الظاهرة المزدوجة للضوء ... والظاهر الضوئية الاربعة
التي تشكل اساس الفرضية الكميىه للضوء
مقدمة :
ما هو الضوء ؟؟ وما هي ماهيته وطبيعته ؟؟
إنه شيء نراه ونحس به ... ونستفيد منه يوميا .... لكنه قلما يأخذ الكثير من حيز تفكيرنا .
ومع ذلك فهو محور هام من محاور الفيزياء استحوذ على اهتمام العلماء قديما وحديثا ... في محاولة لتفسير تصرفاته المتناقضة دوما ... منذ أيام أرخميدس .
وقد يكون الأمر الذي يكسبه أهميته المميزة .. تربعه على عرش السرعة منذ الأزل .. دون منازع .. فهو صاحب السرعة الحدية القصوى في الكون .. تعجز أدق الساعات عن قياسها وما من شيء مهما كان يستطيع تجاوزها .
ولكي ندخل في صلب موضوعنا نقول ... أن الضوء كان سببا لحدوث بعض الخلافات بين العلماء فيما مضى ....
والسبب في ذلك ظهوره بطبيعتين .. !!
فقد كان يظهر أحيانا وكأنه ذو طبيعة موجية .. ولكنه وبخلاف موجات الصوت والماء مثلا ينتقل في الفراغ أيضا ـ وكان هذا للمناسبة، سببا لافتراض ذلك الوسط المسمى بالأثير ـ وكان في أحيان أخرى يبدو وكأنه دفق من الجسيمات الصغيرة ... فأي طبيعة غريبة تلك التي يتمتع بها الضوء ؟!!
إنا لنعلم الآن أن أعظم إنجازات عالم الفيزياء الكلاسيكية " اسحق نيوتن " تناولت الضوء بنظريته الجسيمية التي كونها عنه.
فقد أرشده ثبات المركبات اللونية الظاهري للضوء الأبيض في تجاربه على الموشور الزجاجي ...إلى تكوين نظرية جسيمية له ..
وقد بين في تجربة أخرى مفادها أنه إذا سلطت حزمة ضوئية على حاجز معتم له أطراف حادة ، فإن ظله الملقى على حاجز أبيض قريب منه ، يبدو واضحا محددا كالحاجز نفسه ... وقد استنتج من هذا أن الحزمة لا يحيد أو ينحرف منها شيء أبدا عند حافة الحاجز وإلا لبدا ذلك على حواف الظل لو أن الضوء ينتشر انتشار الموجات.
ودفعه هذا إلى استنتاج أن الضوء يتألف من جسيمات تسير بحسب قانونه الأول في خطوط مستقيمة تبقى هكذا ما لم تأثر في ذلك الحاجز أي قوة .
وكان استنتاجه هذا بداية لولادة نظرية نيوتن الجسيمية في الضوء التي أهملت بعد ذلك لصالح النظرية الموجية ، إذ أثبتت مشاهدات أكثر دقة أن حافة ظل الحاجز ليست واضحة تماما بل مشوشة ، مما يدل على انحراف الحزمة حول الطرف الحاد . ودلالة هذا هو أنه بطبيعة موجية ...
وكان من أبرز المعارضين لهذه النظرية الجسيمة التي اقترحها نيوتن ... هو العالم كريستيان هويغنز ... والمؤيد القوي للطبيعة الموجية للضوء.
هويغنز ـــــــــــــــــــــــــ ــــــــــ ـــــــــ نيوتن
وقد تكون ظاهرة الحيود والتداخل هي الظاهرة الأبرز في سطوع نجم الطبيعة الموجية للضوء .. وعاملا مهما يعزز فكرة هذه الطبيعة .
وكما نعلم جميعا ...فإن عبور حزمة ضوئية لشق ضيق ، يسبب انحارفها قليلا عند حافته .. ومن ثم انتشارها .
فالنمط الذي تتراكب فيه حزمتان منحرفتان من الضوء لا يمكن تعليله إلا باعتبار الضوء أمواجا من قمم وقيعان . بحيث لو تلاقت قمتان او قاعان معا أنتجا بقعة مضيئة في حين أن التقاء قمة بقاع يخلف بقعة مظلمة " وهذا ما يعرف بالتداخل ".
