الميكانيكا الكمية – النواة قطرة سائلة

محمد زكريا توفيق

الحوار المتمدن-العدد: 4659 - 2014 / 12 / 11 - 16:25
المحور: دراسات وابحاث في التاريخ والتراث واللغات
    

لازلنا نبحث طبيعة نواة الذرة. هذا الشئ العجيب. النواة تختلف في التركيب عن الإلكترون. الإلكترون لا يدور في مدارات حول النواة كما هو الاعتقاد السائد. لأن مبدأ عدم اليقين لهايزنبرج، يمنع الإكترون من أن يكون له مدارات.

مدارات تعني مسارات. أي أنني أستطيع مسبقا تحديد مكان الإلكترون في المدار متى عرفت سرعته، وبالعكس. هذا غير ممكن بمبدأ عدم اليقين. لكن الإلكترون عبارة عن نقطة، لها كتلة وشحنة سالبة، واحتمالات وجود في أماكن حول النواة. مجموع هذه النقاط تسمى سحابة إلكترونية. شكل السحابة قد يكون كرة أو حلقة أو شرنقة، إلخ.

سحابة الإلكترون حول النواة، تستوعب عددا كاملا من موجات دي بروجلي. بدون كسر. أي لا يوجد نصف موجة أو جزء من الموجة. عندما تتجمع سحب الإلكترون حول النواة عند مستوى طاقة معين، يطلق عليها "الغلاف" أو القشرة.

سعة الغلاف تمثل أكبر عدد من الإلكترونات يمكن أن يتواجد داخله. سعة الغلاف لها علاقة بترتيب بعد الغلاف عن النواة. الغلاف الأول يسع 2 إلكترون، الثاني 8، والثالث 18، إلخ.

بعد اكتشاف طبيعة البروتونات والنيترونات بعدة سنوات، تخيل العلماء أن النواة هي الأخرى عبارة عن سحب من البروتونات والنيترونات.

خاصية تشبع القوى النووية وتحلل أشعة ألفا، جعلت العلماء يعتقدون أن النواة ليست شيئا هلاميا لا شكل له، إنما هي مجمع من جسيمات ألفا. كلما تقدمت الميكانيكا الكمية وتجارب العلماء في معرفة أسرار تركيبة النواة، بدأ يتضح أن الأمر ليس بهذه البساطة. نحن الآن أمام غابة من الأشجار أو حديقة حيوانات، لها أشكالها المميزة.

نواة الهيليوم، هي نفسها جسيمات أشعة ألفا. تتشكل من مجموعة رباعية (2 بروتون + 2 نيترون). تحتل منطقة أقل مستوى طاقة داخل النواة. هذه هي الحالة الأكثر استقرارا بالنسبة لجسيماتها.

عندها، يكون كلا من البروتونات والنيتروات لهما لف مغزلي في اتجاهين معاكسين. في اتجاه عقارب الساعة، وعكس عقارب الساعة. حتى لا نخل بمبدأ باولي لتوزيع الطاقة في الذرة.

في أية نواة بها أكثر من تشكيل رباعي، التشكيل الثاني يحتل مستوى طاقة أعلى من الأول. الثالث، يحتل مستوى ثالث أعلى من الثاني، إلخ. كلما زاد عدد التشكيلات الرباعية داخل النواة، كلما زاد مستوى الطاقة الذي يحتله التشكيل. مثل حالة غلاف الإلكترونات.

في الأنوية التي لا يقبل عدد جسيماتها على أربعة، سنجد مستوى طاقة غير مشغول بالكامل. أما التي تقبل القسمة على أربعة، فهي شديدة الاستقرار، بسبب اكتمال غلاف طاقتها.

هذا بخصوص أشعة ألفا، فمن أين تـأتي أشعة جاما؟ سنعرف الكثير عن طبيعة غلاف أو قشرة النواة، أثناء بحثنا عن مصدر أشعة جاما. عند دراسة أشعة جاما، عرف العلماء الكثير من المعلومات الهامة عن النواة وجسيماتها.

أول ما يلفت النظر، هو التحليل الطيفي لأشعة جاما. لقد وجد أنه يتكون من خطوط منفصلة عن بعضها. نحن نعرف ما يعنيه هذا. هذا يعني أن جسيمات النواة يمكنها الحصول فقط على طاقات معينة.

