تفاعل قوي

📅 آخر تحديث: ٢٤ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٤ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 4 صور
الموسوعة الحرة
رسم متحرك يوضح حصر اللون ، وهي خاصية من خصائص التفاعل القوي. عند تزويد الكواركات بالطاقة كما هو موضح، يمتد أنبوب الغلوون الذي يربط الكواركات حتى يصل إلى نقطة "ينقطع" عندها، وتؤدي الطاقة المضافة إلى النظام إلى تكوين زوج من الكوارك والكوارك المضاد . لذا، لا يمكن رؤية الكواركات المفردة منفردة.
رسم متحرك يوضح التفاعل القوي بين البروتون والنيوترون، بوساطة البيونات . الدوائر المزدوجة الصغيرة الملونة في الداخل هي الغلوونات .

في الفيزياء النووية وفيزياء الجسيمات ، يُعد التفاعل القوي ، والذي يُسمى أيضاً القوة النووية القوية ، أحد التفاعلات الأساسية الأربعة المعروفة . فهو يحصر الكواركات داخل البروتونات والنيوترونات وجسيمات الهادرونات الأخرى ، كما يربط النيوترونات والبروتونات لتكوين نوى الذرات، حيث يُطلق عليه اسم القوة النووية .

تُعزى معظم كتلة البروتون أو النيوترون إلى طاقة التفاعل القوي؛ إذ لا تُساهم الكواركات الفردية إلا بنحو 1% من كتلة البروتون. عند مدى 10⁻¹⁵ متر ( فيمتومتر واحد ، وهو أكبر بقليل من نصف قطر النيوكليون ) ، تكون القوة القوية أقوى بنحو 100 مرة من الكهرومغناطيسية ، و10⁶ مرة من التفاعل الضعيف ، و10³⁸ مرة من الجاذبية . [ 1 ] 

في سياق النوى الذرية، تربط القوة البروتونات والنيوترونات معًا لتكوين النواة، وتُسمى القوة النووية (أو القوة النووية القوية المتبقية ). [ 2 ] ولأن هذه القوة تتوسطها جسيمات الميزونات الضخمة قصيرة العمر على هذا النطاق، فإن التفاعل النووي القوي المتبقي يخضع لسلوك يعتمد على المسافة بين النيوكليونات، وهو سلوك يختلف تمامًا عن سلوكه عند ربط الكواركات داخل الهادرونات. كما توجد اختلافات في طاقات ربط القوة النووية فيما يتعلق بالاندماج النووي مقابل الانشطار النووي . يُمثل الاندماج النووي معظم إنتاج الطاقة في الشمس والنجوم الأخرى . يسمح الانشطار النووي بتحلل العناصر والنظائر المشعة ، على الرغم من أنه غالبًا ما يتوسطه التفاعل الضعيف. يتم إطلاق الطاقة المرتبطة بالقوة النووية جزئيًا في الطاقة النووية والأسلحة النووية ، سواء في أسلحة الانشطار القائمة على اليورانيوم أو البلوتونيوم ، أو في أسلحة الاندماج مثل القنبلة الهيدروجينية . [ 3 ] [ 4 ]

تاريخ

قبل عام ١٩٧١، لم يكن الفيزيائيون متأكدين من كيفية ترابط نواة الذرة. كان معروفًا أن النواة تتكون من بروتونات ونيوترونات ، وأن البروتونات تحمل شحنة كهربائية موجبة ، بينما النيوترونات متعادلة كهربائيًا. وبناءً على المبادئ الراسخة للكهرومغناطيسية، كان من المتوقع أن تتنافر الشحنات الموجبة، وأن تتسبب البروتونات الموجبة الشحنة في تفكك النواة. إلا أن هذا لم يُرصد قط. لذا، كانت هناك حاجة لاكتشافات جديدة في الفيزياء لتفسير هذه الظاهرة.

تم افتراض وجود قوة جذب أقوى لتفسير كيفية ارتباط نواة الذرة على الرغم من التنافر الكهرومغناطيسي المتبادل بين البروتونات . وقد سُميت هذه القوة المفترضة بالقوة النووية القوية ، والتي اعتُقد أنها قوة أساسية تؤثر على البروتونات والنيوترونات التي تُكوّن النواة.

