مبادئ العلوم الفيزيائية

تأسست الفيزياء بمعناها الحديث في منتصف القرن التاسع عشر كتوليف للعديد من العلوم القديمة، مثل علوم الميكانيكا والبصريات والصوتيات والكهرباء والمغناطيسية والحرارة، فضلا عن الخصائص الفيزيائية للمادة.

يستند التوليف في جزء كبير منه إلى الإدراك بأن قوى الطبيعة المختلفة مرتبطة ببعضها البعض، وأنها في الواقع قابلة للتحويل لأنها أشكال من الطاقة.

العلوم الفيزيائية، مثل جميع العلوم الطبيعية، تهتم بوصف وربط بعضها ببعض في تجارب العالم المحيط، ويشارك فيها مراقبون مختلفون، ويمكن التوصل إلى وصف مشترك لها.

تتعامل الفيزياء مع الخصائص العامة للمادة، مثل سلوك الأجسام تحت تأثير القوى، وتتعامل مع مبادئ تلك القوى، وتلعب الكتلة وشكل الجسم دورا مهما كخصائص وحيدة.

لا تركز الفيزياء فقط على السلوك الميكانيكي الإجمالي للأجسام، بل تشارك مع الكيمياء في هدف فهم كيفية ترتيب الذرات الفردية لتشكيل جزيئات وتجمعات أكبر وخصائص معينة.

بالإضافة إلى ذلك، يمكن تحليل الذرة نفسها إلى مكوناتها الأساسية وتفاعلاتها.

تظهر الجسيمات والقوى الأساسية التي يتم التعامل معها كمية بطرق (ميكانيكا الكم) سلوك جميع الأشياء المادية بالتفصيل.

ومع ذلك، لا يعني ذلك أنه يمكن استنتاج كل شيء رياضيًا من عدد قليل من المبادئ الأساسية، لأن تعقيد الأشياء يمكن أن يهزم قوة الرياضيات أو حتى أكبر أجهزة الكمبيوتر.

وبالرغم من ذلك، فإنه عندما يمكن حساب العلاقة بين خاصية ملحوظة للجسم وبنيته الأعمق، لا يوجد أي دليل يشير إلى أن الأشياء الأكثر تعقيدًا، بما في ذلك الكائنات الحية، تتطلب مبادئ جديدة خاصة بها، على الأقل طالما أن المادة وليس العقل موضع التساؤل.

لدى العالم الفيزيائي دورانان مختلفان للغاية، فعليه أن يكشف عن أبسط المكونات والقوانين التي تحكمها من جهة، ومن جهة أخرى يجب عليه اكتشاف تقنيات لتوضيح السمات الغريبة التي تنشأ عن تعقيد البنية دون اللجوء في كل مرة إلى الأساسيات.

التغيرات الفيزيائية

• تتعلّق التغيّرات الفيزيائية بحالات المادة والطاقة .
• على الرغم من أن المواد قد تبدو مختلفة تمامًا عن بعضها البعض، إلا أن التغيير الجسدي للمادة لا ينتج عنها مادة جديدة.
• – التغيرات في الحالة أو المرحلة مثل الذوبان، التجمد، التبخير، التكثيف هي تغيرات مادية .
• أمثلة على التغيرات الجسدية تشمل سحق العلبة، صهر مكعبات الثلج، وكسر الزجاجة.

الخصائص الفيزيائية المكثفة و الواسعة

• لا يجب الاعتماد على الخصائص الفيزيائية المكثفة بناءً على حجم العينة أو كتلتها.
• تشمل الأمثلة على الخصائص الفيزيائية النقطة الغليان وحالة المادة والكثافة.
• الخصائص الفيزيائية الواسعة تعتمد بشكل كبير على كمية المادة الموجودة في العينة، وتشمل الكتلة والحجم وأمثلة أخرى.

الخصائص الفيزيائية المتناحية و المتباينة

• لا تعتمد الخصائص الفيزيائية المتناحية على اتجاه العينة أو الاتجاه الذي يتم ملاحظتها منها.
• تختلف الخصائص المتغيرة باتجاه الخاصية. في حين يمكن تحديد أي خاصية فيزيائية كمتناغمة أو متغيرة الخصائص .
• تستخدم المصطلحات عادة للمساعدة في تحديد أو تمييز المواد بناء على خصائصها البصرية والميكانيكية.
• قد تختلف البلورات في اللون بناءً على محور العرض، على سبيل المثال، قد تكون إحدى البلورات متناغمة في اللون في حين يمكن أن تظهر الأخرى بلون مختلف.

الكيمياء الفيزيائية

الكيمياء الفيزيائية هي دراسة كيفية تصرف المادة على المستوى الجزيئي والذري وكيف تحدث التفاعلات الكيميائية. بناءً على تحليلاتهم ، قد يطوّر الكيميائيون الفيزيائيون نظريات جديدة ، مثل كيفية تكوين الهياكل المعقدة ، غالبًا ما يعمل الكيميائيون الفيزيائيون مع علماء المواد للبحث وتطوير الاستخدامات المحتملة للمواد الجديدة.