يعني أيضا أنها يجب أن توجد في مستويات خاصة للطاقة. انتقال الجسيمات بين هذه المستويات الخاصة، يعطينا أشعة جاما. مثل انتقال الإلكترون من مستوى طاقة مرتفع إلى مستوى طاقة أقل، يعطينا الضوء. هكذا يتولد الضوء، وهكذا تتولد أشعة جاما.

لكن، ما هي مستويات الطاقة هذه؟ وكيف تشغل بجسيمات النواة؟ حقيقة، وجود مستويات طاقة مختلفة للنواة، لم يفاجئنا البتة. لأن معادلة شرودينجر الشهيرة قد تنبأت بذلك من قبل، عند تطبيقها على النواة. شرودينجر عبقري آخر من عباقرة الميكانيكا الكمية.

أرجو أن يتسع وقتي لكتابة قصة حياة هؤلاء العباقرة في المستقبل. هؤلاء هم وأمثالهم، زهرة الزهرة. فخر البشرية وأعلامها الخفاقة. ورودها ورياحينها وأريجها وقلبها البض، وأملها وأملنا في حياة أفضل وأنبل.

بذلوا كل ما يستطيعون. ضحوا بأموالهم، وأفنوا حياتهم بحثا عن الحقيقة. لكي ينيروا للإنسان الدرب، وينتشلوه من غيابات الجب، ويجنبوه حلكة الإظلام والجهل. جاءوا لكي ينقذوه من براثن التخلف والدجل والشعوذة، الناشبة أظافرها في عنقه بدون هوادة أو رحمة.

لم يعدوه إلا بالحق والصدق والأمانة. لم يغرروا به لمكسب سياسي أو لسيطرة كهنوتية. لم يرشوه بأمل خادع أو كذب معسول. لم يخاطبوا إلا عقله، ولم يستغلوا عواطفه وضعفه. أبطالنا الحقيقيون. أبطال البشرية جمعاء في كل مكان، وعلى مر الدهور والأزمان.

الصيغة التي تصف تفاعلات الجسيمات داخل الذرة، تعرف بقانون كولومب. هذا القانون، يحسب قوة التنافر بين الإلكترونات فيما بينها، ويحسب أيضا قوة التجاذب بين الإلكترونات والنواة. الشحنات المتشابهة تتنافر، والمختلفة تتجاذب.

سنضع هذا القانون في معادلة شرودينجر. القانون الذي يصف قوى النواة لم يكن معروفا بعد. العلماء عليهم حل المسألة بالمقلوب: راقب طيف أشعة جاما، واحسب منه مستويات الطاقة للنواة.

بدأ العلماء يعملون على هذه المسألة. قاسوا شدة استضاءة خطوط الطيف لأشعة جاما، وخواصها. ثم حاولوا اشتقاق، من هذه المعلومات، قانونا يبين تفاعلات الجسيمات داخل النواة.

تبين أن هذه المسألة ليست بهذه السهولة. لابد من معرفة، أولا، شيئا عن طبيعة جسيمات النواة، البروتونات والنيترونات. المعلومات الخاصة بمستويات الطاقة في النواة، والغلاف أو القشرة المكونة من سحب البروتونات والنيترونات الإحتمالية، كل هذه المعلومات ساعدتنا في شرح مصدر أشعة جاما، وسلوكها الغريب.

أولا، نعرف أنه لكي تشع النواة أشعة جاما، وهي أشعة كهرومغناطيسية مثل الضوء، على النواة أن تنتقل أولا، من مستوى طاقة أقل وحالة استقرار، إلى مستوى طاقة أكبر وعدم استقرا. النواة تصبح الآن في حالة إثارة. عند عودة النواة إلى حالتها الطبيعية، تشع جاما.

الإلكترون عندما ينتقل من مستوى طاقة مرتفع إلى مستوى منخفض، يشع ضوء. لكن النواة عندما تفعل نفس الشئ تشع جاما. وهي أشعة كهرومغناطيسية مثل الضوء، الأشعة السينية، الرادار، والراديو، إلخ.

قوى النواة تبلغ مليون ضعف القوة الكهربائية. لهذا السبب، المسافة بين مستويات الطاقة في النواة، أكبر من المسافة بين مستويات الطاقة بالنسبة للإلكترونات. لذلك، من الطبيعي أن نتوقع أن أشعة جاما لها طاقة أضعاف طاقة الضوء.

