اكتشاف بشأن نواة الذرة يتحدى نظريات في الفيزياء

واكتشف هذا الفريق المكون من العلماء يمثلون 12 مؤسسة في 6 دول، بما في ذلك جامعة "ساري" البريطانية، أدلة مباشرة تثبت وجود هياكل نابضة نادرة في نوى ذرات الغادولينيوم-150. وتفتح هذه الدراسة التي نُشرت في مجلة Physical Review Letters نافذة جديدة على العالم الكمومي، وقد تؤثر على تكنولوجيا المستقبل.
ويعتبر الغادولينيوم-150 نظيرا مشعا للمعدن الأرضي النادر الغادولينيوم، ولا يوجد في الطبيعة إلا بكميات ضئيلة جدا، مع ذلك فإنه يعتبر عنصرا كيميائيا مهما للعلم والتكنولوجيا. ويستخدم الغادولينيوم في المواد فائقة التوصيل التي تنقل الكهرباء دون فقدان الطاقة، وفي الطاقة النووية للتحكم في التفاعلات داخل المفاعلات، وفي الطب كعامل تباين في التصوير بالرنين المغناطيسي، مما يساعد الأطباء على رؤية الأعضاء بوضوح أكبر.
يذكر أن النواة الذرية عبارة عن "كرة" صغيرة مكونة من بروتونات ونيوترونات. واكتشف العلماء أن نواة الغادولينيوم-150 تنتفخ وتتخذ شكلا يشبه الكمثرى. ويحدث هذا بسبب "رقص" متزامن للجسيمات داخل النواة، حيث تتذبذب بطريقة تجعل النواة غير متناظرة.

جرب ميزات الذكاء الاصطناعي لدينا

اكتشف ما يمكن أن يفعله Daily8 AI من أجلك:

التعلم مع الذكاء الاصطناعيالتحقق من الحقائقتحويل النص إلى كلامملخص الذكاء الاصطناعي

