حقيقة أن العديد من أولئك الذين يدرسون طبيعة المادة العادية لأول مرة محيرون هو أن نواة أي ذرة أثقل من الهيدروجين تحتوي على البروتونات والنيوترونات ، ولكن في نفس الوقت تتحلل النيوترونات (تتحلل إلى جزيئات أخرى) في المتوسط 15 دقيقة! كيف يمكن أن تكون نوى الكربون والأكسجين والنيتروجين والسيليكون مستقرة للغاية إذا كانت النيوترونات التي تتكون منها لا يمكنها البقاء على قيد الحياة بمفردها؟
اتضح أن الإجابة على هذا السؤال بسيطة للغاية بعد أن تفهم كيف تعمل الطاقة: هذا مجرد مسك الدفاتر. لكن فهم الطاقة ليس بالأمر السهل. تحتاج أولاً إلى قراءة
مقال عن أنواع الطاقة . قبل ذلك ، تحتاج إلى قراءة
المقالة حول الطاقة والزخم والكتلة . يجب تقديم هذه المفاهيم قبل فهم الإجابة على السؤال.
إذا قرأت مقالًا حول طاقة التفاعل ، فأنت تعلم أن ذرة الهيدروجين تتكون من بروتون وإلكترون ، والتي ، بسبب طاقة الربط السلبية ، غير قادرة على الهروب من بعضها البعض - يتم قفلها داخل الذرة. تأتي طاقة الربط السلبية من طاقة التفاعل السلبي ، المتوازنة جزئيًا بالطاقة الإيجابية لحركة الإلكترون (والقليل - البروتون). تأتي طاقة التفاعل من عمل الإلكترون في مجال كهربائي بالقرب من البروتون (والعكس بالعكس).
في هذا المقال ، سأشرح سبب استقرار النيوترون في النواة الذرية التالية: الديوترون ، نواة الهيدروجين الثقيل أو الديوتيريوم. يتكون الديوترون من نيوترون واحد وبروتون واحد - من حيث المبدأ فهو بسيط ، ولا يختلف كثيرًا عن ذرة الهيدروجين مع إلكترون واحد وبروتون واحد. عند فهم سبب استقرار النيوترون في الديوترون ، سوف تفهم المبدأ الأساسي الذي يمكن من خلاله أن تكون النيوترونات مستقرة داخل جميع النوى المستقرة. الخلاصة هي: طاقة التفاعل بين البروتونات والنيوترونات سلبية ، وبالتالي فهي كبيرة جدًا ، وبالتالي ، في بعض النوى ، يؤدي انحلال النيوترون إلى زيادة في طاقة النظام (تتكون من النواة المتبقية بعد انحلالها وجميع الجسيمات المنبعثة أثناء الاضمحلال) ، والتي تنتهك قانون الحفاظ على الطاقة. بما أنه يجب الحفاظ على الطاقة ، فإن التسوس غير ممكن.
لن أصف تفاعل النيوترون مع البروتون ، لأن التفاعل القوي مسؤول عن ذلك ، وهو أكثر تعقيدًا بكثير من التفاعلات الكهربائية (والمغناطيسية) بين البروتون والإلكترون الذي يتكون من ذرة الهيدروجين. يرجع جزء من هذا التعقيد إلى الطبيعة المركبة للتفاعل - فهو يشبه إلى حد ما التفاعل الكهرومغناطيسي الذي يمكن أن يربط ذرتين هيدروجين في جزيء هيدروجين ، على الرغم من أن كلا الذرتين محايدة كهربائيًا. ولكن هذا القياس لا يغطي بعض التفاصيل المهمة. الفيزياء النووية قضية منفصلة.
التين. 1لحسن الحظ ، لسنا بحاجة إلى هذه الصعوبات. نحتاج إلى معرفة أن هذه القوى تخلق طاقة تفاعل سلبية لنظام من البروتون والنيوترون والمجالات المعقدة المختلفة ، مما يسمح لها بالتأثير على بعضها البعض. والنتيجة هي ديوترون مستقر. مثلما لا تستطيع ذرة الهيدروجين أن تتحلل فجأة إلى إلكترون وبروتون ، لا يمكن أن يتحلل الديوترون فجأة إلى نيوترون وبروتون.
