كي تعرف مِمَّ يتكون شيء ما، يمكنك أن (أ) تنظر إليه، أو (ب) تسخنه ثم ترى ما سيحدث، أو (جـ) تهشمه بقوة عاتية. ثمة صورة مغلوطة مفادها أن مختصي الفيزياء العالية الطاقة، أو فيزيائيي «الجسيمات»، يفعلون الأمر الأخير. لكن هذه الصورة تأتينا من الأيام التي كانت فيها معجلات الجسيمات تُعرف باسم «مهشمات الذرات». وفي الواقع، من الناحية التاريخية كان هذا ما يحدث بالفعل، لكن اليوم باتت المقاصد والطرق أكثر تعقيدًا وتقدُّمًا بكثير. سنناقش هذا بالتفصيل لاحقًا، لكن كبداية، دعونا نركز على الخيارات الثلاثة التي ذكرناها، خاصةً أنها جميعًا تشترك في سمة عامة مشتركة؛ ألا وهي أنها جميعًا تستخدم الطاقة.

في حالة التسخين، نحن نعرف بالفعل كيف ترتبط درجة الحرارة بالطاقة (10⁴ ك = 1 إلكترون فولت). وحتى عند النظر إلى الأشياء، يظل للطاقة دور تلعبه. أنت ترى هذه الكلمات لأن الضوء يسقط على الصفحة ثم بعدها ينتقل إلى عينيك والفكرة العامة هنا أن هناك مصدرًا للإشعاع (الضوء)، وجسما خاضعا للدراسة (الصفحة)، وكاشفًا (عيناك). داخل النقطة التي تنتهي بها هذه العبارة هناك ملايين من ذرات الكربون، ولن تتمكن من رؤية الذرات المنفردة أبدًا، وإن استخدمت أقوى العدسات المكبرة؛ فهذه الذرات أصغر حجمًا من الطول الموجي للضوء «المرئي»، ومن ثُمَّ يستحيل كشفها بأي عدسة مكبرة أو ميكروسكوب.

الضوء شكل من أشكال الإشعاع الكهرومغناطيسي، وأعيننا تستجيب فقط لجزء صغير من الطيف الكهرومغناطيسي الكامل، لكن يمكن باستخدام معدات خاصة الوصول إلى بقية هذا الطيف. الضوء المرئي هو أقوى أنواع الإشعاع الآتية من الشمس، وقد تطورت أعين البشر بحيث تستجيب فقط لهذا النطاق المحدد. النطاق الكامل للطيف الكهرومغناطيسي موجود بالفعل، وهو ما يمكننا توضيحه بتشبيه الأمر بالصوت. تتضمن المسافة الموسيقية الواحدة تقليل الطول الموجي بمقدار النصف (أو زيادة الذبذبة الصوتية بمقدار الضعف) من نغمة صوتية بعينها (لنقل العلامة «أ» البالغ شدتها ٤٤٠ هرتزا إلى المسافة الصوتية الأعلى منها (العلامة «أ» البالغ شدتها 880 هرتزا). الأمر مشابه في قوس قزح؛ فهو بمنزلة «مسافة موسيقية» في الطيف الكهرومغناطيسي. وبينما تنتقل من الضوء الأحمر إلى الأزرق، يقل الطول الموجي بمقدار النصف، ومن ثُمَّ يبلغ الطول الموجي للون الأزرق نصف مقدار الطول الموجي للون الأحمر (أو على نحو مماثل، يتزايد المعدل الذي تتذبذب به المجالات الكهربية والمغناطيسية جيئة وذهابا بمقدار الضعف في حالة الضوء الأزرق مقارنةً بالأحمر). يمتد الطيف الكهرومغناطيسي أكثر من ذلك في كلا الاتجاهين وخلف الأفق الأزرق - حيث نجد الأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية وأشعة جاما - تكون الأطوال الموجية أصغر مما الحال عليه في الضوء المرئي، وعلى النقيض، عند الأطوال الموجية الأطول في الاتجاه المقابل، ما وراء اللون الأحمر، نجد لدينا الأشعة تحت الحمراء وأشعة الميكروويف وموجات الراديو.

يمكننا استشعار الطيف الكهرومغناطيسي فيما وراء الضوء المرئي، فأعيننا تعجز عن رؤية الأشعة تحت الحمراء لكن جلودنا يمكنها الشعور بها على صورة حرارة. وبإمكان كاميرات التصوير بالأشعة تحت الحمراء الحديثة أن «ترى» المعتدين من خلال الحرارة التي تبثها أجسادهم. إن العبقرية البشرية هي التي مكنت من صنع آلات يمكنها بسط نطاق رؤيتنا عبر النطاق الكامل للطيف الكهرومغناطيسي، ومن ثُمَّ الكشف عن الحقائق الخفية لطبيعة الذرة.

