وحدات بناء المادة

9-3 وحدات بناء المادة

The Building Blocks of Matter

رابط الدرس الرقمي

[www.ien.edu.sa](http://www.ien.edu.sa)

الأهداف

• تصف عمل مسارعات الجسيمات وكواشف الجسيمات.
• تصف النموذج المعياري للمادة، وتفسر دور حاملات القوة.

المفردات

• النموذج المعياري
• الكواركات
• الليبتونات
• حاملات القوة
• إنتاج الزوج
• القوة النووية الضعيفة

---

عندما درس الفيزيائيون الأوائل النواة بواسطة الجسيمات ذات السرعات العالية، كان عليهم استخدام جسيمات ألفا من مصادر مشعة. وقد استخدم مجربون آخرون الأشعة الكونية التي تنتج عن عمليات لم تفهم بصورة كاملة حتى الآن في النجوم والمجرات.

وفي بداية عام (1930m) طورت أول أجهزة مختبرية استطاعت مسارعة البروتونات وجسيمات ألفا لتكسبها طاقة كبيرة كافية لاختراق نواة الهدف. وفي الوقت الحاضر يستخدم جهازان لهذا الغرض هما: المسارع الخطي، والمسارع الدائري التزامني، السنكروترون.

---

المسارعات الخطية

Linear Acceleration

يستخدم المسارع الخطي لمسارعة البروتونات أو الإلكترونات، ويتكون المسارع من سلسلة من الأنابيب المجوفة داخل حجرة طويلة مفرغة، وهذه الأنابيب موصولة بمصدر جهد متناوب عالي التردد يولد مجالًا كهربائيًا، كما في الشكل (9-10).

وتنتج البروتونات في مصدر أيوني. وعندما يطبق جهد سالب على الأنبوب الأول تتسارع البروتونات الداخلة له. ولا يوجد مجال كهربائي داخل الأنبوب لكن المجال الكهربائي يوجد في الفجوات بين الأنابيب، لذلك تتحرك البروتونات داخله بسرعة ثابتة.

ويعدل كل من طول الأنبوب وتردد الجهد، بحيث عندما تصل البروتونات إلى النهاية البعيدة للأنبوب الأول يصبح جهد الأنبوب الثاني سالبًا ويتحول جهد الأنبوب الأول ليصبح موجبًا. فيعمل المجال الكهربائي المتكون في الفجوة بين الأنابيب على مسارعة البروتونات في الفجوات قبل دخولها إلى داخل الأنبوب الثاني.

تستمر هذه العملية بحيث تبقى البروتونات تتسارع في الفجوات بين كل زوج من الأنابيب. تزداد طاقة البروتون بمقدار:

[
10^5 eV
]

بتأثير كل تسارع. وكأن البروتونات تركب على قمة موجة المجال الكهربائي، كما تركب الموجة في المحيط. وفي نهاية المسارع تكون البروتونات قد اكتسبت طاقة عالية تصل إلى تيرا إلكترون فولت.

وهناك طرائق أخرى مماثلة تستخدم لمسارعة الإلكترونات. لاحظ أن هذا النوع من المسارعات يعمل على تسارع الجسيمات المشحونة فقط.

الشكل 9-10

المسارع الخطي في جامعة ستانفورد طوله:

[
3.3 km
]

ويعمل على مسارعة الإلكترونات إلى طاقات:

[
20 GeV
]

في الشكل (a). تتسارع بروتونات في مسارع خطي عن طريق تغيير الشحنة في الأنابيب في أثناء حركة البروتونات في الشكل (b).
القياسيات لا تعتمد مقياسًا.

---

السنكروترون

The Synchrotron

يمكن أن يصنع المسارع ليكون أصغر باستخدام المجال المغناطيسي لثني مسار الجسيمات فيصبح دائريًا. في جهاز السنكروترون تفصل مناطق الثني المغناطيسي بمناطق تسارع، كما في الشكل (9-11b).

في المناطق المستقيمة يسارع الجهد المتناوب العالي التردد الجسيمات، إن شدة المجال المغناطيسي وطول المسار يتم اختيارهما؛ بحيث تصل الجسيمات إلى موقع المجال الكهربائي المتناوب بالضبط عندما تعمل قطبية المجال على تسارعها.

إن إحدى أجهزة السنكروترون الضخمة التي تعمل الآن موجودة في مختبر مسارع فيرمي الوطني بالقرب من شيكاجو، الموضح في الشكل (9-11a)، حيث تصل طاقة البروتونات فيه إلى:

[
1 TeV = 10^{12} eV
]

ينتقل شعاع البروتون وشعاع ضديد البروتون في اتجاهات متعاكسة في المسار الدائري. وضديد البروتون جسيم له كتلة البروتون نفسها لكن شحنته معاكسة، فتتصادم الأشعة في مناطق تفاعلات متعددة، وتدرس النتائج.