أخبار ذات صلة

Independent عربية

٠٩-٠٥-٢٠٢٥

• Independent عربية

القنابل النووية... من الانشطار والاندماج إلى الانفجار

خرجت الولايات المتحدة مع نهاية الحرب العالمية الثانية متوجة بلقب القوة العظمى الوحيدة في العالم التي تمتلك قدرات نووية، لكن ذلك لم يدم طويلاً، فقد نجح الاتحاد السوفياتي بمساعدة شبكة من الجواسيس الذين سرقوا أسراراً نووية أميركية في اختبار قنبلته الذرية عام 1949، وعززت الدولتان في ما بعد خلال الحرب الباردة ترساناتهما من الرؤوس الحربية النووية. بحلول أواخر ستينيات القرن الماضي امتلكت دول أخرى أسلحة نووية، وبنت الحكومات ملاجئ للحماية من الإشعاعات النووية، واعتمدت الدول إياها استراتيجية "التدمير المتبادل المؤكد"، بحيث إنه حتى لو شنت دولة ما هجوماً نووياً مباغتاً ناجحاً أودى بحياة الملايين وأحدث دماراً واسع النطاق، ستظل لدى الدولة الأخرى أسلحة كافية لشن هجوم مضاد وإلحاق عقاب وحشي بالدولة المهاجمة بالقدر نفسه. وفي حين أن المشهد السياسي للحرب النووية تغير بصورة كبيرة على مر الأعوام، فإن علم السلاح نفسه لا سيما العمليات الذرية التي تطلق العنان لكل هذه القوة المدمرة ما زال يجذب الاهتمام حول العالم، ويفرض المراقبة على البرامج النووية السلمية لعدم تحويلها لأغراض عسكرية، فكيف انطلقت باكورة البحوث النووية العسكرية عبر التاريخ، والأهم من ذلك كيف تعمل القنابل النووية؟ البنية الذرية والنشاط الإشعاعي تتكون الذرة من ثلاثة جسيمات دون ذرية وهي بروتونات ونيوترونات وإلكترونات، ويتكون مركز الذرة، المسمى النواة، من بروتونات ونيوترونات، وعادة ما تكون البروتونات موجبة الشحنة والنيوترونات معدومة الشحنة والإلكترونات سالبة الشحنة. أما نسبة البروتونات إلى الإلكترونات فهي دائماً واحد إلى واحد، لذا فإن الذرة متعادلة الشحنة، إذ تحوي ذرة الكربون ستة بروتونات وستة إلكترونات. وتتغير خصائص الذرة بصورة كبيرة بناءً على عدد كل جسيم فيها، فإذا غيرت عدد البروتونات ستحصل على عنصر مختلف تماماً، وإذا غيرت عدد النيوترونات في الذرة ستحصل على نظير. وعلى سبيل المثال، للكربون ثلاثة نظائر ألا وهي الكربون (-12) ويتكون من (ستة بروتونات + ستة نيوترونات)، وهو شكل مستقر وشائع الوجود، والكربون (-13) ويحوي (ستة بروتونات + سبعة نيوترونات)، وهو مستقر ولكنه نادر، على جانب الكربون (-14) ويتكون من (ستة بروتونات + ثمانية نيوترونات)، وهو نادر وغير مستقر أو مشع. الانشطار والاندماج النوويان تعتمد القنابل النووية على الحركة القوية والضعيفة التي تربط نواة الذرة معاً، وبخاصة الذرات ذات النوى غير المستقرة، وهناك طريقتان أساسيتان لإطلاق الطاقة النووية من الذرة وهما الانشطار والاندماج. في الانشطار النووي، يقسم العلماء نواة الذرة إلى جزءين أصغر حجماً باستخدام نيوترون، أما الاندماج النووي فهو العملية التي تنتج بها الشمس الطاقة وتنطوي على جمع ذرتين أصغر حجماً لتكوين ذرة أكبر، وفي كلتا العمليتين تطلق كميات كبيرة من الطاقة الحرارية والإشعاعية. يمكننا أن نعزو اكتشاف الانشطار النووي إلى عمل الفيزيائي الإيطالي إنريكو فيرمي، فخلال ثلاثينيات القرن الـ20 أثبت فيرمي أن العناصر المعرضة للقصف النيوتروني يمكن تحويلها إلى عناصر جديدة، ونتج من هذا العمل اكتشاف نيوترونات بطيئة، إضافة إلى عناصر جديدة غير موجودة في الجدول الدوري. وبعد اكتشاف فيرمي بفترة وجيزة، قذف العالمان الألمانيان أوتو هان وفريتز ستراسمان اليورانيوم بالنيوترونات، مما أنتج نظير باريوم مشعاً، واستنتج بعدها هان وستراسمان أن النيوترونات منخفضة السرعة تسببت في انشطار نواة اليورانيوم، أو تفككها، إلى قطعتين أصغر. أثار عملهما نشاطاً مكثفاً في مختبرات البحوث حول العالم. وفي جامعة "برينستون" الأميركية، عمل العالم الدنماركي نيلز بور مع العالم الأميركي جون ويلر على تطوير نموذج افتراضي لعملية الانشطار، وتكهن بور وويلر بأن نظير اليورانيوم "اليورانيوم 235"، وليس "اليورانيوم 238"، هو الذي يتعرض للانشطار. وفي الوقت نفسه تقريباً، اكتشف علماء آخرون أن عملية الانشطار تنتج عدداً أكبر من النيوترونات، ودفع هذا الأمر بور وويلر إلى طرح سؤال جوهري عما إذا كان بإمكان النيوترونات الحرة الناتجة من الانشطار أن تطلق تفاعلاً متسلسلاً يطلق كمية هائلة من الطاقة، مستنتجين أنه قد يكون من الممكن بناء سلاح ذي قوة تفوق الخيال. الوقود النووي خلال مارس (آذار) 1940، أكد فريق من العلماء العاملين في جامعة كولومبيا الأميركية فرضية بور وويلر القائلة بأن نظير "اليورانيوم 235" هو المسؤول عن الانشطار النووي، وحاول فريق كولومبيا بدء تفاعل تسلسلي باستخدام "اليورانيوم 235" في خريف عام 1941 لكنه فشل، ثم انتقل العمل إلى جامعة شيكاغو الأميركية، إذ حقق إنريكو فيرمي أخيراً أول تفاعل تسلسلي نووي متحكم به في العالم، وبذلك بدأ مسار تطوير قنبلة نووية، باستخدام "اليورانيوم 235" كوقود. اقرأ المزيد يحتوي هذا