بحث كامل ومتكامل عن "عالم الذرة ›

[همس الربيع]

December 3rd, 2011
13:41
تقديم:

إن الهواء والماء والجبال والحيوانات والنباتات وجسم الإنسان و الكواكب و النجوم، وباختصاركل شيء من أثقل الأشياء إلى أخفها مكون من ذرات وهي جسيمات دقيقة جداً يستحيل أن يراها المرء حتى باستخدام أقوى الميكروسكوبات ويبلغ قطر الذرة نحو جزء من مليون جزء من المليمتر.
إذن، ماذا يوجد داخل هذه البنية الصغيرة؟
على الرغم من أن حجم الذرة صغير جداً، فإنها تحتوي على نظام فريد ومعقد و خال من الأخطاء و يمكن مقارنته من حيث التطور بالنظام الذي نراه في الكون ككل.



تركيب الذرة:
وتتكون كل ذرة (atome) من نواة (noyau) وعدد من الإلكترونات (électrons) تتحرك في أغلفة مدارية (orbite) تبعد مسافة كبيرة جدا (بالقياس مع حجم النواة و الإلكترونات) عن النواة وتوجد داخل النواة جسيمات أخرى تسمى البروتونات (protons) والنيوترونات (neutrons) وفي هذا الفصل، سنلقي نظرة على التركيب غير العادي للذرة التي تمثل أساس كل شيء حي وغير حي، وسنرى كيف تتجمع الذرات لتكون جزيئات وفي النهاية، مادة.




مكونات الذرٌة








مكونات النواة (البروتونات و النيوترونات)



الإلكترونات:

الإلكترونات هي جسيمات تدور حول نواة الذرة مثلما تدور الأرض حول محورها وحول الشمس أيضا وتحدث عملية الدوران هذه، الشبيهة بتلك التي تقوم بها الكواكب، بشكل متواصل وبطريقة متقنة في مسارات تسمى المدارات ولكن التناسب بين حجم الأرض والشمس مختلف تماماً عن المقياس الذري فلنعقد مقارنة بين حجم الإلكترونات وحجم الأرض إذا قمنا بتكبير الذرة حتى تصل إلى حجم الأرض، سيكون الإلكترون في حجم التفاحة.
إن عشرات الإلكترونات التي تدور في مساحة من الصغر بمكان بحيث تتعذر رؤيتها حتى باستخدام أقوى الميكروسكوبات تتسبب في حركة مرور معقدة جداً داخل الذرة ومن أكثر النقاط اللافتة للنظر هنا أن هذه الإلكترونات المحيطة بالذرة مثل درع من الشحنات الكهربائية لا تتعرض ولو لحادثة صغيرة وفي الواقع، فإن أي حادث صغير داخل الذرة من شأنه أن يتسبب في حدوث كارثة بالنسبة إليها ومع ذلك، لا يحدث مثل هذا الحادث مطلقاً، وتسير العملية بأكملها دون أخطاء ذلك أن الإلكترونات التي تدور حول النواة بسرعة مربكة للعقل تبلغ 1،000 كم/الثانية لا تتصادم أبدا ببعضها البعض.




في الرسم البياني على الجهة اليسرى، ترى أربعة أنواع مختلفة من مدارات الإلكترونات، حسب الحركة الموجية. وتتحرك الإلكترونات في المدارات بالطريقة نفسها تقريبا التي تتحرك بها الكواكب حول الشمس حسب خواص جسيماتها. وتحول حركات الإلكترونات المختلفة هذه دون رؤيتها بوضوح



لا يمكننا رأيت الإلكترون لكن يمكننا فقط رؤية إحتمالات السحابة الإلكترونية
مقاطع عرضية للمدارات الأولية في ذرة الهيدروجين موضحا بها إحتمالات السحابة الإلكترونية

[همس الربيع]

النواة


النواة هى المكون الاساسى للذرة و هي الجزء المركزي و تتميز بكتلتها الكبيرة نسبيا لباقي الذرة.
كان يُعتقد، حتى عام 1932 أن النواة تتكون فقط من البروتونات والإلكترونات واكتشف بعد ذلك أن ما يوجد في النواة إلى جانب البروتونات ليس إلكترونات بل نيوترونات (أثبت العالم الشهير تشادويك في عام 1932 وجود النيوترونات داخل النواة وحصل على جائزة نوبل عن اكتشافه هذا) وهكذا لم تتعرف البشرية على التركيب الحقيقي للذرة حتى هذا التاريخ القريب ويبلغ حجم البروتون القادر على أن يُوَجد داخل النواة الذرية 10E-15 متر.
وقد نعتقد أن مثل هذا الجسيم الصغير ليس له أي مغزى في حياة المرء ومع ذلك، فإن هذه الجسيمات التي تعد من الصغر بمكان بحيث لا يمكن للعقل البشري أن يدركها هي التي تشكل أساس كل شيء نراه حولنا.



