استخدم العلماء أداة مصممة أصلاً لدراسة الأجرام السماوية الضخمة في الكون وأعادوا استخدامها لاستكشاف العالم على نطاق أصغر بلا حدود. وبهذه الأداة تمكنوا من سبر قلب الذرة.
أراد الفريق فهم التغيرات الكمومية التي تحدث داخل الذرات غير المستقرة، وأدرك أن هناك أحدث مقياس استقطاب لأشعة جاما يمكنهم الاستفادة منه. يمكن لهذا الجهاز، المعروف باسم كاميرا كومبتون، قياس استقطاب موجات الضوء عالية الطاقة. وبعبارة أخرى، يمكنه تحليل الاتجاه الذي يتجه إليه هذا الضوء عالي الطاقة.
لكن الشيء الوحيد هو أن هذه الأداة صُممت تقنيًا لعلم فلك الفضاء السحيق، وليس للتحقيقات الذرية. في الواقع، قام العلماء ببنائه لأنهم أرادوا وضعه على القمر الصناعي هيتومي لرصد العمليات الكونية عالية الطاقة. ومع ذلك، فقد أثبتت الكاميرا الآن تنوعها. ومن خلال التقاط استقطاب أشعة جاما المنبعثة من النوى الذرية بدلا من الأجسام المجرية البعيدة، تمكنت من الكشف عن البنية الداخلية للنواة الذرية وكذلك أي تغييرات قد تمر بها هذه النوى.
متعلق ب: يمكن للساعات الذرية على الأرض أن تكشف أسرارًا عن المادة المظلمة في الكون
كيمياء كومبتون 101
تُستخدم كاميرات كومبتون لتحديد اتجاه وطاقة أشعة جاما باستخدام ظاهرة تسمى “تشتت كومبتون”.
يحدث تشتت كومبتون عندما يرتد جسيم ضوئي عالي الطاقة، أو “فوتون”، عن جسيم مشحون، عادة ما يكون إلكترونًا. هذا التفاعل يجبر الفوتونات التي تصطدم بالإلكترونات على “التشتت”، مما يعني أنها تنقل بعضًا من طاقتها وزخمها إلى الجسيمات التي اصطدمت بها للتو. وفي المقابل، يمكن لهذه الإلكترونات أن ترتد وتخرج بشكل أساسي من الذرة التي كانت مرتبطة بها سابقًا. يمكن أن تساعد هذه العملية في الكشف عن شيء ما حول الذرة المعنية.
قال تادايوكي تاكاهاشي، قائد الباحثين وعالم في معهد كافلي للفيزياء والرياضيات الكونية، لموقع Space.com: “أظهر فريق البحث أن كاميرا كومبتون هذه تعمل كمقياس استقطاب فعال للتحليل الطيفي النووي، مما يكشف عن رؤى حول البنية النووية”. “تم تطوير هذه الأداة في البداية لرصد الفضاء، وقد أثبتت الآن قيمتها كأداة لمعالجة المسائل العلمية المعقدة في مجالات أخرى أيضًا.”
قلب الذرة
يمكنك التفكير في الذرات على أنها مكونة من “أصداف”. تمتلئ كل قذيفة بأجزاء مختلفة من الإلكترونات السالبة الشحنة “التي تطن” حولها؛ يُعرف الغلاف الخارجي بغلاف التكافؤ وتسمى الإلكترونات الموجودة داخل غلاف التكافؤ بإلكترونات التكافؤ. تحيط هذه الأغلفة الذرية بنواة مركزية تتكون من بروتونات موجبة الشحنة ونيوترونات محايدة كهربائيًا.
يحدد عدد البروتونات الموجودة في نواة الذرة العنصر الذي تمثله تلك الذرة.
على سبيل المثال، الهيدروجين هو أخف عنصر في الكون، ويحتوي دائمًا على بروتون واحد في نواته الذرية. وفي الطرف الآخر من الجدول الدوري يوجد اليورانيوم، وهو أحد أثقل العناصر الطبيعية، والذي يحتوي دائمًا على 92 بروتونًا في نواته. عدد ال النيوترونات في النواة لا يحدد ما هو عنصر الذرة، لذلك يمكن أن يختلف. على سبيل المثال، يمكن أن لا يحتوي الهيدروجين على نيوترونات، أو نيوترون واحد في حالة الديوتيريوم، أو نيوترونين في حالة التريتيوم. ومع ذلك، فإن هذه الذرات المتفاوتة في الوزن تسمى “النظائر”. بعض النظائر مستقرة، والبعض الآخر ليس كذلك.
في حين أنه من المعروف وجود 270 نواة ذرية مستقرة في الطبيعة، فإن عدد النظائر المعروفة للعناصر يقفز إلى 3000 عندما يتم أخذ النوى الذرية غير المستقرة في الاعتبار.
ومن المثير للاهتمام أن العلماء لاحظوا مؤخرًا ظواهر مرتبطة بالنوى الذرية غير المستقرة والتي لا يمكن رؤيتها حول النوى المستقرة. وتشمل هذه الحالات الشذوذ في مستويات طاقة الإلكترون وكذلك اختفاء وظهور ما يسمى بـ “الأرقام السحرية”. تشير الأرقام السحرية إلى كمية الإلكترونات اللازمة لملء مستويات الطاقة تلك حول النواة الذرية. تقليديا، هذه الأرقام هي 2، 8، 20، 28، 50، 82 و 126.