القسم على المقلات ذات صلة, الموضوعة في (Related Nodes field) يعد "اليورانيوم 235" من المواد القليلة التي يمكن أن تخضع للانشطار المستحث، وهذا يعني أنه بدلاً من انتظار اليورانيوم لأكثر من 700 مليون عام ليتحلل بصورة طبيعية، يمكن أن يتحلل العنصر أسرع بكثير إذا اصطدم نيوترون بنواته، ستمتص النواة النيوترون دون تردد، وتصبح غير مستقرة وتنقسم على الفور. بمجرد أن تلتقط النواة النيوترون، تنقسم إلى ذرتين أخف وزناً وتطلق نيوترونين أو ثلاثة نيوترونات جديدة، ثم تصدر الذرتان الأخف وزناً أشعة "غاما" أثناء استقرارهما في حالتيهما الجديدة. لكي تعمل خصائص "اليورانيوم 235" هذه، يجب تخصيب عينة من اليورانيوم، أي يجب زيادة كمية "اليورانيوم 235" في العينة إلى ما يتجاوز المستويات الطبيعية، ويتكون اليورانيوم المستخدم في صنع الأسلحة من 90 في المئة في الأقل من "اليورانيوم 235". واكتشف علماء جامعة كاليفورنيا الأميركية عام 1941 عنصراً آخر وهو "العنصر 94" الذي يمكن استخدامه كوقود نووي، وأطلقوا عليه اسم "البلوتونيوم"، وخلال العام التالي أُنتج ما يكفي منه لإجراء التجارب، وفي النهاية حددوا خصائص انشطار البلوتونيوم، وعدوه وقوداً ثانياً محتملاً للأسلحة النووية. تصميم القنبلة الانشطارية في القنبلة الانشطارية يجب حفظ الوقود في كتل لا تدعم الانشطار وذلك لمنع الانفجار المبكر، ويؤدي حفظ الوقود في كتل حرجة منفصلة إلى تحديات تصميمية يجب حلها لكي تعمل القنبلة الانشطارية بصورة صحيحة، ويكمن التحدي الأول بجمع كتلتين لتكوين كتلة فوق حرجة، والتي ستوفر عدداً كافياً من النيوترونات لدعم تفاعل انشطاري وقت التفجير. بعد ذلك، يجب إدخال نيوترونات حرة في الكتلة فوق الحرجة لبدء الانشطار، وتُدخل النيوترونات من طريق إنشاء مولد نيوترونات، وهذا المولد عبارة عن حبيبات صغيرة من البولونيوم والبريليوم، مفصولة برقاقة معدنية داخل نواة الوقود الانشطاري. وداخل هذا المولد تنكسر الرقاقة المعدنية عندما تتجمع الكتلتان ويصدر البولونيوم تلقائياً جسيمات "ألفا"، تصطدم جسيمات "ألفا" هذه بعد ذلك بـ"البريليوم 9" لإنتاج "البريليوم 8" والنيوترونات الحرة، وتبدأ النيوترونات بالانشطار. قنابل الاندماج ولا بد لنا من أن نشير هنا إلى أن قنابل الانشطار كتلك التي استخدمتها الولايات المتحدة في هيروشيما وناغازاكي حققت قوة تدميرية هائلة، لكن لم يمض وقت طويل حتى تساءل العلماء عما إذا كانت العملية النووية المعاكسة، أي الاندماج، قد تكون أفضل. يحدث الاندماج عندما تتحد نواتا ذرتين لتكوين ذرة واحدة أثقل عند درجات حرارة عالية جداً، ويمكن لنواة نظائر الهيدروجين، الديوتيريوم والتريتيوم، أن تندمج بسهولة، مطلقة كميات هائلة من الطاقة، وتعرف الأسلحة التي تستفيد من هذه العملية باسم قنابل الاندماج أو القنابل النووية الحرارية أو القنابل الهيدروجينية. لفهم تصميم القنبلة هذه، تخيل أن غلاف القنبلة يحوي قنبلة انشطارية انفجارية وغلافاً أسطوانياً من "اليورانيوم 238"، ويوجد داخل المدك ديوتيرايد الليثيوم (الوقود) وقضيب مجوف من "البلوتونيوم 239" في وسط الأسطوانة، ويفصل الأسطوانة عن قنبلة الانفجار الداخلي درع من "اليورانيوم 238" ورغوة بلاستيكية تملأ الفراغات المتبقية في غلاف القنبلة. يحدث التفاعل بين كل هذه العناصر، مولداً انفجاراً هائلاً بقوة 10 آلاف كيلوطن، أي أقوى بـ700 مرة من انفجار هيروشيما. أنظمة التوصيل يختلف بناء قنبلة نووية عن إيصال السلاح إلى هدفه المقصود وتفجيره بنجاح. وبحسب العلماء، كانت القنابل الثلاث التي ألقيت عام 1945، أي القنبلة التجريبية في "مشروع مانهاتن" والقنبلتان اللتان ألقيتا على اليابان، أقرب إلى معدات مختبرية معقدة منها إلى أسلحة موثوقة. اعتمدت الولايات المتحدة على القاذفات لقصف اليابان بقنبلتين نوويتين خلال الحرب العالمية الثانية، ولا تزال الطريقة المستخدمة في الحرب العالمية الثانية ضد اليابان، أي قنابل الجاذبية المحمولة جواً اليوم، طريقة فعالة لإطلاق الأسلحة النووية، ولكن على مر الأعوام ومع تناقص حجم الرؤوس الحربية أصبحت خيارات أخرى متاحة، وبات عدد من الدول يمتلك صواريخ باليستية وصواريخ "كروز" مسلحة بأجهزة نووية. تطلق معظم الصواريخ الباليستية من منصات أرضية أو غواصات وتخرج من الغلاف الجوي للأرض، وتقطع آلاف الأميال إلى أهدافها، ثم تعود إلى الغلاف الجوي لضرب هدفها، فيما تتميز صواريخ "كروز" بمدى أقصر ورؤوس حربية أصغر من الصواريخ الباليستية، إلا أن اكتشافها واعتراضها أصعب ويمكن إطلاقها من الجو، ومن منصات إطلاق متحركة على الأرض، ومن السفن الحربية. وازدادت شعبية الأسلحة النووية التكتيكية خلال الحرب الباردة التي صممت لاستهداف مناطق أصغر، وتشمل صواريخ قصيرة المدى، وقذائف مدفعية، وقنابل عمق. ومع تطوير هذه الصواريخ وامتلاكها بكميات كبيرة، باتت الدول النووية اليوم قادرة افتراضياً على ضرب أهداف بعيدة من حدودها، والتسبب في كارثة مهولة داخل أراضي الأعداء.

