مسار القشرة النووية (للذرة)

مرور 60 عامًا على نموذج القشرة الذي يصف "قوانين الحركة" في نواة الذرة. يتم استخدام هذا النموذج حتى يومنا هذا، ولكن لا تزال هناك أسئلة مفتوحة

قبل 101 عام، قصف إرنست رذرفورد صفائح الذهب بإشعاع ألفا الناتج عن الراديوم. وفي التجربة تبين أن الشحنة الكهربائية في الذرة ومعظم كتلتها موجودة في مساحة صغيرة جداً تبلغ عشرات الآلاف من أضعاف أبعاد الذرة. هكذا تم اكتشاف النواة الذرية. وقادته نتائج التجربة إلى اقتراح "النموذج الكوكبي" لبنية الذرة، باعتبارها نواة تتحرك حولها الإلكترونات في مساراتها، على غرار بنية النظام الشمسي، حيث تتحرك الكواكب في مساراتها حول الشمس .

النموذج، في هذا السياق، هو نظرية تتعلق بنظام معين في الطبيعة. تم وصف النموذج وصياغته باستخدام نظام من المعادلات والذي يشكل تبسيطًا معينًا، لأنه ليس من الممكن وصف التعقيد الكامل للنظام بدقة. يجب أن تكون المعادلات قابلة للحل، ويجب أن تتطابق الحلول (تقريبًا) مع نتائج التجارب أو الملاحظات. لقد فهم نيلز بور الصعوبات في الحفاظ على "النموذج الكوكبي"، وتمكن من التغلب عليها من خلال تطبيق وتوسيع نظرية الكم لماكس بلانك لتشمل حركة الإلكترونات في الذرات. أتاحت نظرية بور إمكانية حساب معدلات الطاقة والخصائص الأخرى للذرات والتنبؤ بها بشكل صحيح. قدم مبدأ الاستبعاد لفولفغانغ باولي تفسيرا لحقيقة أنه في كل "غلاف" تتحرك فيه الإلكترونات، يمكن العثور على عدد معين فقط من الإلكترونات. ولذلك، تتحرك الإلكترونات في نظام من "الأصداف" حول النواة، يشبه قشر البصل. هذه الحقيقة هي أساس النظام الدوري للعناصر.

مرت ثماني سنوات أخرى، وقدم رذرفورد "تخمينًا": في النواة الذرية، بالإضافة إلى البروتونات، هناك أيضًا جسيمات ضخمة بدون شحنة كهربائية. واقترح أن يطلق عليها اسم "النيوترونات". وبعد مرور اثني عشر عامًا، في عام 12، اكتشفت إيرين كوري، ابنة بيير وماري كوري، وزوجها فريديريك جوليو، أن شعاعًا من جسيمات مجهولة، يضرب نوى الذرات المختلفة، يمكنه استخلاص البروتونات منها. لقد اعتقدوا أن الشعاع الذي استخدموه كان شعاعًا من إشعاع جاما، لكن جيمس تشادويك أظهر أنه "على ما يبدو، هو شعاع من النيوترونات، وهو ما تحدث عنه رذرفورد". وفي نفس العام، وصف فيرنر هايزنبرغ نواة الذرات بأنها تتكون من بروتونات ونيوترونات. هكذا ولدت الفيزياء النووية.

طاقة السندات

وحتى ذلك الحين كانت هناك أدوات لقياس كتل النوى. ومن هذه الكتل كان من الممكن حساب، وفقًا لصيغة أينشتاين E=Mc2، الطاقات التي تربط البروتونات والنيوترونات في النواة. بالفعل في نفس العام، واستنادًا إلى هذه القياسات، اقترح جون بارتليت نموذج غلاف البروتونات والنيوترونات في النواة، على غرار أغلفة الإلكترون في الذرة. ووفقا لهذا النموذج فإنها تتحرك في مسارات حول مركز النواة. وعلى الرغم من الاختلاف الكبير بين النواة والذرة، حيث يوجد مركز يمارس قوى كهربائية على الإلكترونات، إلا أن بارتليت تمكن من إظهار اتفاق مع الحقائق المتعلقة بالنوى التي يصل عددها إلى ثمانية بروتونات ونيوترونات.

