[mah333]

السلام عليكم ورحمة الله وبركاته
بعض المفاهيم حول الجسيمات الأولية

لقد حدث في العقود الأخيرة من القرن الماضي تزاوج بين فرعين من فروع العلم وهما علم الكون وعلم فيزياء الجسيمات الأولية , في رابطة تآزرية تولد عنها عدد من النتائج المثيرة , وقد بدأت هذه النتائج إعطاء صورة عن خلق الزمكان والمادة في آونة سحيقة وقعت خلال جزء من ترليون ترليون ترليون جزء من الثانية الأولى بعد انبثاق العالم الكوني من الإنفجار البدئي المعروف باسم الإنفجار العظيم ( Big Bang ) ( الترليون = 1000مليار ) , بل أن هناك دلائل مهمة عن طبيعة الإنفجار العظيم نفسه يمكن أن تنتج من نظرية يجري تطويرها اشتهرت باسم ( نظرية كل شيء Theory Of Everything ) النهائية. إن من شأن هذه النظرية أن تصف في عملية كاملة وجريئة كل التفاعلات التي تحدث بين الجسيمات .

وقد بدأ اليوم علم الكون الجديد بتقديم نبؤات عن فيزياء الجسيمات الأولية , وأصبح التفكير ممكناً بأن يتاح اختبار النبؤات الكونية في تجارب مقارنة دقيقة تستخدم المسرعات الجزيئية وقد شهدت النتائج الأولية على صحة نبؤات علم الكون , وإن الوليد الأول الذي خرج من تزاوج علم الكون وفيزياء الجسيمات هو تحديد أن عدد الجسيمات الأولية لابد أن يكون محدوداً خلال التفاعلات النووية التي حدثت في أثناء الثانية الزمنية الأولى تقريباً من عمر الكون وإلا لكان العالم الكوني مختلفاً عما هو عليه الآن .

ولكي نشرح كيف تضع الإعتبارات الكونية حدوداً لعدد أنواع الجسيمات الأولية لابد أولاً من إلقاء نظرة قصيرة على فيزياء الجسيمات , ففي النصف الثاني من القرن الماضي تبين من التجارب التي تستخدم مسرعات الجسيمات أن الجسيمات الأساسية يمكن أن تجمل في صنفين كبيرين : الفرميونات Fermions والبوزونات Bosons ( التسمية أتت تخليداً لإسمي العالمين الإيطالي الأمريكي إنريكو فيرمي والهندي س . ن بوز ) والفرميونات هي الجسيمات التي تتشكل منها المادة , أما البوزونات فهي حاملة القوى بين الجسيمات .

وتنقسم الفرميونات بدورها إلى زمرتين : الكواركات Quarks واللبتونات Leptons ( إن كلمة كوارك جاءت من جملة غريبة وردت في رواية لـ جيمس جويس بعنوان Finnegans Wake تقول ثلاثة كواركات للسيد مارك , أما كلمة لبتون فمشتقة من كلمة يونانية وتعني جسيماً صغيراً ) .

الكوارك : هو أصغر جزء معروف في بناء المادة , الكواركات لايمكن أن تتواجد منفردة , لأنها تتواجد دائماً في اتحادات مع كواركات أخرى في جزيئات أكبر للمادة , وقد استطاع العلماء من خلال دراسة هذه الجزيئات الأكبر أن يحددوا الخصائص المميزة للكواركات .

إن الجزيئات التي تتشكل منها نواة الذرة وهي البروتونات والنيترونات تتألف من الكواركات , حيث أنه بدون الكواركات سوف لن يكون هناك ذرة , وبالتالي سوف لن يكون هناك مادة .

