عرض مصدر تكاثف بوز-أينشتاين

{{بطاقة عامة}}
'''كثافة بوز-أينشتاين''' في [[فيزياء|الفيزياء]] هي حالة تتخذها [[ذرة|ذرات]] [[غاز|الغاز]] إذا كانت من [[بوزون|البوزونات]] فتصبح [[حالة كمومية]] واحدة، شرط اقتراب [[درجة حرارة|درجة حرارتها]] إلى درجه [[صفر مطلق|الصفر المطلق]]، تنبأ بها كل من [[ساتيندرا ناث بوز]] سنة 1924 و[[ألبرت أينشتاين]] بين عامي 1924 و1925، وأثبت بالتجربة سنة 1995 أي بعد 70 عاما من التكهن بوجود هذه الظاهرة.<ref name="plato.stanford.edu">[https://plato.stanford.edu/entries/physics-experiment/app3.html Experiment in Physics &gt; Appendix 3: The Discovery of Bose-Einstein Condensation: Confirmation After 70 Years (Stanford Encyclopedia of Philosophy)<!-- عنوان مولد بالبوت -->] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20180611203836/https://plato.stanford.edu/entries/physics-experiment/app3.html |date=11 يونيو 2018}}</ref> وتكاثف بوز وأينشتاين يعد حاله من حالات المادة وقد بَرهن على وجودها تجريبياً كل من [[كارل ويمان]] و[[إيريك ألين كورنيل]] من [[جامعة كولورادو بولدر]] في مخابر [[المعهد الوطني للمعايير والتقنية|المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا]] وبعدهما بفترة [[فولفجانج كيترلي|ولفجانج كيترلي]] في [[معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا|معهد ماساتشوستس للتقنية]] وكلا الفريقين برهنها سنة 1995 واستحق الفريقان بموجب ذاك [[جائزة نوبل في الفيزياء]] لسنة 2001 بالتشارك فيما بينهما<ref>[https://www.nobelprize.org/prizes/lists/all-nobel-prizes-in-physics/ All Nobel Prizes in Physics<!-- عنوان مولد بالبوت -->] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20061025062604/http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/ |date=25 أكتوبر 2006}}</ref><ref>[https://www.ibelieveinsci.com/?p=53319 الحالة الخامسة للمادة] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20190214233943/https://ibelieveinsci.com/?p=53319 |date=14 فبراير 2019}}</ref>
وتعتبر كثافة بوز أينشتاين حالة مادية لغاز مُمَدد من [[بوزون|البوزونات]] المبردة إلى درجات من الحرارة قريبة جداً من الصفر المطلق، في هذه الشروط يشغل جزء كبير من البوزونات أخفض حالة كمومية، تظهر فيها ظواهر كمومية مجهرية نقطية وبشكل خاص تداخل التوابع الموجية، تتشكل BEC بتبريد غاز منخفض الكثافة للغاية تقدر بنحو جزء من مئة ألف جزء من كثافة الهواء العادي إلى درجات فائقة الانخفاض.<ref name="plato.stanford.edu"/>

== النظرية ==
[[جسيم أولي|الجسيمات الأولية]] إما أن تكون [[بوزون]]ات ((صحيحات [[غزل (توضيح)|المغزل]] 0, 1 ,2,...)) أو [[فرميون|فيرميونات]] ((كسريات المغزل 1/2, 3/2, 5/2,...)) مثل [[إلكترون|الإلكترونات]] وتخضع الفيرميونات [[مبدأ استبعاد باولي|لمبدأ باولي للاستبعاد]] والذي ينص على أنه لا يمكن لفيرميونين أن يحتلا نفس [[حالة كمومية|الحالة الكمومية]] في حين أن [[بوزون|البوزونات]] يجوز احتلال ذات الحالة الكمومية.فعند درجات الحرارة المنخفضة وتدني الحركة الحرارية إلى مستويات سفلى فإن مجموعات كبرى من البوزونات تميل إلى احتلال ذات الحالة الكمومية.ومن الدلائل الجلية على وجود تكاثف بوز وأينشتاين:<ref name="plato.stanford.edu"/>
[[ملف:Bose Einstein condensate.png|تصغير|300px|يسار|بيانات توزع السرعة لغاز من ذرات الربيديوم، تؤكد اكتشاف طور جديد للمادة، كثافة بوز-آينشتاين، إلى اليسار: قبيل ظهور كثافة بوز-آينشتاين مباشرة، في الوسط: بعد ظهور الكثافة مباشرة، إلى اليمين: بعد المزيد من التبخر، يدع عينة كثافة شبه صافية.]]
# [[توزيع ماكسويل-بولتزمان|توزيع السرعة]] في [[غاز|الغازات]] يكشف عن وجود مركبتين [[متمايز]]ة.
# زيادة طارئة في [[كثافة|الكثافة]] تصاحب انخفاض درجة الحرارة.
# [[منحنى إهليلجي|الشكل البيضاوي]] لتوزيع السرعة.

