« الجزء السابع من سلسلة  » رحلة الى الجسيمات الأولية

سنتحدث في هذا الجزء  والجزء الموالي عن الجسيمات المكتشفة الى حد الأن…وعن  الكيفية  التي تمت بها هذه العملية . لكن قبل الدخول في تفاصيل  هذه المواضيع  لابد أن نعرف بعض الأساسيات المهمة في هذا المجال  والتي تسمحنا لفهم هذه المواضيع اكثر . ونخصص هذا الجزء لذلك. 

تمكننا الأدوات والمعدات التي إبتكرها العلماء كالميكروسكوبات ومعجلات الجسيمات من توسيع مجال رؤيتنا خارج المجال الضوئي المرئي بحيث نرى ما بداخل الدقائق دون الذرية والتعرف على بنيتها الداخلية.

للتعرف على مكونات الجسم ، يمكن أن ننظر إليه ،وإذا تعذر ذلك يمكن أن نسخنه لنرى ما سيحدث أو أن نعجله ليصطدم مع هدف اخر لنرى مكوناته . إذن دعونا نتحدث بالتفصيل عن هذه الخيارات الثلاثة التي ذكرناها .

في هذه الأثناء أنت ترى هذه الكلمات على شاشة الحاسوب  لأن الضوء ينتقل من الشاشة الى عينيك والفكرة العامة رؤية الأشياء  تستلزم ثلاث عناصر أساسية : العنصر الأول يتمثل في مصدر الإشعاع ( الضوء )  والعنصر الثاني يتمثل في الجسم الخاضع للدراسة  ( الشاشة ) والعنصر الثالث يتجلى في الكاشف (العينين ) .

النقطة التي تنتهي بها هذه العبارة تحتوي على  ملاييين من ذرات الكربون لن تتمكن من رؤيتها بالعين المجردة ،أو حتى باستعمال العدسات المكبرة فهذه الذرات أصغر حجما من الطول الموجي  للضوء المرئي وبالتالي يستحيل كشفها بأي عدسة او ميكروسكوب    .

الضوء عبارة عن شكل من أشكال الموجات الكهرمغنطيسية ، وأعيننا المجردة تستجيب فقط لجزء صغير من الطيف الكهرمغنطيسي الكامل و يمكن إستعمال معدات خاصة تمكننا من الوصول الى بقية هذا الطيف . الضوء المرئي هو أقوى أنواع الإشعاع الأتية من الشمس . 

الطيف الضوئي المرئي أو الضوء الأبيض  يتكون من عدة ألوان وعددها سبعة من اللون الأحمر الى اللون البنفسجي ، ويمكن ان نبين ذلك عبر وضع موشور من الزجاح أمام الضوء الأبيض حيث تتعرض كل حزمة ضوئية لإتكسار بعد تجاوزرها لموشور  فنحصل على بقعة ملونة مشابهة لظاهرة فوس قزح تسمى هذه الظاهرة بظاهرة التبدد .

يقل الطول الموجي للضوء المرئي من اللون الحمر الى اللون الأزرق  الى النصف أي أن الطول الموجي للون الأزرق يبلغ نصف مقدار الطول الموجي للون الأحمر أو بلغة التردد  يتزايد معدل التذبذب الذي تتذبذب بها الموجات الكهرمغنطيسية : /المجالات الكهربائية والمغنطيسية / ذهابا وإيابا بمقدار الضعف في حالة الضوء الأزرق مقارنة بالأحمر  .

 

يمتد  الطيف الكهرمغنطيسي  اكثر من ذلك في كلا الإتجاهين كما يبين الشكل أعلاه ، حيث نجد على يسار اللون الأزرق ، أشعة ذات أطوال موجية صغيرة كالأشعة فوق البنفسجية ، والأشعة السينية والأشعة غاما ، بينما في الأتجاه المقابل أي على يمين اللون الأحمر نجد الأشعة ذات الأطوال الموجية الأطول كالأشعة تحت الحمراء وأشعة الميكروويف وموجات الراديو ..

 

يرجع عجز اعيننا عن رؤية الذرات الى كون الضوء موجة والموجات عموما لا تشتت بسهولة على الأجسام الصغيرة ، فلؤرية جسم ما لا بد أن يكون الطوول الموجي لشعاع الضوء أصغر من الجسم نفسه .ومن هنا لرؤية الذرات او الجزيئات نحتاج الى إضاءة يكون طولها الموجي مشابها لحجم الذرات او أصغر منه . 

ولتقريب الصورة أكثر، الطول الموجي للضوء المرئي الذي تستشعره أعيينا هو ^7-10  امتار . أي يمكن حشد 10 الاف طول موجي في المليميتر الواحد أو بعبارة اخرى عند تكبيره عشرة ملايين مرة سيكون أكبر من طول قامة الإنسان في حين لن يزيد حجم الذرة  عن الميليمتر الواحد .  بهذا المعنى  لن تتتشتت هذه الموجات عند تعرضها للذرات او الجزيئات وبالتالي يستحيل رؤيتها . ولهذا كي تكون رؤية الذرات أو الجزيئات ممكنة  سنحتاج الى ضوء ذي طول موجي أصغر بكثير من الأطوال الموجية للضوء المرئي ، أي الموجات ذات الأطوال الموجية الأصغر كالأشعة  السينية وغيرها  .

تستعمل الأشعة السينية مثلا في دراسة البلورات حيث  تمكننا من تمييز المواضع النسبية للأشياء داخل البلور .  عن تسليط هذه الأشعة على البلور تتشتت على مستوى بنى أبعادها مقاربة للطول الموجي للأشعة السينية  بينما الذرات تظل خفية لكونها أصغر من  الطول الموجي للأشعة السينية  وتسمى هذه العملية بدراسة البلورات بالأشعة السينية .  

