عالم فائز بجائزة نوبل يشرح: من أين جاءت الذرات؟

كتب – رامز يوسف:

قال ريتشارد فاينمان، عالم الفيزياء النظرية الشهير الحائز على جائزة نوبل، إنه لو استطاع نقل معلومة علمية واحدة فقط للأجيال القادمة، لكان من الممكن أن تكون أن كل شيء مكون من ذرات.

يُعد فهم كيفية تشكل الذرات سؤالًا أساسيًا ومهمًا، لأنها تُكوّن كل شيء بالكتلة.

يتطلب إجابة سؤال أصل الذرات، إجابةً شاملةً عن الكثير من الفيزياء – وحتى في هذه الحالة، لا يملك الفيزيائيون سوى تخميناتٍ جيدة لتفسير كيفية تشكل بعض الذرات.

ما هي الذرة؟

تتكون الذرة من مركز ثقيل يُسمى النواة، يتكون من جسيمات تُسمى البروتونات والنيوترونات. تحتوي الذرة على جسيمات أخف تُسمى الإلكترونات، والتي يُمكن تخيلها تدور حول النواة.

يحمل كل إلكترون وحدة شحنة سالبة واحدة، بينما يحمل كل بروتون وحدة شحنة موجبة واحدة، أما النيوترونات فلا تحمل أي شحنة. تحتوي الذرة على نفس عدد البروتونات والإلكترونات، لذا فهي متعادلة الشحنة – أي لا تحمل شحنة إجمالية.

معظم الذرات في الكون هي أبسط نوعين: الهيدروجين، الذي يحتوي على بروتون واحد، وصفر نيوترونات، وإلكترون واحد؛ والهيليوم، الذي يحتوي على بروتونين، ونيوترونين، وإلكترونين. بالطبع، توجد على الأرض ذرات كثيرة أخرى شائعة، مثل الكربون والأكسجين.

العنصر هو ما يسميه العلماء مجموعة من الذرات المتشابهة، لأنها تحتوي جميعها على نفس عدد البروتونات.

متى تشكلت الذرات الأولى؟

تشكل معظم ذرات الهيدروجين والهيليوم في الكون بعد حوالي 400 ألف عام من الانفجار العظيم، وهو الاسم الذي يُطلق على الفترة التي يعتقد العلماء أن الكون قد بدأ فيها، أي قبل حوالي 14 مليار سنة.

لماذا تشكلت في ذلك الوقت؟ يعلم علماء الفلك من خلال رصد النجوم المتفجرة البعيدة أن حجم الكون يتزايد منذ الانفجار العظيم. عندما تشكلت ذرات الهيدروجين والهيليوم لأول مرة، كان الكون أصغر بحوالي 1000 مرة مما هو عليه الآن.

وبناءً على فهمهم للفيزياء، يعتقد العلماء أن الكون كان أكثر حرارة بكثير عندما كان أصغر.

قبل ذلك الوقت، كانت الإلكترونات تمتلك طاقة هائلة لا تسمح لها بالاستقرار في مدارات حول أنوية الهيدروجين والهيليوم. لذلك، لم تتشكل ذرات الهيدروجين والهيليوم إلا بعد أن يبرد الكون إلى حوالي (2760 درجة مئوية).

تشكلت نوى الهيليوم والديوتيريوم – وهما شكل أثقل من الهيدروجين – في وقت أبكر، بعد دقائق قليلة من الانفجار العظيم، عندما كانت درجة الحرارة أعلى من (556 مليون درجة مئوية). لا يمكن للبروتونات والنيوترونات أن تتصادم وتُكوّن أنوية كهذه إلا عند درجات حرارة عالية جدًا.

يعتقد العلماء أن معظم المادة العادية في الكون يتكون من حوالي 90% ذرات هيدروجين و8% ذرات هيليوم.

كيف تتكون الذرات الأكبر حجمًا؟

إذن، تكونت ذرات الهيدروجين والهيليوم أثناء إعادة التركيب، عندما سمحت درجة الحرارة المنخفضة للإلكترونات بالسقوط في مدارات. لكنك، وأنا، وكل شيء تقريبًا على الأرض، يتكون من ذرات أكبر حجمًا بكثير من الهيدروجين والهيليوم فقط. كيف تكونت هذه الذرات؟

الإجابة المدهشة أن الذرات الأكبر حجمًا تتكون في النجوم. يتطلب تكوين ذرات تحتوي على عدة بروتونات ونيوترونات ملتصقة ببعضها البعض في النواة نوع التصادمات عالية الطاقة التي تحدث في الأماكن شديدة الحرارة. يجب أن تكون الطاقة اللازمة لتكوين نواة أثقل كبيرة بما يكفي للتغلب على القوة الكهربائية الطاردة التي تشعر بها الشحنات الموجبة، مثل بروتونين، تجاه بعضها البعض.

للبروتونات والنيوترونات أيضًا خاصية أخرى – تشبه نوعًا من الشحنة – وهي قوية بما يكفي لربطها ببعضها بمجرد أن تقترب من بعضها البعض. تُسمى هذه الخاصية “القوة النووية القوية”، وتُسمى عملية التصاق هذه الجسيمات بالاندماج.

يعتقد العلماء أن معظم العناصر، من الكربون إلى الحديد، تندمج في النجوم الأثقل من شمسنا، حيث يمكن أن تتجاوز درجة الحرارة مليار فهرنهايت (556 مليون درجة مئوية) – وهي نفس درجة حرارة الكون عندما كان عمره بضع دقائق فقط.

ولكن حتى في النجوم الحارة، لا تتشكل عناصر أثقل من الحديد والنيكل. تتطلب هذه العناصر طاقة إضافية، لأن العناصر الأثقل يمكن أن تنكسر بسهولة أكبر.

في حدث دراماتيكي يُسمى المستعر الأعظم، ينهار اللب الداخلي لنجم ثقيل فجأة بعد نفاد وقوده اللازم للاحتراق. خلال الانفجار القوي الذي يُسببه هذا الانهيار، يمكن أن تتشكل عناصر أثقل من الحديد وتُقذف إلى الكون.

لا يزال علماء الفلك يحاولون فهم تفاصيل أحداث نجمية أخرى مذهلة تُشكّل ذرات أكبر. على سبيل المثال، يُمكن للنجوم النيوترونية المتصادمة أن تُطلق كميات هائلة من الطاقة – وعناصر كالذهب – في طريقها إلى تكوين ثقوب سوداء.

يتطلب فهم كيفية تكوين الذرات تعلم القليل من النسبية العامة، بالإضافة إلى بعض الفيزياء النووية والجسيمية والذرية. ولكن ما يزيد الأمر تعقيدًا، وجود مادة أخرى في الكون لا يبدو أنها مكونة من ذرات عادية على الإطلاق، تُسمى المادة المظلمة. يدرس العلماء ماهية المادة المظلمة وكيفية تشكلها.

ريتشارد فاينمان، عالم الفيزياء النظرية الشهير الحائز على جائزة نوبل

المصدر: The Conversation

اقرأ أيضا:

اكتشاف الكحول حول قرص نجمي شاب: بداية الحياة