لكن ... وبعد كل هذا النزاع والخلاف ... والآراء المتناقضة .... أين هي الحقيقة؟؟ ... وأي الطبيعتين هي طبيعة الضوء ... ؟؟
لن أطيل عليكم أكثر ....
فلعل الفضل في اكتشاف حقيقة الضوء ... والتي تبين في نهاية المطاف أنها تحمل كلا الخاصيتين " الموجية والجسيمية " .. عائد إلى عالم الفيزياء الألماني " ماكس بلانك " فقد كان أول من ارتأى أن الضوء ليس موجي الطبيعة فقط ولا جسيمي الطبيعة فقط بل إن له خصائص الطبيعتين ... أي أن هاتين الطبيعتين وجهان لعملة واحدة هي الضوء !!
وقد كان هذا بداية لنشوء علم مكيانيك الكم ....
وقد قام آلبرت آينشتاين بتوسيع هذه النظرية فيما بعد معتبرا أن انعكاس الضوء وانكساره وحيوده هي مظاهر تدل على طبيعة الضوء الموجية ... بترددات وأطوال موجية كأمواج الصوت كذلك.
وما يكسبه طبيعة جسيمية هي ظاهرة ابتعاث الذرات وامتصاصها للضوء... مما يدل على أنها دفق من الجسيمات أطلق عليها اسم " الفوتونات " .
آينشتاين ـــــــــــــــــــــــــ ــــــــــ ـــــــــ بلانك
وأختم هذه المقدمة الطويلة ... بأن أقول أنه ومما ساعد كذلك على توحيد الخواص الموجية والجسيمية للضوء هو اكتشاف ظواهر ضوئية جديدة مثل الظاهرة الكهروضوئية وظاهرة كمبتون وظاهرة إنتاج أشعة اكس وظاهرة إنتاج وتلاشي الجسيمات فكان لابد من أن توضع نظرية توحد كل تلك المشاهدات .... وقد تم ذلك فعلا بما يعرف الآن بنظرية الكم .
والآن سنتحدث باستفاضة عن كل ظاهرة من الظواهر الضوئية
الظاهرة الكهروضوئية:-
هي ظاهرة انبعاث الكترونات من سطوح الفلزات نتيجة سقوط ضوء بتردد معين عليها وهذه الظاهرة لا يمكن تفسيرها بناء على النموذج الموجي للضوء وهذا ما اعتمدته الفيزياء الكلاسيكية للتفسير حيث افترضت ان
1-طاقة الموجة تتناسب طرديا مع اتساعه اي شدتها ولاتعتمد على التردد وهذا يعني ان الظاهرة تحدث عند اي تردد.
2-انه بازدياد شدة الاشعاع تزداد الطاقة الحركية القصوى للالكترون.
3-زمن تحرر الالكترون من السطح يعتمد على شدة الضوء.
وهذه الفرضيات ثبت فشلها من خلال التجربة
حيث استخدمت خلية كهروضوئية وهي وعاء زجاجي مفرغ من الهواء بداخله قطبان احدهما يسمى المهبط (الباعث) وهو السطح الفلزي النظيف والاخر يسمى المصعد (الجامع) وهو قطعة من النحاس. يتصل القطبان بدارة خارجية تتكون من اميتر وفولتميتر ومصدر للجهد، الرسم موضح في الشكل التالي
فاذا سقط ضوء بتردد مناسب على المهبط فاننه يحررالالكتونات ثم تكتسب طاقة حركية فتصطدم بالمصعد ومنه للدارة الخارجية وحركة الالكتونات تشكل تيارا كهربائي
ملاحظات من ا لتجربة:
عند سقوط الضوء على السطح الفلزي تنبعث الالكترونات لحظيا بمجرد سقوط الضوء بغض النظر عن شدة الضوء الساقط لكن الشرط الاساسي والضروري جدا ان يكون تردد الضوء الساقط اكبر من تردد العتبة للفلز (اقل تردد يكفي لتحرير الالكترونات من السطح)
عند ثبوت تردد الضوء الساقط وفرق الجهد بين طرفي الخلية فان شدة التيار تتناسب مع شدة الضوء لانه بزيادة شدة الضوء يزداد عدد الالكتونات المتحررة
عند جعل المصعد سالبا بالنسبة للمهبط فان الاكترونات المنبعثة من المهبط تتعرض لمجال كهربائي يعمل على ابطاء سرعته فلا يصل للمصعد الا اسرعها واعظمها طاقة حركية وتقل بذلك شدة التيار المار في الدارة وباستمرار زيادة الجهد السالب للمصعد نصل لنقطة يصبح عندها التيار في الدارة صفر ريسمى فرق الجهد بين المصعد والمهبط الذي ينعدم عنده التيار في الدارة جهد القطع حيث ان الطاقة القصوى للالكترون =جهد القطع ×شحنة الالكترون
حسب النموذج الجسيمي وفيزياء الكم
فاذا اعتبرنا الضوء كمات لها تردد معين فان زيادة شدة الضوء لا تغير طاقة الكمات ما دام لها نفس التردد ايان كمية الطاقةالتي يمكن للالكترون اكتسابها من الصطدامه بالفوتون لا تتغير وبالتالي لاتتغير الطاقة القصوى للالكترون ولا يتغير جهد القطع.