في عام ١٩٦٤، اقترح موراي جيل مان ، وجورج زويج بشكل منفصل، أن الباريونات ، التي تشمل البروتونات والنيوترونات، والميزونات تتكون من جسيمات أولية. أطلق زويج على هذه الجسيمات الأولية اسم "الآسات"، بينما أطلق عليها جيل مان اسم "الكواركات"؛ وأصبحت هذه النظرية تُعرف بنموذج الكواركات . [ ٥ ] كان التجاذب القوي بين النيوكليونات أثرًا جانبيًا لقوة أساسية تربط الكواركات معًا لتكوين البروتونات والنيوترونات. تشرح نظرية الديناميكا اللونية الكمومية أن الكواركات تحمل ما يُسمى بالشحنة اللونية ، على الرغم من أنها لا علاقة لها بالألوان المرئية. [ ٦ ] تتجاذب الكواركات ذات الشحنات اللونية المختلفة نتيجةً للتفاعل القوي، ويُطلق على الجسيم الذي يتوسط هذا التجاذب اسم الغلوون .

سلوك التفاعل القوي

يمكن رصد التفاعل القوي على نطاقين، ويتوسط كل نطاق منهما ناقلات قوة مختلفة. فعلى نطاق أقل من 0.8 فيمتومتر تقريبًا (نصف قطر النيوكليون تقريبًا)، تحمل الغلوونات هذه القوة ، وهي تربط الكواركات معًا لتكوين البروتونات والنيوترونات والهادرونات الأخرى. أما على نطاق أوسع، يصل إلى 3 فيمتومتر تقريبًا، فتحمل الميزونات هذه القوة ، وهي تربط النيوكليونات ( البروتونات والنيوترونات ) معًا لتكوين نواة الذرة . [ 2 ] في السياق الأول، تُعرف هذه القوة غالبًا باسم قوة اللون ، وهي قوية جدًا لدرجة أنه إذا اصطدمت جسيمات عالية الطاقة بالهادرونات، فإنها تُنتج نفاثات من الجسيمات الضخمة بدلًا من إطلاق مكوناتها (الكواركات والغلوونات) كجسيمات حرة الحركة. تُسمى هذه الخاصية للقوة القوية بحصر اللون .  

طبقتان من التفاعل القوي
تفاعليتراوحمحتجزالناقلنتيجة
قوي<0.8  fmالكواركغلوونهادرون
قوة متبقية1-3  فيمهادرونالميزوننواة

داخل الهادرونات

الاقترانات الأساسية للتفاعل القوي: (أ) إشعاع الغلوون، (ب) انقسام الغلوون و (ج، د) اقتران الغلوون الذاتي.

يُستخدم مصطلح "قوي " لأن التفاعل القوي هو "الأقوى" بين القوى الأساسية الأربع. فعلى مسافة 10⁻¹⁵  متر، تبلغ قوته حوالي 100  ضعف قوة المجال الكهرومغناطيسي ، وحوالي 10⁶ ضعف  قوة المجال الضعيف، وحوالي 10³⁸ ضعف  قوة الجاذبية .

تُوصَف القوة النووية القوية بواسطة الديناميكا اللونية الكمومية (QCD)، وهي جزء من النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات. رياضياً، تُعدّ QCD نظرية قياس غير تبديلية تعتمد على مجموعة تناظر محلية (قياسية) تُسمى SU(3) .

الجسيم الحامل للقوة في التفاعل القوي هو الغلوون، وهو بوزون قياسي عديم الكتلة . يُعتقد أن الغلوونات تتفاعل مع الكواركات والغلوونات الأخرى عبر نوع من الشحنة يُسمى الشحنة اللونية . تُشابه الشحنة اللونية الشحنة الكهرومغناطيسية، لكنها تأتي بثلاثة أنواع (±أحمر، ±أخضر، و±أزرق) بدلاً من نوع واحد، مما ينتج عنه قواعد سلوك مختلفة. تُوصف هذه القواعد بواسطة الديناميكا اللونية الكمومية (QCD)، وهي نظرية تفاعلات الكواركات والغلوونات. على عكس الفوتون في الكهرومغناطيسية، وهو متعادل الشحنة، يحمل الغلوون شحنة لونية. الكواركات والغلوونات هي الجسيمات الأساسية الوحيدة التي تحمل شحنة لونية غير معدومة، وبالتالي فهي تشارك في التفاعلات القوية فيما بينها فقط. القوة القوية هي تعبير عن تفاعل الغلوون مع جسيمات الكواركات والغلوونات الأخرى.

تتفاعل جميع الكواركات والغلوونات في الديناميكا اللونية الكمومية مع بعضها البعض عبر القوة النووية القوية. وتُحدد قوة هذا التفاعل بواسطة ثابت الاقتران القوي . وتتأثر هذه القوة بشحنة اللون القياسية للجسيم، وهي خاصية نظرية الزمر .

