ما العلاقة بين كلآً من المادة والطاقة

هناك مقولة تقول إن المادة والطاقة وجهان لعملة واحدة , واستناداً إلى الدراسات والفرضيات القائمة في الوقت الراهن المدعومة بالنتائج المستخلصة من المسرعات والتفاعلات النووية تبين أنه يمكن أن تتحول المادة إلى طاقة , وبالمقابل تتوقع الدراسات النظرية وعدة ظواهر مثل مفعول كومبتون أن الطاقة يمكن أن تتحول إلى مادة , وسأفرد باباً عن ذلك لاحقاً , حيث سأورد في هذا البحث عددا ًمن الأبواب أتحدث فيها عن المادة وأنواعها وبنيتها و عن الطاقة وأشكالها وسماتها و عن العلاقة المتبادلة بينهما , بالإضافة إلى أبواب أخرى تتعلق بالأشعة والمواد المشعة وآخر عن المبدأ الأساسي الذي تبنى عليه المفاعلات النووية وأبواب مختلفة أخرى ذات صلة .

أسأل الله تعالى الإخلاص والتوفيق في هذا العمل , إنه جوادٌ كريمٌ مجيبٌ للدعاء .

الحالة الصلبة و السائلة و الغازية بالإضافة إلى البلازما .

فتكون الذرات متراصة بشكل كبير فيما بينها في الحالة الصلبة والمسافات بين الذرات تكاد تكون معدومة , فلا تستطيع الذرات تغيير مواقعها داخل الجسم الصلب , وتكون هذه الشروط مشابهة لما عليها في الحالة السائلة إلا أن الذرات تكون أقل تراصاً فيما بينها , والمسافات بينها أكبر , فتستطيع الذرات الدوران والحركة بشكل أكبر مما كانت عليه في الحالة الصلبة , أما حالة الغازات فتكون الذرات متحركة بشكل كبير وتشغل أي حيِّز توضع فيه والمسافات بين الذرات كبيرة للغاية بالنسبة للتي تكون عليها في كل من الحالتين الصلبة والسائلة , والحالة الرابعة من حالات المادة هي حالة البلازما والتي تعرف بحالة الغاز المؤين أو المشَرَّد أي الذي يحوي على شحنات موجبة وأخرى سالبة معاً , وهذه الحالة ليست مألوفة على سطح الأرض ويمكن أن نجدها في السحب في السماء وفي النجوم في الفضاء .

الذرة ( Atom ) : أي اللاجزء ومعنا ذلك أنها الجزء الذي لا يتجزأ , وقد قطع مفهوم الذرة على مدى التاريخ عدداً من التصورات والنماذج كانت النقلة النوعية فيها معرفة أن هنالك أجزاء سالبة وأخرى موجبة الشحنة مكوِّنة للذرة , كان أولها افتراض أن الذرة تشبه البرتقالة في الشكل , يشكل اللب الجزء الموجب والبذور الجزء السالب منها , فهي مسمطة ولا تحوي فراغات , وتبين لاحقاً أن هذه الفرضية خاطئة تماماً فهي ليست مسمطة وأغلب حجمها فراغ , وأن نموذج البرتقالة لا علاقة له بالصحة .

ثم جاء من بعد ذلك رذرفورد ومن بعده بور الذين وضعا عدداً من الفرضيات المستغربة والغامضة في ذلك الوقت والتي كانت تناقض النظرية الكهرطيسية التي كانت سائدة في ذلك الوقت , وأهم هذه الفرضيات تمثيل الذرة بالمجموعة الشمسية حيث تمثل الشمس النواة في الذرة والكواكب الإلكترونات التي تدور حول النواة و وضع بور أيضاً عدد من النظريات حول طاقة الإلكترون و عزم حركته حول مداره واستخرج لها قوانين مات ولم يرضَ أن يكشف سره في كيفية الوصول إلى هذه النتائج , وجاءت بعد ذلك النظريات الحديثة التي اعتمدت بشكل أساسي على نموذج بور وأضافت عليها بعض الحقائق والتصويبات, وما يهمنا من ذلك كله هو نموذج الذرة المفترض النهائي سأوجز الآن بنوده الأساسية .

الإلكترونات : سالبة الشحنة وأصغر من البروتونات والنيترونات بحوالي 1837 مرة تدور حول النواة - موجبة الشحنة - بسرعات كبيرة , ولكن ليس كما تصور بور على أنها مثل الكواكب تدور حول الشمس بمسارات دائرية مستوية ثابتة , وإنما بمسارات فراغية بعضها كروي وآخر مغازلي وأشكال معقدة فراغية أخرى .

