التماسك في المادة و في الفضاء
- تتكون الذرة من نواة والكترونات في حالة حرة سريعة ودائمة حول النواة في مدارات محددة وفق نظرية بوهر .
- ذرة الهيدروجين هي ابسط الذرات . نواتها تتكون من دقيقة عنصرية واحدة , نصف قطرها يقارب جزء المليون من المليار من المتر ، إلكترونها الوحيد يوجد عن بعد من النواة يقارب الجزء 53 من ألف من المليار من المتر.
- أبعاد كل الذرات الاخري من نفس رتبة ابعا د ذرة الهيدروجين ،ويكمن الاختلاف في عدد الدقا ئق العنصرية فقط .
- يوجد بين النواة و الالكترونات فراغ كبير. نقول أن للمادة " بنية فراغية " .
- هذا الكون الفسيح المترامي الأطراف ، هل له حدود ؟ هل يبدأ من مكونات البروتونات و النيترونات و التي تسمى الكوارك Quarks أم يوجد أصغر منها ؟ أم مازلنا لم نصل بعد إلى الامتناهي في الصغر ؟! هل ينتهي الكون عند حدود المجرة ؟
- بالطبع لا ، فالمجرة ماهي إلا قطرة من بحر هذا الكون ، فملا ير المجرات تتجمع في مجموعات أو ( عناقيد ) ، وهذه المجموعات هي ملايير تؤلف فقط ( الكون المنظور ) و الكون المنظور ما هو إلا جزء صغير " فقاعة " و الفقاعة هي وحدة فقط من الكون " التضخمي " .
- و هل هذا الكون ينتهي عند الكون التضخمي ؟ أمازلنا بعد لم نصل اللامتناهي في الكبر ؟!
لقد تمكنا خلال القرن العشرين من التعرف على البنية الدقيقة للمادة ، فبعد أن صارت الذرة عبارة عن نواة وموكب من الالكترونات تم اكتشاف طبيعة النواة نفسها ( بروتونات و نيترونات ) و التفاعل النووي بينهما، و ذلك خلال فترة الثلاثينات و ما بعدها .
و أ كتشف خلال الستينات و السبعينات مستوى آخر للمادة وهو الكواركات التي تتكون منها البروتوناتو النيترونات ،ولا ندري هل الكواركات تمثل آخر مستوى تركيبي للمادة أم لا .
- الأرض : لها قطر في حدود و كتلة تساوي تقريبا. تنتمي الأرض إلى المجموعة الشمسية ، التي نشأت منذ حوالي ( 4,6 مليار سنة) .تبعد الأرض عن الشمس مسافة تساوي، و اعتمدت هذه المسافة كوحدة قياس الأطوال داخل المجموعة الشمسية ، و تدعى بـ الوحدة الفلكية و يرمز لها بالرمز ( Unitè astronomique)(Ua) أي :
- الشمس : قطرها 110 مرة قطر الأرض تقريبا ، كتلتها حوالي 330000 مرة كتلة الأرض ، حجمها 3,1 مليون مرة حجم الأرض .
- المجــرة : تنتمي شمسنا إلى مجموعة من النجوم ( حوالي 100 مليار نجم ) المكونة لمجرتنا المسماة درب التبانة La voie lactée .
قطر مجرتنا في حدود
أقرب نجم إلى الشمس يسمى " الظلمان القريب "S antaura Proxima " و يبعد عنها بحوالي
المجرات تتجمع في ما يسمى " مجاميع المجرات " أو " عناقيد المجرات " .
المجموعة التي تنتمي إليها مجرتنا تسمى " المجموعة المحلية " .
الكون الذي نحن فيه يسمى " الكون المرصود " أ, " الكون المرئي "، الذي نصف قطره في حدود ( 15 مليار سنة ضوئية ) أي في حدود
الكون المرئي هو فقاعة من " الكون التضخمي متعدد الفقاقيع " .
عمر الكون المرئي ( 15 مليار سنة ) و كتلته في حدود
كتلته الحجمية في حدود
للتعبير علميا عن الأعداد اللا متناهية في الكبر واللامتناهية في الصغر يتوجب استعمال كتابة علمية لتبسيط قراءتها وكتابتها ولهذا نلجأ إلي استخدام أس العدد 10 بحيث نكتب أي عدد بالشكل
حيث :
- تذكير :
البا دلة |
فمتو femto |
بيكو pico |
نانو nano |
ميكروmico |
ملي milli |
الوحدة |
كيلو kilo |
ميقا Méga |
جيقا Giga |
تيرا Téra |
الرمز |
f |
p |
n |
µ |
m |
|
K |
M |
G |
T |
معامل |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
رتبة عدد هي الأس العشري الأقرب إلي هذا العدد
نصف قطر نواة ذرة الهيدروجين :
نعتبر الأعداد التالية :
- أعطي الكتابة العلمية لهذ ه الأعداد وحدد رتبة كل عدد .
