تخيل..
انك تسير على رصيف خرساني لا ترى فيه أي فراغات على الرغم من ان الرصيف بشكل حصري لا يتشكل الا من الذرات.
ان الذرات فارغة لدرجة أنه حتى الفراغ الموجود بين مجرات الكون يتلاشى بالمقارنة بها. ربما تكون هذه هي الفكرة الأكثر إثارة للدهشة التي قدمتها لنا الأبحاث والجهود التي بذلت خلال البضعة مئات السنين الأخيرة. تحتوي جميع الذرات على نواة صغيرة تشكل 99.94 بالمائة من كتلة الذرة ، وتحيط بها سحابة إلكترونية أكبر منها بحوالي 26.000-60.000 مرة.
ان المسافة بين النواة والسحابة الالكترونية اقرب ما تكون الى المسافة بين كرة حجرية في الدائرة المركزية لملعب كرة قدم وبين الجمهور التي يحتل المقاعد العلوية من المدرجات.
النواة صغيرة لكن كثافتها عالية جدا لدرجة أن علبة الثقاب المليئة بالنواة الذرية قد تزن ما يصل إلى سبعة مليارات متر مكعب من الماء ، أي ما يعادل 2.8 مليون حمام سباحة بحجم أولمبي.
على الرغم من وجود كمية كبيرة من الفراغات ، فإن القوى الكهرومغناطيسية تربط النواة الذرية والسحابة الإلكترونية معا بحيث تشكل كتل بناء صلبة ومستقرة في جميع المواد الصلبة والسائلة والغازية.
أظهر الفيزيائيون منذ فترة طويلة أن النواة الذرية تتكون من البروتونات والنيوترونات وأن هذه الجسيمات النووية تحتوي حتى على لبنات بناء أصغر. ومع ذلك ، فإن الرحلة إلى أصغر مكونات الكون قد بدأت للتو ، لأنه على الرغم من أن البروتونات والنيوترونات معروفة جيدا ، فإنها ما تزال تخفي بعناد العديد من أسرارها. ومع ذلك ، فإن التجارب المتقدمة في أوروبا والولايات المتحدة غيرت الكثير من مفاهيمنا عن الذرة.
تعود فكرة أن كل شيء يتكون من لبنات بناء صغيرة إلى العصور القديمة. في القرن الرابع قبل الميلاد ، استنتج الفلاسفة اليونانيون ليوكيبوس وتلميذه ديموقريطوس أن كل المواد تتكون من كرات صغيرة وقوية ، أطلقوا عليها اسم اتوموس (غير القابلة للتجزئة). تخيل اليونانيان أن الذرات في المواد الصلبة ,مثل الحديد ,صلبة ولديها خطافات تربطها ببعضها البعض. في حين أن الذرات في السوائل ، مثل الماء ، ناعمة وسلسة.
Atom
تم نسيان النظرية الذرية حتى عام 1897 ، عندما برهن الفيزيائي الإنجليزي جوزيف جون طومسون على أن الإغريق كانوا على خطأ, فلم تكن الذرة غير قابلة للتجزئة. فحص طومسون الإشعاع الصادر من قطبين كهربائيين واكتشف أن القطب السالب يصدر إشعاعات تنجذب إلى الأقراص المعدنية موجبة الشحنة وتصدها الأقراص السالبة.
وفقا لطومسون ، يتكون الإشعاع من جزيئات سالبة الشحنة تنبعث من ذرات القطب. سميت تلك الجسيمات بالإلكترونات.
وفقا لنموذج طومسون الذري ، الذي يسمى نظرية البودينج، الذي سمي على اسم كعكة إنجليزية ، تتكون الذرة الكروية الضخمة من "عجين" موجب الشحنة مع "زبيب" سالب يتوافق مع الإلكترونات.
كعكة البودنج
ولكن نظرية كعكة البودنج لم تصمد عندما أطلق الفيزيائي الإنجليزي إرنست رذرفورد في عام 1909 أشعة من جسيمات ألفا موجبة الشحنة على رقاقة ذهبية رقيقة. فوفقا لنموذج طومسون ، يجب أن تمر الجسيمات الموجبة الصغيرة مباشرة عبر الرقاقة ، لأنه إذا تم خلط الإلكترونات في نواة موجبة فإن النواة ستكون محايدة وبالتالي لا تصد جسيمات ألفا الموجبة.
ولكن رذرفورد لاحظ أن بعض جسيمات ألفا تنحني على الجانبين. وهذا يعني أن الشحنة الموجبة لذرات الذهب كانت مركزة في نواة صغيرة محاطة بسحابة إلكترونية سالبة اكبر من النواة بكثير، مما تسبب في تغيير اتجاه جسيمات ألفا موجبة الشحنة.