وهذه الإلكترونات تدور في الفراغ حول النواة بمسافات شاسعة , فلو فرضنا نصف قطر نواة الهيدروجين 1 سم فإن إلكترون الذرة الوحيد سوف يدور حول النواة على بعد حوالي 1 كم منها , أي أن معظم الذرة فراغ ؛ وما يؤكد ذلك هو أن كثافة النواة أكبر بكثير من كثافة الذرة ككل , ونعني بالكثافة بأنها الكتلة على الحجم ( الكثافة = الكتلة/الحجم ) , فمثلاً كثافة الماء 1 غ / سم3 أي لو أخذنا مكعباً من الماء طول ضلعه 1 سم فكتلة هذا المكعب ستكون 1 غ , بالعودة إلى موضوعنا فإن كثافة النواة تعادل

2 مليون طن / سم3 , بينما أكبر الذرات ( محسوبة الكثافة ) كثافة هو عنصر الأوزميوم – الأوسِميوم - ( Os ) تبلغ كثافته حوالي 22.4 غ / سم3 , و هذا دليل آخر أن معظم الذرة فراغ .

الذرات بطبيعتها معتدلة الشحنة أي عدد البروتونات الموجبة داخل النواة يساوي عدد الإلكترونات السالبة التي تدور حولها , ولكن لو فقدت ذرة أحد إلكتروناتها السطحية فسوف تتحول إلى شاردة ( أيون ) موجبة كون عدد البروتونات فاق عدد الإلكترونات , علماً أن النيترونات المعتدلة لا تؤثر أبداً على الشحنة العامة للذرة .

وتختلف ذرات العناصر الكيميائية بعضها عن بعض بعدد البروتونات داخل النواة وهذا العدد يسمى العدد الذري , فالعدد الذري للهيدروجين يساوي الواحد لأن نواة الهيدروجين تحوي بروتون واحد , والعدد الذري للأكسجين يساوي الثمانية لأن عدد البروتونات داخل نواتها يساوي ثمانية بروتونات .

بقي أن نشير إلى أن أبعاد الذرات بشكل عام من رتبة 10- 10 م و أبعاد النوى من رتبة 10- 14 م , وبسبب صغر الذرة الشديد واستحالة التعامل مع أعداد قليلة منها , يتم التعامل مع واحدة جديدة لعدد الذرات تسمىالمول وكل واحد مول يساوي عدد أفوغادرو من الذرات , وعدد أفوغادرو عدد هائل جداً يساوي 6.02 × 10+23 , ويكفي لكي تتصور ضخامة هذا الرقم أن تعلم أنه يساوي عدد حبات الأرز التي ينتجها العالم بأسره مدة أربعين مليون سنة .

وتتبادل المادة الطاقة فيما بينها وتحولها من شكل لآخر , فيمكن تحويل الطاقة الكهربائية إلى حرارية كما في المكواة , والطاقة الحركية لمياه الأنهار إلى طاقة كهربائية من خلال تدوير العنفات في السدود , إذاً فالطاقة في هذا العالم لا تفنى ولا تنشأ من العدم بل تتحول من شكل لآخر ( معنى مجازي ) .

الأمواج الكهراطيسية : تعد الأمواج الكهرطيسية شكلاً من أشكال الطاقة وسنتكلم عنها بشيءٍ من التخصيص لما لها من بالغ العلاقة في هذا البحث , حيث إن كلاً من الحرارة والضوء وأمواج الراديو وأشعة غاما والأشعة السينية وغيرها هي أمواج كهرطيسية , وسنحاول الآن تبسيط لمحة عن الأشعة أو الأمواج الكهرطيسية وماهيتها وخصائصها .

جاءت كلمة كهرطيسية من دمج كلمتين هما كهربائية ومغناطيسية , حيث إن الموجة الكهرطيسية مكونة من حقلين كهربائي ومغناطيسي متعامدين , ولهذه الخاصية أهمية بالغة في عدد من التطبيقات الطبية التي لا يسعني الحديث عنها كتفتيت الحصى والكشف عن الأورام .

ويجب علينا أن نعلم أن هذه الأمواج الكهرطيسية تنتشر على شكل كمَّات منفصلة من الطاقة أُطلق على الواحد منها اسم الفوتون , وينتشر هذا الفوتون بسرعة هائلة يطلق عليها سرعة الضوء تقدر بـ 3 × 10+8 م/ ثانية , أي أن الضوء الذي نراه ليس مستمراً بل هو متقطع ولكن كون تواتر الضوء كبير جداً وسرعة الفوتونات عالية جداً فنشعر وكأنه مستمر , وكلما زاد تواتر اهتزاز الفوتون كلما زادت طاقته , فطاقة أمواج الراديو منخفضة جداً بالمقارنة مع بقية الأشعة الكهرطيسية لأن تواترها منخفض نسبياً , وبالمقابل فطاقة الأشعة السينية وأشعة غاما عالية جداً كون تواترها عالي جداً , ويعتبر الضوء المرئي حالة وسطية بين الحالتين السابقتين , وسأقف هنا عند هذه النقطة في هذا الموضوع لما فيه من تعقيد بالغ يكمن في التفاصيل .

