفحة المقابلة). أما في الضوء الليزري، فتعمل الذرات كلها معا وتكون إصداراتها الضوئية على طور فيما بينها، ويكون الضوء الناتج مترابطا كما (في اليسار).​

ونتساءل، كيف يقدر الكيميائي أن يستفيد من ظاهرة التداخل، للتحكم في مسار تفاعلاته؟ وللإجابة عن هذا التساؤل تم تطوير عدة تقانات، يقوم أبسطها على توجيه حزمتين ليزريتين مختلفتين على الجزيئات المتفاعلة، حيث تثير كل حزمة المظهر الموجي للجزيئات على نحو خاص، وعندها يمكن لموجتي المادة أن تتداخلا فيما بينهما، بحيث يمكن لتداخلهما البناء أن يؤدي إلى تشكل منتج محدد، في حين يؤدي تداخلهما الهدام إلى غياب هذا المنتج، أو إلى تعزيز تشكل منتج آخر. ويعني هذا إمكانية التحكم في صورة التداخل، أي التحكم في نواتج التفاعل، من خلال التحكم في الترابط ما بين حزمتي الليزر، وفي خواص الشدة لهما.

وهناك تفسير آخر أكثر دقة ووضوحا ونوعية يعتمد تجريدا يعرف باسم الدالة الموجية wave function، وهي دالة يستخدمها الفيزيائيون لوصف المنظومات الذرية والجزيئية. لندخل في اعتبارنا جزيئا مشكلا من ثلاثة مكونات نرمز لها بِ: A، B و C تجمعها خطوط فيما بينها. وبسبب السلوك الموجي للجسيمات، فإن بوسع الفيزيائيين أن يصفوا الحالة الأولية لهذا الجزيء بتعبير رياضياتي هو الدالة الموجية. يتضمن هذا التعبير كل المعلومات المتاحة عن حالة الجزيء وعن حركته أو ديناميكيته: فمربعه يدل على احتمال وجود الجزيء في موقع محدد، كما أنه يفيد كأداة أو وسيلة وصفية أساسية في الميكانيك الكمومي.

يحدث التفكك الكيميائي المتحكم فيه إذا ما وجهنا نحو مركب ما ـ وفي آن واحد ـ مصدرين إشعاعيين (أي نوعين من الفوتونات الليزرية)، أحدهما أكثر طاقة من الآخر. فالجزيء ABC قد يتفكك إذا ما امتص فوتونا ذا طاقة محددة، أو ثلاثة فوتونات يحمل كل منها ثلث الطاقة التي يحملها الفوتون الأول. تتداخل، فيما بينها، الدوال الموجية المرتبطة بكل واحد من نوعي فوتونات الإثارة بصورة ميكانيكية كمومية، ويمكن التحكم في مدى التداخل؛ وبالتالي في نوعية النواتج المتشكلة، بضبط السعة النسبية للموجة (أي ارتفاعها) وطور الضوء الليزري.​

لنتصور الآن أن هناك إمكانيتين مختلفتين لتحطيم الروابط في الجزيء ABC: فإما أن تتحطم الرابطة بين المكونين A و B، ويتشكل زوجا المركبات A و BC، أو تتحطم الرابطة بين المكونين B و C ويتشكل زوجا المركبات AB و C؛ يلزم لتحقيق أي من هاتين الإمكانيتين تزويد الجزيء بطاقة من خلال تشعيعه بفوتون ذي تواتر خاص (أي تزويده بمقدار محدد ومعروف من الطاقة)؛ فإن كانت طاقة الفوتون عالية إلى درجة كافية، فإنه سيحمل الجزيء إلى حالته النهائية، أي إلى سوية الطاقة التي يتفكك عندها إلى أحد زوجي المركبات السابقين. تتضمن الدالة الموجية التي تصف الجزيء ABC في هذه الحالة نوعين من المعلومات، أحدهما هو طبيعة موجة الضوء الليزري الذي يشعع الجزيء والآخر هو طبيعة الموجة الميكانيكية الكمومية للجزيء ذاته.

أما إذا شعّعنا الجزيء بفوتون ذي تواتر يبلغ ثلث تواتر الفوتون السابق، (أي بفوتون يحمل ثلث الطاقة التي كان يحملها الفوتون الأول)، فإن على الجزيء ـ حتى يتفكك ـ أن يمتص ثلاثة من هذه الفوتونات عوضا عن فوتون واحد، وستكون الدالة الموجية الجزيئية في نقطة التفكك مختلفة ومظهرة أن الجزيء قد امتص ثلاثة فوتونات بدلا من فوتون واحد.

يمكن التحكم في الحركة الجزيئية إذا ما شعَّعنا في آن واحد الجزيء ABC في كلا الحقلين الضوئيين. وسيتشكل من جراء ذلك دالتان موجيتان متمايزتان عند طاقة التفكك، تدل كل واحدة منهما على أحد منوالي modes الإثارة. وسيتداخل هذان المنوالان، تماما كما يتداخل الضوء المترابط عند مروره من خلال شقين طوليين مُحْدَثَيْن في صفيحة معتمة [انظر ما هو مؤطر في الصفحة 34]. وقد يبدو غريبا أن يتداخل مساران تفاعليان، إلا أن هذا التداخل هو في أساس مفاهيم الميكانيك الكمومي.

