The Building Blocks of Matter - Physics Textbook PDF

‫  ‪The Building Blocks of Matter‬‬ ‫‪7-3‬وحدات بناء ‪‬املادة‬ ‫‪6-3‬‬ ‫‪TheBuildingBlocksofMatter‬‬ ‫‪ ‬‬ ‫عندما درس الفيزيائيون األوائل النواة بواســطة اجلســيامت ذات الرسعات العالية‪ ،‬كان‬ ‫ﻋﻨﺪﻣـﺎ ﺩﺭﺱ ﺍﻟﻔﻴﺰﻳﺎﺋﻴﻮﻥ ﺍﻷﻭﺍﺋﻞ ﺍﻟﻨﻮﺍﺓ ﺑﻮﺍﺳـﻄﺔ ﺍﳉﺴـﻴﲈﺕ ﺫﺍﺕ ﺍﻟﴪﻋـﺎﺕ ﺍﻟﻌﺎﻟﻴﺔ‪ ،‬ﻛﺎﻥ‬...

‫  ‪The Building Blocks of Matter‬‬ ‫‪7-3‬وحدات بناء ‪‬املادة‬ ‫‪6-3‬‬ ‫‪TheBuildingBlocksofMatter‬‬ ‫‪ ‬‬ ‫عندما درس الفيزيائيون األوائل النواة بواســطة اجلســيامت ذات الرسعات العالية‪ ،‬كان‬ ‫ﻋﻨﺪﻣـﺎ ﺩﺭﺱ ﺍﻟﻔﻴﺰﻳﺎﺋﻴﻮﻥ ﺍﻷﻭﺍﺋﻞ ﺍﻟﻨﻮﺍﺓ ﺑﻮﺍﺳـﻄﺔ ﺍﳉﺴـﻴﲈﺕ ﺫﺍﺕ ﺍﻟﴪﻋـﺎﺕ ﺍﻟﻌﺎﻟﻴﺔ‪ ،‬ﻛﺎﻥ‬ ‫عليهم اســتخدام جسيامت ألفا من مصادر مشــعة‪.‬وقد استخدم جمربون آخرون األشعة‬ ‫ﻋﻠﻴﻬﻢ ﺍﺳـﺘﺨﺪﺍﻡ ﺟﺴـﻴﲈﺕ ﺃﻟﻔﺎ ﻣﻦ ﻣﺼﺎﺩﺭ ﻣﺸـﻌﺔ‪.‬ﻭﻗﺪ ﺍﺳـﺘﺨﺪﻡ ﳎﺮﺑﻮﻥ ﺁﺧﺮﻭﻥ ﺍﻷﺷﻌﺔ‬ ‫الكونية التي تنتج عن عمليات مل تفهم بصورة كاملة حتى اآلن يف النجوم واملجرات‪.‬ويف‬ ‫ﺍﻟﻜﻮﻧﻴﺔ ﺍﻟﺘﻲ ﺗﻨﺘﺞ ﻋﻦ ﻋﻤﻠﻴﺎﺕ ﱂ ﺗﻔﻬﻢ ﺑﺼﻮﺭﺓ ﻛﺎﻣﻠﺔ ﺣﺘﻰ ﺍﻵﻥ ﰲ ﺍﻟﻨﺠﻮﻡ ﻭﺍﳌﺠﺮﺍﺕ‪.‬ﻭﰲ‬ ‫بداية عام ‪1930‬م ُط ﹸورت أول أجهزة خمتربية اســتطاعت مسارعة الربوتونات وجسيامت‬ ‫ﺑﺪﺍﻳﺔ ﻋﺎﻡ ‪1930‬ﻡ ﻃﻮﺭﺕ ﺃﻭﻝ ﺃﺟﻬﺰﺓ ﳐﺘﱪﻳﺔ ﺍﺳـﺘﻄﺎﻋﺖ ﻣﺴـﺎﺭﻋﺔ ﺍﻟﱪﻭﺗﻮﻧﺎﺕ ﻭﺟﺴﻴﲈﺕ‬ ‫جهازان‬ ‫ألفا لتكسبها طاقة كبرية كافية الخرتاق نواة اهلدف‪.‬ويف الوقت احلارض يستخدم‬ ‫ﺃﻟﻔﺎ ﻟﺘﻜﺴﺒﻬﺎ ﻃﺎﻗﺔ ﻛﺒﲑﺓ ﻛﺎﻓﻴﺔ ﻻﺧﱰﺍﻕ ﻧﻮﺍﺓ ﺍﳍﺪﻑ‪.‬ﻭﰲ ﺍﻟﻮﻗﺖ ﺍﳊﺎﴐ ﻳﺴﺘﺨﺪﻡ ﺟﻬﺎﺯﺍﻥ‬ ‫(السنكروترون)‪.‬‬ ‫ﻭﺍﳌﺴﺎﺭﻉ الدائري‬ ‫ﺍﳋﻄﻲ‪ ،‬واملسارع‬ ‫ﺍﳌﺴﺎﺭﻉاخلطي‪،‬‬ ‫ﳘﺎ‪:‬املسارع‬ ‫ﺍﻟﻐﺮﺽمها‪:‬‬ ‫ﳍﺬﺍالغرض‬ ‫هلذا‬ ‫التزامني )ﺍﻟﺴﻨﻜﺮﻭﺗﺮﻭﻥ(‪.‬‬ ‫ﺍﻟﺪﺍﺋﺮﻱ ﺍﻟﺘﺰﺍﻣﻨﻲ‬ ‫امل سارعات اخلطية‬ ‫‪‬‬ ‫‪LinearAcceleration‬‬ ‫‪Acceleration‬‬ ‫‪Linear‬‬ ‫سلسلة‬ ‫ﺍﻟﱪﻭﺗﻮﻧﺎﺕ أو‬ ‫ﳌﺴﺎﺭﻋﺔالربوتونات‬ ‫ﺍﳋﻄﻲملسارعة‬ ‫ﺍﳌﺴﺎﺭﻉاخلطي‬ ‫ﻳﺴﺘﺨﺪﻡاملسارع‬ ‫يستخدم‬ ‫منﺳﻠﺴﻠﺔ‬ ‫املسارعﻣﻦ‬ ‫ويتكون ﺍﳌﺴﺎﺭﻉ‬ ‫اإللكرتونات‪ ،‬ﻭﻳﺘﻜﻮﻥ‬ ‫ﺃﻭ ﺍﻹﻟﻜﱰﻭﻧﺎﺕ‪،‬‬ ‫جهد‬ ‫طويلة مفرغة‪،‬‬ ‫من‬ ‫األنابيــب ﹼ ّ‬ ‫بمصدرﺟﻬﺪ‬ ‫موصولة ﺑﻤﺼﺪﺭ‬ ‫األنابيب ﻣﻮﺻﻮﻟﺔ‬ ‫وهذه ﺍﻷﻧﺎﺑﻴﺐ‬ ‫ﻣﻔﺮﻏـﺔ‪ ،‬ﻭﻫﺬﻩ‬ ‫حجرةﻃﻮﻳﻠﺔ‬ ‫داخلﺣﺠﺮﺓ‬ ‫فة ﺩﺍﺧﻞ‬ ‫املجوﻓﺔ‬ ‫ﺍﳌﺠﻮ‬ ‫ﻣـﻦ ﺍﻷﻧﺎﺑﻴﺐ‬ ‫مصدر‬ ‫ﰲ الشكل‬ ‫ﻛﲈ يف‬ ‫ﻛﻬﺮﺑﺎﺋ ًي ﹰﻴا‪،‬ﺎ‪ ،‬كام‬ ‫ﳎﺎﻻكهربائ‬ ‫جمااًل‬ ‫ﺍﻟﱰﺩﺩيولد‬ ‫ﻋﺎﱄالرتدد‬ ‫ﻣﺘﻨﺎﻭﺏعايل‬ ‫متناوب‬ ‫ﻳﻮﻟﺪ ً ﹰ‬ ‫الربوتوناتﰲيفﻣﺼﺪﺭ‬ ‫َج ﺍﻟﱪﻭﺗﻮﻧﺎﺕ‬ ‫‪..6-10‬ﻭوﺗتﹸﻨُنﺘتﹶﺞ‬ ‫ﺍﻟﺸﻜﻞ ‪7-10‬‬ ‫وال‬ ‫ﺍﻷﻧﺒﻮﺏ األول‬ ‫ﻋﲆ األنبوب‬ ‫ﺳﺎﻟﺐ عىل‬ ‫ﺟﻬﺪسالب‬ ‫ﻳﻄﺒﻖجهد‬ ‫ﻭﻋﻨﺪﻣﺎيطبق‬ ‫ﺃﻳﻮﲏ‪.‬وعندما‬ ‫أيوين‪.‬‬ ‫له‪.‬ﻭﻻ‬ ‫الداخلةﻟﻪ‪.‬‬ ‫الربوتونات ﺍﻟﺪﺍﺧﻠﺔ‬ ‫تتسارع ﺍﻟﱪﻭﺗﻮﻧﺎﺕ‬ ‫ﺍﻷﻭﻝ ﺗﺘﺴﺎﺭﻉ‬ ‫األنابيب‪،‬‬ ‫ﻟﻜﻦ املجال‬ ‫ﺍﻷﻧﺒﻮﺏلكن‬ ‫ﺩﺍﺧﻞاألنبوب‬ ‫ﻛﻬﺮﺑﺎﺋﻲداخل‬ ‫ﳎﺎﻝكهربائي‬ ‫ﻳﻮﺟﺪجمال‬ ‫يوجد‬ ‫بنيﺍﻷﻧﺎﺑﻴﺐ‪،‬‬ ‫الفجواتﺑﲔ‬ ‫يف ﺍﻟﻔﺠﻮﺍﺕ‬ ‫يوجد ﰲ‬ ‫الكهربائي ﻳﻮﺟﺪ‬ ‫ﺍﳌﺠﺎﻝ ﺍﻟﻜﻬﺮﺑﺎﺋﻲ‬ ‫اجلهد‪،‬‬ ‫ﺛﺎﺑﺘﺔ‪.‬ويعدل‬ ‫ﺑﴪﻋﺔ ثابتة‪.‬‬ ‫ﺩﺍﺧﻠﻪبرسعة‬ ‫ﺍﻟﱪﻭﺗﻮﻧﺎﺕداخله‬ ‫ﺗﺘﺤﺮﻙالربوتونات‬ ‫ﻟﺬﻟﻚتتحرك‬ ‫لذلك‬ ‫وترددﺍﳉﻬﺪ‪،‬‬ ‫األنبوب ﻭﺗﺮﺩﺩ‬ ‫طول ﺍﻷﻧﺒﻮﺏ‬ ‫من ﻃﻮﻝ‬ ‫كل ﻣﻦ‬ ‫ﻭﻳﻌﺪﻝ ﻛﻞ‬ ‫الثاين‬ ‫ﺍﻟﻨﻬﺎﻳﺔ البعيدة‬ ‫ﺇﱃالنهاية‬ ‫ﺍﻟﱪﻭﺗﻮﻧﺎﺕإىل‬ ‫ﺗﺼﻞالربوتونات‬ ‫ﻋﻨﺪﻣﺎتصل‬ ‫ﺑﺤﻴﺚعندما‬ ‫بحيث‬ ‫األنبوبﺍﻟﺜﺎﲏ‬ ‫جهدﺍﻷﻧﺒﻮﺏ‬ ‫يصبح ﺟﻬﺪ‬ ‫األول ﻳﺼﺒﺢ‬ ‫لألنبوب ﺍﻷﻭﻝ‬ ‫ﺍﻟﺒﻌﻴﺪﺓ ﻟﻸﻧﺒﻮﺏ‬ ‫املتكوﻥنﰲيف‬ ‫ﺍﳌﺘﻜﻮّ‬ ‫املجال ﺍﻟﻜﻬﺮﺑﺎﺋﻲ‬ ‫فيعمل ﺍﳌﺠﺎﻝ‬ ‫موجبا‪.‬ﻓﻴﻌﻤـﻞ‬ ‫ليصبحﻣﻮﺟﺒﺎ‪.‬‬ ‫األولﻟﻴﺼﺒﺢ‬ ‫األنبوبﺍﻷﻭﻝ‬ ‫جهد ﺍﻷﻧﺒﻮﺏ‬ ‫ويتحول ﺟﻬﺪ‬ ‫ســالبا ﻭﻳﺘﺤﻮﻝ‬ ‫ﺳـﺎﻟﺒﺎ‬ ‫الكهربائي ﹼ‬ ‫األنبوب‬ ‫ﺍﻟﱪﻭﺗﻮﻧﺎﺕ يف‬ ‫ﻣﺴﺎﺭﻋﺔ الربوتونات‬ ‫ﻋﲆمسارعة‬ ‫ﺍﻷﻧﺎﺑﻴﺐعىل‬ ‫ﺑﲔاألنابيب‬ ‫ﺍﻟﻔﺠﻮﺓبني‬ ‫الفجوة‬ ‫داخلﺍﻷﻧﺒﻮﺏ‬ ‫إىل ﺩﺍﺧﻞ‬ ‫دخوهلا ﺇﱃ‬ ‫قبل ﺩﺧﻮﳍﺎ‬ ‫الفجوات ﻗﺒﻞ‬ ‫ﰲ ﺍﻟﻔﺠﻮﺍﺕ‬ ‫من‬ ‫تتسارع يف‬ ‫ﺑﺤﻴﺚ تبقى‬ ‫ﺍﻟﻌﻤﻠﻴﺔ بحيث‬ ‫ﻫﺬﻩالعملية‬ ‫ﺗﺴﺘﻤﺮهذه‬ ‫ﺍﻟﺜﺎﲏ‪.‬تستمر‬ ‫الثاين‪.‬‬ ‫زوجﻣﻦ‬ ‫كل ﺯﻭﺝ‬ ‫بني ﻛﻞ‬ ‫الفجوات ﺑﲔ‬ ‫ﰲ ﺍﻟﻔﺠﻮﺍﺕ‬ ‫الربوتونات ﺗﺘﺴﺎﺭﻉ‬ ‫ﺗﺒﻘﻰ ﺍﻟﱪﻭﺗﻮﻧﺎﺕ‬ ‫تركب‬ ‫‪ 10‬بتأثري‬ ‫‪10​55​eV‬‬ ‫ﺑﻤﻘﺪﺍﺭ​‪eV‬‬ ‫ﺍﻟﱪﻭﺗﻮﻥبمقدار‬ ‫ﻃﺎﻗﺔالربوتون‬ ‫ﺗﺰﺩﺍﺩطاقة‬ ‫ﺍﻷﻧﺎﺑﻴﺐ‪.‬تزداد‬ ‫األنابيب‪.