تويت
الكترون (مضاد)
Antielectron - Antiélectron
الإلكترون (مضاد ـ(
مضاد الإلكترون antielectron يسمى بوزيترون positron، وهو جسيم كتلته السكونية تعادل كتلة الإلكترون السكونية m وشحنته الكهربائية مكافئة لشحنة الإلكترون e- بالقيمة المطلقة لكنها تختلف عنها بأنها موجبة، وللبوزيترون «سبين spin» يساوي «سبين» الإلكترون (ħ/2) حيث ħ يمثل ثابت بلانك مقسوماً على 2π. ويسمي بعضهم «السبين» الاندفاع الزاوي الذاتي.
مبدأ التناظر في المادة
تنبأ العالم الرياضي البريطاني بول ديراك[ر] Paul Dirac عام 1931 بوجود مضاد الإلكترون نظرياً قبل التحقق من وجوده مخبرياً. وذلك عند كتابته معادلة رياضية للإلكترونات تعتمد في آن واحد على النظرية الكمومية quantique، التي تنص على (أن كل جسيم ترافقه موجة يتناسب ترددها طرداً مع طاقة الجسيم)، وعلى النظرية النسبية الخاصة لأينشتاين[ر] Einstein التي تطبق في العادة على الجسيمات التي سرعتها قريبة من سرعة الضوء. كان هدف ديراك تعميم معادلة الكم للإلكترون ليمكن تطبيقها على الإلكترونات السريعة جداً التي سرعتها قريبة من سرعة الضوء. وحصل بالفعل على معادلة مهمة هي معادلة كمومية من جهة ومعادلة تعتمد على النظرية النسبية من جهة أخرى، وتوضح بدقة عالية طبيعة الإلكترون وحركته، وتفسِّر جميع القياسات التجريبية الدقيقة.
عانت معادلة ديراك في البداية صعوبة كبيرة في تعليل أحد حلّيها، لأن لها حلين رياضيين متناظرين تماماً، يوضح الحل الأول سلوك الإلكترون المألوف ذي الشحنة السالبة في حين يوضح الحل الرياضي الثاني للمعادلة طبيعة جسيم غريب غير معروف آنذاك كتلته مساوية لكتلة الإلكترون لكن شحنته موجبة وليست سالبة، أي «مضاد الإلكترون»، وكان هذا المفهوم غريباً آنذاك وغير مقبول. وفي أقل من عام وفي أثناء قيام العالم الأمريكي كارل أندرسون Carl Anderson بدراسة الأشعة الكونية عن طريق فِلم كاشف للجسيمات المنطلقة في الأشعة الكونية وجد بصمة جسيم مجهول. ومن دراسة منحني حركة هذا الجسيم في الحقل المغنطيسي للكاشف تأكد لأندرسون أن شحنة هذا الجسيم موجبة وكتلته مساوية لكتلة الإلكترون المألوف. أي إنه اكتشف بصمة جسيم آتٍ من الفضاء يكافئ تماماً ما تنبأ به ديراك نظرياً في معادلته الشهيرة، وهو مضاد الإلكترون المسمى بوزيترون positron. وبذلك حققت معادلة ديراك أول خطوة باتجاه نظرية التناظر الفائق في المادة، التي تتنبأ بأن لكل جسيم معروف شريكاً فائق التناظر spartner.
وقد وجد أن البوزيترون جسيم مستقر في الفراغ يفنى (ينعدم) عند مصادمته المادة والتقائه أحد إلكترونات الذرات، وأن التقاء البوزيترون الإلكترون يسبب فناء الجسيمين ويولد طاقة كهرمغنطيسية في صورة أشعة غاما، ويتحول كامل كتلتي الإلكترون والبوزيترون إلى طاقة وفق معادلة أينشتاين
e++e-=2g وتساوي الطاقة الإجمالية المنطلقة ما يكافئ كتلتي الجسيمين من الطاقة أي E=2mc2 وهي من رتبة المليون إلكترون فولت ويمكن أن تحدث العملية بالعكس. أي أن يتولد من فوتونات غاما العالية الطاقة أزواج من الإلكترون والبوزيترون عندما تمر قرب نوى عناصر ثقيلة مثلاً.