ومع ذلك، حتى الآن، لم تكن الأساليب التقليدية كافية في دراسة التغيرات في البنية النووية المرتبطة بهذه الظواهر. ويرجع ذلك إلى صعوبة الموازنة بين الحساسية وكفاءة الكشف للأدوات التي تحلل خصائص التحولات التي تجريها الذرات.
وهنا يكمن الجزء المهم في تحقيق الفريق.
ستحاول النواة الذرية غير المستقرة الوصول إلى الاستقرار عن طريق إخراج بروتون أو نيوترون. يُعرف هذا بالتحلل الإشعاعي، وهي عملية تحمل الطاقة بعيدًا عن الذرة على شكل فوتونات. أشعة جاما هي نوع من الفوتون، ويمكن لكاميرا كومبتون اكتشاف أشعة جاما تلك! ولعل فهم الانتقال بين عدم الاستقرار والاستقرار يمكن أن يساعد في فك رموز بعض تلك الظواهر الذرية الغريبة التي لاحظها العلماء.
لذلك، يعتقد هؤلاء الباحثون أن كاميرا كومبتون، والتي تتضمن شيئًا يسمى مستشعر تصوير أشباه الموصلات من الكادميوم تيلورايد (CdTe)، يمكن أن تكون مثالية لقياس استقطاب أشعة جاما من النوى غير المستقرة. مرة أخرى، يرجع ذلك إلى أن هذا المستشعر يوفر كفاءة اكتشاف عالية ودقة دقيقة عند تحديد موضع أشعة جاما (على الرغم من أنه كان مخصصًا في البداية لإشارات أشعة جاما في الفضاء السحيق).
يؤدي استقطاب الفوتونات من الجسيمات المشحونة إلى تحويل الضوء غير المستقطب إلى ضوء مستقطب، مع ظهور اتجاه الاستقطاب نتيجة لزاوية التشتت. يمكن لكاميرا كومبتون أن تقيس بدقة زاوية التشتت واستقطاب أشعة جاما هذه، مما يشير إلى خصائص الجسيمات داخل الذرة، مثل قيمة الخصائص الميكانيكية الكمومية التي تسمى “السبين” و”التكافؤ”.
استخدم العلماء تجارب المسرعات في معهد أبحاث RIKEN لإجراء سلسلة من اختبارات التحليل الطيفي النووي التي تضمنت تفجير طبقة من نوى الحديد بحزمة من البروتونات. أدى هذا إلى وصول الإلكترونات الموجودة في طبقة الحديد الرقيقة إلى حالة مثارة وإصدار أشعة جاما عند عودتها إلى حالتها الأرضية. وقد سيطر الفريق على موقع وشدة هذه الانبعاثات بشكل مصطنع. سمح ذلك بإجراء تحليل مفصل لأحداث التشتت وتحقيق قياس استقطاب حساس للغاية لاختبار قدرات كاميرا كومبتون.
وقال تاكاهاشي: “تمتلك كاميرا CdTe Compton متعددة الطبقات العديد من الخصائص التي تجعلها مناسبة تمامًا لهذا البحث. الأول هو كفاءة الكشف عن CdTe”. “عادةً ما تكون لأشعة جاما المنبعثة من النوى طاقات في حدود ميجا إلكترون فولت (MeV)، حيث تميل كفاءة الكشف عن مستقطبات أشعة جاما إلى الانخفاض. ومع ذلك، فإن الطبقات العشرين من CdTe تعزز بشكل كبير كفاءة الكشف عن هذه أشعة غاما.”
وأضاف عالم معهد كافلي للفيزياء والرياضيات في الكون أن مستشعر CdTe الذي طورته مجموعته يحقق أيضًا دقة عالية الطاقة لأشعة جاما دون MeV.
وأضاف تاكاهاشي: “أخيرًا، يحقق بضعة ملليمترات من الدقة الموضعية داخل المنطقة الفعالة للكاشف، مما يمكنه من رؤية أنماط تشتت كومبتون التفصيلية”. “تعكس هذه الأنماط خصائص الاستقطاب الخطي للضوء، بما في ذلك أشعة غاما.”
تم قياس أشعة جاما المنبعثة، وكشف عن بنية القمة، وتمكن الفريق من تحديد الزاوية التي تنتشر بها الفوتونات. توقع الفريق أن تكون نتائجهم حاسمة للتحقيق في بنية النوى المشعة النادرة، ولكن حتى الباحث الرئيسي فوجئ بمدى نجاح هذا الاختبار.
وقال تاكاهاشي: “توقعت مجموعة البحث، المكونة من خبراء في المراقبة الفلكية والفيزياء النووية، إلى حد ما أن قياس استقطاب أشعة جاما سيكون ممكنًا في تجارب التحليل الطيفي لأشعة جاما النووية”. “ومع ذلك، فإن الأداء والنتائج فاقت التوقعات.”
قصص ذات الصلة:
– ألبرت أينشتاين: السيرة الذاتية والنظريات والاقتباسات
– 10 أشياء محيرة يجب أن تعرفها عن فيزياء الكم
– النظرية النسبية العامة لأينشتاين
يمكن أن تكون هذه التجارب قمة جبل الجليد عندما يتعلق الأمر باستخدام الأدوات الفضائية لفحص النوى الذرية.
واختتم تاكاهاشي حديثه قائلاً: “هناك أنواع مختلفة من كاميرات كومبتون في المراقبة الفلكية، ويمكن استخدامها بشكل مشابه لقياس الاستقطاب الخطي للفوتونات”.
يتم نشر بحث الفريق في مجلة التقارير العلمية.