إستعراض تاريخي :، أصل المادة وتكوينها

رأي القدماء :

قد حبانا الله بعدد وفير من الأجسام والمواد ، هي في مختلف صورها وانواعها تعتبر بالآلاف ؛ فمن معادن ثمينة واخري رخيصة ، ومن أجسام صلبة إلى سائلة إلى غازية ، فاتجهت العقول منذ اقدم العصور إلي دراسة اصل هذه المواد كلها ؟ فقال علماء الاغريق إنها لا بد أن تتكون من أصول دقيقة بسيطة ، فمن قائل إن أصل

الموجودات جميعا هو الماء ، ومن قائل إنها أربعة وهي الماء والهواء والنار والتراب ؛ وقد تسلط على علماء العصور الوسطى الرأي القائل بامكان تحويل المعادن الرخيصة كالنحاس والحديد إلي معادن ثمينة كالذهب والفضة ، ولكنهم فشلوا ، إذ كانت آراؤهم ومحاولاتهم مبنية على غير أساس علمى متين

عصر التجربة :

وفي أواخر القرن السادس عشر بدأت نهضة علمية على اساس جديد ، وهو اساس التجربة والمشاهدة والاستنباط ، والابتعاد عن طريقة القدماء من الرجوع دائما إلي رأي أرسطو وغيره من علماء الأغريق في كل أمر من أمور الحياة والعلم . وكان العلماء يخشون الجهر

بآرائهم الجديدة ، إذ أن من يقوم على نشر آرائه المخالفة لآراء القدماء فانه لا محالة مضطهد ، ويسام الخسف والهوان ، ويزج به في غياهب السجون ، ولعل اظهر مثال في ذلك العصر لما كان يلاقيه الجريثون من العلماء هو ما حدث لغاليليو ) ١٥٤٦-١٦٤٢ ( ، وهو الذي سجن وعذب

وفقد بصره في السجن ، وذلك من جراء جرأته في نشر آرائه المبنية على التجربة والمشاهدة والاستنباط

وقد ظهر في هذا العصر علماء جريئون في مختلف الفروع مثل الدكتور وليم جلبرت ) ١٥٤٠-١٦٠٣ ( وهو مؤسس علم الكهربية ، ونيوتن وبوبل ، وقد ولدوا في أوائل القرن السابع  عشر ، ولهم آراء جديدة في الجاذبية والضوء والفلك وخواص المادة

الذرة والكهرب

وفي القرن السابع عشر بدأت نهضة جديدة في علم الكيمياء ، وقد وضع الكيميائي الانجليزي جون والتون استاذ الكيمياء في مانشستر نظرية جديدة ، أرجع المواد فيها إلى نحو ٨٠ اصلا ، بدلا من أربعة في عهد الاغريق ، وسمي كل أصل منها عنصراً ، وبين أن كل عنصر يمكن تقسيمه إلي اجزاء صغيرة ، وان أصغر جزء يمكن أن نصل إليه ويبقي محتفظا بخواص العنصر يسمي ذرة وهذه النظرية تسمى النظرية الذرية للعناصر ، أى أن دالتون أرجع المواد جميعاً إلي نحو ٨٠ ذرة ، ولكنها زادت من بعده إلى ٩٢ ذرة .

وفي سنة ١٨٩٧ أثبت العالم الانجليزي تومسون J.J. Thosmon) أن ذرات جميع العناصر يدخل في تركيبها اساس واحد ، وهو الذي نسميه الكهرب electron - إذ وجده في جميع الغازات المختلفة عند خلخلتها وإمرار الكهرباء فيها ، وقد وجد العلماء ايضا ان الكهرب ينفصل من المواد بفعل الأشعة السينية والأشعة فوق البنفسجية ، وينطلق من المواد ذات النشاط الاشعاعي Radio - active

فها هو علم الطبيعة - أو الكهرباء بصفة خاصة - قد أثبت لعلماء الكيمياء أن الذرات يمكن تقسيمها وانه يدخل في تركيبها جميعا أساس جديد هو الكهرب .

