Header Ads

ماذا تعرف عن فيزياء الجسيمات

تعرف على فيزياء الجسيمات
 فيزياء الجسيمات

فرع من فروع الفيزياء يدرس الجسيمات الذرية. وتشمل هذه الجسيمات تحت الذرية الأجزاء الأساسية الثلاثة للذرة وهي البروتونات موجبة الشحنة, والإلكترونات سالبة الشحنة, والنيوترونات المتعادلة كهربائياً. فالبروتونات والنيوترونات تكون نواة الذرة, بينما تدور الإلكترونات حول هذه النواة.

وهناك جسيمات كثيرة داخل النواة غير ثابتة وغير مرئية, وهذه الجسيمات تظهر قبيل انحلال (تفكك) الذرة إلى جسيمات أدق. وقد تفرعت فيزياء الجسيمات من الفيزياء النووية بعد أن اكتشف الباحثون هذه الجسيمات الدقيقة غير الثابتة. وأدى اكتشافهم هذا إلى ان البروتونات والنيوترونات تتكون من جسيمات أدق منها. ويجري فيزيائيو الجسيمات الأبحاث باستخدام أجهزة تسمى معجلات الجسيمات. وتستطيع هذه الأجهزة أن تدفع بالحسيمات تحت الذرية إلى سرعات عالية جداً. وعندما تبلغ سرعات هذه الجسيمات قيماً قريبة جداً من سرعة الضوء, يسمح لها بالتصادم مع المادة. ويدرس الفيزيائيون الشظايا التي تنتج من التصادمات ويقيسون طاقاتها. وبهذه الكيفية يأملون أن يفهموا كيف تترابط الجسيمات الأولية لتكون البروتونات والنيوترونات والجسيمات تحت الذرية الأخرى.

وفي بعض الأحيان تنتج الطاقة المنبعثة من التصادم جسيمات جديدة, يفنى معظمها في أقل من جزء من البليون من الثانية. ويتتبع علماء الفيزياء مسارات مثل هذه الجسيمات بطرق مختلفة:

ومن هذه الطرق تصوير الآثار التي تتركها الجسيمات أثناء مرورها خلال بعض المواد الشفافة. وهناك طريقة أخرى للتتبع تستخدم جهازاً يرسل إشارة كهربائية عندما يمر أي جسيم من خلاله, وتحول هذه الإشارة إلى حاسوب يعيد تركيب ممرات الجسيمات الناتجة عن التصادم.

ويسعى علماء فيزياء الجسيمات إلى التعرف على كل الجسيمات الأولية وإلى استنتاج نظرية رياضية عن سلوكها. كما يريدون أن يكتشفوا أصل الكتل التي تحملها الجسيمات المختلفة. فبعضهم يعتقد أن هذه الكتل تنتج عن فعل البوزونات التي تسمى بوزونات هيجز, غير أن وجود هذه البوزونات لم تتم برهنته بطريقة مباشرة حتى الآن

مقدمة في فيزياء الجسيمات الاولية

سنتناول في هذا البحث موضوع شيق ومثير وهو بحر حديث في الفيزياء الحديثة المعاصرة . إنه فيزياء الجسيمات الأولية ( أو كما تسمى بعض الأحيان الجسيمات دون النووية Sub nuclear particles ) .
وتسمى أيضًا فيزياء الطاقات العالية وسنعرف سبب هذه التسميات. في بداية نمو وتطور العلوم النووية كان يطلق على الدقائق التي تنبعث من المصادر المشعة بالدقائق الأساسية أو الأولية Fundamental particles وسبب هذه التسمية يرجع إلى أن العلماء أنذاك كانوا يعتقدون باستحالة تغير وتبدل تلك الدقائق تحت أي ظرف ، إلا أن التجارب اللاحقة برهنت عكس ذلك حيث بات من الميسور مشاهدة تحول بعض تلك الدقائق وأول ما يتبادر إلى أذهاننا تحول النيترون إلى بروتون والكترون .
وبالرغم من كل ذلك فإن بعض العلماء ما زال يفضل استعمال تعبير الدقائق الأساسية لأنها تؤلف الوحدات البنائية للنواة .