إِنَّ عَجْزنا عن رؤية الذرات إنما يرجع إلى حقيقة أن الضوء يتصرف كموجة، والموجات عمومًا لا تتشتت بسهولة عند تعرُّضها للأجسام الصغيرة. فلرؤية شيء ما، لا بد أن يكون الطول الموجي لشعاع الضوء أصغر من الشيء نفسه. ومن ثُمَّ، لرؤية الجزيئات أو الذرات نحتاج إلى إضاءة يكون طولها الموجي مماثلا لحجم الذرات أو أصغر منه. موجات الضوء، كتلك التي تستشعرها، أعيننا لها طول موجي يبلغ نحو ^7-10 أمتار أو بعبارة أخرى، يمكن حشد نحو 10 آلاف طول موجي في المليمتر الواحد). لا يزال هذا أكبر بنحو ألف مرة من حجم الذرة لتخيل مدى صعوبة الأمر، تخيل العالم وقد تضاعف حجمه بمقدار 10 ملايين مرة. الطول الموجي الواحد للضوء، عند تكبيره عشرة ملايين مرة، سيكون أكبر من حجم الإنسان، في حين لن يزيد حجم الذرة وفق هذا المقياس عن المليمتر الواحد، وهو حجم أقل بكثير من أن يسبب اضطرابا بالموجة الزرقاء الطويلة. ولهذا، كي تكون لدينا فرصة لرؤية الجزيئات والذرات سنحتاج إلى ضوء ذي طول موجي أقصر بكثير من الأطوال الموجية الحالية علينا الذهاب فيما وراء الأفق الأزرق للضوء المرئي نحو نطاقات الأشعة السينية وما خلفها.

الأشعة السينية هي ضوء ذو طول موجي قصير، وبذا يمكنها التشتت بواسطة بنى على المستوى الجزيئي، على غرار تلك الموجودة في البلورات. الطول الموجي للأشعة السينية أكبر من حجم الذرات المنفردة، لذا تظل الذرة خفية، إلا أن المسافة بين الأسطح المتجاورة في المصفوفة المعتادة داخل البلورة مقاربة للطول الموجي للأشعة السينية، ولهذا تبدأ الأشعة السينية في تمييز المواضع النسبية للأشياء داخل البلورات. يُعرف هذا باسم «دراسة البلورات بالأشعة السينية».

يمكن العثور على تشبيه ملائم إذا فكَّرنا للحظة في موجات الماء بدلا من الموجات الكهرومغناطيسية؛ فإذا أسقطت حجرًا في ماء راكد فستنتشر التموجات، وإذا عرضت عليك صورة لهذه الأنماط الدائرية فستتمكن من استنتاج الموضع الذي أُلقي فيه الحجر. وإذا ألقيت مجموعة من الأحجار في تناغم فسينتج عن هذا نمط أكثر تعقيدًا للموجات تتخلله قمم وقيعان في مواضع التقاء الموجات وتداخلها. ومن النمط الناجم يمكنك أن تستنتج – بقدر من الصعوبة نُقِرُّ به - المواضع التي أُسقطت فيها الأحجار في الماء. تتضمن دراسة البلورات بالأشعة السينية الكشف عن الموجات العديدة المشتتة من طبقات معتادة في البلورة، ثم تفسير النمط الناتج من أجل استنتاج البنية البلورية. وبهذه الطريقة، جرى استنتاج شكل وهيئة بعض الجزيئات البالغة التعقيد، على غرار الحمض النووي.

لسبر أغوار الذرات المنفردة سنحتاج إلى أطوال موجية أقصر من هذا، ومن الممكن عمل ذلك ليس باستخدام الضوء وحده، وإنما باستخدام حزم من الجسيمات على غرار الإلكترونات. لهذه الجسيمات مزية خاصة تتمثل في أنها ذات شحنة كهربية، ومن ثُمَّ يمكن التحكم فيها وتعجيلها بواسطة مجالات كهربية، وبهذا تُمنح كميات كبيرة من الطاقة. يمكننا هذا من استكشاف مسافات أقصر، لكن لفهم السبب علينا التحول عن سبيلنا قليلًا للتعرف على كيفية ارتباط الطول الموجي بالطاقة.

أحد أعظم اكتشافات نظرية الكم هو أن الجسيمات يمكن أن تسلك سلوك الموجات وأيضًا - على نحو معاكس - أن الموجات يمكنها أن تسلك سلوك حزم متقطعة من الجسيمات، تُعرف باسم «الكموم»، وبهذا تكون الموجة المعجَّلة أشبه بدفقة من الكموم؛ أي الفوتونات. وطاقة أي فوتون منفرد تتناسب طرديا مع تردُّد المجالات المغناطيسية والكهربية المتذبذبة للموجة، وهذا التردد يُرمز له بالرمز ν ويتم التعبير عن هذا بالصورة التالية:

E = hv

حيث ثابت التناسب h، هو ثابت بلانك.

