نواة ذرية

مصادر الطاقة النظائرية المشعة التي تعمل باضمحلال ألفا للبلوتونيوم-238، ظلت لأكثر من ستين عامًا تغذي أجهزة تنظيم ضربات القلب والمركبات الفضائية. ومع ذلك، فإن المواد الخام لها شحيحة للغاية: الإنتاج العالمي للبلوتونيوم-238 يبلغ بضعة كيلوغرامات فقط في السنة، وهو ما يكفي بالكاد لتغطية احتياجات المهام الرئيسية.

نواة الذرة ليست كيسًا عشوائيًا من البروتونات والنيوترونات، بل نظام كمومي منتظم. وكما هو الحال مع الإلكترونات في الذرة، تملأ النيوكليونات أغمادًا من الطاقة. عندما يكون الغلاف ممتلئًا تمامًا، تكتسب النواة استقرارًا متزايدًا، ويُطلق على العدد المقابل من الجسيمات اسم «الرقم السحري». بالنسبة للكالسيوم الذي يحتوي على 20 بروتونًا، فإن الأرقام السحرية الكلاسيكية للنيوترونات هي 20 و28.

ليست النواة الذرية دائمًا متناظرة كرويًا تمامًا، مثل كرة البلياردو. بعض النوى تستطيل وتتخذ شكل كرة الرجبي — وهذا هو التشوه الرباعي القطب (quadrupole deformation)، الذي يعكس عدم كروية من الدرجة الثانية. أما البعض الآخر فيصبح مشابهًا للكمثرى: أحد طرفي النواة أسمك بشكل ملحوظ من الطرف الآخر. هذا التشوه الثماني القطب (octupole deformation) أو الكمثرى — ظاهرة نادرة وذات أهمية أساسية.

الإلكترون الزائد في الجزيء يشبه راكبًا يتشبث بالباب الخارجي لقطارٍ مُقلع. هذا «الراكب» يحوّل الجسيم إلى أنيون — أيون سالب الشحنة. ومن الصعب دراسته: الرابطة ضعيفة، والسحابة الإلكترونية مشوشة، وأي صدمة قد تزيح الإلكترون بعيدًا.

في الفيزياء النووية، ظلّ لغزٌ يحير العلماء طويلاً: لماذا من بين العناصر الأخف من البزموت، لا يملك سوى التكنيشيوم (رقم 43) والبروميثيوم (رقم 61) أي نظير مستقر — وهو نوع من الذرة يحتوي على نفس عدد البروتونات ولكن عدد مختلف من النيوترونات؟ جميع جيرانهما في الجدول الدوري يمكن أن يفتخروا بنوع واحد على الأقل طويل العمر، بينما يبدو هذان العنصران وكأنهما يخرجان عن القاعدة العامة.

في مركز كل ذرة توجد نواة — كرة كثيفة من البروتونات والنيوترونات. هذه الجسيمات لا تتزاحم عشوائيًا، بل تملأ مستويات طاقة صارمة تشبه طوابق ناطحة سحاب. عندما يمتلئ طابق معين بالكامل، تصبح النواة مستقرة بشكل خاص — يسمي الفيزيائيون هذا العدد السحري. أثقل هذه الأعداد في النوى المستقرة هو 126 نيوترونًا.

النواة الذرية ليست مجرد كرة من البروتونات والنيوترونات. لها شكل، وهذا الشكل يمكن أن يتغير. نواة القصدير-116 اعتُبرت لفترة طويلة شبه كروية مثالية: فهي تحتوي على 50 بروتونًا — عدد "سحري" يمنح النواة عادةً تناظرًا كرويًا. لكن قياسًا جديدًا فائق الدقة أظهر خلاف ذلك. طبق الفيزيائيون طريقة الإثارة الكولومبية. تم تسريع حزمة من نوى القصدير-116 وتوجيهها نحو هدف، مما أجبر النوى على "الاهتزاز" تحت تأثير المجال الكهربائي.

تخيل بندولين معلقين على خيط مشترك: ادفع أحدهما، وسيبدأ الآخر بالتأرجح، وبعد لحظة يتلقى الأول دفعة استجابة. في ذرة الثوريوم-229 يحدث شيء مشابه: الطاقة تنتقل بين الغلاف الإلكتروني والنواة تقريبًا دون فقدان.

في الفيزياء النووية، ساد إعتقاد طويل بأن نيوترونين لا يمكن أن يشكلا حالة مرتبطة - فجاذبيتهما أضعف من أن تبقيهما معاً، فينفرطان فوراً. لكن على أسطح الأنوية الغنية بالنيوترونات، حيث تنخفض كثافة المادة إلى أجزاء من الألف من الكثافة النووية العادية، يتغير المشهد جذرياً. هنا يؤدي النيوترونان رقصة كوانتية لم تُرَ من قبل، ليشكلا ثنائياً متراصاً هو الداي نيوترون.