إن موضوع الجسيمات الأساسية يمثل محاولة الإنسان لمعرفة أكثر الأشياء أساسية تلك التي يتكون منها الكون ، أو يمكننا القول بأنه يمثل محاولة إجابة الجيل الحاضر عن سؤال طرحه الفلاسفة منذ 2500 عام على أقل تقدير ، نقول محاولة الإجابة لأن ما نعرفه الآن لا يمثل الجواب النهائي .

إن عالم الجسيمات الأساسية زاخر بالمستجدات ، فكما أن الانسان لا يكف عن البحث عن حقيقة الأشياء سواء بدافع التدبر أو بحب الفضول ، فإن الباحث الفيزيائي يتبحر ويتعمق في عالم الجسيمات الأساسية ليكشف القناع عن المخبأ منه أملاً أن يعرف ماهية هذه الجسيمات ليدرك أسرارها ، وليخرج من هذا العالم الميكروسكوبي الدقيق إلى الكون الفسيح بشموليته .
فما هي قصة اكتشاف هذه الجسيمات ؟!

اهتم الإنسان منذ القديم بالمكونات الأساسية للعالم المادي ، وكان لو سيبوس الميلي هو أول من قال بأن الذرة هي العنصر الأكثر أولية في الطبيعة . ثم جاء بعده ديموقريطس وثبت مفهوم الذرة غير المنقسمة والقاسية وغير المنضغطة .
وكانت هذه الذرات تختلف في شكلها وترتيبها وتخضع لحركة مستمرة وأبدية وشواشية وتؤلف هذه الذرات كل شيء بما فيها النفس . وأضاف لها أبيقور خاصة جديدة هي نوع من الثقالة ( الجاذبية ) وتكون حركتها وفقه غير منتظمة وموجهة نحو الأسفل إنما يمكن أن تكون منحرفة قليلاً .

وقد جوبهت هذه النظرية الذرية في العصور الوسطى بالموروث الأرسطي الذي يتألف العالم وفقه من أربعة صفات أولية ، هي الحرارة والبرودة والرطوبة والجفاف ، بالإضافة إلى مادة خاصة متواجدة في كل شيء هي الأثير .
ولم تطرح النظرية الذرية بقوة إلا في مطلع القرن العشرين مع اكتشاف الإلكترون ، وكان رذرفورد قد برهن من معطيات تجريبية ترتكز على قذف ورقة ذهبية بذرات الهيليوم الموجبة الشحنة ، أنه يوجد في مركز الذرة نواة موجبة الشحنة وصغيرة جدًا وسمى رذرفورد في عام 1920 م شحنة النواة الموجبة هذه بروتونًا .

وبعد ذلك باثنتي عشرة سنة اكتشف شاديوك جسيمًا متعادلاً كهربائيًا في قلب الذرة وسماه النيترون . وفي نفس السنة أيضًا تم اكتشاف البوزيترون من قبل الفيزيائي الأمريكي وفي عالم 1905 م اقترح آينشتاين في الوقت الذي كان يطرح منه نظرية النسبية أن يكون الضوء مثل دفق من الجسيمات الأولية ، أو كمية من الطاقة المعينة في نقاط من الفضاء . وقد سميت هذه الكلمات فيما بعد بالفوتونات وتم اثبات وجود مثل هذه الجسيمات في عام 1923 م على يد كومبتون .

في ثلاثينات القرن الماضي كانت الجسيمات المعروفة فقط ستة جسيمات هي الإلكترونات ، البروتونات ، النيترونات ، الفوتونات ، البوزيترونات ، النيوترينو .
كان التصور أن هذه الجسيمات هي المكونات الأساسية لكل المواد الموجودة في الكون ، لكن السؤال الذي شغل بال العلماء طويلاً في تلك الفترة هو : ماهي طبيعة القوة التي تربط بين البروتونات موجبة الشحنة داخل النواة ،ولا تجعلها تتنافر أبدًا و إنما تبقيها متوحدة وقريبة من بعضها.
كان الجميع مقدرًا في تلك اللحظات أن هذه القوة هي أقوى من أي شيء معروف في الطبيعة .

