كيف تم اكتشاف هذه العملية ووصفها. تم الكشف عن استخدامه كمصدر للطاقة والأسلحة النووية.

ذرة "غير قابلة للتجزئة"

القرن الحادي والعشرون حافل بعبارات مثل "طاقة الذرة" ، "التكنولوجيا النووية" ، "النفايات المشعة". بين الحين والآخر عناوين الصحفخفقان رسائل فرصة تلوث اشعاعيالتربة والمحيطات وجليد القطب الجنوبي. ومع ذلك ، غالبًا ما لا يكون لدى الشخص العادي فكرة جيدة جدًا عن ماهية هذا المجال من العلم وكيف يساعد في الحياة اليومية. ربما يجدر بنا أن نبدأ بالتاريخ. من السؤال الأول الذي طرحه شخص حسن التغذية واللباس ، كان مهتمًا بكيفية عمل العالم. كيف ترى العين ، ولماذا تسمع الأذن ، وكيف يختلف الماء عن الحجر - هذا ما كان يقلق الحكماء منذ الأزل. حتى في الهند واليونان القديمة ، اقترحت بعض العقول الفضوليّة أن هناك حدًا أدنى من الجسيمات (كان يُطلق عليه أيضًا "غير قابل للتجزئة") له خصائص المادة. أكد علماء الكيمياء في العصور الوسطى تخمين الحكماء ، والتعريف الحديث للذرة هو كما يلي: الذرة هي أصغر جزء من مادة يحمل خصائصها.

أجزاء من ذرة

ومع ذلك ، فإن تطور التكنولوجيا (على وجه الخصوص ، التصوير الفوتوغرافي) أدى إلى حقيقة أن الذرة لم تعد تعتبر أصغر جزء ممكن من المادة. وعلى الرغم من أن الذرة الواحدة محايدة كهربائيًا ، إلا أن العلماء سرعان ما أدركوا أنها تتكون من جزأين بشحنات مختلفة. يعوض عدد الأجزاء الموجبة الشحنة عدد الأجزاء السالبة ، لذلك تظل الذرة محايدة. لكن لم يكن هناك نموذج واضح للذرة. نظرًا لأن الفيزياء الكلاسيكية كانت لا تزال مهيمنة في ذلك الوقت ، تم وضع افتراضات مختلفة.

نماذج الذرة

في البداية ، تم اقتراح نموذج "كعكة مع الزبيب". تملأ الشحنة الموجبة ، إذا جاز التعبير ، كامل مساحة الذرة ، وتوزعت الشحنات السالبة فيها ، مثل الزبيب في كعكة. المشهور حدد ما يلي: في وسط الذرة يوجد جدا عنصر ثقيلبشحنة موجبة (نواة) ، وتقع حولها إلكترونات أخف بكثير. كتلة النواة أثقل بمئات المرات من مجموع كل الإلكترونات (تشكل 99.9٪ من كتلة الذرة بأكملها). وهكذا ، وُلد نموذج بوهر الكوكبي للذرة. ومع ذلك ، تناقض بعض عناصره مع الفيزياء الكلاسيكية المقبولة آنذاك. لذلك ، تم تطوير ميكانيكا كم جديدة. مع ظهورها ، بدأت فترة العلم غير الكلاسيكية.

الذرة والنشاط الإشعاعي

يتضح مما سبق أن النواة هي الجزء الثقيل الموجب الشحنة من الذرة ، والذي يشكل كتلة الذرة. عندما تمت دراسة مواقع الإلكترونات في مدار الذرة جيدًا ، فقد حان الوقت لفهم طبيعة النواة الذرية. جاء النشاط الإشعاعي العبقري والمكتشف بشكل غير متوقع للإنقاذ. ساعد في الكشف عن جوهر الجزء المركزي الثقيل من الذرة ، لأن مصدر النشاط الإشعاعي هو الانشطار النووي. في مطلع القرنين التاسع عشر والعشرين ، هطلت الاكتشافات الواحدة تلو الأخرى. استلزم الحل النظري لمشكلة واحدة تجارب جديدة. أدت نتائج التجارب إلى ظهور نظريات وفرضيات تحتاج إلى تأكيد أو دحض. غالبًا ما تأتي أعظم الاكتشافات لمجرد أن هذه هي الطريقة التي أصبحت بها الصيغة سهلة الحساب (مثل ، على سبيل المثال ، كم ماكس بلانك). حتى في بداية عصر التصوير ، كان العلماء يعرفون أن أملاح اليورانيوم تضيء فيلمًا حساسًا للضوء ، لكنهم لم يشكوا في أن الانشطار النووي كان أساس هذه الظاهرة. لذلك ، تمت دراسة النشاط الإشعاعي من أجل فهم طبيعة الاضمحلال النووي. من الواضح أن الإشعاع نتج عن التحولات الكمومية ، لكن لم يكن من الواضح تمامًا أيها. قام الكوريون باستخراج الراديوم والبولونيوم النقي ، ويعملون باليد تقريبًا خام اليورانيومللحصول على إجابة على هذا السؤال.

حشوة الإشعاع

فعل رذرفورد الكثير لدراسة بنية الذرة وقدم مساهمة في دراسة كيفية حدوث انشطار النواة الذرية. وضع العالم الإشعاع المنبعث من عنصر مشع في مجال مغناطيسي وحصل على نتيجة مذهلة. اتضح أن الإشعاع يتكون من ثلاثة مكونات: أحدهما محايد والآخران موجب وسالب الشحنة. بدأت دراسة الانشطار النووي بتحديد مكوناته. ثبت أن النواة يمكن أن تنقسم وتتخلى عن جزء من شحنتها الموجبة.

بنية النواة

اتضح لاحقًا أن النواة الذرية لا تتكون فقط من جسيمات بروتونات موجبة الشحنة فحسب ، بل تتكون أيضًا من جسيمات نيوترونات متعادلة. معا يطلق عليهم nucleons (من "النواة" الإنجليزية ، النواة). ومع ذلك ، واجه العلماء مشكلة مرة أخرى: كتلة النواة (أي عدد النوى) لا تتوافق دائمًا مع شحنتها. في الهيدروجين ، النواة لها شحنة +1 ، ويمكن أن تكون الكتلة ثلاثة ، واثنين ، وواحد. يحتوي الهليوم التالي في الجدول الدوري على شحنة نووية +2 ، بينما تحتوي نواته على من 4 إلى 6 نويات. يمكن أن تحتوي العناصر الأكثر تعقيدًا على العديد من الكتل المختلفة لنفس الشحنة. تسمى هذه الاختلافات في الذرات بالنظائر. علاوة على ذلك ، تبين أن بعض النظائر مستقرة تمامًا ، بينما سرعان ما تلاشى البعض الآخر ، حيث تميزت بالانشطار النووي. ما هو المبدأ الذي يتوافق مع عدد نوى استقرار النوى؟ لماذا أدت إضافة نيوترون واحد فقط إلى نواة ثقيلة ومستقرة تمامًا إلى انقسامها ، إلى إطلاق النشاط الإشعاعي؟ ومن الغريب أن الإجابة على هذا السؤال المهم لم يتم العثور عليها بعد. من الناحية التجريبية ، اتضح أن التكوينات المستقرة للنواة الذرية تتوافق مع كميات معينة من البروتونات والنيوترونات. إذا كان هناك 2 ، 4 ، 8 ، 50 نيوترون و / أو بروتونات في النواة ، فإن النواة ستكون مستقرة بالتأكيد. حتى أن هذه الأرقام تسمى السحر (وقد أطلق عليها العلماء البالغون والفيزيائيون النوويون ذلك). وبالتالي ، فإن انشطار النوى يعتمد على كتلتها ، أي على عدد النوى الموجودة فيها.

إسقاط ، قذيفة ، كريستال

لم يكن من الممكن بعد تحديد العامل المسؤول عن استقرار اللب. هناك العديد من النظريات حول هذا النموذج ، غالبًا ما تتناقض أكثر ثلاث نظريات شهرة وتطورًا مع بعضها البعض في العديد من القضايا. وفقا للأول ، فإن النواة هي قطرة من سائل نووي خاص. مثل الماء ، يتميز بالسيولة والتوتر السطحي والاندماج والانحلال. في نموذج الغلاف ، توجد أيضًا مستويات معينة من الطاقة في النواة ، والتي تمتلئ بالنوكلونات. يؤكد الثالث أن النواة هي وسيط قادر على كسر موجات خاصة (de Broglie) ، بينما مؤشر الانكسار كذلك. ومع ذلك ، لم يتمكن نموذج واحد حتى الآن من وصف السبب بشكل كامل ، عند كتلة حرجة معينة من هذا المعين. عنصر كيميائي ، يبدأ انقسام النواة.

ما هو الاضمحلال

تم العثور على النشاط الإشعاعي ، كما ذكر أعلاه ، في المواد التي يمكن العثور عليها في الطبيعة: اليورانيوم والبولونيوم والراديوم. على سبيل المثال ، يعتبر اليورانيوم النقي المستخرج حديثًا من المواد المشعة. ستكون عملية الانقسام في هذه الحالة تلقائية. بدون أي تأثيرات خارجية ، سيصدر عدد معين من ذرات اليورانيوم جسيمات ألفا ، وتتحول تلقائيًا إلى الثوريوم. يوجد مؤشر يسمى نصف العمر. إنه يوضح الفترة الزمنية من العدد الأولي للجزء الذي سيبقى نصفه تقريبًا. كل عنصر مشع له نصف عمره - من أجزاء من الثانية لكاليفورنيا إلى مئات الآلاف من السنين لليورانيوم والسيزيوم. ولكن هناك أيضًا نشاط إشعاعي قسري. إذا تم قصف نوى الذرات بالبروتونات أو جسيمات ألفا (نوى الهيليوم) بطاقة حركية عالية ، فيمكنها "الانقسام". تختلف آلية التحول بالطبع عن كيفية كسر إناء الأم المفضل. ومع ذلك ، هناك تشبيه معين.

طاقة الذرة

حتى الآن ، لم نجب على سؤال عملي: من أين تأتي الطاقة أثناء الانشطار النووي. بادئ ذي بدء ، يجب توضيح أنه أثناء تكوين النواة ، تعمل القوات النووية الخاصة ، والتي تسمى التفاعل القوي. نظرًا لأن النواة تتكون من العديد من البروتونات الموجبة ، يبقى السؤال كيف تلتصق ببعضها البعض ، لأن القوى الكهروستاتيكية يجب أن تتنافر بقوة عن بعضها البعض. الجواب بسيط وليس في نفس الوقت: النواة مرتبطة ببعضها البعض من خلال تبادل سريع للغاية بين نوى جزيئات خاصة - بي ميزونات. يعيش هذا الاتصال قصيرًا بشكل لا يصدق. بمجرد توقف تبادل البي ميزون ، تتحلل النواة. ومن المعروف أيضًا على وجه اليقين أن كتلة النواة أقل من مجموع كل النوى المكونة لها. هذه الظاهرة تسمى عيب الكتلة. في الواقع ، الكتلة المفقودة هي الطاقة التي يتم إنفاقها للحفاظ على سلامة النواة. بمجرد فصل جزء من نواة الذرة ، يتم إطلاق هذه الطاقة وتحويلها إلى حرارة في محطات الطاقة النووية. أي أن طاقة الانشطار النووي هي دليل واضح على صيغة آينشتاين الشهيرة. تذكر أن الصيغة تقول: يمكن أن تتحول الطاقة والكتلة إلى بعضهما البعض (E = mc 2).

النظرية والتطبيق

الآن سوف نخبرك كيف يتم استخدام هذا الاكتشاف النظري البحت في الحياة لإنتاج جيجاوات من الكهرباء. أولاً ، يجب ملاحظة أن التفاعلات الخاضعة للرقابة تستخدم الانشطار النووي القسري. غالبًا ما يكون اليورانيوم أو البولونيوم ، الذي يتم قصفه بالنيوترونات السريعة. ثانيًا ، من المستحيل عدم فهم أن الانشطار النووي يترافق مع تكوين نيوترونات جديدة. نتيجة لذلك ، يمكن أن يزداد عدد النيوترونات في منطقة التفاعل بسرعة كبيرة. يتصادم كل نيوترون مع نوى جديدة لا تزال سليمة ، ويقسمها ، مما يؤدي إلى زيادة إطلاق الحرارة. هذا هو تفاعل سلسلة الانشطار النووي. يمكن أن تؤدي الزيادة غير المنضبطة في عدد النيوترونات في المفاعل إلى حدوث انفجار. هذا بالضبط ما حدث في عام 1986 في محطة تشيرنوبيل للطاقة النووية. لذلك ، توجد دائمًا في منطقة التفاعل مادة تمتص النيوترونات الزائدة ، وتمنع حدوث كارثة. إنه جرافيت على شكل قضبان طويلة. يمكن إبطاء معدل الانشطار النووي بغمر القضبان في منطقة التفاعل. تم وضع المعادلة خصيصًا لكل مادة مشعة نشطة والجسيمات التي تقذفها (الإلكترونات والبروتونات وجسيمات ألفا). ومع ذلك ، يتم حساب ناتج الطاقة النهائي وفقًا لقانون الحفظ: E1 + E2 = E3 + E4. أي أن الطاقة الكلية للنواة الأصلية والجسيم (E1 + E2) يجب أن تكون مساوية لطاقة النواة الناتجة والطاقة المنبعثة في شكل حر (E3 + E4). توضح معادلة التفاعل النووي أيضًا نوع المادة التي يتم الحصول عليها نتيجة للانحلال. على سبيل المثال ، بالنسبة لليورانيوم U = Th + He ، U = Pb + Ne ، U = Hg + Mg. لم يتم ذكر نظائر العناصر الكيميائية هنا ، ولكن هذا مهم. على سبيل المثال ، هناك ما يصل إلى ثلاثة احتمالات لانشطار اليورانيوم ، حيث يتم تكوين نظائر مختلفة من الرصاص والنيون. في ما يقرب من مائة بالمائة من الحالات ، ينتج تفاعل الانشطار النووي نظائر مشعة. أي أن اضمحلال اليورانيوم ينتج الثوريوم المشع. يمكن أن يتحلل الثوريوم إلى البروتكتينيوم ، والأكتينيوم ، وما إلى ذلك. يمكن أن يكون كل من البزموت والتيتانيوم مشعًا في هذه السلسلة. حتى الهيدروجين ، الذي يحتوي على بروتونين في النواة (بمعدل بروتون واحد) ، يسمى بشكل مختلف - الديوتيريوم. يسمى الماء المتكون من هذا الهيدروجين بالماء الثقيل ويملأ الدائرة الأولية في المفاعلات النووية.

