لماذا ليست نواة الذرة مستديرة؟

منذ أن كانت النواة الذرية أولًا اقترح في عام 1911افترض الفيزيائيون ببساطة أنها كانت مستديرة. ​

لكن هل نوى الذرات مستديرة حقًا؟ من الناحية البديهية، يبدو هذا الشكل منطقيًا، ويعتقد الفيزيائيون أنه يفسر بشكل مناسب القياسات المبكرة للخصائص النووية. ولم يبدأ ظهور أول دليل على صورة أكثر تعقيدًا إلا بعد مرور سنوات.

أولاً، دعونا نستكشف بنية الذرة. وقال إن النواة تتشكل من مجموعة من البروتونات والنيوترونات في مركز الذرة، وهي أصغر بـ 10000 مرة من الذرة ككل، “مثل الذبابة في الكاتدرائية”. ديفيد جنكينز، عالم فيزياء نووية بجامعة يورك بالمملكة المتحدة. على الرغم من احتوائها على الأغلبية الساحقة من كتلة الذرة، إلا أن النواة نفسها ليس لها تأثير يذكر على خصائص الذرة للوهلة الأولى. يتم تحديد كيمياء الذرة من خلال التكوين الإلكتروني، في حين تنشأ أي خصائص فيزيائية من كيفية تفاعلها مع الذرات الأخرى.

بالتوازي مع فكرة الأغلفة الإلكترونية في الفيزياء الذرية، اقترح العلماء في عام 1949 فكرة نموذج القشرة النووية: البروتونات والنيوترونات تقع في أغلفة نووية مختلفة، ويمكن لمدخلات الطاقة الإضافية أن تثير هذه الجسيمات للقفز لأعلى ولأسفل بين مستويات الطاقة الثابتة.

قال جينكينز لموقع Live Science: «لكن لاحقًا، أصبح من الواضح أن معظم السلوك في النوى تم وصفه بما نسميه السلوك الجماعي، فهو يعمل ككائن واحد متماسك». والنتيجة هي أن النواة ككل يمكن أن تظهر نوعين من الخصائص: يمكن أن تدور، أو يمكن أن تهتز.

متعلق ب: من أين تحصل الإلكترونات على الطاقة لتدور حول نواة الذرة؟

يمكن للطرق الطيفية اكتشاف هذا الدوران في معظم الجزيئات، وقياس بصمة مستويات الطاقة الدورانية المختلفة. لكن الأجسام الكروية تبدو متشابهة أيًا كان الاتجاه الذي تدور فيه، هكذا تبدو الأنظمة المتناظرة الذرات – لا تولد الطيف.

وأوضح جينكينز: “الطريقة الوحيدة التي يمكنك من خلالها رؤية دليل على الدوران في النواة هي إذا كانت النواة مشوهة”. “ورأى الناس أن النواة لديها أنماط من الإثارة تعرف باسم العصابات الدورانية، مما يشير إلى تشوه النواة.”

منذ هذا الاكتشاف المذهل في الخمسينيات، كشفت التجارب المستهدفة عن مجموعة كبيرة من الأشكال النووية، من الكمثرى إلى M&Ms – والجولة هي الاستثناء وليس القاعدة. حوالي 90% من النوى لها شكل كرة القدم الأمريكية – والتي يطلق عليها تقنيًا “المشوهة المتطايرة” – في أدنى حالة طاقة لها، مع القليل منها بشكل مدهش يأخذ الكرة المضغوطة المعاكسة، شكل يشبه M&M، يسمى مشوهًا مفلطحًا.

وقال جينكينز: “لا نعرف لماذا يبدو هذا الشكل المنتفخ أكثر ملاءمة من الشكل المفلطح”. “لدى بعض النوى أيضًا أشكال متعددة حتى تتمكن من إظهار شكل واحد في الحالة الأرضية، ثم تضع بعض الطاقة فيها وتتشوه إلى شكل آخر.”

تقتصر النواة الأكثر غرابة على شكل كمثرى على مناطق معينة من المخطط النووي، خاصة حول الراديوم، في حين تقتصر النوى الكروية عمومًا على الذرات ذات الأعداد “السحرية” (أو الأغلفة الكاملة) للجسيمات النووية. ولكن ما الذي يسبب التشوه؟

قال: “من البديهي أن يكون الشكل الأساسي للجسم غير المتحمس أو المتذبذب أو الممتد كرويًا”. بول ستيفنسون، عالم فيزياء نووية في جامعة سري في المملكة المتحدة “لكن في الواقع، في حالة النوى، من المدهش أن يكون أي منها كرويًا لأنها تخضع لقوانين ميكانيكا الكم”.

ال معادلة شرودنغر – أحد أهم المبادئ الأساسية في ميكانيكا الكم — يتنبأ رياضيًا بكيفية تغير الدالة الموجية لجسم ما بمرور الوقت، مما يوفر بشكل أساسي وسيلة لتقدير الحركة المحتملة وموضع ذلك الجسم. وبالتالي فإن حل هذه المشكلة بالنسبة للنواة الذرية يوفر سحابة من الاحتمالية لجميع الأماكن المحتملة التي يمكن أن تكون فيها، والتي تعطي الشكل النووي مجتمعة.

وأوضح ستيفنسون: “الحلول الأساسية لمعادلة شرودنغر لا تبدو كروية، حيث تحصل على هذه الأشكال التي تتحرك في دائرة، لكنها تبدأ بعد ذلك في التموج”. “لذلك نظرًا لأن حلول الدالة الموجية الكمومية هذه لها عدم تناسق في حد ذاتها، فإنها تجعل الجسيمات الموجودة في النواة أكثر عرضة للإشارة في اتجاه واحد.”

بالنسبة للنوى الكروية النادرة، يحدث أن يتم إلغاء هذا التموج. لكن العلماء لم يفهموا بعد السبب – أو إذا كان هناك سبب – وراء كون بعض هذه الأشكال المشوهة أكثر شيوعًا من غيرها.

قال جينكينز: “هذا يقلب الإرث”. “إنه انقلاب كامل عن الطريقة التي كان ينظر بها الناس في الأصل إلى النوى، ولا يزال هناك الكثير من الأسئلة المفتوحة.”