الكوارك هو جسيم أولي مشحون يشارك في التفاعل القوي. يتكون كل من البروتونات والنيوترونات من ثلاثة كواركات

جميع الأجسام المادية في الطبيعة مبنية من نوع من المادة يسمى المادة. تنقسم المواد إلى مجموعتين رئيسيتين - مواد بسيطة ومعقدة.

المواد المعقدة هي تلك المواد التي يمكن تفكيكها إلى مواد أخرى أبسط من خلال التفاعلات الكيميائية. وعلى النقيض من المواد المعقدة، فإن المواد البسيطة هي تلك التي لا يمكن تحليلها كيميائيا إلى مواد أبسط.

مثال على المواد المعقدة هو الماء، والذي من خلال التفاعل الكيميائي يمكن أن يتحلل إلى مادتين أخريين أبسط - الهيدروجين والأكسجين. أما الأخيران فلم يعد من الممكن أن يتحللا كيميائيا إلى مواد أبسط، وبالتالي هما مواد بسيطة، أو بمعنى آخر، عناصر كيميائية.

في النصف الأول من القرن التاسع عشر، كان هناك افتراض في العلم بأن العناصر الكيميائية هي مواد غير قابلة للتغيير وليس لها أي علاقة مشتركة مع بعضها البعض. ومع ذلك، كشف العالم الروسي D.I. Mendeleev (1834 - 1907) لأول مرة في عام 1869 عن العلاقة بين العناصر الكيميائية، موضحًا أن الخصائص النوعية لكل منها تعتمد على خصائصها الكمية - الوزن الذري.

أثناء دراسة خصائص العناصر الكيميائية، لاحظ D.I Mendeleev أن خصائصها تتكرر بشكل دوري اعتمادًا على وزنها الذري. وقد عرض هذه الدورية في شكل جدول تم إدراجه في العلم تحت اسم "جدول مندلييف الدوري للعناصر".

يوجد أدناه جدول مندليف الدوري الحديث للعناصر الكيميائية.

الذرات

وفقًا للمفاهيم العلمية الحديثة، يتكون كل عنصر كيميائي من مجموعة من جزيئات مادية صغيرة تسمى الذرات.

الذرة هي أصغر جزء من العنصر الكيميائي الذي لم يعد من الممكن أن يتحلل كيميائيا إلى جزيئات مادية أخرى أصغر وأبسط.

تختلف ذرات العناصر الكيميائية التي تختلف في طبيعتها عن بعضها البعض في خواصها الفيزيائية والكيميائية، وبنيتها، وحجمها، وكتلتها، ووزنها الذري، وطاقتها الذاتية، وبعض الخصائص الأخرى. على سبيل المثال، تختلف ذرة الهيدروجين بشكل حاد في خصائصها وبنيتها عن ذرة الأكسجين، والأخيرة عن ذرة اليورانيوم، إلخ.

لقد ثبت أن ذرات العناصر الكيميائية صغيرة الحجم للغاية. إذا افترضنا تقليديا أن الذرات لها شكل كروي، فيجب أن تكون أقطارها مساوية لمائة مليون من السنتيمتر. فمثلا قطر ذرة الهيدروجين -أصغر ذرة في الطبيعة- يساوي جزءا من مائة مليون من السنتيمتر (10 -8 سم)، ولا يزيد قطر أكبر الذرات مثل ذرة اليورانيوم على ثلاثمائة مليون من السنتيمتر (3 10 -8 سم). وبالتالي، فإن ذرة الهيدروجين أصغر بعدة مرات من كرة يبلغ نصف قطرها سنتيمترًا واحدًا، كما أن الأخيرة أصغر من الكرة الأرضية.

وبالنظر إلى الحجم الصغير جدًا للذرات، فإن كتلتها أيضًا صغيرة جدًا. على سبيل المثال، كتلة ذرة الهيدروجين هي m = 1.6710 -24 جم، وهذا يعني أن جرامًا واحدًا من الهيدروجين يحتوي على 61023 ذرة تقريبًا.

تعتبر وحدة القياس التقليدية للأوزان الذرية للعناصر الكيميائية 1/16 من وزن ذرة الأكسجين، ووفقًا لهذا الوزن الذري للعنصر الكيميائي، يتم استدعاء رقم مجرد يوضح عدد مرات الوزن عنصر كيميائي معين أكبر من 1/16 من وزن ذرة الأكسجين.

يُظهر الجدول الدوري للعناصر الذي وضعه D.I Mendeleev الأوزان الذرية لجميع العناصر الكيميائية (انظر الرقم الموجود تحت اسم العنصر). ومن هذا الجدول نرى أن أخف ذرة هي ذرة الهيدروجين التي يبلغ وزنها الذري 1.008. الوزن الذري للكربون هو 12، والأكسجين 16، وهكذا.

أما العناصر الكيميائية الأثقل فإن وزنها الذري يفوق الوزن الذري للهيدروجين بأكثر من مائتي مرة. وبالتالي، فإن الوزن الذري للزئبق هو 200.6، والراديوم 226، وما إلى ذلك. كلما ارتفع ترتيب العدد الذي يشغله عنصر كيميائي في الجدول الدوري للعناصر، زاد الوزن الذري.

يتم التعبير عن معظم الأوزان الذرية للعناصر الكيميائية بأعداد كسرية. ويفسر ذلك إلى حد ما حقيقة أن هذه العناصر الكيميائية تتكون من مجموعة من أنواع عديدة من الذرات التي لها أوزان ذرية مختلفة، ولكن لها نفس الخصائص الكيميائية.

العناصر الكيميائية التي تحتل نفس العدد في الجدول الدوري للعناصر، وبالتالي لها نفس الخواص الكيميائية، ولكن بأوزان ذرية مختلفة، تسمى النظائر.

توجد النظائر في معظم العناصر الكيميائية؛ ولها نظيران: الكالسيوم - أربعة، والزنك - خمسة، والقصدير - أحد عشر، وما إلى ذلك. ويتم الحصول على العديد من النظائر من خلال الفن، وبعضها له أهمية عملية كبيرة.

الجسيمات الأولية للمادة

لفترة طويلة كان يعتقد أن ذرات العناصر الكيميائية هي الحد الأقصى لقابلية تقسيم المادة، أي مثل "لبنات البناء" الأولية للكون. لقد رفض العلم الحديث هذه الفرضية، حيث أثبت أن ذرة أي مشروب كيميائي هي عبارة عن مجموعة من جزيئات مادية أصغر من الذرة نفسها.

وفقا للنظرية الإلكترونية لبنية المادة، فإن ذرة أي عنصر كيميائي هي نظام يتكون من نواة مركزية تدور حولها جزيئات مادية "أولية" تسمى الإلكترونات. تتكون نواة الذرات، وفقًا لوجهات النظر المقبولة عمومًا، من مجموعة من جزيئات المواد "الأولية" - البروتونات والنيوترونات.

لفهم بنية الذرات والعمليات الفيزيائية والكيميائية فيها، من الضروري التعرف لفترة وجيزة على الأقل على الخصائص الأساسية للجسيمات الأولية التي تشكل الذرات.

قررت ذلك الإلكترون هو جسيم مادي يحتوي على أصغر شحنة كهربائية سلبية ملحوظة في الطبيعة.

إذا افترضنا تقليديًا أن الإلكترون كجسيم له شكل كروي، فإن قطر الإلكترون يجب أن يساوي 4 · 10 -13 سم، أي أنه أصغر بعشرات الآلاف من المرات من قطر أي ذرة.

الإلكترون، مثل أي جسيم مادي آخر، له كتلة. "كتلة الراحة" للإلكترون، أي الكتلة التي يمتلكها في حالة السكون النسبي، تساوي m o = 9.1 10 -28 جم.

تشير "كتلة الراحة" الصغيرة للغاية للإلكترون إلى أن الخصائص الخاملة للإلكترون ضعيفة للغاية، مما يعني أن الإلكترون، تحت تأثير قوة كهربائية متغيرة، يمكن أن يتأرجح في الفضاء بتردد عدة مليارات من الدورات في اليوم الواحد. ثانية.

كتلة الإلكترون صغيرة جدًا لدرجة أنه للحصول على جرام واحد من الإلكترونات سيكون من الضروري تناول 1027 وحدة. لكي نحصل على الأقل على فكرة فيزيائية عن هذا العدد الهائل، دعونا نعطي المثال التالي. إذا أمكن وضع جرام واحد من الإلكترونات في خط مستقيم بالقرب من بعضها البعض، فإنها ستشكل سلسلة طولها أربعة مليارات كيلومتر.

تعتمد كتلة الإلكترون، مثل أي جسيمات مادية أخرى، على سرعة حركتها.الإلكترون، الذي يكون في حالة سكون نسبي، لديه "كتلة سكون"، وهي ذات طبيعة ميكانيكية، مثل كتلة أي جسم مادي. أما "كتلة حركة" الإلكترون، التي تزداد مع زيادة سرعة حركته، فهي ذات أصل كهرومغناطيسي. ويرجع ذلك إلى وجود مجال كهرومغناطيسي في الإلكترون المتحرك كنوع معين من المادة له كتلة وطاقة كهرومغناطيسية.

كلما تحرك الإلكترون بشكل أسرع، كلما ظهرت خصائص القصور الذاتي لمجاله الكهرومغناطيسي، وبالتالي زادت كتلة الأخير، وبالتالي طاقته الكهرومغناطيسية. وبما أن الإلكترون بمجاله الكهرومغناطيسي يشكل نظامًا ماديًا واحدًا مرتبطًا عضويًا، فمن الطبيعي أن تُعزى كتلة حركة المجال الكهرومغناطيسي للإلكترون مباشرة إلى الإلكترون نفسه.

الإلكترون، بالإضافة إلى خصائص الجسيم، لديه أيضًا خصائص موجية. أثبتت التجربة أن تدفق الإلكترونات، مثل تدفق الضوء، ينتشر في شكل حركة موجية. يتم تأكيد طبيعة الحركة الموجية لتدفق الإلكترون في الفضاء من خلال ظاهرتي التداخل والحيود لموجات الإلكترون.

التدخل الإلكتروني- وهي ظاهرة تراكب الإرادات الإلكترونية على بعضها البعض، و حيود الإلكترون- هذه هي ظاهرة انحناء موجات الإلكترون حول حواف فجوة ضيقة يمر من خلالها تدفق الإلكترون. وبالتالي، فإن الإلكترون ليس مجرد جسيم، بل هو "موجة جسيمية"، يعتمد طولها على كتلة الإلكترون وسرعته.

لقد ثبت أن الإلكترون، بالإضافة إلى حركته الانتقالية، يقوم أيضًا بحركة دورانية حول محوره. يُطلق على هذا النوع من حركة الإلكترون اسم "الدوران" (من الكلمة الإنجليزية "دوران" - المغزل). ونتيجة لهذه الحركة، يكتسب الإلكترون، بالإضافة إلى الخواص الكهربائية الناجمة عن الشحنة الكهربائية، خواص مغناطيسية، تذكرنا في هذا الصدد بالمغناطيس الأولي.

البروتون هو جسيم مادي له شحنة كهربائية موجبة تساوي القيمة المطلقة للشحنة الكهربائية للإلكترون.

كتلة البروتون هي 1.67 · 10-24 جم، أي أنها تساوي حوالي 1840 مرة كتلة السكون للإلكترون.

على عكس الإلكترون والبروتون. لا يحتوي النيوترون على شحنة كهربائية، أي أنه جسيم "أولي" محايد كهربائيًا من المادة. وكتلة النيوترون تساوي تقريبًا كتلة البروتون.

تتفاعل الإلكترونات والبروتونات والنيوترونات، باعتبارها جزءًا من الذرات، مع بعضها البعض. على وجه الخصوص، تنجذب الإلكترونات والبروتونات بشكل متبادل لبعضها البعض كجسيمات ذات شحنات كهربائية متضادة. وفي الوقت نفسه، يتم تنافر الإلكترون من الإلكترون والبروتون من البروتون كجسيمات لها نفس الشحنات الكهربائية.

يحدث تفاعل كل هذه الجسيمات المشحونة كهربائيًا من خلال مجالاتها الكهربائية. تمثل هذه الحقول نوعًا خاصًا من المادة، يتكون من مجموعة من جسيمات المواد الأولية تسمى الفوتونات. يحتوي كل فوتون على كمية محددة بدقة من الطاقة المتأصلة فيه (طاقة الكم).

يتم تفاعل جزيئات المواد المشحونة كهربائيًا عن طريق تبادل الفوتونات مع بعضها البعض. عادة ما تسمى قوة التفاعل بين الجسيمات المشحونة كهربائيا القوة الكهربائية.

النيوترونات والبروتونات الموجودة في نوى الذرات تتفاعل أيضًا مع بعضها البعض. إلا أن هذا التفاعل لم يعد يتم من خلال المجال الكهربائي، حيث أن النيوترون هو جسيم متعادل كهربائيا من المادة، بل من خلال ما يسمى بالمجال النووي.

وهذا المجال هو أيضًا نوع خاص من المادة، يتكون من مجموعة من جسيمات المواد الأولية تسمى الميزونات. يتم تفاعل النيوترونات والبروتونات عن طريق تبادل الميزونات مع بعضها البعض. القوة بين النيوترونات والبروتونات المتفاعلة مع بعضها البعض تسمى القوة النووية.

لقد ثبت أن القوى النووية تعمل في نوى الذرات على مسافات صغيرة للغاية - حوالي 10 - 13 سم.

تتجاوز القوى النووية بشكل كبير القوى الكهربائية للتنافر المتبادل للبروتونات في نواة الذرة. وهذا يؤدي إلى حقيقة أنهم قادرون ليس فقط على التغلب على قوى التنافر المتبادل للبروتونات داخل نوى الذرات، ولكن أيضًا على إنشاء أنظمة نوى قوية جدًا من مزيج من البروتونات والنيوترونات.

يعتمد استقرار نواة كل ذرة على العلاقة بين قوتين متناقضتين - النووية (الجذب المتبادل للبروتونات والنيوترونات) والكهربائية (التنافر المتبادل للبروتونات).

تساهم القوى النووية القوية المؤثرة في نوى الذرات في تحويل النيوترونات والبروتونات إلى بعضها البعض. تتم هذه التحويلات البينية للنيوترونات والبروتونات نتيجة لإطلاق أو امتصاص جسيمات أولية أخف، مثل الميزونات.

تسمى الجسيمات التي تناولناها بالجسيمات الأولية لأنها لا تتكون من مجموعة من جسيمات المادة الأخرى الأبسط. لكن في الوقت نفسه، يجب ألا ننسى أنهم قادرون على التحول إلى بعضهم البعض، والناشئين على حساب بعضهم البعض. وبالتالي فإن هذه الجسيمات هي بعض التكوينات المعقدة، أي أن عنصريتها مشروطة.

التركيب الكيميائي للذرات

أبسط ذرة في بنيتها هي ذرة الهيدروجين. وهو يتألف من مجموعة من جسيمين أوليين فقط - البروتون والإلكترون. يلعب البروتون في نظام ذرة الهيدروجين دور النواة المركزية التي يدور حولها الإلكترون في مدار معين. في التين. يوضح الشكل 1 نموذجًا تخطيطيًا لذرة الهيدروجين.

أرز. 1. مخطط هيكل ذرة الهيدروجين

هذا النموذج هو مجرد تقريب تقريبي للواقع. والحقيقة هي أن الإلكترون باعتباره "موجة جسيمية" ليس له حجم محدد بشكل حاد من البيئة الخارجية. هذا يعني أنه لا ينبغي لنا أن نتحدث عن مدار خطي محدد للإلكترون، بل عن نوع من السحابة الإلكترونية. في هذه الحالة، غالبا ما يحتل الإلكترون بعض الخط الأوسط للسحابة، وهو أحد مداراته المحتملة في الذرة.

يجب أن أقول إن مدار الإلكترون نفسه ليس ثابتًا تمامًا ولا يتحرك في الذرة - فهو أيضًا يخضع لبعض الحركة الدورانية بسبب التغيرات في كتلة الإلكترون. وبالتالي فإن حركة الإلكترون في الذرة معقدة نسبيا. وبما أن نواة ذرة الهيدروجين (البروتون) والإلكترون الذي يدور حولها لهما شحنات كهربائية متضادة، فإنهما ينجذبان بشكل متبادل.

في الوقت نفسه، مع هذه الطاقة، يقوم الإلكترون، الذي يدور حول نواة الذرة، بتطوير قوة طرد مركزي، تميل إلى إزالتها من النواة. وبالتالي فإن قوة التجاذب الكهربي المتبادل بين نواة الذرة والإلكترون وقوة الطرد المركزي المؤثرة على الإلكترون هما قوتان متناقضتان.

