الكترون موجب!؟

اربط احزمة امان دماغك فرحلتنا مليئة بالعقبات, اقطع كل الاتصالات مع العالم الخارجي؛ ضع هاتفك على وضع الطيران, اغلق الفيسبوك, انهي كل محادثات المسنجر, توقف عن السقسقة في تويتر…حاول ان تجمع كل قواك العقلية (والعاطفية) فوجهتنا الذرة وسبر اغوارها هدفنا. مستعد؟ هيا بنا لنسير بسرعة الضوء وندخل للذرة ونرى ماذا يجري بداخلها!

لا بد انك في طفولتك وبدافع حب الاستطلاع ادخلت اصبعك في احد القوابس الكهربائية!

لم تفعل؟  لا بئس فلا بد انك شعرت مرة برعشة ناتجة عن تكهرب ولو كان بسيط. هل فكرت لماذا؟ الجواب ابسط من ان يحتاج لتفكر فيه. عدد من الالكترونات النشيطة تجولت في جسدك وفعَّلت جهاز الاعصاب الاارادي عندك فشعرت بصعقة كهربائية. حاول الكثير من العلماء بحث هذه الالكترونات وتوصلوا الى الميكانيكا الكلاسيكية المبسطة بشرحها لظواهر الطبيعة. لكن مع تطور العلم توصل العلماء الى طرق عديدة مسدودة في وجه هذه الميكانيكا!

تتسائل لماذا عندما يذكر اينشتن اول كلمة  تخطر ببالك هي “عبقرية”؟ تجيب “النسبية”! لا, عبقرية اينشتن تخطت هذه الحدود لتدخل الى اعماق الذرة وتفسر احد اعظم التناقضات العصرية والتي تقلب الميكانيكا الكلاسيكية راسا على عقب! هذه النظرية منحت اينشتن جائزة نوبل وليست النسبية!

بشكل مبسط, شرح اينشتن ماذا يحدث عندا يصطدم فوتون (فوتون: جسيم ضوء عديم كتلة السكون وعديم الشحنة “طاقة متنقلة”) ذو  طاقة منخفضة نسبيا بمادة. عندها يفقد الفوتون كل طاقته ويمررها لاحد الالكترونات في احد المدارات في الذرة. تسمى هذه الظاهرة بالظاهرة الكهروضوئية.

.Photoelectric effect

{youtube}N7BywkIretM{/youtube}

حتى تحصل الظاهرة يجب ان تكون طاقة الفوتون مساوية لطاقة الرابط الكيمي للالكترون  وهي الطاقة اللازمة لنزع الكترون من الذرة او لكسر الرابط الكيميائي بين الالكترون ونواة الذرة. في حالة اختلافها (طاقة الفوتون) عن طاقة الرابط الكيميائي يقل احتمال حصول الظاهرة. اذاً لدينا الكترون غير مربوط للذرة ذا كتلة وشحنة سالبة ويسير باتجاه موازي لاتجاه الفوتون المصطدم. حتى هنا انتهت مهمة صديقنا اينشتن.

لكن ماذا يحدث لو كانت طاقة الفوتون كبيرة جدا؟ اعزائنا الركاب نمر الان بجانب الكترون يدور بسرعة “جنونية” حول نواة الذرة رجاء لا تحاولوا اجراء اي اتصال خارجي سوف تضايقون صديقنا الالكترون وتؤثروا على الحقل الكهرومغناطيسي للذرة! أوهناك حقل مغناطيسي للذرة؟ بالتاكيد!

ذكرنا ان الفوتون عبارة عن “طاقة متنقلة”. عندما يقترب فوتون ذا طاقة كبيرة من الذرة يتفاعل (ليس تفاعل كيميائي!!) مع الحقل الكهرومغناطيسي للذرة وليس مع الذرة نفسها كما في الظاهرة الكهروضوئية. ماذا يحدث لتلك الطاقة؟ لم يدع اينشتن لغيره ان يشرح ماذا يحدث! يعتبر الامر غير منطقي لكن هكذا ميكانيكا الكم! تتحول تلك الطاقة الى كتلة وشحنات! كيف؟  حسبقانون اينشتن : E=mc²:

E الطاقة,m الكتلة c سرعة الضوء.