‬‬ ‫الربوتوناتﺗﺮﻛﺐ‬ ‫وكأن ﺍﻟﱪﻭﺗﻮﻧﺎﺕ‬ ‫تسارع‪.‬ﻭﻛﺄﻥ‬ ‫كل ﺗﺴﺎﺭﻉ‪.‬‬ ‫ﺑﺘﺄﺛﲑ ﻛﻞ‬ ‫تكون‬ ‫ﻭﰲهناية‬ ‫ﺍﳌﺤﻴﻂ‪.‬ويف‬ ‫ﺍﳌﻮﺟﺔيفﰲاملحيط‪.‬‬ ‫ﺗﺮﻛﺐاملوجة‬ ‫ﻛـﲈتركب‬ ‫ﺍﻟﻜﻬﺮﺑﺎﺋﻲ‪ ،‬كام‬ ‫ﺍﳌﺠﺎﻝالكهربائي‪،‬‬ ‫ﻣﻮﺟـﺔاملجال‬ ‫قمة موجة‬ ‫املســارعﺗﻜﻮﻥ‬ ‫ﳖﺎﻳﺔ ﺍﳌﺴـﺎﺭﻉ‬ ‫عــى ﻗﻤﺔ‬ ‫ﻋـﲆ‬ ‫فولت‪.‬‬ ‫ﺇﱃ تريا‬ ‫ﺗﺼﻞ إىل‬ ‫ﻋﺎﻟﻴﺔ تصل‬ ‫ﻃﺎﻗﺔ عالية‬ ‫ﺍﻛﺘﺴـﺒﺖطاقة‬ ‫ﻗﺪاكتسـبت‬ ‫ﺍﻟﱪﻭﺗﻮﻧﺎﺕقد‬ ‫الربوتونات‬ ‫إلكرتون ﻓﻮﻟﺖ‪.‬‬ ‫ﺗﲑﺍ ﺇﻟﻜﱰﻭﻥ‬ ‫أهداف‬ ‫‪‬ا‪‬أل‪‬‬ ‫مســارعات‬ ‫عمل ﻣﺴـﺎﺭﻋﺎﺕ‬ ‫ت ص فﻋﻤـﻞ‬ ‫ ⋅‪‬‬ ‫وكـــواشف‬ ‫اجلسـيامت ﻭﻛـــﻮﺍﺷﻒ‬ ‫ﺍﳉﺴــﻴﲈﺕ‬ ‫اجلسيامت‪.‬‬ ‫ﺍﳉﺴﻴﲈﺕ‪.‬‬ ‫املعياري‬ ‫ ⋅‪‬‬ ‫النموذجﺍﳌﻌﻴﺎﺭﻱ‬ ‫ت ص فﺍﻟﻨﻤـﻮﺫﺝ‬ ‫دورﺣﺎﻣﻼﺕ‬ ‫وتفرسﺩﻭﺭ‬ ‫للامدة‪،‬ﻭﺗﻔﴪ‬ ‫ﻟﻠﲈﺩﺓ‪،‬‬ ‫حامالت‬ ‫ﺍﻟﻘﻮﺓ‪.‬‬ ‫القوة‪.‬‬ ‫‪‬‬ ‫املفردات‬ ‫النموذجﺍﳌﻌﻴﺎﺭﻱ‬ ‫ﺍﻟﻨﻤﻮﺫﺝ‬ ‫املعياري‬ ‫ﺍﻟﻜﻮﺍﺭﻛﺎﺕ‬ ‫الكواركات‬ ‫ﺍﻟﻠﻴﺒﺘﻮﻧﺎﺕ‬ ‫الليبتونات‬ ‫حامالتﺍﻟﻘﻮﺓ‬ ‫ﺣﺎﻣﻼﺕ‬ ‫القوة‬ ‫إنتاجﺍﻟﺰﻭﺝ‬ ‫ﺇﻧﺘﺎﺝ‬ ‫الزوج‬ ‫النوويةﺍﻟﻀﻌﻴﻔﺔ‬ ‫القوةﺍﻟﻨﻮﻭﻳﺔ‬ ‫ﺍﻟﻘﻮﺓ‬ ‫الضعيفة‬ ‫من‬ ‫ملســارعة اإللكرتونات‪.‬‬ ‫ﳑﺎﺛﻠﺔتســتخدم‬ ‫مماثلة‬ ‫أخرى‬ ‫ﻭﻫﻨـﺎﻙطرائق‬ ‫وهناك‬ ‫النوعﻣﻦ‬ ‫هذاﺍﻟﻨﻮﻉ‬ ‫الحــظﺃﻥأنﻫـﺬﺍ‬ ‫ﺍﻹﻟﻜﱰﻭﻧـﺎﺕ‪.‬ﻻﺣﻆ‬ ‫ﺗﺴـﺘﺨﺪﻡ ﳌﺴـﺎﺭﻋﺔ‬ ‫ﺃﺧﺮ￯‬ ‫ﻃﺮﺍﺋـﻖ‬ ‫فقط‪.‬‬ ‫ﺍﳉﺴﻴﲈﺕ املشحونة‬ ‫ﺗﺴﺎﺭﻉ اجلسيامت‬ ‫ﻋﲆتسارع‬ ‫ﻳﻌﻤﻞعىل‬ ‫ﺍﳌﺴﺎﺭﻋﺎﺕيعمل‬ ‫املسارعات‬ ‫ﺍﳌﺸﺤﻮﻧﺔ ﻓﻘﻂ‪.‬‬ ‫‪b‬‬ ‫‪b¥0˜}E‬‬ ‫‪jLg¢lI‬‬ ‫‪5b ƒI‬‬ ‫‪ngJ¨N'+‬‬ ‫‬ ‫‬ ‫‬ ‫‬ ‫‬ ‫‪£Ig 8‬‬ ‫‪ngŸ« º+‬‬ ‫‪aa‬‬ ‫جامعة‬ ‫‪6-10‬‬ ‫ال شكل‬ ‫اخلطي‪` £‬يف`» ‘‬ ‫امل سارع`‪ÿG ´QÉ‬‬ ‫‪` °ùŸG 7-10‬‬ ‫‪πª©jh‬عل ى‬ ‫ويعم ل‬ ‫‪.3 km‬‬ ‫ س تانفورد طول‬ ‫‪3.33km‬‬ ‫‪ OQƒØfÉà°S‬ه‪¬dƒW‬‬ ‫‪á©eÉL‬‬ ‫`‪20 äÉ‬‬ ‫‪GeV‬‬ ‫إلكرتون ات ‬ ‫م س ارعة ا‬ ‫طاق‪ ¤E‬ات‪` bÉW‬‬ ‫‪` fhÎμdE‬إىل`‪G äÉ‬‬ ‫‪QÉ°ùe‬إل‪’G á`` Y‬‬ ‫‪≈`` ∏Y‬‬ ‫م س ارع‪` f‬خ`‪äÉ‬ط ي‘ عن‬ ‫يف‬ ‫ ات‬ ‫ن‬ ‫بروتو‬ ‫تت س ارع‬ ‫)‪.‬‬ ‫(‪a‬‬ ‫‪ƒJhôH ´QÉ`` °ùàJ.(a) 20 GeV‬‬ ‫طري ق تغي رير ال ش حنة يف األأنابي ب يف أثن اء‬ ‫‪áæë°ûdG Ò`` «¨J ≥jôW ø`` Y »£N ´QÉ`` °ùe‬‬ ‫حرك ة الربوتون ات (‪(.)b‬القيا س يات ال‬ ‫‘ ‪äÉ`` fƒJhÈdG á`` côM AÉ`` æKCG ‘ Ö`` «HÉfC’G‬‬ ‫مقيا سا)‪.‬‬ ‫تعتمد‬ ‫ً‬ ‫‪.(É°SÉ«≤e‬‬ ‫)‪óªà©J ’ äÉ«°SÉ«≤dG).(b‬‬ ‫‪k‬‬ ‫‬ ‫‪•b¥H+‬‬ ‫‪207‬‬ ‫‪591‬‬ ‫‪6/27/18 1:29 PM‬‬ ‫‪SA.PH12.SE.COUR.CH07.indd 207‬‬ ‫ال سنكروترون‬ ‫‪a‬‬ ‫‪b‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪c‬‬ ‫ال ش كل ‪ 6-11‬س نكروترون خمت ربر‬ ‫فريم ي ن ص ف قط ره ‪.(a) 2 km‬‬ ‫ال س نكروترون عب ارة ع ن م س ارع دائ ري‪،‬‬ ‫ت س تخدم فيه املغانط ل ضبط امل سار وت سارع‬ ‫اجل س يمات (‪ )b‬م س ارع س ريرين يف أوروب ا‬ ‫وهو أكرب م سارع يف العامل (‪.)C‬‬ ‫ال ش كل ‪ 6-12‬ميك ن الك ش ف ع ن‬ ‫اجل س يمات عندم ا تتفاع ل م ع امل ادة‪ ،‬أو‬ ‫تتعر ض لفيل م كا ش ف‪ ،‬أو ت ش حن امل ادة‪ ،‬أو‬ ‫ت سبب انبعاث فوتونات من املادة‪.‬‬ ‫يمكن أن يصنع املســارع ليكون أصغر باستخدام املجال املغناطييس لثني مسار اجلسيامت‬ ‫فيصبح دائر ًّيا‪.‬يف جهاز السنكروترون تفصل مناطق الثني املغناطييس بمناطق تسارع‪ ،‬كام‬ ‫يف الشكل ‪.6-11b‬يف املناطق املســتقيمة يسارع اجلهد املتناوب العايل الرتدد اجلسيامت‪،‬‬ ‫ِ‬ ‫اجلسيامت إىل موقع‬ ‫إن شــدة املجال املغناطييس وطول املسار يتم اختيارمها؛ بحيث تصل‬ ‫املجــال الكهربائي املتناوب بالضبط عندما تعمل قطبية املجال عىل تســارعها‪.‬إن إحدى‬ ‫أجهزة الســنكروترون الضخمة التي تعمل اآلن موجودة يف خمترب مسارع فريمي الوطني‬ ‫بالقرب من شيكاجو‪ ،‬املوضح يف الشــكل ‪ 6-11a‬حيث تصل طاقة الربوتونات فيه إىل‬ ‫( ‪.1 TeV (​10​12​eV‬ينتقل شــعاع الربوتون وشعاع ضديد الربوتون يف اجتاهات متعاكسة‬ ‫يف املسار الدائري (ضديد الربوتون جسيم له كتلة الربوتون نفسها لكن شحنته معاكسة)‪،‬‬ ‫منظرا‬ ‫فتتصادم األشعة يف مناطق تفاعالت متعددة‪ ،‬وتدرس النتائج‪.‬يبني الشكل ‪ً 6-11c‬‬ ‫خارج ًيا مسارع املنظمة األوربية لألبحاث النووية (سرين ‪ )CERN‬هو أكرب خمترب للفيزياء‬ ‫احلديثة يف العامل أما باقي املسارع فهو موجود حتت األرض ويف هذا املسارع أجريت جتربة‬ ‫تصادم الربوتونات التي نتج عنها ضديد الربوتون‪.