بعد الانتصارات التي حققتها ميكانيكا الكم في تفسير سلوك الذرات، كان من الطبيعي أن يحول الفيزيائيون اهتمامهم نحو الفيزياء النووية، ولكن على الرغم من النجاحات الكثيرة على أرض الواقع (التي تتضمن المفاعلات النووية والقنبلة الهيدروجينية)، ومعرفتنا بسلوك الذرة، فإننا لا نزال نفتقر إلى وجودِ فكرةٍ واضحةٍ عمَّا يجعل النواة تنبض. وفي الواقع أنه أمر غير مستغرب على الإطلاق. ذلك أنه بمعرفة نصف قطر النواة، يتضح أنها أصغر مائة ألف مرة من الذرة، وبما أن الحجم يتناسب مع مكعب نصف القطر، فإنه من الأجدى القول إن الذرة أكبر من النواة بمقدار ألف مليون مرة. ومن الممكن قياس أمور بسيطة مثل كتلة النواة وشحنتها، وتقودنا هذه القياسات إلى مفهوم النظائر، وهي أنوية لها العدد نفسه من البروتونات، ومن ثم فإنها تكون ذرات لها العدد نفسه من الإلكترونات والخصائص الكيميائية نفسها، لكنها تحتوي على أعدادٍ مختلفة من النيوترونات؛ ومن ثم تكون مختلفة الكتلة.

وبما أن البروتونات المكتظة داخل النواة تكون موجبة الشحنة؛ ومن ثم فإنها تتنافر، فلا بد من وجود صورة أقوى من «غراء» ما يجعلها تتماسك معا، وهي قوة تعمل فقط عبر النطاقات المتناهية الصغر التي تقابل حجم النواة، وتسمى القوة النووية الشديدة (توجد أيضًا القوة النووية الضعيفة، وهي أضعف من القوة الكهربية لكنها تلعب دورًا مهما في بعض التفاعلات النووية). ويبدو الأمر كما لو أن النيوترونات تلعب هي الأخرى دورًا في استقرار النواة؛ وذلك ببساطة لأنه بحساب أعداد البروتونات والنيوترونات في الأنوية المستقرة توصل الفيزيائيون إلى تصور أقرب إلى تصور أغلفة الإلكترونات حول النواة. وأكبر عدد من البروتونات الموجودة في أي نواة موجودة طبيعيًّا. هو 92، وذلك في اليورانيوم ومع أن الفيزيائيين قد نجحوا في تصنيع أنوية يصل فيها عدد البروتونات إلى 106، فإن هذه الأنوية غير مستقرة (باستثناء بعض نظائر البلوتونيوم التي يبلغ عددها الذري (94، وتتفكك هذه الأنوية إلى أنوية أخرى. وإجمالا، يوجد حوالي 260 نواة مستقرة معروفة ومعرفتنا بهذه الأنوية حتى اليوم أقلُّ توافقًا مما عليه نموذج بور كوصف للذرة، إلا أن هناك إشارات واضحة إلى وجودِ تركيب من نوع ما داخل الأنوية.

إنَّ الأنوية التي تحتوي على أعداد 126,82,50,28,20,8,2 من النيوكليونات (نيوترونات أو بروتونات تكون مستقرة بوضوح، والعناصر المقابلة لها تكون أكثر وفرةً بكثير في الطبيعة عن العناصر التي تقابل ذرات تختلف قليلا في أعداد النيوكليونات التي تحويها، ولذا تُسمى هذه الأعداد أحيانًا «الأعداد السحرية». لكن البروتونات تستحوذ على تركيب النواة، ويوجد لكل عنصر مدى محدود من النظائر الممكنة التي تقابل أعدادًا مختلفة من النيوترونات؛ فالعدد الممكن من النيوترونات يكون عمومًا أكبر قليلا من عدد البروتونات، ويزداد في العناصر الأثقل والأنوية التي تملك أعدادا سحرية من كل من البروتونات والنيوترونات تكون مستقرة بوضوح، ويتوقع العلماء النظريون على هذا الأساس أن العناصر الفائقة الثّقل التي تحتوي أنويتها على حوالي 114 بروتونا و 184 نيوترونا لا بد أن تكون مستقرة، إلا أن هذه الأنوية الثقيلة لم تكتشف قط في الطبيعة ولم تُصنع في معجلات الجسيمات بتصادم المزيد من النيوكليونات مع أثقل الأنوية الموجودة في الطبيعة.