وفي حالة التوازن، يحتل إلكترونها موقعًا مستقرًا نسبيًا في مدار معين في الذرة. وبما أن كتلة الإلكترون صغيرة جدًا، فإنه لكي يوازن قوة الجذب لنواة الذرة، يجب أن يدور بسرعة هائلة، تساوي تقريبًا 6 10 15 دورة في الثانية. وهذا يعني أن الإلكترون الموجود في نظام ذرة الهيدروجين، مثل أي ذرة أخرى، يتحرك في مداره بسرعة خطية تتجاوز ألف كيلومتر في الثانية.

في الظروف العادية، يدور الإلكترون في ذرة من نوعها في المدار الأقرب إلى النواة. وفي الوقت نفسه، لديه الحد الأدنى من الطاقة الممكنة. إذا، لسبب أو لآخر، على سبيل المثال، تحت تأثير بعض جزيئات المواد الأخرى التي غزت النظام الذري، يتحرك الإلكترون إلى مدار أكثر بعدا عن الذرة، فسيكون لديه بالفعل كمية أكبر قليلا من الطاقة.

ومع ذلك، يبقى الإلكترون في هذا المدار الجديد لفترة قصيرة جدًا، وبعد ذلك يدور مرة أخرى إلى المدار الأقرب إلى النواة الذرية. وخلال هذه الحركة، يطلق طاقته الزائدة على شكل كم من الإشعاع المغناطيسي الكهربائي - الطاقة الإشعاعية (الشكل 2).

أرز. 2. عندما ينتقل الإلكترون من مدار بعيد إلى مدار أقرب إلى نواة الذرة، فإنه يبعث كمية من الطاقة الإشعاعية

كلما زادت الطاقة التي يتلقاها الإلكترون من الخارج، كلما زاد المدار الذي يتحرك فيه عن نواة الذرة، وكلما زادت كمية الطاقة الكهرومغناطيسية التي ينبعث منها عندما يدور في المدار الأقرب إلى النواة.

ومن خلال قياس كمية الطاقة المنبعثة من الإلكترون أثناء الانتقال من مدارات مختلفة إلى أقرب مدار إلى نواة الذرة، أمكن إثبات أن الإلكترون موجود في نظام ذرة الهيدروجين، كما هو الحال في نظام أي نظام آخر الذرة، لا يمكن أن تتحرك إلى أي مدار تعسفي، ولكن إلى مدار محدد بدقة وفقا للطاقة التي تتلقاها تحت تأثير قوة خارجية. تسمى المدارات التي يمكن أن يشغلها الإلكترون في الذرة بالمدارات المسموح بها.

نظرًا لأن الشحنة الموجبة لنواة ذرة الهيدروجين (شحنة البروتون) والشحنة السالبة للإلكترون متساويان عدديًا، فإن شحنتهما الإجمالية تساوي صفرًا. وهذا يعني أن ذرة الهيدروجين، في حالتها الطبيعية، هي جسيم متعادل كهربائيا.

وينطبق هذا على ذرات جميع العناصر الكيميائية: فذرة أي عنصر كيميائي في الحالة الطبيعية هي جسيم متعادل كهربائياً بسبب التساوي العددي بين شحناته الموجبة والسالبة.

نظرًا لأن نواة ذرة الهيدروجين تحتوي على جسيم "أولي" واحد فقط - البروتون، فإن العدد الكتلي المزعوم لهذه النواة يساوي واحدًا. العدد الكتلي لنواة ذرة أي عنصر كيميائي هو إجمالي عدد البروتونات والنيوترونات الموجودة في تكوين هذه النواة.

يتكون الهيدروجين الطبيعي أساسًا من مجموعة من الذرات ذات عدد كتلي يساوي واحدًا. ومع ذلك، فهو يحتوي أيضًا على نوع آخر من ذرات الهيدروجين، بعدد كتلي يساوي اثنين. وتتكون نوى ذرات هذا الهيدروجين الثقيل، والتي تسمى الديوترونات، من جزيئين - بروتون ونيوترون. ويسمى هذا النظير من الهيدروجين الديوتيريوم.

يحتوي الهيدروجين الطبيعي على كميات صغيرة جدًا من الديوتيريوم. لكل ستة آلاف ذرة من الهيدروجين الخفيف (العدد الكتلي يساوي واحد)، هناك ذرة واحدة فقط من الديوتيريوم (الهيدروجين الثقيل). هناك نظير آخر للهيدروجين - الهيدروجين فائق الثقل، يسمى التريتيوم. يوجد في نواة ذرة نظير الهيدروجين هذا ثلاث جسيمات: بروتون ونيوترونان، مرتبطان ببعضهما البعض بواسطة القوى النووية. العدد الكتلي لنواة ذرة التريتيوم هو ثلاثة، أي أن ذرة التريتيوم أثقل بثلاث مرات من ذرة الهيدروجين الخفيفة.

على الرغم من أن ذرات نظائر الهيدروجين لها كتل مختلفة، إلا أنها لا تزال لها نفس الخصائص الكيميائية، على سبيل المثال، يشكل الهيدروجين الخفيف، الذي يدخل في تفاعل كيميائي مع الأكسجين، مادة معقدة معه - الماء. وبالمثل، فإن نظير الهيدروجين، الديوتيريوم، يتحد مع الأكسجين لتكوين الماء، والذي، على عكس الماء العادي، يسمى الماء الثقيل. يستخدم الماء الثقيل على نطاق واسع في عملية إنتاج الطاقة النووية (النووية).

وبالتالي، فإن الخواص الكيميائية للذرات لا تعتمد على كتلة نواتها، بل تعتمد فقط على بنية الغلاف الإلكتروني للذرة. نظرًا لأن ذرات الهيدروجين الخفيف والديوتيريوم والتريتيوم تحتوي على نفس عدد الإلكترونات (واحد لكل ذرة)، فإن هذه النظائر لها نفس الخصائص الكيميائية.

وليس من قبيل الصدفة أن يحتل العنصر الكيميائي الهيدروجين الرقم الأول في الجدول الدوري للعناصر. والحقيقة هي أن هناك علاقة ما بين عدد أي عنصر في الجدول الدوري للعناصر وقيمة شحنة نواة ذرة هذا العنصر. ويمكن صياغتها على النحو التالي: الرقم التسلسلي لأي عنصر كيميائي في الجدول الدوري للعناصر يساوي عدديًا الشحنة الموجبة لنواة هذا العنصر، وبالتالي عدد الإلكترونات التي تدور حوله.

وبما أن الهيدروجين يحتل الرقم الأول في الجدول الدوري للعناصر، فهذا يعني أن الشحنة الموجبة لنواة ذرته تساوي واحدًا وأن إلكترونًا واحدًا يدور حول النواة.

يحتل العنصر الكيميائي الهيليوم المرتبة الثانية في الجدول الدوري للعناصر. وهذا يعني أن لها شحنة كهربائية موجبة للنواة تساوي وحدتين، أي أن نواتها يجب أن تحتوي على بروتونين، كما يجب أن يحتوي الغلاف الإلكتروني للذرة على قطبين كهربائيين.

يتكون الهيليوم الطبيعي من نظيرين - الهيليوم الثقيل والخفيف. العدد الكتلي للهيليوم الثقيل هو أربعة. وهذا يعني أن نواة ذرة الهيليوم الثقيلة، بالإضافة إلى البروتونين المذكورين أعلاه، يجب أن تحتوي على نيوترونين آخرين. أما الهيليوم الخفيف فعدد كتلته ثلاثة، أي أن نواته بالإضافة إلى بروتونين يجب أن تحتوي على نيوترون واحد آخر.

وقد ثبت أن عدد ذرات الهيليوم الخفيف في الهيليوم الطبيعي يبلغ حوالي واحد على المليون من ذرات الهيليوم الثقيل. في التين. يوضح الشكل 3 نموذجًا تخطيطيًا لذرة الهيليوم.

أرز. 3. مخطط هيكل ذرة الهيليوم

يحدث المزيد من التعقيد في بنية ذرات العناصر الكيميائية بسبب زيادة عدد البروتونات والنيوترونات في نوى هذه الذرات وفي نفس الوقت بسبب زيادة عدد الإلكترونات التي تدور حول النوى (الشكل 4). ). باستخدام الجدول الدوري للعناصر، من السهل تحديد عدد الإلكترونات والبروتونات والنيوترونات التي تشكل الذرات المختلفة.

أرز. 4. مخططات بنية النوى الذرية: 1 - الهيليوم، 2 - الكربون، 3 - الأكسجين

العدد الذري للعنصر الكيميائي يساوي عدد البروتونات الموجودة في نواة الذرة، وفي نفس الوقت عدد الإلكترونات التي تدور حول النواة. أما الوزن الذري فهو يساوي تقريبًا العدد الكتلي للذرة، أي عدد البروتونات والنيوترونات مجتمعة في النواة. لذلك، من خلال طرح عدد يساوي العدد الذري للعنصر من الوزن الذري للعنصر، يمكن تحديد عدد النيوترونات الموجودة في نواة معينة.

وقد ثبت أن نوى العناصر الكيميائية الخفيفة، التي تحتوي على أجزاء متساوية من البروتونات والنيوترونات، تتميز بقوة عالية جداً، حيث أن القوى النووية فيها كبيرة نسبياً. على سبيل المثال، نواة ذرة الهيليوم الثقيلة قوية للغاية لأنها تتكون من بروتونين ونيوترونين مرتبطين معًا بقوى نووية قوية.

تحتوي نوى ذرات العناصر الكيميائية الأثقل على عدد غير متساو من البروتونات والنيوترونات، وبالتالي فإن روابطها في النواة أضعف منها في نوى العناصر الكيميائية الخفيفة. يمكن أن تنقسم نوى هذه العناصر بسهولة نسبية عند قصفها بـ "مقذوفات" ذرية (النيوترونات، نوى الهيليوم، وما إلى ذلك).

أما بالنسبة لأثقل العناصر الكيميائية، وخاصة المشعة منها، فإن نواتها تكون ضعيفة إلى حد أنها تتفكك تلقائياً إلى الأجزاء المكونة لها. على سبيل المثال، ذرات عنصر الراديوم المشع، التي تتكون من مزيج من 88 بروتونًا و138 نيوترونًا، تتحلل تلقائيًا وتتحول إلى ذرات عنصر الرادون المشع. وتتفكك ذرات الأخير بدورها إلى الأجزاء المكونة لها، وتتحول إلى ذرات عناصر أخرى.

بعد أن تعرفنا لفترة وجيزة على مكونات نواة ذرات العناصر الكيميائية، دعونا ننظر في بنية الأصداف الإلكترونية للذرات. وكما هو معروف، لا يمكن للإلكترونات أن تدور حول نوى الذرة إلا في مدارات محددة بدقة. علاوة على ذلك، فهي مجمعة في الغلاف الإلكتروني لكل ذرة بحيث يمكن تمييز الطبقات الفردية من الإلكترونات.

يمكن أن تحتوي كل طبقة على عدد من الإلكترونات لا يتجاوز عددا محددا بدقة. لذلك، على سبيل المثال، في طبقة الإلكترون الأولى الأقرب إلى نواة الذرة يمكن أن يكون هناك إلكترونين كحد أقصى، في الثانية - لا يزيد عن ثمانية إلكترونات، وما إلى ذلك.

تلك الذرات التي تمتلئ طبقاتها الإلكترونية الخارجية بالكامل، لديها غلاف إلكتروني أكثر استقرارًا. وهذا يعني أن هذه الذرة تحتفظ بكل إلكتروناتها بقوة ولا تحتاج إلى تلقي كمية إضافية من الخارج. على سبيل المثال، تحتوي ذرة الهيليوم على إلكترونين يملأان طبقة الإلكترون الأولى بالكامل، بينما تحتوي ذرة النيون على عشرة إلكترونات، يملأ الأولان منها طبقة الإلكترون الأولى بالكامل، والباقي - الثاني (الشكل 5).

أرز. 5. مخطط هيكل ذرة النيون

وبالتالي، فإن ذرات الهيليوم والنيون لها قذائف إلكترونية مستقرة تماما ولا تسعى إلى تعديلها بطريقة ما من الناحية الكمية. وهذه العناصر خاملة كيميائيا، أي أنها لا تتفاعل كيميائيا مع العناصر الأخرى.

ومع ذلك، تحتوي معظم العناصر الكيميائية على ذرات لا تكون طبقات الإلكترون الخارجية فيها مملوءة بالكامل بالإلكترونات. على سبيل المثال، تحتوي ذرة البوتاسيوم على تسعة عشر إلكترونًا، ثمانية عشر إلكترونًا منها تملأ الطبقات الثلاث الأولى بالكامل، ويكون الإلكترون التاسع عشر وحده في طبقة الإلكترون التالية غير المملوءة. يؤدي الملء الضعيف لطبقة الإلكترون الرابعة بالإلكترونات إلى حقيقة أن نواة الذرة تحمل الإلكترون الخارجي بشكل ضعيف جدًا، وهو الإلكترون التاسع عشر، وبالتالي يمكن انتزاع الأخير بسهولة من الذرة. .

أو على سبيل المثال، تحتوي ذرة الأكسجين على ثمانية إلكترونات، اثنان منها يملأان الطبقة الأولى بالكامل، والستة المتبقية موجودة في الطبقة الثانية. وبالتالي، لإكمال بناء طبقة الإلكترون الثانية في ذرة الأكسجين، فهي تحتاج إلى إلكترونين فقط. لذلك، فإن ذرة الأكسجين لا تحتفظ بإلكتروناتها الستة بقوة في الطبقة الثانية فحسب، بل لديها أيضًا القدرة على جذب الإلكترونين اللذين تفتقر إليهما لملء طبقة الإلكترون الثانية. ويحقق ذلك من خلال الاتحاد الكيميائي مع ذرات العناصر التي ترتبط إلكتروناتها الخارجية بنواتها بشكل ضعيف.

العناصر الكيميائية التي لا تحتوي ذراتها على طبقات إلكترونية خارجية مملوءة بالكامل بالإلكترونات، تكون، كقاعدة عامة، نشطة كيميائيًا، أي أنها تدخل بسهولة في التفاعلات الكيميائية.

لذا فإن الإلكترونات الموجودة في ذرات العناصر الكيميائية مرتبة بترتيب محدد بدقة، وأي تغيير في ترتيبها المكاني أو كميتها في الغلاف الإلكتروني للذرة يؤدي إلى تغير في الخواص الفيزيائية والكيميائية للأخيرة.

إن تساوي عدد الإلكترونات والبروتونات في النظام الذري هو السبب في أن إجمالي شحنته الكهربائية صفر. إذا تم انتهاك تساوي عدد الإلكترونات والبروتونات في النظام الذري، فإن الذرة تصبح نظاما مشحونا كهربائيا.

تسمى الذرة التي يضطرب توازن الشحنات الكهربائية المعاكسة في نظامها بسبب فقدان بعض إلكتروناتها أو على العكس من ذلك، اكتسبت كمية زائدة منها، أيونًا.

على العكس من ذلك، إذا اكتسبت الذرة بعض الإلكترونات الإضافية، فإنها تصبح أيونًا سالبًا. على سبيل المثال، ذرة الكلور التي اكتسبت إلكترونًا إضافيًا تتحول إلى أيون كلور سلبي مشحون مفردًا Cl -. تتحول ذرة الأكسجين التي تلقت إلكترونين إضافيين إلى أيون أكسجين سالب مضاعف الشحنة O، وما إلى ذلك.

الذرة التي تحولت إلى أيون تصبح نظامًا مشحونًا كهربائيًا بالنسبة للبيئة الخارجية. وهذا يعني أن الذرة بدأت تمتلك مجالًا كهربائيًا، وتشكل معه نظامًا ماديًا واحدًا، ومن خلال هذا المجال تقوم بالتفاعل الكهربائي مع جزيئات المادة المشحونة كهربائيًا الأخرى - الأيونات والإلكترونات والنوى الذرية المشحونة إيجابيًا، وما إلى ذلك.

إن قدرة الأيونات المتباينة على الانجذاب المتبادل لبعضها البعض هي السبب في أنها تتحد كيميائيًا لتشكل جزيئات أكثر تعقيدًا من المادة - الجزيئات.

وفي الختام تجدر الإشارة إلى أن أبعاد الذرة كبيرة جدًا مقارنة بأبعاد جزيئات المادة التي تتكون منها. تشغل نواة الذرة الأكثر تعقيدًا، مع جميع الإلكترونات، جزءًا من المليار من حجم الذرة. تظهر عملية حسابية بسيطة أنه إذا أمكن ضغط متر مكعب واحد من البلاتين بإحكام شديد بحيث تختفي المساحات داخل الذرة وبين الذرة، فإن الحجم سيكون مساويا لحوالي ملليمتر مكعب واحد.