يوجد 6 أنواع من الكواركات , هي الكوارك الأعلى ( up ) والكوارك الأسفل ( down) والكوارك الساحر ( charm ) والكوارك الغريب ( strang ) والكوارك العلوي ( top ) والكوارك السفلي ( bottom ) , وتتميز الكواركات بكتلة معينة وشحنة كهربائية , ويعتقد العلماء بأن هذه الأنواع الستة من الكواركات قد وجدت مباشرة إثر الإنفجار العظيم الذي انبثق عنه الكون .
ويوجد للكواركات جسيمات أولية مضادة تدعى الكواركات المضادة anti quarks , التي تتحد لتشكل المادة المضادة والتي لاوجود لها في الطبيعة على الأرض , لكن غالبية العلماء تعتقد بوجود هذه المادة المضادة ولو بشكل نادر في الكون لكن الفيزيائيون فد تمكنوا من إنتاج هذه المادة المضادة في المختبرات .

تتحد الكواركات مع بعضها لتشكل نوعاً من الجسيمات الأولية والتي تدعى الهادرونات ( hadrons ) , نوعين فقط من الهادرونات تم العثور عليهما في الطبيعة وهما الباريون ( baryon ) والميزون ( meson ) .
يتضمن الباريون ثلاثة كواركات , بينما يتضمن الميزون كوارك وكوارك مضاد , علماً أن نظرية الميكانيك الكوانتي لم تحظر من وجود اتحادات أخرى , حيث أن العلماء بدأوا بالبحث عنه فعلياً منذ عام 2003 واقترحوا تسميته الكوارك الخماسي ( penta quark ) لأنه يتألف من خمسة كواركات .

البروتونات والنيترونات هي عبارة عن باريونات , حيث أن البروتون يتألف من كواركين علويين ( up ) وكوارك سفلي ( down ) , والشحنة الكهربائية على هذه الكواركات تشكل شحنة البروتون الموجبة , بينما النيوترونات تحتوي على كوارك واحد علوي ( up ) واثنين من الكواركات السفلية ( down ) والشحنات التي تحملها هذه الكواركات تتعادل مع بعضها بحيث تنعدم بالمحصلة شحنة النيوترون .

لقد أكتشف الفيزيائيون الميزونات خلال دراسة الأشعة الكونية , وهي عبارة عن جزيئات طاقة عالية تنشأ في الفضاء وتخترق الميزونات الغلاف الجوي للأرض , وهي تتألف إما من كوارك واحد علوي ( up ) وكوارك مضاد سفلي ( down ) ويحمل الميزون عندها الشحنة الموجبة , أو كواركاً واحداً سفلياً ( ( down وكواركاً مضاداً علوياً ً ويحمل عندها الشحنة السالبة , أو كواركاً علوياً وكواركاً مضاداً علوياً أيضاً وعندها يكون عديم الشحنة ( متعادل ) , والميزونات تتميز بفترة حياة قصيرة جداً قبل أن تتحول إلى جسيمات أولية أخرى .

كما أوجد العلماء معملياً نوعاً آخراً من الميزونات أطلقوا عليه اسم الكاون ( kaon ) , وتحتوي كل الكاونات أيضاً على الكوارك المسمى الغريب ( strange ) أو الكوارك المضاد له كذلك , وهي مثلها مثل الميزونات يمكن أن تأخذ الشحنة الموجبة أو السالبة أو أن تكون متعادلة , وهي أيضاً تتميز بعمر قصير جداً قبل أن تتحول إلى جسيمات أخرى.

إن القوة التي تربط الكواركات مع بعضها البعض في الهادرونات وتربط هذه الأخيرة مع مثيلاتها من الهادرونات هي إحدى القوى النووية والتي تدعى القوة شديد ( strong ) , هذه القوة تعمل أيضاً على ربط كل من البروتونات والنيترونات مع بعضها في نواة الذرة , وتؤثر الكواركات إحداها على الأخرى من خلال قوة ( شديد strong ) عن طريق تبادل الغلونات ( gluons ) , وهي جزيئات طاقية حاملة القوة ( شديد ) , والغلونات تعمل على ربط الكواركات مع بعضها بواسطة تغيير إحدى خصائص الكواركات والتي تدعى شحنة اللون , حيث يمكن للكواركات أن يكون لها شحنة لونية حمراء أو خضراء أو زرقاء بينما يمكن أن يكون للكواركات المضادة شحنة لونية مضادة للحمراء ( cyan ) أو مضادة للخضراء ( magenta ) , أو مضادة للزرقاء ( yellow )