هذا لا يعني أنه لا يمكن تدمير ديوترون أو ذرة هيدروجين. يمكنك "تأين" ذرة الهيدروجين (ضرب إلكترون في بروتون) إذا قمت بإضافة طاقة خارجية - على سبيل المثال ، في شكل فوتون نشط إلى حد ما. يمكن استخدام نفس الطريقة لتفتيت الديوتريوم وإخراج النيوترون من البروتون. ولكن يجب الحصول على الطاقة اللازمة لذلك خارج النظام. لن يتحلل الهيدروجين ولا الديوترون بمفردهما.
يمكن أن يتحلل النيوترون
دعونا نتذكر الشرط الضروري (ولكن ليس الكافي) لتحلل جسم - يجب أن تتجاوز كتلة الجسم الأولي مجموع كتل الأشياء التي يتحلل فيها. من أين تأتي هذه الحالة؟ من قانون الحفاظ على الطاقة. قريبا سنرى كيف ولماذا (كالعادة أعني بالكتلة "كتلة السلام").
التين. 2دعونا نتحقق من أن هذا الشرط مستوفى للنيوترون ، والذي يمكن أن يتحلل إلى بروتون وإلكترون ومضاد لنترينو الإلكترون. يظهر الاضمحلال في الشكل 2 ؛ يتحول النيوترون تلقائيًا إلى هذه الجسيمات الثلاثة. النيوترون والبروتون في الواقع أكبر من الإلكترون ومضاد النيوترينو - على الرغم من أن الصورة لا تزال غير مرسومة. يبلغ قطر النيوترون أو البروتون حوالي مليار من تريليون جزء من المتر (100،000 مرة أصغر من الذرة) ، وعن قطر الإلكترون أو النيوترينو من المعروف أنه أصغر 1000 مرة على الأقل من هذا.
في الشكل. 3 يصور محاسبة الطاقة (انظر الشكل 1). قبل اضمحلال النيوترون ، تكون طاقة النظام بأكمله مساوية لطاقة الكتلة (E = mc
2 ) للنيوترون. كتلة النيوترون هي 0.939565 ... GeV / c
2 .
يشير القطع الناقص إلى أن هذه ليست قيمة دقيقة ، ولكن حتى الآن لا نحتاج إلى مزيد من الدقة. وبالتالي ، طاقة الكتلة النيوترونية
0.939565 ... جيف / ج
2بعد انحلال النيوترون ، ماذا ستكون طاقة النظام بأكمله؟ نظرًا لأن الطاقة محفوظة ، ولكن لم يتم توفير أي طاقة من الخارج ، فإن طاقة النظام ستكون مساوية لنفس الطاقة - 0.939565 ... GeV!
ولكن كيف يتم توزيعها؟
أولاً ، لن يكون لدينا طاقة التفاعل. هذا ليس واضحًا ، ولكنه مهم جدًا. عندما يتطاير البروتون والإلكترون ومضاد النيترينو ، تصبح طاقة تفاعلهم ضئيلة.
ثانيًا ، لكل من الجسيمات طاقة الكتلة. كم هو هناك؟
• الطاقة الكلية للبروتون هي 0.938272 ... GeV.
• طاقة كتلة الإلكترون 0.000511 ... جي في.
• يمكن إهمال طاقة الكتلة المضادة للنترينو ، فهي صغيرة جدًا.
وهذا أمر جيد ، لأن كتلة النيوترينو ليست معروفة لنا بعد. نحن نعلم أنها أقل بكثير من 0.000001 GeV.
طاقة الكتلة الناتجة تساوي
(0.938272 ... + 0.000511 ... + 0.000000 ...) قيمة جغرافية = 0.938783 ... قيمة جغرافية
وهو أقل من طاقة الكتلة للنيوترون التي بدأنا بها ، ب 0.000782 ... GeV. حتى الآن ، لا نرى كيف يتم الحفاظ عليه. لم تتحول طاقة كتلة النيوترون بالكامل إلى طاقة كتلة بروتون وإلكترون ونيوترينو. الطاقة الزائدة في الشكل. تظهر 3 باللون الأصفر.
التين. 3يمكن تعويض الفارق بطاقة الحركة. إنها إيجابية دائمًا. نحتاج فقط إلى توزيع 0.000782 إضافية ... GeV بين حركات الجسيمات حتى يتم الحفاظ على زخم النظام (صدقوني ، هذا ممكن). ثم يتم توفير الطاقة ، حيث تحولت طاقة كتلة النيوترون إلى طاقة الكتلة وطاقة حركة البروتون والإلكترون والنيوترينو.