أعطي في الجدول التالي رتبة أبعاد الاشيا ء علما أن رتبة الرجل هي 1 ( تقدر الأبعاد بــ
قطر الكون |
|
قطر المجرة |
|
البعد بين الأرض و الشمس |
|
البعد بين الأرض و القمر |
|
جبل ارتفاعه m 800 |
|
طول نملة |
|
طول خلية |
|
طول جرثومة |
|
قطر ذرة |
|
قطر نواة |
|
لقد شغل رصد الفضاء و دراسة حركة الأجرام السماوية العديد من علماء منذ القدم لكن رغم محاولاتهم الجادة لم يتم التوصل إلى صياغة قانون يضبط حركة هذه الكواكب إلى غاية 1687م أين نشر العالم الانجليز"إسحاق نيوتن" كتابه الشهير"المبادئ الرياضية للفلسفة الطبيعية" و تضمن القوانين الثلاث:مبدأ العطالة’المبدأ الأساسي للتحريك بالإضافة إلى قانون الجذب العام و هذا نصه: "كل جسمان كيفيان يتجاذبان بقوة ’ تتناسب مع جداء كتلتيهما وعكسيا مع مربع المسافة التي تفصلهما". و هو يمثل أول قانون عام يصف صيغة الفعلين المتبادلين بين جسمين من جراء كتلتيهما.
من خلال الوثيقة المقابلة اجب على الأسئلة التالية:
- لماذا اطلق نيوتن على هذا القانون بقانون الجذب العام؟
- هل حركة جسم بالنسبة للأرض خاضعة لقانون الجذب العام؟
- اعد صياغة نص القانون السابق بشكل علاقة رياضية بالنسبة لجسمان وتفصلهما مسافة
- لأنه لم يحدد نوع الجسمان ولا المسافة بينهما .
- نعم.
- : شدة القوة التي يؤثر بها الجسمعلى الجسموحدتها نيوتنو تتجه مننحو
- : شدة القوة التي يؤثر بها الجسمعلى الجسموحدتها نيوتنو تتجه مننحو
- : معامل التناسب
- : كتلة الجسموحدتها الكيلوغرام.
- : كتلة الجسموحدتها الكيلوغرام.
- : المسافة بين الجسمو الجسم.
- هل يمكن حساب قوة الجذب العام لنيوتن لجسمين كتلتهما معلومة و المسافة بينهما أيضا معلومة ؟ .
حتى نتمكن من تطبيق قانون الجذب العام يجب معرفة قيمة ثابت التناسب و هذا ما توصل إليه العالم كافنديش سنة 1798 م مستخدما جهاز يسمى ميزان كافنديش وتمكن إلى تقدير قيمة الثابت
استخدم هذا العالم جهازا يسمى " ميزان كافنديش "المبين بالشكل و الذي يتالف من :
- كرتان صغيراتان من البلاتين كتلة كل واحد منهما
- كرتان كبيرتان من الرصاص كتاة كل منهما
- مرآة صغيرة محمولة على الخيط تسمح بعكس أي شعاع ضوئي يسقط عليها .
- عند تقريب الكرتين الكبيرتين من الكرتين الصغيرتين على مسافة
- بمعرفة مقدار الانحراف نستطيع تحديد زاوية الفتل و من ثم نعين قوة التجاذب
مع
و بيّن العالم كافنديش ان هذه القيمة هي في حدود
كرية
- ما هما الفعلان المتبادلان للجملة (كرية + ارض)؟
- ما هي القوة التي تؤثر بها الأرض على الكرية؟ وماذا تمثل؟
- أعط عبارتها بدلالة ;;;;.
- كيف تكون هذه العبارة إذا كانت الكرية موجودة على سطح الأرض؟
- احسب قيمة الجاذبية من اجل :
- تؤثر الكرية على الأرض بقوة و تؤثر الأرض بقوة على الكرية
- القوة التي تؤثر بها الأرض على الكرية تمثل قوة الثقل .