إن من حسن حظ الكيميائيين الذين يبحثون في التحكم في الجزيئات، أن التعبير الرياضياتي الذي يصف حالة التداخل يختلف فيما بين نوعي نواتج تفكك الجزيء ABC ، بحيث يمكن توجيه هذا التفكك بصورة أساسية نحو تشكل زوجي المركبات A و BC أو الزوجين AB و C من خلال ضبط حد التداخل. يتوقف التداخل، وبالتالي كمية كل منتج، على السعة النسبية لكل من حزمتي الضوء الليزري الأصليتين، وعلى طورها، وبذلك يمكن تعديله وتغييره من خلال ضبط هذه الخصائص. وبسبب اعتماد التحكم الجزيئي على ظاهرة التداخل، فإن ذلك لا يقتضي استخدام ليزرات قوية، وبالتالي فإن ضوءا ضعيفا يمكن أن يكون ذا تأثير أساسي في ديناميكية الجزيئات.

وقد درسنا مع <K.Ch.شان> (في جامعة تورنتو) في حينه تفكك جزيء اليود الأحادي البروم، الثنائي الذرة (IBr)، القادر على التفكك إلى I+Br أو*I+Br، حيث تدل*Br على ذرة بروم تملك فائضا من الطاقة. وتوقَّعت حساباتنا أن يؤدي تعديل شدتي حزمتي الليزر المستخدمتين، وطوريهما النسبيين إلى تحقيق تحكم واسع المدى يتيح التأثير في كمية البروم ذي الطاقة المرتفعة، على نحو يجعل نسبتها المئوية في مجمل الناتج المتشكل تتراوح ما بين %25 و %95. ويتجاوز مدى التحكم هذا كل أحلام وآمال الكيميائيين الصناعيين التقليديين الذين كانوا يسعون لتحقيق انتقائية لا تتعدى نسبتها 10 في المئة. كما أظهرت التجارب التي أجراها <D.إليوت> (في جامعة Purdue) نجاح هذا التوجه نحو التحكم في تفاعلات تأيين الذرات. أما <J.R. گوردون> (من جامعة إلينوي في شيكاغو) فقد حصل على نتائج جيدة أيضا في التحكم في حالة الجزيئات الثنائية الذرة أو المتعددة الذرات.

يمكن لاستراتيجية الليزر الثنائي النبضة أن تتحكم أيضا في نواتج تفاعل كيميائي ما، حيث تضع النبضة الأولى الجزيء في حالة متراكبة، أي في حالة تجعله يهتز ويدور على نحو خاص؛ وتتوقف هذه الحركة على خصائص كل من الجزيء (الهدف) والليزر (القذيفة). أما النبضة الثانية فتحطم الجزيء. يمكن التحكم في نواتج التفاعل بتعديل الزمن الفاصل بين النبضتين، وبتغيير التواترات المشكلة لهما.​

وهذا النوع من التحكم المترابط لا يقتصر على استخدام فوتون واحد من جهة وثلاثة فوتونات يحمل كل واحد منها ثلث طاقة الفوتون الأول من جهة أخرى، فالميكانيك الكمومي يتيح المجال أمام التحكم في مدى حدوث تفاعل خاص إذا ما توافق كل واحد من مساريه المحتملين وامتصاص عدد فردي أو عدد زوجي من الفوتونات. وقد بيّن <A.باندروك> (من جامعة شربروك في كيبك) بصورة حسابية، أنه يمكن التحكم إلى مدى بعيد في تفاعل التفكك الضوئي لجزيء كلور إلى ذرتين تحمل واحدة منهما فقط فائضا من طاقة، وذلك عندما يمتص هذا الجزيء فوتونين من حزمة ليزر أولى، وأربعة فوتونات يملك كل واحد منها نصف الطاقة التي يحملها كل واحد من الفوتونين الأولين من حزمة ليزر ثانية. كما أظهرنا ـ بصورة مماثلة ـ أن استخدام فوتون واحد، بالتزامن مع فوتونين يحمل كل واحد منهما نصف طاقته، يسمح بالتحكم في الاتجاه الذي تأخذه الجزيئات عندما تغادر منطقة التفاعل. تتيح مثل هذه الإمكانية فصلا أفضل لنواتج التفاعل وتعزز بذلك فعاليته وتقويها.