تركيب الذرة :

بعد تجارب تومسون وكشف الكهرب في جميع الذرات ، تساءل العلماء : " هل ذرة كل مادة مكونة من كهارب فقط ؟ " وكان الجواب عليه بالنفي ، فقد اثبت رثر فورد سنة ١٩١١ أن الذرات بها بروتونات أيضا ورثر فورد هذا هو الذي اقترح النظام الشمسى للذرات ، فتخيل الذرة مكونة من نواة بها بروتونات يدور حولها كهارب في أفلاك ، كما تدور الكواكب السيارة حول الشمس .

وقد أحدثت نظرية رثر فورد هذه انقلابا كبيرا في نظرة العلماء إلي تركيب المادة ، وذلك لأن الذرات جميعا قد أصبحت مكونة من وحدتين أساسيتين : الكهرب والبروتون . وما اختلاف ذرة عن اخري إلا في عدد كل من هاتين الوحدتين في كل ذرة وترتيبها ؛ فذرة الرصاص تشبه ذرة الذهب ، إذ أن كلتيهما مكونة من كهارب

وبروتونات ، وعددهما في إحداهما يختلف عن عددهما في الأخري ، وترتيبهما في كل ترتيب خاص . واتجه التفكير بعد ذلك إلى إمكان تحويل العناصر بعضها إلى بعض ، وقد تمكن رثر فورد من تحقيق هذه الفكرة ، ولكنه حول مادة ثمينة إلي اخري رخيصة ، وتبعه لورنس E. O Lawrence  العالم الأمريكى وأعوانه ، فحصلوا على الذهب من مادة أخري ، ولكن بكميات قليلة جدا .

أنواع جديدة من الكهارب :

بحث العلماء خواص الكهرب الموجود في جميع الذرات ، وعرفوا عنه الشئ الكثير ، إذ بينوا أن له كتلة تبلغ ، واحد على الفين وثمانمائة وخمسة وثلاثين من كتلة ذرة الايدروجين ، وانه مشحون بشحنة سالبة ، وأوجدوا مقدارها ، وهي أصغر شحنة معروفة في الكهربية

وفي سنة ١٩٣٢ تمكن شادويكChadwiek , وهو أحد زملاء رثر فورد من ان يدلل علي وجود نوع جديد من الكهارب ، وهو الكهرب المتعادل وجده في نواة الذرة ، أى أن هذا الكهرب ليس عليه شحنة سالبة كالكهرب الذي كشفه تومسون ، بل إنه كهرب من نوع جديد لا يظهر عليه أي نوع من انواع الشحنات الكهربية ، ولذلك سمي الكهرب المتعادل Neutron .

وما إن انقضت ستة أسابيع على هذا الكشف الجديد حتى جاء كوككرفت J. D. Cockcroft  وهو أحد زملاء رثر فورد أيضا ، وبين أن تحول الذرات من بعضها إلي بعض يمكن ان يتم بطريقة سهلة بوساطة آلات كهربية .

وبعد ستة أسابيع اخرى ، وفي نفس عام ١٩٣٢ أثبت اندرسون C.D. Anderson  في كاليفورنيا وجود دقيقة أساسية جديدة وهي الكهرب الموجب  positron. وبعد بضعة أشهر حقق بلاكت P. M. S. Blackett في كمبردج وجهة نظر أندرسون ، وما إن نشرت هذه البحوث عن الكهرب الموجب حتى اتضح أن وجود هذا الكهرب قد تنبأ به بطريقة رياضية العالم الانجليزي ديراك  P.A.M Dirac وذلك في كمبردج سنة ١٩٣٠ ، وهي نبوءة تشبه تنبؤ مكسويل بموجات اللاسلكي قبل أن يكشفها العالم الألماني هرتز .