ذرة غير سلمية

عبارات مثل "سباق التسلح" ، " الحرب الباردة"، قد يبدو" التهديد النووي "للإنسان الحديث تاريخيًا وغير ذي صلة. ولكن في يوم من الأيام ، كان كل بيان صحفي تقريبًا في جميع أنحاء العالم مصحوبًا بتقارير حول عدد أنواع الأسلحة النووية التي تم اختراعها وكيفية التعامل معها. بنى الناس مخابئ تحت الأرض وقاموا بتخزينها تحسبا لذلك. الشتاء النووي. عملت عائلات بأكملها على بناء المأوى. حتى الاستخدام السلمي لتفاعلات الانشطار النووي يمكن أن يؤدي إلى كارثة. يبدو أن تشيرنوبيل علمت البشرية أن تكون حذرة في هذا المجال ، لكن عناصر الكوكب اتضح أنها أقوى: الزلزال في اليابان دمر التحصينات الموثوقة للغاية لمحطة الطاقة النووية في فوكوشيما. طاقة التفاعل النووي أسهل بكثير في الاستخدام للتدمير. يحتاج التقنيون فقط إلى الحد من قوة الانفجار ، حتى لا يدمروا الكوكب بأكمله عن طريق الخطأ. إن أكثر القنابل "إنسانية" ، إذا كان بإمكانك تسميتها ، لا تلوث البيئة المحيطة بالإشعاع. بشكل عام ، غالبًا ما يستخدمون تفاعل تسلسلي غير منضبط. إن ما يسعون إلى تجنبه في محطات الطاقة النووية بكل الوسائل يتحقق في القنابل بطريقة بدائية للغاية. لأي عنصر مشع طبيعي ، هناك بعض الكتلة الحرجة مادة نقيةحيث يبدأ التفاعل المتسلسل من تلقاء نفسه. بالنسبة لليورانيوم ، على سبيل المثال ، يبلغ وزنه خمسين كيلوغرامًا فقط. نظرًا لأن اليورانيوم ثقيل جدًا ، فهو عبارة عن كرة معدنية صغيرة قطرها 12-15 سم. صُنعت أول قنابل ذرية أُلقيت على هيروشيما وناغازاكي وفقًا لهذا المبدأ تمامًا: تم دمج جزأين غير متكافئين من اليورانيوم النقي مما أدى إلى حدوث انفجار مرعب. ربما تكون الأسلحة الحديثة أكثر تطوراً. ومع ذلك ، لا ينبغي لأحد أن ينسى الكتلة الحرجة: يجب أن تكون هناك حواجز بين الأحجام الصغيرة من المواد المشعة النقية أثناء التخزين ، مما يمنع الأجزاء من الاتصال.

مصادر الإشعاع

جميع العناصر ذات الشحنة النووية الأكبر من 82 مشعة. تحتوي جميع العناصر الكيميائية الأخف تقريبًا على نظائر مشعة. النواة أثقل ، أقصر عمرها. لا يمكن الحصول على بعض العناصر (مثل كاليفورنيا) إلا بشكل مصطنع - عن طريق اصطدام الذرات الثقيلة بجزيئات أخف ، غالبًا في المسرعات. لأنها غير مستقرة للغاية ، قشرة الأرضلم تكن موجودة: أثناء تكوين الكوكب ، سرعان ما تفككت إلى عناصر أخرى. يمكن تعدين المواد ذات النوى الأخف مثل اليورانيوم. هذه العملية طويلة ، واليورانيوم المناسب للاستخراج ، حتى في الخامات شديدة الثراء ، يحتوي على أقل من واحد بالمائة. ربما تشير الطريقة الثالثة إلى أن حقبة جيولوجية جديدة قد بدأت بالفعل. هذا هو استخراج العناصر المشعة من النفايات المشعة. بعد إنفاق الوقود في محطة توليد الكهرباء ، على غواصة أو حاملة طائرات ، يتم الحصول على خليط من اليورانيوم الأصلي والمادة النهائية ، نتيجة الانشطار. في الوقت الحالي ، تعتبر هذه نفايات مشعة صلبة وهناك سؤال حاد حول كيفية دفنها حتى لا تتلوث بيئة. ومع ذلك ، فمن المحتمل أن يتم في المستقبل القريب استخراج المواد المشعة المركزة الجاهزة (مثل البولونيوم) من هذه النفايات.

26 نوفمبر 1894. أقيم حفل زفاف القيصر الروسي نيكولاس الثاني والأميرة الألمانية أليس من هيس دارمشتات في سانت بطرسبرغ. بعد الزفاف ، تبنت زوجة الإمبراطور الإيمان الأرثوذكسي وحصلت على اسم ألكسندرا فيودوروفنا.

27 نوفمبر 1967. أقيم العرض الأول لفيلم الإثارة السوفياتي الأول Viy في سينما مير في موسكو. لعب الأدوار الرئيسية كل من ليونيد كورافليف وناتاليا فارلي. تم التصوير في منطقة Ivano-Frankivsk وقرية Sednev في منطقة Chernihiv.

28 نوفمبر 1942 الاتحاد السوفياتيأبرمت اتفاقية مع فرنسا بشأن القتال المشترك ضد ألمانيا النازية في السماء. يتكون سرب الطيران الفرنسي الأول "نورماندي نيمن" من 14 طيارًا و 17 عاملاً تقنيًا.

29 نوفمبر 1812هُزم جيش نابليون أثناء عبوره نهر بيريزينا. فقد نابليون حوالي 35 ألف شخص. وبلغت خسائر القوات الروسية ، بحسب النقش على الجدار الخامس والعشرين من رواق المجد العسكري لكاتدرائية المسيح المخلص ، 4 آلاف جندي. تم أسر ما يقرب من 10000 فرنسي من قبل الجنرال الروسي بيتر فيتجنشتاين.

1 ديسمبر 1877ميكولا ليونتوفيتش ، الملحن الأوكراني ، قائد الكورال ، مؤلف الأغاني دوداريك ، إنهم يحملون القوزاق ، ابنة الأم الصغيرة ، شيشيدريك ، ولدت في قرية ماركوفكا ، منطقة فينيتسا. أجراس ").

1 ديسمبر 1991. تم إجراء استفتاء عموم أوكرانيا حول مسألة استقلال دولة أوكرانيا. انتخب ليونيد كرافتشوك أول رئيس للبلاد.

2 ديسمبر 1942. أجرى الفيزيائي إنريكو فيرمي ، مع مجموعة من العلماء الأمريكيين من جامعة شيكاغو ، تفاعلًا نوويًا محكومًا ، مما أدى إلى تقسيم الذرة لأول مرة.

في 1 ديسمبر 1992 ، تم تسجيل المجال الأوكراني UA في قاعدة البيانات الدولية

بين السابق الجمهوريات السوفيتيةأصبحت أوكرانيا أول دولة تحصل على نطاق وطني على الإنترنت في 1 ديسمبر 1992. تم تسجيل روسيا لاحقًا: ظهر نطاق RU في 7 أبريل 1994. في نفس العام ، تلقت جمهورية بيلاروسيا - BY وأرمينيا - AM وكازاخستان - KZ نطاقاتها. وكان أول مجال وطني في تاريخ الإنترنت هو الولايات المتحدة الأمريكية ، وتم تسجيله في مارس 1985. في الوقت نفسه ، ظهرت مجالات بريطانيا العظمى - المملكة المتحدة وإسرائيل - IL. جعل إنشاء نظام المجال من الممكن أن نفهم على الفور من خلال اسم الموقع الذي يوجد فيه.

في يناير 1993 ، في مؤتمر متخصصي الإنترنت الأوكرانيين في قرية Slavske ، منطقة Lviv ، تم اقتراح 27 مجالًا ، تم إنشاؤها وفقًا لمبدأ جغرافي ، تم اختياره بواسطة رمز ترقيم الهاتف. حصلت المدن والشركات الأوكرانية على فرصة إنشاء مواقع الويب الخاصة بها على الإنترنت ، على سبيل المثال ، kiev.ua ، crimea.ua ، dnepropetrovsk.ua. لا يزال الأفراد يؤدون جميع مسؤوليات إدارتهم على أساس طوعي. في بعض المجالات العامة ، تم الحفاظ على هذه الممارسة حتى يومنا هذا. الآن لكل مجال وطني أو جغرافي مسؤول خاص به - شركة أو فرد يحدد قواعد التسجيل. بمرور الوقت ، أنتجت الإنترنت نسختها الخاصة من اللغة. اسم المجال الذي ينتهي بالاختصار COM ، NET ، EDU يعني اختصار لمفهوم عام. على سبيل المثال ، COM - تجاري ، NET - شبكة ، EDU - تعليمي. في بلدنا ، النطاق الأكثر شيوعًا هو COM. في ربيع عام 2001 ، من أجل استعادة النظام ، تم أخيرًا إنشاء كيان قانوني ، Hostmaster LLC ، والذي تضمن مسؤولي UA والمجالات الأوكرانية الأخرى. قام الأفراد ، المالكين السابقين لنطاق UA الأوكراني ، بنقل جزء من صلاحياتهم رسميًا إلى Hostmaster.

الآن يمكن للجميع إنشاء موقع الويب الخاص بهم والحصول على المجال. انتهت بالفعل المرحلة الأولى ، التي يمكن فيها لأصحاب العلامات التجارية فقط تسجيل المجالات في منطقة UA. منذ عام 2010 ، أصبح تسجيل المجال مجانيًا لمدة عشر سنوات متاحًا لأي شخص ، وسعر استخدام النطاق لمدة عام واحد هو 90 هريفنيا. بالمناسبة ، كاتب الإنترنت والفيلسوف و شخصية عامةالقرن التاسع عشر فلاديمير أودوفسكي. كتب أودوفسكي في رواية عام 4338 المنشورة عام 1837: يتم ترتيب البرقيات المغناطيسية بين المنازل المألوفة ، والتي من خلالها يتواصل الأشخاص الذين يعيشون على مسافة مع بعضهم البعض.". الآن ، من خلال فتح موقع على الإنترنت ، دون مغادرة المنزل ، يمكن لكل منا شراء تذكرة طيران وقطارات ، وإجراء عمليات شراء في سوبر ماركت للإلكترونيات ، ونشر أعمالنا بدون وسطاء ، وحتى العثور على شريك حياة على موقع مواعدة. بالكاد يستطيع الأطفال في العشرين من العمر تخيل حقبة ذهبوا فيها إلى المكتبة للحصول على الكتب ، وكانت الرسائل مكتوبة بخط اليد ، ولم يتم تعلم الأخبار إلا من البرامج التلفزيونية أو المطبوعات.

6. عالم الجسيمات دون الذرية

انقسام الذرة

غالبًا ما يقال أن هناك نوعين من العلوم - العلوم الكبيرة والصغيرة. انقسام الذرة علم كبير. لديها مرافق تجريبية عملاقة ، وميزانيات ضخمة ، وتحصل على نصيب الأسد من جوائز نوبل.

لماذا احتاج الفيزيائيون إلى شطر الذرة؟ الجواب البسيط - لفهم كيفية عمل الذرة - يحتوي فقط على جزء بسيط من الحقيقة ، ولكن هناك أيضًا سبب أكثر عمومية. إن الحديث حرفيًا عن انقسام الذرة ليس صحيحًا تمامًا. حقيقة نحن نتكلمعلى اصطدام الجسيمات عالية الطاقة. في تصادم الجسيمات دون الذرية التي تتحرك بسرعات عالية ، يولد عالم جديد من التفاعلات والحقول. شظايا من مادة تحمل طاقة هائلة ، متناثرة بعد الاصطدامات ، تخفي أسرار الطبيعة ، التي ظلت من "خلق العالم" مدفونة في أحشاء الذرة.