يبين الشكل (9-11c) منظرًا خارجيًا لمسارع المنظمة الأوروبية للأبحاث النووية، سيرن (CERN)، وهو أكبر مختبر للفيزياء الحديثة في العالم. أما باقي المسارع فهو موجود تحت الأرض، وفي هذا المسارع أجريت تجربة تصادم البروتونات التي نتج عنها ضديد البروتون.

الشكل 9-11

سنكروترون مختبر فيرمي نصف قطره:

[
2 km
]

في الشكل (a). السنكروترون عبارة عن مسارع دائري، تستخدم فيه المغانط لضبط المسار وتسارع الجسيمات في الشكل (b). مسارع سيرن في أوروبا وهو أكبر مسارع في العالم في الشكل (c).

---

كواشف الجسيمات

Particle Detectors

عندما تنتج الجسيمات لا بد من الكشف عن نتائج التصادم؛ أي إنها تحتاج إلى التفاعل مع مادة بطريقة معينة بحيث نستطيع الإحساس بها بحواسنا الإنسانية المحدودة نسبيًا.

فيدك توقف جسيم (\alpha)، رغم عدم إحساسك بأن الجسيم قد ارتطم بها. وفي اللحظة التي تقرأ فيها هذه العبارة، تعبر بلايين النيوترينوات (neutrinos) الشمسية خلال جسمك دون أن تشعر بها.

لذلك ابتكر العلماء في القرن الماضي أدوات لكشف وتمييز نواتج التفاعلات النووية.

درست أن عينات اليورانيوم كونت طبقة ضبابية على الصفائح الفوتوجرافية؛ فعندما اصطدمت جسيمات (\alpha)، أو جسيمات (\beta)، أو أشعة جاما بالصفيحة الفوتوجرافية أصبح لون الصفيحة ضبابيًا. لذلك يمكن استخدام تلك الصفائح للكشف عن الإشعاع.

تستخدم أجهزة أخرى عديدة للكشف عن الجسيمات المشحونة وأشعة جاما. ومعظم هذه الأجهزة تعمل على مبدأ الاستفادة من حقيقة أن تصادم الذرات مع جسيمات ذات سرعة عالية تعمل على تحرير إلكترونات من الذرات، أي أن الجسيمات العالية السرعة تؤين المادة التي تقذف بها.

بالإضافة إلى ذلك تتألق، تلمع، بعض المواد، أو تبعث فوتونات عند تعرضها لأنواع معينة من الإشعاع. وهكذا فإن المواد الفلورية يمكن أن تستخدم أيضًا للكشف عن الإشعاع. وإليك الطرائق الثلاث للكشف عن الإشعاع موضحة في الشكل (9-12).

الشكل 9-12

يمكن الكشف عن الجسيمات عندما تتفاعل مع المادة، أو تتعرض لفيلم كاشف، أو تشحن المادة، أو تسبب انبعاث فوتونات من المادة.

---

عداد جايجر

يحتوي أنبوب عداد جايجر–مولر على أسطوانة نحاسية ذات شحنة سالبة. يوضع أسفل مركز هذه الأسطوانة سلك شبك موجب الشحنة، بحيث يبقى فرق الجهد المطبق على السلك والأسطوانة دون النقطة التي يحدث عندها التفريغ التلقائي للشحنات أو الومضة.

عندما يدخل جسيم مشحون أو أشعة جاما إلى الأنبوب، يؤين ذرة غاز بين أسطوانة النحاس والسلك، فيتسارع الأيون الموجب الناتج في اتجاه الأسطوانة تحت تأثير فرق الجهد، فيتسارع إلكترون في اتجاه السلك الموجب.

وتولد حركة الجسيمات المشحونة في اتجاه الأقطاب سيلًا من الجسيمات المشحونة، فتولد نبضة التيار خلال الأنبوب.

---

مسارات التكاثف

أول جهاز استخدم للكشف عن الجسيمات كان حجرة غيمة ولسون. تحتوي هذه الحجرة على منطقة مشبعة ببخار الماء أو بخار الإيثانول. وعندما تنتقل الجسيمات المشحونة خلال الحجرة تترك أثرًا من الأيونات في مسارها، فيتكاثف البخار على شكل قطرات صغيرة على تلك الأيونات. وبهذه الطريقة تتكون مسارات مرئية من القطرات أو الضباب.

وفي الكشاف المماثل الذي لا يزال يستخدم حتى الآن، والمسمى بحجرة الفقاعة، تعبر الجسيمات المشحونة خلال سائل تبقى درجة حرارته فوق درجة الغليان. في هذه الحالة فإن مسار الأيونات يسبب تكون فقاعات بخار تحدد مسارات الجسيمات، كما في الشكل (9-13).

أنتجت التقنية الحديثة حجرات كشف تسمى حجرات سلك تشبه أنابيب جايجر–مولر العملاقة. وتفصل الصفائح الكبيرة بفجوة صغيرة مملوءة بغاز ذي ضغط منخفض. يحدث التفريغ الكهربائي في مسار الجسيم الذي يعبر خلال الحجرة فيكشف الحاسوب عن التفريغ، ويسجل موقعه للتحليل التالي.

