لا يتم استخدام كلمة السحر غالبًا في سياق العلم. لكن في أوائل ثلاثينيات القرن العشرين، اكتشف العلماء أن بعض النوى الذرية – الجزء المركزي من الذرات، والذي يشكل كل المادة – كانت أكثر استقرارًا من غيرها. كان لهذه النوى أعداد محددة من البروتونات أو النيوترونات، أو الأعداد السحرية، كما أسماها الفيزيائي يوجين فيجنر.
بدأ السباق لمعرفة السبب الذي جعل هذه النوى مستقرة إلى هذا الحد. إن فهم هذه الأرقام السحرية من شأنه أن يسمح للعلماء بالتنبؤ بخصائص النوى الأخرى، مثل كتلتها أو المدة التي من المتوقع أن تعيشها. وبهذا، يمكن للعلماء أيضًا التنبؤ بمجموعات البروتونات والنيوترونات التي يمكن أن تنتج نواة.
وجاء حل اللغز عام 1949 من اتجاهين في وقت واحد. وفي الولايات المتحدة، نشرت عالمة الفيزياء ماريا جوبرت ماير تفسيرًا، في نفس الوقت الذي وجدت فيه مجموعة من العلماء بقيادة جيه هانز د. جنسن في ألمانيا نفس الحل.
ونظير اكتشافهما، حصل كل من الفيزيائيين على ربع جائزة نوبل في الفيزياء لعام 1963. نحن عالمان نوويان عملنا مبني على اكتشافات جوبرت ماير وجنسن قبل 75 عامًا. تستمر هذه الأرقام السحرية في لعب دور مهم في أبحاثنا، والآن فقط يمكننا دراستها في النوى التي تعيش لجزء من الثانية فقط.
الاستقرار في الذرة
الذرة عبارة عن نظام معقد من الجسيمات. وتتكون من نواة مركزية تتكون من البروتونات والنيوترونات، تسمى النيوكليونات، وتدور الإلكترونات حول النواة.
وصف الفيزيائي نيلز بور الحائز على جائزة نوبل هذه الإلكترونات الموجودة في الذرة بأنها موجودة في بنية القشرة. تدور الإلكترونات حول النواة في مستويات طاقة أو مدارات معينة. تمتلك هذه المدارات طاقات محددة، وكل مدار يمكنه أن يحمل عددًا معينًا من الإلكترونات فقط.
التفاعلات الكيميائية تنتج من التفاعلات بين الإلكترونات في ذرتين. في نموذج بور، إذا لم يكن مدار الإلكترون ممتلئًا بالفعل، فمن الأسهل على الذرات تبادل أو مشاركة تلك الإلكترونات وتحفيز التفاعلات الكيميائية.
فئة واحدة من العناصر، الغازات النبيلة، نادرا ما تتفاعل مع العناصر الأخرى. في الغازات النبيلة، تحتل الإلكترونات مدارات مملوءة بالكامل، ونتيجة لذلك تتمسك الذرات بجشع بإلكتروناتها بدلاً من المشاركة والخضوع لتفاعل كيميائي.
في ثلاثينيات القرن العشرين، تساءل العلماء عما إذا كانت البروتونات والنيوترونات قد تحتل أيضًا مدارات، مثل الإلكترونات. ولكن لا أحد يستطيع أن يظهر هذا بشكل قاطع. لأكثر من عقد من الزمان، لم يتمكن المجتمع العلمي من وصف النواة من حيث البروتونات والنيوترونات الفردية. استخدم العلماء صورة أكثر بساطة، تعامل فيها البروتونات والنيوترونات كنظام واحد، مثل قطرة الماء.
أرقام سحرية
في عام 1949، طور جوبرت ماير وجنسن ما يسمى بنموذج القشرة للنواة. تحتل البروتونات والنيوترونات مدارات معينة، مماثلة للإلكترونات، ولكن لديها أيضًا خاصية تسمى الدوران – تشبه القمة الدوارة. وجد جوبرت ماير وجنسن أنه عند الجمع بين الخاصيتين في حساباتهما، تمكنا من إعادة إنتاج الملاحظات التجريبية.
ومن خلال بعض التجارب، وجدوا أن النوى التي تحتوي على أعداد سحرية معينة من النيوترونات أو البروتونات تكون مستقرة بشكل غير عادي وتحتفظ بنواتها أكثر مما توقعه الباحثون سابقًا، تمامًا مثل كيفية احتفاظ الغازات النبيلة بإلكتروناتها.
الأرقام السحرية المعروفة لدى العلماء هي 2، 8، 20، 28، 50، 82 و126. وهي نفسها لكل من البروتونات والنيوترونات. عندما تحتوي النواة على عدد سحري من البروتونات أو النيوترونات، فإن المدار المعين يمتلئ، ولا تكون النواة شديدة التفاعل، على غرار الغازات النبيلة.