المنشآت التي تتم فيها تصادمات الجسيمات عالية الطاقة - مسرعات الجسيمات - تدهش بحجمها وتكلفتها. يصل طولها إلى عدة كيلومترات ، وبالمقارنة معها ، تبدو المعامل التي تدرس فيها اصطدامات الجسيمات صغيرة جدًا. في مناطق أخرى بحث علميتوجد المعدات في المختبر ؛ في فيزياء الطاقة العالية ، يتم إرفاق المختبرات بالمسرع. في الآونة الأخيرة ، خصص المركز الأوروبي للأبحاث النووية (CERN) ، الواقع بالقرب من جنيف ، عدة مئات من الملايين من الدولارات لبناء معجل دائري. يصل محيط النفق الجاري إنشاؤه لهذا الغرض إلى 27 كم. المسرع ، المسمى LEP (حلقة كبيرة من الإلكترون والبوزيترون - حلقة كبيرة من الإلكترون والبوزيترون) ، مصمم لتسريع الإلكترونات وجسيماتها المضادة (البوزيترونات) إلى سرعات لا تبعد سوى عرض الشعرة عن سرعة الضوء. للحصول على فكرة عن مقياس الطاقة ، تخيل أنه بدلاً من الإلكترونات ، يتم تسريع عملة معدنية إلى مثل هذه السرعات. في نهاية دورة التسارع ، سيكون لديها طاقة كافية لتوليد ما قيمته 1،000 مليون دولار من الكهرباء! ليس من المستغرب أن تصنف مثل هذه التجارب عادة على أنها فيزياء "عالية الطاقة". تتحرك شعاعي الإلكترونات والبوزيترونات تجاه بعضها البعض داخل الحلقة ، وتختبر تصادمات وجهاً لوجه ، حيث تفنى الإلكترونات والبوزيترونات ، وتطلق طاقة كافية لتكوين العشرات من الجسيمات الأخرى.

ما هذه الجسيمات؟ بعضها عبارة عن "لبنات" بنينا منها: البروتونات والنيوترونات التي تشكل نوى الذرة ، والإلكترونات التي تدور حول النوى. عادة لا توجد جسيمات أخرى في المادة من حولنا: عمرها قصير للغاية ، وبعد انتهاء صلاحيتها ، تتحلل إلى جسيمات عادية. عدد أنواع هذه الجسيمات غير المستقرة قصيرة العمر مذهل: مئات منها معروفة بالفعل. مثل النجوم ، الجسيمات غير المستقرة كثيرة جدًا بحيث لا يمكن تمييزها "بالاسم". تتم الإشارة إلى العديد منهم بالأحرف اليونانية فقط ، والبعض الآخر مجرد أرقام.

من المهم أن تضع في اعتبارك أن كل هذه الجسيمات غير المستقرة العديدة والمتنوعة ليست بأي حال من الأحوال بالمعنى الحرفي الأجزاء المكونةالبروتونات أو النيوترونات أو الإلكترونات. لا تتشتت الإلكترونات والبوزيترونات المتصادمة عالية الطاقة على الإطلاق في العديد من الشظايا دون الذرية. حتى في تصادم البروتونات عالية الطاقة ، والتي تتكون من كائنات أخرى (كواركات) ، فإنها ، كقاعدة عامة ، لا تنقسم إلى أجزاء مكونة بالمعنى المعتاد. ما يحدث في مثل هذه الاصطدامات يُنظر إليه بشكل أفضل على أنه إنتاج مباشر لجسيمات جديدة من طاقة الاصطدام.

منذ حوالي عشرين عامًا ، كان الفيزيائيون مذهولين تمامًا من وفرة وتنوع الجسيمات دون الذرية الجديدة ، والتي بدت وكأنها بلا نهاية. كان من المستحيل أن نفهم لماذا؟الكثير من الجسيمات. ربما تكون الجسيمات الأولية مثل سكان حديقة الحيوان مع انتمائهم الضمني إلى العائلات ، ولكن بدون أي تصنيف واضح. أو ربما ، كما يعتقد بعض المتفائلين ، الجسيمات الأولية هي مفتاح الكون؟ ما هي الجسيمات التي لاحظها الفيزيائيون: شظايا غير مهمة وعشوائية من المادة أو الخطوط العريضة لنظام مدرك بشكل غامض يظهر أمام أعيننا ، مما يشير إلى وجود بنية غنية ومعقدة للعالم دون النووي؟ اليوم لا شك في وجود مثل هذا الهيكل. العالم المصغر له ترتيب عميق ومنطقي ، ونبدأ في فهم معنى كل هذه الجسيمات.

تم اتخاذ الخطوة الأولى نحو فهم العالم المصغر نتيجة لتنظيم جميع الجسيمات المعروفة ، تمامًا كما حدث في القرن الثامن عشر. قام علماء الأحياء بتجميع كتالوجات مفصلة للأنواع النباتية والحيوانية. أهم خصائص الجسيمات دون الذرية هي الكتلة والشحنة الكهربائية والدوران.

نظرًا لأن الكتلة والوزن مرتبطان ، غالبًا ما يشار إلى الجسيمات ذات الكتلة الكبيرة على أنها "ثقيلة". علاقة اينشتاين E \ u003d mc ^ 2 يشير إلى أن كتلة الجسيم تعتمد على طاقته وبالتالي على سرعته. الجسيم المتحرك أثقل من الجسيم في حالة السكون. عندما يتحدث الناس عن كتلة الجسيم ، فإنهم يقصدونها. الراحة،لأن هذه الكتلة مستقلة عن حالة الحركة. يتحرك جسيم بدون كتلة سكون بسرعة الضوء. أوضح مثال على جسيم بدون كتلة سكون هو الفوتون. يُعتقد أن الإلكترون هو أخف الجسيمات مع كتلة راحة غير صفرية. يبلغ وزن البروتون والنيوترون حوالي 2000 مرة أثقل ، بينما تبلغ كتلة أثقل جسيم تم إنشاؤه في المختبر (جسيمات Z) حوالي 200000 ضعف كتلة الإلكترون.

تختلف الشحنة الكهربائية للجسيمات في نطاق ضيق نوعًا ما ، ولكن كما أشرنا ، فهي دائمًا مضاعف للوحدة الأساسية للشحنة. بعض الجسيمات ، مثل الفوتونات والنيوترينوات ، ليس لها شحنة كهربائية. إذا تم أخذ شحنة بروتون موجب الشحنة على أنها +1 ، فإن شحنة الإلكترون هي -1.

بوصة. 2 لقد أدخلنا خاصية جسيمية أخرى - الدوران. كما أنه يأخذ دائمًا قيمًا تعد من مضاعفات بعض الوحدات الأساسية ، والتي يتم اختيارها لتكون 1 لأسباب تاريخية /2. وهكذا ، فإن البروتون والنيوترون والإلكترون لها دوران 1/2, ودوران الفوتون هو 1. الجسيمات ذات الدوران 0 و 3/2 و 2 معروفة أيضًا ، ولم يتم العثور على الجسيمات الأساسية ذات السبين الأكبر من 2 ، ويعتقد المنظرون أن الجسيمات التي تحتوي على مثل هذه الدورات غير موجودة.

يُعد دوران الجسيم خاصية مهمة ، ووفقًا لقيمته ، تنقسم جميع الجسيمات إلى فئتين. تسمى الجسيمات ذات السبينات 0 و 1 و 2 "البوزونات" - تكريما للفيزيائي الهندي شاتيندراناث بوز ، والجسيمات ذات الدوران نصف الصحيح (أي مع الدوران 1/2 أو 3/2 - "الفرميونات" تكريما لإنريكو فيرمي. ربما يكون الانتماء إلى إحدى هاتين الفئتين هو الأهم في قائمة خصائص الجسيمات.

السمة المهمة الأخرى للجسيم هي عمره. حتى وقت قريب كان يعتقد أن الإلكترونات والبروتونات والفوتونات والنيوترينوات مستقرة تمامًا ، أي لها عمر لانهائي. يظل النيوترون مستقرًا طالما أنه "مغلق" في النواة ، لكن النيوترون الحر يتحلل في حوالي 15 دقيقة. جميع الجسيمات المعروفة الأخرى غير مستقرة للغاية ، وتتراوح أعمارها من بضعة ميكروثانية إلى 10-23 ثانية. تبدو هذه الفترات الزمنية صغيرة بشكل غير مفهوم ، ولكن لا ينبغي أن ننسى أن الجسيم الذي يطير بسرعة قريبة من سرعة الضوء (ومعظم الجسيمات المنتجة في المسرعات تتحرك بهذه السرعة بالضبط) تمكن من الطيران لمسافة 300 متر في ميكروثانية.

تخضع الجسيمات غير المستقرة للاضمحلال ، وهي عملية كمومية ، وبالتالي يوجد دائمًا عنصر عدم القدرة على التنبؤ في الاضمحلال. لا يمكن التنبؤ بعمر جسيم معين مسبقًا. بناءً على الاعتبارات الإحصائية ، يمكن فقط توقع متوسط ​​العمر. عادة ما يتحدث المرء عن عمر النصف للجسيم ، وهو الوقت الذي يستغرقه عدد السكان من الجسيمات المتطابقة إلى النصف. توضح التجربة أن الانخفاض في عدد السكان يحدث بشكل أسي (انظر الشكل 6) وأن نصف العمر هو 0.693 من متوسط ​​العمر.

لا يكفي أن يعرف الفيزيائيون بوجود هذا الجسيم أو ذاك - فهم يسعون جاهدين لفهم دوره. تعتمد إجابة هذا السؤال على خصائص الجسيمات المذكورة أعلاه ، وكذلك على طبيعة القوى المؤثرة على الجسيم من الخارج والداخل. بادئ ذي بدء ، يتم تحديد خصائص الجسيم من خلال قدرته (أو عدم قدرته) على المشاركة في تفاعل قوي. تشكل الجسيمات المشاركة في التفاعل القوي فئة خاصة وتسمى أندرونس.تسمى الجسيمات التي تشارك في التفاعل الضعيف ولا تشارك في التفاعل القوي اللبتوناتوهو ما يعني "الرئتين". دعونا نلقي نظرة سريعة على كل من هذه العائلات.

لبتونات

أشهر اللبتونات هو الإلكترون. مثل كل اللبتونات ، يبدو أنه كائن نقطة أولية. بقدر ما هو معروف ، فإن الإلكترون ليس له هيكل داخلي ؛ لا تتكون من أي جسيمات أخرى. على الرغم من أن اللبتونات قد تحتوي أو لا تحتوي على شحنة كهربائية ، إلا أنها جميعًا لها نفس الدوران 1/2, ومن ثم فهي الفرميونات.

وهناك لبتون آخر معروف ، ولكن بدون شحن ، وهو النيوترينو. كما سبق ذكره في الفصل. 2 ، النيوترينوات بعيدة المنال ، مثل الأشباح. نظرًا لأن النيوترينوات لا تشارك في أي تفاعلات قوية أو كهرومغناطيسية ، فإنها تتجاهل المادة تمامًا تقريبًا وتخترقها كما لو لم تكن موجودة على الإطلاق. جعلت قوة الاختراق العالية للنيوترينوات لفترة طويلة من الصعب للغاية تأكيد وجودها تجريبياً. لم يتم اكتشاف النيوترينو إلا بعد ثلاثة عقود تقريبًا من توقع اكتشاف النيوترينو في المختبر. كان على الفيزيائيين انتظار إنشاء مفاعلات نووية ، يتم خلالها إطلاق كمية هائلة من النيوترينوات ، وعندها فقط كان من الممكن تسجيل تصادم مباشر لجسيم واحد مع النواة ، وبالتالي إثبات وجوده بالفعل. اليوم ، من الممكن إجراء المزيد من التجارب على حزم النيوترينو ، والتي تنشأ أثناء تحلل الجسيمات في المسرع ولها الخصائص المطلوبة. الغالبية العظمى من النيوترينوات "تتجاهل" الهدف ، ولكن من وقت لآخر لا تزال النيوترينوات تتفاعل مع الهدف ، مما يجعل من الممكن الحصول على معلومات مفيدة حول بنية الجسيمات الأخرى وطبيعة التفاعل الضعيف. بالطبع ، لا تتطلب التجارب على النيوترينوات ، على عكس التجارب مع الجسيمات دون الذرية الأخرى ، استخدام حماية خاصة. إن قوة الاختراق للنيوترينوات كبيرة جدًا لدرجة أنها غير ضارة تمامًا وتمر عبر جسم الإنسان دون أن تسبب له أدنى ضرر.

على الرغم من عدم ملامستها للنيوترينوات ، فإنها تحتل مكانة خاصة بين الجسيمات المعروفة الأخرى لأنها أكثر الجسيمات وفرة في الكون ، وتفوق عدد الإلكترونات والبروتونات بمليار مرة. الكون هو في الأساس بحر من النيوترينوات ، حيث توجد أحيانًا شوائب على شكل ذرات. بل إنه من الممكن أن تتجاوز الكتلة الكلية للنيوترينوات الكتلة الكلية للنجوم ، وبالتالي فإن النيوترينوات هي التي تقدم المساهمة الرئيسية في الجاذبية الكونية. وفقًا لمجموعة من الباحثين السوفييت ، يمتلك النيوترينو كتلة راحة صغيرة ، ولكن ليست صفرًا (أقل من واحد على عشرة آلاف من كتلة الإلكترون) ؛ إذا كان هذا صحيحًا ، فإن نيوترينوات الجاذبية تهيمن على الكون ، مما قد يتسبب في انهياره في المستقبل. لذا ، فإن النيوترينوات ، للوهلة الأولى ، أكثر الجسيمات "غير الضارة" وغير المادية ، قادرة على التسبب في انهيار الكون بأسره.

وتشمل اللبتونات الأخرى الميون ، الذي اكتشف عام 1936 في نواتج تفاعل الأشعة الكونية. اتضح أنها واحدة من أولى الجسيمات دون الذرية المعروفة غير المستقرة. من جميع النواحي ، باستثناء الاستقرار ، يشبه الميون الإلكترون: له نفس الشحنة واللف ، ويشارك في نفس التفاعلات ، ولكن لديه كتلة أكبر. في حوالي مليوني ثانية ، يتحلل الميون إلى إلكترون واثنين من النيوترينوات. تتوزع الميونات في الطبيعة على نطاق واسع ، فهي تمثل جزءًا مهمًا من الإشعاع الكوني الخلفي ، والذي يتم تسجيله على سطح الأرض بواسطة عداد جيجر.