الجسيمات المتعادلة كهربائيًا لا تغادر المسارات؛ لأنها لا تحدث تفريغًا. ويمكن استخدام قوانين حفظ الطاقة وحفظ الزخم في التصادمات لتبين ما إذا أنتجت جسيمات متعادلة.

وتستخدم كواشف أخرى لتقيس طاقة الجسيمات. تستخدم مجموعة متكاملة من أجهزة الكشف في تجارب المسارعات العالية الطاقة، ومنها الكاشف التصادمي في مختبر فيرمي؛ الذي يصل ارتفاعه إلى ارتفاع بناء من ثلاث طوابق، كما هو موضح في الشكل (9-14a).

صمم الكاشف التصادمي في مختبر فيرمي لرصد ربع مليون تصادم للجسيم في الثانية. يعمل الكاشف كآلة تصوير كتلتها (5000) طن، لتكوين صورة حاسوبية لحالات التصادم، كما هو موضح في الشكل (9-14b).

الشكل 9-13

تظهر صورة حجرة فقاعة اللون الوهمية مسار الجسيمات المشحونة.

الشكل 9-14

في مختبر فيرمي، يسجل الكاشف التصادمي المسارات الناتجة عن بلايين التصادمات في الشكل (a). صورة حاسوبية للكاشف التصادمي في مختبر فيرمي لحالة الكوارك العلوي في الشكل (b).

---

ضد المادة

Antimatter

في بداية عام (1920m) توقع باول ديراك وجود ضديد جسيم خاص بكل نوع من الجسيمات.

والإلكترون الموجب الذي يسمى بوزترون مثال على ضديد الجسيم. وللإلكترون والبوزترون نفس الكتلة ومقدار الشحنة، ومع ذلك فإن إشارتي شحنتيهما متعاكستان.

وعندما يصطدم إلكترون وبوزترون معًا فإن كلًا منهما يفني الآخر، وينتج عن ذلك طاقة على شكل أشعة جاما، كما هو موضح في الشكل (9-15).

الشكل 9-15

نتائج تصادم البوزترون والإلكترون في عملية إنتاج أشعة جاما.

---

الجسيمات

Particles

لقد كان نموذج الذرة الذي اكتشف عام (1930m) بسيطًا للغاية؛ فالذرة فيه مكونة من بروتونات ونيوترونات محاطة بالإلكترونات.

ثم عملت الدراسات العميقة للاضمحلال الإشعاعي على تطوير هذه الصورة المبسطة. فبينما جسيمات ألفا وأشعة جاما التي تنبعث من النواة المشعة لها طاقات أحادية تعتمد على النواة المضمحلة، فإن جسيمات بيتا تنبعث بمدى واسع من الطاقات.

وقد يظن البعض أن طاقة جسيمات بيتا تساوي الفرق بين طاقة النواة قبل الاضمحلال وطاقة النواة الناتجة عن الاضمحلال. والحقيقة أن المدى الواسع لطاقات الإلكترونات المنبعثة خلال اضمحلال بيتا نبهت العالم نيلز بور إلى وجود جسيم آخر يمكن أن يشارك في التفاعل النووي؛ حيث يحمل جزءًا من الطاقة.

توقع العالمان باولي عام (1931m) وفيرمي عام (1934m) وجود جسيم متعادل غير مرئي ينبعث مع جسيم بيتا. وقد أطلق عليه فيرمي اسم النيوترينو، ويعني في الإيطالية "جسيم صغير متعادل"، فهو عديم الشحنة ويصعب الكشف عنه، لذلك يطلق عليه الجسيم الشبحي.

ولكن في الواقع فإن هذا الجسيم كان ضديد النيوترينو، ولم يلاحظ مباشرة حتى عام (1956m).

أظهرت دراسات أخرى وجود جسيمات أخرى، منها الميون الذي يبدو كإلكترون ثقيل، وقد اكتشف عام (1937m).

ففي عام (1935m) شجعت فرضية الفيزيائي الياباني هيدكي يوكاوا الجديرة بالاهتمام على إجراء بحوث كثيرة في السنوات التالية؛ حيث افترض يوكاوا وجود جسيم جديد يستطيع حمل القوة النووية خلال الفراغ، تمامًا كما يحمل الفوتون القوة الكهرومغناطيسية.

وفي عام (1947m) اكتشف الجسيم المفترض وهو البيون. وعلى الرغم من أنه لم يكن يحمل القوة النووية القوية، لكنه كان نوعًا جديدًا من المادة.

لقد نتج عن التجارب التي أجريت على مسارعات الجسيم معرفة المزيد عن جسيمات أخرى جديدة، بعضها ذو كتلة متوسطة، وبعضها الآخر ذو كتلة أكبر من كتلة البروتون. وتحمل شحنات موجبة أو سالبة، أو لا تحمل شحنة، وبعضها له فترة حياة:

[
10^{-23}s
]

ولبعضها الآخر فترة حياة غير محددة.