بداية، من الضروري أن نفهم أن هناك أربعة أنواع منفصلة من الطاقة المنطلقة:

1) الطاقة الكيميائية التي تزود سياراتنا بالطاقة، وكذلك معظم أجهزة الحضارة الحديثة؛

2) طاقة الانشطار النووي، وتستخدم لتوليد حوالي 15% من الكهرباء التي نستهلكها؛

3) طاقة الاندماج النووي الساخن، التي تزود الشمس ومعظم النجوم بالطاقة؛

4) طاقة الاندماج النووي البارد والتي لاحظها بعض المجربين في الدراسات المعملية والتي يرفض وجودها معظم العلماء.

كمية الطاقة النووية المنبعثة (الحرارة/رطل الوقود) من جميع الأنواع الثلاثة أكبر بـ 10 ملايين مرة من الطاقة الكيميائية. كيف تختلف هذه الأنواع من الطاقة؟ ومن أجل فهم هذه المسألة، هناك حاجة إلى بعض المعرفة بالكيمياء والفيزياء.

من خلال الاستفادة من عروض هذا المتجر الإلكتروني الذي يبيع السلع المنزلية، يمكنك بسهولة شراء أي سلعة بأسعار معقولة.

لقد منحتنا الطبيعة نوعين من الجسيمات المشحونة بثبات: البروتونات والإلكترونات. البروتون هو جسيم ثقيل، صغير جدًا عادةً، ذو شحنة موجبة. عادة ما يكون الإلكترون خفيفًا وكبيرًا وذو حدود غامضة وله شحنة سالبة. تتجاذب الشحنات الموجبة والسالبة بعضها البعض، تمامًا كما يجذب القطب الشمالي للمغناطيس القطب الجنوبي. إذا تم تقريب مغناطيس بقطبه الشمالي من القطب الجنوبي لمغناطيس آخر، فسوف يتصادمان. سيطلق الاصطدام كمية صغيرة من الطاقة على شكل حرارة، لكنها صغيرة جدًا بحيث لا يمكن قياسها بسهولة. لفصل المغناطيس، سيتعين عليك القيام بالعمل، أي إنفاق الطاقة. إنه تقريبًا مثل رفع حجر إلى أعلى التل.

إن دحرجة الحجر إلى أسفل التل تنتج كمية صغيرة من الحرارة، لكن رفع الحجر مرة أخرى يتطلب طاقة.

وبنفس الطريقة، تصطدم الشحنة الموجبة للبروتون بالشحنة السالبة للإلكترون، فتلتصق ببعضها البعض، وتطلق الطاقة. والنتيجة هي ذرة هيدروجين، يُشار إليها بـ H. وذرة الهيدروجين ليست أكثر من إلكترون غامض يغلف بروتونًا صغيرًا. إذا قمت بإخراج إلكترون من ذرة الهيدروجين، فستحصل على أيون H+ موجب الشحنة، وهو ليس أكثر من البروتون الأصلي. "الأيون" هو الاسم الذي يطلق على الذرة أو الجزيء الذي فقد أو اكتسب إلكترونًا واحدًا أو أكثر، وبالتالي لم يعد محايدًا.

كما تعلم، هناك أكثر من نوع من الذرات في الطبيعة. فلدينا ذرات الأكسجين، وذرات النيتروجين، وذرات الحديد، وذرات الهيليوم وغيرها. كيف هم جميعا مختلفة؟ تحتوي جميعها على أنواع مختلفة من النوى، وتحتوي جميع النوى على أعداد مختلفة من البروتونات، مما يعني أن لها شحنات موجبة مختلفة. تحتوي نواة الهيليوم على 2 بروتون، مما يعني أن شحنتها زائد 2، ومن أجل تحييد الشحنة، يلزم وجود إلكترونين. وعندما "يلتصق" به إلكترونين، تتشكل ذرة الهيليوم. تحتوي نواة الأكسجين على 8 بروتونات وشحنتها 8. وعندما تلتصق بها 8 إلكترونات، تتشكل ذرة الأكسجين. تحتوي ذرة النيتروجين على 7 إلكترونات، بينما تحتوي ذرة الحديد على حوالي 26 إلكترونًا. ومع ذلك، فإن بنية جميع الذرات هي نفسها تقريبًا: نواة صغيرة موجبة الشحنة تقع في سحابة من الإلكترونات المنتشرة. الفرق في الحجم بين النواة والإلكترونات هائل.

ويبلغ قطر الشمس 100 مرة فقط قطر الأرض. قطر السحابة الإلكترونية في الذرة أكبر بـ 100.000 مرة من قطر النواة. من أجل الحصول على الفرق في الأحجام، تحتاج إلى تكعيب هذه الأرقام.

الآن نحن على استعداد لفهم ما هي الطاقة الكيميائية. وبما أن الذرات محايدة كهربائيًا، فيمكنها في الواقع الارتباط ببعضها البعض، مما يؤدي إلى إطلاق المزيد من الطاقة. بمعنى آخر، يمكنهم الاتصال بتكوينات أكثر استقرارًا. تحاول الإلكترونات الموجودة بالفعل في الذرة توزيع نفسها بحيث تقترب من النواة قدر الإمكان، ولكن بسبب طبيعتها المنتشرة فإنها تتطلب مساحة معينة. ومع ذلك، عندما تتحد مع إلكترونات من ذرة أخرى، فإنها عادةً ما تشكل تكوينًا أقرب، مما يسمح لها بالاقتراب من النوى. على سبيل المثال، يمكن أن تتحد ذرتان هيدروجين في تكوين أكثر إحكاما إذا تخلت كل ذرة هيدروجين عن إلكترونها إلى سحابة مكونة من إلكترونين، والتي يتم تقاسمها بين بروتونين.

وهكذا فإنهم يشكلون مجموعة تتكون من إلكترونين في سحابة واحدة وبروتونين يفصل بينهما فراغ، ولكنها مع ذلك تقع داخل سحابة الإلكترونات. ونتيجة لذلك، يحدث تفاعل كيميائي يحدث مع إطلاق الحرارة: H+H => HG (العلامة "=>" تعني "يتحول إلى" أو "يصبح"). تكوين H2 هو جزيء هيدروجين. عندما تشتري أسطوانة من الهيدروجين، فلن تحصل على أكثر من جزيئات H. علاوة على ذلك، من خلال الجمع بين إلكترونين H 2 و8 إلكترونات من ذرة O، يمكن أن يشكل تكوينًا أكثر إحكاما - جزيء ماء H O بالإضافة إلى الحرارة. في الواقع، جزيء الماء عبارة عن سحابة واحدة من الإلكترونات، يوجد بداخلها ثلاث نوى نقطية. مثل هذا الجزيء هو الحد الأدنى لتكوين الطاقة.

وهكذا، عندما نحرق النفط أو الفحم، فإننا نعيد توزيع الإلكترونات. يؤدي هذا إلى تكوين تكوينات أكثر استقرارًا للنواة النقطية داخل السحب الإلكترونية ويصاحبها إطلاق الحرارة. هذه هي طبيعة الطاقة الكيميائية.

في المناقشة السابقة فاتنا نقطة واحدة. لماذا تحتوي النواة في الطبيعة في البداية على بروتونين أو أكثر؟ ولكل بروتون شحنة موجبة، وعندما تكون المسافة بين الشحنات الموجبة صغيرة جدًا بحيث تقارن بالمساحة المحيطة بالنواة، فإنها تتنافر بقوة مع بعضها البعض. إن تنافر الشحنات المتشابهة يشبه التنافر الذي يحدث بين القطبين الشماليين لمغناطيسين عند محاولة توصيلهما بشكل غير صحيح. ويجب أن يكون هناك شيء يتغلب على هذا التنافر، وإلا فلن توجد سوى ذرات الهيدروجين. ولحسن الحظ، نرى أن الأمر ليس كذلك.

هناك نوع آخر من القوة يؤثر على البروتون. هذه هي الطاقة النووية. نظرًا لحقيقة أنها كبيرة جدًا، فإن الجزيئات مثبتة بإحكام فوق بعضها البعض تقريبًا. بالإضافة إلى ذلك، هناك نوع ثانٍ من الجسيمات الثقيلة، يختلف عن البروتون فقط في أنه ليس له شحنة موجبة ولا سالبة. لا يتم صدهم بواسطة الشحنة الإيجابية للبروتون. وتسمى هذه الجسيمات "النيوترونات" لأنها محايدة كهربائيا. تكمن الخصوصية في أن الحالة غير المتغيرة للجسيمات ممكنة فقط داخل النواة. بمجرد خروج الجسيم من النواة، فإنه يتحول خلال 10 دقائق تقريبًا إلى بروتون وإلكترون ونيوترينو مضاد خفيف جدًا. ومع ذلك، داخل القلب يمكن أن يبقى دون تغيير للمدة المرغوبة. مهما كان الأمر، فإن النيوترون والبروتون ينجذبان بشدة لبعضهما البعض. بعد أن اقتربوا من مسافة كافية، يتحدون، ويشكلون زوجًا قويًا جدًا، يسمى الديوترون، والذي تم تعيينه D+. يتحد ديترون واحد مع إلكترون واحد ليشكل ذرة هيدروجين ثقيل، أو ديوتريوم، يُشار إليه بـ D.

يحدث التفاعل النووي الثاني عندما يتفاعل اثنان من الديوترونات. عندما يُجبر اثنان من الديوترونات على التفاعل، فإنهما يتحدان لتكوين جسيم ذي شحنة مزدوجة. تعتبر المجموعة المكونة من بروتونين ونيوترونين أكثر استقرارًا من مجموعة بروتون نيوترون في الديوترون. يصبح الجسيم الجديد، الذي تم تحييده بواسطة إلكترونين، نواة ذرة الهيليوم، والتي تسمى He. كما توجد في الطبيعة مجموعات كبيرة هي نواة الكربون والنيتروجين والأكسجين والحديد وغيرها من الذرات. إن وجود كل هذه المجموعات ممكن بسبب القوة النووية التي تنشأ بين الجزيئات عندما تتفاعل مع بعضها البعض أو تتشارك في حجم إجمالي من الفضاء يساوي حجم النواة.

يمكننا الآن أن نفهم طبيعة الطاقة النووية العادية، وهي في الواقع طاقة انشطارية نووية. طوال التاريخ المبكر للكون، تشكلت النجوم الضخمة. وعندما انفجرت مثل هذه النجوم الضخمة، تشكلت أنواع عديدة من النوى وانفجرت مرة أخرى في الفضاء. وتشكلت الكواكب والنجوم بما فيها الشمس من هذه الكتلة.

من الممكن أنه أثناء الانفجار ظهرت جميع التكوينات المستقرة الممكنة للبروتونات والنيوترونات، بالإضافة إلى مجموعات مستقرة عمليًا مثل نواة اليورانيوم. هناك في الواقع ثلاثة أنواع من نواة ذرة اليورانيوم: اليورانيوم 234، واليورانيوم 235، واليورانيوم 238. وتختلف هذه "النظائر" في عدد النيوترونات، إلا أنها تحتوي جميعها على 92 بروتونًا. يمكن أن تتغير نوى أي نوع من ذرات اليورانيوم إلى تكوينات طاقة أقل عن طريق الهروب من نواة الهيليوم، ومع ذلك، تحدث هذه العملية نادرًا جدًا لدرجة أن اليورانيوم الأرضي يحتفظ بخصائصه لمدة حوالي 4 مليارات سنة.

ومع ذلك، هناك طريقة أخرى لتعطيل تكوين نواة اليورانيوم. بشكل عام، تكون مجموعات البروتونات والنيوترونات أكثر استقرارًا إذا كانت تحتوي على حوالي 60 زوجًا من البروتونات النيوترونات. ويبلغ عدد هذه الأزواج الموجودة في نواة اليورانيوم ثلاثة أضعاف هذا الرقم. ونتيجة لذلك، فإنه يميل إلى الانقسام إلى قسمين، وإطلاق كمية كبيرة من الحرارة. لكن الطبيعة لا تسمح لها بالانفصال. من أجل القيام بذلك، يحتاج أولاً إلى الانتقال إلى تكوين طاقة أعلى. ومع ذلك، هناك نوع واحد من اليورانيوم - اليورانيوم 235، المعين 235 يو - يحصل على الطاقة اللازمة عن طريق التقاط نيوترون. بعد أن تلقت الطاقة اللازمة، تتحلل النواة، وتطلق كمية هائلة من الطاقة وتطلق نيوترونات إضافية. يمكن لهذه النيوترونات الإضافية بدورها أن تقسم نواة اليورانيوم 235، مما يؤدي إلى تفاعل متسلسل.

وهذا بالضبط ما يحدث في محطات الطاقة النووية، حيث يتم استخدام الحرارة الناتجة عن الاضمحلال النووي لغلي الماء، وتوليد البخار، وتشغيل مولد كهربائي. (عيب هذه الطريقة هو إطلاق النفايات المشعة، والتي يجب التخلص منها بشكل آمن).

نحن الآن على استعداد لفهم جوهر الاندماج النووي الساخن. كما تمت مناقشته في الدرس الخامس، تكون مجموعات البروتونات والنيوترونات أكثر استقرارًا عندما يتطابق عدد البروتونات والنيوترونات تقريبًا مع العدد الموجود في نواة ذرة الحديد. تمامًا مثل اليورانيوم، الذي يحتوي عادةً على عدد كبير جدًا من أزواج النيوترونات والبروتونات، تحتوي العناصر الخفيفة مثل الهيدروجين والهيليوم والكربون والنيتروجين والأكسجين على عدد قليل جدًا من هذه الأزواج.

إذا تم تهيئة الظروف اللازمة لتفاعل هذه النوى، فسوف تتحد في مجموعات أكثر استقرارًا مع إطلاق الحرارة. هذه هي الطريقة التي تحدث بها عملية التوليف. ويحدث بشكل طبيعي في النجوم مثل الشمس. في الطبيعة، يصبح الهيدروجين المضغوط ساخنًا جدًا، وبعد مرور بعض الوقت يحدث تفاعل تخليقي. إذا حدثت العملية في البداية مع الديوترونات، التي تحتوي بالفعل على بروتونات ونيوترونات مضاعفة، فإن التفاعلات في النجوم ستتم بسهولة نسبيًا. إن السرعة التي يتحرك بها كل نوع معين من الذرات داخل سحابة من الذرات المماثلة تعتمد بشكل مباشر على درجة الحرارة. كلما ارتفعت درجة الحرارة، زادت السرعة، وكلما اقتربت الذرات من بعضها البعض، مما يحدث تصادمًا لحظيًا.

في النجوم، تكون درجة الحرارة مرتفعة بما يكفي لخروج الإلكترونات من النواة. وهكذا يمكننا القول أننا في الواقع نتعامل مع سحابة مختلطة من الإلكترونات والنوى. عند درجات الحرارة المرتفعة جدًا، تكون النوى في لحظة الاصطدام قريبة جدًا من بعضها البعض بحيث يتم تنشيط القوة النووية، مما يؤدي إلى جذبها لبعضها البعض. ونتيجة لذلك، يمكن للنوى أن "تلتصق ببعضها البعض" وتتحول إلى مجموعة منخفضة الطاقة من البروتونات والنيوترونات، مما يؤدي إلى إطلاق الحرارة. الاندماج النووي الساخن هو محاولة لتنفيذ هذه العملية في بيئة معملية باستخدام الديوتيريوم والهيدروجين الثلاثي (الذي تحتوي نواته على بروتون واحد ونيوترونين) كغاز. يتطلب الاندماج الساخن الحفاظ على درجات حرارة الغاز لمئات الملايين من الدرجات، وهو ما يمكن تحقيقه باستخدام المجال المغناطيسي، ولكن لمدة 1-2 ثانية فقط. ومن المأمول أن يكون من الممكن الحفاظ على درجة حرارة الغاز لفترة أطول من الزمن. وطالما كانت درجة الحرارة مرتفعة بما فيه الكفاية، يحدث تفاعل نووي عندما تصطدم النوى.

الشكل الرئيسي الذي يتم فيه إطلاق الطاقة هو إطلاق النيوترونات والبروتونات عالية الطاقة. تتحول البروتونات إلى حرارة بسرعة كبيرة. ويمكن أيضًا تحويل طاقة النيوترونات إلى حرارة، ولكن بعد ذلك تصبح المعدات مشعة. يبدو أن إزالة التلوث من المعدات أمر صعب للغاية، لذا فإن الاندماج الساخن ليس مناسبًا كوسيلة لإنتاج الطاقة التجارية. على أية حال، فإن طاقة الاندماج الساخن هي حلم موجود منذ 50 عامًا على الأقل. ومع ذلك، يرى معظم العلماء أن الاندماج الساخن هو الطريقة الوحيدة لإنتاج طاقة الاندماج. تنتج عملية الاندماج الساخن إشعاعًا أقل من الانشطار، فهي مصدر وقود صديق للبيئة وغير محدود عمليًا على الأرض (بالنسبة لاستهلاك الطاقة الحديث، سيكون كافيًا لملايين السنين).