البروتونات و النيوترونات



حجم مكونات النواة



تصوير شبه دقيق لذرة الهيليوم
البروتون باللون الأحمر و النيوترون بالأزرق

[همس الربيع]

الكواركات


حتى 20 عاما مضت، كان الاعتقاد السائد أن أصغر الجسيمات التي تتألف منها الذرات هي البروتونات والنيوترونات ولكن اكتُشف، في وقت قريب جداً، أن في الذرة جسيمات أصغر بكثير تقوم بتكوين الجسيمات المذكورة آنفا وقد أدى هذا الاكتشاف إلى ظهور فرع في الفيزياء يسمى '' فيزياء الجسيمات" يبحث في ''الجسيمات دون الذرية'' الموجودة داخل الذرة وحركاتها المحددة وقد كشفت البحوث التي أجريت في فيزياء الجسيمات أن البروتونات والنيوترونات التي تتألف منها الذرة تتكون فعلياً من جسيمات دون ذرية تسمى ''الكواركات" (Les quarks)



الجسيمات دون الذرية

ولا بد أن نذكر هنا أن أبعاد الكواركات المكونة للبروتون، الذي يتخطى في صغر حجمه كـل قـدرات العـقـل البشـري علـى التخـيل، تثـير قـدرا أكـبر مـن الدهـشـة: 10E-18 م





تتكون البروتونات والنيوترونات في نواة الذرة من جسيمات أصغر تسمى الكواركات

ولا يمكن أبداً للكواركات الموجودة داخل البروتونات أن تنفصل عن بعضها البعض لمسافات كبيرة جداً لأن ''القوة النووية الشديدة'' المسؤولة عن المحافظة على تماسك الجسيمات داخل النواة تمتد فعاليتها إلى هناك أيضاً، إذ تعمل هذه القوة كشريط مطاطي بين الكواركات؛ فكلما زادت المسافة بين الكواركات، زادت أيضا هذه القوة بحيث لا يستطيع أي كواركين أن يبتعدا عن بعضهما البعض لأكثر من جزء من كوادريليون جزء من المتر وتتكون هذه الشرائط المطاطية بين الكواركات بواسطة جلوونات تمتلك القوة النووية الشديدة




مجموعة من ثلاثة كواركات ـ تكوِّن بروتوناً في قلبها أوتارـ تتكون البروتونات والإلكترونات من مجموعات ثلاثية الكواركات ـ ذرة

ويوجد تفاعل قوي جداً بين الكواركات والجلوونات ومع ذلك، لم يتمكن العلماء حتى الآن من اكتشاف كيفية حدوث هذا التفاعل وهناك بحوث يتم إجراؤها حاليا في مجال ''فيزياء الجسيمات" للكشف عن عالم الجسيمات دون الذرية ولكن، على الرغم من كل الذكاء، والوعي، والمعرفة الموجودة لدى البشرية، فإننا لم نتمكن إلا مؤخراً من اكتشاف الجسيمات الأساسية الحقيقية التي تكون كل شيء، بما في ذلك أنفسنا. وفضلا عن ذلك، كلما نقبنا في هذه الجسيمات، زادت التفاصيل المرتبطة بهذا الموضوع، مما يضعنا في موقف حرج عند حدود أبعاد الكواركات التي تبلغ 10E-18 م إذن، ما الذي يوجد وراء هذه الحدود؟ يقترح العلماء اليوم فرضيات متنوعة لهذا الموضوع، ولكن كما ذكرنا آنفا، يعتبر هذا الحد أبعد مرحلة تم التوصل إليها حتى الآن في الكون المادي ولا يمكن التعبير عن كل الأشياء الموجودة وراء هذه النقطة إلا بوصفها طاقة، وليست مادة ولكن النقطة المهمة فعلا هي أن الإنسان يجد، في موقع لم يتمكن من اكتشافه إلا في وقت قريب جداً، رغم كل الوسائل التكنولوجية الموجودة تحت تصرفه، توازنات وقوانين فيزيائية هائلة تعمل فعلياً مثل الساعة وعلاوة على ذلك، يوجد هذا الموقع داخل الذرة، التي تشكل وحدة بناء كل المادة الموجودة في الكون، والبشر كذلك لقد بدأ الإنسان في وقت قريب جداً في التعرف على الآلية المتقنة التي تعمل دون توقف في أعضاء جسمه وأجهزته وهو لم يكتشف آليات الخلايا المكونة لهذه التركيبات إلا منذ بضعة عقود فقط ولكن الخلق الفائق الجلي في الذرات الموجودة في أساس الخلايا، والبروتونات والنيوترونات داخل الذرات، والكواركات داخل هذه الجسيمات يصل إلى درجة من الإتقان تثير ذهول الجميع، سواء كانوا من المؤمنين بالله أم من غير المؤمنين به وتتمثل النقطة الأساسية التي يجب التأمل فيها هنا في أن كل هذه الآليات المتقنة تعمل بطريقة منتظمة في كل ثانية طوال حياة الإنسان، دون أي تدخل منه، ودون أن تخضع لسيطرته بتاتاً ومن الحقائق البديهية لكل من يستخدم ضميره وحكمته أن كل هذه الآليات قد خلقها الله سبحانه وتعالى، مالك القوة والعلم الفائقين، وأنها خاضعة له.