سعورس

٢٢-٠٣-٢٠٢٥

• سعورس

اكتشاف بشأن نواة الذرة يتحدى نظريات في الفيزياء

واكتشف هذا الفريق المكون من العلماء يمثلون 12 مؤسسة في 6 دول، بما في ذلك جامعة "ساري" البريطانية، أدلة مباشرة تثبت وجود هياكل نابضة نادرة في نوى ذرات الغادولينيوم-150. وتفتح هذه الدراسة التي نُشرت في مجلة Physical Review Letters نافذة جديدة على العالم الكمومي، وقد تؤثر على تكنولوجيا المستقبل. ويعتبر الغادولينيوم-150 نظيرا مشعا للمعدن الأرضي النادر الغادولينيوم، ولا يوجد في الطبيعة إلا بكميات ضئيلة جدا، مع ذلك فإنه يعتبر عنصرا كيميائيا مهما للعلم والتكنولوجيا. ويستخدم الغادولينيوم في المواد فائقة التوصيل التي تنقل الكهرباء دون فقدان الطاقة، وفي الطاقة النووية للتحكم في التفاعلات داخل المفاعلات، وفي الطب كعامل تباين في التصوير بالرنين المغناطيسي، مما يساعد الأطباء على رؤية الأعضاء بوضوح أكبر. يذكر أن النواة الذرية عبارة عن "كرة" صغيرة مكونة من بروتونات ونيوترونات. واكتشف العلماء أن نواة الغادولينيوم-150 تنتفخ وتتخذ شكلا يشبه الكمثرى. ويحدث هذا بسبب "رقص" متزامن للجسيمات داخل النواة، حيث تتذبذب بطريقة تجعل النواة غير متناظرة.

الوطن

٢٢-٠٣-٢٠٢٥

• الوطن

اكتشاف بشأن نواة الذرة يتحدى نظريات في الفيزياء

حصل فريق دولي من العلماء لأول مرة على أدلة مباشرة تثبت وجود هياكل نابضة نادرة في نوى ذرات الغادولينيوم-150. واكتشف هذا الفريق المكون من العلماء يمثلون 12 مؤسسة في 6 دول، بما في ذلك جامعة "ساري" البريطانية، أدلة مباشرة تثبت وجود هياكل نابضة نادرة في نوى ذرات الغادولينيوم-150. وتفتح هذه الدراسة التي نُشرت في مجلة Physical Review Letters نافذة جديدة على العالم الكمومي، وقد تؤثر على تكنولوجيا المستقبل. ويعتبر الغادولينيوم-150 نظيرا مشعا للمعدن الأرضي النادر الغادولينيوم، ولا يوجد في الطبيعة إلا بكميات ضئيلة جدا، مع ذلك فإنه يعتبر عنصرا كيميائيا مهما للعلم والتكنولوجيا. ويستخدم الغادولينيوم في المواد فائقة التوصيل التي تنقل الكهرباء دون فقدان الطاقة، وفي الطاقة النووية للتحكم في التفاعلات داخل المفاعلات، وفي الطب كعامل تباين في التصوير بالرنين المغناطيسي، مما يساعد الأطباء على رؤية الأعضاء بوضوح أكبر. يذكر أن النواة الذرية عبارة عن "كرة" صغيرة مكونة من بروتونات ونيوترونات. واكتشف العلماء أن نواة الغادولينيوم-150 تنتفخ وتتخذ شكلا يشبه الكمثرى. ويحدث هذا بسبب "رقص" متزامن للجسيمات داخل النواة، حيث تتذبذب بطريقة تجعل النواة غير متناظرة.