وأخيرا، نأتي إلى شرح الاندماج البارد. يمكن أن يكون الاندماج البارد طريقة بسيطة وغير مشعة لإطلاق طاقة الاندماج. أثناء الاندماج البارد، تتفاعل البروتونات والنيوترونات في نواة واحدة مع البروتونات والنيوترونات في نواة أخرى بطريقة مختلفة تمامًا.

وفي الوقت نفسه، تساعدهم القوة النووية على تكوين تكوين أكثر استقرارًا. من الضروري لأي تفاعل نووي أن يكون للنوى المتفاعلة حجم مشترك من الفضاء. ويسمى هذا الشرط محاذاة الجسيمات. في الاندماج الساخن، يحدث اتحاد الجزيئات لفترة قصيرة، عندما يتم التغلب على القوة التنافرية لشحنتين موجبتين، وتصطدم النوى. أثناء الاندماج البارد، يتم تحقيق حالة اندماج الجسيمات عن طريق إجبار نوى الديوتيريوم على التصرف كجسيمات غامضة، مثل الإلكترونات، وليس كجسيمات نقطية صغيرة. عند إضافة الهيدروجين الخفيف أو الثقيل إلى معدن ثقيل، فإن كل "ذرة" هيدروجين تحتل موقعًا حيث تكون محاطة من جميع الجوانب بذرات المعدن الثقيل.

ويسمى هذا الشكل من الهيدروجين بالمتوسط. تصبح إلكترونات ذرات الهيدروجين، مع الهيدروجين الوسيط، جزءًا من كتلة الإلكترونات الموجودة في المعدن. تتأرجح كل نواة هيدروجين مثل البندول أثناء مرورها عبر سحابة الإلكترونات ذات الشحنة السالبة للمعدن. ويحدث مثل هذا الاهتزاز حتى عند درجات حرارة منخفضة جدًا، وفقًا لمسلمات ميكانيكا الكم. هذا النوع من الحركة يسمى حركة نقطة الصفر. وفي هذه الحالة، تصبح النوى أجسامًا ضبابية، مثل الإلكترونات الموجودة في الذرة. ومع ذلك، فإن هذا الغموض لا يكفي للسماح لنواة الهيدروجين بالتفاعل مع أخرى.

هناك شرط آخر وهو أن يكون لاثنين أو أكثر من نواة الهيدروجين نفس المساحة المشتركة. يتصرف التيار الكهربائي الذي تحمله الإلكترونات في المعدن كموجة مادة مهتزة وليس كجسيمات نقطية. لو لم تتصرف الإلكترونات مثل الموجات في المواد الصلبة، لما وجدت الترانزستورات ولا أجهزة الكمبيوتر الحديثة اليوم. يسمى الإلكترون على شكل موجة إلكترون دالة بلوخ. سر الاندماج البارد هو الحاجة إلى الحصول على الديوترون من وظيفة بلوخ. لكي يكون لاثنين أو أكثر من الديوترونات حجم مشترك من الفضاء، يجب إنتاج الديوترونات الموجية داخل أو على سطح المادة الصلبة. بمجرد إنشاء الديوترونات ذات وظيفة بلوخ، تبدأ القوة النووية في العمل، ويتم إعادة تنظيم البروتونات والنيوترونات التي تشكل الديوترون في تكوين هيليوم أكثر استقرارًا لوظيفة بلوخ، والذي يصاحبه إطلاق الحرارة.

لدراسة الاندماج البارد، يحتاج المجرب إلى إجبار الديوترونات على الدخول في حالة موجية والحفاظ عليها في هذه الحالة. تثبت تجارب الاندماج البارد التي أظهرت إطلاق الحرارة الزائدة أن هذا ممكن. ومع ذلك، لا أحد يعرف حتى الآن كيفية تنفيذ مثل هذه العملية بالطريقة الأكثر موثوقية. إن استخدام الاندماج البارد يَعِد بتوفير مصدر طاقة يدوم لملايين السنين، دون مشاكل الانحباس الحراري أو النشاط الإشعاعي - ولهذا السبب ينبغي بذل جهود جادة لدراسة هذه الظاهرة.

• ترجمة

في مركز كل ذرة توجد النواة، وهي عبارة عن مجموعة صغيرة من الجسيمات تسمى البروتونات والنيوترونات. في هذه المقالة سوف ندرس طبيعة البروتونات والنيوترونات، والتي تتكون من جسيمات أصغر - الكواركات والجلونات والكواركات المضادة. (الغلوونات، مثل الفوتونات، هي جسيمات مضادة خاصة بها). الكواركات والجلونات، على حد علمنا، يمكن أن تكون أولية حقًا (غير قابلة للتجزئة ولا تتكون من أي شيء أصغر حجمًا). ولكن لهم في وقت لاحق.

من المثير للدهشة أن البروتونات والنيوترونات لها نفس الكتلة تقريبًا - بدقة تصل إلى نسبة مئوية:

• 0.93827 GeV/c2 للبروتون،
• 0.93957 GeV/c2 للنيوترون.

هذا هو مفتاح طبيعتهم - فهم متشابهون جدًا في الواقع. نعم، هناك فرق واحد واضح بينهما: البروتون لديه شحنة كهربائية موجبة، في حين أن النيوترون ليس له شحنة (فهو محايد، ومن هنا اسمه). وبناء على ذلك، فإن القوى الكهربائية تؤثر على الأول، ولكن ليس على الثاني. للوهلة الأولى يبدو هذا التمييز مهمًا جدًا! ولكن في الواقع ليس كذلك. وبكل المعنى الآخر، فإن البروتون والنيوترون هما توأمان تقريبًا. ليست كتلتها متطابقة فحسب، بل أيضًا بنيتها الداخلية.

نظرًا لأنها متشابهة جدًا، ولأن هذه الجسيمات تشكل النوى، غالبًا ما تسمى البروتونات والنيوترونات بالنيوكليونات.

تم التعرف على البروتونات ووصفها حوالي عام 1920 (على الرغم من اكتشافها سابقًا؛ حيث أن نواة ذرة الهيدروجين هي مجرد بروتون واحد)، وتم اكتشاف النيوترونات حوالي عام 1933. وقد أدرك على الفور تقريبًا أن البروتونات والنيوترونات متشابهة جدًا مع بعضها البعض. لكن حقيقة أن حجمها قابل للقياس يمكن مقارنته بحجم النواة (حوالي 100000 مرة أصغر في نصف قطر الذرة) لم تكن معروفة حتى عام 1954. لقد تم فهم حقيقة أنها تتكون من الكواركات والكواركات المضادة والجلونات تدريجيًا منذ منتصف الستينيات وحتى منتصف السبعينيات. بحلول أواخر السبعينيات وأوائل الثمانينيات، كان فهمنا للبروتونات والنيوترونات وما تتكون منه قد استقر إلى حد كبير، وظل دون تغيير منذ ذلك الحين.

إن وصف النيوكليونات أصعب بكثير من وصف الذرات أو النوى. لا يعني هذا أن الذرات بسيطة في الأساس، ولكن على الأقل يمكن للمرء أن يقول دون التفكير في أن ذرة الهيليوم تتكون من إلكترونين يدوران حول نواة هيليوم صغيرة؛ ونواة الهيليوم عبارة عن مجموعة بسيطة إلى حد ما من نيوترونين وبروتونات. ولكن مع النيوكليونات، كل شيء ليس بهذه البساطة. لقد كتبت بالفعل في مقال "ما هو البروتون وما بداخله؟" أن الذرة تشبه المينوت الأنيق، والنوكليون يشبه الحفلة الجامحة.

يبدو أن تعقيد البروتون والنيوترون حقيقي، ولا ينبع من معرفة غير كاملة بالفيزياء. لدينا معادلات تستخدم لوصف الكواركات، والكواركات المضادة، والجلونات، والتفاعلات النووية القوية التي تحدث بينها. تسمى هذه المعادلات QCD، من الديناميكا اللونية الكمومية. يمكن اختبار دقة المعادلات بعدة طرق، بما في ذلك قياس عدد الجسيمات المنتجة في مصادم الهادرونات الكبير. من خلال توصيل معادلات QCD بجهاز كمبيوتر وإجراء حسابات على خصائص البروتونات والنيوترونات والجسيمات المماثلة الأخرى (التي تسمى مجتمعة "الهدرونات")، نحصل على تنبؤات لخصائص هذه الجسيمات التي تقارب بشكل وثيق الملاحظات التي تم إجراؤها في العالم الحقيقي. لذلك، لدينا سبب للاعتقاد بأن معادلات QCD لا تكذب، وأن معرفتنا بالبروتون والنيوترون مبنية على المعادلات الصحيحة. لكن مجرد الحصول على المعادلات الصحيحة لا يكفي، للأسباب التالية:

• المعادلات البسيطة يمكن أن يكون لها حلول معقدة للغاية،
• في بعض الأحيان يكون من المستحيل وصف القرارات المعقدة بطريقة بسيطة.

بقدر ما يمكننا أن نقول، هذا هو الحال تمامًا مع النيوكليونات: فهي حلول معقدة لمعادلات QCD بسيطة نسبيًا، وليس من الممكن وصفها في بضع كلمات أو صور.

بسبب التعقيد المتأصل في النيوكليونات، سيتعين عليك، أيها القارئ، أن تختار: ما مقدار ما تريد معرفته عن التعقيد الموصوف؟ بغض النظر عن مدى تقدمك، فمن المرجح ألا يجلب لك الرضا: كلما تعلمت أكثر، أصبح الموضوع أكثر وضوحًا، لكن الإجابة النهائية ستبقى كما هي - البروتون والنيوترون معقدان للغاية. أستطيع أن أقدم لك ثلاثة مستويات من الفهم، مع مزيد من التفاصيل؛ يمكنك التوقف بعد أي مستوى والانتقال إلى موضوعات أخرى، أو يمكنك الغوص حتى المستوى الأخير. يثير كل مستوى أسئلة يمكنني الإجابة عليها جزئيًا في المستوى التالي، لكن الإجابات الجديدة تثير أسئلة جديدة. في النهاية - كما أفعل في المناقشات المهنية مع الزملاء والطلاب المتقدمين - لا يمكنني إلا أن أحيلك إلى البيانات التي تم الحصول عليها في التجارب الحقيقية، إلى مختلف الحجج النظرية المؤثرة، والمحاكاة الحاسوبية.

المستوى الأول من الفهم

مما تتكون البروتونات والنيوترونات؟

أرز. 1: نسخة مبسطة للغاية من البروتونات، تتكون من كواركين علويين وكوارك سفلي واحد فقط، والنيوترونات، تتكون من كواركين سفلي وكوارك واحد فقط

ولتبسيط الأمور، تشير العديد من الكتب والمقالات والمواقع الإلكترونية إلى أن البروتونات تتكون من ثلاثة كواركات (كواركان علويان وكوارك واحد سفلي) ورسموا شيئًا مثل الشكل 1. 1. النيوترون هو نفسه، ويتكون فقط من كوارك علوي واثنين من الكواركات السفلية. هذه الصورة البسيطة توضح ما كان يعتقده بعض العلماء، وأغلبه في الستينيات. ولكن سرعان ما أصبح من الواضح أن وجهة النظر هذه تم تبسيطها إلى درجة أنها لم تعد صحيحة.

ومن مصادر المعلومات الأكثر تطورًا، ستتعلم أن البروتونات تتكون من ثلاثة كواركات (اثنان علوي وواحد سفلي) متماسكة معًا بواسطة غلوونات - وقد تظهر صورة مشابهة للشكل 1. 2، حيث يتم رسم الغلوونات على شكل نوابض أو أوتار تحمل الكواركات. النيوترونات هي نفسها، فقط مع كوارك علوي واحد واثنين من الكواركات السفلية.

أرز. 2: تحسين الشكل. 1 بسبب التأكيد على الدور الهام للقوة النووية القوية التي تحمل الكواركات في البروتون

هذه ليست طريقة سيئة لوصف النيوكليونات، لأنها تؤكد على الدور الهام للقوة النووية الشديدة، التي تحمل الكواركات في البروتون على حساب الغلوونات (تماما كما يرتبط الفوتون، الجسيم الذي يشكل الضوء، بـ القوة الكهرومغناطيسية). لكن هذا أيضًا محير لأنه لا يفسر حقًا ماهية الغلوونات أو ما تفعله.

هناك أسباب للمضي قدمًا ووصف الأشياء بالطريقة التي قمت بها: يتكون البروتون من ثلاثة كواركات (اثنان لأعلى وواحد لأسفل)، ومجموعة من الغلوونات، وجبل من أزواج الكواركات والكواركات المضادة (معظمها كواركات علوية وسفلية، ولكن هناك عدد قليل منها غريبة كذلك). جميعها تطير ذهابًا وإيابًا بسرعات عالية جدًا (تقترب من سرعة الضوء)؛ هذه المجموعة بأكملها متماسكة بواسطة القوة النووية القوية. لقد أظهرت هذا في الشكل. 3. النيوترونات هي نفسها مرة أخرى، ولكن مع كوارك واحد علوي واثنين من الكواركات السفلية؛ يُشار إلى الكوارك الذي غير هويته بسهم.

أرز. 3: تمثيل أكثر واقعية للبروتونات والنيوترونات، رغم أنه لا يزال غير كامل

هذه الكواركات والكواركات المضادة والجلونات لا تندفع ذهابًا وإيابًا بشكل جامح فحسب، بل تتصادم أيضًا مع بعضها البعض وتتحول إلى بعضها البعض من خلال عمليات مثل إبادة الجسيمات (حيث يتحول الكوارك والكوارك المضاد من نفس النوع إلى اثنين من الجلونات، أو العكس) أو امتصاص وانبعاث غلوون (حيث يمكن أن يصطدم كوارك وغلوون وينتج كوارك وغلوونين، أو العكس).

ما هو القاسم المشترك بين هذه الأوصاف الثلاثة:

• اثنان من الكواركات العلوية وكوارك سفلي (بالإضافة إلى شيء آخر) للبروتون.
• يحتوي النيوترون على كوارك علوي واحد واثنين من الكواركات السفلية (بالإضافة إلى شيء آخر).
• "الشيء الآخر" للنيوترونات يتطابق مع "الشيء الآخر" للبروتونات. أي أن النيوكليونات لها نفس "الشيء الآخر".
• ويظهر الاختلاف البسيط في الكتلة بين البروتون والنيوترون نتيجة للاختلاف في كتلتي الكوارك السفلي والكوارك العلوي.

ولأن:

• بالنسبة للكواركات العلوية، الشحنة الكهربائية تساوي 2/3 e (حيث e هي شحنة البروتون، -e هي شحنة الإلكترون)،
• الكواركات السفلية لها شحنة -1/3e،
• الغلوونات لها شحنة 0
• أي كوارك وكوارك مضاد له شحنة إجمالية قدرها 0 (على سبيل المثال، كوارك مضاد له شحنة +1/3e، وبالتالي فإن الكوارك السفلي والكوارك السفلي سيكون لهما شحنة قدرها -1/3 e +1/3) ه = 0)،

يعين كل شكل الشحنة الكهربائية للبروتون لاثنين من الكواركات العلوية وكوارك واحد سفلي، ويضيف "الشيء الآخر" 0 إلى الشحنة. وبالمثل، فإن النيوترون لديه شحنة صفرية بسبب وجود كوارك علوي واحد وكواركين سفلي:

• إجمالي الشحنة الكهربائية للبروتون هو 2/3 ه + 2/3 ه - 1/3 ه = ه،
• إجمالي الشحنة الكهربائية للنيوترون هو 2/3 ه – 1/3 ه – 1/3 ه = 0.

وتختلف هذه الأوصاف في النواحي التالية:

• ما مقدار "الشيء الآخر" الموجود داخل النوكليون،
• ماذا يفعل هناك
• من أين تأتي كتلة وطاقة الكتلة (E = mc 2، الطاقة الموجودة هناك حتى عندما يكون الجسيم في حالة سكون) للنوكليون.

وبما أن معظم كتلة الذرة، وبالتالي كل المادة العادية، موجودة في البروتونات والنيوترونات، فإن النقطة الأخيرة مهمة للغاية لفهم صحيح لطبيعتنا.

أرز. يقول 1 أن الكواركات هي في الأساس ثلث النوكليون، تمامًا مثل البروتون أو النيوترون الذي يمثل ربع نواة الهيليوم أو 1/12 من نواة الكربون. إذا كانت هذه الصورة صحيحة، فإن الكواركات الموجودة في النوكليون ستتحرك ببطء نسبي (بسرعات أبطأ بكثير من الضوء) مع حدوث تفاعلات ضعيفة نسبيًا بينها (وإن كان ذلك مع وجود بعض القوى القوية التي تثبتها في مكانها). ستكون كتلة الكوارك، لأعلى ولأسفل، في حدود 0.3 GeV/c 2 ، أي حوالي ثلث كتلة البروتون. لكن هذه الصورة البسيطة والأفكار التي تفرضها خاطئة بكل بساطة.