يُعتبر الحديد56 - هو أكثر الأنوية استقرارًا على الإطلاق، و«تميل» الأنوية الأخف منه إلى اكتساب نيوكليونات لتصبح حديدًا، أما الأنوية الأثقل منه فإنها «تميل» إلى فقد نيوكليونات وتتحرّك تجاه الصورة الأكثر استقرارًا وفي داخل النجوم، تتحول أخف الأنوية، وهي الهيدروجين والهيليوم، إلى أنوية أثقل في سلسلة من التفاعلات النووية التي تدمج الأنوية الخفيفة معًا لتصنع عناصر مثل الكربون والأوكسجين على طول الطريق وصولا إلى الحديد، مع إطلاق طاقة نتيجةً لذلك. وعندما تنفجر بعض النجوم كما في المستعرات العظمى، فإن قدرًا كبيرًا من طاقة الجاذبية يدخل في العمليات النووية، مما يدفع عمليات الدمج لأبعد من الحديد من أجل إنتاجِ عناصر أثقل، بما في ذلك اليورانيوم والبلوتونيوم. وعندما تتحرك العناصر الثقيلة باتجاه الصورة الأكثر استقرارًا، وذلك بإطلاق نيوكليونات في صورة جسيمات ألفا أو إلكترونات أو بوزيترونات أو نيوترونات مفردة، فإنها تطلق طاقةً كذلك، وهي الطاقة المختزنة أساسًا منذ انفجار المستعر الأعظم منذ زمن بعيد. وجسيم ألفا هو بالأساس نواة ذرة هيليوم ويحتوي على بروتونين ونيوترونين. وبإطلاق هذا الجسيم، تتراجع كتلة النواة بمقدار أربع وحدات، ويقل عددها الذري بمقدار اثنين. وتفعل الذرة ذلك طبقا لقواعد ميكانيكا الكم وعلاقات عدم اليقين التي اكتشفها هايزنبرج.

تتماسك النيوكليونات بعضها مع بعض داخل النواة بواسطة القوة النووية الشديدة لكن إذا وجد جسيم ألفا خارج النواة مباشرةً فإنه يُطرَد بقوة بفعل القوة الكهربية. ويصنع التأثير المشترك للقوتين ما يسميه الفيزيائيون «بئر الجهد». ولنتخيل قطاعا عرضيا عبر بركان له جوانب قليلة الانحدار وفوَّهة عميقة. إذا وضعت كرة خارج حافة الفوهة مباشرة، فإنها ستتدحرج مبتعدةً إلى أسفل السطح الخارجي للجبل، أما إذا وضعت الكرة داخل حافة الفوهة مباشرةً، فإنها ستسقط في قلب البركان، وتكون النيوكليونات داخل النواة في وضع مشابه؛ فتكون داخل البئر في قلب الذرة، ولكن إذا استطاعت أن تتخطى حتى الحافة. ولو بمقدار ضئيل - فإنها «ستتدحرج بعيدًا»، مدفوعة بالقوة الكهربية. وتكمن المشكلة، وفقًا للميكانيكا الكلاسيكية، في أن النيوكليونات أو مجموعات النيوكليونات مثل جسيمات ألفا، لا تملك الطاقة الكافية للتسلق إلى خارج البئر وتخطي حافتها، وإذا فعلت فلن تكون داخل البئر بأية حال إلا أن الوضع يكون مختلفا من منظور ميكانيكا الكم. ومع أن بئر الجهد لا تزال تمثل حاجزًا، فإنها قابلة للتخطي، وهناك احتمال محدود - وإن كان صغيرًا - أن يوجد جسيم ألفا خارج النواة بالفعل وليس داخلها. ومن حيث عدم اليقين، تتضمن إحدى علاقات هايزنبرج الطاقة والزمن وتنص على أن طاقة أي جسيم يمكن تعريفها فقط في مدىE∆ خلال فترة زمنيةt∆ بحيث يكون t∆ ×E ∆ أكبر من ħ. وفي غضون فترة زمنية وجيزة، يستطيع الجسيم