تؤثر القوة النووية القوية بين الكواركات. وعلى عكس جميع القوى الأخرى (الكهرومغناطيسية، والضعيفة، والجاذبية)، فإن القوة النووية القوية لا تتضاءل قوتها مع ازدياد المسافة بين أزواج الكواركات. فبعد بلوغ مسافة محددة (بحجم الهادرون تقريبًا)، تبقى قوتها ثابتة عند حوالي10000 نيوتن  ، بغض النظر عن زيادة المسافة بين الكواركات. [ 7 ] : 164 مع ازدياد المسافة بين الكواركات، تُنشئ الطاقة المُضافة إلى الزوج أزواجًا جديدة من الكواركات المتطابقة بين الكواركين الأصليين؛ لذا يستحيل عزل الكواركات. التفسير هو أن مقدار الشغل المبذول ضد قوة مقدارها 10000 نيوتنيكفي مقدار 10000 نيوتن  لتكوين أزواج من الجسيمات والجسيمات المضادة ضمن مسافة قصيرة جدًا. الطاقة المضافة إلى النظام نتيجة فصل كواركين عن بعضهما البعض تُنتج زوجًا جديدًا من الكواركات التي ستتحد مع الكواركات الأصلية. في الديناميكا اللونية الكمومية، تُسمى هذه الظاهرة بالحصر اللوني ؛ ونتيجة لذلك، لا يُمكن رصد سوى الهادرونات، وليس الكواركات الحرة المنفردة. يُعتبر فشل جميع التجارب التي بحثت عن الكواركات الحرة دليلًا على هذه الظاهرة.

لا يمكن رصد جسيمات الكوارك والغلوون الأولية المشاركة في تصادم عالي الطاقة بشكل مباشر. ينتج عن هذا التفاعل نفاثات من الهادرونات المتولدة حديثًا والتي يمكن رصدها. تتولد هذه الهادرونات، كمظهر من مظاهر تكافؤ الكتلة والطاقة، عندما تُودع طاقة كافية في رابطة كوارك-كوارك، كما هو الحال عندما يصطدم كوارك في بروتون بكوارك سريع جدًا في بروتون آخر أثناء تجربة مسرع الجسيمات . مع ذلك، فقد رُصدت بلازما الكوارك-غلوون . [ 8 ]

بين الهادرونات

مخطط فاينمان (كما هو موضح في الرسوم المتحركة في المقدمة) مع مكونات الكواركات الفردية ، لتوضيح كيف يؤدي التفاعل القوي الأساسي إلى نشوء القوة النووية . الخطوط المستقيمة هي الكواركات، بينما الحلقات متعددة الألوان هي الغلوونات (حاملات القوة الأساسية).

بينما يشير حصر اللون إلى أن القوة النووية القوية تعمل دون تناقص المسافة بين أزواج الكواركات في تجمعات متراصة من الكواركات المرتبطة (الهادرونات)، إلا أنه عند مسافات تقترب من نصف قطر البروتون أو تتجاوزه، تبقى قوة متبقية (موصوفة أدناه). وتتجلى هذه القوة بين الهادرونات "عديمة اللون"، وتُعرف بالقوة النووية أو القوة النووية القوية المتبقية (وتاريخيًا بالقوة النووية القوية ).

تؤثر القوة النووية بين الهادرونات، المعروفة باسم الميزونات والباريونات . هذه "القوة النووية المتبقية"، التي تعمل بشكل غير مباشر، تنقل الغلوونات التي تشكل جزءًا من ميزونات π و ρ الافتراضية ، والتي بدورها تنقل القوة  بين النيوكليونات التي تربط النواة (باستثناء نواة الهيدروجين-1 ) معًا. [ 9 ]

وبالتالي، فإن القوة النووية القوية المتبقية هي بقايا ضئيلة من القوة النووية القوية التي تربط الكواركات معًا لتكوين البروتونات والنيوترونات. وتكون هذه القوة نفسها أضعف بكثير بين النيوترونات والبروتونات، لأنها تتعادل في الغالب داخلها ، بنفس الطريقة التي تكون بها القوى الكهرومغناطيسية بين الذرات المتعادلة ( قوى فان دير فالس ) أضعف بكثير من القوى الكهرومغناطيسية التي تربط الإلكترونات بالنواة، مكونةً الذرات. [ 7 ]

على عكس القوة النووية القوية، تتضاءل القوة النووية القوية المتبقية مع المسافة، وبسرعة. ويتناسب هذا التضاؤل ​​تقريبًا مع قوة أسية سالبة للمسافة، مع أنه لا يوجد تعبير بسيط معروف لذلك؛ انظر جهد يوكاوا . ويؤدي التضاؤل ​​السريع للقوة المتبقية الجاذبة مع المسافة، والتضاؤل ​​الأقل سرعة للقوة الكهرومغناطيسية التنافرية المؤثرة بين البروتونات داخل النواة، إلى عدم استقرار النوى الذرية الأكبر حجمًا، مثل جميع النوى التي يزيد عددها الذري عن 82 (عنصر الرصاص).