في ثلاثينيات القرن العشرين، اكتشف والتر الساسر "الأرقام السحرية": أعداد البروتونات أو النيوترونات في النوى المستقرة بشكل خاص (30، 2، 8، 20، 28، 50، 82). وحاول تفسير ظاهرة "الأرقام السحرية" من خلال وصف بنية النواة المكونة من "أصداف" تحتوي على بروتونات ونيوترونات. وقد حاول العديد من علماء الفيزياء، ومن بينهم الإسرائيلي يوئيل راكاح (126-1965) من الجامعة العبرية في القدس، حساب طاقة النيوترونات والبروتونات في النواة باستخدام نموذج القشرة. وكانت الحسابات ناجحة إلى حد ما فقط فيما يتعلق بالنوى ذات "الأرقام السحرية" الصغيرة (1909، 2، 8).

وفي عام 1936، تلقى النموذج "ضربة قاضية" على يد نيلز بور، الذي اعتمد على العمليات النووية التي يبتلع فيها الجسيم الذي يضرب النواة - ثم تبعث النواة إشعاع ألفا أو جاما. وتتناقض هذه الظواهر، بحسب كثيرين، مع إمكانية وجود "أصداف" في النواة. وبدلا من ذلك، بدأت نظريات إحصائية مختلفة في الظهور. لم يتخل يوئيل راكا (الذي احتفل مؤخرًا بعيد ميلاده المائة) عن طرق الحساب التي طورها لاستخدامها في نموذج الصدفة. وكان يعتقد أنه إذا لم تكن هذه الطرق مناسبة للنواة، فمن الممكن استخدامها لحسابات الطاقة للذرات، وقد فعل ذلك بنجاح كبير. وتبين لاحقًا أن هذه الأساليب كانت بالفعل مناسبة أيضًا لوصف الظواهر في النوى.

وفي عام 1948، دخلت الفيزيائية ماريا ماير في هذه الصورة المعقدة. ونشرت مقالاً أظهرت فيه، استناداً إلى نتائج العديد من التجارب التي أجريت في أنحاء مختلفة من العالم، حقيقة "الأرقام السحرية". وبعد عام، وبعد سؤال من إنريكو فيرمي، اقترحت ماريا ماير "النموذج شبه الذري"، وهو في الواقع نموذج القشرة. وادعت أنه بين دوران البروتونات والنيوترونات (الزخم الزاوي الداخلي) ومساراتها توجد قوى قوية لا تعمل في ذرات كاملة. ولذلك فإن ترتيب الأصداف في النوى يختلف عن ترتيب الذرات، وتظهر "الأرقام السحرية" بشكل طبيعي. بمعنى آخر، النموذج يناسب الواقع.

وهكذا عاد "نموذج الصدفة" إلى مركز الساحة العلمية. نفس التفسير لترتيب الأصداف في النواة تم اقتراحه بشكل مستقل في نفس الوقت من قبل هانز يانسن. حصل ماير فينسن على جائزة نوبل في الفيزياء لهذه الإنجازات، وفي عام 1949، تم إرسال العديد من طلاب الأبحاث الإسرائيليين لدراسة الدكتوراه في الخارج. وكان من بينهم عاموس دي شاليط ويجال بطليموس، اللذين أكملا دراستهما للحصول على درجة الماجستير بتوجيه من يوئيل راكاح. بعد الانتهاء من دراسة الدكتوراه في زيوريخ، تحت إشراف بول شيرير وولفغانغ باولي، واصل عاموس دي شليت أبحاث ما بعد الدكتوراه في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، في حين اختار ييغال بطليموس جامعة برينستون.

وفي عام 1954، عاد الاثنان، مع العديد من علماء الفيزياء الشباب الآخرين، إلى إسرائيل، واكتشفوا أن الحكومة الإسرائيلية، التي خططت لإنشاء معهد أبحاث في الفيزياء، قد انسحبت من الخطة. وهنا ظهر معهد وايزمان للعلوم في الصورة، الذي دعا عاموس دي شاليط إلى إنشاء قسم للفيزياء داخله، والأعضاء الآخرين للانضمام إليه.

كان "نموذج الصدفة" بمثابة خبر ساخن في ذلك الوقت. باستخدامه، كان من الممكن تحديد المدارات التي يمكن للبروتونات والنيوترونات أن تتحرك فيها (على الرغم من عدم الحاجة إلى ذلك). وعندما يتعلق الأمر بالنواة التي تكون أغلفتها مغلقة (مشغولة بالكامل)، كان من الممكن بمساعدة النموذج معرفة حالتها الكمية، لكن كان من المستحيل حساب طاقتها (ولهذا كان من الضروري معرفة القوة من القوة المتبقية للقوة الشديدة، التي تربط هذه الجزيئات النووية بهذه، وتمنع انتشارها في كل مكان).