اذا اعتبرنا الضوء كمات فان الالكترونات لن تتحرر من السطح مالم يكن تردد الاشعاع الساقط اكبر من تردد العتبة.
الزمن اللازم لتحرر الالكترونات لايعتمد على شدة الضوء فالالكترون يكتسب طاقته من اصطدام واحد فقط مع فوتون له التردد المناسب اي ان الزمن الازم يساوي زمن اصطدام الكترون واحد مع فوتون واحد.
وفق المعادلة التالية يكون التفسير:
ثابت بلانك ×ترددالضوء الساقط=ثابت بلانك×تردد العتبة+الطاقة الحركية القصوى للالكترون
ومن الجدير بالذكر ان الطاقة الكهربائية التي تنتجها الخلية الكهروضوئية صغيرا جدا لذا لاتستخدم كمصدر للطاقةوانما كمفتاح كهربائي للتحكم في الدارات الكهربائية حيث يعمل المفتاح تحت تاثير الضوء وله تطبيقات هامة في مجالات متعددة منها:-
1-انارة المصابيح في الشوارع واطفاؤها آليا
2-عمل جهاز انذار
3-غلق البواب وفتحها تلقائيا في المصاعد الكهربائية وفي الفنادق والمطارات
4-في العدادات الآلية
هذا باختصار نبذة عن الظاهرة الكهروضوئية
ظاهرة Bremsstrahlung لانتاج اشعة اكس
نتاج أشعة إكس X – البرمس شت الونج (إشعاع الفرمله)
X ray Production -bermsstrahung (braking radiation)
إكتشف العالم رونتجن (W.k.rontgen) أشعة إكس في عام 1895م و ذلك أثناء إجرائه لبعض التجارب على أشعة الكاثود .
إستمراراً لدراسة أشعة ْ التي بدأها رونتجن و تبعه آخرون قام موزلي (H.G.J.Moseley) في عامي 1914-1913م بدراسة تصنيفيه (systematic studies) لطيف أشعة X لعدد من العناصر المختلفة و ذلك عن طريق تغيير فرق الجهد بين الأنود(الهدف) و الكاثود المبينين في الشكل 1
شكل 1
و هذه الإلكترونات يتم توجيهها على عدة أهداف معدنية مختلفه مثل التنجستن W و الموليبدنوم Mo و أخيرا الكروم Cr .
شكل 2
و كذلك يبين النتائج الخاصه بهدف مصنوع من مادة التنجستن و فيه يرى كيفية تغير الأطوال الموجية للأشعة المنبعثة من التنجستن لأربع قيم مختلفة لطاقة الإلكترونات الساقطة ...
ملاحظات على المنحنيات :
نلاحظ أنه لطاقة معينه من الإلكترونات يوجد طيف مستمر من الأطوال الموجيّه و لا توجد أشعة لها طول موجي أقصر من ادنى طول موجي محدد اي أن الطيف المستمر يبدأ من قيمة محدده يطلق عليها أحيانا أصغر طول موجي قطعي (minimum wavelength cutoff)
...