‬‬ ‫كوا شف اجل سيمات‬ ‫‪Particle Detectors‬‬ ‫عندما تنتج اجلســيامت ال بد من الكشف عن نتائج التصادم؛ أي أهنا حتتاج إىل التفاعل مع‬ ‫مادة بطريقة معينة بحيث نستطيع اإلحساس هبا بحواسنا اإلنسانية املحدودة نسب ًّيا‪.‬ف َيدُ ك‬ ‫توقف جســيم ‪ ،α‬رغم عدم إحساسك بأن اجلســيم قد ارتطم هبا‪.‬ويف اللحظة التي تقرأ‬ ‫فيها هذه العبارة‪ ،‬تعرب باليني النيوترينوات ‪ neutrinos‬الشمســية خالل جســمك دون‬ ‫أن تشعر هبا‪.‬لذلك ابتكر العلامء يف القرن املايض أدوات لكشف ومتييز نواتج التفاعالت‬ ‫النووية‪.‬‬ ‫كونت طبقة ضبابية عىل الصفائــح الفوتوجرافية؛ فعندما‬ ‫درســت أن عينات اليورانيوم ّ‬ ‫اصطدمت جســيامت ‪ α‬أو جسيامت ‪ β‬أو أشعة جاما بالصفيحة الفوتوجرافية أصبح لون‬ ‫الصفيحة ضباب ًّيا‪.‬لذلك يمكن اســتخدام تلك الصفائح للكشف عن اإلشعاع‪.‬تستخدم‬ ‫أجهزة أخرى عديدة للكشف عن اجلسيامت املشحونة وأشعة جاما‪.‬ومعظم هذه األجهزة‬ ‫تعمل عىل مبدأ االســتفادة من حقيقة أن تصادم الذرات مع جســيامت ذات رسعة عالية‬ ‫تعمل عىل حترير إلكرتونات من الذرات‪ ،‬أي أن اجلسيامت العالية الرسعة تؤين املادة التي‬ ‫ُيقــذف هبا‪.‬باإلضافة إىل ذلك تتألق (تلمع) بعض املواد‪ ،‬أو تبعث فوتونات عند تعرضها‬ ‫أيضا للكشف‬ ‫ألنواع معينة من اإلشــعاع‪.‬وهكذا فإن املواد الف ّلورية يمكن أن تستخدم ً‬ ‫عن اإلشعاع‪.‬وإليك الطرائق الثالث للكشف عن اإلشعاع موضحة يف الشكل ‪.6-12‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪ ‬‬ ‫‪592‬‬ ‫‪The Synchrotron‬‬ ‫عدّاد جايجرحيتوي أنبوب عدّ اد جاجير– مولر عىل أســطوانة نحاسية ذات شحنة سالبة‪.‬‬ ‫يوضع أســفل مركز هذه األسطوانة سلك شبك موجب الشحنة‪ ،‬بحيث يبقى فرق اجلهد‬ ‫املط ّبق عىل السلك واألسطوانة دون النقطة التي حيدث عندها التفريغ التلقائي للشحنات‬ ‫أو الومضة‪.‬عندما يدخل جسيم مشــحون أو أشعة جاما إىل األنبوب‪ ،‬يؤ ِّين ذرة غاز بني‬ ‫أسطوانة النحاس والسلك‪ ،‬فيتسارع األيون املوجب الناتج يف اجتاه األسطوانة حتت تأثري‬ ‫فرق اجلهد‪ ،‬فيتسارع إلكرتون يف اجتاه السلك املوجب‪.‬وتولد حركة اجلسيامت املشحونة‬ ‫يف اجتاه األقطاب سي ً‬ ‫ال من اجلسيامت املشحونة‪ ،‬فتو ِّلد نبضة التيار خالل األنبوب‪.‬‬ ‫م س ارات التكاثفأول جهاز استخدم للكشــف عن اجلسيامت كان حجرة غيمة ولسون‪.‬‬ ‫حتتــوي هذه احلجرة عىل منطقة مشــبعة ببخار املــاء أو بخار اإليثانــول‪.‬وعندما تنتقل‬ ‫أثرا من األيونات يف مسارها‪ ،‬فيتكاثف البخار‬ ‫اجلسيامت املشــحونة خالل احلجرة ترتك ً‬ ‫عىل شــكل قطرات صغرية عىل تلك األيونات‪.‬وهبذه الطريقة تتكون مسارات مرئية من‬ ‫القطرات‪ ،‬أو الضباب‪.‬ويف الكشــاف املامثل الذي ال يزال يستخدم حتى اآلن‪ ،‬واملسمى‬ ‫بحجرة الفقاعة‪ ،‬تعرب اجلســيامت املشحونة خالل ســائل تبقى درجة حرارته فوق درجة‬ ‫تكون فقاعات بخار حتدد مسارات‬ ‫الغليان‪.‬يف هذه احلالة فإن مســار األيونات يســبب ُّ‬ ‫اجلسيامت‪ ،‬كام يف الشكل ‪.6-13‬‬ ‫أنتجت التقنية احلديثة حجرات كشــف تسمى حجرات سلك تشبه أنابيب جاجير‪ -‬مولر‬ ‫العمالقــة‪.‬وتفصل الصفائح الكبــرة بفجوة صغرية مملوءة بغــاز ذي ضغط منخفض‪.‬‬ ‫حيدث التفريغ الكهربائي يف مسار اجلســيم الذي يعرب خالل احلجرة فيكشف احلاسوب‬ ‫ويسجل موقعه للتحليل التايل‪.‬‬ ‫عن التفريغ‪،‬‬ ‫ّ‬ ‫اجلســيامت املتعادلة كهربائ ًّيا ال تغادر املسارات؛ ألهنا ال ُحُتدث تفري ًغا‪.‬ويمكن استخدام‬ ‫قوانني حفظ الطاقة وحفظ الزخم يف التصادمات لتبني ما إذا أنتجت جســيامت متعادلة‪.‬‬ ‫وتستخدم كواشــف أخرى لتقيس طاقة اجلسيامت‪.‬تستخدم جمموعة متكاملة من أجهزة‬ ‫الكشــف يف جتارب املسارعات العالية الطاقة‪ ،‬ومنها الكاشف التصادمي يف خمترب فريمي؛‬ ‫الذي يصل ارتفاعه إىل ارتفاع بناء من ثالث طوابق‪ ،‬كام هو موضح يف الشــكل ‪.6-14a‬‬ ‫صمم الكاشــف التصادمي يف خمترب فريمي لرصد ربع مليون تصادم للجســيم يف الثانية‪.