الفيزياء النننوية

الفيزياء النووية Nuclear physics : تعد الفيزياء النووية جزءًا من الفيزياء يهتم بدراسة نواة الذرة من حيث خواص الجسيمات الأولية في النواة التي تحوي بروتونات ونيوترونات، ترابطها فيما بينها وتفاعلاتها عند امتصاص جسيمات أولية أخرى من الخارج، بالإضافة إلى تفسير وتصنيف خصائص النواة. وتسمى النواة الذرية أحيانا نوكليد.

ومعظم التطبيقات المعروفة للفيزياء النووية هي الطاقة النووية والأسلحة النووية، ولكن الأبحاث فتحت المجال أوسع للتطبيقات المختلفة، فمنها في المجال الطبي الطب النووي، والتصوير بالرنين المغناطيسي، وفي مجال علم المواد (زرع الأيونات Ion implantation) وعلم الآثار (تحديد العمر باستخدام الكربون المشع Radiocarbon dating).

وقد تطور مجال فيزياء الجسيمات من الفيزياء النووية، ولهذا السبب أدرجت أحيانا تحت نفس المصطلح في أوقات سابقة.

تلعب ثلاثة قوى من القوى الرئيسية الأربعة في الطبيعة دوراً أساسياً في النواة، هذه القوى هي : تآثر قوي وتآثر ضعيف وتآثر كهرومغناطيسي. فالنواة تملك أسباب تماسكها بفضل القوة النووية الشديدة والتي تتم بتبادل جلونات رغم وجود التنافر الكهربي بين الشحنات الموجبة في النواة " البروتونات " وفقاً لقانون كولومالتاريخ

اكتشاف الإلكترون بواسطة طومسون كان أول مؤشر على أن للذرة هيكلا داخليا. ففي مطلع القرن 20 كان النموذج المقبول للذرة من طومسون الذي كانت عنده الذرة عباره عن كرة من الشحنات الموجبة مغروس بداخلهاإلكترونات سالبة. وفي مطلع القرن العشرين اكتشف الفيزيائيون أيضا ثلاثة أنواع من الإشعاعات تصدر من بعض نظائر الذرات ،و هي :أشعة ألفا وأشعة بيتا، وأشعة جاما. في الأعوام 1911 - 1914 أجريت تجارب من قبل ليز مايتنر، وأوتو هان، وجيمس تشادويك اكتشف أن أشعة بيتا عبارة عن إلكترونات وترافقها أشعة إكس . ولكن مجموع طاقة الإلكترون والأشعة السينية لم تعادل الطاقة المفقودة من النواة الذرية عن طريق تحلل بيتا. وكانت هذه مشكلة بالنسبة للفيزياء النووية في ذلك الوقت. ثم تبين بعد ذلك أنه يوجد جسيم أولي آخر غير مرئي وهو نيوترينو يقوم بحمل تلك الطاقة الناقصة.

في عام 1905، صاغ البرت اينشتاين قانون تكافؤ المادة والطاقة عند صياغته النظرية النسبية الخاصة، وتبين بعد ذلك أن الاتحاد بين مكونات النواة من بروتونات ونيوترونات يعمل على تخفيض كتلة النواة بسبب الترابط بينهم، ويسمى ذلك الفقد في الطاقة نقص الكتلة، وتخرج تلك الطاقة "الناقصة" من النواة في هيئة إشعاع من أشعة جاما.
فريق رذرفورد يكتشف النواة

في عام 1907 صوب إرنست رذرفورد فيضا من أشعة ألفا وهي أنوية الهيليوم يصدرها عنصر الراديوم صوبها على شريحة رقيقة من الذهب وقام بقياس جسيمات ألفا خلفها، فتبين أن جسيمات ألفا تنفذ بسهولة في الشريحة، كما تتشتت بعضها بزوايا بعيدة عن امتداد الفيض الساقط. وكان ذلك غريبا في ذلك الوقت. ثم قام رذرفورد بتفسير تلك الظاهرة بأن ذرة الذهب لا بد وأن تكون يكون فيها فراغا كبيرا في داخلها وأن كتلة الذرة تتركز في النواة وتدور حولها على مسافات بعيدة الإلكترونات فيما يسمى الغلاف الإلكتروني للذرة. وشرح رذرفورد نتائج تجربته أمام الجمعية الملكية للعلوم وما توصل إليه من تفسير بأن الكتلة الذرية تتركز في النواة وأن الذرات يشغلها فضاء كبير وتدور الإلكترونات بعيدا عن النواة حولها. ذلك التفسير نعرفه بنموذج رذرفورد للذرة ولم يكن النيوترون قد اكتشف في ذلك الوقت.
جيمس تشادويك يكتشف النيوترون

في عام 1932 أدرك جيمس تشادويك أن الإشعاعات التي لوحظت من قبل فالتر بوته، هربرت بيكر، جوليو-كوري كانت في الواقع نتيجة لجسيمات متعادلة كهربيا وأن لها نفس كتلة البروتون ،وأطلق على الجسيم الأولي الجديد "نيوترون" (بناء على اقتراح رذرفورد حول الحاجة لمثل هذا الجسيم). في نفس العام اقترح ديمتري ايفاننكو أن النيوترونات في الواقع لها عزم مغزلي قدره 1/2 وأن النواة تحوي نيوترونات إلى جانب البروتونات لتعليل الكتلة الذرية. ساهم ذلك في حل مشكلة محصلة العزم المغزلي للنيتروجين والذي يتسم بمحصلة عزم مغزلي قدرها 1.