من جهة أخرى سئل العالم فيرمي أن يحدد مسار جسيم ما عند نقطة معينة فأجاب: "لو أستطيع أن أتذكر أسماء جميع هذه الجسيمات فعندئذ سأكون عالم نبات".

ملاحظة

فاز الياباني تاكاكي كاجيتا والكندي آرثر بي بجائزة نوبل للفيزياء لعام (2015) لاكتشافهما أن جسيمات النيوترينو لها كتلة.

---

النموذج المعياري

The Standard Model

لقد أصبح واضحًا في أواخر عام (1960m) أن البروتونات والنيوترونات والبيونات ليست جسيمات أولية، بل مكونة من مجموعة من جسيمات تسمى الكواركات (quarks).

ويعتقد العلماء الآن وجود ثلاث عائلات من الجسيمات الأولية وفقًا للنموذج المعياري هي: الكواركات، واللبتونات، وحاملات القوى، البوزونات.

الجدول 9-3

يبين كيف تقسم الكواركات واللبتونات المعروفة إلى ثلاث عائلات. ويتكون عالم اليوم من جسيمات من عائلة اليد اليسرى ((u,d,e))، والجسيمات في المجموعة الوسطى ((c,s,\mu)) موجودة في الأشعة الكونية، وتنتج بطريقة روتينية في مسارعات الجسيم.

ويعتقد أن عائلة اليد اليمنى ((t,b,\tau)) مستثارة قليلًا خلال اللحظات المبكرة للانفجار العظيم، وتوجد نتيجة التصادمات العالية الطاقة.

ويحمل مقياس البوزونات القوى الكهرومغناطيسية الضعيفة والقوية وقوى التجاذب الكتلي، ويعبر عن الكتل بمكافئات الطاقة المعطاة بمعادلة أينشتاين:

[
E = mc^2
]

بيانات الجدول 9-3

الكواركات

| الجسيم | الرمز | الكتلة | الشحنة | اللف |
| ------ | ----- | ---------------- | -------------- | ------------- |
| العلوي | (u) | (2.3 MeV/c^2) | (+\frac{2}{3}) | (\frac{1}{2}) |
| السفلي | (d) | (4.8 MeV/c^2) | (-\frac{1}{3}) | (\frac{1}{2}) |
| الجاذب | (c) | (1.275 GeV/c^2) | (+\frac{2}{3}) | (\frac{1}{2}) |
| الغريب | (s) | (95 MeV/c^2) | (-\frac{1}{3}) | (\frac{1}{2}) |
| الفوقي | (t) | (173.07 GeV/c^2) | (+\frac{2}{3}) | (\frac{1}{2}) |
| القعري | (b) | (4.18 GeV/c^2) | (-\frac{1}{3}) | (\frac{1}{2}) |

الليبتونات

| الجسيم | الرمز | الكتلة | الشحنة | اللف |
| ---------------- | ---------- | --------------- | ------ | ------------- |
| إلكترون | (e) | (0.511 MeV/c^2) | (-1) | (\frac{1}{2}) |
| نيوترينو إلكترون | (\nu_e) | (<2.2 eV/c^2) | (0) | (\frac{1}{2}) |
| ميون | (\mu) | (105.7 MeV/c^2) | (-1) | (\frac{1}{2}) |
| نيوترينو ميون | (\nu_\mu) | (<0.17 MeV/c^2) | (0) | (\frac{1}{2}) |
| تاو | (\tau) | (1.777 GeV/c^2) | (-1) | (\frac{1}{2}) |
| نيوترينو تاو | (\nu_\tau) | (<15.5 MeV/c^2) | (0) | (\frac{1}{2}) |

حاملات القوى

| الجسيم | الرمز | الكتلة | الشحنة | اللف |
| ------------- | -------- | -------------- | ------ | ---- |
| الجلونات | (g) | (0) | (0) | (1) |
| الفوتونات | (\gamma) | (0) | (0) | (1) |
| بوزونات ضعيفة | (Z) | (91.2 GeV/c^2) | (0) | (1) |
| بوزونات ضعيفة | (W) | (80.4 GeV/c^2) | (\pm1) | (1) |
| هيجز | (H) | (126 GeV/c^2) | (0) | (0) |

---

عائلة الكواركات (quarks)

تتحد الكواركات لتشكل الهادرونات التي تنقسم إلى مجموعتين فرعيتين، هما مجموعة الباريونات مثل: البروتونات والنيوترونات، ومجموعة الميزونات مثل البيونات المكونة من كوارك وضديده كما في الشكل (9-16).

عائلة اللبتونات (leptons)

مثل: الإلكترون، والميون، والتاو.