مثال على ذلك الإلكترونات التي لها طاقة قدرها 40Kev تكون
=nm0.0311
و أيضا يلاحظ أن
سوف اوضح بإذن الله تعالى ...
التفسير العلمي لنتائج الشكل 2 إذا أعتبرنا أن أشعة X المنبعثة من الهدف هي عبارة عن فوتونات.
عند طاقه معينه إبتدائية معينة للإلكترون يوضح الشكل العملية الأولية المسئولة عن ظهور الطيف المستمر من الأطوال الموجية الذي يبدأ عند طول موجي محدد
سوف اتحدث بالتفصيل عن العملية المشروحه أعلاه ...
من المعلوم أنه قبل تصادم الإلكترونات بالأنود سوف تكون قد أكتسبت طاقة قدرها eV و ظهرت على شكل طاقة حركية نسبية T (أي أن T=eV) حيث أن الطاقة الكلية النسبية
فإن الإلكترونات تبدأ أولا هذه العملية الأولية بطاقة حركة نسبية قدرها T أو طاقة كلية نسبية قدرها E و في الشكل 3 يظهر أحد الإلكترونات و هو يقترب من بعيد من النواة الهدف بطاقة حركية إبتدائية قدرها T .
شكل 3
و عندما يقترب أكثر من هذه النواة سيصبح مجال كولوم الشديد قادرا على جذب الإلكترون و تغيير مساره في إتجاه النواه...
ما السبب في عدم إنجذاب الإلكترون للنواه ...
1- سرعة الإلكترونات الشديدة
2- الكبر النسبي لبارامتر التصادم ... و هي المسافة الفاصلة بين مركز النواة و خط إمتداد متجه السرعه الإبتدائية ) .
عند ذلك يكون الإلكترون قد تجاوز مرحلة الخطر و أصبح بعيدا عن النواه ... لكن عندها سيكون الإلكترون ذا طاقة حركية أقلأو طاقة كلية نسبية
و يعود النقص في الطاقة الحركية نتيجه للمجابهة مع النواه عند ذلك تكون الطاقه المفقوده قد تحولت لفوتون أِشعة إكس X
و سيكون الفرق بين طاقتي الحركه الإبتدائه أي قبل المرور في المجال النووي و بد المرور مساويا لطاقة الفوتون المنبعث
و من ذلك يمكن الحصول على طول موجة الفوتون المنبعث من العلاقة التالية ...
بما أن مجابهة الإلكترونات مع المجال النووي تتم بطريقة عشوائية فمن المتوقع الحصول على فقد مختلف لطاقات الحركه لكل الإلكترون ... فمن الطبيعي ان تكون طاقة الحركه النهائية أقل من الطاقة الإبتدائية حسب العلاقة التالية
حيث ان الإلكترونات التي تحقق هذه العلاقة تكون الطاقة لها متصلة ...
إن عملية إنتاج الأشعة بإبطاء الإلكترونات السريعة عند مرورها خلال المجال الكهربي الشديد لأنوية الهدف ( العملية التي يفقد فيها الإلكترون جزاء من طاقته و يحولها إلى فوتون أشعة X )
و الموضح في الشكل 2 غالبا ما يسمى بالبرمس شتر الونج و هي ظاهرة لا تحدث فقط للإلكترونات السريعه في أنبوبة أشعة X و حدها و لكن أيضا تحدث عندما يتم إيقاف الإلكترونات السريعة مع أي مادة , و ذلك مثل يحدث في الأشعة الكونية.
و يمكن إعتبار عملية البرس شتر الونج التي يتم فيها " إنتاج لأشعة (الفوتونات) من إبطاء إلكترونات أو جسيمات ... عكس عملية التأثير الكهروضوئي التي يتم فيها " إمتصاص الأشعة (الفوتونات) بواسطة الإلكترونات او (الجسيمات).