- كتابة عبارة القوة:
- عندما تكون الكرية موجودة على السطح أي :
نستبدل الكرية في المثال السابق بالقمر
- احسب قوة التجاذب بين الأرض و القمر علما ان كتلته و المسافة بين مركزي عطالة كل من القمر و الأرض
- ما دام القمر يخضع لقوة جذب من الأرض لماذا لا يسقط باتجاه الأرض؟علل و ماذا تستنتج في ما يخص تماسك الأجسام الفلكية؟
-
- القمر يدور بسرعة وفق مسار دائري حول الأرض مما يجعله خاضع إلى قوة طرد مركزية تسعى لانحرافه عن مساره فعلها يعاكس فعل قوة الجذبالتي تسمح للقمر بالمحافظة على مساره و على مسافة ثابتة بينه و بين الأرض.
ـ نعلل ذلك بان قوى الجذب هي المسؤولة عن تماسك القمر و الأرض و بالتالي تماسك الكواكب و المجرات فيما بينها أي هي المسؤولة عن تماسك الفضاء.
إن قوة الجذب العام عندما نطبقها على الأجسام ذات الكتل الصغيرة مقارنة بكتل الكواكب تكون فعلها ضعيف جدا لذا عادة ما تهمل و أما مجال تطبيقها الحقيقي يكون على الكواكب و الأجرام السماوية أي يظهر فعلها.
- ندلك ساقا من زجاج بواسطة قطعة قماش(قطن) ثم نقربها من قصاصات ورقية ماذا تلاحظ؟ كيف تفسر هذه الظاهرة؟هل هي خاضعة لقانون نيوتن؟أين يكمن الاختلاف؟
نلاحظ انجذاب القصاصات نحو الساق نقول ان الساق الزجاجية تكهربت (شحنت) عن طريق الدلك ، وهي لا تخضع لقانون نيوتن لان السبب الذي ادى إلى فعل التجاذب هو شحنة الساق و ليس كتلتها نقول ان هناك نوع ثاني من الأفعال المتبادلة يسمى بقانون كولوم توصل له العالم كولوم عام 1785م و هذا نصه : " شدة التأثير المتبادل بين شحنتين كهربائيتين
حيث:
- : الشحنة الكهربائية للجسموحدتها الكولوم
- : الشحنة الكهربائية للجسموحدتها الكولوم
- : المسافة وحدتها المتر
- : ثابت كولوم قيمته
هناك علاقة بين الكهرباء و المغناطيسية كما بينها العالم فاراداي : عند تقريب مغناطيس من سلك ملفوف (وشيعة) يولد تيارا كهربائيا.و أيضا الفعل المغناطيسي يولد فعلا كهربائيا لهذا السبب تم توحيد الكهرباء و المغناطيسية فسمي التأثير بالكهرومغناطيسي و مجال تطبيقه يتم على مستوى الذرة و الجزيئات فهو يضمن تماسك الالكترونات في دورانها حول الذرة وبالتالي تماسك الذرات و الجزئيات للمادة.
- مما تتكون نواة الحديد ؟ هل قانون كولوم محقق؟ كيف تفسر تماسكها؟
تتكون من 26 بروتون و 26 نيترون فقانون كولوم غير محقق لأنه لم يحدث تنافر بين البروتونات و النيترونات فسر العلماء ذلك بوجود قوة كبيرة جدا التي تضمن تماسك النواة تسمى القوة النووية القوية و ليس لها تأثير إلا داخل النواة مما يجعل مداها قصير.
من اجل تفسير عدم استقرار بعض الانوية اعتمد العلماء وجود قوة أساسية رابعة سميت القوة النووية الضعيفة وهي مسؤولة عن النشاط الإشعاعي للانوية غير المستقرة. لكن العلماء بعد جهود مضنية توصلوا إلى توحيد هذه القوة مع القوة الكهرومغناطيسية إلى قوة واحدة سميت القوة الكهروضعيفة .
بصفة عامة قوى الجذب العام هي المسؤولة عن تماسك الفضاء – و القوى الكهربائية هي المسؤولة عن تماسك المادة.
تصنف القوى الأساسية الطبيعية في الفيزياء إلى أربعة قوى هي :
- تعزى إلى كتلة الأجسام .
- نوع التأثير دوما تجاذبي.
- شدتها تعطي بقانون الجذب العام لنيوتن
- مسؤولة عن تماسك الكواكب و المجرات و الكون إذن هي مسؤولة عن تماسك الفضاء .