عائلة حاملات القوى (force\ carriers)

وتسمى كذلك البوزونات: وهي جسيمات تنقل القوى الأساسية، فمثلًا تحمل الفوتونات القوة الكهرومغناطيسية، وتحمل الجلونات الثمانية القوى النووية القوية، أما البوزونات الثلاثة الضعيفة فهي التي تحمل القوة النووية الضعيفة، والجرافيتون حامل قوة الجاذبية الأرضية والذي لم يكتشف حتى الآن ويعتبر من نظريات ما بعد النموذج المعياري.

تشكل الكواركات واللبتونات المادة، بينما حاملات القوة جسيمات تنقل القوى، وقد تم تلخيص خصائص الجسيمات الأولية التي تمثل أساس النموذج المعياري في الجدول (9-3).

الشكل 9-16

بالرغم من أن للكواركات شحنات جزئية فإن جميع الجسيمات التي تكونها لها عدد صحيح من الشحنات.

---

البروتونات والنيوترونات

Protons and Neutrons

نموذج الكوارك يصف النيوكليونات، البروتونات والنيوترونات، بوصفه تجمعًا من الكواركات. وكل نيوكليون مكون من ثلاثة كواركات.

فيتكون البروتون من اثنين من الكواركات العلوية (up\ quarks)، شحنة كل منهما:

[
+\frac{2}{3}e
]

وكوارك سفلي واحد (down\ quarks)، شحنته:

[
-\frac{1}{3}e
]

ويعبر عن البروتون بالرمز:

[
p = uud
]

فشحنة البروتون عبارة عن مجموع شحنات ثلاثة كواركات:

[
\left(\frac{2}{3}+\frac{2}{3}-\frac{1}{3}\right)e = +e
]

بينما يتكون النيوترون من كوارك واحد علوي واثنين من الكواركات السفلية:

[
n = udd
]

فشحنة النيوترون صفر:

[
\left(\frac{2}{3}-\frac{1}{3}-\frac{1}{3}\right)e = 0
]

لا يمكن مشاهدة الكواركات الحرة المنفردة؛ لأن القوة القوية التي تبقيها مجتمعة معًا تصبح أكبر كلما اندفعت الكواركات ليبتعد بعضها عن بعض. في مثل هذه الحالة، تعمل القوة القوية كقوة النابض، فهي لا تشبه القوة الكهربائية التي تصبح أضعف كلما تحركت الجسيمات مبتعدة بعضها عن بعض.

وتنتقل القوة القوية في نموذج الكوارك بواسطة الجلونات.

---

التحولات بين الكتلة والطاقة

Conversions Between Mass and Energy

يمكن حساب كمية الطاقة التي تتولد نتيجة فناء جسيم باستخدام معادلة أينشتاين لتكافؤ الطاقة والكتلة:

[
E = mc^2
]

إن كتلة الإلكترون:

[
9.11 \times 10^{-31}kg
]

وتساوي كتلة البوزترون. لذلك فإن الطاقة المكافئة للبوزترون والإلكترون معًا يمكن حسابها كما يلي:

[
E = 2(9.11 \times 10^{-31}kg)(3.00 \times 10^8m/s)^2
]

[
E = 1.64 \times 10^{-13}J
]

[
E = (1.64 \times 10^{-13}J)\left(\frac{1eV}{1.60 \times 10^{-19}J}\right)
]

[
E = 1.02 \times 10^6 eV
]

أو:

[
E = 1.02 MeV
]

عندما يكون كل من البوزترون والإلكترون في حالة سكون فإن كلًا منهما يفني الآخر. ومجموع طاقات أشعة جاما المنبعثة هو:

[
1.02 MeV
]

ويمكن أن يحدث أيضًا معكوس الفناء، أي أن الطاقة يمكن أن تتحول مباشرة إلى مادة. فإذا عبر شعاع جاما بطاقة:

[
1.02 MeV
]

على الأقل بالقرب من نواة فقد ينتج زوج من البوزترون والإلكترون.

[
\gamma \rightarrow e^- + e^+
]

يسمى تحول الطاقة إلى زوج الجسيمات، مادة وضديد المادة، إنتاج الزوج.

ولا يمكن أن تحدث التفاعلات منفردة مثل:

[
\gamma \rightarrow e^-
]

و:

[
\gamma \rightarrow e^+
]

لأن مثل هذه التفاعلات لا تحقق قانون حفظ الشحنة. وكذلك تفاعلات مثل:

[
\gamma \rightarrow e^- + p
]

لا تحدث أيضًا. فالزوج يجب أن يكون الجسيم وضديد الجسيم الخاص به.

جسيمات المادة وضديد المادة

توجد في أزواج. ويوضح الشكل (9-17) إنتاج زوج بوزترون–إلكترون؛ حيث يعمل المجال المغناطيسي حول حجرة الفقاعة على ثني مسارات الجسيمات المتعاكسة الشحنة لتتحرك في اتجاهات متعاكسة.