أرز. 3. يعطي فكرة مختلفة تمامًا عن البروتون، فهو عبارة عن مرجل من الجسيمات يتجول فيه بسرعات قريبة من الضوء. وتتصادم هذه الجسيمات مع بعضها البعض، وفي هذه التصادمات يفنى بعضها ويخلق بعضها الآخر مكانها. الغلوونات ليس لها كتلة، وكتل الكواركات العلوية في حدود 0.004 GeV/c 2 ، وكتل الكواركات السفلية في حدود 0.008 GeV/c 2 - أقل بمئات المرات من البروتون. من أين تأتي طاقة كتلة البروتون هو سؤال معقد: جزء منها يأتي من طاقة كتلة الكواركات والكواركات المضادة، وجزء منها يأتي من طاقة حركة الكواركات والكواركات المضادة والجلونات، وجزء (ربما موجب، وربما سلبي) ) من الطاقة المخزنة في التفاعل النووي القوي، الذي يجمع الكواركات والكواركات المضادة والغلوونات معًا.

بمعنى ما، الشكل. 2 محاولات لحل الفرق بين الشكل 2. 1 والتين. 3. يبسط الشكل. 3، إزالة العديد من أزواج الكواركات والكواركات المضادة، والتي، من حيث المبدأ، يمكن أن تسمى سريعة الزوال، لأنها تظهر وتختفي باستمرار، وليست ضرورية. لكنه يعطي الانطباع بأن الجلونات الموجودة في النيوكليونات هي جزء مباشر من القوة النووية الشديدة التي تربط البروتونات معًا. ولا يفسر من أين تأتي كتلة البروتون.

في التين. 1- هناك عيب آخر، بالإضافة إلى الإطارات الضيقة للبروتون والنيوترون. ولا يفسر بعض خصائص الهادرونات الأخرى، على سبيل المثال، بيون ورو ميزون. التين. لديه نفس المشاكل. 2.

أدت هذه القيود إلى حقيقة أنني أعطي طلابي وعلى موقع الويب الخاص بي الصورة من الشكل 1. 3. لكني أريد أن أحذرك من أن لها أيضًا العديد من القيود، والتي سأناقشها لاحقًا.

ومن الجدير بالذكر أن التعقيد الشديد للهيكل الذي يشير إليه الشكل. 3 يمكن توقعه من جسم متماسك بقوة قوية مثل القوة النووية الشديدة. وشيء آخر: ثلاثة كواركات (اثنان لأعلى وواحد لأسفل للبروتون) التي لا تنتمي إلى مجموعة من أزواج الكواركات والكواركات المضادة تسمى غالبًا "كواركات التكافؤ"، وتسمى أزواج الكواركات والكواركات المضادة بـ "بحر من" أزواج الكواركات". مثل هذه اللغة ملائمة من الناحية الفنية في كثير من الحالات. لكنه يعطي انطباعًا خاطئًا بأنك إذا تمكنت من النظر داخل بروتون، ونظرت إلى كوارك معين، فيمكنك على الفور معرفة ما إذا كان جزءًا من البحر أم أنه جزء من التكافؤ. لا يمكن القيام بذلك، ببساطة لا توجد طريقة كهذه.

كتلة البروتون وكتلة النيوترون

نظرًا لأن كتل البروتون والنيوترون متشابهة جدًا، وبما أن البروتون والنيوترون يختلفان فقط في استبدال الكوارك العلوي بالكوارك السفلي، فمن المرجح أن كتلتيهما يتم توفيرهما بنفس الطريقة، وتأتي من نفس المصدر والفرق بينهما يكمن في الاختلاف الطفيف بين الكواركات العلوية والسفلية. لكن الأشكال الثلاثة أعلاه تشير إلى وجود ثلاث وجهات نظر مختلفة للغاية حول أصل كتلة البروتون.

أرز. يقول 1 أن الكواركات العلوية والسفلية تشكل ببساطة ثلث كتلة البروتون والنيوترون: في حدود 0.313 GeV/c2، أو بسبب الطاقة اللازمة لاحتواء الكواركات في البروتون. وبما أن الفرق بين كتلتي البروتون والنيوترون هو جزء من النسبة المئوية، فإن الفرق بين كتلتي الكوارك العلوي والسفلي يجب أن يكون أيضًا جزءًا من النسبة المئوية.

أرز. 2 أقل وضوحا. ما مقدار كتلة البروتون الناتجة عن الجلونات؟ لكن، من حيث المبدأ، يستنتج من الشكل أن معظم كتلة البروتون لا تزال تأتي من كتلة الكواركات، كما في الشكل 1. 1.

أرز. يعكس الشكل 3 نهجًا أكثر دقة لكيفية ظهور كتلة البروتون فعليًا (حيث يمكننا اختبارها مباشرة من خلال حسابات الكمبيوتر للبروتون، وبشكل غير مباشر باستخدام طرق رياضية أخرى). وهي مختلفة تمامًا عن الأفكار المعروضة في الشكل. 1 و 2، واتضح أنها ليست بهذه البساطة.

لفهم كيفية عمل ذلك، عليك أن تفكر ليس من حيث كتلة البروتون m، ولكن من حيث طاقة كتلته E = mc 2 ، وهي الطاقة المرتبطة بالكتلة. من الناحية النظرية، السؤال الصحيح ليس "من أين تأتي كتلة البروتون m،" وبعد ذلك يمكنك حساب E بضرب m في c 2 ، ولكن العكس: "من أين تأتي طاقة كتلة البروتون E، وبعد ذلك يمكنك حساب الكتلة m عن طريق قسمة E على c 2 .

من المفيد تصنيف المساهمات في طاقة كتلة البروتون إلى ثلاث مجموعات:

أ) الطاقة الجماعية (طاقة الراحة) للكواركات والكواركات المضادة الموجودة فيها (الغلوونات، الجسيمات عديمة الكتلة، لا تقدم أي مساهمة).
ب) طاقة الحركة (الطاقة الحركية) للكواركات والكواركات المضادة والجلونات.
ب) طاقة التفاعل (طاقة الربط أو الطاقة الكامنة) المخزنة في التفاعل النووي القوي (بتعبير أدق، في حقول الجلون) التي تحمل البروتون.

أرز. يقول الشكل 3 أن الجسيمات الموجودة داخل البروتون تتحرك بسرعة عالية، وأنه مملوء بغلونات عديمة الكتلة، وبالتالي فإن مساهمة B) أكبر من A). عادةً، في معظم الأنظمة الفيزيائية، يكون B) وC) متشابهين، في حين أن C) غالبًا ما يكون سلبيًا. لذا فإن طاقة الكتلة للبروتون (والنيوترون) تأتي بشكل أساسي من مزيج B) وC)، مع مساهمة A) بجزء صغير. ولذلك فإن كتل البروتون والنيوترون تظهر بشكل رئيسي ليس بسبب كتل الجسيمات التي تحتويها، ولكن بسبب طاقات حركة هذه الجسيمات وطاقة تفاعلها المرتبطة بحقول الغلونات التي تولد القوى التي تحمل المادة. بروتون. في معظم الأنظمة الأخرى المألوفة لدينا، يتم توزيع توازن الطاقة بشكل مختلف. على سبيل المثال، في الذرات وفي النظام الشمسي A) يهيمن، و B) و C) أصغر بكثير وقابلة للمقارنة من حيث الحجم.

وخلاصة القول نشير إلى ما يلي:

• أرز. 1 يفترض أن طاقة كتلة البروتون تأتي من المساهمة أ).
• أرز. يفترض الشكل 2 أن كلا المساهمتين (أ) و(ب) مهمتان، مع قيام (ب) بتقديم مساهمة صغيرة.
• أرز. يشير الشكل 3 إلى أن B) وC) مهمان، وتبين أن مساهمة A) غير مهمة.

نحن نعلم أن الشكل صحيح. 3. يمكننا إجراء عمليات محاكاة حاسوبية لاختبار ذلك، والأهم من ذلك، بفضل العديد من الحجج النظرية المقنعة، أننا نعلم أنه إذا كانت كتل الكواركات العلوية والسفلية صفرًا (وبقي كل شيء آخر كما هو)، فإن كتلة البروتون ستكون عمليا الصفر قد تغير. لذا، على ما يبدو، لا تستطيع كتل الكواركات تقديم مساهمات مهمة في كتلة البروتون.

إذا الشكل. 3 لا يكذب، كتل الكوارك والكوارك المضاد صغيرة جدًا. ما هي حقا مثل؟ لا تتجاوز كتلة الكوارك العلوي (وكذلك الكوارك المضاد) 0.005 GeV/c2، وهو أقل بكثير من 0.313 GeV/c2، كما يلي من الشكل 1. 1. (من الصعب قياس كتلة الكوارك العلوي وتختلف بسبب التأثيرات الدقيقة، لذلك قد تكون أقل بكثير من 0.005 GeV/c2). تبلغ كتلة الكوارك السفلي حوالي 0.004 GeV/s 2 أكبر من كتلة الكوارك العلوي. وهذا يعني أن كتلة أي كوارك أو كوارك مضاد لا تتجاوز واحد بالمائة من كتلة البروتون.

لاحظ أن هذا يعني (على عكس الشكل 1) أن نسبة كتلة الكوارك السفلي إلى كتلة الكوارك العلوي لا تقترب من الوحدة! كتلة الكوارك السفلي تعادل ضعف كتلة الكوارك العلوي على الأقل. السبب وراء التشابه الكبير في كتل النيوترون والبروتون ليس لأن كتل الكواركات العلوية والسفلية متشابهة، ولكن لأن كتل الكواركات العلوية والسفلية صغيرة جدًا - والفرق بينهما صغير نسبي لكتلة البروتون والنيوترون. تذكر أنه لتحويل البروتون إلى نيوترون، تحتاج ببساطة إلى استبدال أحد كواركاته العلوية بكوارك سفلي (الشكل 3). هذا الاستبدال كافٍ لجعل النيوترون أثقل قليلًا من البروتون، وتغيير شحنته من +e إلى 0.

وبالمناسبة، فإن حقيقة اصطدام الجسيمات المختلفة الموجودة داخل البروتون ببعضها البعض، والظهور والاختفاء المستمر، لا يؤثر على الأشياء التي نناقشها - فالطاقة تبقى محفوظة في أي تصادم. يمكن أن تتغير طاقة الكتلة وطاقة حركة الكواركات والجلونات، وكذلك طاقة تفاعلها، لكن الطاقة الإجمالية للبروتون لا تتغير، على الرغم من أن كل شيء بداخلها يتغير باستمرار. وبالتالي تظل كتلة البروتون ثابتة، على الرغم من دوامتها الداخلية.

عند هذه النقطة يمكنك التوقف واستيعاب المعلومات الواردة. مدهش! تقريبًا كل الكتلة الموجودة في المادة العادية تأتي من كتلة النيوكليونات في الذرات. ومعظم هذه الكتلة تأتي من الفوضى المتأصلة في البروتون والنيوترون - من طاقة حركة الكواركات والجلونات والكواركات المضادة في النيوكليونات، ومن طاقة التفاعلات النووية القوية التي تحمل النيوكليون في حالته بأكملها. نعم: كوكبنا، وأجسادنا، وأنفاسنا هي نتيجة لهذا الهدوء، وحتى وقت قريب، هرج ومرج لا يمكن تصوره.

أكتوبي، 2014

هادرون.فئة من الجسيمات الأولية المشاركة في التفاعل القوي. تتكون الهادرونات من الكواركات وتنقسم إلى مجموعتين: الباريونات (من ثلاثة كواركات) والميزونات (من الكوارك والكوارك المضاد). تتكون معظم المادة التي نلاحظها من الباريونات: البروتونات والنيوكليونات التي تشكل جزءًا من نوى الذرات.

نشاط المصدر المشع- نسبة العدد الإجمالي لاضمحلال النوى المشعة في المصدر المشع إلى زمن الاضمحلال.

إشعاع ألفا- نوع من الإشعاعات المؤينة - تيار من الجسيمات الموجبة الشحنة (جسيمات ألفا) المنبعثة أثناء التحلل الإشعاعي والتفاعلات النووية. قوة اختراق إشعاع ألفا منخفضة (يتم حظرها بورقة من الورق). من الخطير للغاية أن تدخل مصادر إشعاع ألفا إلى الجسم عن طريق الطعام أو الهواء أو من خلال الجلد التالف.

اضمحلال ألفا(أو اضمحلال ألفا) - الانبعاث التلقائي لجسيمات ألفا (نواة ذرة الهيليوم) بواسطة النوى الذرية

جسيم ألفا- جسيم يتكون من بروتونين ونيوترونين. مماثلة لنواة ذرة الهيليوم.

الإبادة- تفاعل جسيم أولي مع جسيم مضاد، فيختفيان، وتتحول طاقتهما إلى إشعاع كهرومغناطيسي.

الإبادة هي تفاعل جسيم وجسيم مضاد يتحولان إلى جزيئات أخرى عند الاصطدام.

الجسيم المضاد هو جسيم له نفس قيم الكتلة واللف والشحنة وغيرها من الخصائص الفيزيائية مثل جسيمه "التوأم"، ولكنه يختلف عنه في علامات بعض خصائص التفاعل (على سبيل المثال، علامة الشحنة الكهربائية) .

الجسيمات المضادة هي توأمان من الجسيمات الأولية العادية، تختلف عن الأخيرة في علامة شحنتها الكهربائية وعلامات بعض الخصائص الأخرى. يمتلك الجسيم والجسيم المضاد نفس الكتلة، والدوران، وعمر الحياة.

تكييف- محطة الطاقة النووية - مؤسسة صناعية لإنتاج الطاقة الكهربائية أو الحرارية باستخدام واحد أو أكثر من مفاعلات الطاقة النووية ومجموعة من الأنظمة والأجهزة والمعدات والهياكل اللازمة مع الموظفين اللازمين،

ذرة- أصغر جسيم من العنصر الكيميائي يحتفظ بخصائصه. تتكون من نواة تحتوي على بروتونات ونيوترونات وإلكترونات تتحرك حول النواة. عدد الإلكترونات الموجودة في الذرة يساوي عدد البروتونات الموجودة في النواة.

الكتلة الذرية- كتلة ذرة العنصر الكيميائي، معبراً عنها بوحدات الكتلة الذرية (amu). ل 1 أمو يتم قبول 1/12 من كتلة نظير الكربون ذو الكتلة الذرية 12 1 amu = 1.6605655·10-27 كجم. الكتلة الذرية هي مجموع كتل جميع البروتونات والنيوترونات الموجودة في ذرة معينة.

النواة الذرية- الجزء المركزي المشحون بشكل إيجابي من الذرة، والذي تدور حوله الإلكترونات وتتركز فيه كتلة الذرة بأكملها تقريبًا. يتكون من البروتونات والنيوترونات. يتم تحديد الشحنة النووية من خلال الشحنة الإجمالية للبروتونات في النواة وتتوافق مع العدد الذري للعنصر الكيميائي في الجدول الدوري للعناصر.

الباريونات- الجسيمات المكونة من ثلاثة كواركات، والتي تحدد أعدادها الكمومية. جميع الباريونات، باستثناء البروتون، غير مستقرة.

بركة تخزين- منشأة تقع في موقع مفاعل محطة الطاقة النووية للتخزين المؤقت للوقود النووي المستهلك تحت طبقة من الماء من أجل تقليل النشاط الإشعاعي واضمحلال الحرارة.

بيكريل(Bq) هي وحدة SI لنشاط المادة المشعة. 1 Bq يساوي نشاط مادة مشعة يحدث فيها حدث اضمحلال واحد خلال ثانية واحدة.
أشعة β- تدفق الإلكترونات السريعة .
أشعة ألفا- تدفق نوى الهيليوم.
أشعة جاما- موجات كهرومغناطيسية ذات طول موجي قصير جداً (L~10 -10 m).

إشعاع بيتا- نوع من الإشعاع المؤين - تدفق الإلكترونات أو البوزيترونات المنبعثة أثناء التفاعلات النووية أو الاضمحلال الإشعاعي. يمكن لأشعة بيتا أن تخترق أنسجة الجسم إلى عمق 1 سم، وتشكل خطراً على الإنسان من ناحيتي التعرض الخارجي والداخلي.

جسيمات بيتا– الإلكترونات والبوزيترونات المنبعثة من النوى الذرية، وكذلك النيوترون الحر أثناء اضمحلال بيتا. أثناء تحلل بيتا الإلكتروني للنواة الذرية، ينبعث الإلكترون e - (بالإضافة إلى النيوترينو المضاد) أثناء تحلل البوزيترون للنواة، ينبعث البوزيترون e + (والنيوترينو ν). يؤدي اضمحلال نيوترون حر (n) إلى إنتاج بروتون (p) وإلكترون ونيوترينو مضاد: n → p + e - + .
الإلكترون والبوزيترون- جسيمات مستقرة ذات دوران J = 1/2 (الزخم الزاوي الميكانيكي الداخلي)، تنتمي إلى فئة اللبتونات. البوزيترون هو جسيم مضاد للإلكترون.