بما ان الفوتون عديم الشحنة ومن معادلة استمرارية الشحنة ينتج لدينا جسيمين متساويا الكتلة ومتناقضا الشحنة. تسمى هذه الظاهرة بظاهرة الانتاج الزوجي.Pair production.

حتى تحدث هذه الظاهرة يتوجب على الفوتون ان يكون ذا طاقة مساوية لطاقة كتلة الكترونين:

E=2*(electron mass)*c^2.

اغلب الاحتمالات ان ينتج لدينا الكترونيين. لكن ماذا عن الشحنة؟ ذكرنا انه ينتج جسيمين ذوا شحنات متناقضة والالكترون المعروف لدينا شحنته سالبة!

في الفيزياء هناك ما يسمى بالبوزيترونPositron 

وهو جُسيم أولي لا يدخل في تكوين المادة العادية، ويعتبر الجسيم المُضاد للإلكترون أو نقيض الإلكترون. وهو يتطابق مع الإلكترون في الصفات والخصائص الفيزيائية كافةً، فيما عدا الشحنة الكهربائية؛ إذ يحمل البوزيترون شحنة كهربائية موجبة مساوية لشحنة الإلكترون، ولكن على عكس الإلكترون الذي يحمل شحنة كهربائية سالبة. والبوزيترون هو اختصار لكلمة(Positive Electron).

هناك ايضا ما يسمى بالنيجاترون  وهو الالكترون السالب المعروف لدينا.(Negatron)

اذاً نتج لدينا بوزيترون ونيجاترون ذوا كتل متساوية  وشحنات متناقضة وسرعات باتجاهات مختلفة!
لكن هل لهذه “الخرافات” استعمالات؟ بالتاكيد فكل هذا التطور التكنولوجي الذي نشهده اليوم يعتمد على هذه الظواهر الفيزيائية. (مثل الخلايا الشمسية).

تستعمل مثل هذه الظواهر في الطب! او في الهندسة البيوطبية. معظم تقنيات التصوير بالاشعة (او كلها…) تستخدم الفوتونات وتفاعلاتها المختلفة (ذكرنا فقط 2 منها) مع الانسجة في الجسم للحصول على صورة داخلية للجسم دون الحاجة للدخول الى داخل الجسم. امثلة شائعة 

Roentgen (X-Ray), CT, PET, SPECT.
من الجدير بالذكر ان للفوتونات او نواتج التفاعلات طاقة كبيرة. اثناء تواجد هذه الطاقة داخل الجسم قد تؤدي الى تدمير انسجة داخل الجسم او الى سرطان! لذلك تعتبر طرق التصوير هذه غير امنة نسبيا لطرق اخرى مثل الMRI ,Ultra Soundوالتي تعمل بطرق جنونية اخرى!

معلومة عالسريع: هل تعلم ان رحلتنا غير ممكنة! فحين نسير بسرعة الضوء تتحول الكتلة الى طاقة اي اننا بمفهومنا كبشر نختفي
ملاحظة: الامور التي تطرقت اليها ما هي الا نظرة سريعة في ميكانيكا الكم والظواهر المعروضة تم تبسيطها بقدر الامكان لتناسب كل القراء وليس الفيزيائين فقط لذلك لم اقم بالتطرق للقوانين المناسبة لهذه الظواهر.

المصادر:

http://www.wikipedia.org/

Harold Johns & John Robert, The Physics of Radiology 4th ed.

http://ryuc.info/creativityphysics/energy/pair_production.htm

http://www.daviddarling.info/encyclopedia/E/Einstein_and_photoelectric_effect.htm