لسنوات عديدة ، كان الإلكترون والميون اللبتونات المشحونة الوحيدة المعروفة. ثم ، في أواخر السبعينيات ، تم اكتشاف ليبتون ثالث مشحون يسمى "تاو ليبتون". مع كتلة تبلغ حوالي 3500 إلكترون كتلة ، من الواضح أن تاو ليبتون "وزن ثقيل" في ثلاثي اللبتونات المشحونة ، ولكن في جميع النواحي الأخرى يتصرف مثل الإلكترون والميون.

هذه القائمة من اللبتونات المعروفة ليست مستنفدة بأي حال من الأحوال. في الستينيات ، ثبت أن هناك عدة أنواع من النيوترينوات. يولد نوع واحد من النيوترينو مع إلكترون أثناء تحلل النيوترون ، ونيوترينو من نوع آخر - أثناء ولادة الميون. يقترن كل نوع من النيوترينو بلبتون مشحون خاص به ؛ ومن ثم ، هناك "إلكترون نيوترينو" و "ميون نيوترينو". في جميع الاحتمالات ، يجب أن يكون هناك أيضًا نيوترينو من النوع الثالث ، والذي يصاحب ولادة تاو ليبتون. في هذه الحالة ، العدد الإجمالي لأصناف النيوترينو هو ثلاثة ، والعدد الإجمالي للبتونات هو ستة (الجدول 1). بالطبع ، لكل ليبتون جسيم مضاد خاص به ؛ وبالتالي فإن العدد الإجمالي للبتونات المميزة هو اثني عشر.

الجدول 1

تتوافق ستة لبتونات مع تعديلات مشحونة ومحايدة (لم يتم تضمين الجسيمات المضادة في الجدول). يتم التعبير عن الكتلة والشحنة بوحدات كتلة وشحنة الإلكترون ، على التوالي. هناك دليل على أن النيوترينوات يمكن أن يكون لها كتلة صغيرة

الهادرونات

على عكس حفنة من لبتونات الهادرون المعروفة ، هناك المئات حرفياً. يشير هذا وحده إلى أن الهادرونات ليست جسيمات أولية ، لكنها مبنية من مكونات أصغر. تشارك جميع الهادرونات في التفاعلات القوية والضعيفة والجاذبية ، ولكنها تحدث في نوعين - مشحون كهربائيًا ومحايد. من بين الهادرونات ، النيوترون والبروتون هما الأكثر شهرة وانتشارًا. أما الهادرونات المتبقية فهي قصيرة العمر وتتحلل إما في أقل من جزء من المليون من الثانية بسبب التفاعل الضعيف ، أو أسرع بكثير (في حدود 10-23 ثانية) بسبب التفاعل القوي.

في الخمسينيات من القرن الماضي ، كان الفيزيائيون في حيرة شديدة من كثرة وتنوع الهادرونات. لكن شيئًا فشيئًا ، تم تصنيف الجسيمات وفقًا لثلاث خصائص مهمة: الكتلة والشحنة والدوران. تدريجيا ، بدأت علامات النظام في الظهور وبدأت صورة واضحة في الظهور. كانت هناك تلميحات إلى أن التماثلات كانت مخفية وراء الفوضى الظاهرة في البيانات. تم اتخاذ خطوة حاسمة في كشف لغز الهادرونات في عام 1963 ، عندما اقترح موراي جيل مان وجورج زويج من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا نظرية الكواركات.

الشكل 10 الهدرونات مبنية من الكواركات. يتكون البروتون (في الأعلى) من كواركين يو وواحد دي كوارك. البيون الأخف (أسفل) هو ميزون يتكون من كوارك يو واحد وواحد دي كوارك مضاد. الهادرونات الأخرى هي جميع أنواع تركيبات الكواركات.

الفكرة الأساسية لهذه النظرية بسيطة للغاية. كل الهادرونات مبنية من جسيمات أصغر تسمى الكواركات. يمكن للكواركات أن تترابط مع بعضها بإحدى طريقتين. الطرق الممكنة: إما في ثلاثة توائم أو أزواج كوارك - مضاد كوارك. تتكون الجسيمات الثقيلة نسبيًا من ثلاثة كواركات - باريوناتوهو ما يعني "الجسيمات الثقيلة". أشهر الباريونات هي النيوترون والبروتون. تشكل أزواج الكوارك والكوارك المضادة الكوارك الأخف جسيمات تسمى الميزونات -"الجسيمات الوسيطة". يفسر اختيار مثل هذا الاسم بحقيقة أن الميزونات المكتشفة الأولى احتلت موقعًا وسيطًا في الكتلة بين الإلكترونات والبروتونات. لحساب جميع الهادرونات المعروفة آنذاك ، قدم جيل مان وزويج ثلاثة أنواع مختلفة ("نكهات") من الكواركات ، والتي تلقت أسماء غريبة نوعًا ما: و(من عند فوق-العلوي) ، د(من عند تحت-أقل) و ق (من غريب- غريب). بافتراض إمكانية وجود مجموعات مختلفة من النكهات ، يمكن تفسير وجود عدد كبير من الهادرونات. على سبيل المثال ، يتكون البروتون من اثنين و-وواحد د-كوارك (الشكل 10) ، ويتكون النيوترون من كواركين د وواحد يو كوارك.

لكي تكون النظرية التي اقترحها Gell-Mann و Zweig صحيحة ، من الضروري افتراض أن الكواركات تحمل شحنة كهربائية جزئية. بمعنى آخر ، لديهم شحنة قيمتها إما 1/3 أو 2/3 من الوحدة الأساسية - شحنة الإلكترون. يمكن أن يكون لمزيج من كواركين وثلاثة كواركات شحنة إجمالية تساوي صفرًا أو واحدًا. كل الكواركات لها دوران 1/2. لذلك هم الفرميونات. لم يتم تحديد كتل الكواركات بدقة مثل كتل الجسيمات الأخرى ، حيث أن طاقتها الرابطة في الهادرون يمكن مقارنتها مع كتل الكواركات نفسها. ومع ذلك ، من المعروف أن الكوارك s أثقل و-ود الكواركات.

يمكن أن تكون الكواركات داخل الهادرونات في حالات مثارة ، تشبه في كثير من النواحي الحالات المثارة للذرة ، ولكن مع طاقات أعلى بكثير. تزيد الطاقة الزائدة الموجودة في الهادرونات المُثارة من كتلتها لدرجة أنه قبل إنشاء نظرية الكواركات ، أخذ الفيزيائيون بالخطأ الهادرونات المُثارة لجسيمات مختلفة تمامًا. لقد ثبت الآن أن العديد من الهادرونات التي تبدو مختلفة هي في الواقع حالات مثارة فقط لنفس المجموعة الأساسية من الكواركات.

كما سبق ذكره في الفصل. 5 ، الكواركات مرتبطة ببعضها البعض عن طريق تفاعل قوي. لكنهم يشاركون أيضًا في تفاعلات ضعيفة. يمكن للقوة الضعيفة أن تغير نكهة الكوارك. هذه هي الطريقة التي يحدث بها اضمحلال النيوترونات. يتحول أحد الكواركات d في النيوترون إلى كوارك u ، والشحنة الزائدة تحمل الإلكترون الذي يولد في نفس الوقت. وبالمثل ، من خلال تغيير النكهة ، يؤدي التفاعل الضعيف إلى اضمحلال الهادرونات الأخرى.

إن وجود الكواركات s ضروري لبناء ما يسمى بالجسيمات "الغريبة" - الهادرونات الثقيلة ، المكتشفة في أوائل الخمسينيات من القرن الماضي. كان السلوك غير المعتاد لهذه الجسيمات ، الذي دفع إلى تسميتها ، هو أنها لا يمكن أن تتحلل بسبب التفاعل القوي ، على الرغم من أن كلا من الجسيمات نفسها ونواتج الاضمحلال الخاصة بها كانت هادرونات. تحير الفيزيائيون بشأن السبب في أنه إذا كانت جسيمات الأم والابنة تنتمي إلى عائلة الهادرونات ، فإن القوة القوية لا تتسبب في تحللها. لسبب ما ، "فضلت" هذه الهادرونات التفاعل الضعيف الأقل شدة. لماذا ا؟ حلّت نظرية الكواركات هذا اللغز بشكل طبيعي. لا تستطيع القوة الشديدة تغيير نكهة الكواركات - فقط القوة الضعيفة يمكنها ذلك. وبدون تغيير في النكهة مصحوبًا بتحول s-quark إلى و-أو د-كوارك ، الاضمحلال مستحيل.

في الجدول. يوضح الشكل 2 التوليفات المختلفة الممكنة للكواركات ثلاثية النكهة وأسمائها (عادةً ما تكون مجرد حرف يوناني). لا يتم عرض العديد من الدول المتحمسة. حقيقة أن جميع الهادرونات المعروفة يمكن الحصول عليها من مجموعات مختلفة من الجسيمات الأساسية الثلاثة ترمز إلى الانتصار الرئيسي لنظرية الكواركات. ولكن على الرغم من هذا النجاح ، فقد تم الحصول على دليل مادي مباشر على وجود الكواركات بعد سنوات قليلة فقط.

تم الحصول على هذه الأدلة في عام 1969 في سلسلة من التجارب التاريخية التي أجريت على معجل خطي كبير في ستانفورد (كاليفورنيا ، الولايات المتحدة الأمريكية) - SLAC. استنتج المجربون في جامعة ستانفورد ببساطة. إذا كان هناك بالفعل كواركات في البروتون ، فيمكن ملاحظة التصادم مع هذه الجسيمات داخل البروتون. كل ما نحتاجه هو "قذيفة" دون نووية يمكن توجيهها مباشرة إلى أحشاء البروتون. لا جدوى من استخدام هادرون آخر لهذا الغرض ، حيث أن له نفس أبعاد البروتون. يمكن أن يكون المقذوف المثالي هو ليبتون ، مثل الإلكترون. بما أن الإلكترون لا يشارك في التفاعل القوي ، فلن "يعلق" في الوسط الذي تتشكل فيه الكواركات. في الوقت نفسه ، يمكن للإلكترون أن يشعر بوجود الكواركات بسبب وجودها الشحنة الكهربائية.

الجدول 2

تتطابق النكهات الثلاث للكواركات ، u ، d ، و s مع الشحنات +2/3 و -1/3 و -1/3 ؛ تتحد في ثلاثات لتشكل الباريونات الثمانية الموضحة في الجدول. تشكل أزواج الكوارك والكوارك المضادة ميزونات. (تم حذف بعض التركيبات مثل sss.)

في تجربة ستانفورد ، كان المسرع الذي يبلغ طوله ثلاثة كيلومترات بمثابة "مجهر" إلكتروني عملاق جعل من الممكن تصوير الجزء الداخلي من البروتون. يسمح المجهر الإلكتروني التقليدي بتمييز التفاصيل التي يقل حجمها عن جزء من المليون من السنتيمتر. من ناحية أخرى ، فإن البروتون أصغر بعشرات الملايين من المرات ، ولا يمكن "فحصه" إلا بواسطة إلكترونات متسارعة إلى طاقة تبلغ 2.1010 فولت. في وقت تجارب ستانفورد ، التزم القليل من الفيزيائيين بالنظرية المبسطة للكواركات. توقع معظم العلماء أن تنحرف الإلكترونات عن الشحنات الكهربائية للبروتونات ، ولكن كان من المفترض أن الشحنة موزعة بالتساوي داخل البروتون. إذا كان هذا صحيحًا ، فسيحدث تشتت ضعيف للإلكترونات بشكل أساسي ، أي عند المرور عبر البروتونات ، لن تتعرض الإلكترونات لانحرافات قوية. أظهرت التجربة أن نمط التشتت يختلف بشكل حاد عن النمط المتوقع. حدث كل شيء كما لو أن بعض الإلكترونات كانت تضرب شوائب صلبة صغيرة وترتد عنها في أكثر الزوايا روعة. نحن نعلم الآن أن الكواركات عبارة عن شوائب صلبة داخل البروتونات.

في عام 1974 ، تلقت نسخة مبسطة من نظرية الكواركات ، والتي حظيت في ذلك الوقت بالاعتراف بين المنظرين ، ضربة حساسة. في غضون أيام قليلة ، أعلنت مجموعتان من الفيزيائيين الأمريكيين - واحدة في ستانفورد بقيادة بيرتون ريختر ، والأخرى في مختبر بروكهافن الوطني بقيادة صمويل تينغ - بشكل مستقل عن اكتشاف هادرون جديد ، والذي أطلق عليه اسم جسيم psi. في حد ذاته ، فإن اكتشاف هادرون جديد لا يمكن أن يكون جديرًا بالملاحظة بشكل خاص ، إن لم يكن لظرف واحد: الحقيقة هي أنه في المخطط الذي اقترحته نظرية الكواركات ، لم يكن هناك مكان لجسيم جديد واحد. تم بالفعل "استنفاد" كل التوليفات الممكنة من الكواركات u و d و s وكواركاتها المضادة. مما يتكون جسيم psi؟

تم حل المشكلة من خلال التحول إلى فكرة كانت موجودة في الهواء لبعض الوقت: يجب أن يكون هناك عطر رابع لم يره أحد من قبل. العطر الجديد كان له بالفعل اسمه الخاص - سحر (سحر) ، أو ج. تم اقتراح أن جسيم psi عبارة عن ميزون يتكون من كوارك c و c-antiquark (c) ، أي نسخة. نظرًا لأن الكواركات المضادة هي حاملة للورم المضاد ، فإن سحر جسيم psi يتم تحييده ، وبالتالي فإن التأكيد التجريبي لوجود نكهة جديدة (سحر) كان يجب أن ينتظر حتى يصبح من الممكن اكتشاف الميزونات ، حيث تم إقران الكواركات الساحرة مع مضادات الكواركامب من النكهات الأخرى. سلسلة كاملة من الجسيمات المسحورة معروفة الآن. جميعها ثقيلة جدًا ، لذا فإن كوارك السحر أثقل من الكوارك الغريب.