نادرًا ما تكون النواة الذرّية كرة مثالية. غالبًا ما تشبه كرةً مُنبعجة قليلًا — فالشحنة الكهربائية داخل النواة موزّعة بشكل غير متساوٍ، وقد تنزاح البروتونات قليلًا مكوّنة انتفاخًا صغيرًا «على شكل كمّثرى». وهذا هو عزم شيف — بصمةٌ مراوغةٌ لقوى تتجاوز حدود النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات.

أدق بندول في العالم ليس قضيبًا فولاذيًا، بل نواة ذرية صغيرة. لنظير الثوريوم-229 حالة مثارة خاصة: لتحويل النواة إليها، نحتاج طاقة قليلة جدًا — تقريبًا مثل طاقة ليزر فوق بنفسجي. هذا أشبه بهزّ ثريا ثقيلة ليس برافعة، بل بنقرة خفيفة من الإصبع.

بندول لا يكاد أي شيء أن يزيحه عن مساره، لا يخاف لا من الاهتزاز ولا من الحرارة ولا من المجالات المغناطيسية — لأنه مخبأ في صميم الذرة. هذا البندول بالتحديد هو ما استخدمه الفيزيائيون عندما شغّلوا لأول مرة ساعة نووية. في السابق، كانت أفضل الساعات — البصرية — تعمل على انتقالات الإلكترونات. لكن الإلكترونات تعيش على أطراف الذرة، مثل فراشات في مهب الريح: أي تأثير خارجي يزعجها.

النجم النيوتروني هو عدسة جاذبية تتركز فيها محاولاتنا لرؤية المادة المظلمة. عبر مادته فائقة الكثافة، كما لو كنا ننظر عبر زجاج غريب، نبحث عن الأكسيون - ذلك الجسيم المراوغ القادر على تفسير الكتلة الخفية للكون.

أكثر الساعات الحديثة دقة تحسب الوقت من خلال تذبذبات الإلكترونات في الذرات. لكن حركتها يمكن أن تتأثر — كما يتأثر نابض الساعة الميكانيكية بالاهتزاز. وجد الفيزيائيون بندولاً أكثر موثوقية: نواة الذرة. أخذوا نواة الثوريوم-229، ووضعوها في بلورة، وجعلوها تتذبذب بتسليط ليزر بتردد محدد بدقة.

نواة الذرة تشبه نابضًا طبيعيًا ذا قوة هائلة. عندما تعيد البروتونات والنيوترونات داخلها ترتيب نفسها، تنتقل النواة إلى حالة خاصة طويلة الأمد تُسمى أيزومر نووي. فيه تُختزن الطاقة كما لو أن النابض مضغوط إلى أقصى حد. ولإعداد هذه الآلية، تُضرب النواة بنبضة فائقة القصر من ليزر الأشعة السينية، مع ضبط الضربة بدقة لتكون في رنين.

للوهلة الأولى، النواة الذرية تشبه شقة مزدحمة يسكن فيها البروتونات والنيوترونات (ويُطلق عليهما معًا اسم النيوكليونات) وفق قواعد صارمة. كل واحد يشغل مداره الخاص، مثل الإلكترونات في الذرة، وفي المتوسط يبدو كل شيء منظمًا.

قدرٌ يغلي بحساءٍ فوار، وتريد أن تعرف مدى سخونة القطرات الفردية داخله. لكن لا يمكن غمس مقياس الحرارة إلا من الحافة، حيث لا يكون الغليان عنيفًا. هكذا تقريبًا هي الحال مع الاندماج النووي بالليزر: نبضة ليزر قوية تضرب هدفًا، مولدةً سحابةً من البروتونات السريعة. لا يمكن التقاطها للقياس إلا من الخارج، عندما تخرج وقد فقدت جزءًا من طاقتها. وجد مؤلفو الدراسة الجديدة طريقة للنظر إلى داخل «القِدر».

نواة الذرة ليست كرة مصمتة، بل سربًا كثيفًا من جسيمات متناهية الصغر تُدعى الكواركات، مترابطة بمادة لاصقة خاصة (التفاعل القوي). في النوى الخفيفة، مثل الكالسيوم، يكون هذا السرب بسيطًا: عدد نوعي الكواركات — العلوي والسفلي — شبه متساوٍ، تمامًا كتساوي عدد المفاتيح البيضاء والسوداء في الأوكتاف.