إن التفاعلات التي تحدث بين شتى الجسيمات تحكمها أربع قوى أساسية , كل قوة منها محمولة على بوزون منفصل أو على مجموعة بوزونات , فالفوتون أو ( الكم Quantum ) الضوئي , يحمل القوة الكهرومغناطيسية بين الشحنات الكهربائية , والكرافيتون Graviton يحمل القوة التثاقلية بين الكتل , والقوة النووية ( شديد strong ) تربط بين الكواركات محمولة على ثمانية غليونات Gluons , في حين أن القوة النووية ( ضعيف weake ) المسؤولة عن بعض التفككات النووية محمولة على بوزونات وسيطة متجهة , ويبدو في الوقت الحاضر أن كل التفاعلات التي تحدث في هذا الكون يمكن اختزالها في اتحادات من هذه التفاعلات الأربعة .

إن السمة الأكثر إثارة على طريق تطور فيزياء هذا القرن , كانت البرهان على أن توحيد هذه القوى يبدأ عند الطاقات العليا أو درجات الحرارة العليا , وبصورة خاصة أثبتت التجارب التي تمت في سيرن CERN ( المختبر الأوربي لفيزياء الجسيمات في جنيف ) , أن القوتين الضعيفة والكهرومغناطيسية تجتمعان في قوة واحدة تسمى ( كهروضعيفة ) وذلك عندما تتجاوز طاقة التفاعل القيمة 100 Gev ( كل 1 Gev غيغاإلكترون فولت = 1000000000 ev مليار إلكترون فولت ) , وهذه الطاقة تتوافق مع درجة الحرارة التي كان عليها الكون بعد حوالي 0.00000000001 ثانية من الإنفجار العظيم والتي تقدر بـ 4 ترليون مرة الحرارة على سطح الأرض الآن , وبعد هذا الإكتشاف تعزز الأمل في إمكانية أن تنضم القوة الشديدة إلى القوة الكهروضعيفة عند طاقة قيمتها 1000000000000000 Gev أي ألف ترليون غيغا إلكترون فولت تقريباً وذلك في إطار نظرية توحيد شاملة ( .Grand Unified Th ) ومن ثم تنضم عند حوالي 10000000000000000000 Gev أي (10مليون ترليون ) قوة الثقالة لتؤلف كلها معاً قوة واحدة وحيدة في إطار ما أسميناه ( نظرية كل شيء ) .

ولقد أكتشف حتى الآن بضع عشرات من هذه الجسيمات الأولية والتي تتمتع بصفات غريبة جداً , فمعظمها غير مستقر وحياتها تقاس بأجزاء المليار من الثانية , ثم تتحول إلى دقائق أولية أخرى بشكل عفوي أو يمكن أن تتلاشى في حين يمكن أن يولد ( ينشأ ) البعض الآخر , ويعتبر التحول المتبادل بين الدقائق الأولية أحد القوانين المميزة والخاصة بعالم هذه الجسيمات , وأهم ما يميز هذه الجسيمات هو شحنتها الكهربائية وكتلتها , إذ يوجد ثلاثة أنواع من الدقائق الأولية :

1 ـ دقائق إيجابية الشحنة , 2 ـ دقائق سلبية الشحنة , 3 ـ دقائق معتدلة الشحنة

وتمتلك الدقائق المشحونة نفس القيمة المطلقة للشحنة إما ( - e ) أو ( + e ) حيث e واحدة الشحن الكهربائية وتساوي 1.6 × 10 أس -19 كولون , وتختلف كتل هذه الدقائق في حالة السكون عن بعضها كثيراً وتتراوح بين ( صفر و 2600 ) كتلة إلكترونية
( الكتلة الإلكترونية أي كتلة الإلكترون تساوي 9.11 × 10 أس -28 غ )