تعميم مبدأ التناظر على جميع الجسيمات
بتعميم معادلة ديراك وبالاعتماد على نظرية الكم والنظرية النسبية معاً تبين أن للمادة «صورة فائقة التناظر» أي أن لكل جسيم جسيماً مضاداً مكافئاً له بالكتلة لكنه مضاد له بالشحنة charge. وتعميم نظرية ديراك لا يحدد فقط مفهوم الشحنة الكهربائية المعاكسة للجسيم التي تعرِّف حركته وتحددها تجاه القوى الكهرمغنطيسية، بل توضح مفهوم الشحنات الأخرى للجسيم وهي الإيزوسبين isospin وشحنة اللون charge couleur والشحنة العالية hyper charge التي تحدد حركة الجسيم ضمن قوى التجاذب الأخرى المؤثرة في ذرات المادة. ومع أن النترون ليس له شحنة كهربائية فإن له نتروناً مضاداً عزمه المغنطيسي مقابل للعزم المغنطيسي للنترون. والعزم المغنطيسي متناسب مع السبين.
ولقد تم التثبت من صحة مبدأ التناظر الفائق في الكون بالبرهان على وجود جسيمات مضادة لكل جسيمات المادة.
تصنيع مضاد الإلكترون والجسيمات المضادة وحفظها مخبرياً
يتم تصنيع مضاد الإلكترون والجسيمات المضادة باعتماد أسلوب اصطدام الجسيمات بسرعات عالية جداً. ولقد صُمِّمَ عدد من «المصادمات» الخاصة بالإلكترون والبوزيترون أشهرها «المصادم» الإلكتروني ـ البوزيتروني LEP الذي يبلغ طوله 27كم التابع للمركز الأوربي لبحوث فيزياء الجسيمات الموجود في مدينة جنيف (سويسرة). وبسبب تناظر الشحنة بين المادة ومضادها يمكن اختصار عدد المسرعات الكهربائية وعدد الموجهات المغنطيسية إلى النصف في كل مصادم وبتصميمه على شكل حلقة مغلقة تدور فيها حزمتا الإلكترونات والبوزيترونات ضمن حقل كهربائي واحد وحقل مغنطيسي واحد، وفي مجرى واحد، لكن كل حزمة منهما تدور بعكس الثانية.
وباعتماد أسلوب مشابه لتصنيع مضاد الإلكترون قام العالم الهولندي سيمون فاندر ميير Simon Vander Meer عام 1975 بتصنيع حزمة من مضاد البروتون. إذ حوَّل مسرِّعاً سكلوترنياً cyclotron تابعاً للمركز الأوربي إلى مصادم بروتون ـ مضاد بروتون. وفي هذا المصادم وبوساطة تلك المصادمات اكتشف العالم كارلو روبيا Carlo Rubbia عام 1983 الجسيمات Z وW المميزة للقوى النووية الضعيفة في المادة.
وبعد تصنيع مضاد البروتون قام العالم والتر أولرت Walter Oelert باستخدام المسرع Low Energy Antiproton Ring (LEAR) (أي حلقة مضاد البروتون المنخفضة الطاقة) لصنع مادة مضاد الهدروجين مستخدماً مضاد البروتون. إذ إن لمضاد البروتون شحنة سالبة ولمضاد الإلكترون شحنة موجبة.
تقذف مضادات البروتونات من منبع في مسرع الجسيمات LEAR فتتسارع في حقل كهربائي يحدد مسارها حقل مغنطيسي، ويتم صدم مضادات البروتونات هذه بذرات من غاز الكسينون xénon، وعندما يصدم مضاد البروتون ذرة غاز كسينون، يتخلى مضاد البروتون عن جزء من طاقته ويتحول إلى زوج مؤلف من إلكترون وبوزيترون. وقد يحدث ـ وهذا احتمال ضعيف جداً ـ أن يرتبط البوزيترون بمضاد البروتون ليشكلا معاً مضاداً لذرة الهدروجين. ونظراً لكون هذه الذرة حيادية الشحنة فإنها تتابع طريقها بشكل مستقيم، وتصدم لوحاً من السيلنيوم، وعند حدوث التقاء بين البوزيترون والإلكترون يفنى الجسيمان، ويولد فناؤهما طاقة كهرمغنطيسية في صورة أشعة غاما بحسب المعادلة: e++e-=2g وهما شعاعان من أشعة غاما في اتجاهين أمامي وخلفي. أما مضاد البروتون، المتبقي من الصدم، فيمكن كشفه في الكاشف، ويدل هذا الكشف المزدوج للبوزيترون ولمضاد البروتون على وجود المادة المضادة (التي هي مضاد الهدروجين هنا).
يمكن حفظ مضاد البروتون ومضاد الإلكترون في حقل مغنطيسي قوي وبدرجة حرارة -269ْ تحت الصفر المئوي. ويضمن هذا الحقل عدم تماس الجسيم المضاد والمادة.