تشبه النواة الذرية قطرة ذات غلاف رقيق — جلد نيوتروني. داخل القطرة، يتوزع البروتونات والنيوترونات بالتساوي، بينما يتجمع على السطح الخارجي، مثل رغوة الحليب، طبقة يكون فيها النيوترونات أكثر بشكل ملحوظ. سماكة هذه الرغوة — أجزاء من عُشر الفيمتومتر (أي أصغر بمليون مرة من حجم الذرة نفسها) — تختلف من نواة إلى أخرى وتعتمد على مدى قوة تنافر النيوترونات فيما بينها.

القشرة الخارجية للنجم النيوتروني النجم النيوتروني تشبه كعكة ذات طبقات، حيث كل طبقة هي نوع محدد بدقة من الحشوة. إنها شبكة بلورية من النوى الذرية مغموسة في بحر من الإلكترونات. كلما تعمقنا، زاد الضغط — وأثقل النوى التي يمكن أن توجد هناك دون أن تتفكك.

ضوء ملتوي في اتجاه واحد يسقط على بروتون. يمكن للجسيم أن يمتص الفوتون أو يبعده — وهذا يعتمد على اتجاه سبينه، ذلك القمة الدوارة الداخلية الصغيرة. في تجربة على مسرع MAMI في ماينتس، اصطدم شعاع من الفوتونات المستقطبة بأهداف من بروتونات وديوترونات مستقطبة (أنوية الهيدروجين الثقيل).

إذا كانت نواة الذرة بمثابة عائلة، فإن منزل الهيليوم العادي يضم بروتونين ونيوترونين يتكاتفون بقوة. تخيل الآن أن أحد أفراد العائلة غريب الأطوار يحب التجول بعيدًا عن المنزل. هذا هو شكل هايبرتريتون بالضبط: في المركز زوج عادي (بروتون ونيوترون)، وحوله على مسافة كبيرة يتجول هايبرون — جسيم يحوي كواركًا غريبًا في داخله.

النواة الذرية العادية تشبه كرة مشدودة: البروتونات والنيوترونات متراصة معًا بإحكام. لكن في بعض النوى الخفيفة، مثل الهيليوم-6، الأمر مختلف. يبدو أن نيوترونين يبتعدان جانبًا ويشكلان حول النواة سحابة مخلخلة تُسمى الهالة. هذه السحابة فضفاضة لدرجة أن النواة تصبح أكبر بعدة مرات مما ينبغي وفقًا لعدد الجسيمات. لوصف هذه النوى، ابتكر العلماء نهجًا حسابيًا جديدًا.

ليزر يضرب ذرة سترونشيوم، فيخرج منها إلكترونان في نفس اللحظة. كان يُعتقد سابقًا أنه في مثل هذا التأين المزدوج، يتصرف كل إلكترون بمفرده: يُقذف الأول أولاً، ثم الثاني لاحقًا، بشكل عشوائي. التجربة الجديدة مع الذرات الباردة أظهرت العكس: الإلكترونان يغادران الذرة بشكل منسق، مثل زوج من الراقصين ممسكين بأيدي بعضهما.

نواة الذرة ليست دائمًا كروية. قد تستطيل مثل ثمرة البطيخ، أو تتسطح مثل قرع اليقطين. ويعتمد حجمها على شكلها — كما يعتمد حجم الفطيرة على شكل العجين. حسب العلماء شكل وحجم نوى نظائر البيركيليوم — وهو عنصر ثقيل يُنتج في المفاعلات النووية. اتضح أن النوى المسطّحة أكبر من النوى المستطيلة عند نفس درجة التشوه.

تعيش النواة الذرية عادة وفق قوانينها الخاصة: فاضمحلالها لا يعتمد على درجة الحرارة أو الضغط أو الجيران في الجزيء. لكن نظير اليورانيوم-235m يشكل استثناءً مذهلاً. هذه النواة في حالة مثارة، مثل نابض مشدود بإحكام، وتطلق الطاقة الزائدة عاجلاً أم آجلاً. عادةً ما تسير هذه العمليات بسرعة ثابتة، لكن هنا تتدخل البيئة الكيميائية في الساعة النووية.

في مصادم الهادرونات الكبير، لا تُصطدم البروتونات فحسب، بل أيضًا نوى الذرات كاملة. عند اصطدام نواتين بسرعة هائلة، ينشأ حجم ضئيل من مادة فائقة الحرارة — ساخنة لدرجة أن البروتونات والنيوترونات فيها تذوب وتتحول إلى «حساء» من الكواركات والغلوونات. وعبر هذا الحساء، كما لو كان وسطًا كثيفًا، تشق الجسيمات السريعة طريقها.