تكررت الحالة الموصوفة أعلاه في عام 1977 ، عندما دخل ما يسمى بميزون إبسيلون (UPSILON) إلى المشهد. هذه المرة ، وبدون تردد ، تم تقديم النكهة الخامسة ، والتي تسمى ب-كوارك (من أسفل إلى أسفل ، وفي كثير من الأحيان الجمال - الجمال ، أو السحر). إن ميزون إبسيلون هو زوج كوارك-كوارك مضاد مكون من كواركات b وبالتالي له جمال خفي. ولكن ، كما في الحالة السابقة ، أتاحت مجموعة مختلفة من الكواركات أخيرًا اكتشاف "الجمال".

يمكن الحكم على الكتل النسبية للكواركات على الأقل من حقيقة أن أخف الميزونات ، وهو البيون ، يتكون من أزواج. و-والكواركات د مع الكواركات المضادة. الميزون psi حوالي 27 مرة ، وميزون إبسيلون أثقل 75 مرة على الأقل من الرواد.

حدث التوسع التدريجي في قائمة النكهات المعروفة بالتوازي مع زيادة عدد اللبتونات ؛ لذلك نشأ السؤال الواضح عما إذا كانت هناك نهاية. تم إدخال الكواركات من أجل تبسيط وصف مجموعة الهادرونات الكاملة ، ولكن حتى الآن هناك شعور بأن قائمة الجسيمات تنمو مرة أخرى بسرعة كبيرة.

منذ زمن ديموقريطس ، كانت الفكرة الأساسية للنزعة الذرية هي الاعتراف بأنه ، على نطاق صغير بما فيه الكفاية ، يجب أن توجد جسيمات أولية حقًا ، والتي تشكل مجموعاتها المادة من حولنا. الذرات جذابة لأن الجسيمات الأساسية غير القابلة للتجزئة (حسب التعريف) يجب أن توجد في عدد محدود للغاية. تنوع الطبيعة مستحق عدد كبيرلا الأجزاء المكونة ، ولكن مجموعاتها. عندما تم اكتشاف وجود العديد من النوى الذرية المختلفة ، لم يكن هناك أمل في أن ما نسميه اليوم الذرات يتوافق مع الفكرة اليونانية القديمة عن الجسيمات الأوليةآه المواد. وعلى الرغم من أننا نواصل الحديث عن "عناصر" كيميائية مختلفة ، فمن المعروف أن الذرات ليست أولية على الإطلاق ، ولكنها تتكون من البروتونات والنيوترونات والإلكترونات. وبمجرد أن يتضح أن عدد الكواركات كبير جدًا ، هناك إغراء لافتراض أنها أيضًا أنظمة معقدة تتكون من جسيمات أصغر.

على الرغم من وجود بعض الاستياء من مخطط الكواركات لهذا السبب ، فإن معظم الفيزيائيين يعتبرون الكواركات جسيمات أولية حقًا - شبيهة بالنقطة وغير قابلة للتجزئة وبدون بنية داخلية. في هذا الصدد ، فهي تشبه الببتون ، وقد اقترح منذ فترة طويلة أنه يجب أن تكون هناك علاقة عميقة بين هاتين العائلتين المتميزتين ولكنهما متشابهتين من الناحية الهيكلية. تنشأ أسس وجهة النظر هذه من مقارنة خصائص اللبتونات والكواركات (الجدول 3). يمكن تجميع اللبتونات في أزواج بربط كل لبتون مشحون بالنيوترينو المقابل. يمكن أيضًا تجميع الكواركات في أزواج. فاتورة غير مدفوعة. تم تصميم 3 بحيث تكرر كل خلية الهيكل الموجود أمامها مباشرة. على سبيل المثال ، في الخلية الثانية ، يتم تمثيل الميون على أنه "إلكترون ثقيل" ، ويتم تمثيل السحر والكواركات الغريبة كمتغيرات ثقيلة. و-ود الكواركات. من الخلية التالية ، يمكنك أن ترى أن tau lepton هو "إلكترون" أثقل ، وأن b كوارك هو نسخة ثقيلة من d كوارك. من أجل تشبيه كامل ، يوجد نيوترينو آخر (تاو ليبتون) ونكهة سادسة من الكواركات ، والتي تلقت بالفعل اسم صحيح (الحقيقة ، ر).في وقت كتابة هذا الكتاب ، لم يكن الدليل التجريبي لوجود t كواركات مقنعًا بما فيه الكفاية ، وشكك بعض الفيزيائيين في وجود t كواركات.

الجدول 3

يقترن اللبتونات والكواركات بشكل طبيعي. كما هو مبين في الجدول. يتكون العالم من حولنا من الجسيمات الأربعة الأولى. لكن المجموعات التالية ، على ما يبدو ، تكرر المجموعة العلوية وتتكون ، في تاج النيوترينو ، من جسيمات غير مستقرة للغاية.

هل يمكن أن يكون هناك رابع ، خامس ، إلخ. أبخرة تحتوي حتى على جسيمات أثقل؟ إذا كان الأمر كذلك ، فمن المحتمل أن يمنح الجيل التالي من المسرعات الفيزيائيين القدرة على اكتشاف مثل هذه الجسيمات. ومع ذلك ، يتم التعبير عن اعتبار غريب ، والذي ينتج عنه عدم وجود أزواج أخرى ، باستثناء الثلاثة المذكورين. يعتمد هذا الاعتبار على عدد أنواع النيوترينو. سنتعلم قريبًا أنه في لحظة الانفجار العظيم ، الذي شهد ظهور الكون ، كان هناك ولادة مكثفة للنيوترينوات. نوع من الديمقراطية يضمن لكل نوع من الجزيئات نفس الحصة من الطاقة مثل باقي الجسيمات ؛ لذلك ، كلما زادت أنواع النيوترينوات المختلفة ، زادت الطاقة المحتواة في بحر النيوترينوات التي تملأ الفضاء الخارجي. تظهر الحسابات أنه إذا كان هناك أكثر من ثلاثة أنواع من النيوترينوات ، فإن الجاذبية التي خلقتها جميعها سيكون لها تأثير مزعج قوي على العمليات النووية التي حدثت في الدقائق القليلة الأولى من حياة الكون. لذلك ، من هذه الاعتبارات غير المباشرة يتبع استنتاج معقول للغاية مفاده أن الأزواج الثلاثة الموضحة في الجدول. 3 ، تم استنفاد جميع الكواركات واللبتونات الموجودة في الطبيعة.

من المثير للاهتمام أن نلاحظ أن كل المادة العادية في الكون تتكون من لبتونين أخف وزناً (إلكترون ونيوترينو إلكترون) واثنين من الكواركات الأخف وزناً ( وو د).إذا توقفت جميع اللبتونات والكواركات الأخرى فجأة عن الوجود ، فمن الواضح أن القليل جدًا سيتغير في العالم من حولنا.

من الممكن أن تلعب الكواركات واللبتونات الأثقل دورًا من نوع بديل لأخف الكواركات واللبتونات. كلهم غير مستقرون ويتفككون بسرعة إلى جزيئات موجودة في الخلية العلوية. على سبيل المثال ، تتحلل tau lepton و muon إلى إلكترونات ، بينما تتحلل الجسيمات الغريبة والساحرة والجميلة بسرعة إلى حد ما إلى نيوترونات أو بروتونات (في حالة الباريونات) أو لبتونات (في حالة الميزونات). استخراج أو تكوين السؤال: لماذا؟هل كل هذه الجسيمات من الجيل الثاني والثالث موجودة؟ لماذا احتاجتهم الطبيعة؟

الجسيمات - ناقلات التفاعلات

ستة أزواج من اللبتونات والكواركات ، التي تشكل مادة بناء المادة ، لا تستنفد بأي حال قائمة الجسيمات المعروفة. بعضها ، مثل الفوتون ، غير مدرج في مخطط الكوارك. الجسيمات "المتروكة في البحر" ليست "لبنات الكون" ، ولكنها تشكل نوعًا من "الغراء" الذي لا يسمح للعالم بالانهيار ، أي ترتبط بأربعة تفاعلات أساسية.

أتذكر أنني قيل لي عندما كنت طفلاً أن القمر يتسبب في ارتفاع وانخفاض المحيطات أثناء المد والجزر اليومية. لطالما كان لغزا لي كيف يعرف المحيط مكان القمر ويتبع حركته في السماء. عندما علمت عن الجاذبية بالفعل في المدرسة ، اشتدت حيرتي. كيف يمكن للقمر ، بعد أن تغلب على ربع مليون كيلومتر من الفضاء الفارغ ، أن "يصل" إلى المحيط؟ الجواب القياسي - القمر يخلق مجال جاذبية في هذا الفضاء الفارغ ، والذي يصل تأثيره إلى المحيط ، مما يجعله يتحرك - بالتأكيد منطقيًا ، لكنه لم يرضيني تمامًا. بعد كل شيء ، لا يمكننا رؤية مجال الجاذبية للقمر. ربما هذا فقط ما تقوله؟ هل هذا حقا يفسر أي شيء؟ بدا لي دائمًا أن القمر يجب أن يخبر المحيط بطريقة ما بمكانه. يجب أن يكون هناك نوع من تبادل الإشارات بين القمر والمحيط حتى يعرف الماء إلى أين يذهب.

بمرور الوقت ، اتضح أن فكرة انتقال القوة عبر الفضاء في شكل إشارة ليست بعيدة جدًا عن النهج الحديث لهذه المشكلة. لفهم كيفية ظهور مثل هذا التمثيل ، من الضروري النظر بمزيد من التفصيل في الطبيعة ميدان القوة. على سبيل المثال ، دعونا لا نأخذ المد والجزر في المحيط ، ولكن ظاهرة أبسط: إلكترونان يقتربان من بعضهما البعض ، وبعد ذلك ، تحت تأثير التنافر الكهروستاتيكي ، يطيران بعيدًا في اتجاهات مختلفة. يطلق الفيزيائيون على هذه العملية مشكلة التشتت. بالطبع ، لا تدفع الإلكترونات بعضها البعض حرفيًا. يتفاعلون عن بعد ، من خلال المجال الكهرومغناطيسي الناتج عن كل إلكترون.

الشكل 11. تشتت جسيمين مشحونين. تنحني مسارات الجسيمات لأنها تقترب من بعضها البعض بسبب تأثير قوة التنافر الكهربائي.

ليس من الصعب تخيل صورة تشتت الإلكترون بواسطة الإلكترون. يتم فصل الإلكترونات في البداية مسافة طويلةولها تأثير ضئيل على بعضها البعض. يتحرك كل إلكترون في خط مستقيم تقريبًا (الشكل 11). بعد ذلك ، عندما تدخل قوى التنافر حيز التنفيذ ، تبدأ مسارات الإلكترونات في الانحناء حتى تقترب الجسيمات قدر الإمكان ؛ بعد ذلك ، تتباعد المسارات ، وتتشتت الإلكترونات ، وتبدأ مرة أخرى في التحرك على طول مسارات مستقيمة ، ولكن متباعدة بالفعل. يسهل إثبات هذا النوع من النماذج في المختبر باستخدام الكرات المشحونة كهربائيًا بدلاً من الإلكترونات. ومرة أخرى السؤال الذي يطرح نفسه: كيف "يعرف" الجسيم مكان الجسيم الآخر ، وبالتالي يغير حركته.

على الرغم من أن صورة مسارات الإلكترون المنحنية توضيحية تمامًا ، إلا أنها غير مناسبة تمامًا من عدة جوانب. الحقيقة هي أن الإلكترونات هي جسيمات كمومية وأن سلوكها يخضع لقوانين محددة. فيزياء الكم. بادئ ذي بدء ، لا تتحرك الإلكترونات في الفضاء على طول مسارات محددة جيدًا. لا يزال بإمكاننا تحديد نقطتي البداية والنهاية للمسار بطريقة أو بأخرى - قبل التشتت وبعده ، لكن المسار نفسه في الفترة الفاصلة بين بداية الحركة ونهايتها يظل غير معروف وغير محدد. بالإضافة إلى ذلك ، فإن الفكرة البديهية للتبادل المستمر للطاقة والزخم بين الإلكترون والحقل ، كما لو كانت تسريع الإلكترون ، تتناقض مع وجود الفوتونات. يمكن نقل الطاقة والزخم ميدانفقط في أجزاء أو كوانتا. يمكن الحصول على صورة أكثر دقة للاضطراب الذي أدخله المجال في حركة الإلكترون من خلال افتراض أن الإلكترون ، الذي يمتص فوتونًا من المجال ، يختبر ، كما كان ، دفعة مفاجئة. لذلك ، في مستوى الكميمكن تصوير فعل تشتت الإلكترون كما هو موضح في الشكل. 12. الخط المتموج الذي يربط مسارات إلكترونين يتوافق مع فوتون ينبعث من إلكترون ويمتصه إلكترون آخر. الآن يظهر فعل التشتت كتغيير مفاجئ في اتجاه حركة كل إلكترون

الشكل 12. الوصف الكمي لتشتت الجسيمات المشحونة. يرجع تفاعل الجسيمات إلى تبادل الناقل التفاعلي ، أو الفوتون الافتراضي (الخط المتموج).