الحالات الكمومية

عندما يتعلق الأمر بالنواة التي يوجد فيها جسيم واحد (نيوترون أو بروتون) خارج الأغلفة المغلقة (أي في بداية غلاف جديد)، كان من الصعب حساب طاقة التأين، أي مقدار الطاقة التي يجب أن تكون يتم استثمارها، "لتنتزع" هذا الجسيم من النواة. إذا كان هناك العديد من البروتونات والنيوترونات خارج الأغلفة المغلقة، فإن الوضع أكثر تعقيدًا: قد توجد مثل هذه النواة في عدة حالات كمومية، ومن المستحيل معرفة حالتها الأساسية (الحالة "الطبيعية"). ولهذا كان من الضروري معرفة القوى المتبقية المؤثرة بين البروتونات والنيوترونات الموجودة خارج الأغلفة المغلقة. إذا لم يكن ذلك كافيًا، فقد أصبح الوضع أكثر تعقيدًا: في تجارب التشتت للجسيمات الفردية، أصبح من الواضح أنه على مسافات قصيرة، تكون القوى المؤثرة بين الجسيمات قوية جدًا، وأحيانًا قوى تنافر.

ولم تتوافق هذه الظاهرة مع الحركة المستقلة للبروتونات والنيوترونات في مساراتها. هذه الحقيقة تزيد من تعقيد مسألة سبب نجاح نموذج الصدفة.

حتى يومنا هذا لا توجد إجابة شافية لهذا السؤال. ومع ذلك، ظهرت مشكلة عملية للغاية: فقد ثبت أخيرًا أنه من المستحيل استخدام نموذج القشرة مع القوى المقاسة بين الجزيئات الفردية. تختلف القوى المتبقية كثيرًا عن هذه القوى، ولم تكن هناك طريقة دقيقة لإدخالها في الحسابات. ودخل هذا الإقليم عاموس دي شاليط ويجال بطليموس وزملاؤهما في قسم فيزياء الشباب بمعهد وايزمان للعلوم، حيث بحثوا في نموذج القشرة، بالإضافة إلى دراسات أخرى في الفيزياء النووية وفيزياء الجسيمات التي كان مصدر خلقها الوحيد هو الإشعاع الكوني. ومن أجل حساب طاقة الارتباط بين البروتونات الخارجية والنيوترونات (خارج الأصداف المغلقة)، وفي ظل غياب معلومات عن القوى المتبقية، تم تطوير طريقة في المعهد لتحديدها اعتماداً على طاقات النوى المقاسة بالتجارب. اتضح أنه في كثير من الحالات، كانت المعلومات المتوفرة عن الطاقات المقاسة كافية لتحديد القوى التي يمكن من خلالها حساب طاقات العديد من النوى بنجاح، سواء في حالتها الأساسية أو في الحالات المثارة (حساب مستويات الطاقة - طيف نواة). وأدى استخدام هذه الطريقة، التي تم تطويرها في المعهد، إلى "تنبؤات" ناجحة، كان بعضها مفاجئا. ومن بعض الحالات النموذجية كان من الممكن استنتاج الخصائص العامة للقوى المتبقية.

عشرة ملايين وسائط

وقد تم نشر وصف الطريقة مع نظرية نموذج القشرة، بناء على أعمال يوئيل راكا، في كتاب عاموس دي شليت وإيجال بطليموس، نظرية الغلاف النووي، عام 1963. وقد تم توزيع هذا الكتاب على نطاق واسع، ويعتبر كتابًا أساسيًا بين علماء الفيزياء النووية في العالم. وقد لاقت طريقة حساب الطاقات قبولاً لدى المجتمع العلمي العالمي، وهي تستخدم اليوم في عمليات حسابية معقدة يجب أن تؤخذ في الاعتبار عدة مسارات، حتى يصل عدد الحالات المحتملة إلى عشرة ملايين أو أكثر.

يقول البروفيسور بطليموس: «في مثل هذه المواقف المعقدة، يقدم النموذج نتائج معقولة، ويتنبأ بتقريب جيد للنتائج التي تم الحصول عليها في التجارب. وحتى في هذه الحسابات، تؤخذ في الاعتبار فقط القوى المتبقية المؤثرة بين جسيمين. ولكن مع كل النجاح الذي حققه نموذج الصدفة البسيط، أود أن أفهم سبب نجاحه. هذا سؤال مفتوح استمر لعقود".