على الرغم من أن القوة النووية أضعف من التفاعل القوي نفسه، إلا أنها لا تزال ذات طاقة عالية: إذ تُنتج الانتقالات أشعة غاما . تختلف كتلة النواة اختلافًا كبيرًا عن مجموع كتل النيوكليونات الفردية. ويعود هذا النقص في الكتلة إلى طاقة الوضع المرتبطة بالقوة النووية. وتُستخدم الفروقات بين هذه النقصات في الكتلة لتوليد الطاقة اللازمة لعمليتي الاندماج النووي والانشطار النووي .

توحيد

تهدف ما يُسمى بنظريات التوحيد الكبرى (GUT) إلى وصف التفاعل القوي والتفاعل الكهروضعيف كجوانب لقوة واحدة، على غرار كيفية توحيد التفاعلات الكهرومغناطيسية والضعيفة بواسطة نموذج غلاشو-واينبرغ-سلام في التفاعل الكهروضعيف . يتميز التفاعل القوي بخاصية تُسمى الحرية التقاربية ، حيث تتضاءل قوة القوة القوية عند الطاقات (أو درجات الحرارة) العالية. [ 10 ] : 98 الطاقة النظرية التي تتساوى عندها قوة التفاعل القوي مع قوة التفاعل الكهروضعيف هي طاقة التوحيد الكبرى . مع ذلك، لم تُصاغ أي نظرية توحيد كبرى بنجاح حتى الآن لوصف هذه العملية، ولا يزال التوحيد الكبير مشكلة غير محلولة في الفيزياء .

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ تختلف القوة النسبية للتفاعل باختلاف المسافة. انظر على سبيل المثالمقال مات ستراسلر ، "قوة القوى المعروفة" .
  2. 1 2 "القوى الأربع: التفاعل القوي" موقع قسم الفيزياء الفلكية بجامعة ديوك .
  3. ↑ راغب، مجدي. "الفصل 4: العمليات النووية، القوة النووية القوية" (ملف PDF) . جامعة إلينوي. مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 18 ديسمبر 2012. تاريخ الاطلاع: 3 أكتوبر 2023 .
  4. ↑ "الدرس 13: طاقة الربط ونقص الكتلة" . موقع Furry Elephant التعليمي للفيزياء . مؤرشف من الأصل بتاريخ 28-05-2023 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 03-10-2023 .
  5. ↑ ويلكزك، فرانك (1982). "الديناميكا اللونية الكمومية: النظرية الحديثة للتفاعل القوي". المراجعة السنوية للعلوم النووية والجسيمية . 32 (1): 177-209 . Bibcode : 1982ARNPS..32..177W . doi : 10.1146/annurev.ns.32.120182.001141 .
  6. ↑ فاينمان، آر بي (1985). نظرية الكهروديناميكا الكمية: النظرية الغريبة للضوء والمادة . مطبعة جامعة برينستون. ص 136. ISBN  978-0-691-08388-9. الفيزيائيون الأغبياء، غير القادرين على ابتكار أي كلمات يونانية رائعة بعد الآن، يطلقون على هذا النوع من الاستقطاب الاسم المؤسف "اللون"، والذي لا علاقة له باللون بالمعنى الطبيعي.
  7. 1 2 فريتش، هـ. (1983). الكواركات: مادة المادة . بيسيك بوكس. ص 167-168 . ISBN  978-0-465-06781-7.
  8. ↑ «بلازما الكوارك-غلوون هي الحالة البدائية للمادة» . موقع About.com التعليمي . مؤرشف من الأصل بتاريخ 18 يناير 2017. تم الاطلاع عليه بتاريخ 16 يناير 2017 .
  9. ↑ "3. القوة النووية القوية" (ملف PDF) . قسم الرياضيات التطبيقية والفيزياء النظرية، جامعة كامبريدج. مؤرشف من النسخة الأصلية (ملف PDF) بتاريخ 22 أكتوبر 2021. تم الاطلاع عليه بتاريخ 10 يناير 2023 .
  10. ↑ بيركنز، دونالد هـ. (2011). فيزياء الجسيمات الفلكية . سلسلة أكسفورد للماجستير في الفيزياء: فيزياء الجسيمات، والفيزياء الفلكية، وعلم الكونيات (الطبعة الثانية، طبعة معاد طباعتها ). أكسفورد: مطبعة جامعة أكسفورد. ISBN  978-0-19-954546-9.

للمزيد من القراءة