تم استخدام الرسوم التخطيطية من هذا النوع لأول مرة بواسطة ريتشارد فاينمان لتمثيل المصطلحات المختلفة للمعادلة بصريًا ، وكان لها في البداية معنى رمزي بحت. ولكن بعد ذلك بدأ استخدام مخططات فاينمان لرسم تخطيطي لتفاعلات الجسيمات. إن مثل هذه الصور ، إذا جاز التعبير ، تكمل حدس الفيزيائي ، لكن يجب تفسيرها بدرجة معينة من الحذر. على سبيل المثال ، لا يوجد قط انقطاع حاد في مسار الإلكترون. نظرًا لأننا نعرف فقط المواضع الأولية والنهائية للإلكترونات ، فإننا لا نعرف بالضبط اللحظة التي يتم فيها تبادل الفوتون وأي من الجسيمات ينبعث منها ويمتص الفوتون. كل هذه التفاصيل مخفية بحجاب من عدم اليقين الكمومي.

على الرغم من هذا التحذير ، فقد أثبتت مخططات فاينمان أنها وسيلة فعالة لوصف التفاعلات الكمومية. يمكن رؤية الفوتون المتبادل بين الإلكترونات كنوع من رسول من أحد الإلكترونات ، يقول للآخر: "أنا هنا ، لذا تحرك!". بالطبع ، جميع العمليات الكمومية احتمالية بطبيعتها ، لذا فإن مثل هذا التبادل يحدث فقط مع احتمال معين. قد يحدث أن تتبادل الإلكترونات فوتونين أو أكثر (الشكل 13) ، على الرغم من أن هذا أقل احتمالًا.

من المهم أن ندرك أننا لا نرى في الواقع فوتونات تتنقل من إلكترون إلى آخر. حاملات التفاعل هي "شأن داخلي" لإلكترونين. إنها موجودة فقط لإخبار الإلكترونات بكيفية الحركة ، وعلى الرغم من أنها تحمل الطاقة والزخم ، إلا أن قوانين الحفظ المقابلة للفيزياء الكلاسيكية لا تنطبق عليها. يمكن تشبيه الفوتونات في هذه الحالة بالكرة التي يتبادلها لاعبو التنس في الملعب. مثلما تحدد كرة التنس سلوك لاعبي التنس في الملعب ، يؤثر الفوتون على سلوك الإلكترونات.

كان الوصف الناجح للتفاعل بمساعدة الجسيم الحامل مصحوبًا بامتداد لمفهوم الفوتون: تبين أن الفوتون ليس فقط جسيمًا من الضوء نراه ، ولكنه أيضًا جسيم شبحي ، وهو " يُرى "فقط من خلال الجسيمات المشحونة التي تخضع للتشتت. في بعض الأحيان تسمى الفوتونات التي نلاحظها حقيقة،والفوتونات التي تحمل التفاعل هي افتراضية،الذي يذكرنا بوجودهم العابر شبه الشبحي. يعتبر التمييز بين الفوتونات الحقيقية والافتراضية اعتباطيًا إلى حد ما ، ولكن مع ذلك ، فقد انتشرت هذه المفاهيم على نطاق واسع.

إن وصف التفاعل الكهرومغناطيسي باستخدام مفهوم الفوتونات الافتراضية - ناقلاتها - في معناه يتجاوز مجرد الرسوم التوضيحية للطبيعة الكمية. في الواقع ، نحن نتحدث عن نظرية مدروسة بأدق التفاصيل ومجهزة بجهاز رياضي مثالي ، يُعرف باسم الديناميكا الكهربائية الكمية،يختصر QED. عندما تمت صياغة QED لأول مرة (حدث هذا بعد فترة وجيزة من الحرب العالمية الثانية) ، كان لدى الفيزيائيين نظرية تلبي المبادئ الأساسية لكل من نظرية الكم والنسبية. هذه فرصة عظيمة لرؤية المظاهر المشتركة لجانبين مهمين من الفيزياء الجديدة و. اختبرهم تجريبيا.

من الناحية النظرية ، كان إنشاء QED إنجازًا رائعًا. حققت الدراسات السابقة لتفاعل الفوتونات والإلكترونات نجاحًا محدودًا للغاية بسبب الصعوبات الرياضية. ولكن بمجرد أن تعلم المنظرون كيفية الحساب بشكل صحيح ، سقط كل شيء في مكانه. اقترح QED إجراء للحصول على نتائج أي عملية معقدة بشكل تعسفي تنطوي على الفوتونات والإلكترونات.

الشكل 13. يرجع تشتت الإلكترونات إلى تبادل فوتونين افتراضيين. تشكل هذه العمليات تصحيحًا صغيرًا للعملية الرئيسية الموضحة في الشكل. أحد عشر

لاختبار مدى توافق النظرية مع الواقع ، ركز الفيزيائيون على تأثيرين لهما أهمية خاصة. الأول يتعلق بمستويات الطاقة في ذرة الهيدروجين ، أبسط ذرة. تنبأ QED بضرورة تغيير المستويات قليلاً من الموضع الذي ستشغله إذا لم تكن هناك فوتونات افتراضية. كانت النظرية دقيقة للغاية في التنبؤ بحجم هذا التحول. تم إجراء تجربة لكشف وقياس الإزاحة بدقة متناهية بواسطة Willis Lamb من جامعة الكمبيوتر. أريزونا. ومن دواعي سرور الجميع أن نتائج الحسابات تتطابق تمامًا مع البيانات التجريبية.

يتعلق الاختبار الحاسم الثاني لـ QED بتصحيح صغير للغاية للعزم المغناطيسي للإلكترون. ومرة أخرى ، تزامنت نتائج الحسابات النظرية والتجربة تمامًا. بدأ المنظرون في صقل الحسابات ، المجربون - لتحسين الأدوات. ولكن ، على الرغم من أن دقة كل من التنبؤات النظرية والنتائج التجريبية قد تم تحسينها باستمرار ، إلا أن الاتفاق بين QED والتجربة ظل لا تشوبه شائبة. في الوقت الحالي ، لا تزال النتائج النظرية والتجريبية متسقة ضمن الدقة المحققة ، مما يعني تطابق أكثر من تسعة منازل عشرية. تمنح مثل هذه المراسلات اللافتة للنظر الحق في اعتبار QED أكثر نظريات العلوم الطبيعية الموجودة كمالًا.

وغني عن القول ، بعد انتصار مماثل ، تم اعتماد QED كنموذج للوصف الكمي للتفاعلات الأساسية الثلاثة الأخرى. بالطبع ، يجب أن تتوافق الحقول المرتبطة بالتفاعلات الأخرى مع الجسيمات الحاملة الأخرى. تم تقديم لوصف الجاذبية جرافيتونيلعب نفس دور الفوتون. أثناء تفاعل الجاذبية بين جسيمين ، يحدث تبادل للجرافيتونات بينهما. يمكن تصور هذا التفاعل باستخدام مخططات مشابهة لتلك الموضحة في الشكل. 12 و 13. إن الجرافيتونات هي التي تحمل الإشارات من القمر إلى المحيطات ، وبعد ذلك ترتفع عند المد العالي وتنخفض عند انخفاض المد. الجرافيتونات التي تندفع بين الأرض والشمس تبقي كوكبنا في مداره. تربطنا الجرافيتون بقوة بالأرض.

مثل الفوتونات ، تتحرك الجرافيتونات بسرعة الضوء ، لذلك فإن الجرافيتونات هي جسيمات ذات "كتلة سكون صفرية". ولكن هنا تنتهي أوجه التشابه بين الجرافيتونات والفوتونات. بينما لفوتون مغزلي يساوي 1 ، فإن الجرافيتون له دوران 2.

الجدول 4

ناقلات الجسيمات لأربعة تفاعلات أساسية. يتم التعبير عن الكتلة بوحدات كتلة البروتون.

هذا تمييز مهم ، لأنه يحدد اتجاه القوة: في التفاعل الكهرومغناطيسي ، تتنافر الجسيمات المشحونة مثل الإلكترونات ، وفي تفاعل الجاذبية ، تنجذب جميع الجسيمات إلى بعضها البعض.

يمكن أن تكون الجرافيتون حقيقية وافتراضية. الجرافيتون الحقيقي ليس سوى كمية من موجة الجاذبية ، تمامًا مثل الفوتون الحقيقي كموم موجه كهرومغناطيسية. من حيث المبدأ ، يمكن "ملاحظة" الجرافيتونات الحقيقية. ولكن نظرًا لضعف تفاعل الجاذبية بشكل لا يُصدق ، لا يمكن اكتشاف الجرافيتونات مباشرةً. تفاعل الجرافيتون مع الجسيمات الكمومية الأخرى ضعيف جدًا لدرجة أن احتمالية تشتت أو امتصاص الجرافيتون ، على سبيل المثال ، بواسطة البروتون ، هي متناهية الصغر.

تمتد الفكرة الأساسية لتبادل الجسيمات الحاملة إلى تفاعلات أخرى (الجدول 4) - ضعيفة وقوية. ومع ذلك ، هناك اختلافات مهمة في التفاصيل. تذكر أن التفاعل القوي يضمن الرابطة بين الكواركات. يمكن إنشاء مثل هذا الاتصال بواسطة مجال قوة مشابه للكهرومغناطيسية ، ولكنه أكثر تعقيدًا. تؤدي القوى الكهربائية إلى تكوين حالة مرتبطة بجسيمين بشحنات ذات إشارات معاكسة. في حالة الكواركات ، تنشأ حالات مرتبطة لثلاثة جسيمات ، مما يشير إلى طبيعة أكثر تعقيدًا لمجال القوة ، والذي يتوافق مع ثلاثة أنواع من "الشحنة". الجسيمات - تسمى ناقلات التفاعل بين الكواركات ، وتربطها في أزواج أو ثلاثة توائم الغلوونات.

في حالة ضعف التفاعل ، يكون الوضع مختلفًا إلى حد ما. نصف قطر هذا التفاعل صغير للغاية. لذلك ، يجب أن تكون حاملات التفاعل الضعيف عبارة عن جسيمات ذات كتل راحة كبيرة. يجب "استعارة" الطاقة الموجودة في مثل هذه الكتلة وفقًا لمبدأ عدم اليقين Heisenberg ، والذي تمت مناقشته بالفعل في p. 50. ولكن بما أن الكتلة "المقترضة" (ومن ثم الطاقة) كبيرة جدًا ، فإن مبدأ عدم اليقين يتطلب أن يكون أجل استحقاق مثل هذا القرض قصيرًا للغاية - فقط حوالي 10 ^ -28 ثانية. لا تملك هذه الجسيمات قصيرة العمر وقتًا للتحرك بعيدًا جدًا ، كما أن نصف قطر التفاعل الذي تحمله هذه الجسيمات صغير جدًا.

يوجد في الواقع نوعان من ناقلات التفاعل الضعيف. واحد منهم يشبه الفوتون في كل شيء ما عدا الكتلة الباقية. تسمى هذه الجسيمات جسيمات Z. في جوهرها ، جسيمات Z هي نوع جديد من الضوء. نوع آخر من ناقلات التفاعل الضعيف ، جسيمات W ، يختلف عن جسيمات Z من خلال وجود شحنة كهربائية. بوصة. 7 نناقش بمزيد من التفصيل خصائص جسيمات Z و W ، التي تم اكتشافها فقط في عام 1983.

يُكمل تصنيف الجسيمات إلى كواركات ولبتونات وحاملات قوة قائمة الجسيمات دون الذرية المعروفة. يلعب كل من هذه الجسيمات دورًا خاصًا به ، ولكنه حاسم في تكوين الكون. إذا لم تكن هناك جسيمات حاملة ، فلن تكون هناك تفاعلات ، وسيظل كل جسيم جاهلاً بشركائه. لا يمكن أن تنشأ أنظمة معقدة ، أي نشاط سيكون مستحيلا. بدون الكواركات ، لن يكون هناك نوى ذرية أو ضوء شمس. بدون اللبتونات ، لا يمكن أن توجد الذرات ، ولن تنشأ الهياكل الكيميائية والحياة نفسها.

ما هي مهام فيزياء الجسيمات الأولية؟

نشرت صحيفة The Guardian البريطانية المؤثرة ذات مرة افتتاحية تشكك في الحكمة من تطوير فيزياء الجسيمات ، وهي مهمة مكلفة لا تستهلك فقط حصة كبيرة من ميزانية العلوم الوطنية ، بل تستهلك أيضًا نصيب الأسد من أفضل العقول. سألت الجارديان: "هل يعرف الفيزيائيون ما يفعلون؟" "إذا فعلوا ذلك ، فما فائدة ذلك؟ من ، إلى جانب الفيزيائيين ، يحتاج إلى كل هذه الجسيمات؟"

بعد بضعة أشهر من هذا المنشور ، أتيحت لي الفرصة لحضور محاضرة في بالتيمور لجورج كيوورث ، مستشار العلوم الرئاسي الأمريكي. تحول كيوورث أيضًا إلى فيزياء الجسيمات ، لكن محاضرته أُلقيت بنبرة مختلفة تمامًا. أعجب الفيزيائيون الأمريكيون بالإعلان الأخير من CERN ، المختبر الأوروبي الرائد لفيزياء الجسيمات الأولية ، حول اكتشاف جسيمات W و Z الأساسية ، والتي تم الحصول عليها أخيرًا في مسرع شعاع تصادم البروتون المضاد (المصادم). اعتاد الأمريكيون على حقيقة أن جميع الاكتشافات المثيرة تتم في مختبراتهم لفيزياء الطاقة العالية. أليست حقيقة أنهم أفسحوا المجال للنخلة علامة على الانحدار العلمي وحتى الوطني؟

لم يكن لدى كيوورث أدنى شك في أنه من أجل ازدهار الولايات المتحدة بشكل عام والاقتصاد الأمريكي بشكل خاص ، من الضروري أن تحتل البلاد الصدارة في البحث العلمي. قال كيوورث إن مشاريع البحث الأساسية الرئيسية هي في طليعة التقدم. يجب على الولايات المتحدة استعادة هيمنتها في فيزياء الجسيمات ،

في نفس الأسبوع ، تداولت قنوات معلومات حول المشروع الأمريكي لمسرع عملاق مصمم لإجراء جيل جديد من التجارب في فيزياء الجسيمات الأولية. كانت التكلفة الرئيسية 2 مليار دولار ، مما جعل هذا المسرع أغلى آلة صنعها الإنسان على الإطلاق. هذا العملاق من العم سام ، بالمقارنة مع مسرع خط الطاقة CERN الجديد سيبدو قزمًا ، كبير جدًا بحيث يمكن لدولة لوكسمبورغ بأكملها أن تدخل داخل حلقتها! تم تصميم مغناطيسات عملاقة فائقة التوصيل لإنشاء مجالات مغناطيسية مكثفة تلتف شعاع الجسيمات على طول الحجرة الحلقية ؛ إنه هيكل ضخم لدرجة أنه من المفترض أن يتم وضع المسرع الجديد في الصحراء. أود أن أعرف رأي محرر The Guardian في هذا الأمر.