وقد تبين أنه توجد مقابل كل جسيمة أولية جسيمة مضادة لها تختلف عنها بإشارة الشحنة إذا كانت هذه الجسيمات مشحونة أو بالعزم المغناطيسي والميكانيكي لكمية الحركة ( اللف الذاتي أو الـ Spin ) وتتساوى معها بالكتلة , ويتلاشى كل زوج من هذه الدقائق ( أي الجسيمة وعكسها ) عندما تصطدم إحداها بالأخرى متحولة إلى جسيمات ذات طبيعة أخرى , وتسمى هذه العملية بتلاشي الأزواج .

ونبين فيما يلي بعض الجسيمات الأولية والمعطيات التي تميزها كي نتمكن من فهم تركيب الذرة ونواتها .

1 ـ الفوتون أو " الكوانتوم " :

وهي جسيمة الحقل الكهرومغناطيسية , ويمكن اعتبارها للتوضيح قطعة من الأمواج الكهرومغناطيسية وهي متعادلة الشحنة ( شحنتها = صفر ) وميزة هذه الجسيمة " الفوتون " هو أنها لا تمتلك كتلة ساكنة = 0) m) وهذا يعني أنها تنعدم في وضع السكون , أما في وضع الحركة فإن كتلة الفوتون تتحدد بما يحمله الفوتون من الطاقة , وينشأ الفوتون عندما تنتقل الذرات أو النوى إلى حالة من الطاقة أكثر ثباتاً ( أي المستوى الأدنى من الطاقة ) كما ينشأ أيضاً عند تحول الدقائق الأولية ( أي عندما تتحول إحداها إلى أخرى ) , وقد اصطلح على تسمية الفوتونات سواء منها الناتجة عن التحولات النووية أو تحولات الدقائق الأولية ( بفوتونات غاما ) , ويرتبط تلاشي الفوتونات بحادثة امتصاصها من قبل الطبقات الإلكترونية للذرة المثارة , أو امتصاصها من قبل النواة , وكذلك الأمر إمكانية تحولها إلى إلكترونين ( أحدهما موجب والآخر سالب - e + e ) وذلك عندما يحدث تأثير متبادل بينها وبين نوى الذرات , والجدير بالذكر أن زمن حياة الفوتون لامتناهية .

2 ـ النترينو والنترينو المضاد :

وهي جسيمات متعادلة وتملك كتلاً ساكنة قريبة من الصفر ( أي أصغر من 0.0005 وحدة كتلة الإلكترون ) وتنشأ هذه الجسيمات أثناء التحولات النووية , ولها قدرة اختراق كبيرة للغاية , فهي تستطيع أن تجتاز طبقة من الحديد الصب سماكتها أكبر من المسافة بين الأرض والشمس بمليون مرة , أما سرعتها فتعتبر معادلة لسرعة الضوء , وينشأ النترينو نتيجة التفاعلات النووية المختلفة , أما السيالة الهائلة من هذه الجسيمات فينشأ نتيجة للعمليات التي تحدث في داخل النجوم وقد حسب نظرياً أن التيار أو الدفق من هذه الجسيمات الصادر عن الشمس يعادل 10 مليارات جسيمة على كل اسم 2 من الأرض في الثانية الواحدة ويحمل هذا النوع من الدقائق نحو 5 % من طاقة الإشعاع الشمسي .

3 ـ الإلكترون -e :
وهي جسيمة سالبة الشحنة ذات كتلة ساكنة تساوي واحدة الكتل الإلكترونية , وتشكل الإلكترونات الغلاف الذري وهي تنشأ من تحول الدقائق ( الجسيمات ) الأولية وكذلك عند انشطار نوى الذرات النشيطة إشعاعيا ويطلق عليها في هذه الحالة اسم دقائق بيتا , وتعتبر شحنة الإلكترون أصغر كمية معروفة من الكهرباء , ولهذا السبب فقد اتخذت هذه الشحنة في الفيزياء النووية كواحدة للشحن الكهربائية والتي ذكرت سابقاً .