ط = ك × سض2 ( ك : كغ , سض : سرعة الضوء = 3 × 10+8 ) E = m.C2

وبالتعويض نجد : ط = 1 × 10-3 × 9 × 10+16

ط = 9 × 10+13 جول

هذا المقدار من الطاقة هائل جداً , ويكفي أن نقول حتى ندرك هذا الرقم الهائل أن الطاقة اللازمة لرفع سيارة كتلتها 600 كغ في الهواء متراً واحداً هي 6000 جول تقريباً أي أن المقدار الأول أكبر من الثاني بحوالي خمسة عشر مليار مرة ( 15 × 10+9 ) , أي أنه قادر على رفع خمس عشرة مليار سيارة مثل هذه السيارة متراً واحداً في الهواء .

وبالمقابل فالتحويل من الطاقة إلى مادة أمر نظري بحت وبعيد عن التطبيق العملي .

ويبقى انتقال عرش بلقيس من اليمن إلى فلسطين هو معجزة حقيقية , فقد يكون العرش المكون من المادة , قد تحول إلى طاقة وسرعتها كما قلنا 300.000 كم / ثانية ثم عاد وتحول إلى مادة ولا أحد يعلم سر ذلك إلا الله جل جلاله .

{ قال الذي عنده علمٌ من الكتاب أنا آتيك به قبل أن يرتد إليك طرفك فلما رآه مستقراً عنده قال هذا من فضل ربي ليبلوني أأشكر أم أكفر ومن شكر فإنما يشكر لنفسه ومن كفر فإن ربي غني ٌ كريم }النمل ( 40 )

ونذكر أيضاً كمعلومة على الهامش أن الطاقة المختزنة في جزيئة ATP واحدة التي يركب عدد كبير منها داخل المصورات الحيوية والتي تحوي الخلايا العديد منها تصل لـ 2500 مصورة حيوية في الخلية الكبدية, تحوي طاقة قدرها 7000 جول , علماً أن الجسم يحوي ملايين وربما مليارات الخلايا .

الأشعة النووية والمواد المشعة : سأوجز في هذا الباب أنواع الإشعاعات النووية وسبب إصدارها , وأفسر سبب خطورة التعرض لها

الأشعة النووية هي إشعاعات تصدر عن نوى العناصر المشعة

وتقسم الأشعة النووية إلى قسمين :

أشعة مادية .

أشعة الكهرطيسية .

1 . أشعة ألفا . 2 . أشعة بيتا .

1. أشعة ألفا : وهي عبارة عن جسيمات مكونة من بروتونين ونيترونين , أي أن كلاً منها موافق لنواة عنصر الهليوم , ومن الطبيعي أن نستنتج أنها جسيمات مشحونة بشحنة موجبة , لأن البروتونات موجبة والنيترونات معتدلة الشحنة ,وتعد هذه الأشعة قصيرة المدى فهي تسير في الهواء مسافة قصيرة تقدر بـ 3 سم , وفي جسم الإنسان مسافة لا تكاد تذكر بحدود 0.04 ملم . ولكنها نظرياً أشد الإشعاعات النووية ضرراً , ولكن عملياً لا يتعدى تأثيرها جلد الإنسان في أسوأ الحالات ( إذا كان هذا التأثير خارجي ) , ويمكن اعتبار هذه الأشعة ضارة بكل المقاييس , فلا يمكن الاستفادة منها في أي مجال على الإطلاق لقصر مداها وتأثيرها التخريبي الكبير .

2. أشعة بيتا : وهي عبارة عن إلكترونات سالبة الشحنة مداها أطول نسبياً من أشعة ألفا , فمداها في الهواء يقدر بـ 300 سم , وفي جسم الإنسان بحوالي 5 ملم ,وهي أقل ضرراً من أشعة ألفا بحوالي 20 مرة , ويمكن الاستفادة منها في مجالات محدودة مثل استكشاف وتصوير المناطق السطحية من الجسم كالغد الدرقية .

إن كلاً من أشعة ألفا وبيتا تصدران من نوى العناصر المشعة والتي تحتوي غالباً على عدد كبير من النيكليونات ( بروتونات + نيترونات ) فتحاول تخفيض هذا العدد بإصدار أشعة ألفا ( 2 بروتون + 2 نيترون ) وهذا يعد منطقياً , ولكن كيف تصدر النواة موجبة الشحنة إلكترونات سالبة الشحنة ؟

هذا السؤال أجابت عليه الدراسات والأبحاث الحديثة نسبياً وكانت النتيجة أن أحد النيترونات المعتدلة داخل النواة الذي كتلتها أصلاً أكبر من كتلة البروتونات بفارق قليل جداً , ينقسم إلى إلكترون يخرج من النواة على شكل أشعة بيتا وبروتون يستقر داخل النواة .