يُعرف باسم المصادم الفائق التوصيل الفائق (SSC) ، ولكن يُشار إليه بشكل أكثر شيوعًا باسم "dezertron" (من اللغة الإنجليزية. صحراء-صحراء. - إد.) ،ستكون هذه الآلة الوحشية قادرة على تسريع البروتونات إلى طاقات أكبر بحوالي 20 ألف مرة من الطاقة المتبقية (الكتلة). يمكن تفسير هذه الأرقام بطرق مختلفة. عند التسارع الأقصى ، ستتحرك الجسيمات بسرعة أقل من 1 كم / ساعة من سرعة الضوء - السرعة المحددة في الكون. تكون التأثيرات النسبية قوية جدًا لدرجة أن كتلة كل جسيم أكبر بمقدار 20 ألف مرة من كتلة الجسيم في حالة السكون. في الإطار المرتبط بمثل هذا الجسيم ، يمتد الوقت لدرجة أن 1 ثانية تقابل 5.5 ساعة في إطارنا المرجعي. سيبدو كل كيلومتر من الغرفة التي يمر من خلالها الجسيم مضغوطًا حتى 5.0 سم فقط.

ما هي الحاجة الماسة التي تدفع الدول إلى إنفاق مثل هذه الموارد الضخمة على الانشطار المدمر للذرة؟ هل هناك أي استخدام عملي في مثل هذا البحث؟

إن أي علم عظيم ، بالطبع ، ليس غريباً على روح النضال من أجل الأولوية الوطنية. هنا ، تمامًا كما في الفن أو الرياضة ، من الجيد الفوز بجوائز و اعتراف العالم. أصبحت فيزياء الجسيمات نوعًا من رمز قوة الدولة. إذا تطورت بنجاح وحققت نتائج ملموسة ، فهذا يشير إلى أن العلم والتكنولوجيا ، وكذلك اقتصاد البلد ككل ، في المستوى المناسب أساسًا. هذا يحافظ على الثقة في الجودة العالية للمنتجات من صناعات التكنولوجيا الأكثر عمومية. يتطلب إنشاء مسرع وجميع المعدات ذات الصلة مستوى عالٍ جدًا من الاحتراف. يمكن أن يكون للخبرة القيمة المكتسبة في تطوير التقنيات الجديدة تأثير غير متوقع ومفيد على مجالات أخرى من البحث العلمي. على سبيل المثال ، استمر البحث والتطوير في مجال المغناطيسات فائقة التوصيل اللازمة لسيارة ديزيررون في الولايات المتحدة منذ عشرين عامًا. ومع ذلك ، فهي لا تقدم فوائد مباشرة ومن ثم يصعب تقييمها. هل هناك المزيد من النتائج الملموسة؟

يُسمع أحيانًا حجة أخرى لدعم البحث الأساسي. تتقدم الفيزياء عمومًا على التكنولوجيا بحوالي خمسين عامًا. التطبيق العملي لأحدهما أو ذاك اكتشاف علميفي البداية لم يكن واضحًا بأي حال من الأحوال ، لكن القليل فقط من الإنجازات الهامة للفيزياء الأساسية لم تجد تطبيقات عملية بمرور الوقت. لنتذكر نظرية ماكسويل في الكهرومغناطيسية: هل كان بإمكان منشئها توقع إنشاء ونجاح الاتصالات السلكية واللاسلكية والإلكترونيات الحديثة؟ وكلمات رذرفورد التي من غير المرجح أن تجدها الطاقة النووية على الإطلاق الاستخدام العملي؟ هل من الممكن التنبؤ بما يمكن أن يؤدي إليه تطور فيزياء الجسيمات الأولية ، وما هي القوى الجديدة والمبادئ الجديدة التي سيتم اكتشافها والتي ستوسع فهمنا للعالم من حولنا وتمنحنا القوة على نطاق أوسع من الظواهر الفيزيائية. وهذا يمكن أن يؤدي إلى تطوير تقنيات لا تقل ثورية في طبيعتها عن الراديو أو الطاقة النووية.

وجدت معظم فروع العلم في النهاية بعض التطبيقات العسكرية. في هذا الصدد ، ظلت فيزياء الجسيمات الأولية (على عكس الفيزياء النووية) حتى الآن كما هي. من قبيل الصدفة ، تزامنت محاضرة كيوورث مع الضجيج المحيط بمشروع الرئيس ريغان المثير للجدل المضاد للصواريخ ، ما يسمى شعاع ، أسلحة (هذا المشروع جزء من برنامج يسمى مبادرة الدفاع الاستراتيجي ، SDI). يتمثل جوهر هذا المشروع في استخدام حزم الجسيمات عالية الطاقة ضد صواريخ العدو. إن تطبيق فيزياء الجسيمات هذا أمر شرير حقًا.

الرأي السائد هو أن إنشاء مثل هذه الأجهزة غير ممكن. غالبية العلماء العاملين في مجال فيزياء الجسيمات الأولية يعتبرون هذه الأفكار سخيفة وغير طبيعية ، ويعارضون بشدة اقتراح الرئيس. بعد إدانة العلماء ، حثهم كيوورث على "التفكير في الدور الذي يمكن أن يلعبوه" في مشروع أسلحة الشعاع. هذا النداء الذي وجهه كيوورث إلى الفيزيائيين (من قبيل الصدفة البحتة ، بالطبع) جاء بعد كلماته المتعلقة بتمويل فيزياء الطاقة العالية.

في اعتقادي الراسخ أن علماء الفيزياء عالية الطاقة لا يحتاجون إلى تبرير الحاجة إلى البحث الأساسي من خلال الإشارة إلى التطبيقات (خاصة التطبيقات العسكرية) ، أو المقارنات التاريخية ، أو الوعود الغامضة للمعجزات التقنية المحتملة. يجري الفيزيائيون هذه الدراسات في المقام الأول باسم رغبتهم الراسخة في معرفة كيف يعمل عالمنا ، والرغبة في فهم الطبيعة بمزيد من التفصيل. فيزياء الجسيمات لا مثيل لها بين الأنشطة البشرية الأخرى. على مدى ألفين ونصف ، سعت البشرية للعثور على "لبنات" الكون الأصلية ، والآن نقترب من الهدف النهائي. ستساعدنا التركيبات العملاقة على اختراق قلب المادة وانتزاع أسرارها العميقة من الطبيعة. يمكن للبشرية أن تتوقع تطبيقات غير متوقعة لاكتشافات جديدة ، وتقنيات لم تكن معروفة من قبل ، ولكن قد يتضح أن فيزياء الطاقة العالية لن تقدم أي شيء للممارسة. ولكن بعد كل شيء ، هناك القليل من الاستخدام العملي من الكاتدرائية المهيبة أو قاعة الحفلات الموسيقية. في هذا الصدد ، لا يسع المرء إلا أن يتذكر كلمات فاراداي ، الذي قال ذات مرة: "ما فائدة المولود الجديد؟" تعمل أنواع النشاط البشري البعيدة عن الممارسة ، والتي تشمل فيزياء الجسيمات الأولية ، كدليل على تجسيد الروح البشرية ، والتي بدونها سنكون محكومًا علينا في عالمنا المادي والبراغماتي المفرط.

اختر النظير المناسب.تخضع بعض العناصر أو النظائر للاضمحلال الإشعاعي ، وقد تتصرف النظائر المختلفة بشكل مختلف. أكثر نظائر اليورانيوم شيوعًا لها وزن ذري يبلغ 238 ويتكون من 92 بروتونًا و 146 نيوترونًا ، لكن نواته عادةً تمتص النيوترونات دون الانقسام إلى نوى عناصر أخف. نظير اليورانيوم ، الذي تحتوي نواته على ثلاثة نيوترونات أقل ، 235 يو ، ينشطر بسهولة أكبر بكثير من 238 يو ، ويسمى النظير الانشطاري.

• يطلق انشطار اليورانيوم ثلاثة نيوترونات تتصادم مع ذرات يورانيوم أخرى ، مما يؤدي إلى تفاعل متسلسل.
• تنشطر بعض النظائر بسهولة وبسرعة بحيث يستحيل الحفاظ على تفاعل نووي ثابت. تسمى هذه الظاهرة بالتحلل العفوي أو التلقائي. على سبيل المثال ، يخضع نظير البلوتونيوم 240 Pu لمثل هذا الانحلال ، على عكس 239 Pu مع معدل انشطار أقل.

لكي يستمر التفاعل بعد تحلل الذرة الأولى ، يجب جمع نظير كافٍ.للقيام بذلك ، من الضروري أن يكون لديك حد أدنى معين من النظائر الانشطارية التي ستدعم التفاعل. هذه الكمية تسمى الكتلة الحرجة. مطلوب مادة بدء كافية للوصول إلى الكتلة الحرجة وزيادة احتمال الاضمحلال.

أطلق نواة ذرية لنظير على نواة أخرى من نفس النظير.نظرًا لأن الجسيمات دون الذرية نادرة جدًا في الشكل الحر ، فمن الضروري غالبًا فصلها عن الذرات التي تحتوي على هذه الجسيمات. تتمثل إحدى طرق القيام بذلك في إطلاق ذرة من النظير على أخرى من نفس النوع.

• تم استخدام هذه الطريقة في الإنشاء قنبلة ذريةمن 235 U ، والتي تم إسقاطها على هيروشيما. أطلق سلاح يشبه المدفع مع قلب من اليورانيوم 235 ذرة من اليورانيوم على هدف من ذرات متطابقة من 235 يو.كانت الذرات تنتقل بسرعة كافية بحيث اخترقت النيوترونات المنبعثة منها نوى ذرات اليورانيوم 235 الأخرى وشطرتها. وأطلق الانشطار ، بدوره ، النيوترونات ، التي قسمت ذرات اليورانيوم 235 التالية.

النار على نوى النظير الانشطاري مع الجسيمات دون الذرية.يمكن لجسيم دون ذري واحد أن يصطدم بذرة يو إس بي 235 ويقسمها إلى ذرتين منفصلتين من عناصر أخرى ، مما ينتج عنه ثلاثة نيوترونات. يمكن الحصول على الجسيمات دون الذرية من مصدر خاضع للرقابة (مثل مدفع نيوتروني) أو إنشاؤها من الاصطدامات النووية. يتم استخدام ثلاثة أنواع من الجسيمات دون الذرية بشكل شائع.

• البروتونات. هذه الجسيمات دون الذرية لها كتلة وشحنة كهربائية موجبة. يحدد عدد البروتونات في الذرة العنصر الذي تنتمي إليه الذرة.
• نيوترونات. كتلة هذه الجسيمات دون الذرية تساوي كتلة البروتون ، لكنها محايدة (ليس لها شحنة كهربائية).
• جسيمات ألفا. هذه الجسيمات هي نوى خالية من الإلكترون من ذرات الهليوم. تتكون من بروتونين واثنين من النيوترونات.

الانشطار النووي

كان اكتشاف نظائر العناصر المستقرة وصقل قياسات الشحنة الأولية من الإنجازات الأولى لفيزياء ما بعد الحرب (1917-1918). في عام 1919 جديد اكتشاف مثير- الانشطار الاصطناعي للنواة. قام بهذا الاكتشاف رذرفورد في كامبريدج في مختبر كافنديش ، الذي ترأسه في نفس العام ، 1919.

درس رذرفورد تصادم جسيمات أ مع ذرات الضوء. يجب أن يؤدي اصطدام جسيم ما مع نوى مثل هذه الذرات إلى تسريعها. لذلك ، عندما يصطدم جسيم بنواة الهيدروجين ، فإنه يزيد من سرعته بمقدار 1.6 مرة ، وتأخذ النواة 64٪ من طاقتها من الجسيم أ. يتم اكتشاف هذه النوى المتسارعة بسهولة من خلال الومضات التي تحدث عندما تصطدم بشاشة كبريتيد الزنك. تم رصدهم بالفعل من قبل مارسدن في عام 1914.

واصل رذرفورد تجارب مارسدن ، ولكن ، كما أشار هو نفسه ، تم إجراء هذه التجارب "على فترات غير منتظمة للغاية ، نظرًا لأن المهن اليومية والعمل المرتبط بالحرب مسموح به ..." "لقد توقفت التجارب تمامًا لفترة طويلة." فقط بعد نهاية الحرب تم إجراء التجارب بانتظام ، ونشرت نتائجها في عام 1919 في أربعة مقالات تحت العنوان العام "اصطدام جسيمات أ مع ذرات الضوء".

