الميكانيكا الكمية – أشعة بيتا والنيوترينو

محمد زكريا توفيق

الحوار المتمدن-العدد: 4662 - 2014 / 12 / 14 - 10:21
المحور: دراسات وابحاث في التاريخ والتراث واللغات
    

لم يتبق لنا سوى أشعة بيتا. بذلك نكون قد بحثنا طبيعة الإشعاعات الثلاثة التي تصدر من الأنوية المشعة. نعرف حتى الآن كيف تتولد جسيمات ألفا وأشعة جاما داخل النواة، وأسباب انطلاقهما للعالم الخارجي. لكن، كيف تولدت أشعة بيتا، وهي محض إلكترونات، لم تكن موجودة أبدا داخل النواة؟

عفريت مصباح علاء الدين، حبسه الملك سليمان، لكن أشعة بيتا لم يحبسها أحد. تظهر لنا كأنها آتية من العدم. النواة ليس بها إلكترونات، وشحنتها موجبة بعكس شحنة الإلكترونات. فمن أين تأتي؟

عند بداية البحث عن مصدر أشعة بيتا، كان العلماء يتملكهم كل الأمل وطيب الرجاء. بعد اكتشاف سبب أشعة ألفا وجاما، كان المتوقع اكتشاف طبيعة أشعة بيتا بسرعة. كله تمام، الأمر لن يستغرق وقتا طويلا.

لكن يبدو أن الطبيعة لا تريد الكشف عن أسرارها كده بسهولة. كيف هذا؟ أليست أشعة بيتا هي الأكثر انتشارا في الطبيعة بين كل الأشعة؟ منذ اكتشاف أن قذف أنوية الذرات بوابل من النيترونات، ينتج عنه أنوية جديدة مشعة لم يسبق لها وجود على كوكب الأرض عام 1934م، أصبح لدينا آلاف من النظائر المشعة. معظمها يرسل أشعة بيتا، لا ألفا.

أول صعوبة تواجهنا هنا، هي أن الإلكترونات لا يمكنها التواجد داخل النواة. لماذا؟ السبب هو طول موجة الإلكترون، موجة دي بروجلي الاحتمالية. طول موجة الإلكترون أطول مئات المرات من أبعاد النواة. فكيف تصر الفيل في المنديل؟ هوه "دي بروجلي" ورانا ورانا؟ نعم، ما دمنا غاويين ميكانيكا الكم. هذه هي مملكته بدون منازع، ويجب أن نلتزم بقوانين البلد التي نعيش فيها.

ليس هناك متسع في النواة للإلكترون وسحابته الاحتمالية. كما أن الإلكترون يدور كالمغزل، أو كالنحلة الخشب التي نلعب بها ونحن أطفال. كما أنه، إذا أضفنا أو طرحنا كمية دورانه إلى دوران النواة، كانت النتيجة خطأ في حساب كمية دوران النواة.

إذن، من أين يتولد الإلكترون في النواة، وهو لم يكن موجودا بها أصلا؟ هذا مثل القول بأن الهرم الأكبر، حجارته تطلق رصاصات، وهو لا يحتوي أصلا على رصاصات! حقا النواة أمرها عجب.

مما يزيد الأمر صعوبة وحيرة، هو أن اطلاق الإلكترونات من النواة، يخل بمبدأين من مبادئ الفيزياء العامة: مبدأ بقاء الطاقة، الطاقة لا تفنى ولا تستحدث. المبدأ الثاني، مبدأ بقاء كمية الحركة، هي الأخرى لا تفنى ولا تستحدث.

الجسم الذي يسير بسرعة منتظمة، يظل يسير بنفس السرعة. والذي يدور حول نفسه، يظل يدور، ما لم تؤثر عليهما قوة خارجية تغير من وضعهما.

الآن لدينا نواة تشع طاقة في صورة أشعة بيتا وهي جسيمات مكونة من إلكترونات. نتوقع أن هذا الإشعاع، يتسبب في تغيير مستويات الطاقة داخل النواة.

لكن الإلكترونات الخارجة من النواة، ليست لها خطوط طيف تدل على تغير مستويات الطاقة في النواة. هذا عكس ما يحدث بالنسبة لسحب الإلكترون حول النواة، فتوجد بها خطوط طيف تدل على انتقال مستويات الطاقة.