ويكمن التأثير السلبي للأشعة بأنها تقوم بقتل الخلايا أو تحويلها إلى خلايا سرطانية إلا إن أعظم هذه الأخطار هي الأخطار التي تلحق بالخلايا الجنسية نتيجة حدوث طفرات واختلالات وراثية تسبب تشوهات تنتقل من جيل لآخر , وهذا هو الأثر المدمر والرهيب الآخر للقنابل النووية الذي يدوم آلاف وربما ملايين السنين إضافة إلى الطاقة الهائلة المنتشرة لحظة تفجير القنبلة النووية .

كان العالم في زمن قريب يظن أن زوج الإلكترون هو البروتون , ولكن بالنظر إلى أن كتلة البروتون أكبر بحوالي 2000 مرة من كتلة الإلكترون يشكك بهذه الفكرة , ثم ما هو زوج النيترون , ولكن بينت الدراسات الحديثة والنتائج التي تم التوصل إليها من خلال دراسة سلوك وطبيعة بعض الإشعاعات النووية الصادرة عن نوى بعض العناصر المشعة الصنعية وبعض الأبحاث الفلكية وجود مادة مضادة للمادة , فما إن تلتقي المادة والمادة المضادة لها حتى يفني أحدها الآخر , وينتج لدينا طاقة هي عبارة عن أشعة غاما , فعلى سبيل المثال فإن نظير الإلكترون من المادة المضادة هو الإلكترون الموجب أو ما يسمى البوزيترون , وهو مساويه تماما ً في الكتلة ويخالفه في الشحنة , وما إن يلتقيان حتى يفنيان ويصدر فوتونين غاماويين يتجه أحدهما اتجاهاً معاكساً للآخر , واستفاد الطب الحديث من هذه الظاهرة فيما يسمى بالكاميرا البوزيترونية والتي تكشف عن هذين الفوتونين الغاماويين المتعاكسين , ويستفاد من ذلك في تصوير ودراسة الجسم البشري .

يقول عز وجل : { سبحان الذي خلق الأزواج كلها مما تنبت الأرض ومن أنفسهم ومما لا يعلمون } يس ( 36 )

في الحقيقة تبين أن كتلة النواة تنقص عن مجموع كتل النيكليونات ( بروتونات + نيترونات ) المكونة لها في حالتها الحرة أو المنفردة , وهذا الفرق في الكتلة يتحول إلى طاقة لحظة تشكل النواة , هذه الطاقة تسمى طاقة الارتباط داخل النواة , فتتغلب هذه الطاقة على طاقة التنافر بين الشحنات الموجبة المتماثلة داخل النواة , فتحافظ على استقرار النواة بشكل خاص والذرة بشكل عام .

وتتمثل الفكرة الرئيسة في المفاعلات النووية في استخدام الطاقة الناتجة من تحول جزء من المادة الفعالة ( مواد مشعة ذات نوى كبيرة تحوي عدد كبير من النيكليونات ) إلى طاقة – إفناء – بأساليب خاصة , تتمثل بقذف نوى هذه الذرات بنيترونات بطيئة تؤدي إلى شطر نواة الذرة الكبيرة إلى نواتين أصغر بالإضافة لصدور طاقة هائلة وعدد من النيترونات التي بدورها تقوم بشطر ذرات أخرى من المادة الفعالة تعطي كل منها ذرتين أصغر وطاقة ونيترونات وهكذا , لذلك فمن المهم جداً للخبراء معرفة كيف يمكن إيقاف هذا التفاعل المستمر الذي يعطي طاقة هائلة ومتزايدة دون توقف , وبالنتيجة تمرر هذه الطاقة الحرارية الهائلة على غاز مثل غاز ثاني أكسيد الكربون CO2 فيسخن بشدة ويقوم بعملية نقل الحرارة إلى ماء مسبباً تبخره , فيتحول إلى بخار ماء يسبب ضغط عالي يؤدي إلى تدوير العنفات المولدة للطاقة الكهربائية .

النتيجة : طاقة هائلة ماء بخار ماء ضغط عالي تدوير العنفات المولدة للطاقة الكهربائية .

وفي النهاية أسأل الله أن أكون قد وفقت في هذا العمل وأن يرزقني الله الإخلاص , وأن يجعل منفعة المسلمين ونصرة الإسلام على أيدينا

والحمد لله رب العالمين