[همس الربيع]

الفراغ داخل الذرة


توجد النواة في وسط الذرة بالضبط وتتألف من عدد معين من البروتونات والنيوترونات حسب خصائص تلك الذرة.




الإلكترونات تسبح بعيدا جدا عن النواة

ويبلغ نصف قطر النواة نحو جزء من عشرة آلاف جزء من نصف قطر الذرة وللتعبير عن ذلك بالأعداد، يبلغ نصف قطر الذرة 10E-8 سم، في حين يبلغ نصف قطر النواة 10E-12 سم ومن ثم، يساوي حجم النواة جزأً من عشرة بلايين جزء من حجم الذرة وبما أننا لا نستطيع أن نتصور هذا الاتساع (من الأفضل أن نقول: الدقة)، دعونا ننتصور أن الذرة تصبح في حجم كرة قطرها مائتا متر وحتى بهذا المقياس الذي لا يصدق، لن يزيد حجم النواة عن حجم حبة غبار صغيرة جداً وعندما نقارن نصف قطر النواة البالغ 10E-12 سم بنصف قطر الذرة البالغ 10E-8 سم إذا يتكون الجزء العظيم (99.99%) من الذرة من الفراغ.




مقارنة بين أحجام مكونات الذرّة

إذا تجمعت كل الذرات المكونة لجسد الإنسان معاً بحيث أصبحت متقاربة إلى حد تستطيع معه ملامسة بعضها البعض، لن نتمكن من رؤيته أبداً بالعين المجردة، لأنه سيكون آنذاك في صغر جسيم الغبار الدقيق الذي يبلغ حجمه بضع أجزاء من ألف جزء من المليمتر.
و هذا التقلص هو بالضبط مصير النجوم التي إسنفذت و قودها النووي فتتقلص الى أقزام بيضاء.
والأقزام البيضاء نجوم قليلة اللمعان في السماء وبالرغم من كونها داكنة وصغيرة الحجم كحجم كوكب الزهرة، فهي تحوي كثافة مادية عالية جدا، حيث إن كثافة مادتها قدر كثافة الكثير من النجوم، وهذه المادة في داخل القزم الأبيض مكدسة بشكل مضغوط حيث تكون كثافة السنتمتر المكعب مابين طن إلى عشرة أطنان من المادة تقريبا.




قزم أبيض

و يتقلص القزم الأبيض بعد المرور بعدة تفاعلات أخرى إلى نجم نتروني و النجم النيتروني هو جرم سماوي ذو قطر متوسط يقدر بحوالي 20 كم وكتله تتراوح ما بين 1،44 و 3 مرات من كتله الشمس.
يتكون هذا النجم من شكل خاص للمادة المكونة من النيترونات وكثافة كبيرة تصل إلى أكثر من 10E+12 في مركزه ، أي أن الملعقة القهوة من سوف يكون هذا من مادة هذا النجم تساوي تقريبا 100 مليون أطنان الأرض.




نجم نيتروني


إذن قطر الشمس سوف لن يتجاوز في يوم من الأيام الثلاتين كلم.
سبحانك ربي إنك على كل شيء قدير.

[همس الربيع]

الإنشطار النووي

الإنشطار النووي هو انفلاق نَوَى ثقيلة لإطلاق طاقاتها، ويحدث الانشطار النووي حين يَشْطُر الجسيم القاذف نواة مادة الهدف إلى قسمين متساويين تقريبًا تسمى شظايا الانشطار. وتتألف كل شظية من نواة تحتوي تقريبًا على نصف عدد النيوترونات والبروتونات في النّواة الأصلية المشطورة. ولا يُطلق تفاعل الانشطار إلاجزءًا من طاقة النواة. وتؤلف الحرارة معظم هذه الطاقة وما بقي منها يكون على صورة إشعاع.