ماذا يعني هذا؟ هل يعني أن النواة تستعصي على قوانين الميكانيكا الكمية؟ أم يعني أن أشعة بيتا تخالف قانون بقاء الطاقة؟ وهما أمران، كلاهما مر. كما أن دوران الإلكترون المغزلي الخارج من النواة، المفروض أن يؤثر في دوران النواة المغزلي. لأنه يجب طرح كمية دوران الإلكترون من كمية دوران النواة حول نفسها.

هذا بسبب قانون بقاء كمية الحركة المغزلي. لكن النواة تبقى كما هي بدون تغيير. هل يمكن أن يكون الإلكترون قد ترك حركته المغزلية في النواة؟ هذا مستحيل. مثل آلة وترية بدون أوتار، أو عالم بدون دماغ، أو مسبحة بدون حبات.

أية حلول أو اقتراحات لهذه المدلهمة العظمى، لم تكن مجدية. إلى أن طل علينا "وولفجانج باولي" بطلعته البهية. باولي هذا للتذكرة، عالم ألماني خطير. هو صاحب توزيع مستويات الطاقة في الذرة، والذي تنبأ بوجود النيوترينو وأشياء أخرى.

هو الذي منعنا من وضع أكثر من 2 إلكترون في نفس السحابة الواحدة. واشترط أن يكون لهما دوران معاكس. هذا المبدأ ينطبق أيضا على البروتونات والنيترونات.

ونحن في قمة الحيرة من أمر هذا اللص الهارب بطاقته ودورانه المغزلي من النواة دون أن يترك وراءه أي أثر للسرقة، صرخ باولي في وجوهنا قائلا: هذا اللص له شريك في الجريمة. فما هي طبيعة هذا الشريك؟

عندما تشع النواة بيتا، تكتسب شحنة موجبة تعادل شحنة الإلكترون الهارب، لا أكثر ولا أقل. إذن هذا الشريك ليس له شحنة كهربائية. أي أنه متعادل مثل النيترون.

شريك اللص الهارب، له لف مغزلي يساوي اللف المغزلي للإلكترون الهارب، لكن في عكس اتجاهه. فيلغي لف كل منهما لف الآخر. بذلك لا تفقد النواة أية حركة مغزلية. أخيرا، الإلكترون وشريكه يحملان فيما بينهما، أكبر طاقة يمكن أن يحملها الإلكترون الهارب من النواة.

هذه الطاقة المسروقة من النواة، هي طاقة كمية. بمعنى أنها تعادل الفرق بين مستوين للطاقة داخل النواة، قبل إشعاع بيتا وبعدها. لكن الحمل ثقيل لكي يحمله أحدهما وحده، اللص وشريكه.

لذلك يقومان بتوزيع الطاقة فيما بينهما. توزيع الطاقةهذا، الذي يأخذ كل القيم الممكنة، هو الذي يجعل التحليل الطيفي لأشعة بيتا متجانسا. فلا تظهر خطوط به تدل على تغير مستويات الطاقة. لكن مستويات الطاقة في النواة موجودة.

بذلك، نحافظ عي مبدأ مستويات الطاقة في النواة، وقانون بقاء الطاقة وقانون بقاء كمية الحركة المغزلية، بطريقة عبقرية، اقترحها الجهبذ "وولفجانج باولي".

الإلكترون اللص، تم القبض عليه فورا. وعرف أصله وفصله سابقا. لكن شريكه يبدو أنه مراوغ ألعبان. بطريقة غير مباشر، قام العلماء بحساب كتلته، فوجد أنها تقترب من الصفر. تقريبا أصغر ألف مرة من كتلة الإلكترون. كتلة تقترب من المفيش.

أخيرا، وجدنا الشريك اللص الذي نبحث عنه. ليس له شحنة كهربائية مثل النيترون، وليس له كتلة من الناحية العملية. لكن له طاقة وحركة مغزلية، أي يدور مثل المغزل. لذلك أطلق عليه اسم "نيوترينو"، وتعني النيترون الصغير. روح بدون جسد. عفريت لمن لا يؤمن بوجود العفاريت.