الكهرب الثقيل :

إلي سنة ١٩٣٢ كشف عن أنواع ثلاثة من الكهارب ، وهي الكهرب السالب ، والكهرب المتعادل ، والكهرب الموجب بترتيب تاريخ كشفها وفي سنة ١٩٣٨ تمكن أندرسون للمرة الثانية من العثور على دلائل وجود دقيقة جديدة ، ووجد أنها مكهربة وأخف بكثير من الذرة

المثارة ، ولكنها اثقل بكثير من الكهرب ، وقد سميت هذه الدقيقة الجديدة الكهرب الثقيل Heavy Electron وقد أعاد التاريخ نفسه ، إذ تبين أن عالما يابانياً اسمه بوكلوا  Yukawo وجد في سنة ١٩٣٥ أنه لا بد من افتراض وجود مثل هذه الدقيقة او الكهرب الثقيل لتفسير تحول المواد المشعة ، واستنبط بعض خواص هذا الكهرب

الثقيل قبل كشفه ، ومنها أنه غير متزن في التركيب ، وانه مشع ، وان متوسط حياته لا بد أن تكون نحو جزء من مليون من الثانية ، وانه بعد هذه الفترة الزمنية القصيرة ينفجر ، ويطلق إلي الخارج كهربا عاديا الأشعة وكشف الكهارب

قد أعانت أنواع الأشعة المختلفة على كشف أنواع الكهارب ؛ فالأشعة السينية والأشعة فوق البنفسجية قد أعانت على كشف الكهرب السالب الذي كشفه تومسون . والأشعة السينية كشفها العالم الألماني رنتجن سنة ١٨٩٥ ، وفي سنة ١٨٩٦ كشف العالم الفرنسي بكربل  Becquerel  أن اليورانيوم  Uraniom يصدر أشعة

سميت ألفا وبيتا وجاما ، والأخيرة لها قدرة علي اختراق المواد أكثر بكثير من قوة اختراق الأشعة السنية , وهذه الأشعة قد أعانت رثرفورد على كشف البروتون ) بوساطة دقائق الفا التي تشع من اليورانيوم ( وهناك اشعة جديدة تسمى الأشعة الكونية قد أعانت على كشف الكهرب الموجب ومعرفة خواص الكهرب الثقيل فما هي إذا الأشعة الكونية ؟ أشير إليها بإختصار فيما يلى :

في سنة ١٩١٠ قام جركل السويسري بتجربة جديدة وهي أنه وضع كشافا كهربيا - وهو الجهاز الذي يختبر مقدار الشحنات الكهربية ونوعها - في بالون ارتفع إلي علو وصل إلي ٤٥٠٠ متر ، وأشد ما دهش عندما وجد أن الكشاف الكهربي تفرغ شحنته في الطبقات العليا

اكثر من تفريغها بالقرب من سطح الأرض ، إذ المعروف أن الكشاف إذا شحن بالكهربية ، فإن الأشعة السينية إذا مرت فيه تفرغه ، وكذلك أشعة جاما إذا مرت فيه فانها تفرغه ، وإذا كان الكشاف بجوار الأرض فقد لوحظ أن شحنته تفرغ بتأثير أشعة جاما المنبعثة من الصخور الأرضية ، فلما وجد جوكل أنه في

الارتفاعات الكبيرة يزداد تفريغ الكشاف بدلا من أن يقل بسبب الابتعاد من الأرض ، اتجه تفكيره إلي أنه لا بد أن تكون هناك أشعة مصدرها طبقات الجو العليا ، وقدرتها تفوق اشعة جاما ؛ وقد تصدي لدراسة هذه الأشعة عدد كبير من العلماء من سنة ١٩١٠ إلي سنة ١٩٢٥ بل وبعد ذلك ؛ ومن تجاربهم أنهم أطلقوا