قبل ذلك بوقت طويل، فريتز زفيكي توقع أنه بعد انفجار مستعر أعظم يولد نجم صغير جدًا نجم نيوتروني. بعد سنوات، التقطت جوسلين بيل بورنيل نبضاته، مكتشفةً النجوم النابضة.

النجم النيوتروني هو بقايا فائقة الكثافة لانفجار مستعر أعظم، تنبأ بوجوده فريتز زفيكي في ثلاثينيات القرن الماضي. لاحقاً، اكتشفتهم جوسلين بيل بورنيل على هيئة نجوم نابضة — مصادر دوارة لإشارات راديوية دورية صارمة.

الميون (muon) يشبه الإلكترون، لكنه أثقل منه بحوالي 200 مرة. عندما يتوقف داخل قطعة من السيليكون، ينجذب إلى النواة الذرية كما ينجذب المسمار إلى المغناطيس. تكتسب النواة طاقة إضافية وتبدأ في "الغليان": فتنبعث منها جسيمات مختلفة — بروتونات وديوترونات وتريتونات وجسيمات ألفا. يشبه ذلك قدرًا من الماء المغلي تتصاعد منه فقاعات البخار، لكن بدل البخار، تكون الشظايا النووية.

النيوترينوات هي أكثر الجسيمات المعروفة صعوبة في الإمساك. كل ثانية، تمر تريليونات النيوترينوات القادمة من الشمس عبر جسمك، لكنك لا تلاحظ ذلك: فهي بالكاد تتفاعل مع المادة. لالتقاط ولو واحد منها، يبني الفيزيائيون كواشف ضخمة — أحواضًا من الماء أو الأرجون السائل في أعماق الأرض. عندما يصطدم نيوترينو بنواة ذرة، فإنه يقتلع منها جسيمًا، ومن أثر هذا الجسيم يمكن فهم ما حدث.

في مركز العديد من المجرات يختبئ ثقب أسود — جسم تنبأت به حلول معادلات كارل شفارتسشيلد. حوله تمتد هالة محمّاة — منطقة من البلازما المتخلخلة المسخّنة إلى مليارات الدرجات. قياسًا على الهالة الشمسية، لكنها أكثر حرارة وكثافة بشكل لا يُقاس، وهي بمثابة مسرّع طبيعي للجسيمات.

مثل المتسابقين في سباق طويل، تتسابق نوى الذرات - من الهيليوم الخفيف إلى الحديد الثقيل - عبر المجرة بأكملها نحو الأرض. عند خط النهاية، في الكاشف الموجود على منطاد على ارتفاع عالٍ، نرى أن النوى الثقيلة تصل أكثر إرهاقًا قليلًا من النوى الخفيفة. الفرق صغير، لكنه يتكرر من رحلة إلى أخرى.

عالياً فوق الأرض يحلّق قمر صناعي، وبداخله جهاز بحجم خزانة صغيرة. يلتقط جسيمات ظلت تندفع عبر المجرة لمليارات السنين حتى اصطدمت أخيرًا بالكاشف. تُسمى هذه الجسيمات بالأشعة الكونية، وهي تحمل إلينا أخبارًا عن انفجارات نجوم بعيدة. جهاز NUCLEON على القمر الصناعي «ريسورس-بي» ظل ستة أشهر يجمع هذه «الرسائل من الفضاء».

ارتفع بالون ATIC فوق القارة القطبية الجنوبية والتقط جسيمات أقدم من الأرض نفسها. من بينها نوى ذرية من الكبريت إلى الكروم، وكلما زادت طاقتها، زادت نسبتها مقارنة بالحديد. النموذج القياسي "الصندوق المثقوب" توقع العكس: كان يجب أن تذوب النوى الثقيلة مثل الملح في الماء. لكن البيانات أصرت على الارتفاع.

في تدفق الجسيمات المشحونة القادمة إلينا من أعماق المجرة، تبين أن الحديد هو الخروف الأسود. جهاز ATIC-2، الذي رُفع على منطاد فوق القارة القطبية الجنوبية، قارن كيف تتغير نسبة النوى من الكبريت إلى الكروم بالنسبة للحديد مع تغير الطاقة.

عالياً فوق الغطاء الجليدي لأنتاركتيكا، ظل بالون يحمل كاشفًا معلقًا لمدة عشرين يومًا. كان يلتقط جسيمات صغيرة جدًا، ظلت تحلق نحونا لملايين السنين قادمة من انفجارات نجمية بعيدة. الآن، فك العلماء حمولته وأخبرونا عن الطاقة التي حملتها البروتونات ونوى العناصر المختلفة. اتضح أن الجسيمات ليست كلها متشابهة.