‬‬ ‫يعمل الكاشف كآلة تصوير كتلتها ‪ 5000‬طن‪ ،‬لتكوين صورة حاسوبية حلاالت التصادم‪،‬‬ ‫كام هو موضح يف الشكل ‪.6-14b‬‬ ‫‪b‬‬ ‫ال ش كل ‪ُ 6-13‬تظه ر ص ورة حج رة‬ ‫فقاع ة الل ون الوهمي ة م س ار اجل س يمات‬ ‫امل شحونة‪.‬‬ ‫ال ش كل ‪ 6-14‬يف خمت ربر فريم ي‪،‬‬ ‫ي سجل الكا شف الت صادمي امل سارات الناجتة‬ ‫ّ‬ ‫ع ن بالي نين الت صادم ات (‪.)a‬ص ورة‬ ‫حا س وبية للكا ش ف الت صادم ي يف خمت ربر‬ ‫فريمي حلالة الكوارك العلوي (‪)b‬‬ ‫‪a‬‬ ‫‪593‬‬ ‫‪0‬‬ ‫‪-1 e‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪0‬‬ ‫‪+ 1e‬‬ ‫ال شكل ‪ 6-15‬نتائج ت صادم البوزترون‬ ‫واإلإلكرتون يف عملية إنتاج أ شعة جاما‬ ‫ف از الياب اين تاكاك ي كاجيت ا والكن دي آرث ر ب ي‬ ‫بجائزة نوبل للفيزياء لعام ‪ 2015‬الكت شافهما‬ ‫ أن ج سيمات النيوترينو لها كتلة‪.‬‬ ‫ال شكل ‪ 6-16‬بالرغم من أن للكواركات‬ ‫ ش حنات جزئي ة ف إن جمي ع اجل س يمات الت ي‬ ‫تكوّنها لها عدد صحيح من ال شحنات‪.‬‬ ‫‪u‬‬ ‫‪ 2e‬‬ ‫‪3‬‬ ‫‪u‬‬ ‫‪ 23 e‬‬ ‫‪d‬‬ ‫‪1‬‬ ‫‪e‬‬ ‫‪3‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪u‬‬ ‫‪ 23 e‬‬ ‫‪1‬‬ ‫‪e‬‬ ‫‪3‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪d‬‬ ‫‪1‬‬ ‫‪e‬‬ ‫‪3‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪±‬‬ ‫‪d‬‬ ‫‪u‬‬ ‫‪ 23 e  1 e‬‬ ‫‪3‬‬ ‫‪594‬‬ ‫‪‬‬ ‫يف بداية عام ‪1920‬م توقع باول ديراك وجود ضديد جسيم خاص بكل نوع من اجلسيامت‪.‬‬ ‫واإللكــرون املوجب الذي يســمى بوزترون مثــال عىل ضديد اجلســيم‪.‬ولإللكرتون‬ ‫إشاريَت شحنتيهام متعاكستان‪.‬‬ ‫والبوزترون نفس الكتلة ومقدار الشــحنة‪ ،‬ومع ذلك فإن‬ ‫َْ‬ ‫وعندما يصطدم إلكرتون وبوزترون م ًعا فإن ك ًّ‬ ‫ال منهام ُيفني اآلخر‪ ،‬وينتج عن ذلك طاقة‬ ‫عىل شكل أشعة جاما‪ ،‬كام هو موضح يف الشكل ‪.6-15‬‬ ‫اجل سيمات‬ ‫‪Particles‬‬ ‫لقد كان نموذج الذرة الذي اكتشــف عام ‪1930‬م بســي ًطا للغاية؛ فالــذرة فيه مكونة من‬ ‫بروتونات ونيوترونات حماطة باإللكرتونات‪.‬ثم عملت الدراسات العميقة لالضمحالل‬ ‫اإلشــعاعي عىل تطوير هذه الصورة املبسطة‪.‬فبينام جسيامت ألفا وأشعة جاما التي تنبعث‬ ‫من النواة املشــعة هلا طاقات أحادية تعتمد عىل النواة املضمحلة‪ ،‬فإن جسيامت بيتا تنبعث‬ ‫بمدى واسع من الطاقات‪.‬وقد يظن البعض أن طاقة جسيامت بيتا تساوي الفرق بني طاقة‬ ‫النواة قبل االضمحالل وطاقة النواة الناجتة عن االضمحالل‪.‬واحلقيقة أن املدى الواسع‬ ‫لطاقات اإللكرتونات املنبعثة خالل اضمحالل بيتا نبهت العامل نيلز بور إىل وجود جسيم‬ ‫آخر يمكن أن يشارك يف التفاعل النووي؛ حيث حيمل جز ًءا من الطاقة‪.‬توقع العاملان باويل‬ ‫عام ‪1931‬م وفريمي عام ‪1934‬م وجود جسيم متعادل غري مرئي ينبعث مع جسيم بيتا‪.‬وقد‬ ‫أطلق عليه فريمي اسم النيوترينو‪ ،‬ويعني يف اإليطالية "جسيم صغري متعادل"‪ ،‬فهو عديم‬ ‫الشحنة ويصعب الكشــف عنه‪ ،‬لذلك يطلق عليه اجلسيم الشبحي‪.‬ولكن يف الواقع فإن‬ ‫هذا اجلسيم كان ضديد النيوترينو‪ ،‬ومل يالحظ مبارشة حتى عام ‪1956‬م‪.‬أظهرت دراسات‬ ‫أخرى وجود جســيامت أخرى‪ ،‬منها امليون الذي يبدو كإلكرتون ثقيل‪ ،‬وقد اكتشف عام‬ ‫‪1937‬م‪.‬ففي عام ‪1935‬م شجعت فرضية الفيزيائي الياباين هيدكي يوكاوا اجلديرة باالهتامم‬ ‫عىل إجراء بحوث كثرية يف الســنوات التالية؛ حيث افرتض يوكاوا وجود جســيم جديد‬ ‫يستطيع محل القوة النووية خالل الفراغ‪ ،‬متا ًما كام حيمل الفوتون القوة الكهرومغناطيسية‪.‬‬ ‫ويف عام ‪1947‬م اكتشف اجلســيم املفرتض وهو البيون‪.‬وعىل الرغم من أنه مل يكن حيمل‬ ‫القوة النووية القوية‪ ،‬لكنه كان نو ًعا جديدً ا من املادة‪.‬‬ ‫لقد نتج عن التجارب التي أجريت عىل مسارعات اجلسيم معرفة املزيد عن جسيامت أخرى‬ ‫جديدة‪ ،‬بعضها ذو كتلة متوسطة‪ ،‬وبعضها اآلخر ذو كتلة أكرب من كتلة الربوتون‪.‬وحتمل‬ ‫شحنات موجبة أو سالبة‪ ،‬أو ال حتمل شحنة‪ ،‬وبعضها له فرتة حياة​ ​‪ ،10​-23s‬ولبعضها اآلخر‬ ‫فرتة حياة غري حمددة‪.‬من جهة أخرى سئل العامل فريمي أن حيدد مسار جسيم ما عند نقطة‬ ‫ٍ‬ ‫فعندئذ سأكون عامل نبات"‪.