المادة المضادة وأهم تطبيقاتها
إن الموازنة بين قيم الطاقة الناتجة من استخدام مختلف أنواع الوقود تعطي القيم المعبرة التالية:
يعطي غرام واحد من اليورانيوم U235 عند انشطاره طاقة تعادل الطاقة الناتجة من احتراق 2.5 طن من الفحم. وتساوي (8.2 × 10-13جول). أما الغرام الواحد الناتج من اندماج نوى الهدروجين لتعطي الهليوم فينشر طاقة تعادل ثمانية أمثال ما يعطيه الانشطار تقريباً. في حين تعطي الإلكترونات عند التقائها البوزترونات إذا ما عودلت بالغرام طاقة مقاربة (9 × 1310جول). إلا أنه إذا ما قورن ما يعطيه كل نكليون (بروتون أو نترون) من طاقة في كل حالة، وُجد أنه في حالة الاندماج يعطي ثمانية أمثال ما يعطيه في حالة الانشطار أما في حالة تحول المادة والمادة المضادة إلى طاقة فهذه تكون أكبر بألف مرة مما يعطيه نكليون الانشطار.
ويتنبأ العلماء بأن مجال استخدام الجسيمات المضادة يكون في المجالات التالية:
ـ في تصنيع المادة المضادة.
ـ في استعمال الطاقة الهائلة المتولدة من فناء المادة (من صدم عنصر عنصراً مضاداً له) في تحفيز الاندماج النووي لنظائر الهدروجين (ديوتيريوم ـ تريتيوم) والحصول على طاقة اقتصادية هائلة.
ـ في إمكانية استخدام المادة المضادة وقوداً مثالياً خفيف الكتلة ذا طاقة هائلة لسفن الفضاء.
وبينت الدراسات أن كل انفجار بين المادة والمادة المضادة يعادل انفجار 15 طن من مادة TNT وأنه بتكرار هذا التفجير كل ثانية ولعدة أيام يمكن الوصول إلى أبعد كوكب في المنظومة الشمسية في ثلاث سنوات.
وبناءً على ما سبق يمكن الإشارة إلى أنه عند تجاوز جميع صعوبات تصنيع المادة المضادة يبقى ميزان نسبة الطاقة إلى الكتلة للمادة المضادة متفوقاً على كل وقود منافس.
مقداد مهنا
Antielectron - Antiélectron
الإلكترون (مضاد ـ(
مضاد الإلكترون antielectron يسمى بوزيترون positron، وهو جسيم كتلته السكونية تعادل كتلة الإلكترون السكونية m وشحنته الكهربائية مكافئة لشحنة الإلكترون e- بالقيمة المطلقة لكنها تختلف عنها بأنها موجبة، وللبوزيترون «سبين spin» يساوي «سبين» الإلكترون (ħ/2) حيث ħ يمثل ثابت بلانك مقسوماً على 2π. ويسمي بعضهم «السبين» الاندفاع الزاوي الذاتي.
مبدأ التناظر في المادة
تنبأ العالم الرياضي البريطاني بول ديراك[ر] Paul Dirac عام 1931 بوجود مضاد الإلكترون نظرياً قبل التحقق من وجوده مخبرياً. وذلك عند كتابته معادلة رياضية للإلكترونات تعتمد في آن واحد على النظرية الكمومية quantique، التي تنص على (أن كل جسيم ترافقه موجة يتناسب ترددها طرداً مع طاقة الجسيم)، وعلى النظرية النسبية الخاصة لأينشتاين[ر] Einstein التي تطبق في العادة على الجسيمات التي سرعتها قريبة من سرعة الضوء. كان هدف ديراك تعميم معادلة الكم للإلكترون ليمكن تطبيقها على الإلكترونات السريعة جداً التي سرعتها قريبة من سرعة الضوء. وحصل بالفعل على معادلة مهمة هي معادلة كمومية من جهة ومعادلة تعتمد على النظرية النسبية من جهة أخرى، وتوضح بدقة عالية طبيعة الإلكترون وحركته، وتفسِّر جميع القياسات التجريبية الدقيقة.