ظاهرة كمبتون ....Compton Effect
ظاهرة كمبتون من الظواهر الفيزيائية الحديثة والتي اكتشفت بعد الظاهرة الكهروضوئية والتي لم يتمكن العلماء من تفسيرها الا بالاستناد على النظرية الكمية. ماذا نعني بذلك؟
في البداية فإن ظاهرة كمبتون هي ظاهرة لتفاعل الفوتونات الضوئية مع ذرات المادة حيث وجد العالم كمبتون انه عند سقوط فوتونات بطول موجي معين تخرج الفوتونات بطول موجي مختلف حيث يزداد الطول الموجي للفوتون وهذا يعني ان طاقة الفوتون تقل.
وقد وجد العالم كمبتون ان التغير في الطول الموجي للفوتون بعد تصادمه مع الكترونات ذرات المادة يعتمد على الزاوية التي يخرج فيه الفوتون وهذه تسمى استطارة او تشتت Scattering.وذلك بقيامه بالتجربة الموضحة في الشكل التالي
في الشكل على اليسار التجربة وعلى اليمين النتائج التي حصل عليها كمبتون، وسنبدأ بالشرح من الجزء العلوي، حيث استخدم كمبتون جهاز توليد اشعة اكس واستخدم اشعة اكس كمصدر للضوء (للفوتونات) ومعروفة الطول الموجي ووجه هذا الشعاع على قطعة من الكربون وعلى امتداد الخط الواصل رصد اشعة اكس خرجت من الكربون بنفس الطول الموجي.
ولكن عندما وضع الراصد على زاوية 45 رصد الطول الموجي الاصلي ومصاحب له طول موجي اخر وكلما زادت الزاوية كان الفرق بين الطول الموجي الاصلي والطول الموجي المصاحب اكبر ولاحظ انه عند زاوية 180 درجة تكون فوتونات اشعة اكس مرتدة والفرق في الطول الموجي اكبر ما يمكن.
اين المشكلة في الموضوع ولماذا احتاج العلماء النظرية الكمية لتفسير هذه الظاهرة
لو اعتبرنا ان الفوتونات تتصرف كانها موجة فكيف اذا يتغير الطول الموجي للفوتون ولماذا تقل طاقته كما اننا لو اعتبرنا الضوء عبارة عن جسيمات فإن الضوء اما ان ينعكس او ينكسر وهاتين الظاهرتين لا يمكن ان ينتج عنها تغير في الطول الموجي. الى ان جاءت النظرية الكمية والتي افترضات ان الضوء هو عبارة عن سيل من الفوتونات وان كل فوتون يمتلك طاقة تساوي تردد الضوء في ثابت بلانك أي ان
E=hv
كيف فسرت النظرية الكمية للضوء النتائج العملية التي حصل عليها كمبتون؟
عندما تسقط فوتونات اشعة اكس على ذرات الكربون فانها تتفاعل مع الكتونات المادة الحرة. في هذا التفاعل يصطدم الفوتون الساقط مع أحد الإلكترونات المدارية في الذرة و الذي يعتبر حرا. و يقصد بهذا أن طاقة ربط الإلكترون بالذرة صغيرة جدا بالنسبة لطاقة الفوتون الساقط. حيث يأخذ الإلكترون بعضا من طاقة الفوتون الساقط و ينطلق بزاوية مقدارها بينما ينحرف مسار الفوتون الساقط بطاقة أقل (أو طول موجي أكبر) من طاقة السقوط و بزاوية مقدارها كما في الشكل ويعتبر تصادم الفوتون مع الإلكترون تصادم مرن.
في هذا التصادم سوف لن يعطي الفوتون الساقط جميع طاقته للإلكترون الحر . مقدار الطاقة المتحولة في أي تصادم يمكن أن تحسب بتطبيق قوانين حفظ الطاقة و حفظ كمية الحركة نحصل على
لمن يرغب في الاطلاع على اشتقاق هذه المعادلة يجدها هنا
حيث ان رموز المعادلة من اليسار الى اليمين هي الطول الموجي المعدل (النهائي) والطول الموجي الاصلي والرمز الثالث هو مقدار التغير في الطول الموجي وباقي الرموز معروفة
وتفيد هذه المعادلة ان التغير في الطول الموجي يعتمد على زاوية الاستطارة والتي تكون اكبر ما يمكن عند 180 درجة.