- لا تلعب أي دور في تماسك الجسيمات الصغيرة ( الذرات , الجزيئات , النواة ...)
- هي أضعف القوى الأربعة .
- تعزى إلى الشحنة الكهربائية للجسيمات .
- نوع التأثير تجاذب أو تنافر .
- شدتها تعطي بقانون كولوم
- تطبق على مستوى الذرات و الجزيئات فقط و لا تطبق على مستوى الكواكب لأن لهذه الأخيرة كتل متعادلة الشحنة الكهربائية الداخلية .
- لا تأثير لها على الأجسام الكبيرة العبائية لان هذه الأجسام العبائية متعادلة كهربائيا .
- تأتي في الرتبة الثانية من حيث الشدة .
و هي القوة التي تجيب عن السؤال المطروح : ما الذي يجعل النواة تتماسك مع وجود التنافر الكهربائي الكبير جدا بين بروتوناتها ؟
- تعزى الى الخاصية القوية ( اللون ) التي تحملها الكواركات ( ) التي تكوّن البروتونات و النيترونات .
- نوع التاثير : تجاذبي
- شدتها تعطى بقانون غير معروف حتى الآن .
- مدى تأثيرها قصير و يكون على مستوى النواة أي في حدود الفارمي
- مسؤولة عن تماسك البروتونات و النيترونات داخل النواة كما أنها مسؤولة عن تماسك كواركات البروتون أو النيترون .
- لا تلعب أي دور مهم في مدى اكبر من النواة .
- هي أعظم القوى الأساسية في الطبيعة على الإطلاق و تأتي في الرتبة الأولى ، وهي اكبر بحوالي 2000 مرة من القوة الكهربائية .
لو كانت القوة النووية القوية هي القوة الفاعلة الوحيدة داخل النواة لكانت كل الانوية مستقرة ، لكننا نعلم بوجود عدد كبير من الذرات التي أنويتها تصدر إشعاعات و جسيمات . إذن هي غير متماسكة رغم ارتباطها بالقوة النووية القوية ، و هذا ما فسره العلماء بوجود قوة أخرى هي القوة النووية الضعيفة .
- تعزى إلى الخاصة الضعيفة التي تحملها الجسيمات .
- نوع التأثير تلامسي .
- مدى تأثيرها قصير جدا في حدود أي في حدود الكوارك .
- مسؤولة عن النشاط الإشعاعي للأنوية غير المستقرة .
- تأتي في الرتبة الثالثة .
- كما أسلفنا الحديث ، فان المادة تتألف من ذرات والذرات من الكترونات ونواة ، والنواة من بروتونات ونيترونات . لكن ، هل أن البروتونات والنيترونات هي بدورها تتألف من جسيمات أصغر منها ؟ .
نعم ، لقد أجريت تجربة مشابهة لتجربة رذرفورد والتي أجريت سنة 1911م ، وتم فيها قذف الذرات بجسيمات تسمى جسيمات
تبين أنه توجد على الأقل 6 كواركات هي :
- الكوارك ( أو الكوارك العالي up) .
- الكوارك ( أو الكوارك السافل down ) .
- الكوارك ( أو الكوارك الغريب strange ) .
- الكوارك ( أو الكوارك المفتون charmed ) .
- الكوارك ( أو الكوارك القمة top ) .
- الكوارك ( أو الكوارك الجميل beauty ) .
تتميز بخصائص هي :
- الشحنة الكهربائية : للكواركات شحنة كسرية بالنسبة لشحنة الإلكترون حيث أن :
شحنة الكواركات
شحنة الكواركات
حيث :
- الكتلـة : لكل كوارك كتلة خاصة به .
- اللون : لها ثلاثة ألوان هي الأحمر ، الأخضر ن الزرق ، ( في الواقع ليس للكواركات لون ، وإنما هو تعبير مجازي مميز يعبر به عن التفاعلات القوية بين الكواركات نفسها .
- النكهة : ترتب الكواركات في 6 عائلات أو 6 نكهات وهي كما ذكرنا سابقا ( عالي ، سافل ، غريب ، مفتون ، قمة ،جميل ) ، وننبه أن الكواركات الثلاثة الأولى ( ,,) هي فقط الموجودة في الطبيعة ، والبقية تحصل عليها العلماء في مخابر الفيزياء .
- تبين أن البروتون يتألف من 3 كواركات هي بمعنى.
- تبين أن النيترون يتألف من 3 كواركات هي بمعنى.