عانت معادلة ديراك في البداية صعوبة كبيرة في تعليل أحد حلّيها، لأن لها حلين رياضيين متناظرين تماماً، يوضح الحل الأول سلوك الإلكترون المألوف ذي الشحنة السالبة في حين يوضح الحل الرياضي الثاني للمعادلة طبيعة جسيم غريب غير معروف آنذاك كتلته مساوية لكتلة الإلكترون لكن شحنته موجبة وليست سالبة، أي «مضاد الإلكترون»، وكان هذا المفهوم غريباً آنذاك وغير مقبول. وفي أقل من عام وفي أثناء قيام العالم الأمريكي كارل أندرسون Carl Anderson بدراسة الأشعة الكونية عن طريق فِلم كاشف للجسيمات المنطلقة في الأشعة الكونية وجد بصمة جسيم مجهول. ومن دراسة منحني حركة هذا الجسيم في الحقل المغنطيسي للكاشف تأكد لأندرسون أن شحنة هذا الجسيم موجبة وكتلته مساوية لكتلة الإلكترون المألوف. أي إنه اكتشف بصمة جسيم آتٍ من الفضاء يكافئ تماماً ما تنبأ به ديراك نظرياً في معادلته الشهيرة، وهو مضاد الإلكترون المسمى بوزيترون positron. وبذلك حققت معادلة ديراك أول خطوة باتجاه نظرية التناظر الفائق في المادة، التي تتنبأ بأن لكل جسيم معروف شريكاً فائق التناظر spartner.
وقد وجد أن البوزيترون جسيم مستقر في الفراغ يفنى (ينعدم) عند مصادمته المادة والتقائه أحد إلكترونات الذرات، وأن التقاء البوزيترون الإلكترون يسبب فناء الجسيمين ويولد طاقة كهرمغنطيسية في صورة أشعة غاما، ويتحول كامل كتلتي الإلكترون والبوزيترون إلى طاقة وفق معادلة أينشتاين
e++e-=2g وتساوي الطاقة الإجمالية المنطلقة ما يكافئ كتلتي الجسيمين من الطاقة أي E=2mc2 وهي من رتبة المليون إلكترون فولت ويمكن أن تحدث العملية بالعكس. أي أن يتولد من فوتونات غاما العالية الطاقة أزواج من الإلكترون والبوزيترون عندما تمر قرب نوى عناصر ثقيلة مثلاً.
تعميم مبدأ التناظر على جميع الجسيمات
بتعميم معادلة ديراك وبالاعتماد على نظرية الكم والنظرية النسبية معاً تبين أن للمادة «صورة فائقة التناظر» أي أن لكل جسيم جسيماً مضاداً مكافئاً له بالكتلة لكنه مضاد له بالشحنة charge. وتعميم نظرية ديراك لا يحدد فقط مفهوم الشحنة الكهربائية المعاكسة للجسيم التي تعرِّف حركته وتحددها تجاه القوى الكهرمغنطيسية، بل توضح مفهوم الشحنات الأخرى للجسيم وهي الإيزوسبين isospin وشحنة اللون charge couleur والشحنة العالية hyper charge التي تحدد حركة الجسيم ضمن قوى التجاذب الأخرى المؤثرة في ذرات المادة. ومع أن النترون ليس له شحنة كهربائية فإن له نتروناً مضاداً عزمه المغنطيسي مقابل للعزم المغنطيسي للنترون. والعزم المغنطيسي متناسب مع السبين.
ولقد تم التثبت من صحة مبدأ التناظر الفائق في الكون بالبرهان على وجود جسيمات مضادة لكل جسيمات المادة.
تصنيع مضاد الإلكترون والجسيمات المضادة وحفظها مخبرياً
يتم تصنيع مضاد الإلكترون والجسيمات المضادة باعتماد أسلوب اصطدام الجسيمات بسرعات عالية جداً. ولقد صُمِّمَ عدد من «المصادمات» الخاصة بالإلكترون والبوزيترون أشهرها «المصادم» الإلكتروني ـ البوزيتروني LEP الذي يبلغ طوله 27كم التابع للمركز الأوربي لبحوث فيزياء الجسيمات الموجود في مدينة جنيف (سويسرة). وبسبب تناظر الشحنة بين المادة ومضادها يمكن اختصار عدد المسرعات الكهربائية وعدد الموجهات المغنطيسية إلى النصف في كل مصادم وبتصميمه على شكل حلقة مغلقة تدور فيها حزمتا الإلكترونات والبوزيترونات ضمن حقل كهربائي واحد وحقل مغنطيسي واحد، وفي مجرى واحد، لكن كل حزمة منهما تدور بعكس الثانية.
وباعتماد أسلوب مشابه لتصنيع مضاد الإلكترون قام العالم الهولندي سيمون فاندر ميير Simon Vander Meer عام 1975 بتصنيع حزمة من مضاد البروتون. إذ حوَّل مسرِّعاً سكلوترنياً cyclotron تابعاً للمركز الأوربي إلى مصادم بروتون ـ مضاد بروتون. وفي هذا المصادم وبوساطة تلك المصادمات اكتشف العالم كارلو روبيا Carlo Rubbia عام 1983 الجسيمات Z وW المميزة للقوى النووية الضعيفة في المادة.