هذا يعني قصر طول موجتها المتناهي. هناك علاقة عكسية بين طول الموجة وطاقة الأشعة الكهرومغناطيسية. لهذا، أشعة جاما، لها أقصر طول موجة معروف حتى الآن. مما يجعل قدرتها كبيرة على اختراق الأجسام. أشعة خطرة على جسم الإنسان والأحياء بصفة عامة.

الآن نعرف لماذا تشترك أشعة جاما في كل تفاعلات النواة. لأن تفاعلات النواة ما هي إلا تغيرات في حالة مستويات الطاقة عند طلبها للاستقرار. النواة يمكنها أيضا التخلص من طاقتها الزائدة، وإرسالها مباشرة إلى سحابة الإلكترون الخارجية.

لكن هذا يشبه الزلزال بالنسبة للذرة ككل. ينتج عن ذلك هروب بعض الإلكترونات بسرعة فائقة من الذرة. هذه الخاصية تسمى ظاهرة التحول الداخلي للنواة.

لكن، هل غلاف النواة أو قشرتها، شئ حقيقي؟ إذا كان الغلاف موجودا، فلابد أن يكون شيئا مختلفا عن غلاف الإلكترون. النواة ليس لها قلب يمكن أن يحاط بجسيمات النواة. كما أن النواة مكونة من جسيمات مختلفة، بروتونات ونيترونات، بعكس الإلكترون.

فماذا يعني غلاف النواة؟ هو بالنسبة للنواة، منطقة استقرار للطاقة معزولة لمجموعة جسيمات. لا يحدث طول الوقت وفي كل الأماكن. في الأنوية الثقيلة، تفقد مستويات الطاقة المنفصلة خصوصيتها وتصبح لا شكل لها. ويكون لدينا العديد من الجسيمات وسحبها متداخلة مع بعضها.

لم يعد هناك أية حركة مميزة للجسيمات داخل النواة. النتيجة، تفقد النواة شكلها كجزء من الذرة. لذلك، يجب التخلي عن نموذج الغلاف للنواة. إذن، ما هو النموذج الجديد المقترح؟

قبل الحرب العالمية الثانية مباشرة، اقترح العلماء نموذج "نقطة السائل" للنواة. تم تخيل النواة ككتلة متجانسة بدون ملامح أو شكل معين. أي أنها لا تشبه جسيمات ألفا أو شكل الغلاف. البروتونات والنيترونات داخلها أشبه بجزيئات السائل. هي في حركة عشوائية دائمة داخل نقطة السائل.

النواة لها سطح مثل نقطة السائل. لكن السطح دائم الحركة. السوائل تغير من شكلها لأسباب داخلية وخارجية. سطح النواة له توتر سطحي مثل كل نقط السوائل. القوى المؤثرة عليها، هي فقط قوى التجاذب داخلها.

إلى هنا يقف التشابه بين النواة ونقطة السائل. دعنا نقارن كثافة نقطة السائل العادي بكثافة سائل النواة. الحسابات الأولية تبين أن جسيمات النواة مضغوطة مع بعضها آلاف ملايين المرات، قدر ضغط جزيئات نقطة السائل العادية. النقطة من السائل النووي في حجم نقطة المطر، تزن 10 مليون طن.

شئ مذهل. نعرف أن خاصية الأجسام تعتمد على كثافتها. اضغط الغاز واجعل كثافته تزيد ألف مرة، يتحول الغاز إلى بلورة، تخضع لقوانين مختلفة. لذلك يجب التوقف عن مقارنة النواة بنقطة السائل. الفرق في الكثافة مهول. كما أن القوى المؤثرة بين جسيمات النواة تختلف تماما عن القوى المؤثرة بين جزيئات نقطة السائل.

ضع قطرة من الزئبق على شريحة زجاجية، ثم قم بهزها قليلا. سترتجف القطرة ويظهر على سطحها تموجات. هز القطرة بشدة، ستجدها تتفتت إلى قطرات أصغر حجما.

هذا يذكرنا بأكبر اكتشاف في عالم الفيزياء، تم عام 1939م. أصاب مجتمع العلماء بحالة من النشوة الطاغية. لا يفهم معنى هذا الاكتشاف سوى العلماء أنفسهم. ألا وهو اكتشاف الانشطار النووي. تفتيت نواة اليورانيوم.

سارع علماء الفيزياء النظرية في كل أنحاء العالم، كل على حدة، لإيجاد تفسير لهذا الخاصية المذهلة للذرة. نيلز بور وفرينكيل، جاءا بنظرية. نجحا في تفسير انشطار نواة اليورانيوم، في ضوء نموذج نقطة السائل للنواة.