كانت أول نظرية وضعت كتفسير لهذه القوة بداية لفيزياء الجسيمات الأولية كما هي عليه اليوم .
كان ذلك سنة 1935 م عندما تنبأ العالم الياباني ( يوكاوا ) Hidoki Yukawa وجود جسيم جديد يتوسط بطريقة ما القوة النووية . والذي حصل على جائزة نوبل عام 1935 م .
القوى الأساسية في الطبيعة أربعة كما نعلم جميعًا وهي (تصاعديًا) حسب القوة :

1- قوة الجاذبية .
2- القوة الكهرومغناطيسية .
3- القوة النووية الضعيفة .
4- القوة النووية القوية .

كانت الفكرة في ابتداع النواقل هي مايلي : مالذي يجعل جسمًا ما يتأثر ويتفاعل مع غيره ؟ على الرغم من عدم تلامسها !!
الأرض تتأثر بجاذبية الشمس ... كيف وكلاهما على مسافة هائلة من بعضها البعض ؟
لاعبي كرة اليد يتفاعلون سويًا بالرغم من عدم تشابكهما بالأيدي كيف ؟! هناك الكرة . التي تنتقل من أيدي لاعبي الفريق الأول إلى الفريق الثاني وهكذا دواليك وتنتقل حاملة قوة من فريق الى اخر. .
كانت هذه اللبنة الأولى للتفكير في نواقل القوة ، ولأن موضوعنا تركيزًا على النوع الثاني فسنعدد النواقل تعددًا فحسب :
نواقل قوة الجاذبية : الجرافيتونات .
نواقل القوة الكهرومغناطيسية : الفوتونات .
نواقل القوة الضعيفة : البوزونات المتجهة ، أو البوزونات الضعيفة ..
نواقل القوة القوية : الجليونات .
لنعد الآن إلى قصتنا ...
لم تكن الجليونات معروفة عندها بطبيعة الحال ، لذا كانت فكرة يوكاوا أن القوة التي تربط النيوكليونات ( وهي تسمية عامة تطلق على البروتونات والنيترونات ) بسببها تبادل جسيم بينها ، وتنبأ أن كتلة هذا الجسيم هي 200 كتلة الإلكترون ، ولأن هذا الجسيم كتلته أكبر من كتلة الإلكترون وأقل من كتلة البروتونفإنه أطلق عليه اسم ميزون ( وتعني باللاتينية meson المتوسط ) .
بدأت التجارب المعملية في البحث عند ميزون يوكاوا ، ومن غير خوض في التفاصيل المعملية ، توصل كارل أندرس في دراسته للأشعة الكونية للكشف عن جسيم كتلته تعادل 207 كتلة الإلكترون ، وظن الجميع أن هذا هو ميزون يوكاوا الخاص بالتفاعلات القوية لكن هذا الجسيم أظهر تفاعلاً ضعيفًا مع مكونات المادة ، الأمر الذي يستحيل أن يكون معه هو جسيم التفاعلات القوية .
وهكذا بدأ العلماء في دراسة مستضيفة لكل الجسيمات التي يتم الكشف عنها من دراسة الأشعة الكونية ، أو من تحلل بعض العناصر ومن تفاعل جسيم مع جسيمات أخرى .
وانطلقت الشرارة ، وزاد عدد الجسيمات المكتشفة إلى حد هائل استدعى تقسيمها وترتيبها واعطائها مسميات تليق بها ، وأطلق على هذا الحقل الجديد المستحدث في الفيزياء : فيزياء الجسيمات ، أو فيزياء الطاقة العالية وذلك لأن هذه الجسيمات لا تنتج في الظروف العادية الطبيعية وإنما يتم انتاجها تحت طاقات مرتفعة للغاية .
ما هذه الأقسام ؟ ولماذا سميت هكذا وما هي أنواعها وكيف نميز بين أحدها والآخر ؟

بعد أن انتهينا من قصة الجسيمات كيف بدأت ؟ ولماذا درست ؟ سنبدأ الآن في الحديث عن أقسامها وأنواعها وأسمائها .