ولا تتبع أشعة جاما المنتجة المسار. وإذا كانت طاقة أشعة جاما أكبر من:

[
1.02 MeV
]

فإن الفائض في الطاقة يظهر على شكل طاقة حركية للبوزترون والإلكترون، فيتصادم البوزترون في الحال مع إلكترون آخر، ويفني كل منهما الآخر، وينتج إشعاعان أو ثلاثة إشعاعات جاما لا تقل طاقتها الكلية عن:

[
1.02 MeV
]

الشكل 9-17

عندما ينتج الجسيم فإن ضديد هذا الجسيم ينتج أيضًا، هنا تضمحل أشعة جاما إلى زوج من الإلكترون والبوزترون.

---

حفظ الجسيم

كل كوارك وكل لبتون أيضًا له ضديد جسيم. يتماثل ضديد الجسيمات مع الجسيمات إلا في نوع الشحنة؛ حيث تكون الشحنتان متعاكستين.

فالكوارك العلوي (u) مثلًا شحنته:

[
+\frac{2}{3}
]

بينما ضديد الكوارك العلوي (\bar{u}) شحنته:

[
-\frac{2}{3}
]

وشحنة البروتون (uud) هي:

[
+1
]

وشحنة ضديد البروتون:

[
\bar{u}\bar{u}\bar{d}
]

هي:

[
-1
]

وعندما يصطدم الجسيم وضديده فإن كلًا منهما يفنى الآخر، ويتحولان إلى فوتونات أو إلى زوج من جسيم وضديد جسيم أخف وإلى طاقة.

العدد الكلي للكواركات والعدد الكلي للبتونات في الكون ثابتة؛ حيث إن الكواركات واللبتونات توجد أو تفنى فقط بوصفهما زوج جسيم وضديد الجسيم.

ومن جهة أخرى فإن حاملات القوى ومنها الجرافيتونات والفوتونات والجلونات والبوزونات الضعيفة قد توجد أو تفنى إذا كان هناك طاقة كافية.

يمكن أن يوجد ضديد للبروتونات أيضًا. فلضديد البروتون كتلة تساوي كتلة البروتون، ولكن شحنته سالبة. وكتلة البروتون تساوي كتلة (1836) إلكترونًا.

وهكذا فإن الطاقة اللازمة لتكوين زوج من البروتون وضديد البروتون كبيرة نسبيًا. وقد تم إنتاج وملاحظة زوج البروتون وضديد البروتون أول مرة في باركلي، في كاليفورنيا عام (1955m).

---

مسائل تدريبية

• كتلة البروتون:

[
1.67 \times 10^{-27}kg
]

a. أوجد الطاقة المكافئة لكتلة البروتون بوحدة الجول.
b. حول هذه القيمة إلى وحدة (eV).
c. أوجد الطاقة الكلية الأصغر لأشعة جاما التي يمكن أن تؤدي إلى تكون زوج من البروتون وضديد البروتون.

• يمكن لكل من البوزترون والإلكترون أن يفني أحدهما الآخر، وينتج ثلاثة إشعاعات جاما. تم الكشف عن اثنين من إشعاعات جاما، فكانت طاقة أحدها:

[
225 keV
]

وطاقة الآخر:

[
357 keV
]

ما طاقة إشعاع جاما الثالث؟

• كتلة النيوترون:

[
1.008665u
]

a. أوجد الطاقة المكافئة لكتلة النيوترون بوحدة (MeV).
b. أوجد الطاقة الكلية الصغرى لأشعة جاما التي يمكن أن تؤدي إلى تكون زوج من النيوترون وضديد النيوترون.

• كتلة الميون:

[
0.1135u
]

وهو يضمحل إلى إلكترون ونيوترينوين. ما مقدار الطاقة الناتجة عن هذا الاضمحلال؟

---

اضمحلال بيتا والتفاعل الضعيف

Beta Decay and the Weak Interaction

لا توجد إلكترونات عالية الطاقة منبعثة من اضمحلال بيتا للنواة المشعة داخل النواة. إذن من أين جاءت هذه الإلكترونات؟

في عملية اضمحلال النيوترون يتحول النيوترون إلى بروتون، في حين لا يضمحل النيوترون داخل النواة المستقرة. بل الذي يمكن أن يضمحل إلى بروتون وينبعث جسيم بيتا هو النيوترون الحر في النواة غير المستقرة.

ويشارك ضديد النيوترينو في الطاقة الناتجة مع البروتون وجسيم بيتا. وضديد النيوترينو جسيم كتلته صغيرة جدًا، وهو عديم الشحنة، ولكنه كالفوتون؛ له زخم وطاقة.

وتكتب معادلة اضمحلال النيوترون كما يلي:

[
{}^{1}*{0}n \rightarrow {}^{1}*{1}p + {}^{0}*{-1}e + {}^{0}*{0}\bar{v}
]

وعندما يضمحل النظير بإطلاق بوزترون تحدث عملية شبيهة باضمحلال بيتا. وعلى الرغم من أنه لم يشاهد اضمحلال البروتون الحر فإنه يمكن للبروتون داخل النواة أن يتحول إلى نيوترون مع إطلاق بوزترون (e^+) ونيوترينو (v).