وهنا تجدر الاشارة ان المعادلة التي اشتقها كمبتون بناء على النظرية الكمية للضوء تتفق تماما مع النتائج العملية التي حصل عليها مما اضاف تأكيد للنظرية الكمية للضوء وهنا نلاحظ أيضا انه تم التعامل مع الضوء (اشعة اكس) على إنها سيل من الجسيمات (الفوتونات).
ظاهرة انتاج وتلاشي الجسيمات Pair Production and Annihilation
ظاهرة إنتـــــــاج وفنـــــــــاء الأزواج:
عند دراستنا لتصادم عنيف لجسيمين، مثل بروتونين، فإننا نكتشف ظواهر مختلفة كيفيا عن دراستنا لتصادم كرتي زجاج مثلا..
على سبيل المثال: إذا تصادم بروتون ذو طاقة عالية بآخر فقد يحدث أن يبقى البروتونان بعد التصادم وقد نجد نواتج التفاعل بالإضافة إليهما واحدا أو أكثر من الجسيمات الأولية مثل ميزون باي pi meson ، ونقول أن ميزونات باي والمسماة ايضا البيونات قد خلقت في التفاعل ، وليس هذا هو الشيء الوحيد الممكن حدوثه عند تصادم بروتون بآخر؛ فقد يختفي البروتونان ويظهر بدلا عنهما عدد من الجسيمات الجديدة تماما، والمعروفة بميزونات K وهيبرونات..
بالمثل، يمكن أن يحدث في تصادم عنيف بين إليكترونين أن تتكون نواتج التفاعل من ثلاثة اليكترونات وبوزيترون واحد( البوزيترون هو جسيم أولي مماثل للإليكترون في خواصه إلا أن شحنته موجبة)
من ناحية أخرى، إذا تصادم إليكترون مع بوزيترون فقد يختفي هذا الجسيمان ( ونقول فنيا أو تلاشيا) ليخلفا إشعاعا كهرومغناطيسيا على صورة أشعة غامـــا..
أي أنه إذا تصادم أي جسيم مع مضاده فأنهما يفنيان...
ومن الأمثلة المشهورة على عملية خلق الأزواج نذكر خلق زوج من الإليكترون – بوزيترون (خلق جسيم – مضاد جسيم) عندما يمر شعاع غاما خلال المجال الكهربي لذرة ما. أي أن الجسيمات المادية يمكن خلقها من الإشعاع الكهرومغناطيسي.
يبين الشكل رسما للغرفة السحابية Cloud Chamber ..
الغرفة السحابية ويظهر فيها أثر الجسيمات المشحونة
والغرفة السحابية تعتبر من أقدم الوسائل للكشف عن الجسيمات المشحونة بالرؤية المباشرة، حيث استخدمها ويلسون لأول مرة عام 1912. والغرفة السحابية يملأ فراغها بالهواء النقي تماما من الغبار والمشبع ببخار الماء عند درجة حرارة الغرفة. وعند تحرك المكبس فجأة وبسرعة عالية إلى أسفل يحدث تمدد مفاجئ لخليط الهواء وبخار الماء يؤدي إلى الانخفاض المفاجئ في درجة حرارة الخليط ويصبح بخار الماء في حالة فوق التشبع. فإذا مرت في هذه اللحظة جسيمات مشحونة وأدت إلى تكوين أزواج اليكترونية أيونية داخل الفراغ الداخلي، يتكثف بخار الماء فوق المتشبع على الايونات ويظهر أثر لقطرات الماء المتكثفة على الايونات بطول أثر الجسيمات المشحونة.
ويمكن بالتالي رؤية أثر الجسيم إما بالعين المجردة أو التصوير في هذه اللحظة وذلك بإدخال ضوء من فتحة جانبية والتصوير خلال الغطاء العلوي الشفاف للغرفة..
ويمكن استخدام الغرفة السحابية أيضا في تحديد شحنة الجسيم واندفاعه وبالتالي طاقته.