== التاريخ ==
أرسل ساتيندرا ناث بوس ورقة لأول مرة إلى آينشتاين حول الإحصاء الكمي للكوانتا الخفيفة (التي تسمى الآن الفوتونات)، والتي استمد فيها قانون بلانك الإشعاعي الكمي دون أي إشارة إلى الفيزياء الكلاسيكية. آينشتاين كان قد أعجب بها، وترجم الورقة نفسها من الإنجليزية إلى الألمانية وتقديمه لبوس، التي نشرت في عام 1924. وعثر في مكتبة في ليدن جامعة في عام 2005. ثم ممد آينشتاين أفكار بوز إلى أن تكون مهمة في ورقتين أخريين. ونتيجة لجهودهم هو مفهوم أغاز Bose ، تحكمه إحصائيات Bose-Einstein ، التي تصف التوزيع الإحصائي للجسيمات المتماثلة ذات السبين الصحيح، تسمى الآن البوزونات. يسمح للبوسون، التي تشمل [[فوتون|الفوتون]] وكذلك الذرات مثل الهيليوم، بمشاركة حالة كمومية. اقترح آينشتاين أن تبريد ذرات bosonic إلى درجة حرارة منخفضة جدًا قد يؤدي إلى سقوطها (أو «تكثيفها») إلى أقل حالة كمومية يمكن الوصول إليها، مما يؤدي إلى شكل جديد من المادة.

== الصياغة الرياضية ==
يحصل تكاثف بوز-أينشتاين عند تدني درجة الحرارة تحت درجة معينة وتدعى هذه الدرجة [[نقطة حرجة (ديناميكا حرارية)|بالدرجة الحرجة]] وهي في الغاز [[فضاء ثلاثي الأبعاد|ثلاثي الأبعاد]] لا نهائي الحجم ولا يوجد تآثر متبادل بين جسيماته، تنطبق المعادلة على الدرجة الحرجة:

:<math>T_c=\left(\frac{n}{\zeta(3/2)}\right)^{2/3}\frac{2\pi \hbar^2}{ m k_B} \approx 3.31 \ \frac{\hbar^2 n^{2/3}}{m k_B} </math>

حيث أن:

<dl><dd>
{|cellspacing="0" cellpadding="0"
|-
| <math>\,T_c</math>
| &nbsp;&nbsp;
| درجة الحرارة الحرجة،
|-
| <math>\,n</math>
| &nbsp;&nbsp;
|كثافة الجسيم،
|-
| <math>\,m</math>
| &nbsp;&nbsp;
| كتلة البوزون،
|-
| <math>\hbar</math>
| &nbsp;&nbsp;
| ثابت بلانك المختزل
|-
| <math>\,k_B</math>
| &nbsp;&nbsp;
| ثابت بولتزمان 
|-
| <math>\,\zeta</math>
| &nbsp;&nbsp;
| دالة زيتا ريمان وقيمتها = 2.6124
|}
</dd></dl>