دور الكيميائيون الفيزيائيون

• يتركز اهتمام الكيميائيين الفيزيائيين على فهم الخصائص الفيزيائية للذرات والجزيئات، وطريقة حدوث التفاعلات الكيميائية، والمعلومات التي يمكن استخلاصها من هذه الخصائص.
• يتضمن عملهمتحليل المواد وتطوير طرق لاختبار وتوصيف خصائص المواد، وتطوير نظريات حول هذه الخصائص، واكتشاف الاستخدامات المحتملة للمواد.
• كان استخدام الأجهزة والمعدات المتطورة دائمًا جانبًا مهمًا في الكيمياء الفيزيائية، وهناك العديد من الأدوات التحليلية التي يمكن استخدامها في مختبرات الكيمياء الفيزيائية، وتشمل ذلك الليزر وأجهزة قياس الطيف الكتلي والرنين المغناطيسي النووي والمجاهر الإلكترونية.
• تستند اكتشافات الكيميائيين الفيزيائيين إلى فهم الخصائص الكيميائية ووصف سلوكهم باستخدام نظريات الفيزياء والحسابات الرياضية.
• يتنبأ الكيميائيون الفيزيائيون بخصائص وتفاعلات المواد الكيميائية، ثم يختبرون تلك التنبؤات. يستخدمون التحليل الرياضي والإحصائيات على مجموعات البيانات الضخمة، وأحيانًا بملايين نقاط البيانات، للكشف عن المعلومات المخفية حول المركبات والمواد والعمليات.
• يمكن أيضا أن يقوموا بإجراء عمليات محاكاة وتطوير معادلات رياضية تتنبأ بكيفية تفاعل المركبات مع مرور الوقت.

مجالات استخدام الكيمياء الفيزيائية

• يعمل الكيميائيون الفيزيائيون في مجموعة متنوعة من المجالات المختلفة، ولكن هدفهم المشترك هو اكتشاف واختبار وفهم الخصائص الفيزيائية الأساسية للمواد، سواء كانت صلبة أو سائلة أو غازية.
• تتطلب الدقة والاهتمام بالتفاصيل في عمل الكيميائيين الفيزيائيين مهارات مشابهة إلى حد ما للكيمياء التحليلية، وعلى الرغم من ذلك فإن الكيميائيين الفيزيائيين يشددون أيضًا على أهمية تطبيق المعرفةفي الرياضيات والفيزياء لتطوير فهم شامل للمواد.

أهم علماء الفيزياء

• من أهم إنجازات جاليليو جاليلي (1564-1642) في مجال الفيزياء هو عمله في مجال الأجسام المتحركة، حيث أثبت في عام 1630 أن جميع الأجسام المتساقطة بحرية لها نفس التسارع المستمر .
• بعد أن أجرى جاليليو عملًا حول الأشياء المتحركة، وضع إسحاق نيوتن (1643-1727) قوانين الحركة الثلاثة وقانون الجاذبية العالمي في عام 1687.
  كانت واحدة من أفكاره الثورية أن حركة الأشياء في السماء تخضع لنفس مجموعة القوانين الفيزيائية التي تنطبق على حركة الأشياء على الأرض.
• مايكل فاراداي (1791-1867) معروف بعمله في المغناطيسية والكهرباء.
  في عام 1831، تم اكتشاف الحث الكهرومغناطيسي، وفي عام 1839، اقترح أن هناك علاقة كامنة بين الكهرباء والمغناطيسية.
• في عام 1864، نشر جيمس كلارك ماكسويل (1831-1879) نظريته عن الكهرومغناطيسية، والتي أظهرت أن الكهرباء والمغناطيسية والضوء كلها مظاهر للظاهرة نفسها (المجال الكهرومغناطيسي)
• في عام 1895، أصبح فيلهلم رونتجن (1845-1923) أول فيزيائي ينتج ويكتشف الإشعاع الكهرومغناطيسي في نطاق الطول الموجي الذي نسميه اليوم الأشعة السينية.
• في عام 1896، ساهمت ماري كوري (1867-1934) في اكتشاف نشاط الإشعاع (الذي تم اكتشافه عن طريق فحص خصائص الأشعة السينية) وقدمت تقنيات لعزل النظائر. اكتشفت هي وزوجها بيير كوري العناصر المشعة والراديوم والبولونيوم.
• في عام 1897 ، اكتشف جيه طومسون (1856-1940) الإلكترون.
  كان أول جسيم ذري تم اكتشافه على الإطلاق.
• في عام 1905 ، نشر ألبرت أينشتاين (1879-1955) ورقة عن النسبية الخاصة ، تنص على أن سرعة الضوء ثابتة دائمًا ، وبسرعة الضوء ، يقف الوقت ثابتًا والكتلة لا نهائية.
  في عام 1916، قام ألبرت أينشتاين بنشر نظريته النسبية العامة، وهي نظرية أساسية لطبيعة المكان والزمان والجاذبية، حيث تشير إلى أن الجاذبية هي تأثير انحناء المكان والزمان.
• اشتهر نيلز بوهر (1885-1962) بصياغته نظرية تركيب الذرة في عام 1913، إذ اكتشف أن الذرة تتكون من نواة في المركز محاطة بإلكترونات تدور حولها، ولعب دورا رئيسيا في تأسيس ميكانيكا الكم.
• في عام 1928، تنبأ بول ديراك (1902-1984) بوجود مادة مضادة، وهي جسيمات بنفس الحجم والشحنة الكهربائية لجسيماتها المقابلة، مثل البوزيترون (الجسيم المضاد للإلكترون).