‬‬ ‫معينة فأجاب "لو أستطيع أن أتذكّر أسامء مجيع هذه اجلسيامت‬ ‫‪‬‬ ‫‪d‬‬ ‫ ضديد املادة‬ ‫‪Antimatter‬‬ ‫النموذج املعياري‬ ‫‪The Standard Model‬‬ ‫لقد أصبح واضحا يف أواخر عام ‪1960‬م أن الربوتونات والنيوترونات والبيونات ليست‬ ‫جســيامت أولية‪ ،‬بل مكونة من جمموعة من جســيامت تســمى الكواركات (‪.)quarks‬‬ ‫ويعتقد العلامء اآلن وجود ثالث عائالت من اجلســيامت األوليــة وفقا للنموذج املعياري‬ ‫هي‪ :‬الكواركات‪ ،‬واللبتونات‪ ،‬وحامالت القوى (البوزونات)‪.‬‬ ‫عائلة الكواركات (‪ :)quarks‬تتحد الكواركات لتشــكل اهلادرونات التي تنقسم إىل جمموعتني‬ ‫فرعيتني‪ ،‬مها جمموعة الباريونــات مثل‪ :‬الربوتونات والنيوترونــات‪ ،‬وجمموعة امليوزونات مثل‬ ‫البيونات املكونة من كوارك وضديده كام يف الشكل‪.6-16‬‬ ‫اجل دول ‪ 6-3‬يب نين كي ف تق س م‬ ‫الك واركات واللبتون ات املعروف ة إىل‬ ‫ث الاث عائ الات‪.‬ويتك وّن ع امل الي وم‬ ‫م ن ج س يمات م ن عائل ة الي د الي س رى‬ ‫(‪ )u, d, e‬واجل س يمات يف املجموع ة‬ ‫الو س طى (‪ )c,s,µ‬موج ودة يف األأ ش عة‬ ‫الكوني ة‪ ،‬وتنت ج بطريق ة روتيني ة يف‬ ‫م سارعات اجل سيم‪.‬ويعتقد أن عائلة اليد‬ ‫اليمن ى (‪ ) b,t,τ‬م س تثارة قلي ًال خالل‬ ‫اللحظ ات املبك رة لالنفج ار العظي م‪،‬‬ ‫وتوج د نتيج ة الت صادم ات العالي ة‬ ‫الطاق ة‪.‬ويحم ل مقيا س البوزون ات‬ ‫الق وى الكهرومغناطي س ية ال ضعيف ة‬ ‫ويع رّبر‬ ‫والقوي ة وق وى التج اذب الكتل ي‪ّ ،‬‬ ‫ع ن الكت ل مبكافئ ات الطاق ة املعط اة‬ ‫​‬ ‫مبعادلة أين شتاين‪E = m​c2​.‬‬ ‫عائلة اللبتونات (‪ )leptons‬مثل‪ :‬اإللكرتون‪ ،‬وامليون‪ ،‬والتّاو‪.‬‬ ‫عائلة حامالت القوى (‪ )force carriers‬وتسمى كذلك البوزونات‪ :‬وهي جسيامت تنقل القوى‬ ‫األساسية‪ ،‬فمثال حتمل الفوتونات القوة الكهرومغناطيسية‪ ،‬وحتمل اجللونات الثامنية القوى النووية‬ ‫القوية‪ ،‬أما البوزونات الثالثة الضعيفة فهي التي حتمل القوة النووية الضعيفة‪ ،‬واجلرافيتون حامل‬ ‫قوة اجلاذبية األرضية والذي مل يكتشف حتى اآلن ويعترب من نظريات ما بعد النموذج املعياري‪.‬‬ ‫تشكل الكواركات واللبتونات املادة‪ ،‬بينام حامالت القوة جسيامت تنقل القوى‪ ،‬وقد تم تلخيص‬ ‫خصائص اجلسيامت األولية التي متثل أساس النموذج املعياري يف اجلدول ‪.6-3‬‬ ‫الربوتونات والنيوترونات‬ ‫‪Protons and Neutrons‬‬ ‫نمــوذج الكوارك يصــف النيوكليونات (الربوتونــات والنيوترونــات)‪ ،‬بوصفه جتم ًعا من‬ ‫مكون من ثالثــة كواركات‪ ،‬فيتكون الربوتــون من اثنني من‬ ‫الكــواركات‪.‬وكل نيوكليون ّ‬ ‫‪2‬‬ ‫__‬ ‫الكواركات العلوية (‪( )up quarks‬شحنة​ ‪.)+ 3 ​e‬وكوارك سفيل واحد (‪)down quarks‬‬ ‫(شحنة​ ‪ ،)-__13 ​e‬ويعرب عن الربوتون بالرمز ‪.p = uud‬فشحنة الربوتون عبارة عن جمموع شحنات‬ ‫__‪.(​ __23 ​+‬بينام يتكون النيوترون من كوارك واحد علوي واثنني‬ ‫ثالثة كواركات ‪​  23 ​+-​ __13 ​)e=+e‬‬ ‫__ ‪.(​ __23 ​+ -‬‬ ‫من الكواركات الســفلية ‪n = u dd‬؛ فشــحنة النيوترون صفر‪​  13 ​ + - ​ __13 ​)e=0.‬‬ ‫ال يمكن مشــاهدة الكواركات احلرة املنفردة؛ ألن القوة القوية التي تبقيها جمتمعة م ًعا تصبح‬ ‫أكرب كلام اندفعت الكوراكات ليبتعد بعضها عن بعض‪.‬يف مثل هذه احلالة‪ ،‬تعمل القوة القوية‬ ‫كقوة النابض‪ ،‬فهي ال تشــبه القــوة الكهربائية التي تصبح أضعف كلام حتركت اجلســيامت‬ ‫مبتعــد ًة بعضها عن بعــض‪.‬وتنتقل القوة القويــة يف نموذج الكوارك بواســطة اجللونات‪.‬‬ ‫‪595‬‬ ‫التحوالت بني الكتلة والطاقة‬ ‫‪Conversions Between Mass and Energy‬‬ ‫يمكن حساب كمية الطاقة التي تتو ّلد نتيجة فناء جسيم باستخدام معادلة أينشتاين لتكافؤ‬ ‫الطاقة والكتلة ​‪.​E = m​c2‬إن كتلة اإللكرتون ‪ 9.11 × ​10​-31 kg‬وتساوي كتلة البوزترون‪.‬‬ ‫لذلك فإن الطاقة املكافئة للبوزترون واإللكرتون م ًعا يمكن حساهبا كام ييل‪:‬‬ ‫‪E = 2 (9.11 × 1‬‬ ‫​ ​‪​ 0​-31​ kg)(3.00 × 1​ 0​8​ m/s​)2‬‬ ‫‪E = (1.64 × 1‬‬ ‫)‪​ 0​-13​ J) (1 eV/1.60 × 1​ 0​-19​ J‬‬ ‫‪E = 1.02 × 1‬‬ ‫‪1.02 MeV‬أو‪​ 0​6​ eV‬‬ ‫عندمــا يكون كل من البوزترون واإللكرتون يف حالة ســكون فإن كاًّلًّ منهام يفنى اآلخر‪.