طور الفيزيائيون نظرية مفادها أن النواة الذرية للذرات الثقيلة مثل الحديد تتكون من نوى الهيدروجين. في عام 1925 أعاد إرنست رذرفورد تسمية نوى الهيدروجين الى البروتونات وذكر أن عدد البروتونات في نواة الذرة يحدد نوعها. فعلى سبيل المثال ، تحتوي ذرة الأكسجين على ثمانية بروتونات ، بينما تحتوي ذرة الحديد على 26 بروتونا.
عُرف البروتون منذ ما يقرب من قرن من الزمن ، لكنه لا يزال يتحدى العلماء. فقط في عام 2019 ، على سبيل المثال ، اكتشف العلماء مدى صغر حجم لبنات بناء الذرة في الواقع.
كانت نقطة البداية للقياسات عبارة عن ذرة هيدروجين مع بروتون في النواة وإلكترون في الغلاف.
باستخدام موجات الراديو ، أرسل فريق بحث أمريكي من جامعة ديوك في مدينة دورهام إلكترونا إلى حالة طاقة أعلى وقاموا بقياس تردده عندما عاد إلى الحالة الأولى. بهذه الطريقة حدد الفيزيائيون الطاقة اللازمة لجعل الإلكترون يقفز.
نظرا لأن هذه الكمية المحددة من الطاقة تعتمد على حجم البروتون ، فقد تمكنوا من تحديد أن نصف قطر البروتون يبلغ 0.833 جزءا من الكوادريليون (مليون مليار) من المتر، أي أقل بنسبة خمسة بالمائة مما كان يُعتقد سابقا.
تم اكتشاف الشريك الدائم للبروتون في النواة الذرية ، النيوترون ، في عام 1938 ، عندما قام الفيزيائي الإنجليزي جيمس تشادويك بقصف لوح قياس من البريليوم بجزيئات ألفا. تنبعث من ذرات البريليوم أشعة محايدة عالية الطاقة للغاية يمكنها أن تخترق 20 سم داخل لوح من الرصاص.
أثبتت تجارب تشادويك أن الإشعاع يتكون من جسيمات نووية محايدة.
يفسر وجود النيوترون الاختلافات الصغيرة في الوزن بين الذرات من نفس النوع. تحتوي ذرة الأكسجين العادية ، على سبيل المثال ، على ثمانية بروتونات وثمانية نيوترونات ، ولكن يوجد الأكسجين اثقل يحتوي على عشرة نيوترونات في النواة.
خارج النواة الذرية يصبح النيوترون غير مستقر ويتحلل إلى بروتون وإلكترون ونيوترينو. ومع ذلك ، لم يتمكن الباحثون من تحديد العمر الدقيق للنيوترونات الحرة ، والسبب في ذلك يرجع جزئيا إلى أن طريقتي القياس المعتمدتين تعطيان نتائج مختلفة.
طور الفيزيائيون نظرية ( الكون المرآة) ذات الذرات الموجودة بالتوازي مع كوننا. وفقا للنظرية يرجع الاختلاف في قياسات عمر النيترون إلى تحرك النيوترونات ذهابا وإيابا بين هذين الكونين. فإذا غيّر واحد من مائة نيوترون نفسه إلى صورته في المرآة واختفى في الجانب الآخر قبل أن يتحلل إلى بروتون ، فسيعطي معطيات تجعل نتائج القياس مختلفة.
الكون المرآة
ومع ذلك فإن الشاغل الأكبر للباحثين في الوقت الحالي هو الكواركات ، أي اللبنات الأعمق في بناء الذرة. فعلى سبيل المثال ، يحتوي البروتون على اثنين من الكواركات العليا وواحد من الكواركات السفلى، وعلى العكس يحتوي النيترون على كوارك واحد من الكواركات العليا واثنين من الكواركات السفلى.
سجل الفيزيائيون وجود أربعة كواركات أثقل لا تتواجد الا في المستعرات الأعظم و تتحلل بسرعة إلى جسيمات وإشعاع أخف.
وُجدت الكواركات الحرة خلال الميكروثانية الأولى بعد الانفجار الكبير ، عندما كان الكون حديث الولادة عبارة عن كرة ملتهبة شديدة الحرارة بقطر أقل من خمسة كيلومترات ودرجة حرارة 2000 مليار درجة. مع نمو الكون وتبريده ، تم التقاط الكواركات بنوع من جزيئات الغراء يسمى الغلوون، حيث ربطت الكواركات كل ثلاثة معا.
يحتوي النموذج التقليدي للبروتون ، على سبيل المثال ، على ثلاثة غلوونات تحمل الكواركات الثلاثة في قبضة حديدية.