== الأثبات التجريبي ==

تنبأت نظرية [[ساتيندرا ناث بوز]] و[[ألبرت أينشتاين]] بهذه الظاهرة منذ عام 1924. وفي أغسطس 2005 عثر معهد لورينتو للفيزياء النظرية التابع لجتمعة لايدن ب[[هولندا|هولاندا]] على أطروحة من 16 صفحة بعنوان:«نظرية الكم لغاز مثالي أحادي الذرات - الأطروحة الثانية» كتبها أينشتاين عام 1924 عن تكثف غاز مثالي مكوّن من [[بوزون]]ات عند [[صفر مطلق|درجة الصفر المطلق]] (−273,15&nbsp;[[درجة حرارة مئوية|درجة مئوية]]، أي 0&nbsp;[[كلفن]]).<ref>{{استشهاد بويب |مؤلف=Einstein A. |سنة=1925 |مسار=http://www.lorentz.leidenuniv.nl/history/Einstein_archive/ |تاريخ الوصول=2010-03-21 |عنوان=Handschriftliches Manuskript „Quantentheorie des einatomigen idealen Gases“| مسار أرشيف = https://web.archive.org/web/20190520154612/http://www.lorentz.leidenuniv.nl/history/Einstein_archive/ | تاريخ أرشيف = 20 مايو 2019 }}</ref><ref>{{استشهاد بدورية محكمة|مؤلف=Einstein A. |عنوان=Quantentheorie des einatomigen idealen Gases - Zweite Abhandlung |صحيفة=Sitzungsberichte der preussischen Akademie der Wissenschaften |صفحات=3-10 |سنة=1925 |مسار= http://www.lorentz.leidenuniv.nl/history/Einstein_archive/Einstein_1925_publication/index.html#paper_1925_00.html|مسار أرشيف= https://web.archive.org/web/20160724075734/http://www.lorentz.leidenuniv.nl:80/history/Einstein_archive/Einstein_1925_publication/index.html|تاريخ أرشيف=2016-07-24}}</ref>

واكتشاف الخواص الغريبة [[هيليوم|للهيليوم السائل]] عند درجة حرارة منخفضة جدا فسمي بعد ذلك «تكاثف بوز-أينشتاين»، ولكن بعض التأثيرا المتنبأ بها لم يسطتع التجربة إثباتها بسبب وجو تآثر فعلي بين الذرات. كذلك أجريت تجربة أخرى للتعرف عل الظاهرة بالكامل على غاز منكون من [[هيدروجين]] مستقطب، ولم يمكن أيضا في هذه التجربة قياس التأثير المصاحب. وأخيرا في 5 يونيو 1995 أستطاع الفيزيائي «ميشائيل بروي '''» تحضير تكاثف بوز-أينشتاين''' في «مصيدة مغناطيسية» (تكثف 100 ذرة عند درجة حرارة منخفضة جدا).<ref>Michael Breu: [http://archiv.ethlife.ethz.ch/articles/sciencelife/eindimensional_BEC.html ''Eingefroren,''] 100 Atome bei tiefsten Temperaturen: Quantenoptiker stellen eindimensionales Bose-Einstein-Kondensat her, [[المعهد الفدرالي السويسري للتكنولوجيا في زيورخ]], 26. Februar 2004, Abgerufen am 6. Juni 2010 {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20160304025616/http://archiv.ethlife.ethz.ch/articles/sciencelife/eindimensional_BEC.html |date=04 مارس 2016}}</ref>
وفي عام 2001 حصل الفيزيائيون [[إيريك ألين كورنيل|إريك كورنيل]] و[[فولفجانج كيترلي|ولفجانج كيترلي]] و[[كارل ويمان]] على [[جائزة نوبل في الفيزياء|جائزة نوبل للفيزياء]] عن تحضيرهم لأول تكاثف بوز-أينشتاين لغازين أولهما من ذرات [[روبيديوم|الروبيديوم]] والثاني من ذرات [[صوديوم|الصوديوم]].

== تطبيقات ==

أمكن عام 2004 الوصول غلأى درجات حرارة منخفضة جدا
10<sup>−7</sup> [[كلفن]] وتحتها، وتتحضير عددا من تكثفات بوز-أينشتاين: ([[ليثيوم]]، [[صوديوم]]، [[بوتاسيوم]]، [[فاير إمبلم أوايكنينغ|<sup>52</sup>Cr]]، [[روبيديوم|<sup>85</sup>Rb]], <sup>87</sup>Rb, [[سيزيوم|<sup>133</sup>Cs]] und [[إتيربيوم|<sup>174</sup>Yb]])وكذلك [[هيدروجين|للهيدروجين]]. ولكن تكاثف الهيليوم-4 لتكوين تكاثف بوز-أينشتاين لا يعد مثالا مثاليا لحالة الميوعة الفائقة، إذ أن الهيليوم-4 عند 17و2 [[كلفن]] لا تزال الذرات تتفاعل مع بعضها البعض، مما يجعل 8% فقط من الذرات تتكاثف في [[حالة قاعية]].