كانت الأداة التي استخدمها رذرفورد لدراسة مثل هذه التصادمات عبارة عن حجرة نحاسية بطول 18 سم وارتفاع 6 سم وعرض 2 سم ، وكان مصدر جسيمات أ قرص معدني مغطى بمادة فعالة. تم وضع القرص داخل الحجرة ويمكن ضبطه على مسافات مختلفة من شاشة كبريتيد الزنك ، حيث لوحظ التلألؤ باستخدام المجهر.

يمكن ملء الغرفة بغازات مختلفة (انظر الشكل 78).

أرز. 78. مطياف الكتلة ديميستر

عندما تم إدخال الأكسجين الجاف أو ثاني أكسيد الكربون ، انخفض عدد الومضات بسبب امتصاص طبقة الغاز للجسيمات أ. كتب رذرفورد في المقالة الرابعة: "تم اكتشاف تأثير غير متوقع عندما تم إدخال الهواء الجاف إلى الجهاز. بدلاً من التناقص ، زاد عدد الومضات ، ولامتصاص يقابل حوالي 19 سم من الهواء ، كان عددها أكبر مرتين تقريبًا من الرقم الذي لوحظ في الفراغ. من هذه التجربة ، كان من الواضح أن جسيمات a ، عند مرورها عبر الهواء ، تؤدي إلى وميض يتوافق مع أطوال مسارات كبيرة ، ويبدو سطوعها بالنسبة للعين مساويًا تقريبًا لسطوع وميض H. منذ في الأكسجين و نشبعنظرًا لعدم ملاحظة مثل هذا التأثير ، يمكن المجادلة باحتمالية كبيرة أن هذا التأثير يدين بأصله إلى النيتروجين.

كانت الغرفة مليئة بالنيتروجين النظيف والمجفف تمامًا. "في النيتروجين النقي ، كان عدد الومضات المقابلة لمدى طويل أكبر منه في الهواء." وهكذا ، فإن "الومضات بعيدة المدى التي لوحظت في الهواء يجب أن تُعزى إلى النيتروجين."

ومع ذلك ، كان من الضروري إظهار أن الجسيمات طويلة المدى التي تسبب التلألؤ "هي نتيجة اصطدام جسيمات أ مع ذرات النيتروجين".

مخطط التثبيت الأول لـ Millikan

من خلال العديد من التجارب ، أظهر رذرفورد أن هذا هو الحال بالفعل وأنه نتيجة لمثل هذه الاصطدامات يتم الحصول على الجسيمات بمدى أقصى يبلغ 28 سم ، وهو نفس نطاق ذرات H. كتب رذرفورد: "من النتائج التي تم الحصول عليها حتى الآن ، من الصعب تجنب الاستنتاج بأن الذرات طويلة المدى الناشئة عن اصطدام جسيمات أ بالنيتروجين ليست ذرات نيتروجين ، ولكن في جميع الاحتمالات ، ذرات هيدروجين أو ذرات ذرات كتلتها 2 إذا كان الأمر كذلك ، فيجب أن نستنتج أن ذرة النيتروجين تتفكك بسبب القوى الهائلة التي تتطور بالتصادم مع الجسيم السريع ، وأن ذرة الهيدروجين المحررة تشكل جزءًا مكونًا من الذرة.

وهكذا ، تم اكتشاف ظاهرة انقسام نوى النيتروجين أثناء تأثير الجسيمات السريعة ، ولأول مرة تم التعبير عن فكرة أن نوى الهيدروجين جزء لا يتجزأ من نوى الذرات. بعد ذلك ، اقترح رذرفورد مصطلح "بروتون" لهذا المكون من النواة. أنهى رذرفورد مقالته بالكلمات التالية: "تشير النتائج عمومًا إلى أنه إذا أمكن استخدام جسيمات أ أو جسيمات سريعة الحركة مماثلة ذات طاقة أعلى بكثير لإجراء التجارب ، فيمكن عندئذٍ اكتشاف تدمير الهياكل النووية للعديد من ذرات الضوء".

في 3 يونيو 1920 ، ألقى رذرفورد ما يسمى بمحاضرة بيكر بعنوان "التركيب النووي للذرة". يتحدث في هذه المحاضرة عن نتائج بحثه حول اصطدام جسيمات أ مع نوى الذرة وانقسام نوى النيتروجين ، ناقش رذرفورد طبيعة نواتج الانشطار ، ووضع افتراضًا حول إمكانية وجود نوى مع كتلة من 3 و 2 ونواة بكتلة نواة الهيدروجين ، ولكن بدون شحنة. في الوقت نفسه ، انطلق من الفرضية التي عبرت عنها لأول مرة ماريا سكلودوفسكا كوري ، وهي أن الإلكترونات جزء من النواة الذرية.

كتب رذرفورد أنه "يبدو من المعقول جدًا بالنسبة له أن إلكترونًا واحدًا يمكنه ربط نواتين H وربما حتى نواة H واحدة. إذا كان الافتراض الأول صحيحًا ، فإنه يشير إلى إمكانية وجود ذرة كتلتها حوالي 2 وبشحنة واحدة. يجب اعتبار هذه المادة كنظير للهيدروجين. يتضمن الافتراض الثاني فكرة إمكانية وجود ذرة كتلتها 1 وشحنة نووية تساوي الصفر. تبدو مثل هذه التكوينات ممكنة تمامًا ... سيكون لمثل هذه الذرة خصائص رائعة تمامًا. يجب أن يكون مجالها الخارجي مساويًا للصفر عمليًا ، باستثناء المناطق القريبة جدًا من النواة ؛ نتيجة لذلك ، يجب أن تتمتع بالقدرة على المرور بحرية عبر المادة. ربما يكون من الصعب اكتشاف وجود مثل هذه الذرة باستخدام مطياف ولا يمكن الاحتفاظ بها في وعاء مغلق. من ناحية أخرى ، يجب أن تدخل بسهولة في بنية الذرة وأن تتحد مع نواتها ، أو أن يتم تسريعها بواسطة المجال المكثف للأخير ، مما يؤدي إلى ظهور ذرة H مشحونة أو إلكترون ، أو كليهما.

هذه هي الطريقة التي تم بها طرح الفرضية حول وجود النيوترون والنظير الثقيل للهيدروجين. تم التعبير عن ذلك على أساس الفرضية التي اقترحها M. Sklodowska-Curie بأن نوى الذرات تتكون من نوى الهيدروجين (البروتونات) والإلكترونات.

أوضحت هذه الفكرة على الفور الأعداد النووية المميزة A و Z.

ومع ذلك ، تبين أن خصائص النواة مثل العدد الكتلي A والشحنة Z غير كافية. في عام 1924 ، قبل اكتشاف السبين ، اقترح دبليو باولي أن للنواة لحظة مغناطيسية تؤثر على حركة الإلكترونات المدارية ، وبالتالي تخلق بنية فائقة الدقة من الخطوط الطيفية. أدى تفسير التركيب الدقيق للأطياف من خلال وجود لحظات مغناطيسية ناتجة عن الدوران في النوى إلى تقسيم النوى إلى نوعين. تخضع النوى من النوع الزوجي التي تحتوي على عدد صحيح لإحصاءات Bose ، وتتبع نوى من النوع الفردي مع دوران نصف عدد صحيح إحصاءات Fermi-Dirac. لذلك ، وفقًا لنظرية البروتون والإلكترون ، يجب أن تخضع النوى المكونة من عدد زوجي من الإلكترونات والبروتونات لإحصائيات Bose ، من رقم فردي - إحصائيات Fermi-Dirac.

في عام 1930 ، اتضح أن نواة النيتروجين تخضع لإحصائيات بوز ، على الرغم من أنها ، وفقًا لنظرية البروتون والإلكترون الخاصة بهيكل النواة ، تتكون من 21 جسيمًا (14 بروتونًا ، 7 إلكترونات). تُعرف هذه الحقيقة في العلم باسم كارثة النيتروجين.

في نفس العام ، عندما تم اكتشاف كارثة النيتروجين ، تم نشر نتائج تجارب L. يقاس بمقياس ميكرو كالوريمتر سميك الجدران ، وهو أقل من الفرق بين طاقات النوى الأولية والمنتهية ، أي يختفي جزء من الطاقة المنبعثة من النواة أثناء تحلل p ، مما يؤدي إلى تناقض صارخ مع قانون حفظ طاقة.

تم تقديم حل مشكلة كارثة النيتروجين ولغز أطياف p على أساس فكرة وجود جسيمات محايدة في الطبيعة - ثقيلة ، تسمى النيوترون ، وخفيفة - تسمى النيوترينو ، أي ، النيوترون الصغير ، بناء على اقتراح فيرمي.

من مغامرات السيد تومبكينز المؤلف جاموف جورجي

الفصل 12 داخل النواة المحاضرة التالية التي حضرها السيد تومبكينز كانت عن الجزء الداخلي من النواة كمركز تدور حوله الإلكترونات الذرية. بدأ الأستاذ "سيداتي وسادتي". - سنحاول المزيد والمزيد من الخوض في بنية المادة

من كتاب [محاضرة لأطفال المدارس] مؤلف إيفانوف إيغور بييروفيتش

عالم رائعداخل النواة الذرية

من كتاب الحقائق الأحدث. المجلد 3 [الفيزياء والكيمياء والتكنولوجيا. التاريخ وعلم الآثار. متفرقات] مؤلف كوندراشوف أناتولي بافلوفيتش

العالم المدهش داخل نواة الذرة

من كتاب نيوترينو - الجسيم الشبحي للذرة المؤلف اسيموف اسحق

من كتاب تاريخ الفيزياء بالطبع مؤلف ستيبانوفيتش كودريافتسيف بافل

من كتاب السفر بين الكواكب [الرحلات إلى الفضاء العالمي والإنجاز الأجرام السماوية] مؤلف بيرلمان ياكوف إيزيدوروفيتش

بنية النواة على الرغم من أن مسألة إشعاع الجسيم بدا وكأنها قد تم توضيحها أخيرًا ، حيث تم الوفاء بقانون حفظ الشحنة الكهربائية ، واصل الفيزيائيون أبحاثهم. بقي لغزا بالنسبة لهم كيف يمكن أن تنبعث نواة موجبة الشحنة

من كتاب تاريخ القنبلة الذرية المؤلف Mania Hubert

التنافر داخل النواة بحلول عام 1932 أصبح من الواضح أن النوى تتكون حصريًا من البروتونات والنيوترونات. من اكثر النظريات المبكرة، الذي ادعى أن الإلكترونات كانت في النواة ، رفض. على الرغم من أن هذا أدى إلى حل العديد من المشكلات في وقت واحد ، إلا أن سؤالًا لم يكن موجودًا من قبل ، حتى الآن

من كتاب Asteroid-Comet Hazard: أمس ، اليوم ، غدًا مؤلف شوستوف بوريس ميخائيلوفيتش

الانجذاب داخل النواة إذا تم إهمال تفاعلات الجاذبية عند التفكير في النوى الذرية وأخذت التفاعلات الكهرومغناطيسية فقط في الاعتبار ، فمن الصعب تفسير وجود النواة. لا يمكن أن تتحد الجسيمات التي يتكون منها بسبب القوى الهائلة

من كتاب ماري كوري. النشاط الإشعاعي والعناصر [أفضل ما في المادة سرية] مؤلف بايز أديلا مونوز

اكتشاف النواة الذرية دعونا نفكر بمزيد من التفصيل في أحد اكتشافات رذرفورد الأساسية - اكتشاف النواة الذرية والنموذج الكوكبي للذرة. لقد رأينا أن استيعاب الذرة في نظام الكواكب قد تم في بداية القرن العشرين. لكن هذا النموذج كان صعبًا

من كتاب المؤلف

نموذج البروتون والنيوترون للنواة في 28 مايو 1932 ، نشر الفيزيائي السوفيتي د. إيفانينكو ملاحظة في مجلة Nature اقترح فيها أن النيوترون ، إلى جانب البروتون ، هو عنصر بنيوي في النواة. وأشار إلى أن مثل هذه الفرضية تحل مشكلة كارثة النيتروجين. في

من كتاب المؤلف

داخل القلب لن تكون هذه الرحلة غير المسبوقة لركاب قلب جول فيرن سلمية وآمنة كما هو موصوف في الرواية. لكن لا تعتقد أن الخطر يهددهم أثناء الرحلة من الأرض إلى القمر. مُطْلَقاً! إذا تمكنوا من البقاء على قيد الحياة لحظة ،

من كتاب المؤلف

إلى الفصل الثامن 6. الضغط داخل قذيفة المدفع للقراء الذين يرغبون في التحقق من الحسابات المذكورة في الصفحة 65 ، نقدم هنا هذه الحسابات البسيطة.للحسابات ، سيتعين علينا استخدام صيغتين فقط للحركة المتسارعة ، وهما: النهاية

من كتاب المؤلف

من كتاب المؤلف

4.2 الخصائص الفيزيائية ، هيكل النواة ب العقد الماضيتوسعت معرفتنا بالمذنبات والعمليات التي تحدث فيها بشكل كبير. تم تسهيل الزيادة الحادة في الاهتمام بالمذنبات من خلال إعداد وعقد فضاء دولي

من كتاب المؤلف

رذرفورد واكتشاف النواة الذرية ماذا حدث لشخص كان في شبابه لاعب رجبي جيدًا ، ثم خمن قبل أي شخص آخر أن الذرة يمكن أن تتحلل؟ أكمل إرنست رذرفورد "منفاه" الأمريكي في يناير 1907 ، بعد فترة من وفاته.