فكرة بور وفرينكيل كالآتي: لدينا نواة في وضعها الطبيعي. إذا كانت النواة مستقرة، فإن مكوناتها تصبح معزولة. بمعنى أنها لا تتعامل مع العالم الخارجي.

فجأة، يحل علينا ضيف ثقيل على غير المتوقع، جسيم يأتـي من حيث لا ندري. وغير متوقع قدومه. يحمل معه طاقة، يفرغها في النواة. فيهتز لقدوم الضيف كل السكان ويسود الهرج والمرج. ويصبح من العسير التفرقة بين الضيف والسكان الأصليين. وتصبح النواة غير مستقرة.

الآن، لا الضيف ولا الجسيمات الأصلية للنواة تستطيع مغادرتها. لذلك، وجب خلق أنوية جديدة بالانشطار النووي. هل تذكر رج قطرة الذئبق على الشريحة الزجاجية. يسمي بور النواة في هذه الحالة، نواة مركبة.

لا يستمر هذا الوضع طويلا. أحد الجسيمات، أخيرا تبلغ بها القوة درجة تجعلها تنفذ من حاجز النواة، إلى العالم الخارجي. إذا كان الجسيم الهارب من النواة يختلف عن الجسيم الساقط عليها، يسمى ما حدث بالتفاعل النووي. شبيه بالتفاعل الكيميائي، من حيث أن ما يدخل في التفاعلات الكيميائية يختلف عن ما يخرج منها.

هرج ومرج الجسيمات في النواة المركبة (المثارة)، يذكرنا بالحركة العشوائية الحرارية للجزيئات في قطرة السائل. في بعض الأحيان، تنفصل جزيئات السائل وتتبخر من القطرة. كذلك تتبخر بعض جسيمات النواة بعد إثارتها بقدوم جسيمات من الخارج.

عندما يصطدم نيترون له طاقة بنواة ضخمة غير مستقرة مثل نواة اليورانيوم، أي هزة بسيطة تفتت نواة اليورانيوم-235. لكن كيف تتفتت قطرة ماء على سبيل المثال؟

التصوير السينمائي عالي التقنية لهذا الحدث يعطينا الجواب. بعد التصادم، تبدأ قطرة الماء في التذبذب ويظهر على السطح موجات عالية. بعد ذلك تتمدد القطرة وتأخذ شكل شرنقة دودة القذ. بعد ذلك تنفصل إلى جزئين من الوسط أو أكثر.

هنا يقترح بور أن الانشطار النووي عندما يصيب النيترون قلب نواة اليورانيوم 235 الغير مستقرة، يحدث بطريقة مشابهة.

لكن، لماذا النيترونات وليست البروتونات هي التي تسبب انشطار النواة؟
للإجابة على هذا السؤال. النواة لها حاجز يمنع هروب جسيماتها في الأوقات العادية، لذلك هي مستقرة نسبيا.

البروتونات لها شحنات كهربائية موجبة. لذلك يمنعها الحاجز من اختراق النواة إلا إذا كانت طاقتها تبلغ مئات ملايين الإكترون-فولت. أما النيترونات، فليس لها شحنة كهربائية. لذلك تستطيع اختراق الحاجز الكهربائي للنواة بسهولة.

وللحديث عن الميكانيكا الكمية بقية، فإلى اللقاء.

#محمد_زكريا_توفيق (هاشتاغ)      

---

اشترك في قناة ‫«الحوار المتمدن» على اليوتيوب
حوار مع الكاتب البحريني هشام عقيل حول الفكر الماركسي والتحديات التي يواجهها اليوم، اجرت الحوار: سوزان امين	حوار مع الكاتبة السودانية شادية عبد المنعم حول الصراع المسلح في السودان وتاثيراته على حياة الجماهير، اجرت الحوار: بيان بدل

كيف تدعم-ين الحوار المتمدن واليسار والعلمانية على الانترنت؟

تابعونا على:

الفيسبوك

التويتر

اليوتيوب

RSS

الانستغرام

لينكدإن

تيلكرام

بنترست

تمبلر

بلوكر

فليبورد

الموبايل

كيفية إشراك-إيصال مواضيعكم أو مواضيع تهمكم  إلى اكبر عدد ممكن من القراء والقارئات