يقيس العلماء الطاقة بوحدة تُسَّمى إلكترون فولت. ويولِّد احتراق ذَرّة من الكربون في الفحم الحجري أو النفط طاقة مقدارها نحو 3 إلكترون فولت، في حين يولّد انشطار نواة واحدة من اليورانيوم نحو 200 مليون إلكترون فولت.



يَشْطُر الجسيم القاذف نواة مادة الهدف إلى قسمين متساويين تقريبًا



إنشطار نواة اليورانيوم (يستعمل في القنابل النووية)

[همس الربيع]

النظائر Isotropes

النظائر هي ذرات تحتوي أنويتها على نفس العدد من البروتونات ولكنها تختلف في عدد النيوترونات التي تحتويها . ويعني ذلك أن العدد الذري Z (عددالبروتونات) للعنصر الواحد لايتغير في حين يتغير عدده الكتلي A ( أي عدد البروتونات + عدد النيوترونات ). ويوصف العنصر في تلك الحالة بأن له عدة نظائر . وعموماً فإن لكل عنصر عدداً من النظائر قد يصل الى خمسين نظير بالنسبة للعناصر الثقيلة . والنظائر هي ترجمة لكلمة مشتقة من اللغة اليونانية ( isotopes ) أي نفس الموضع , ويدل ذلك المعنى على أن النظائر تقع في نفس المكان من الجدول الدوري للعناصر .
ولنظائر العنصر نفس الخواص الكيميائية , وعادة ما توجد العناصر الكيميائية في الطبيعة على هيئة مخاليط من نظائرها المتنوعة . وبعض النظائر لا توجد في الطبيعة بصفة عامة ولكنها تنتج صناعياً باستخدام المفاعلات والمعجلات النووية .



نظائر الكربون




نظائر الهدروجين

[همس الربيع]

الاندماج النووي


الاندماج النووي ويطلق عليه أيضًا الالتحام الذري، يحدث عندما تندمج (تتحد) نواتان خفيفتان لتكوِّنا نواة عنصر أثقل منهما. ويكون وزن ناتج الاندماج أقل من مجموع وَزْن النواتين الأصليتين، وتتحول المادة المفقودة إلى طاقة.




رسم يوضيحي لعملية الإندماج النووي

ولا تحُدث تفاعلات الاندماج التي تُنتج مقادير كبيرة من الطاقة إلا بوساطة حرارة شديدة جدًا، وتسمى مثل هذه التفاعلات، التفاعلات النووية الحرارية، وهي التي تنتج طاقة الشمس وطاقة القنبلة الهيدروجينية.





الذرات القابلة للإندماج النووي

ولا يحدث التفاعل النووي الحراري إلا في نوع خاص من المادة يسمى البلازما، وهو غاز مكون من إلكترونات حُرّة ونوىات حرة. ومن المعلوم أن النوى تتنافر مع بعضها البعض، غير أنه إذا سُخِّنت البلازما التي تحتوي على نوى ذرية خفيفة إلى درجة حرارة تبلغ عدة ملايين، فإن النوى تبدأ في حركة سريعة تُمكنِّها من أن تخترق إحداها الحواجز الكهربائية للأخرى ثم تندمجان.


فائدة الاندماج النووي تكمن في إطلاقه كميات طاقة أكبر بكثير مما يطلقه الانشطار. و بالاضافة إلى ذلك، فإن المحيطات تحتوي بشكل طبيعي على كميات كافية من الدويتريوم اللازم للتفاعل فإذا فلح الإنسان في ترويض تلك الطاقة لتغذية الكوكب بالطاقة لمدة آلاف السنين ، كما أن المواد المنبعثة عن الاندماج (خصوصا الهيليوم 4)، ليست مواداً مشعّة.

و على الرغم من العدد الكبير من التجارب التي تم القيام بها في كل أنحاء العالم منذ خمسين سنة، فإنه لم يتم التوصل إلى بناء مفاعل يعمل بالاندماج، ولكن الأبحاث في تقدم مستمر لغرض التوصل إلى ذلك . وكل ما اسطاع الإنسان التوصل إليه في هذا المجال جاء في المجال العسكري بإبتكار القنبلة الهيدروجينية.



عملية الإندماج النووي مصدر الطاقة في الشمس و بقية النجوم



القنبلة الهيدروجينية



الشمس مسرح لمليارات المليارات القنابل الهدروجينية