‬‬ ‫أيضا معكوس‬ ‫وجمموع طاقات أشــعة جاما املنبعثة هو ‪.1.02 MeV‬ويمكــن أن حيدث ً‬ ‫الفنــاء‪ ،‬أي أن الطاقة يمكــن أن تتحول مبــارش ًة إىل مادة‪.‬فإذا عرب شــعاع جاما بطاقة‬ ‫‪ 1.02 MeV‬عىل األقل بالقرب من نواة فقد ينتج زوج من البوزترون واإللكرتون‪.‬‬ ‫‪γ →​e‬‬‫​ ​‪​ ​+ e​ +‬‬ ‫إنتاج الزوج‪.‬وال يمكن أن‬ ‫حتول الطاقة إىل زوج اجلســيامت "مادة وضديد املادة" َ‬ ‫يسمى ّ‬ ‫حتدث التفاعالت منفــردة مثل تفاعــل​‪ γ →​e​-‬و​‪γ →​e​+‬؛ ألن مثل هذه التفاعالت‬ ‫أيضا‪.‬فالزوج‬ ‫ال حتقق قانون حفظ الشــحنة‪.‬وكذلك تفاعــات ‪ γ →​e-​ ​+ p‬ال حتدث ً‬ ‫جيب أن يكون اجلسيم وضديد اجلسيم اخلاص به‪.‬‬ ‫ال ش كل ‪ 6-17‬عندم ا ينت ج اجل س يم‬ ‫ف إن ضدي د ه ذا اجل س يم ينت ج ً‬ ‫أي ض ا‪ ،‬هن ا‬ ‫ت ضمحل أ شعة جاما إىل زوج من اإلإلكرتون‬ ‫والبوزترون‪.‬‬ ‫ج سيمات املادة و ضديد املادة توجد يف أزواج‪ .‬ويوضح الشكل ‪ 6-17‬إنتاج زوج بوزترون‬ ‫– إلكرتون؛ حيث يعمل املجال املغناطييس حول حجرة الفقاعة عىل ثني مسارات اجلسيامت‬ ‫املتعاكســة الشحنة لتتحرك يف اجتاهات متعاكسة‪.‬و ال تتبع أشعة جاما املنتجة املسار‪.‬وإذا‬ ‫كانت طاقة أشــعة جاما أكرب من ‪ 1.02 MeV‬فإن الفائض يف الطاقة يظهر عىل شكل طاقة‬ ‫حركية للبوزترون واإللكرتون‪ ،‬فيتصادم البوزترون يف احلال مع إلكرتون آخر‪ ،‬ويفني كل‬ ‫منهام اآلخر‪ ،‬وينتج إشعاعان أو ثالثة إشعاعات جاما ال تقل طاقتها الكلية عن ‪.1.02 MeV‬‬ ‫أيـضا له ضـديد جسـيم‪.‬يتـامثل ضديد اجلسـيامت‬ ‫حفظ الج سيم‪ :‬كل كوارك وكل لبـتون ً‬ ‫مع اجلسيامت إال يف نوع الشــحنة؛ حيث تكون الشحنتان متعاكستني‪.‬فالكوارك العلوي‬ ‫‪ u‬مث ً‬ ‫ال شحنته​ ‪ ،+​ __23‬بينام ضديـد الكـوارك العلـوي ‪ u‬شحنتـه​ ‪ ،-​ __23‬وشحـنة الـربوتون‬ ‫__ ‪2‬‬ ‫__ ‪2‬‬ ‫‪1‬‬ ‫__‬ ‫‪ uud‬هي ‪ ،+1‬وشــحنة ضديد الربوتون ‪.-​  3 ​-​  3 ​+​  3 ​=-1 ،u u d‬وعندما يصطدم‬ ‫اجلســيم وضديده فإن كاًّلًّ منهام يفنــى اآلخر‪ ،‬ويتحوالن إىل فوتونــات أو إىل زوج من‬ ‫جســيم وضديد جسيم أخف وإىل طاقة‪.‬العدد الكيل للكواركات والعدد الكيل للبتونات‬ ‫يف الكون ثابتة؛ حيث إن الكواركات واللبتونات توجد أو تفنى فقط بوصفهام زوج جسيم‬ ‫وضديد اجلسيم‪.‬ومن جهة أخرى فإن حامالت القوى ومنها اجلرافيتونات والفوتونات‬ ‫واجللونات والبوزونات الضعيفة قد توجد أو تفنى إذا كان هناك طاقة كافية‪.‬‬ ‫‪596‬‬ ‫أيضا‪.‬فلضديد الربوتون كتلة تساوي كتلة الربوتون‪،‬‬ ‫يمكن أن يوجد ضديد للربوتونات ً‬ ‫ولكن شــحنته سالبة‪.‬و كتلة الربوتون تســاوي كتلة ‪ 1836‬إلكرتونًا‪.‬وهكذا فإن الطاقة‬ ‫الالزمة لتكوين زوج من الربوتون وضديد الربوتون كبرية نسب ًّيا‪.‬وقد تم إنتاج ومالحظة‬ ‫زوج الربوتون وضديد الربوتون أول مرة يف باركيل‪ ،‬يف كاليفورنيا عام ‪1955‬م‪.‬‬ ‫‪. 35‬كتلة الربوتون ‪.1.67 × 1​ 0-​ 27​kg‬‬ ‫‪.a‬أوجد الطاقة املكافئة لكتلة الربوتون بوحدة اجلول‪.‬‬ ‫حول هذه القيمة إىل وحدة ‪.eV‬‬ ‫‪ّ.b‬‬ ‫ ‪. c‬أوجد الطاقة الكلية األصغر ألشعة جاما التي يمكن أن تؤدي إىل تكون زوج من الربوتون وضديد الربوتون‪.‬‬ ‫‪. 36‬يمكن لكل من البوزترون واإللكرتون أن يفني أحدمها اآلخر‪ ،‬وينتج ثالثة إشــعاعات جاما‪.‬تم الكشف عن اثنني‬ ‫من إشعاعات جاما‪ ،‬فكانت طاقة أحدها ‪ 225 keV‬وطاقة اآلخر ‪.357 keV‬ما طاقة إشعاع جاما الثالث؟‬ ‫‪. 37‬كتلة النيوترون ‪.1.008665 u‬‬ ‫ ‪. a‬أوجد الطاقة املكافئة لكتلة النيوترون بوحدة ‪.MeV‬‬ ‫ ‪. b‬أوجد الطاقة الكلية الصغرى ألشعة جاما التي يمكن أن تؤدي إىل تكون زوج من النيوترون وضديد النيوترون‪.‬‬ ‫‪. 38‬كتلة امليون ‪ ،0.1135 u‬وهو يضمحل إىل إلكرتون ونيوترينونني‪.‬ما مقدار الطاقة الناجتة عن هذا االضمحالل؟‬ ‫ا ضمحالل بيتا والتفاعل ال ضعيف‬ ‫‪Beta Decay and the weak interaction‬‬ ‫ال توجد إلكرتونات عالية الطاقة منبعثة من اضمحالل بيتا للنواة املشعة داخل النواة‪ْ.‬‬ ‫إذن‬ ‫من أين جاءت هــذه اإللكرتونات؟ يف عملية اضمحالل النيوترون يتحول النيوترون إىل‬ ‫بروتون‪ ،‬يف حني ال يضمحل النيوترون داخل النواة املستقرة‪.