وفي نوفمبر 2010 سجلت مجموعة من الباحثين في [[جامعة بون]] [[ألمانيا|بألمانيا]] عن تحضيرها لتكاثف بوز-أينشتاين [[فوتون|للفوتونات]].<ref>{{Internetquelle| url=http://www.nature.com/news/2010/101124/full/news.2010.630.html | titel=Chilled light enters a new phase | zugriff=2010-11-25 | datum=2010-11-24 | autor=Nature News}}</ref>
فقد حوصرت الفوتونات في «رنان ضوئي» بين مرآتين مقعرتين. ونظرا لعدم إمكانية تبريد الفوتونات فقد أضيفت جزيئات لمادة ملونة للحصول على [[توازن حراري]] في المصيدة. وتلى ذلك عملية [[مضخة ضوئية]] فظهر شعاع أصفر متوافق. ويعني العلماء العاملين تحت رعاية البروفيسور «مارتن فايتز» أن تكثف للفوتونات بطريقة تكاثف بوز-أينشتاين يمكن أن ينتج [[ليزر|شعاعا ليزريا]] قصير الموجة في نطاق [[الأشعة فوق البنفسجية]] أو [[أشعة سينية|الأشعة السينية]] يمكن استغلاله.<ref>{{Internetquelle| url=https://www.handelsblatt.com/technik/forschung-innovation/super-photon-bonner-physiker-stellen-neue-lichtquelle-her/3647060.html | titel=Bonner Physiker stellen neue Lichtquelle her | zugriff=2010-11-25 | datum=2010-11-25 | autor=[[Handelsblatt]]}} {{استشهاد بويب |مسار=https://www.handelsblatt.com/technik/forschung-innovation/super-photon-bonner-physiker-stellen-neue-lichtquelle-her/3647060.html |عنوان=نسخة مؤرشفة |تاريخ الوصول=14 أبريل 2020 |تاريخ أرشيف=13 مارس 2020 |مسار أرشيف=https://web.archive.org/web/20200313172221/https://www.handelsblatt.com/technik/forschung-innovation/super-photon-bonner-physiker-stellen-neue-lichtquelle-her/3647060.html |حالة المسار=bot: unknown }}</ref>

== الملاحظات التجريبية ==
في عام 1938، اكتشف بيوتر كابيتسا، جون ألين ودون ميزينر أن الهليوم 4 أصبح نوعًا جديدًا من السوائل، يحتوي الهيليوم فائق السوائل على العديد من الخصائص غير العادية، بما في ذلك اللزوجة الصفرية (القدرة على التدفق دون تبديد الطاقة) ووجود دوامات كمية. سرعان ما تم الاعتقاد بأن زيادة الوزن كانت بسبب تكاثف بوز-آينشتاين الجزئي للسائل. في الواقع، تظهر العديد من خصائص الهيليوم فائق السرعة أيضا في المكثفات الغازية التي أنشأتها كورنيل، ويمان وكيترل. الهيليوم -4هو سائل وليس غازًا، مما يعني أن التفاعلات بين الذرات قوية نسبيًا؛ يجب تعديل النظرية الأصلية لتكثيف بوز-آينشتاين بشكل كبير من أجل وصفها.

== طالع أيضا ==

* [[تكاثف فرميوني|تكاثف فرميونات]]
* [[غاز فيرمي]]
* [[إحصاء بوز-أينشتاين]]
* [[إحصاء فيرمي ديراك|احصاء فيرمي-ديراك]]
* [[مقياس عياني|المقياس العيانى]]

== المراجع ==

{{مراجع}}
{{حالات المادة}}
{{ألبرت أينشتاين}}
{{ضبط استنادي}}
{{مواضيع فيزياء المواد المكثفة}}
{{روابط شقيقة}}
{{شريط بوابات|الفيزياء|الكيمياء|كيمياء فيزيائية}}

[[تصنيف:أطوار المادة]]
[[تصنيف:ألبرت أينشتاين]]
[[تصنيف:فيزياء المواد المكثفة]]
[[تصنيف:مادة شاذة]]