التداخل والتحكم المترابط

يمكن توليد أهداب التداخل بتمرير ضوء مترابط عبر شقين. كما أن جسيمات كمثل الجزيئات تتداخل أيضا بالطريقة هذه.​

قد يكون أكثر المظاهر غرابة في مفاهيم الميكانيك الكمومي، هو ما أضفاه من سلوك موجي على المادة في شروط وظروف محددة، فجعلها تقوم بظاهرة التداخل. ولارتباط هذه الظاهرة بصورة أساسية بإمكانية أو قدرة الليزر على التحكم في التفاعلات الكيميائية، فقد يكون مفيدا أن نعرض هنا بعض المفاهيم الرياضياتية وكذلك بعض مفاهيم تقنيات الميكانيك الكمومي المرتبطة بهذه الظاهرة.
يحدث التداخل تبعا للطريقة التي تجتمع فيها الأمواج بعضها مع بعض، وتقوم طريقة جمع عدة أمواج مختلفة على جمع سعاتها (أي ارتفاع موجاتها) ثم أخذ مربع الناتج. لنعتبر مثلا التداخل القائم بين موجتين نرمز لسعتيهما في زمن معطى وفي وضعية محددة بـ a و b. إن شدة كل واحدة منهما هي a2 وb2 على التوالي؛ أما السعة المرتبطة c فهي مجموع السعتين a، b أي c = a+b. أما الشدة المرتبطة c2 فتساوي c2= (a+b)2 = a2+b2+2ab.
يلاحظ أن هذه الشدة ليست فقط مجموع شدتي الموجتين أي a2+b2، بل إن هناك حدا إضافيا تداخليا يسهم في تحديدها هو المقدار 2ab. فإذا كانت إشارتا سعتي الموجتين من نوع واحد، كأن تكون كلتاهما موجبة أو سالبة، فإن الحد التداخلي يكون موجبا، وتكون الشدة الناتجة أكبر من مجموع شدتي الموجتين، ويكون تداخلهما بنّاء. أما إذا كانت إشارتا السعتين a و b مختلفتين، أي إذا كانت إحداهما موجبة والأخرى سالبة، فإن حد التداخل يكون سالبا، وتكون الشدة الناتجة c2 أصغر من مجموع شدتي الموجتين المنفردتين، ويكون تداخلهما هدّاما.
يمكن أن يُرى تغير الشدة الناتج من تداخل الأمواج الضوئية في تجربة الشقين الشهيرة، حيث تمر حزمة من الضوء المترابط عبر شقين وتصل بعدهما إلى حاجز (انظر الشكل). تتوافق مناطق الإضاءة على الحاجز وعملية التداخل البناء بين حزمتي الضوء اللتين عبرتا الشقين، في حين تتوافق مناطق العتمة الملاحظة وعملية التداخل الهدام القائم بين هاتين الحزمتين. أما الشدات الواقعة بين هذين الطرفين الحديين فتتشكل من جمع النهايات العظمى والصغرى والتي تلتقي على الحاجز.
لنفترض الآن أننا نستعيض عن الضوء المار عبر الشقين بجسيمات، مثل إلكترونات أو ذرات أو جزيئات. يمكن بالبداهة أن نتصور أن الشكل الذي سيظهر على الحاجز، سيكون مثل لطختين شبه مستطيلتين ناتجتين من مرور الجسيمات عبر الشقين. وفي الحقيقة، وبسبب الصفة الأساسية للميكانيك الكمومي، فإن الصورة الملاحظة على الحاجز تدل بوضوح على صورة تداخل، مما يعني أن بوسع الجسيمات إظهار الخصائص السلوكية التي للأمواج (شريطة أن تكون هذه الجسيمات مترابطة، أي مهيأة على نحو تكون لها معه دوال موجية محددة بدقة). ولا يمكن تقديم أي تفسير لهذه الملاحظات بدلالة النظرية التقليدية للجسيمات.
ولهذا السبب، فإن الوصف الملائم لديناميكية الجسيمات في الميكانيك الموجي، يتطلب اعتماد دالة موجية خاصة بها، كما في حالة الأمواج، وهي دالة تتحدد أيضا بسعة وبطور. فإذا ما أخضعنا الجسيمات لتجربة الشق المزدوج، فإن دوالها الموجية الكمومية، ستتداخل إحداها مع الأخرى عند وصولها إلى الحاجز عبر الشقين. وهنا نلاحظ مظهرا آخر أكثر أهمية وغير مألوف للمفهوم الكمومي. ذلك أن التداخل يحدث لأننا لا نعرف عبر أي من الشقين مرت الجسيمات المتداخلة، ولو وجهنا اهتمامنا لمعرفة ذلك لاختفت صورة التداخل(2).
تجسد تجربة الشق المزدوج مبدأ كموميا أساسيا ينص على إمكانية جعل الطريقين (أو أكثر)، اللذين يحافظان على طور الجسيم عندما يسلكهما في سعيه لبلوغ حالة نهائية ما، أن يتداخلا. وفي تجربة الفوتون الواحد والفوتونات الثلاث، التي ورد ذكرها في سياق هذه المقالة، فإننا لا نستطيع تحديد أي من طريقي الإثارة الممكنين يمكن أن يقود إلى الحالة النهائية الملاحظة، لذلك نقول إن الطريقين يتداخلان. ويشكل هذا التداخل المثار ضوئيا، أساس التحكم المترابط الإشعاعي للعمليات الجزيئية.

(يتبع )
​

 

انتظروا الجزء الثالث والاخير تحياتي

 

جزاك الله خيرا، جيد أخي واصل
​

 

مشكورين على المرور
thank you for reading
谢谢你 ​