مع اكتشاف النيوترون، فتمكن للعلماء من حساب نسبة ضئيلة من نقص الكتلة لكل نواة، مقارنة بالكتلة الذرية والتي تتألف من بروتونات ونيوترونات شديدة الترابط. وتم حساب الكتل الذرية على هذا النحو. وعندما أجريت تفاعلات نووية مع جسيمات ، وجد أنها تتفق مع حسابات أينشتاين بالنسبة إلى تكافؤ الكتلة والطاقة وتطابقها بدقة عالية (في حدود 1 ٪). كان ذلك في عام 1934.
افتراض يوكاوا هيديكي في الميزون لربط النويات

في عام 1935افترض يوكاوا أول نظرية هامة للتآثر القوي لشرح كيفية تماسك النواة. في جهد يوكاوا اقترح جسيم نظريا - سمي في وقت لاحق الميزون - بانه جهد يجمع مكونات الأنوية الذرية من بروتونات ونيوترونات. هذا الجهد الجاذب يفسر عدم تتفكك النواة تحت تأثير تنافر البروتونات الموجبة الشحنة. كما أعطى تفسيرا للتآثر القوي في النواة والذي يعمل عل تجاذب قوي بين مكونات النواة. في وقت لاحق، اكتشف البيميزون وتبين أنه يحمل خصائص جسيم يوكاوا المفترض من قبل.

و بفضل مجهودات يوكاوا هيديكي أصبح النموذج العام للنواة الذرية كاملا. فمركز الذرة يحتوي على نواة من النيوترونات والبروتونات، وهي تتماسك عن طريق القوة النووية قصيرة المدى وقوية جدا. وأن الأنوية الغير المستقرة تقوم بخفض طاقتها عن طريق تحلل ألفا حيث ينبعث منها نواة الهيليوم، أو عن طريق اضمحلال بيتا، وهي تصدر إلكترون (أو بوزيترون). وفي بعص الأحيان تكون النواة المشعة في حالة إثارة وتصل إلى حالة قاعية من الطاقة عن طريق إصدار فوتونا في هيئة أشعة جاما خلال عملية أشعاعية تسمى إشعاع غاما.

ان دراسة القوى النووية القوية والتآثر الضعيف (وهذا الأخير قام بتفسيره انريكو فيرمي عن طريق تفاعل فيرمي في عام 1934) دفع دراسة فيزياء الجسيمات دفعة قوية إلى الأمام، ولا يزال النموذج العياري للجسيمات الأولية محط الاهتمام على طريق توحيد القوى القوية والضعيفة والكهرومغناطيسية.
الفيزياء النووية الحديثة

Crystal Clear app kdict.png مقالات مفصلة: Liquid-drop model
Shell model


وتحوي أنوية العناصر الثقيلة (ذات كتلة ذرية أكبر من 200) مئات من النوكليونات، مما يتيح الفرصة لأن تعامل بالميكانيكا التقليدية (الكلاسيكية)، بدلا من ميكانيكا الكم، مثال على ذلك ي نموذج القطرة للنواة. وتعتبر النواة لديها طاقة ناتجة جزئيا من التوتر السطحي وجزئيا من التنافر الكهربي للبروتونات. ويسهل نموذج القطرة تمثيل العديد من المواصفات والخواص النووية، بما في ذلك طاقة الارتباط واعتماده على الكتلة الذرية، فضلا عن ظاهرة الانشطار النووي.

ومع ذلك فتسخدم ميكانيكا الكم في وصف البناء النووي وتمثيلها ب نموذج الغلاف النووي، الذي صاغه من قبل ماريا ماير للنوكليونات بالنسبة إلى تفسير الأعداد السحرية للبروتونات والنيوترونات (الأعداد السحرية هي: 2، 8، 20، 50، 82، 126 ،...) وأفتراضه بأنها مستقرة، لأن أغلفتها تكون ممتلئة وكاملة.

كما تقترح نماذج أخرى أكثر تعقيدا بالنسبة للنواة، مثل: نموذج بوزون التفاعل، الذي يتفاعل فيه زوجا من النيوترونات والبروتونات كما لو كانت بوزونات، على نحو زوج كوبر بالنسبة للإلكترونات في ظاهرة التوصيل الفائق.

الكثير من البحوث الجارية في مجال الفيزياء النووية لدراسة النواة تحت الظروف القصوى مثل الدوران وطاقة الإثارة. ويقوم المختبرون أحيانا بتسريع أنوية ذرية وتوجيهها على أنوية ذرات أخرة ينتج عنها التحام وتكوين أنوية ثقيلة يمكن دراسة خواصها، وكذلك دراسة فعل التصادمات بينها ،وذلك باستخدام معجل الأيونات.

يمكن استخدام أشعة الأيونات في الطاقات العالية لتخليق أنوية في درجات حرارة مرتفعة، وتتجه الدراسات الحديثة في هذا المجال إلى محاولة فهم تفاعلات البلازما في الفيزياء وبلازما كوارك-جلوون، وهي جسيمات أولية أصغر من البروتون ويتكون منها البروتون والنيوترون والتحقق من نظرية النموذج العياري.