[
{}^{1}*{1}p \rightarrow {}^{1}*{0}n + {}^{0}*{+1}e + {}^{0}*{0}v
]

إن انحلال النيوترونات إلى بروتونات، وانحلال البروتونات إلى نيوترونات لا يمكن تفسيره بواسطة القوة القوية.

إن وجود انحلال بيتا يشير إلى أنه يجب أن يكون هناك تفاعل آخر، وهو القوة النووية الضعيفة التي تؤثر في النواة. وهذه القوة أضعف كثيرًا من القوة النووية القوية.

---

مسألة تحفيز

يضمحل:

[
{}^{238}_{92}U
]

بانبعاث (\alpha)، وبانبعاثين متتاليين لجسيم (\beta)، ويتحول ثانية إلى نظير لليورانيوم.

• وضح معادلات الاضمحلال النووي الثلاث.

• احسب العدد الكتلي لليورانيوم المتكون.

---

نموذج الكوارك لاضمحلال بيتا

إن الفرق بين البروتون (uud)، والنيوترون (udd) كوارك واحد فقط. حيث يحدث اضمحلال بيتا في نموذج الكوارك على مرحلتين، كما يتضح من الشكل (9-18).

أولًا: كوارك (d) واحد في النيوترون يتحول إلى كوارك (u) مع انبعاث بوزون:

[
W^-
]

حيث (W^-) أحد ثلاثة حاملات قوة ضعيفة.

وفي الخطوة الثانية يتحول البوزون إلى إلكترون وضديد النيوترينو، وبالمثل في تحلل البروتون في النواة ينبعث نيوترون وبوزون:

[
W^+
]

ومن ثم ينحل البوزون (W^+) إلى بوزترون ونيوترينو.

إن انبعاث حامل القوة الضعيفة الثالث بوزون (Z^0) لا يترافق مع تحول من كوارك إلى آخر. يحدث البوزون (Z^0) تفاعلًا بين النيوكليونات والإلكترونات في الذرات المماثلة، ولكنه أضعف كثيرًا من القوة الكهرومغناطيسية التي تحافظ على الذرة متماسكة؛ حيث تم الكشف عن هذا التفاعل أول مرة عام (1979m).

وتمت مشاهدة البوزونات:

[
W^+,\ W^-,\ Z^0
]

مباشرة أول مرة عام (1983m).

لقد ساد الاعتقاد طويلًا أن كلًا من النيوترينات وضديد النيوترينات عديمة الكتلة، إلا أن التجارب الأخيرة التي التقطت النيوترينات المنبعثة من الشمس ومن المسارعات الطويلة أظهرت أن للنيوترينات كتلة. على الرغم من أن هذه الكتل أقل كثيرًا من كتلة أي جسيم معروف.

الشكل 9-18

يبين انبعاث بيتا عند تحول نيوترون إلى بروتون بنموذج الكوارك:

[
d \rightarrow u + W^-
]

[
W^- \rightarrow e^- + \bar{v}
]

---

اختبار النموذج المعياري

Testing the Standard Model

تستطيع أن تلاحظ من الجدول (9-3) أن الكواركات واللبتونات تنفصل إلى ثلاث عائلات؛ فالعالم المحيط بنا يتكون من جسيمات في عائلة اليد اليسرى، بروتونات ونيوترونات وإلكترونات، وجسيمات في المجموعة الوسطى توجد في الأشعة الكونية وتنتج بطريقة روتينية في مسارعات الجسيمات، وجسيمات عائلة اليد اليمنى التي يعتقد أنها كانت مستثارة قليلًا خلال اللحظات الأولى للانفجار العظيم، ونتجت عن تصادمات عالية الطاقة.

ما الذي يحدد كتل الكواركات واللبتونات؟ إن بوزون هيجز الذي يفترض أنه جسيم يحدد كتل اللبتونات والكواركات، أعلن عن اكتشافه في المنظمة الأوروبية للأبحاث النووية، سيرن (CERN)، عام (2012).

وكرم البروفسور بيتر هيجز عن الاكتشاف بجائزة نوبل في الفيزياء (2013m). فالنموذج المعياري ليس نظرية؛ لأنه لا يفسر كتل الجسيمات، ولا يفسر لماذا توجد ثلاث عائلات من الكواركات واللبتونات وحاملات القوى.

ملاحظة

فاز البريطاني بيتر هيجز والبلجيكي فرانسوا إنغلريت بجائزة نوبل في الفيزياء لعام (2013) تقديرًا لأعمالهما التي أدت إلى الاكتشاف النظري لبوزون هيجز.