الحماية البيولوجية- إنشاء حاجز إشعاعي حول قلب المفاعل ونظام التبريد الخاص به لمنع التأثيرات الضارة لإشعاع النيوترونات وجاما على الموظفين والجمهور والبيئة. في محطة الطاقة النووية، المادة الرئيسية للحماية البيولوجية هي الخرسانة. بالنسبة للمفاعلات عالية الطاقة، يصل سمك الشاشة الواقية الخرسانية إلى عدة أمتار.

البوزونات(من اسم الفيزيائي الهندي س. بوز) – الجسيمات الأولية، النوى الذرية، الذرات ذات الدوران الصفري أو العدد الصحيح (0ћ، 1ћ، 2ћ، …).

النيوترونات السريعة- النيوترونات التي تكون طاقتها الحركية أعلى من قيمة معينة معينة. يمكن أن تختلف هذه القيمة على نطاق واسع وتعتمد على التطبيق (فيزياء المفاعل أو الحماية أو قياس الجرعات). في فيزياء المفاعلات، غالبًا ما يتم اختيار هذه القيمة لتكون 0.1 MeV.

غرفة ويلسون- كاشف مسار الجسيمات المشحونة الأولية، حيث يتكون مسار (أثر) الجسيم من سلسلة من قطرات صغيرة من السائل على طول مسار حركتها.

أشعة غاما- نوع من الإشعاع المؤين - الإشعاع الكهرومغناطيسي المنبعث أثناء الاضمحلال الإشعاعي والتفاعلات النووية، وينتشر بسرعة الضوء وله طاقة عالية وقدرة على الاختراق. يضعف بشكل فعال عند التفاعل مع العناصر الثقيلة، مثل الرصاص. للتخفيف من إشعاع جاما في المفاعلات النووية في محطات الطاقة النووية، يتم استخدام شاشة واقية سميكة الجدران مصنوعة من الخرسانة.

قانون الاضمحلال الإشعاعي- القانون الذي يتم من خلاله إيجاد عدد الذرات غير المتحللة: N = N 0 2 -t/T.

الديوتيريوم- نظير الهيدروجين "الثقيل" ذو الكتلة الذرية 2.

كاشف الإشعاع المؤين- عنصر حساس في أداة القياس المصممة لتسجيل الإشعاعات المؤينة. يعتمد عملها على الظواهر التي تحدث عندما يمر الإشعاع عبر المادة.

جرعة الإشعاع- في مجال السلامة الإشعاعية - قياس تأثير الإشعاعات المؤينة على جسم بيولوجي، ولا سيما الشخص. هناك جرعات التعرض، والممتصة وما يعادلها.

الكتلة الزائدة(أو خلل جماعي) - معبرًا عنها بوحدات الطاقة، وهو الفرق بين كتلة الذرة المحايدة وحاصل ضرب عدد النيوكليونات (العدد الإجمالي للبروتونات والنيوترونات) في نواة هذه الذرة لكل وحدة كتلة ذرية

النظائر- النويدات التي لها نفس العدد الذري ولكن كتلتها الذرية مختلفة (على سبيل المثال، اليورانيوم 235 واليورانيوم 238).

النظائر- النوى الذرية التي لها نفس عدد البروتونات Z، وعدد مختلف من النيوترونات N، وبالتالي عدد كتلي مختلف A = Z + N. مثال: نظائر الكالسيوم Ca (Z = 20) - 38 Ca، 39 Ca، 40 كاليفورنيا، 41 كاليفورنيا، 42 كاليفورنيا.

النظائر المشعة هي نوى النظائر التي تخضع للتحلل الإشعاعي. معظم النظائر المعروفة مشعة (~3500).

غرفة ويلسون- جهاز لرصد آثار الجسيمات الدقيقة التي تتحرك بسرعة عالية (الإلكترونات والبروتونات وجسيمات ألفا وغيرها). تم إنشاؤها في عام 1912 من قبل الفيزيائي الإنجليزي ويلسون.

الكوارك هو جسيم أولي مشحون يشارك في التفاعل القوي. يتكون كل من البروتونات والنيوترونات من ثلاثة كواركات.

الإشعاع الكوني- الإشعاع المؤين الخلفي، ويتكون من الإشعاع الأولي القادم من الفضاء الخارجي والإشعاع الثانوي الناتج عن تفاعل الإشعاع الأولي مع الغلاف الجوي.

الأشعة الكونية هي تيارات من الجسيمات الأولية المشحونة ذات الطاقة العالية (البروتونات وجسيمات ألفا والإلكترونات بشكل رئيسي) تنتشر في الفضاء بين الكواكب وبين النجوم و"تقصف" الأرض بشكل مستمر.

معدل التكاثر- أهم خاصية للتفاعل المتسلسل الانشطاري، حيث تظهر نسبة عدد النيوترونات لجيل معين إلى عدد نيوترونات الجيل السابق في بيئة لا نهائية. غالبًا ما يستخدم تعريف آخر لعامل الضرب - نسبة معدلات توليد النيوترونات وامتصاصها.

الكتلة الحرجة- أصغر كتلة من الوقود يمكن أن يحدث فيها تفاعل متسلسل ذاتي الاستدامة للانشطار النووي بالنظر إلى تصميم وتركيبة معينة للنواة (يعتمد على العديد من العوامل، على سبيل المثال: تكوين الوقود، والمهدئ، وشكل النواة، وما إلى ذلك).

كوري (سي)- وحدة النشاط خارج النظام، في البداية نشاط 1 جرام من نظير الراديوم 226. 1Ci=3.7·1010 بيكريل.

الكتلة الحرجة(تك) - أصغر كتلة من الوقود النووي (اليورانيوم والبلوتونيوم) يحدث فيها تفاعل متسلسل نووي.

كوري(Ci) هي وحدة نشاط خارج النظام لمادة مشعة. 1 Ci = 3.7 10 10 بيكريل.

اللبتونات(من الكلمة اليونانية leptos - خفيف، صغير) - مجموعة من الجسيمات النقطية ذات دوران قدره 1/2ћ والتي لا تشارك في التفاعلات القوية. حجم اللبتون (إن وجد)<10 -17 см. Лептоны считаются точечными бесструктурными частицами. Существует три пары лептонов:

• الإلكترون (e -) والإلكترون النيوترينو (ν e)،
• الميون (μ –) والميون نيوترينو (ν μ),
• تاو ليبتون (τ -) وتاو نيوترينو (ν τ)،

النوى السحرية هي نوى ذرية تحتوي على ما يسمى الأعداد السحرية للبروتونات أو النيوترونات.

ز
ن

تمتلك هذه النوى طاقة ربط أكبر من النوى المجاورة لها. لديهم طاقة فصل نووية أعلى وهي أكثر شيوعًا في الطبيعة.

العدد الشامل(أ) - العدد الإجمالي للنيوكليونات (البروتونات والنيوترونات) في النواة الذرية؛ واحدة من الخصائص الرئيسية للنواة الذرية.

معدل الجرعة- نسبة الزيادة في جرعة الإشعاع خلال فترة زمنية إلى هذه الفترة (على سبيل المثال: rem/s، Sv/s، mrem/h، mSv/h، μrem/h، μSv/h).

نيوترون- جسيم أولي محايد كتلته قريبة من كتلة البروتون. وتشكل النيوترونات مع البروتونات نواة الذرة. في الحالة الحرة يكون غير مستقر ويتحلل إلى بروتون وإلكترون.

النويدة- نوع من الذرة يحتوي على عدد معين من البروتونات والنيوترونات في النواة، ويتميز بالكتلة الذرية والعدد الذري (الترتيبي).

التخصيب (بالنظير):

2. عملية تؤدي إلى زيادة محتوى نظير معين في خليط من النظائر.

تخصيب خام اليورانيوم- مجموعة من العمليات للمعالجة الأولية للمواد الخام المعدنية التي تحتوي على اليورانيوم، بهدف فصل اليورانيوم عن المعادن الأخرى التي يتكون منها الخام. في هذه الحالة، لا يوجد أي تغيير في تكوين المعادن، ولكن فقط فصلها الميكانيكي لإنتاج تركيز الخام.

الوقود النووي المخصب- الوقود النووي الذي يكون فيه محتوى النويدات الانشطارية أكبر من محتوى المواد الخام الطبيعية الأصلية.

اليورانيوم المخصب- اليورانيوم، حيث يكون محتوى نظير اليورانيوم 235 أعلى منه في اليورانيوم الطبيعي.

نصف الحياة(T) هي الفترة الزمنية التي يتحلل خلالها نصف العدد الأصلي للنوى.

نصف الحياة– الوقت الذي يتحلل فيه نصف النوى المشعة. هذه الكمية، التي يُشار إليها بـ T 1/2، هي ثابتة لنواة مشعة معينة (نظير). تميز القيمة T 1/2 بوضوح معدل انحلال النوى المشعة وتعادل ثابتين آخرين يميزان هذا المعدل: متوسط ​​عمر النواة المشعة τ واحتمال انحلال النواة المشعة لكل وحدة زمنية τ.

الجرعة الإشعاعية الممتصة- نسبة الطاقة الممتصة E للإشعاع المؤين إلى كتلة المادة المشععة به.

مسلمات بور- الافتراضات الأساسية التي قدمها ن. بور دون إثبات، والتي تشكل أساس نظرية الكم للذرة.

قاعدة الأوفست:أثناء الاضمحلال، تفقد النواة شحنتها الموجبة 2e، وتنخفض كتلتها بحوالي 4 amu؛ أثناء الاضمحلال b، تزداد شحنة النواة بمقدار 1e، لكن الكتلة لا تتغير.

نصف عمر النويدة المشعة- الوقت الذي سينخفض ​​فيه عدد نوى النويدة المشعة نتيجة للتحلل التلقائي بمقدار النصف.

بوزيترون- جسيم مضاد للإلكترون كتلته تساوي كتلة الإلكترون ولكنه يحمل شحنة كهربائية موجبة.

بروتون- جسيم أولي مستقر موجب الشحنة شحنته 1.61·10-19 درجة مئوية وكتلته 1.66·10-27 كجم. يشكل البروتون نواة النظير "الخفيف" لذرة الهيدروجين (البروتيوم). يحدد عدد البروتونات الموجودة في نواة أي عنصر شحنة النواة والعدد الذري لذلك العنصر.

النشاط الإشعاعي- التحول التلقائي (التحلل الإشعاعي) لنويدة غير مستقرة إلى نويدة أخرى، مصحوبًا بانبعاث إشعاعات مؤينة.

النشاط الإشعاعي- قدرة بعض النوى الذرية على التحول تلقائيًا إلى نوى أخرى، مع انبعاث جزيئات مختلفة.

الاضمحلال الإشعاعي- التحول النووي التلقائي.

مفاعل مربي- مفاعل سريع يتجاوز فيه عامل التحويل 1 ويتم فيه التكاثر الموسع للوقود النووي.

عداد جيجر(أو عداد جيجر مولر) هو عداد مملوء بالغاز من الجسيمات الأولية المشحونة، يتم تضخيم الإشارة الكهربائية منه بسبب التأين الثانوي لحجم غاز العداد ولا يعتمد على الطاقة التي يتركها الجسيم في هذا مقدار.

عنصر الوقود- عنصر الوقود . العنصر الهيكلي الرئيسي في قلب المفاعل غير المتجانس، حيث يتم تحميل الوقود فيه. في عناصر الوقود، يحدث انشطار النوى الثقيلة U-235 أو Pu-239 أو U-233، مصحوبًا بإطلاق الطاقة، ومنها تنتقل الطاقة الحرارية إلى المبرد. تتكون عناصر الوقود من قلب الوقود والكسوة والأجزاء النهائية. يتم تحديد نوع عنصر الوقود حسب نوع المفاعل والغرض منه ومعلمات المبرد. يجب أن يضمن عنصر الوقود إزالة الحرارة بشكل موثوق من الوقود إلى سائل التبريد.

هيئة العمل- الوسط (المبرد) المستخدم لتحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية.

المادة المظلمة- مادة غير مرئية (غير باعثة وغير ممتصة). ويتجلى وجودها بالتأكيد من خلال تأثيرات الجاذبية. تشير البيانات الرصدية أيضًا إلى أن طاقة المادة المظلمة هذه تنقسم إلى قسمين:

• الأول هو ما يسمى بالمادة المظلمة ذات الكثافة
  W dm = 0.20–0.25، هي جسيمات ضخمة غير معروفة، ضعيفة التفاعل (وليست الباريونات). يمكن أن تكون هذه، على سبيل المثال، جسيمات محايدة مستقرة ذات كتل تتراوح بين 10 GeV/c2 إلى 10 TeV/c2، والتي تم التنبؤ بها بواسطة نماذج فائقة التناظر، بما في ذلك النيوترينوات الثقيلة الافتراضية؛

والثاني هو ما يسمى بالطاقة المظلمة ذات الكثافة
W Λ = 0.70–0.75)، والذي يتم تفسيره على أنه فراغ. ويشير هذا إلى شكل خاص من المادة - الفراغ المادي، أي. أدنى حالة طاقة للمجالات الفيزيائية التي تتخلل الفضاء.

التفاعلات النووية الحرارية- تفاعلات اندماج (تخليق) النوى الخفيفة التي تحدث عند درجات حرارة عالية. تتضمن هذه التفاعلات عادة إطلاق طاقة، لأنه في النواة الأثقل التي تكونت نتيجة للاندماج، ترتبط النيوكليونات بقوة أكبر، أي. تتمتع، في المتوسط، بطاقة ربط أعلى من تلك الموجودة في النوى المندمجة الأصلية. يتم إطلاق طاقة الارتباط الكلية الزائدة للنيوكليونات في شكل طاقة حركية لنواتج التفاعل. ويعكس اسم "التفاعلات النووية الحرارية" حقيقة أن هذه التفاعلات تحدث عند درجات حرارة عالية ( > 10 7 –10 8 K)، لأنه من أجل الاندماج يجب أن تتجمع النوى الخفيفة معًا على مسافات تساوي نصف قطر عمل قوى الجذب النووية، أي. تصل إلى مسافات ≈10 -13 سم.

عناصر ما بعد اليورانيوم- عناصر كيميائية ذات شحنة (عدد البروتونات) أكبر من شحنة اليورانيوم، أي. ض>92.

التفاعل المتسلسل الانشطاري- تفاعل انشطاري ذاتي الاستدامة للنوى الثقيلة، حيث يتم إنتاج النيوترونات بشكل مستمر، مما يؤدي إلى تقسيم المزيد والمزيد من النوى الجديدة.

التفاعل المتسلسل الانشطاري- تسلسل التفاعل الانشطاري لنوى الذرات الثقيلة عندما تتفاعل مع النيوترونات أو الجزيئات الأولية الأخرى، ونتيجة لذلك تتشكل نوى أخف أو نيوترونات جديدة أو جزيئات أولية أخرى ويتم إطلاق الطاقة النووية.

التفاعل النووي المتسلسل- سلسلة من التفاعلات النووية تثيرها الجسيمات (مثل النيوترونات) التي تولد في كل حدث تفاعل. اعتمادًا على متوسط ​​عدد التفاعلات التي تلي التفاعل السابق - أقل من أو يساوي أو أكبر من واحد - يسمى التفاعل الاضمحلال أو الاستدامة الذاتية أو المتزايدة.

التفاعلات النووية المتسلسلة– التفاعلات النووية ذاتية الاستدامة التي تشارك فيها سلسلة من النوى بشكل تسلسلي. يحدث هذا عندما يتفاعل أحد نواتج التفاعل النووي مع نواة أخرى، ويتفاعل ناتج التفاعل الثاني مع النواة التالية، وهكذا. تحدث سلسلة من التفاعلات النووية واحدة تلو الأخرى. وأشهر مثال على هذا التفاعل هو تفاعل الانشطار النووي الناتج عن النيوترون

التفاعلات الطاردة للحرارة- التفاعلات النووية التي تحدث مع إطلاق الطاقة.

الجسيمات الأولية- أصغر جزيئات المادة المادية. تعكس الأفكار حول الجسيمات الأولية المرحلة التي وصل إليها العلم الحديث في معرفة بنية المادة. إلى جانب الجسيمات المضادة، تم اكتشاف حوالي 300 جسيم أولي. مصطلح "الجسيمات الأولية" مشروط، لأن العديد من الجسيمات الأولية لها بنية داخلية معقدة.

الجسيمات الأولية– الأشياء المادية التي لا يمكن تقسيمها إلى الأجزاء المكونة لها. وفقًا لهذا التعريف، لا يمكن تصنيف الجزيئات والذرات والنوى الذرية التي يمكن تقسيمها إلى أجزاء مكونة على أنها جسيمات أولية - فالذرة تنقسم إلى نواة وإلكترونات مدارية، والنواة إلى نويات.