بالونات وصلت إلي ارتفاعات تزيد على ١٥,٥٠٠ متر ، بل وإلي نحو ثلاثين كيلو مترا ، وانتهوا إلي القطع بوجود أشعة جديدة مصدرها الطبقات العليا من الكون ، وأطلقوا عليها اسم الأشعة الكونية cosmic Rays

الأشعة الكونية والكهارب

كشف أندرسون سنة ١٩٣٢ الكهرب الموجب ، وفي الواقع كان ذلك عندما تصدي لبحث بعض خواص الأشعة الكونية ، فزاد العلماء اهتمامهم بدراسة هذه الأشعة الجديدة ، ورغبوا في معرفة ما إذا كانت لها صفات إشعاعية لعلهم يهتدون بذلك إلى حقائق جديدة أو إلي دقائق جديدة ، وفعلا قامت جمعية من زملاء العالم

الإيطالي روسي Rossi، وسافروا إلي أريتريا في أفريقيا سنة ١٩٣٤ لقياس شدة الأشعة الكونية هناك ؛ واشد ما دهشوا عندما وجدوا تحت ظروف خاصة أن الأشعة الكونية المتجهة نحو الأرض خلال الطبقات العليا من الكون توقف نسبيا بطبقات رقيقة من الهواء أكثر من إيقافها من طبقات سميكة ، وظهرت هذه الظاهرة

كأنها مناقضة للمعلومات السابقة عن الأشعة السينية مثلا ، وشك العالم في صحة نتائج تجاربهم ، ولكن روسي وأعوانه كانوا علماء ممتازين في دقة الملاحظة والتجربة . إذ كان روسي استاذا في جامعة بادوا ، وقد شغل بعض الوقت في الاشراف على بناء معهد طبيعة في الجامعة

وبعد أربعة أيام من نهاية هذا العمل الذي دام أربع سنوات كان يجلس ذات ليلة مع زوجته في مقصف ، وإذا به يسمع في الاذاعة اللاسلكية نبأ إحالته على المعاش وطرده من وظيفته ، فهاجر إلي انجلترا ، وتابع ابحاثه في معمل بلا كت Blackett في مانشستر ، وهو الآن استاذ الطبيعة في جامعة كورنل cornell في نيويورك .

نترك قصة روسي ونعود إلي قصة مشاهداته في اريتريا ، فقد كانت الملاحظة الغريبة التى لاحظها روسى وأعوانه من أن الطبقات الرقيقة أقدر علي ايقاف الأشعة الكونية من الطبقات السميكة مما تحتاج إلى تفسير بعد التسليم بصحة التجربة ؛ وقد اهتدي العلماء إلى تفسيرها إذ في الواقع قلت دهشتهم عندما تذكروا ان الكهرب الثقيل الذي كشفه اندرسون سنة ١٩٣٨ له خواص إشعاعية ،

وأن الأشعة الكونية بها كهرب ثقيل ، ويحتمل كما تنبأ العالم الياباني أن يكون هذا الكهرب الثقيل مشعا ، فإذا كانت طبقة الهواء رقيقة فان الكهرب الثقيل يتحول خلال مروره في المسافات القصيرة وتتغير صفاته بسرعة ، وذلك لان حياته الاشعاعية قصيرة ، وخلال هذه الطبقة الرقيقة من الهواء كان الكهرب الثقيل يقاوم طوال رحلته ، ولذلك ظهر اكبر اثر من آثار مقاومة الكهرب

الثقيل وبعد مروره من الطبقات السميكة ، فان عدداً كبيراً من الكهارب الثقيلة لم تعش طويلا حتي تخترق هذا السمك الكبير من الهواء ، ومقدار ما مات من هذه الكهارب الثقيلة خلال المسافات القصيرة لم تعد

تقاوم ، ولذلك فان تأثير إيقاف أو مقاومة الأشعة الكونية قد اختفى في المسافات الطويلة ، وقد أجريت تجارب لمعرفة مدى إيقاف الأشعة الكونية في الماء والرصاص ، وحصلوا على نتائج مماثلة لما يحدث في الهواء .