الغرفة السحابية عند التصوير
وهناك طرق أخرى كثيرة لخلق الأزواج، ودعنا نتحدث عن مثال بسيط:
إذا مر جسيم ذو شحنة وطاقة وليكن إليكترونا أو بوزيترونا خلال لوحي رصاص، فمن الممكن أن يعاني الجسيم انحرافا ولو بسيطا في مجال إحدى ذرات اللوح ( المجال الكهربائي للنواة ذاتها). مثل هذا الانحراف يمثل حركة معجلة، وبالتالي ينبعث إشعاع كهرومغناطيسي على صورة شعاع غاما المفعم بالطاقة.( الجسيم يمكن بالطبع أن ينحرف بوساطة عدد من ذرات اللوح الواحد، وفي هذه الحالة ينبعث عدد من كمات جاما).
وتخلق أشعة جاما الناتجة بهذه الطريقة أزواجا من الإليكترون – بوزيترون في المجالات التي تعترضها أثناء عبورها الألواح. هذه الجسيمات المشحونة تؤدي بدورها إلى مزيد من أشعة غاما، والأشعة الجديدة تكون أزواجا جديدة وهكذا. على هذا يمكن أن يؤدي جسيم ذو طاقة عالية أو إشعاع غاما وحيد إلى حزمة من أشعة غاما والكيترونات وبوزيترونات. وتترك الجسيمات المشحونة أثرا يمكن أن يرى كما قلنا في الغرفة السحابية .
الآن، بعد أن تحدثنا عن ألف الحكاية، دعنا نتحدث عن يائها، ومن خلق الأزواج الجسيمية إلى كيفية فنائها...
كما عرفنا من قبل، أول من اكتشف البوزيترونات هو كارل أندرسون عام 1932 وذلك خلال دراسته للأشعة الكونية. ومعروف في الوقت الحاضر أن البوزيترونات تنشا في عملية اضمحلال كثير من الجسيمات غير المستقرة، على سبيل المثال كما في اضمحلال نظير الكبريت المشع P30 . كما تشاهد البوزيترونات أيضا كما قلنا عند مرور أشعة غاما خلال المادة، والفكرة النهائية التي كوناها هي أن شعاع جاما قادر على تخليق زوج إليكترون – بوزيترون في المجال الكهربي للنواة. هذه العملية تعرف بإنتاج زوج كهرومغناطيسي.
الآن، عندما يصطدم البوزيترون، أو يتفاعل، مع الإلكترون، فإن هذا الزوج من الجسيمات يمكن أن يفنى، وهذا يعني أن الجسيمات تختفي وتتحول طاقاتها تماما إلى إشعاع كهرومغناطيسي.
هل تلاحظون العملية ؟ : إشعاع كهرومغناطيسي يمر داخل المجال الكهربائي لنواة ما يخلق زوج إليكترون
- بوزيترون،
إلكترون – بوزيترون يتصادمان يولد إشعاع كهرومغناطيسي..إذن فالعملية عكسية تماما..
دعونا نفهم ما الذي يحدث:هناك احتمالان: الأول، أن يصطدم البوزيترون تصدما مباشرا مع أحد اليكترونات المادة فيفنى معها وينتج إشعاعا كهرومغناطيسيا، أو إشعاع غاما..
الثاني، أنه عندما يصطدم البوزيترون مع ذرات المادة يفقد الجزء الأكبر من طاقته الحركية أثناء التصادمات المتعددة مع الذرات، وهذا يؤدي إلى ابطاء سرعته، فتنتشر البوزيترونات المبطئة تلك في أنحاء المادة ، وفي النهاية يتم اصطيادها بالإليكترونات في الذرات، وتحت ظروف ملائمة قد يكون البوزيترون بالفعل مع إليكترون واحد "ذرة" شبيهة بذرة الهيدروجين، تعرف بالبوزيترونيوم (وقد نوقشت في المنتدى من قبل) ، وفي النهاية يتم تفاعل البوزيترونات المبطأة مع الالكيترونات ويحدث الفناء..
الآن، دعنا نتحدث بصيغة معادلات مبسطة لفهم ما يحدث في عملية الفناء ،
لنفترض أن الإليكترون والبوزيترون كان عمليا في حالة سكون عندما حدث التفاعل( في محاور إسناد المعمل) ، ولنفترض أيضا للتبسيط أن التفاعل حدث في حيز حر، بمعنى أنه في معزل عن باقي الجسيمات.