شكل ۱-۷ تقع بئر الجهد في قلب نواة الذرة. وعلى الجسيم في الموضع (أ) أن يظل داخل البئر إلا إذا تمكن من اكتساب ما يكفي من الطاقة لاجتياز القمة إلى الموضع (ب)؛ حيث يندفع مبتعدا باتجاه «أسفل التل». وفي بعض الأحيان يسمح عدم اليقين الكمي للجسيم أن «يخترق نفقا» من (أ) إلى (ب) (أو من (ب) إلى (أ)) دون أن يكون لديه ما يكفي من الطاقة نفسها لتسلق التل.

«استعارة» طاقة من علاقة عدم اليقين؛ حيث يكتسب ما يكفي من الطاقة لتخطي حاجز الجهد قبل أن يعيد هذه الطاقة. وعندما يعود إلى حالة «الطاقة المناسبة»، يصبح خارج الحاجز مباشرة بدلا من داخله، ويندفع مبتعدا. أو يمكنك النظر إليها من حيث عدم يقين الموضع. فالجسيم الذي ينتمي إلى داخل الحاجز قد يظهر خارجه؛ لأن موضعه لا يكون محددًا بوضوح في ميكانيكا الكم. وكلما زادت طاقة الجسيم أصبح هروبه أسهل، ولكن لا يشترط بالضرورة أن يكون لديه ما يكفي من الطاقة للتسلُّق إلى خارج بئر الجهد على النحو الذي تشترطه النظرية الكلاسيكية. وتبدو العملية كما لو أن الجسيم يخترق نفقًا. عبر الحاجز للخروج منه، وهو تأثير كمي تمامًا. ⁽³⁾ وهذا هو أساس الانحلال الإشعاعي، لكن لتفسير الانشطار النووي علينا أن نتجه إلى نموذج مختلف للنواة.

لننس الآن النيوكليونات المفردة في أغلفتها ونفكّر في النواة كنقطة من سائل ما. تماما مثل نقطة الماء حين تتذبذب بنمط متغير من الأشكال، فكذلك بعض الخصائص المشتركة للنواة يمكن تفسيرها على أنها تُعزى إلى تغير شكل النواة. ويمكن أن نفكر في النواة الكبيرة على أنها تتذبذب جيئة وذهابًا، مغيّرة شكلها من كرة إلى ما يشبه الدمبل الضخم، ثم تعود كرةً مرة أخرى. فإذا أضيفت طاقة إلى مثل هذه النواة، فإن التذبذب قد يصبح هائلا لدرجة أن النواة تنقسم إلى شطرين، فتنطلق نواتان صغيرتان وتتناثر قطرات صغيرة جدًّا من جسيمات ألفا وبيتا والنيوترونات. وفي بعض الأنوية من الممكن أن يُستحث هذا الانشطار بواسطة اصطدام نيوترون سريع الحركة بالنواة ويحدث تفاعل متسلسل عندما تنتج كل نواة منشطرة بهذه الطريقة عددًا كافيًا من النيوترونات ليضمن انشطار نواتين أخريين على الأقل في الجوار. وأما اليورانيوم -235 الذي يحتوي على 92 بروتونا و143 نيوترونا، فإنه ينتج دائما نواتين غير متساويتين تتراوح أعدادهما الذرية ما بين 34 و58، بحيث يكون مجموعهما 92، وتتناثر نيوترونات حرة. ويطلق كل انشطار نحو 200 مليون إلكترون فولت من الطاقة، ويبدأ كل انشطار عدة انشطارات أخرى بشرط أن تكون كتلة اليورانيوم كبيرة بما فيه الكفاية حتى لا تهرب كل النيوترونات منها. ولو تُركت هذه العملية لتسير بمعدل تصاعدي هائل لتكونت بذلك قنبلة ذرية، أما إذا أبطأنا من المعدل الذي تسير به هذه العملية باستخدام مادة تمتص النيوترونات لتجعل العملية تسير بمعدل متوسط فإنه يكون مفاعل انشطار متحكم فيه يمكن استخدامه لتسخين الماء وتحويله إلى بخار ولتوليد الكهرباء. ومرة أخرى؛ الطاقة التي نستخلصها هي الطاقة المختزنة من انفجار نجم منذ زمن طويل وعلى مسافة بعيدة للغاية.