تصنيف الجسيمات الأولية

Classification of Particles

* تصنيف الجسيمات على أساس الكتلة إلى ثلاثة أصناف رئيسية :
1- اللبتونات Leptons وهي الجسيمات الخفيفة مثل الإلكترونات .
2- الميزونات mesons وهي الجسيمات المتوسطة الكتلة مثل البايونات .
3- الباريونات baryons وهي الجسيمات الثقيلة مثل النيوكلونات والجسيمات الأثقل .
لكن هذا التصنيف ما لبث وأن استبدل بآخر أكثر فائدة صنفت فيه الجسيمات بدلالة تفاعلاتها . على سبيل المثال الهادرونات hadrons
( التي تتضمن الميزونات والباريونات ) لها تفاعلات قوية بينما لا تتسم اللبتونات بتلك الصفة .


إذن يمكن تصنيف الجسيمات الأولية ( الأساسية ) التي تم اكتشافها إلى ثلاث مجموعات رئيسية ، تتعين كل منها طبقًا للطريقة التي تتفاعل بها هذه الجسيمات .
1- الفوتونات .
2- الليبتونات وتشمل ( النيوترينو ، الإلكترون ، والمايون ) .
3- الهادرونات وتشمل الميزونات ( البايون ، الكايون ، الباريونات ، نيوترون ، بروتون ، جسيم سيجما ، جسيم لمبدا ، جسيم اكساي ) .
الفوتونات :
الفوتونات كمات من الطاقة وتعتبر الحامل للمجامل الكهرومعناطيسي .
وتتميز بأن لها كمية تحرك لفية ذاتية تساوي (1h) أي أنها تتبع احصاء بور – آينشتاين ، الذي يختص بالبوزونات ذات كمية التحرك اللفية الذاتية مضاعفات العدد الصحيح بوحدات (1h).
الليبتونات :
تتميز بأن كمية تحرك لفية ذاتية مضاعفات فردية لأنصاف الأعداد الصحيحة أي 1/2h , 3/2h , 5/2h ….))
و لذلك فإنها تتبع احصاء فيرمي ديراك ولأنها أخف من البروتون فهي تدعى بالفيرميونات الخفيفة ومن الجدير بالذكر أن الليبتونات لا يشتمل اضمحلالها على بروتون أو نيترون .


الهادرونات :
تشتمل على الباريونات والميزونات .

الباريونات :
أي الفيرميونات الثقيلة وتحوي جميع الفيرميونات ذات الكتل الأثقل من أو المساوية لكتلة البروتون .
وتتميز الباريونات بوجود بروتون أو نيترون كناتج أخير لاضمحلالها .
ولا تنتج الباريونات ولا تضمحل في الطاقات العالية إلا أزواجًا من الجسيمات وضديداتها فمثلاً لو حدث تصادم بين بروتونين لهما طاقة عالية كافية فإن زوجاً أو أكثر من البروتون وضديده يمكن أن تنتج بالإضافة إلى عدد غير محدود من البايونات والكايونات .

الميزونات :
الميزونات ( البايونات والكايونات ) تعتبر القسم الآخر من البوزونات ، أما البايونات فتعتبر الحامل للمجال النووي ( أي المجال الميزوني ) وهو المسؤول عن التفاعل القوي وتعتبر الكايونات من الميزونات الثقيلة ، وتعرف الميزونات بأنها النظم التي تنتهي سلسلة اضمحلالها بليبتونات أو فوتونات .

كما تصنف الجسيمات الأولية طبقاً للاحصاء الذي تتبعه إلى :
1- فيرميونات .
2- بوزونات .

فالجسيمات التي لها كمية تحرك لفية ذاتية مضاعفات للعدد الصحيح أي
( 0h , 1h , 2h ….. ) حيث h ثابت بلانك مقسومًا على × 2 .
وتتبع إحصاء بوز – آينشتاين ولذا فإنها تدعى بالبوزونات .
أما الجسيمات التي لها كمية تحرك لفية ذاتية مضاعفة فردية لأنصاف الأعداد الصحيحة أي ( 1/2h , 3/2h , 5/2h … ) فإنها تتبع احصاء فيرمي ديراك ولذلك فإنها تدعى بالفيرميونات .


سجل إعجابك وشارك زملاءك لتصلكم مواضيعنا القادمة إن شاء الله تعالى










ليست هناك تعليقات

يتم التشغيل بواسطة Blogger.