الكهرب الثقيل والاشعاع :

وإن خاصية الاشعاع التي ينسبها العلماء إلى الكهرب الثقيل ينتج عنها أغرب الحالات ، فقد لوحظ في الجو الدافئ أن شدة الأشعة الكونية عند سطح الأرض تميل إلى النقصان وفي سنة ١٩٣٨ علل بلاكت Bleckett أنه إذا ارتفعت درجة حرارة الجو ، فان طبقة الهواء المجاورة لسطح الأرض تتمدد بالتسخين وترتفع ، ولذلك

فان الكهارب الثقيلة في الأشعة الكونية يزيد عليها مشقة السفر قبل ان تصل إلى سطح الارض ، ويزيد مقدار ما يموت منها ، فتقل بذلك شدة الأشعة الكونية عند سطح الأرض في الجو الدافئ ، وقد شوهد مثل هذا التأثير عند تغير الضغط الجوي وتقديره بالبارومتر .

فهذه ظاهرة أمكن تفسيرها على أساس أن الكهرب الثقيل مشع . وهناك ظواهر اخري يمكن تفسيرها على هذا الأساس ؛ ولذلك بذل العلماء جهود الجبابرة ليحصلوا على عينة من هذا الكهرب الثقيل ليشاهدوه وقت إشعاعه ، ومعلوم أن للعالم ولسون .C.T.R Wilson طريقة لتصوير الكهارب المتحركة ، وتسمى

طريقة غرفة ولسون ؛ وقد استطاع بطريقته هذه أن يصور مسار دقائق لا يمكن ان تري بأقوي مجهر ، بل إن هذه الدقائق اصغر عشرة آلاف مرة من الأجسام التي يمكن رؤيتها بالمجهر ، وهذه الدقائق تسير بسرعة 100000 ميل في الساعة ، ومن مساراتها المصورة هذه أمكن كشف كثير من الخواص

تصوير مسار الكهرب الثقيل :

وقد حاول العلماء أن يصوروا مسار الكهرب الثقيل عند إشعاعه بوساطة غرفة ولسون - المشروحة في البند السابق ؛ ولكنهم وجدوا كل صعوبة ، لأن مسار الكهرب الثقيل طويل على الرغم من ان حياته قصيرة ، ولكن لأن سرعته كبيرة جدا ، فانه يقطع في زمن قصير مسافة طويلة

وقد نجح أحد العلماء وهو وليمز E. J. Williams الذي نشر سنة ١٩٤٠ أول صورة واضحة لمسار الكهرب الثقيل ، وقد عدل في غرفة ولسون بما جعله يستطيع ذلك التصوير ، واصبحت تعرف باسم غرفة وليمز وولسون . وقد اظهر المسار الواضح الجلى خطا أبيض من السحاب ، وسمك المسار يدل على خواص الكهرب . ويفحص نهاية المسار فحصاً دقيقاً لوحظ مسار آخر أدق من المسار الأول ،

ومتفرع منه ، وهذا الفرع الأخير هو المسار الذي خطه الكهرب المعتاد الذي نتج عن تحول الكهرب الثقيل , فأيدت الصورة والتجربة ما استنتجه العلماء بالرياضة .

والنتيجة ؟

وعلي ذلك نكون قد أرجعنا المواد جميعا إلي أسس واحدة من البروتون والكهرب السالب والكهرب الموجب والكهرب المتعادل والكهرب الثقيل ، وذلك إلى سنة ١٩٤٠ .

وماذا بعد ذلك ؟ هذا ما سيكشفه لنا الغد ، وما سينتج من جهود العلماء المجربين ، هذا إن كانت الحرب الحاضرة لن تشغل العلماء عن هذا البحث الجليل إلي نهاية الحرب . . فقد شغل أخيراً العلماء الأمريكيون واليابانيون . .