انتاج الطاقة من التفاعل النووي- الفرق بين طاقات بقية النوى والجسيمات قبل التفاعل وبعده.

ردود الفعل الماصة للحرارة- التفاعلات النووية التي تحدث مع امتصاص الطاقة.

طاقة الربط للنواة الذرية(E St) - يميز شدة تفاعل النيوكليونات في النواة ويساوي الحد الأقصى من الطاقة التي يجب إنفاقها لتقسيم النواة إلى نيوكليونات فردية غير متفاعلة دون نقل الطاقة الحركية إليها.

تأثير موسب uaera - ظاهرة الامتصاص الرنان لأشعة جاما بواسطة النوى الذرية دون فقدان الطاقة بسبب عودة الزخم.

النموذج النووي (الكواكبي) للذرة- يوجد في المركز نواة موجبة الشحنة (قطرها حوالي 10 -15 م)؛ حول النواة، مثل كواكب النظام الشمسي، تتحرك الإلكترونات في مدارات دائرية.

النماذج النووية– أوصاف نظرية مبسطة للنواة الذرية، بناءً على تمثيل النواة على شكل جسم له خصائص مميزة معروفة مسبقًا.

تفاعل الانشطار النووي- تفاعل انشطار النوى الذرية للعناصر الثقيلة تحت تأثير النيوترونات.

التفاعل النووي- تفاعل تحول النوى الذرية نتيجة تفاعلها مع بعضها البعض أو مع أي جسيمات أولية.

الطاقة النووية- هذه هي الطاقة المنطلقة نتيجة إعادة الهيكلة الداخلية للنوى الذرية. يمكن الحصول على الطاقة النووية من التفاعلات النووية أو التحلل الإشعاعي للنواة. المصادر الرئيسية للطاقة النووية هي تفاعلات انشطار النوى الثقيلة واندماج (تركيبة) النوى الخفيفة. وتسمى العملية الأخيرة أيضًا بالتفاعلات النووية الحرارية.

القوى النووية- القوى المؤثرة بين النيوكليونات في نوى الذرة وتحديد بنية وخصائص النوى. وهي قصيرة المدى، مداها 10 - 15 م.

مفاعل نووي- جهاز يتم فيه تنفيذ تفاعل متسلسل للانشطار النووي.

التفاعل المتسلسل الانشطاري الذاتي هو تفاعل متسلسل في وسط يكون فيه عامل الضرب k >= 1.

حادث نووي- الحادث النووي هو فقدان السيطرة على التفاعل المتسلسل في المفاعل، أو تكوين كتلة حرجة أثناء إعادة تحميل ونقل وتخزين عناصر الوقود. نتيجة لحادث نووي، وبسبب عدم توازن الحرارة المتولدة والمزالة، تتضرر قضبان الوقود مع إطلاق منتجات الانشطار المشع. في هذه الحالة، يصبح التعرض الخطير للأشخاص وتلوث المنطقة المحيطة ممكنًا. .

السلامة النووية- مصطلح عام يصف خصائص المنشأة النووية أثناء التشغيل العادي وفي حالة وقوع حادث للحد من تأثير الإشعاع على الموظفين والجمهور والبيئة إلى الحدود المقبولة.

الانشطار النووي- عملية مصحوبة بتقسيم نواة الذرة الثقيلة عند التفاعل مع نيوترون أو جسيم أولي آخر، ونتيجة لذلك تتشكل نوى أخف أو نيوترونات جديدة أو جزيئات أولية أخرى ويتم إطلاق الطاقة.

المواد النووية- أي مواد مصدرية، مواد نووية خاصة وأحياناً الخامات والنفايات الخام.

التحول النووي- تحويل نواة إلى أخرى.

مفاعل نووي- جهاز يحدث فيه تفاعل متسلسل نووي متحكم فيه. يتم تصنيف المفاعلات النووية وفقًا للغرض منها، وطاقة النيوترونات، ونوع المبرد والمهدئ، والبنية الأساسية، والتصميم والميزات المميزة الأخرى.

التفاعل النووي- تحول النوى الذرية الناتج عن تفاعلها مع الجسيمات الأولية أو مع بعضها البعض ويصاحبه تغير في كتلة النوى أو شحنتها أو طاقتها.

وقود نووي- المواد التي تحتوي على النويدات الانشطارية، والتي، عند وضعها في مفاعل نووي، تسمح بحدوث تفاعل نووي متسلسل. يتميز بكثافة طاقة عالية جدًا (مع الانشطار الكامل لـ 1 كجم من اليورانيوم-235، يتم إطلاق طاقة تساوي J، في حين أن احتراق 1 كجم من الوقود العضوي يطلق طاقة تتراوح من (3-5) J، اعتمادًا على على نوع الوقود).

دورة الوقود النووي- مجموعة من التدابير لضمان عمل المفاعلات النووية التي يتم تنفيذها في نظام المؤسسات المترابطة عن طريق تدفق المواد النووية بما في ذلك مناجم اليورانيوم ومحطات معالجة خام اليورانيوم وتحويل اليورانيوم والتخصيب وإنتاج الوقود والمفاعلات النووية والوقود المستهلك مرافق التخزين، ومحطات إعادة معالجة الوقود المستهلك، وما يرتبط بها من مرافق تخزين وسيطة، ومرافق تخزين للتخلص من النفايات المشعة

التركيب النووي- أي منشأة يتم فيها إنتاج أو معالجة أو تداول مواد مشعة أو انشطارية بكميات تجعل من الضروري مراعاة مسائل السلامة النووية.

الطاقة النووية- الطاقة الداخلية للنوى الذرية المنطلقة أثناء الانشطار النووي أو التفاعلات النووية.

مفاعل الطاقة النووية- مفاعل نووي هدفه الرئيسي توليد الطاقة.

مفاعل نووي- المفاعل النووي هو جهاز مصمم لتنظيم تفاعل انشطاري متسلسل ذاتي التحكم - سلسلة من تفاعلات الانشطار النووي يتم فيها إطلاق نيوترونات حرة ضرورية لانشطار نوى جديدة.

مفاعل نووي نيوتروني سريع- تختلف المفاعلات اختلافًا كبيرًا في طيف النيوترونات - توزيع النيوترونات حسب الطاقة، وبالتالي في طيف النيوترونات الممتصة (المسببة للانشطار النووي). إذا لم يحتوي القلب على نوى خفيفة مصممة خصيصًا للاعتدال نتيجة للتشتت المرن، فإن كل الاعتدال تقريبًا يرجع إلى التشتت غير المرن للنيوترونات بواسطة النوى الثقيلة والمتوسطة الكتلة. في هذه الحالة، تحدث معظم الانشطارات بسبب نيوترونات ذات طاقات تتراوح بين عشرات ومئات الكيلو إلكترون فولت. تسمى هذه المفاعلات بمفاعلات النيوترونات السريعة.

مفاعل نووي نيوتروني حراري- مفاعل يحتوي قلبه على كمية كبيرة من الوسيط - وهي مادة مصممة لتقليل طاقة النيوترونات دون امتصاصها بشكل ملحوظ - حيث أن معظم الانشطارات تحدث بسبب نيوترونات ذات طاقات أقل من 1 فولت.

القوى النووية- القوى التي تحمل النيوكليونات (البروتونات والنيوترونات) في النواة.

القوى النووية هي قليل الفعالية . تظهر فقط على مسافات صغيرة جدًا بين النيوكليونات في حدود 10 -15 م ويسمى الطول (1.5 - 2.2) 10 -15 نطاق القوى النووية .

اكتشاف القوى النووية استقلال تهمة أي أن التجاذب بين نيوكليونات هو نفسه بغض النظر عن حالة شحن النيوكليونات - بروتون أو نيوترون.

القوى النووية لديها خاصية التشبع ، والذي يتجلى في حقيقة أن النيوكليون الموجود في النواة يتفاعل فقط مع عدد محدود من النيوكليونات المجاورة الأقرب إليه. يتم تحقيق التشبع الكامل تقريبًا للقوى النووية في جسيم ألفا، وهو تكوين مستقر للغاية.

القوى النووية تعتمد على اتجاه دوران النيوكليونات المتفاعلة . وهذا ما تؤكده الطبيعة المختلفة لتشتت النيوترونات بواسطة جزيئات بخار أورثو والهيدروجين.

القوى النووية ليست قوى مركزية .

ومن خلال دراسة بنية المادة، اكتشف الفيزيائيون المادة التي تتكون منها الذرات، ووصلوا إلى النواة الذرية وقسموها إلى بروتونات ونيوترونات. تم تنفيذ كل هذه الخطوات بسهولة تامة - كان عليك فقط تسريع الجزيئات إلى الطاقة المطلوبة، ودفعها ضد بعضها البعض، وبعد ذلك سوف تتفكك إلى الأجزاء المكونة لها.

لكن مع البروتونات والنيوترونات، لم تعد هذه الحيلة فعالة. وعلى الرغم من أنها جسيمات مركبة، إلا أنها لا يمكن أن "تنقسم إلى أجزاء" حتى في أعنف الاصطدامات. لذلك، استغرق الأمر من الفيزيائيين عقودًا من الزمن للتوصل إلى طرق مختلفة للنظر داخل البروتون، ورؤية بنيته وشكله. اليوم، تعد دراسة بنية البروتون واحدة من أكثر المجالات نشاطًا في فيزياء الجسيمات.

الطبيعة تعطي تلميحات

يعود تاريخ دراسة بنية البروتونات والنيوترونات إلى ثلاثينيات القرن العشرين. عندما تم اكتشاف النيوترونات (1932) بالإضافة إلى البروتونات، بعد قياس كتلتها، تفاجأ الفيزيائيون عندما اكتشفوا أنها كانت قريبة جدًا من كتلة البروتون. علاوة على ذلك، اتضح أن البروتونات والنيوترونات "تشعر" بالتفاعل النووي بنفس الطريقة تمامًا. متطابقان جدًا، من وجهة نظر القوى النووية، يمكن اعتبار البروتون والنيوترون مظهرين لنفس الجسيم - النيوكليون: البروتون هو نيوكليون مشحون كهربائيًا، والنيوترون هو نيوكليون محايد. إن مبادلة البروتونات بالنيوترونات والقوى النووية لن تلاحظ شيئًا (تقريبًا).

ويعبر الفيزيائيون عن خاصية الطبيعة هذه بالتناظر، فالتفاعل النووي متناظر فيما يتعلق باستبدال البروتونات بالنيوترونات، تمامًا كما تكون الفراشة متناظرة فيما يتعلق باستبدال اليمين باليسار. هذا التناظر، بالإضافة إلى لعبه دورًا مهمًا في الفيزياء النووية، كان في الواقع أول إشارة إلى أن النيوكليونات لديها بنية داخلية مثيرة للاهتمام. صحيح، إذن، في الثلاثينيات، لم يدرك الفيزيائيون هذا التلميح.

وجاء التفاهم في وقت لاحق. بدأ الأمر بحقيقة أنه في الأربعينيات والخمسينيات من القرن الماضي، في تفاعلات تصادم البروتونات مع نوى العناصر المختلفة، فوجئ العلماء باكتشاف المزيد والمزيد من الجسيمات الجديدة. ليست البروتونات، ولا النيوترونات، ولا البيميزونات المكتشفة في ذلك الوقت، والتي تحمل النيوكليونات في النواة، ولكن بعض الجسيمات الجديدة تمامًا. وعلى الرغم من تنوعها، فإن هذه الجسيمات الجديدة كان لها خاصيتين مشتركتين. أولاً، شاركوا، مثل النيوكليونات، عن طيب خاطر في التفاعلات النووية - والآن تسمى هذه الجزيئات بالهادرونات. وثانيا، كانوا غير مستقرين للغاية. أكثرها غير مستقرة تتحلل إلى جزيئات أخرى في جزء من تريليون من النانو ثانية فقط، دون أن يكون لديها الوقت الكافي للطيران بحجم نواة ذرية!

لفترة طويلة، كانت "حديقة حيوانات" الهادرون في حالة من الفوضى الكاملة. في نهاية الخمسينيات من القرن الماضي، تعلم الفيزيائيون بالفعل الكثير من أنواع الهادرونات المختلفة، وبدأوا في مقارنتها مع بعضهم البعض، ورأوا فجأة تماثلًا عامًا معينًا، وحتى دورية، في خصائصها. وقد اقترح أنه داخل جميع الهادرونات (بما في ذلك النيوكليونات) هناك بعض الأجسام البسيطة تسمى "الكواركات". من خلال الجمع بين الكواركات بطرق مختلفة، من الممكن الحصول على هادرونات مختلفة، ومن نفس النوع تمامًا وبنفس الخصائص التي تم اكتشافها في التجربة.

ما الذي يجعل البروتون بروتونًا؟

بعد أن اكتشف الفيزيائيون بنية الكوارك للهادرونات وعلموا أن الكواركات تأتي في عدة أنواع مختلفة، أصبح من الواضح أن العديد من الجسيمات المختلفة يمكن بناؤها من الكواركات. لذلك لم يتفاجأ أحد عندما استمرت التجارب اللاحقة في العثور على هادرونات جديدة الواحدة تلو الأخرى. ولكن من بين جميع الهادرونات، تم اكتشاف عائلة كاملة من الجسيمات، تتكون، مثل البروتون، من اثنين فقط ش-الكواركات وواحد د-كوارك. نوع من "أخ" البروتون. وهنا كان الفيزيائيون في انتظار مفاجأة.

دعونا أولا نبدي ملاحظة بسيطة. إذا كان لدينا عدة أشياء تتكون من نفس "الطوب"، فإن الأجسام الأثقل تحتوي على "طوب" أكثر، والأشياء الأخف تحتوي على عدد أقل. هذا مبدأ طبيعي للغاية، والذي يمكن أن يسمى مبدأ الجمع أو مبدأ البنية الفوقية، وهو يعمل بشكل مثالي في الحياة اليومية وفي الفيزياء. حتى أنه يتجلى في بنية النوى الذرية - بعد كل شيء، تتكون النوى الأثقل ببساطة من عدد أكبر من البروتونات والنيوترونات.

ومع ذلك، على مستوى الكواركات، لا يعمل هذا المبدأ على الإطلاق، ومن المسلم به أن الفيزيائيين لم يفهموا السبب بشكل كامل بعد. وتبين أن إخوة البروتون الثقيل يتكونون أيضًا من نفس الكواركات مثل البروتون، على الرغم من أنهم أثقل بمقدار مرة ونصف أو حتى مرتين من البروتون. وهي تختلف عن البروتون (وتختلف عن بعضها البعض) لا تعبير،والمتبادلة موقعالكواركات، حسب الحالة التي تكون فيها هذه الكواركات نسبة لبعضها البعض. يكفي تغيير الموقع النسبي للكواركات - ومن البروتون سنحصل على جسيم آخر أثقل بشكل ملحوظ.

ماذا سيحدث إذا كنت لا تزال تأخذ وتجمع أكثر من ثلاثة كواركات معًا؟ هل سيكون هناك جسيم ثقيل جديد؟ والمثير للدهشة أن هذا لن ينجح - فالكواركات سوف تنقسم إلى ثلاثات وتتحول إلى عدة جسيمات متناثرة. لسبب ما، الطبيعة "لا تحب" دمج العديد من الكواركات في كل واحد! في الآونة الأخيرة فقط، حرفيًا في السنوات الأخيرة، بدأت تظهر تلميحات تشير إلى وجود بعض الجسيمات متعددة الكواركات، لكن هذا يؤكد فقط مدى عدم حب الطبيعة لها.

يتبع هذا الاستنتاج المهم والعميق للغاية - كتلة الهادرونات لا تتكون على الإطلاق من كتلة الكواركات. ولكن إذا كان من الممكن زيادة أو تقليل كتلة الهادرونات بمجرد إعادة تجميع الوحدات المكونة لها، فإن الكواركات نفسها ليست هي المسؤولة عن كتلة الهادرونات. وبالفعل أمكن في التجارب اللاحقة اكتشاف أن كتلة الكواركات نفسها لا تتجاوز حوالي اثنين بالمئة من كتلة البروتون، أما بقية الجاذبية فتنشأ بسبب مجال القوة (الجسيمات الخاصة – الغلوونات) التي ربط الكواركات معًا. من خلال تغيير الموقع النسبي للكواركات، على سبيل المثال، بتحريكها بعيدًا عن بعضها البعض، فإننا بذلك نغير سحابة الغلونات، مما يجعلها أكثر ضخامة، وهذا هو سبب زيادة كتلة الهادرونات (الشكل 1).