على سبيل المثال، يحتوي عنصر القصدير على عدد سحري من البروتونات. يحتوي القصدير دائمًا على 50 بروتونًا، ويحتوي نظائره الأكثر شيوعًا على 70 نيوترونًا. النظائر هي ذرات لنفس العنصر تحتوي على عدد مختلف من النيوترونات.
هناك تسعة نظائر مستقرة أخرى للقصدير يمكن أن توجد، وهو العنصر الذي يحتوي على أكبر عدد من النظائر المستقرة. لن يتحول النظير المستقر تلقائيًا إلى عنصر مختلف، وهو ما يحدث للنظائر المشعة.
الهيليوم، الذي يحتوي على بروتونين ونيوترونين، هو أخف نواة “سحرية مضاعفة”. يعد كل من عدد النيوترونات وعدد البروتونات رقمًا سحريًا. إن القوى التي تربط نواة الهيليوم -4 معًا قوية جدًا لدرجة أنه من المستحيل ربط بروتون أو نيوترون آخر. إذا حاولت إضافة بروتون أو نيوترون آخر، فإن الذرة الناتجة سوف تنهار على الفور.
من ناحية أخرى، فإن أثقل نواة مستقرة في الوجود، الرصاص 208، هي أيضًا نواة سحرية مضاعفة. لديها أعداد سحرية مكونة من 82 بروتونًا و126 نيوترونًا.
توجد أمثلة على الأعداد السحرية والنوى المستقرة في كل مكان، لكن العلماء لم يتمكنوا من تفسيرها دون تقديم نموذج الصدفة.
نوى مستقرة في الطبيعة
يخبر هيكل القشرة في النوى الباحثين عن كيفية توزيع العناصر عبر الأرض وفي جميع أنحاء الكون.
أحد العناصر الأكثر وفرة على كوكبنا وفي جسم الإنسان هو الأكسجين، ولا سيما نظير الأكسجين -16.
مع ثمانية بروتونات وثمانية نيوترونات، يحتوي الأكسجين-16 على نواة مستقرة للغاية. أنتج نجم قريب الأكسجين الذي نجده على الأرض من خلال التفاعلات النووية في قلبه في وقت ما قبل تكوين النظام الشمسي.
وبما أن نوى الأكسجين ذات سحر مضاعف، فإن هذه النوى الموجودة في النجم لم تتفاعل كثيرًا مع النوى الأخرى. لذلك بقي المزيد من الأكسجين ليكون في النهاية عنصرًا أساسيًا للحياة على الأرض.
تحدثت ماريا جوبرت ماير في محاضرتها الخاصة بجائزة نوبل عن العمل الذي قامت به مع الفيزيائي إدوارد تيلر. وقد حاول الاثنان وصف كيفية تشكل هذه العناصر في النجوم. وفي ثلاثينيات القرن العشرين، كان من المستحيل عليهم تفسير سبب وجود عناصر ونظائر معينة في النجوم أكثر من غيرها. ووجدت لاحقًا أن الوفرة المتزايدة تتوافق مع النوى التي لها شيء مشترك: جميعها لديها أعداد سحرية من النيوترونات.
وباستخدام نموذج القشرة وشرح الأعداد السحرية، أصبح إنتاج العناصر في النجوم ممكنًا وتم نشره عام 1957.
يواصل العلماء اليوم استخدام أفكار من نموذج القشرة النووية لشرح ظواهر جديدة في العلوم النووية. ويهدف عدد قليل من مرافق المسرعات، مثل مرفق حزم النظائر النادرة، حيث نعمل، إلى إنشاء نوى أكثر غرابة لفهم كيفية تغير خصائصها مقارنة بنظيراتها المستقرة.
في منشأة حزم النظائر النادرة، ينتج العلماء نظائر جديدة عن طريق تسريع النظائر المستقرة إلى حوالي نصف سرعة الضوء وتحطيمها على الهدف. ومن بين القطع نختار القطع النادرة وندرس خصائصها.
ربما يكون الاكتشاف الحديث الأكثر عمقًا هو حقيقة أن الأرقام السحرية تتغير في النوى الغريبة مثل النوع الذي ننشئه هنا. إذن، بعد مرور 75 عامًا على الاكتشاف الأصلي، لا يزال السباق لاكتشاف الرقم السحري التالي مستمرًا.
تم إعادة نشر هذا المقال من The Conversation، وهي منظمة إخبارية مستقلة غير ربحية تقدم لك حقائق وتحليلات جديرة بالثقة لمساعدتك على فهم عالمنا المعقد. كتب بواسطة: أرتميس سبايرو، جامعة ولاية ميشيغان وشون ليديك، جامعة ولاية ميشيغان
اقرأ المزيد:
يتلقى أرتميس سبايرو تمويلًا من مؤسسة العلوم الوطنية الأمريكية.
يتلقى شون ليديك تمويلًا من وزارة الطاقة، مكتب العلوم، ووزارة الطاقة، الإدارة الوطنية للأمن النووي.