‬بل الذي يمكن أن يضمحل‬ ‫إىل بروتون وينبعث جســيم بيتا هو النيوترون احلر يف النواة غري املستقرة‪.‬ويشارك ضديد‬ ‫النيوترينــو يف الطاقة الناجتة مع الربوتون وجســيم بيتا‪.‬وضديد النيوترينو جســيم كتلته‬ ‫صغرية جدًّ ا‪ ،‬وهو عديم الشــحنة‪ ،‬ولكنــه كالفوتون؛ له زخم وطاقــة‪.‬وتكتب معادلة‬ ‫​‪​ 10​ n​​ ⟶​ 11​ ​p​ +​ -​ 01​ e​ +​ 00​ ​v‬‬ ‫اضمحالل النيوترون كام ييل‪:‬‬ ‫وعندما يضمحــل النظري بإطالق بوزترون حتدث عملية شــبيهة باضمحالل بيتا‪.‬وعىل‬ ‫الرغم من أنه مل يشــاهد اضمحالل الربوتون احلر فإنه يمكــن للربوتون داخل النواة أن‬ ‫يتحول إىل نيوترون مع إطالق بوزترون  ​​‪ ​ +​ 01e‬ونيوترينو​ ​‪. 00​​v‬‬ ‫‪​ 11​ ​P⟶​ 01​ ​n+ +​ 01​e​  +​ 00​ ​​v‬‬ ‫إن انحــال النيوترونات إىل بروتونات‪ ،‬وانحالل الربوتونــات إىل نيوترونات ال يمكن‬ ‫تفسريه بواسطة القوة القوية‪.‬‬ ‫إن وجود انحالل بيتا يشري إىل أنه جيب أن يكون هناك تفاعل آخر‪ ،‬وهو القوة النووية الضعيفة‬ ‫كثريا من القوة النووية القوية‪.‬‬ ‫التي تؤثر يف النواة‪.‬وهذه القوة أضعف ً‬ ‫‪ 238‬بانبعاث ‪ α‬وبانبعاثني متتاليني جلســيم ‪ β‬ويتحــول ثانية إىل نظري‬ ‫يضمحــل​‪​ 92​U‬‬ ‫لليورانيوم‪.‬‬ ‫وضح معادالت االضمحالل النووي الثالث‪.‬‬ ‫‪ّ.1‬‬ ‫املتكون‪.‬‬ ‫‪. 2‬احسب العدد الكتيل لليورانيوم‬ ‫ّ‬ ‫‪597‬‬ ‫‪e-‬‬ ‫‪W-‬‬ ‫‪6‬‬ ‫‪W-‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪d‬‬ ‫‪u u‬‬ ‫‪d‬‬ ‫‪u d‬‬ ‫‪±‬‬ ‫‪v‬‬ ‫منوذج الكوارك ال ضمحالل بيتا إن الفرق بني الربوتون ‪ ،uud‬والنيوترون ‪ udd‬كوارك واحد فقط‪.‬‬ ‫حيث حيدث اضمحالل بيتا يف نموذج الكوارك عىل مرحلتني‪ ،‬كام يتضح من الشكل ‪.6-18‬‬ ‫‪ w‬أحد‬ ‫أوالً‪ :‬كوارك ‪ d‬واحد يف النيوترون يتحول إىل كوارك ‪ u‬مع انبعاث بوزون​ ​‪​w-‬؛ حيث​ ​‪​ -‬‬ ‫ثالثة حامالت قوة ضعيفة‪.‬ويف اخلطوة الثانية يتحول البوزون إىل إلكرتون وضديد النيوترينو‪،‬‬ ‫‪w‬‬ ‫‪ ، w‬ومن ثم ينحل البوزون​ ​‪​ +‬‬ ‫وباملثل يف حتلل الربوتون يف النواة ينبعث نيوترون وبوزون​ ​‪​ +‬‬ ‫إىل بوزترون ونيوترينو‪.‬‬ ‫حتول من كوارك إىل آخر‪ُ.‬حُيدث‬ ‫إن انبعاث حامل القوة الضعيفة الثالث بوزون ‪ Z°‬ال يرتافق مع ّ‬ ‫البوزون ‪ Z°‬تفاع ً‬ ‫كثريا‬ ‫ال بني النيوكليونات واإللكرتونات يف الذرات املامثلة‪ ،‬ولكنه أضعف ً‬ ‫من القوة الكهرومغناطيسية التي حتافظ عىل الذرة متامسكة؛ حيث تم الكشف عن هذا التفاعل‬ ‫أول مرة عام ‪1979‬م‪.‬ومتت مشاهدة البوزونات ‪ ،w+‬و‪w-‬و ‪ Z°‬مبارشة أول مرة عام ‪1983‬م‪.‬‬ ‫لقد ساد االعتقاد طوي ً‬ ‫ال أن كاًّلًّ من النيوترينات وضديد النيوترينات عديمة الكتلة‪ ،‬إال أن‬ ‫التجارب األخرية التي التقطت النيوترينات املنبعثة من الشمس ومن املسارعات الطويلة أظهرت‬ ‫كثريا من كتلة أي جسيم معروف‪.‬‬ ‫أن للنيوترينات كتلة‪.‬عىل الرغم من أن هذه الكتل أقل ً‬ ‫اختبار النموذج املعياري‬ ‫فاز الربيطاين بيرت هيجز والبلجيكي‬ ‫فران سوا إنغلريت بجائزة نوبل يف‬ ‫الفيزي اء لع ام ‪ 2013‬تقدي را‬ ‫ألأعمالهما التي أدت إىل االكت شاف‬ ‫النظري لبوزون هيجز‪.‬‬ ‫‪598‬‬ ‫‪Testing the Standard Model‬‬ ‫تستطيع أن تالحظ من اجلدول ‪ 6-3‬أن الكواركات واللبتونات تنفصل إىل ثالث عائالت؛‬ ‫يتكون من جســيامت يف عائلة اليد اليــرى (بروتونات ونيوترونات‬ ‫فالعــامل املحيط بنا ّ‬ ‫وإلكرتونات)‪ ،‬وجســيامت يف املجموعة الوسطى توجد يف األشعة الكونية وتنتج بطريقة‬ ‫روتينية يف مسارعات اجلسيامت‪ ،‬وجسيامت عائلة اليد اليمنى التي يعتقد أهنا كانت مستثارة‬ ‫قلي ً‬ ‫ال خالل اللحظــات األوىل لالنفجار العظيم‪ ،‬ونتجت عن تصادمات عالية الطاقة‪.‬ما‬ ‫الذي حيدد كتل الكواركات واللبتونات؟ إن بوزون هيجز الذي يفرتض أنه جســيم حيدد‬ ‫كتل اللبتونات والكواركات‪ ،‬أعلن عن اكتشافه يف املنظمة األوربية لألبحاث النووية (سرين‬ ‫‪ )CERN‬عام ‪.2012‬وكرم الربوفيسور بيرت هيجز عن االكتشاف بجائزة نوبل يف الفيزياء‬ ‫‪2013‬م‪.‬فالنموذج املعياري ليس نظرية؛ ألنه ال يفرس كتل اجلسيامت‪ ،‬وال يفرس ملاذا توجد‬ ‫ثالث عائالت من الكواركات واللبتونات وحامالت القوى‪.