تشير نظريات فيزيائية جديدة إلى أن الحياة الداخلية للبروتون أكثر ديناميكية واكثر تعقيدا. لا يمكن للنموذج البسيط أن يفسر لماذا لا تشكل الكواركات الثلاثة أكثر من خمسة بالمائة من كتلة البروتون ولا تمثل سوى جزء صغير من دورانها الذاتي. تتنبأ نظرية جديدة بأن للبروتون ديناميكية داخلية معقدة حيث تنشأ الكواركات والكواركات المضادة باستمرار وتطمس بعضها البعض في وعاء من الغلوونات ، والتي بدورها تنشأ وتختفي أيضا.
لاختبار هذه النظرية سيتم إعادة بناء المسرع RHIC الذي يبلغ طوله 3.8 كيلومترات في نيويورك وإعادة ظهوره ليصبح مصادم الإلكترون أيون. سيؤدي ذلك إلى اصطدام الإلكترونات والبروتونات بمستويات طاقة أعلى من ذي قبل.
تم اكتشاف الكواركات على وجه التحديد عن طريق قصف البروتونات بالإلكترونات ، والتي أظهرت ان الكواركات على شكل نقاط صغيرة تشبه الاجسام داخل البروتون. مع المسرع الجديد ، سوف تخترق الإلكترونات عمق البروتونات وستكشف أيضا عن تفاعل الغلوونات.
على الرغم من أن الكواركات صغيرة بشكل لا يصدق ، فإن النيوترينوات المنبعثة من ذرات مشعة غير مستقرة مع نيوترون إضافي في النواة تكون أصغر من الكواركات. لكي تصبح الذرة مستقرة ، تخضع لما يسمى اضمحلال بيتا ، حيث يتحول النيوترون إلى بروتون عن طريق إصدار إلكترون ونيوترينو.
يتم إنشاء غالبية النيوترينوات في عمليات الاندماج في النجوم وتتحرك مبتعدة بسرعة قريبة من سرعة الضوء. في كل ثانية تصطدم الأرض بتريليونات النيوترينوات الشمسية ، لكن الغالبية تنتقل مباشرة عبر الكوكب دون ان يوقفها شيء وبالتالي تخترق اجسادنا.
هناك ثلاثة أنواع من النيوترينوات ، لكن الشمس تصدر نوعا واحدا فقط. ولمدة 30 عاما كان الفيزيائيون يحاولون فهم لماذا لا يصل الينا الا 33-50٪ فقط من النيوترينوات.
لكنهم اكتشفوا بعد ذلك أن النيوترينوات يمكنها التبديل بين الأنواع الثلاثة على طول الطريق. اذ يمكن مقارنتها بالشمس التي ترسل البرتقال ولكن اثناء الطريق يتم استبدلال بعضه بالتفاح وبعض اخر بفاكهة أخرى.
هذا الافتراض يبطل الاعتقاد السائد بان النيوترينوات لا كتلة له. اذ لا يمكن تغيير هوية النيوترينوات إلا إذا كانت كتلتها محدودة للغاية. وباستخدام المعالج الألماني KATRIN تم تحديد أعلى حد لكتلة النيوترينوات: 1/500000 من الإلكترونات.
KATRIN
على مدى السنوات القليلة المقبلة ، سيحاول الفيزيائيون الألمان قياس وزن النيوترينوات بدقة ، مما سيساعد علماء الفلك على فهم الدور الذي لعبته النيوترينوات المختلفة في تطور الكون منذ الانفجار الكبير.
يمكن أن تؤدي دراسات قدرة النيوترينات على تغيير الهوية إلى شيء أكبر: لغز المادة المظلمة. تؤثر النيوترينوات الثلاثة المعروفة على النوى الذرية من خلال التفاعلات الضعيفة ، على سبيل المثال في تحلل بيتا المشع.
ومع ذلك تتنبأ نظرية فيزيائية جديدة بوجود أخ كبير ، يسمى النيوترينون العقيم ، والذي يتفاعل فقط مع الذرات عبر الجاذبية. إذا كان النيوترينو العقيم موجودا ، فهو المرشح الأفضل للمادة المظلمة ، والتي تشكل 85٪ من كتلة المجرات.
وفقا للنظرية الجديدة ، لا يمكن تحويل النيوترينوات الثلاثة المعروفة إلى بعضها البعض فحسب ، بل يمكن أيضا تحويلها إلى أخ كبير أثقل منها يختفي دون أثر.
في الولايات المتحدة ، تقرر مؤخرا إعادة بناء مسرّع متقاعد في مركز الأبحاث الوطنية Fermilab ، بحيث يمكنه إنتاج حزم من النيوترينوات وإرسالها عبر ثلاثة أجهزة كشف تقيس تغييرات هويتها.
إذا كشفت التجارب عن النيوترينو العقيم ، وبالتالي وجدت أيضا المادة المظلمة ، فإن أصغر وأروع وحدات بناء الذرة ستؤدي إلى أعظم اكتشاف في الفيزياء في هذا القرن.
بقلمي
رد مع اقتباس
المشاركة الأصلية كتبت بواسطة Secluded