4 ـ البوزيترون +e :

وهو عبارة عن إلكترون موجب ويعتبر مضاد للإلكترون السالب , وهو مستقر في الفراغ وهو على خلاف الإلكترون فهو ذو فترة حياة قصيرة في الوسط العادي ( في الهواء جزء من مليون جزء من الثانية ) , وإذا التقى بإلكترون سالب فإنه يحدث ما يسمى " بالتلاشي " ويتحولان إلى فوتونين .

5 ـ الميزون π :
الميزونات جسيمات ذات كتلة وسطية وقد عرف عدد كبير منها , بعضها موجب وبعضها سالب وبعضها الآخر معتدل الشحنة , وكلها غير مستقرة إذ تتلاشى فور تشكلها متحولة إلى غيرها من الجسيمات الأولية , ويعود الدور الأساسي في بناء النواة الذرية للميزونات بي " π " إذ تتعلق بها طبيعة القوى النووية التي تؤمن بقاء ومتانة نواة الذرة .


6 ـ البروتون P :

وهو جسيمة ثقيلة ذات شحنة موجبة وكتلة تعادل 1836وحدة كتلية إلكترونية , وهي مستقرة وتدخل في صلب تركيب النواة ويعتبر البروتون نواة أبسط ذرة معروفة هي ذرة الهيدروجين .

7 ـ الأنتي بروتون أو البروتون المضاد -P :

وهو سالب الشحنة , فترة حياته قصيرة جداً ( جزء من 500 مليون جزء من الثانية ) ويؤدي اصطدام البروتون ومضاده إلى تلاشيهما وظهور عدد كبير من الدقائق الأولية الأخرى .

8 ـ النترون n :

جسيمة معتدلة الشحنة كتلتها الساكنة تعادل كتلة البروتون ولكنها غير مستقرة في الحالة الحرة , إذ ينشطر متحولاً إلى بروتون وإلكترون ونيترينو , والعمر الوسطي للنيترون الحر هو ( 1000 ثانية ) تقريباً , وهو كالبروتون من حيث مساهمته في تركيب نواة الذرة .

9 ـ الأنتي نيترون -n :

وهو جسيم غير مستقر متعادل الشحنة كما أن تلاشيه مع النيترون يعطي دقائق أخرى متعددة .
وقد دلت الأبحاث على أن البروتونات والنيترونات ليست نقطية وإنما تملك نوى ذات نصف قطر 0.2 × 10 أس -13 سم
وغلافاً نصف قطره 1,5 × 10 أس -13 سم

وعلى ما يبدو فإن هذا الغلاف يتألف من الميزونات بي " π " وتملك نوى البروتونات والنيترونات شحنة كهربائية موجبة بينما يحمل الغلاف البروتوني شحنة موجبة في حين يملك النيترون غلافاً ذا شحنة سالبة ولهذا فهو متعادل كهربائياً وتتركز الكتلة الأساسية للذرة في هذين النوعين من الجسيمات الأولية
وفي الختام السلام
:a_plain111:

[متفيزقة مبدعة]

شكرررررررررررررررررررررررررررا لك لما قرات عنه كانت مختصرة وماوجدت موضوع فيه معلومات كثيرة مشكووووووووور اخوي يعطيك الف عافية على الموضوع
شـكــ وبارك الله فيك ـــرا لك ... لك مني أجمل تحية .

[مهند الزهراني]

موضوع جميل والصراحة معرفة تصنيفات الجسيمات الأولية يحتاج واحد مروووووووق ولو أنه جميل جدا ،،،

[bero]

بارك الله فيك


شرح واضح جدا

[ام راوين 303]

شكرررا عل الطرح الرائع....
ممكن اسم المرجع والمؤلف للضروره ..

[الحارث]

بارك الله فيك وجزاك كل الخير

[فراشة الرياضيات]

شـكــ وبارك الله فيك ـــرا لك ... لك مني أجمل تحية .