في عملية الاندماج، يمكننا إجراء محاكاة لإنتاج الطاقة من نجم مثل الشمس هنا على الأرض. ولكننا حتى الآن لم نستطع سوى محاكاة الدرجة الأولى من سُلَّم الاندماج، من الهيدروجين إلى الهيليوم، ولم نستطع التحكم في التفاعل، وإنما تركناه يحدث حتى النهاية في القنبلة الهيدروجينية أو القنبلة الاندماجية والفكرة وراء الاندماج عكس الفكرة وراء الانشطار. فبدلا من تشجيع نواة ضخمة على الانقسام، عليك تضييق الخناق على نواتين صغيرتين - في اتجاه معاكس للتنافر الكهروستاتيكي الطبيعي بين شحنتيهما الموجبتين. حتى تصبحا قريبتين للدرجة التي تتغلب فيها القوى النووية الشديدة القصيرة المدى على القوى الكهربية وتجذبهما إحداهما للأخرى. وبمجرد حصولك على عدد قليل من الأنوية لدمجها بهذه الطريقة، فإن الحرارة المتولدة أثناء العملية ستؤدي إلى اندفاع الطاقة إلى الخارج، والذي يميل إلى تشتيت أي أنوية أخرى على وشك الاندماج، ويُوقف العملية كلها في مساراتها. ⁽⁴⁾ ويعتمد الأمل في الحصول على طاقة غير محدودة لمستقبل الاندماج النووي على إيجاد طريقة لدمج أنوية كافية معًا في مكان واحد لفترة طويلة بما يكفي للحصول منها على كمية نافعة من الطاقة. ومن المهم كذلك إيجاد عملية تطلق طاقة أكثر من الطاقة المستخدمة في ضغط الأنوية معا في المقام الأول. والأمر سهل بما فيه الكفاية في القنبلة؛ فما عليك في الأساس سوى إحاطة الأنوية التي ترغب في دمجها باليورانيوم، ثم تُحفّز اليورانيوم لبدء انفجار انشطاري. وسيدفع الضغط الداخلي الناتج عن الانفجار المحيط ما يكفي من أنوية الهيدروجين إلى التلامس لبدء الانفجار الثاني الأكثر ضخامة، وهو الانفجار الاندماجي. أما ما يلزم لمحطات الطاقة المدنية، فإنه أهون من ذلك، وتشمل التقنيات الخاضعة للبحث والدراسة الآن استخدام مجالات مغناطيسية قوية مشكلة على نحو معين بحيث تكون بمثابة وعاء يُحتفظ فيه بالأنوية المشحونة ونبضات الضوء الصادرة من أشعة الليزر التي تضغط الأنوية معا. ويُصنع الليزر بالطبع وفقا لوصفة أخرى من كتاب الطهي الكمي.

هوامش

1. The same process operates in reverse when nuclei fuse together. When two light nuclei are pushed together by the pressure inside a star, they can only fuse if they overcome the potential barrier from the outside. The amount of energy each nucleus possesses in that situation depends on the temperature at the heart of the star, and in the 1920s astrophysicists were puzzled to find that the calculated temperature inside the sun is a little less than it ought to be—the nuclei at the heart of the sun do not have enough energy to overcome the potential barrier and fuse together, according to classical mechanics. The answer is that some of them tunnel through the barrier at a slightly lower energy, in line with the rules of quantum mechanics. Among other things, quantum theory explains why the sun shines, when classical theory says it cannot.

(4) One way to gain energy from fusion is by combining an isotope of hydrogen, which has one proton and one neutron (deuterium), with one which has one proton and two neutrons (tritium). The result is a heliumnucleus (two protons, two neutrons), a free neutron, and 17.6 MeV of en-ergy. Stars work by more complicated processes involving nuclear reac-tions between hydrogen and nuclei such as carbon that are present in small quantities inside the star. The net effect of such reactions is to fuse four protons into a helium nucleus, with two electrons and 26.7 MeV of energy being released, and the carbon put back into circulation to catalyse another cycle of reactions. But it is processes involving tritium and deuterium that are being investigated in fusion laboratories here on earth.