وبعد تصنيع مضاد البروتون قام العالم والتر أولرت Walter Oelert باستخدام المسرع Low Energy Antiproton Ring (LEAR) (أي حلقة مضاد البروتون المنخفضة الطاقة) لصنع مادة مضاد الهدروجين مستخدماً مضاد البروتون. إذ إن لمضاد البروتون شحنة سالبة ولمضاد الإلكترون شحنة موجبة.
تقذف مضادات البروتونات من منبع في مسرع الجسيمات LEAR فتتسارع في حقل كهربائي يحدد مسارها حقل مغنطيسي، ويتم صدم مضادات البروتونات هذه بذرات من غاز الكسينون xénon، وعندما يصدم مضاد البروتون ذرة غاز كسينون، يتخلى مضاد البروتون عن جزء من طاقته ويتحول إلى زوج مؤلف من إلكترون وبوزيترون. وقد يحدث ـ وهذا احتمال ضعيف جداً ـ أن يرتبط البوزيترون بمضاد البروتون ليشكلا معاً مضاداً لذرة الهدروجين. ونظراً لكون هذه الذرة حيادية الشحنة فإنها تتابع طريقها بشكل مستقيم، وتصدم لوحاً من السيلنيوم، وعند حدوث التقاء بين البوزيترون والإلكترون يفنى الجسيمان، ويولد فناؤهما طاقة كهرمغنطيسية في صورة أشعة غاما بحسب المعادلة: e++e-=2g وهما شعاعان من أشعة غاما في اتجاهين أمامي وخلفي. أما مضاد البروتون، المتبقي من الصدم، فيمكن كشفه في الكاشف، ويدل هذا الكشف المزدوج للبوزيترون ولمضاد البروتون على وجود المادة المضادة (التي هي مضاد الهدروجين هنا).
يمكن حفظ مضاد البروتون ومضاد الإلكترون في حقل مغنطيسي قوي وبدرجة حرارة -269ْ تحت الصفر المئوي. ويضمن هذا الحقل عدم تماس الجسيم المضاد والمادة.
المادة المضادة وأهم تطبيقاتها
إن الموازنة بين قيم الطاقة الناتجة من استخدام مختلف أنواع الوقود تعطي القيم المعبرة التالية:
يعطي غرام واحد من اليورانيوم U235 عند انشطاره طاقة تعادل الطاقة الناتجة من احتراق 2.5 طن من الفحم. وتساوي (8.2 × 10-13جول). أما الغرام الواحد الناتج من اندماج نوى الهدروجين لتعطي الهليوم فينشر طاقة تعادل ثمانية أمثال ما يعطيه الانشطار تقريباً. في حين تعطي الإلكترونات عند التقائها البوزترونات إذا ما عودلت بالغرام طاقة مقاربة (9 × 1310جول). إلا أنه إذا ما قورن ما يعطيه كل نكليون (بروتون أو نترون) من طاقة في كل حالة، وُجد أنه في حالة الاندماج يعطي ثمانية أمثال ما يعطيه في حالة الانشطار أما في حالة تحول المادة والمادة المضادة إلى طاقة فهذه تكون أكبر بألف مرة مما يعطيه نكليون الانشطار.
ويتنبأ العلماء بأن مجال استخدام الجسيمات المضادة يكون في المجالات التالية:
ـ في تصنيع المادة المضادة.
ـ في استعمال الطاقة الهائلة المتولدة من فناء المادة (من صدم عنصر عنصراً مضاداً له) في تحفيز الاندماج النووي لنظائر الهدروجين (ديوتيريوم ـ تريتيوم) والحصول على طاقة اقتصادية هائلة.
ـ في إمكانية استخدام المادة المضادة وقوداً مثالياً خفيف الكتلة ذا طاقة هائلة لسفن الفضاء.
وبينت الدراسات أن كل انفجار بين المادة والمادة المضادة يعادل انفجار 15 طن من مادة TNT وأنه بتكرار هذا التفجير كل ثانية ولعدة أيام يمكن الوصول إلى أبعد كوكب في المنظومة الشمسية في ثلاث سنوات.
وبناءً على ما سبق يمكن الإشارة إلى أنه عند تجاوز جميع صعوبات تصنيع المادة المضادة يبقى ميزان نسبة الطاقة إلى الكتلة للمادة المضادة متفوقاً على كل وقود منافس.
مقداد مهنا