لكنه يختلف عن النيترون في كل شئ، فيما عدا أن كلاهما متعادل الشحنة. تقول الحسابات أن النيوترينو يستطيع أن يخترق هذا العالم المرئي لمدة مليون سنة ضوئية، بدون أن يشعر بوجده أحد. حتى لوكان مساره حائط من الفولاذ عرضه مسافة سنة ضوئية.

لكن، دعنا نعود لقضيتنا الأساسية، وهي من أين يأتي الإلكترون الذي ترسله النواة على هيئة أشعة بيتا؟

نعرف أنه داخل النواة، تتحول البروتونات إلى نيترونات، وبالعكس. يشع البروتون باي-ميزون موجب ويتحول إلى نيترون. ويمتص النيترون باي-ميزون موجب فيتحول إلى بروتون.

نعرف أيضا أن النيترون يمكنه أن يشع باي-ميزون سالب ليتحول إلى بروتون. ربما يكون هذا ال باي-ميزون السالب هو الذي يهرب من النواة على صورة إلكترونات.

كلا وألف كلا. القياس الدقيق لكتلة ال باي-ميزون تسفه هذا الفرض. كتلة باي-ميزون واحد تعادل 273 كتلة الإلكترون. لكن النواة تشع إلكترونات، لا باي-ميزونات. ال باي-ميزون لا يغادر النواة أبدا. زوجة سي السيد في ثلاثية نجيب محفوظ.

بعد اكتشاف النيترون بعدة سنوات، اكتشف العلماء أن النيترون جسيم غير مستقر. هذا النيترون، يتحلل خارج النواة، في مدة لا تزيد عن 15 دقيقة. يتحول إلى بروتون وإلكترون ونيوترينو. هذا هو التحول الذي يعطينا الإلكترون والنترينو.

يبدو أن لغز أشعة بيتا على وشك الحل. أليست هذه الجسيمات، الإلكترون والنيترينو، يأتيان من النواة؟ باقي مشكلة واحدة. وهي أن النيترون الحر خارج النواة، يتحلل في أقل من 15 دقيقة، لكنه داخل النواة ليس حرا طليقا.

إذن، لابد أن النيترون يستطيع التحول إلى بروتون بطريقة أخرى. أو ربما يكون النيترون حرا لفترة زمنية قصيرة داخل النواة. أبدا. هذا غير ممكن، ولا حتى لحظة واحدة.

داخل النواة، يحلو للعلماء تشبيه البروتونات بأحجار البناء للذرة، والنيترونات بالأسمنت الذي يجعل البناء متماسكا. فماذا يحدث لو أن البناء نفسه غير مستقر، أو أصيب بقذيفة نيترونات من الخارج؟

هنا تقوم النواة بإعادة الإستقرار، عن طريق تحويل الأسمنت إلى صخور، إذا وجد الكثير منها وأصبحت تهدد البناء. أو تحويل الصخور إلى أسمنت إذا زادت عن الحاجة.

البروتون، حجر البناء، عندما يتحول إلى نيترون، يتخلص من شحنته الموجبة ويرسلها على هيئة بوزوترون. البوزوترون نسخة من الإلكترون ولكن بشحنة موجبة. وعندما يتحول النيترون إلى بروتون، يرسل إلكترونا وبذلك تزيد شحنة النواة.

كم يستغرق هذا التحول من زمن داخل النواة؟ هذا يتوقف على حالة النواة نفسها. قد تمنع حالة النواة حدوث التحول. بذلك تعيش النواة قبل أن ترسل أشعة بيتا مئات أو آلاف السنين. وقد تسمح حالة النواة بالتحلل وإشعاع بيتا في التو واللحظة.

وراء تحلل النواة وإشعاعها بيتا، قوى هائلة. تم اكتشافها في منتصف القرن العشرين. مما غير العديد من المفاهيم في الفيزياء.

من الأشياء الغريبة التي صادفتنا ونحن نبحث عن مصدر أشعة بيتا، هي أن النواة لا تشع إلكترونات فقط. في بعض الأحيان النادرة، يأتي مع الإلكترون، قرينه البوزوترون. البوزوترون موجب الشحنة والإلكترون سالب الشحنة.