---

لماذا توجد أربع قوى؟

إن الاختلافات بين التفاعلات الرئيسة الأربعة واضحة؛ فقد تؤثر القوى بكميات مختلفة في الشحنة أو الكتلة، وقد يكون لها تبعيات مختلفة على المسافات، وحاملات القوى لها خصائص مختلفة.

وعلى أي حال، هناك بعض التماثل بين التفاعلات. فمثلًا القوى بين الجسيمات المشحونة، والتفاعلات الكهرومغناطيسية تحمل بواسطة الفوتونات بطريقة مماثلة لحمل البوزونات الضعيفة للتفاعل الضعيف.

والقوى الكهربائية تؤثر في مدى واسع؛ لأن كتلة الفوتونات صفر، بينما القوى الضعيفة تؤثر في مسافات قصيرة لأن كتل البوزونات (W) و(Z) كبيرة نسبيًا.

إن التركيب الرياضي لنظريات التفاعل الضعيف والتفاعل الكهرومغناطيسي متماثلان.

تشير النظريات الفلكية الفيزيائية للنجم فوق المستعر إلى حدوث تفاعلين متماثلين خلال الانفجارات النجمية الهائلة، كتلك الموضحة في الشكل (9-19). أما النظريات الحالية المتعلقة بأصل الكون فتتوقع أن القوتين كانتا متماثلتين خلال اللحظات المبكرة للكون كذلك.

لهذا السبب، كانت القوى الكهرومغناطيسية والقوى الضعيفة متحدتين في قوة واحدة تسمى قوة كهربائية ضعيفة.

بالطريقة نفسها تبين أن القوى الكهرومغناطيسية والقوة الضعيفة متحدتان في قوة كهربائية ضعيفة خلال عام (1970m). كذلك توصل الفيزيائيون الآن إلى تطوير نظريات تتضمن القوة القوية أيضًا، ولا يزال العمل غير مكتمل. وما زالت النظريات تتطور، ويتم التخطيط لاختبار هذه النظريات الآن. ونظرية الاتحاد التام التي تتضمن التجاذب تحتاج إلى المزيد من العمل.

وقد ظهر ارتباك كبير نتيجة الدراسات التي أجريت على المجرات والتي تتوقع أن المادة التي تم وصفها بالنموذج المعياري تكون فقط جزءًا صغيرًا من كتلة الكون. والجزء الأكبر من المادة شكلت المادة المعتمة؛ وقد سميت بذلك لأنها لا تتفاعل مع الفوتونات أو المادة العادية، لكنها قوة التجاذب.

والتي تبدو كطاقة معتمة، وقوة غير معروفة تعمل على تسارع تمدد الكون.

لذلك فإن الدراسات المتعلقة بالجسيمات المتناهية في الصغر التي تكون الأنوية تتصل مباشرة مع البحوث المتعلقة بالأنظمة الكبيرة والمجرات التي تكون الكون.

وقد اعتاد فيزيائيو الجسيمات الأولية وعلماء الكون أن يكونوا في النهايتين المتعاكستين لمقياس الطول. والآن يتساءلون معًا: "ما وحدات البناء الأساسية التي يتكون منها العالم؟". قد يستطيعون الإجابة عن هذا السؤال في المستقبل.

الشكل 9-19

في النجم فوق المستعر، ليست القوى الكهرومغناطيسية والقوى الضعيفة متمايزة. والضوء المتزايد والنيوترونات الصادرة من النجم فوق المستعر (A1987) تصل الأرض في اللحظة نفسها، وهذا يظهر أن النيوترينات تنتقل بسرعة قريبة من سرعة الضوء وتنتج في النجم الأعظم.

وكما هو متوقع، ظهر النجم فوق المستعر قبل الانفجار في الشكل (a)، خلال الانفجار في الشكل (b)، وبالقرب من هابل في الشكل (c).

---

9-3 مراجعة

• قذف النواة: لماذا يحتاج البروتون إلى طاقة أكثر من النيوترون عندما يستخدم لقذف النواة؟

• مسارع الجسيمات: تتحرك البروتونات في مسارع مختبر فيرمي، الشكل (9-11)، في اتجاه عكس عقارب الساعة. ما اتجاه المجال المغناطيسي في مغانط الثني؟

• إنتاج الزوج: يوضح الشكل (9-18) إنتاج أزواج الإلكترون-البوزترون. لماذا تنثني مجموعة المسارات السفلية أقل من انثناء زوج المسارات العلوية؟

• النموذج المعياري: ابحث في محددات النموذج المعياري والبدائل المحتملة.

• التفكير الناقد: تأمل المعادلتين التاليتين:

[
u \rightarrow d + W^+
]

[
W^+ \rightarrow e^+ + v
]

كيف يمكن استخدامهما لتفسير الاضمحلال الإشعاعي للنيوكليون الذي ينتج عن انبعاث البوزترون والنيوترينو؟ اكتب المعادلة التي تتضمن نيوكليونات بدلًا من الكواركات.