لم أشر إلى الكمية الدقيقة من طاقة الحركة التي طردها البروتون والإلكترون والنيوترينو ، لأنه في كل حالة من حالات انحلال النيوترون ، سيتم توزيع الطاقة بطرق مختلفة ، بشكل عشوائي فقط (مثل ميكانيكا الكم). فقط الطاقة الكلية للحركة ستكون هي نفسها دائمًا ، 0.000782 ... GeV.
Deuteron مستقر
العودة إلى الديوترون. تتكون الطاقة الإجمالية لديوترون ، مثل طاقة ذرة الهيدروجين ، من الطاقة الإيجابية لكتلة مكونيه (البروتون والنيوترون) ، والطاقة الإيجابية لحركة المكونين ، وطاقة التفاعل السلبي ، أكثر من تغطية طاقة الحركة. علاوة على ذلك ، بالنسبة لأي جسيم أو نظام ، فإن كتلة الديوتيرون ستكون مساوية لطاقتها الإجمالية (بشكل أكثر دقة ، إجمالي الطاقة التي تقيسها عندما لا تتحرك بالنسبة لك) ، مقسومة على c
2 ، مربع سرعة الضوء. وفقًا لذلك ، إذا كان الديوترون يستريح بالنسبة لك ، بناءً على كتلته المقاسة التي تساوي 1.875612 ... GeV / s
2 ، يمكننا القول أن طاقته
طاقة الكتلة من الديوترون = 1.875612 ... GeV =
• طاقة كتلة البروتون + طاقة كتلة النيوترون ،
• طاقة حركة البروتون + طاقة حركة النيوترون ،
• طاقة التفاعل (سلبية ، وأكثر قوة من طاقة الحركة).
<طاقة كتلة البروتون + طاقة كتلة النيوترون
= 0.938272 ... GeV + 0.939565 ... GeV = 1.877837 ... GeV
لذلك ، فإن طاقة ربط الديوترون
1.875612 ... GeV - 1.877837 ... GeV = -0.002225 ... GeV
التين. 4تعني طاقة الربط السلبية ، كما هو الحال في ذرة الهيدروجين ، أن الديوترون لا يمكن أن ينهار ببساطة إلى نيوترون وبروتون ، كما هو موضح في الشكل. 4. هذا من شأنه أن ينتهك الحفاظ على الطاقة ، والتي تنص على أن الجسيمات المتحللة يجب أن تكون أكبر من الجسيمات التي تتحلل فيها. كما هو مبين في الشكل. 5 ، لا يمكنك توفير الطاقة بأي شكل من الأشكال. النيوترون والبروتون لديهما طاقة كتلة أكبر من الديوترون ، ولا يوجد مصدر للطاقة السلبية التي يمكن أن تمتص نقص الطاقة ، حيث لا توجد طاقة تفاعلية بين البروتون المنفصل البعيد والنيوترون ، ولا توجد طاقة سلبية للحركة. هذا يعني أن العملية في الشكل. 4 لا يمكن أن يحدث.
التين. 5
النيوترون الموجود داخل الديوترون لا يمكن أن يتحلل
بقيت خطوة واحدة ، وهي بالمقارنة مع الخطوات السابقة بسيطة للغاية. السؤال هو: لماذا لا يمكن أن يتحلل النيوترون داخل الديوترون؟
دعنا نقول أنها انفصلت: ما الذي تبقى؟ ثم سيكون لدينا بروتونان ، إلكترون ومضاد للنترينو ؛ انظر الصورة 6. يتنافر بروتونان - لديهما شحنة كهربائية إيجابية ، والقوة الكهربائية تدفعهما بعيدًا. إن التفاعل النووي القوي ، الذي يحاول جمعهما معًا ، ليس قويًا مثل تفاعل النيوترون مع البروتون ، وسيكون التأثير المشترك للقوتين موحدين. ونتيجة لذلك ، فإن هذا التفاعل سيصد البروتونات. وفي الوقت نفسه ، سيغادر الإلكترون ومضاد النيترينو المشهد أيضًا.