‬‬ ‫ملاذا توجد أربع قوى؟إن االختالفات بني التفاعالت الرئيســة األربعة واضحة؛ فقد تؤثر‬ ‫القوى بكميات خمتلفة يف الشــحنة أو الكتلة‪ ،‬وقد يكون هلا تبعيات خمتلفة عىل املسافات‪،‬‬ ‫وحامالت القوى هلا خصائص خمتلفة‪.‬وعىل أي حال‪ ،‬هناك بعض التامثل بني التفاعالت‪.‬فمث ً‬ ‫ال‬ ‫القوى بني اجلسيامت املشحونة‪ ،‬والتفاعالت الكهرومغناطيسية ُحُتمل بواسطة الفوتونات‬ ‫بطريقة مماثلة حلمل البوزونات الضعيفة للتفاعل الضعيف‪.‬والقوى الكهربائية تؤثر يف مدى‬ ‫واســع؛ ألن كتلة الفوتونات صفر‪ ،‬بينام القوى الضعيفة تؤثر يف مسافات قصرية ألن كتل‬ ‫البوزونات ‪ w‬و ‪ z‬كبرية نسب ًّيا‪.‬إن الرتكيب الريايض لنظريات التفاعل الضعيف والتفاعل‬ ‫الكهرومغناطييس متامثالن‪.‬‬ ‫‪c‬‬ ‫‪b‬‬ ‫تشــر النظريات الفلكية الفيزيائية للنجم فوق املستعر إىل حدوث تفاعلني متامثلني خالل‬ ‫االنفجارات النجميــة اهلائلة‪ ،‬كتلك املوضحة يف الشــكل ‪.6-19‬أما النظريات احلالية‬ ‫املتعلقــة بأصل الكون فتتوقع أن القوتني كانتا متامثلتــن خالل اللحظات املبكرة للكون‬ ‫كذلك‪.‬هلذا الســبب‪ ،‬كانت القوى الكهرومغناطيسية والقوى الضعيفة متحدتني يف قوة‬ ‫واحدة تسمى قوة كهربائية ضعيفة‪.‬‬ ‫بالطريقة نفســها تبــن أن القوى الكهرومغناطيســية والقوة الضعيفــة متحدتان يف قوة‬ ‫كهربائيــة ضعيفة خالل عام ‪1970‬م‪.‬كذلك توصــل الفيزيائيون اآلن إىل تطوير نظريات‬ ‫أيضا‪ ،‬وال يزال العمل غري مكتمل‪.‬وما زالت النظريات تتطور‪ ،‬ويتم‬ ‫تتضمن القوة القوية ً‬ ‫التخطيط الختبار هذه النظريات اآلن‪.‬ونظرية االحتاد التام التي تتضمن التجاذب حتتاج‬ ‫إىل املزيد من العمل‪.‬‬ ‫‪a‬‬ ‫ال ش كل ‪ 6-19‬يف النج م ف وق امل س تعر‪،‬‬ ‫لي س ت الق وى الكهرومغناطي س ية والق وى‬ ‫ال ضعيف ة متماي زة‪.‬وال ض وء املتزاي د‬ ‫والنيوترونات ال صادرة من النجم فوق امل ستعر‬ ‫‪ 1987A‬ت ص ل األأر ض يف اللحظ ة نف س ها‪،‬‬ ‫وه ذا يظه ر أن النيوترين ات تنتق ل ب س رعة‬ ‫قريب ة م ن س رعة ال ض وء وتنت ج يف النج م‬ ‫األأعظ م‪.‬وكم ا ه و متوق ع‪ ،‬ظه ر النج م ف وق‬ ‫امل س تعر قب ل االنفج ار (‪ ,)a‬خ الال االنفج ار‬ ‫(‪ ,)b‬وبالقرب من هابل (‪.)c‬‬ ‫وقد ظهر ارتباك كبري نتيجة الدراســات التي أجريت عىل املجرات والتي تتوقع أن املادة‬ ‫صغريا من كتلة الكون‪.‬واجلزء األكرب‬ ‫تكون فقط جز ًءا‬ ‫التي تم وصفها بالنموذج املعياري ّ‬ ‫ً‬ ‫من املادة شــكلت املادة املعتمة؛ وقد سميت بذلك ألهنا ال تتفاعل مع الفوتونات أو املادة‬ ‫العاديــة‪ ،‬لكنها قوة التجــاذب‪.‬والتي تبدو كطاقة معتمة‪ ،‬وقوة غــر معروفة تعمل عىل‬ ‫تسارع متدد الكون‪.‬‬ ‫تكون األنوية تتصل‬ ‫لذلك فإن الدراســات املتعلقة باجلســيامت املتناهية يف الصغر التــي ّ‬ ‫تكون الكون‪.‬وقد اعتاد‬ ‫مبارشة مــع البحوث املتعلقة باألنظمة الكبرية واملجرات التــي ّ‬ ‫فيزيائيــو اجلســيامت األولية وعلامء الكــون أن يكونوا يف النهايتني املتعاكســتني ملقياس‬ ‫الطول‪.‬واآلن يتســاءلون م ًعا‪" :‬ما وحدات البناء األساسية التي يتكون منها العامل؟"‪.‬قد‬ ‫يستطيعون اإلجابة عن هذا السؤال يف املستقبل‪.‬‬ ‫‪ 6-3‬مراجعة‬ ‫‪. 39‬ق ذف النواة ملاذا حيتــاج الربوتون إىل طاقة أكثر من‬ ‫النيوترون عندما يستخدم لقذف النواة؟‬ ‫‪. 40‬م س ارع اجل س يمات تتحرك الربوتونات يف مســارع‬ ‫خمترب فريمي الشــكل ‪ 6-11‬يف اجتاه عكس عقارب‬ ‫الساعة‪.‬ما اجتاه املجال املغناطييس يف مغانط الثني؟‬ ‫‪. 41‬إنت اج ال زوج يوضح الشــكل ‪ 6-18‬إنتاج أزواج‬ ‫اإللكرتون‪-‬البوزترون‪.‬ملاذا تنثني جمموعة املسارات‬ ‫السفلية أقل من انثناء زوج املسارات العلوية؟‬ ‫‪. 42‬النم وذج املعي اري ابحــث يف حمــددات النمــوذج‬ ‫املعياري والبدائل املحتملة‪.‬‬ ‫‪. 43‬التفكري الناقد تأمل املعادلتني التاليتني‪:‬‬ ‫‪ u → d​ +​ ​ w‬و​‪ +​ ​→ e​ +​ ​ +v‬‬ ‫‪w‬‬ ‫​ ​‪​ +‬‬ ‫كيــف يمكن اســتخدامهام لتفســر االضمحالل‬ ‫اإلشــعاعي للنيوكليــون الذي ينتج عــن انبعاث‬ ‫البوزترون والنيوترينو؟ اكتب املعادلة التي تتضمن‬ ‫نيوكليونات بدالً من الكواركات‪.‬‬ ‫‪599‬‬