كيف تسنى لجسيمات لم توجد من قبل في النواة، الخرج منها. الوضع الآن أصبح أكثر تعقيدا. يمكن أن نفهم أن الإلكترون يأتـي من نيترونات النواة. لكن من أين يأتـي البوزوترون الموجب الشحنة؟ سنترك الحديث عن البوزوترون ومكتشفه بول ديراك، إلى حين مناقشة النظرية النسبية وعلاقتها بالميكانيكا الكمية.

هل تعلم أن النواة تتغذى على إلكترونات من السحب المحيطة بها. يسمي العلماء هذا السلوك الشرس للنواة بالالتقاط. كيف يحدث ذلك؟

قلنا سابقا، بطريقة غير مباشرة، أنه من المستحيل قيام الذرة بالانتحار بسقوط الإلكترونات فيها. لذلك جاءت مدارت بور وسحب الإلكترونات لكي تمنع ذلك. هي محطات حول النواة تمنع الإلكترون من فقد طاقته على طول الخط والسقوط في النواة.

في الذرات الخفيفة، حيث تكون شحنة النواة صغيرة ويوجد بها بعض الإلكترونات، يكون المنع لكي لا تصل سحب الإلكترون إلى النواة، لكن في الأنوية الثقيلة، الإلكترونات القريبة من النواة تجد نفسها في حالة لا تحسد عليها.

هي في حالة طرد من باقي الإلكترونات كثيرة العدد خارج النواة. في نفس الوقت، تجد نفسها في حالة جذب من النواة موجبة الشحنة. الإلكترونات لا تستطيع تحمل هذا الوضع لمدة طويلة. تبدأ سحابة الإلكترون في الدخول إلى المنطقة المحرمة. هنا تلتقط النواة الإلكترون.

عندما يسقط الإلكترون في النواة، ماذا يحدث؟ تفقد النواة من شحنتها مقدار شحنة الإلكترون. لكن ماذا يحدث لدورانها؟ لن يمس، لأن كمية الدوران تنتقل إلى جسيم آخر من جسيمات النواة. النيوترينو.

النيوترينو في هذه الحالة، يظهر عند موت الإلكترون ووفاته إلى رحمة الله، وليس مرافقا له، كما أسلفنا، عند الهرب من النواة. بذلك يكون النيوترينو هو الشاهد الوحيد على هذه الجريمة البشعة داخل النواة. أو عفريت الإلكترون المتوفي. وكما نعلم، من الصعب جدا مسكه لسؤاله والتحقيق معه.

لكي تقبض على نيوترينو واحد، أمر غير ممكن. الطريقة الوحيدة أن تدعوا جيشا منهم. عندها، يمكن أسر بعضهم. هذا بالضبط ما حدث، عندما بدأت المفاعلات الذرية تنتج تدفقات كبيرة من النيترونات.

عندما كانت النيترونات تمتص بجدران المفاعلات، أصبحت الجدران مشعة لبيتا. ومعها كميات ضخمة من النيوترينو كل ثانية. هي تنفذ بكل سهولة ويسر من الحواجز والدروع الخاصة بالمفاعل الذري، التي تمنع تسرب النيترونات وأشعة جاما.

بالقرب من المفاعل الذري، يوجد عداد وميضي خاص، يقوم بقياس الومضات، به سائل ملئ بأنوية الهيدروجين. بعد سلسلة تفاعلات وحسابات، تم العثور على ما كنا نبحث عنه. قياس ومضتين متعاقبتين من العداد، أثبتت صحة ما قد تنبأ به رائد من رواد الميكانيكا الكمية قبل ذلك ب 25 سنة، وولفجانج باولي. لقد تم اكتشاف النيوترينو.

وللحديث عن الميكانيكا الكمية بقية، فإلى اللقاء.

#محمد_زكريا_توفيق (هاشتاغ)      

---

اشترك في قناة ‫«الحوار المتمدن» على اليوتيوب
حوار مع الكاتبة انتصار الميالي حول تعديل قانون الاحوال الشخصية العراقي والضرر على حياة المراة والطفل، اجرت الحوار: بيان بدل	حوار مع الكاتب البحريني هشام عقيل حول الفكر الماركسي والتحديات التي يواجهها اليوم، اجرت الحوار: سوزان امين

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