يرتبط كل من طول الموجة (λ)، والتردُّد الذي تمر به القمم بأي نقطة بعينها، بسرعة الموجة c، وفق المعادلة λ/c = v. وبهذا يمكن الربط بين الطاقة والطول الموجي:

E = hc/λ

وثابت التناسب hc _~ 10^-6 eVm يمكننا هذا من الربط بين الطول الموجي والطاقة باستخدام قاعدة التقريب بحيث إن 1 إلكترون فولت يتوافق مع ^6-10 أمتار، وهكذا.

وبإمكانك مقارنة هذا بالعلاقة بين الطاقة ودرجة الحرارة التي ناقشناها في الفصل الثاني، بحيث ترى كيفية ارتباط درجة الحرارة بالطول الموجي. يبين لنا هذا كيف أن لأجسام في درجات الحرارة المختلفة تشع أطوالاً موجية مختلفة: فكلما زادت حرارة الجسم قصر الطول الموجي؛ ولهذا - على سبيل - المثال بينما يتدفق التيار الكهربي عبر السلك ويدفئه، سيشع في البداية الحرارة على صورة أشعة تحت حمراء، لكن بينما بضعة آلاف من الدرجات أو نحو ذلك سيبدأ في إشعاع الضوء المرئي ومن ثم ينير الحجرة. وبإمكان الغازات الحارة قرب الشمس أن تُطلق الأشعة السينية، كما أن النجوم الشديدة الحرارة تُطلق أشعة جاما.

جدول 3-1: الطاقة والأطوال الموجية التقريبية.

للتعمق أكثر من هذا داخل الذرة، سنحتاج إلى مصدر للأطوال الموجية الفائقة القصر. وبما أننا لا نستطيع محاكاة النجوم المطلقة لأشعة جاما داخل المختبرات، فإننا نستخدم الجسيمات الأساسية عينها على - غرار الإلكترونات والبروتونات - داخل مجالات كهربية. وكلما زادت سرعتها، عظمت طاقتها وزخمها، وقصر طولها الموجي المصاحب. وهكذا تستطيع حِزَمٌ من الجسيمات العالية الطاقة استكشاف أشياء صغيرة في حجم الذرة. وبذلك يمكننا النظر على مسافات صغيرة كما يحلو لنا، وكل ما علينا فعله هو تعجيل حركة الجسيمات، ومنحها المزيد والمزيد من الطاقة حتى تصل إلى أطوال موجية أصغر وأصغر. ولاستكشاف مسافات على مستوى نواة الذرة - ^15-10 أمتار - سنحتاج إلى طاقات على مستوى الجيجا إلكترون فولت. هذا هو مستوى الطاقة الذي نسميه فيزياء الطاقة العالية. وفي الواقع، حين بدأ ذلك المجال بجدية في بواكير القرن العشرين وحتى منتصفه، كانت الطاقات على مستوى الجيجا إلكترون فولت هي الحدود القصوى المتاحة فنيًّا، لكن بنهاية القرن العشرين باتت الطاقات البالغة عدة مئات من الجيجا إلكترون فولت هي المعيار السائد ونحن الآن على أعتاب الدخول إلى مستوى التيرا إلكترون فولت من الطاقة القادر على استكشاف المادة حتى مستويات تبلغ من الصِّغَر أقل من 10^-18 أمتار؛ لذا حين نقول إن الإلكترونات والكواركات ليست لها بنية داخلية أعمق، فإننا يجب بالفعل أن نقول: على الأقل حتى مستوى ^18-10 أمتار. من الممكن أن تكون هناك طبقات أعمق، على مسافات أصغر من تلك، لكنها تقع خارج نطاق قدرتنا الحالية على الاستكشاف في المختبرات؛ لذا رغم أنني سأتحدث في أنحاء هذا الكتاب كما لو أن هذه الكيانات هي المكونات الأصغر للمادة، ضع في اعتبارك على الدوام التحذير التالي: إننا نعلم فقط كيف تعمل الطبيعة على مسافات أكبر من ^18-10 أمتار.

مواضيع ذات صلة

خواص الذرات

البنية الإلكترونية للذرات

الذرات

Linear systems

Confined waves, with natural frequencies

The reflection of waves

Einstein’s laws of radiation

The Boltzmann law

Energy levels

The size of an atom

Bremsstrahlung

Synchrotron radiation