نلاحظ قبل كل شيء أنه لا بد من وجود اثنين من الفوتونات( أو كمات جاما)، أي أن n>2 ، وإلا ما كان باستطاعتنا أن نطبق قانوني حفظ الطاقة والزخم.( بمعنى أن لو كان كل من الإليكترون والبوزيترون في حالة سكون، هذا يعني أن الزخم الابتدائي يساوي صفر، لكن لو ابنعث إليكترون واحد فطرفي المعادلة لا يتساويان)
الآن لو انبعث فوتونان : كمية الحركة الابتدائية (الزخم) تساوي صفرا ،لأنهما ساكنان، وبالتالي يجب أن يكون الزخم النهائي يساوي صفرا.. وهذا ما يحصل بالفعل ، فزخم الفوتونين متساو في المقدار ومتعاكس في الاتجاه، وهذا يعني تساوي طاقيتهما ، ومن ثم تساوي تردديهما..
أما الطول الموجي للفوتونات المنبعثة فيساوي طول موجة كومبتون للإليكترون h/mc=0.0243A ، ويناظر هذا الطول الموجي طاقة سكون الإليكترون mc2=0.511MeV
يمكننا على هذا أن نبحث عن شعاعي جاما المتكونين في عملية الفناء. إذ يجب أن ينطلقا في اتجاهين مختلفين متعاكسين وان يكون الطول الموجي لكل منهما مساويا للطول الموجي لكومبتون الإليكترون. وقد وجد بالتجربة فعلا أن هذه التنبؤات صحيحة في كل تفاصيلها: فالفناء إلى شعاعي جاما قد حدث بالفعل، وفضلا عن ذلك فقد وجد أيضا أن تولد ثلاث أشعة من اشعة جاما من عملية الافناء قد حدث فعلا..
هناك نقطة مهمة واحدة يجب علينا أن نشرحها..قلنا أن زوج إليكترون- يوزيترون لا يمكنه أن يفنى في شكل فوتون واحد في فراغ الحيز وذلك لأن كلا من الطاقة والزخم لا يمكن أن يحققا قوانين الحفظ..بالتالي فإن العملية عكسية: العملية التي يتغير فيها فجأة فوتون واحد إلى زوج إليكترون – بوزيترون يجب أن تكون مستحيلة!!...
من ناحية أخرى ذكرنا أن أزواج الكيترون – بوزيترون تولد عند مرور فوتونات عالية الطاقة خلال جسم مادي..وتوضيح هذا الاختلاف الظاهري هو أن العملية هذه ممكنة وتحدث بالفعل ،حيث تنتقل كمية معينة من الطاقة ومن الزخم إلى النواة، وعندئذ يكون من الممكن أن تتوازن معادلات البقاء..
على العكس من عملية الفناء، تكون العملية التي ينتج فيها زوج نتيجة تصادم فوتونين ، هذه العملية لم يتم مشاهدتها على الاطلاق، والسبب في ذلك هو أننا لا نستيطع أن ننتج حزما مركزة بما فيه الكفاية من الفوتونات عند طاقة عالية تساعد على حدوث هذه العملية على مستوى المشاهدة بالعين المجردة..
ولكننا نعتقد اعتقادا راسخا في امكانية رؤية هذه الظاهرة بالعين في حال امكننا انتاج مثل تلك الحزم..
وعلى عكس عملية انتاج الازواج في مجال النواة تكون العملية التي يفنى فيها زوج إليكترون – بوزيترون في مجال النواة إلى فوتون واحد مع اكتساب النواة للطاقة والزخم لتوازن معادلات حفظهما،هي عملية ممكنة الحدوث..ولكنه تبين أن حدوث عملية افناء اثنين من الفوتونات تكون على وجه العموم هي الغالبة، لذا فهذه هي النظرية السائدة..
في الختام
من خلال هذه الظواهر الاربعة التي تشكل اساس الفرضية الكمية للضوء فتحت الافاق للفيزياء الحديثة.
مع تحياتي للجميع ...وتمنياتي لهم بالفائدة من الموضوع
رد مع اقتباس