ولمعرفة الذرات المنفردة سنحتاج الى أطوال موجية أصغر . ومن الممكن إستعمال حزم من الجسيمات كالألكترونات . لهذه الجسيمات ميزة خاصة تتمثل في كونها تتوفر على شحنة كهربائية وبالتالي نستطيع التحكم فيها وتعجيلها بواسطة مجالات كهربائية والرفع من طاقتها . يمكننا هذا من إستكشاف مسافات أصغر لكن لفهم السبب علينا أن نتعرف أولا على العلاقة لتي تربط الطول الموجي  بالطاقة .

لفهم هذه العلملية نستعين بأحد أعظم إكتشافات نظرية ميكانيك الكم ،والتي تقول  ان الجسمات يمكن أن تسلك سلوك الموجات و العكس صحيح أي الموجات يمكن أن تسلك سلوك حزم متقطة من الجسيمات  : الفوتونات ، تعرف باسم الكموم ، وبهذا تتصرف الموجة المعجلة  كالفوتونات ، كل فوتون يحمل طاقة تتناسب إطرادا مع تردد المجالات الكهربائية والمغنيطسية المتذبذبة للموجة ، ونكتب   E = h   .  N   حيث N  تردد الموجة  و   h ثابتة بلانك .

يرتبط كل من طول الموجة λ  و سرعة الموجة c  بالعلاقة التالية   c  =  λ / T   حيث  T دور الموجة .

وبماأن N    = 1   /  T    فإن   E  = h.c /  λ  حيث  الثابتة     h.c   ∼  10^-6 e V m    وبالتالي تمكننا هذه العلاقة من الربط بين الطول الموجي والطاقة باستعمال قاعدة التقريب حيث كل 1 ألكترون فولط يقابله  ^{6 –} 10 أمتار  .  

من خلال هذه العلاقة أي العلاقة بين الطاقة والطول الموجي والعلاقة السابقة التي ناقشناها في الجزء السابق بين الطاقة والحرارة ، نستنتج ان درجة الحرارة ترتبط بالطول الموجي ، ويتم إستغلال هذا الترابط  مثلا في مجال الإضاءة حيث  عند تسخين الأجسام الى درجات مختلفة ترسل أشعة ذات اطوال موجية مختلفة ، فكلما زادت درجة الحرارة ، قصر الطول الموجي ، ولهذا على سيل المثال عند تزويد سلك بتيار كهربائي يسخن  ثم بعد ذلك  يرسل حرارة على شكل أشعة تحت الحمراء  وإذا زاد سخونة الى بضعة الاف من الدرجات سيبدأ في إشعاع الضوء المرئي وبالتالي إضاءة الحجرة . أو على سبيل المثال الغازات الحارة قرب الشمس تطلق الأشعة السينية و النجوم الشديدة الحرارة تطلق أشعة غاما .

للتعمق اكثر والغوص داخل الذرة ، سنحتاج الى مصدر للأطوال الموجية الصغيرة جدا . وبماننا لا نستطيع محاكاة النجوم المطلقة لأشعة غاما داخل المخترات  . فإننا نستعمل الجسيمات الأساسية كالإلكرتونات والبروتونات ونعجلها داخل مجلات كهربائية وكلما إرتفعت سرعتها زادت طاقتها وزخمها وقصر طولها الموجي المرافق ، وهكذا نستطيع بواسطة الجسيمات العالية الطاقة ، إستكشاف أشياء صغيرة داخل الذرة . وكل ما علينا فعله هو تعجيل حركة الجسيمات ومنحها المزيد والمزيد من الطاقة حتى تصل الى أطوال موجية أصغر وأصغر . ولإكتشاف مسافات على مستوى نواة الذرة      ^15-10 أمتار ، سنحتاج الى طاقات تصل الى الجيغا إلكترون فولط . نسمي هذا المستوى من الطاقة بفيزياء الطاقة العالية .

بدات هذه الفيزياء مع بداية القرن العشرين ، وحتى منتصفه كانت الطاقات على مستوى الجيغا فولط  هي الطاقات القصوى التي يستطيع العلماء الوصول إليها تقنيا وفنيا  .  لكن بنهاية القرن العشرين إستطاع العلماء تجاوز تلك القيم والوصول الى عدة مئات من الجيغا لكترون فولط أما الأن فقد إستطاعواالوصول الى  مستوى التيرا إلكترون فولط من الطاقة القادرة على إستكشاف المادة التي تقارب  ^18-10 أمتار  .

لذا عندما نقول ان الألكترونات والكواركات ليست لها بنية داخلية  أو انها لم تتكون من جسيمات اخرى فإننا يجب أن نضيف الى وقتنا الحالي لان من الممكن أن تكون هناك طبقات أعمق  وجسيمات أصغر لكنها تقع خارج مجال قدرتنا الحالي على الإستكشاف في المختبرات . رغم انني أتحدث في هذه السلسلة على أنها المكونات الأصغر للمادة ، ضع في ذهنك على الدوام  أننا نعلم الى حد الأن كيف تعمل الطبيعة على مسافات أكبر من ^18-10 أمتار و أن  هناك إمكانية  في المستقبل إكتشاف جسيمات أصغر من هذا بكثير . في الجزء الموالي سنتحدث عن المكونات المكتشفة  بالتفصيل وعن مراحل  عمليات إكتشافها تابعونا…… 

 إعــــداد : ذ. رشيـــد جنــكـــل