ماذا يحدث داخل البروتون سريع الحركة؟

كل ما هو موصوف أعلاه يتعلق بالبروتون الثابت بلغة الفيزيائيين، وهذا هو هيكل البروتون في إطاره الساكن. ومع ذلك، في التجربة، تم اكتشاف بنية البروتون لأول مرة في ظل ظروف أخرى - في الداخل الطيران السريعبروتون.

في أواخر الستينيات، في التجارب على تصادمات الجسيمات في المسرعات، لوحظ أن البروتونات التي تتحرك بسرعة قريبة من سرعة الضوء تتصرف كما لو أن الطاقة الموجودة بداخلها لم يتم توزيعها بالتساوي، ولكنها كانت مركزة في أجسام فردية مدمجة. اقترح الفيزيائي الشهير ريتشارد فاينمان تسمية هذه الكتل من المادة بالبروتونات com.partons(من الانجليزية جزء -جزء).

قامت التجارب اللاحقة بفحص العديد من خصائص البارتونات، على سبيل المثال، شحنتها الكهربائية، وعددها، وجزء طاقة البروتون الذي يحمله كل منها. اتضح أن الأجزاء المشحونة هي كواركات، والأجزاء المحايدة هي غلوونات. نعم، نعم، تلك الجلونات نفسها التي "تخدم" الكواركات في إطار سكون البروتون، وتجذبها إلى بعضها البعض، أصبحت الآن جزءًا مستقلاً، وتحمل، جنبًا إلى جنب مع الكواركات، "مادة" وطاقة بروتون سريع الحركة. أظهرت التجارب أن ما يقرب من نصف الطاقة يتم تخزينها في الكواركات، ونصفها الآخر في الغلوونات.

تتم دراسة الأجزاء بسهولة أكبر في تصادمات البروتونات مع الإلكترونات. والحقيقة هي أنه، على عكس البروتون، لا يشارك الإلكترون في التفاعلات النووية القوية، ويبدو اصطدامه بالبروتون بسيطًا للغاية: يصدر الإلكترون فوتونًا افتراضيًا لفترة قصيرة جدًا، والذي يصطدم بجزء مشحون ويولد في النهاية فوتونًا افتراضيًا. عدد كبير من الجزيئات ( الشكل 2). يمكننا أن نقول أن الإلكترون هو مشرط ممتاز "لفتح" البروتون وتقسيمه إلى أجزاء منفصلة - ولكن لفترة قصيرة جدًا فقط. وبمعرفة عدد المرات التي تحدث فيها مثل هذه العمليات في المسرع، يمكن قياس عدد الأجزاء داخل البروتون وشحناتها.

من هم البارتون حقا؟

وهنا نأتي إلى اكتشاف مذهل آخر توصل إليه الفيزيائيون أثناء دراسة تصادمات الجسيمات الأولية عند الطاقات العالية.

في ظل الظروف العادية، فإن السؤال عما يتكون منه هذا الكائن أو ذاك له إجابة عالمية لجميع الأنظمة المرجعية. على سبيل المثال، يتكون جزيء الماء من ذرتي هيدروجين وذرة أكسجين واحدة - ولا يهم ما إذا كنا ننظر إلى جزيء ثابت أو متحرك. ومع ذلك، تبدو هذه القاعدة طبيعية جدًا! - ينتهك إذا كنا نتحدث عن جسيمات أولية تتحرك بسرعات قريبة من سرعة الضوء. في أحد الإطارات المرجعية، قد يتكون الجسيم المعقد من مجموعة من الجسيمات الفرعية، وفي إطار مرجعي آخر من مجموعة أخرى. لقد أتضح أن التكوين هو مفهوم نسبي!

كيف يمكن أن يكون هذا؟ المفتاح هنا هو خاصية مهمة: عدد الجزيئات في عالمنا ليس ثابتا - يمكن أن تولد الجزيئات وتختفي. على سبيل المثال، إذا قمت بجمع إلكترونين مع طاقة عالية بما فيه الكفاية، فبالإضافة إلى هذين الإلكترونين، يمكن أن يولد إما فوتون، أو زوج إلكترون-بوزيترون، أو بعض الجزيئات الأخرى. كل هذا تسمح به قوانين الكم، وهذا بالضبط ما يحدث في التجارب الحقيقية.

لكن "قانون عدم حفظ" الجسيمات هذا يعمل في حالة الاصطداماتحبيبات. كيف يحدث أن يبدو نفس البروتون من وجهات نظر مختلفة وكأنه يتكون من مجموعة مختلفة من الجسيمات؟ النقطة المهمة هي أن البروتون ليس مجرد ثلاثة كواركات مجتمعة. يوجد مجال قوة غلوون بين الكواركات. بشكل عام، مجال القوة (مثل مجال الجاذبية أو المجال الكهربائي) هو نوع من "الكيان" المادي الذي يتخلل الفضاء ويسمح للجسيمات بممارسة تأثير قوي على بعضها البعض. في نظرية الكم، يتكون الحقل أيضًا من جزيئات، وإن كانت خاصة - جزيئات افتراضية. وعدد هذه الجسيمات ليس ثابتًا؛ فهي تنبثق باستمرار من الكواركات ويتم امتصاصها من قبل الكواركات الأخرى.

يستريحيمكن اعتبار البروتون بمثابة ثلاثة كواركات مع غلوونات تقفز فيما بينها. لكن إذا نظرنا إلى نفس البروتون من إطار مرجعي مختلف، كما لو نظرنا من نافذة "قطار نسبي" يمر، فسنرى صورة مختلفة تمامًا. تلك الغلونات الافتراضية التي ألصقت الكواركات معًا ستبدو أقل افتراضية، وجسيمات "أكثر واقعية". إنهم، بالطبع، لا يزالون يولدون ويستوعبون الكواركات، لكنهم في الوقت نفسه يعيشون بمفردهم لبعض الوقت، ويطيرون بجانب الكواركات، مثل الجزيئات الحقيقية. ما يبدو وكأنه مجال قوة بسيط في إطار مرجعي واحد يتحول إلى تيار من الجسيمات في إطار آخر! لاحظ أننا لا نلمس البروتون نفسه، بل ننظر إليه فقط من إطار مرجعي مختلف.

بالإضافة إلى. كلما اقتربت سرعة "قطارنا النسبي" من سرعة الضوء، كلما كانت الصورة التي سنراها داخل البروتون أكثر روعة. ومع اقترابنا من سرعة الضوء، سنلاحظ وجود المزيد والمزيد من الجلونات داخل البروتون. علاوة على ذلك، فإنها تنقسم أحيانًا إلى أزواج من الكواركات والكواركات المضادة، والتي تطير أيضًا في مكان قريب وتُعتبر أيضًا جزءًا من الجسيمات. ونتيجة لذلك، يظهر بروتون فائق النسبية، أي بروتون يتحرك بالنسبة إلينا بسرعة قريبة جدًا من سرعة الضوء، على شكل سحب متداخلة من الكواركات والكواركات المضادة والغلوونات التي تطير معًا ويبدو أنها تدعم بعضها البعض (الشكل 1). 3).

ربما يشعر القارئ المطلع على النظرية النسبية بالقلق. تعتمد كل الفيزياء على مبدأ أن أي عملية تتم بنفس الطريقة في جميع الأطر المرجعية بالقصور الذاتي. ولكن تبين أن تركيب البروتون يعتمد على الإطار المرجعي الذي نرصده منه؟!

نعم بالضبط، ولكن هذا لا ينتهك بأي حال من الأحوال مبدأ النسبية. إن نتائج العمليات الفيزيائية - على سبيل المثال، ما هي الجسيمات وكم عددها الناتجة نتيجة الاصطدام - تبين أنها ثابتة، على الرغم من أن تكوين البروتون يعتمد على الإطار المرجعي.

هذا الوضع، الذي يبدو غير معتاد للوهلة الأولى، ولكنه يرضي جميع قوانين الفيزياء، موضح بشكل تخطيطي في الشكل 4. فهو يوضح كيف يبدو اصطدام بروتونين ذوي طاقة عالية في أطر مرجعية مختلفة: في الإطار الباقي لبروتون واحد، في إطار مركز الكتلة، في إطار الراحة لبروتون آخر. يتم التفاعل بين البروتونات من خلال سلسلة من الجلونات المنقسمة، ولكن في حالة واحدة فقط تعتبر هذه السلسلة "الداخل" لبروتون واحد، وفي حالة أخرى تعتبر جزءًا من بروتون آخر، وفي الحالة الثالثة تكون ببساطة بعضًا من البروتونات. الجسم الذي يتم تبادله بين بروتونين. هذه السلسلة موجودة، وهي حقيقية، ولكن أي جزء من العملية يجب أن يُنسب إليها يعتمد على الإطار المرجعي.

صورة ثلاثية الأبعاد للبروتون

استندت جميع النتائج التي تحدثنا عنها للتو إلى تجارب أجريت منذ فترة طويلة - في الستينيات والسبعينيات من القرن الماضي. يبدو أنه منذ ذلك الحين كان ينبغي دراسة كل شيء ويجب أن تجد جميع الأسئلة إجاباتها. لكن لا، فبنية البروتون لا تزال واحدة من أكثر المواضيع إثارة للاهتمام في فيزياء الجسيمات. علاوة على ذلك، زاد الاهتمام بها مرة أخرى في السنوات الأخيرة لأن الفيزيائيين اكتشفوا كيفية الحصول على صورة "ثلاثية الأبعاد" لبروتون سريع الحركة، والتي تبين أنها أصعب بكثير من صورة بروتون ثابت.

تخبرنا التجارب الكلاسيكية حول تصادمات البروتونات فقط عن عدد الأجزاء وتوزيع الطاقة فيها. في مثل هذه التجارب، تشارك الجسيمات كأشياء مستقلة، مما يعني أنه من المستحيل أن نعرف منها كيفية تحديد موقع الجسيمات بالنسبة لبعضها البعض، أو كيف تتجمع بالضبط لتشكل بروتونًا. يمكننا القول أنه لفترة طويلة، لم تكن متاحة للفيزيائيين سوى صورة "أحادية البعد" لبروتون سريع الحركة.

من أجل بناء صورة حقيقية ثلاثية الأبعاد للبروتون ومعرفة توزيع البارتونات في الفضاء، هناك حاجة إلى تجارب أكثر دقة بكثير من تلك التي كانت ممكنة قبل 40 عامًا. لقد تعلم الفيزيائيون إجراء مثل هذه التجارب مؤخرًا، حرفيًا في العقد الماضي. لقد أدركوا أنه من بين العدد الهائل من التفاعلات المختلفة التي تحدث عندما يصطدم الإلكترون بالبروتون، هناك تفاعل خاص واحد - تشتت كومبتون الظاهري العميق, - والتي يمكن أن تخبرنا عن البنية ثلاثية الأبعاد للبروتون.

بشكل عام، تشتت كومبتون، أو تأثير كومبتون، هو الاصطدام المرن للفوتون بجسيم، على سبيل المثال البروتون. يبدو الأمر كما يلي: يصل الفوتون، ويمتصه البروتون، ويدخل في حالة مثارة لفترة قصيرة، ثم يعود إلى حالته الأصلية، ويصدر فوتونًا في اتجاه ما.

لا يؤدي تشتت كومبتون لفوتونات الضوء العادية إلى أي شيء مثير للاهتمام، بل هو ببساطة انعكاس للضوء من البروتون. لكي يتم "تفعيل" البنية الداخلية للبروتون و"الشعور" بتوزيع الكواركات، من الضروري استخدام فوتونات ذات طاقة عالية جدًا - أكثر بمليارات المرات من الضوء العادي. ومثل هذه الفوتونات - وإن كانت افتراضية - يتم توليدها بسهولة بواسطة الإلكترون الساقط. إذا قمنا الآن بدمج أحدهما مع الآخر، فسنحصل على تشتت كومبتون الافتراضي العميق (الشكل 5).

السمة الرئيسية لهذا التفاعل هو أنه لا يدمر البروتون. لا يصطدم الفوتون الساقط بالبروتون فحسب، بل يتحسسه بعناية ثم يطير بعيدًا. يعتمد الاتجاه الذي يطير فيه بعيدًا وجزء الطاقة الذي يأخذه البروتون منه على بنية البروتون، وعلى الموضع النسبي للأجزاء الموجودة بداخله. ولهذا السبب، من خلال دراسة هذه العملية، يمكن استعادة المظهر الثلاثي الأبعاد للبروتون، كما لو كان "نحت منحوتته".

صحيح أن هذا أمر يصعب على الفيزيائي التجريبي القيام به. نادرًا ما تحدث العملية المطلوبة ومن الصعب تسجيلها. تم الحصول على البيانات التجريبية الأولى حول هذا التفاعل فقط في عام 2001 في مسرع HERA في مجمع المسرعات الألماني DESY في هامبورغ؛ تتم الآن معالجة سلسلة جديدة من البيانات بواسطة المجربين. ومع ذلك، اليوم بالفعل، استنادًا إلى البيانات الأولى، يرسم المنظرون توزيعات ثلاثية الأبعاد للكواركات والجلونات في البروتون. بدأت الكمية الفيزيائية، التي كان الفيزيائيون قد وضعوا افتراضات بشأنها في السابق، في الظهور أخيرًا من التجربة.

فهل هناك اكتشافات غير متوقعة تنتظرنا في هذا المجال؟ ومن المرجح أن نعم. للتوضيح، لنفترض أنه في نوفمبر 2008 ظهر مقال نظري مثير للاهتمام، ينص على أن البروتون سريع الحركة لا ينبغي أن يبدو كقرص مسطح، بل كعدسة ثنائية التقعر. يحدث هذا لأن البارتونات الموجودة في المنطقة الوسطى من البروتون يتم ضغطها بقوة أكبر في الاتجاه الطولي من البارتونات الموجودة عند الحواف. سيكون من المثير جدًا اختبار هذه التوقعات النظرية تجريبيًا!

لماذا كل هذا مثير للاهتمام للفيزيائيين؟

لماذا يحتاج الفيزيائيون إلى معرفة كيفية توزيع المادة بالضبط داخل البروتونات والنيوترونات؟

أولا، هذا مطلوب بمنطق تطور الفيزياء. هناك العديد من الأنظمة المعقدة بشكل مثير للدهشة في العالم والتي لا تستطيع الفيزياء النظرية الحديثة التعامل معها بشكل كامل. الهادرونات هي أحد هذه الأنظمة. من خلال فهم بنية الهادرونات، فإننا نعمل على صقل قدرات الفيزياء النظرية، والتي قد تكون عالمية وربما تساعد في شيء مختلف تمامًا، على سبيل المثال، في دراسة الموصلات الفائقة أو غيرها من المواد ذات الخصائص غير العادية.

ثانياً، هناك فائدة مباشرة للفيزياء النووية. على الرغم من تاريخ دراسة النوى الذرية الذي دام قرنًا تقريبًا، إلا أن المنظرين ما زالوا لا يعرفون القانون الدقيق للتفاعل بين البروتونات والنيوترونات.

عليهم أن يخمنوا هذا القانون استنادًا جزئيًا إلى بيانات تجريبية، وأن يبنوه جزئيًا بناءً على المعرفة حول بنية النيوكليونات. هذا هو المكان الذي ستساعد فيه البيانات الجديدة حول البنية ثلاثية الأبعاد للنيوكليونات.

ثالثا، منذ عدة سنوات، تمكن الفيزيائيون من الحصول على ما لا يقل عن حالة إجمالية جديدة للمادة - بلازما كوارك غلوون. في هذه الحالة، لا تستقر الكواركات داخل البروتونات والنيوترونات الفردية، ولكنها تتحرك بحرية عبر كتلة المادة النووية بأكملها. يمكن تحقيق ذلك، على سبيل المثال، بهذه الطريقة: يتم تسريع النوى الثقيلة في المسرع إلى سرعة قريبة جدًا من سرعة الضوء، ثم تصطدم وجهاً لوجه. في هذا الاصطدام، تنشأ درجات حرارة تصل إلى تريليونات الدرجات لفترة قصيرة جدًا، مما يؤدي إلى إذابة النوى إلى بلازما كوارك-جلون. لذا، فقد تبين أن الحسابات النظرية لهذا الانصهار النووي تتطلب معرفة جيدة بالبنية الثلاثية الأبعاد للنيوكليونات.

وأخيرًا، هذه البيانات ضرورية جدًا للفيزياء الفلكية. عندما تنفجر النجوم الثقيلة في نهاية حياتها، فإنها غالبًا ما تترك وراءها أجسامًا مضغوطة للغاية - نجوم نيوترونية وربما نجوم كواركية. يتكون قلب هذه النجوم بالكامل من النيوترونات، وربما حتى بلازما كوارك غلوون الباردة. لقد تم اكتشاف مثل هذه النجوم منذ فترة طويلة، ولكن لا يسع المرء إلا أن يخمن ما يحدث بداخلها. لذا فإن الفهم الجيد لتوزيعات الكواركات يمكن أن يؤدي إلى تقدم في الفيزياء الفلكية.