التين. 6عندما تكون جميع الجسيمات الأربعة متباعدة جدًا (كما هو موضح تقريبًا في الشكل 6 ، ولكن تخيل أنها مشتتة أكثر) ، لن يكون هناك طاقة تفاعل كبيرة بينهما. سوف تتكون طاقة النظام فقط من مجموع طاقات كتل الجسيمات وطاقات الحركة. نظرًا لأن طاقة الحركة إيجابية دائمًا ، فإن الحد الأدنى من الطاقة التي يمكن أن تمتلكها الجسيمات سيكون مساوياً لمجموع طاقات كتلتها. لكن هذه الطاقة أكبر من طاقة كتلة الديوترون (الشكل 7)! حتى طاقة الكتلة من بروتونين ، 1.876544 ... GeV أكبر بالفعل من طاقة الكتلة من الديوترون. و 0.000511 جيف إضافي يصب الملح فقط على الجرح.
لذلك ، لا يستطيع النيوترون الموجود داخل الديوترون أن يتحلل ؛ طاقة التفاعل التي تحمل الديوترون تسحب كتلته إلى أسفل - منخفضة بما يكفي لتحلل النيوترون داخل الديوترون لانتهاك الحفاظ على الطاقة!
التين. 7نوى ذرية أخرى
وهذا هو الحال مع جميع النوى المستقرة في الطبيعة. لكن لا تظن أنه كلما جمعت بين النيوترونات والبروتونات ، تكون النتيجة نواة مستقرة! النوى المستقرة نادرة للغاية.
إذا كنت تأخذ Z البروتونات والنيوترونات N وتحاول صنع نواة منها ، فلن تنجح بالنسبة لمعظم المتغيرات Z و N. سوف تتحلل معظم هذه النوى على الفور ، ولن تتشكل على الإطلاق. من الناحية التقريبية ، تكون القوة الجذابة بين البروتونات Z والنيوترونات N أقوى عندما تكون Z تساوي تقريبًا N. من ناحية أخرى ، يتم طرد البروتونات من بعضها البعض بسبب التفاعل الكهرومغناطيسي. تزداد هذه القوة مع زيادة Z. تشير المنافسة بين هذين المؤثرين إلى أنه من المحتمل أن يكون القلب مستقرًا عندما تكون Z أقل قليلاً من N ؛ وكلما زاد Z و N ، كلما زاد الفرق بين Z و N. ، ويمكن رؤية ذلك في الشكل. 8. النوى فقط المعلمة باللون الأسود مستقرة. إنهم موجودون فيما يسمى شعريا "وادي الاستقرار".
وأي نوع من النوى يشار إليه باللون؟ اتضح أن هناك عددًا قليلًا جدًا من النوى التي لا تزال تتحلل ، ولكنها يمكن أن تعيش لبعض الوقت. غالبًا ما نطلق على هذه الأشياء "غير مستقرة" ، وتلك التي تعيش لفترة كافية "قابلة للتغيير". يعتمد استخدام الكلمات على السياق. يعيش النيوترون 15 دقيقة. هناك نواة تعيش لبضعة ميلي ثانية ، وأيام ، وعقود ، وآلاف السنين ، وحتى مليارات السنين. نسمي هذه النوى المشعة. هذه هي العواقب الخطيرة للحالات التي تنطوي على إشعاع أو أسلحة ، والأدوات المستخدمة في أجهزة كشف الدخان ومحاربة السرطان ، من بين أمور أخرى.
هناك مجموعة من الطرق التي يمكن أن تتحلل بها هذه النوى ، ولكن بعضها يتحلل ، مما يحول النيوترون إلى بروتون داخل النواة. نحن نعرف ذلك من خلال زيادة شحنة النواة وحقيقة أن الإلكترون يطير منها إلى جانب مضاد النوترينو. يمكن للآخرين حتى الاضمحلال ، وتحويل البروتون إلى نيوترون! نحن نعرف ذلك لأن شحنة النواة تتناقص ، ويخرج منها بوزيترون (مضاد للإلكترون). تشارك الفيزياء النووية المعقدة للغاية في حساب مقدار النواة التي يمكن أن تعيش وكيف ستتعفن - هنا لن أعطي دورة في ذلك (وأنا لست خبيرًا).
التين. 8يكفي أن نقول أن الطاقة السلبية لتفاعل الجسيمات ، جنبًا إلى جنب مع الحفاظ على الطاقة ، يمكن أن تغير اللعبة بأكملها ، مما يجعل عمليات معينة مستحيلة ممكنة في الظروف العادية - والعكس صحيح.