שלוש תופעות בלתי מוסברות

19 03 2010

בכתבה זו נבחן מספר תופעות, אשר לשלוש מתוכן אין הסבר מוסכם על הקהילה המדעית. כפי שתיווכחו, ההסבר נמצא, כנראה, מתחת לאף.

הכוח המחזיק מולקולות בתוך טיפת נוזל יחדיו, נקרא כוח ואן-דר-ואלס על שמו של הפיזיקאי ההולנדי אשר תיאר אותו. הכוח המחזיק את הנוקליאונים (פרוטונים וניוטרונים) בתוך גרעין האטום נקרא הכוח הגרעיני החזק (או בקיצור: הכוח הגרעיני). לכוח ון דר ואלס ולכוח הגרעיני החזק יש מספר תכונות מעניינות משותפות.

כוחות שיוריים הנעלמים במרחק
הכוחות היסודיים בפיזיקה, דוגמת הכוח החשמלי, הכוח המגנטי והגרביטציה, פועלים בין גופים, ועוצמתם יורדת בהדרגה ובאופן רציף ומתון ככל ששני הגופים מתרחקים זה מזה. כוח ואן-דר-ואלס פועל בין מולקולות נוזל, ויש לו תכונה שונה: כאשר המולקולות רחוקות זו מזו – הוא איננו פועל כלל. רק כאשר המולקולות קרובות זו לזו הוא פועל. זוהי תבנית פעולה השונה מאוד מהתבנית הרגילה של הכוחות היסודיים בטבע.

כיצד זה קורה? אטום או מולקולה שאינם מיוננים נראים בקרוב טוב כנייטרלים כאשר מודדים אותם ממרחק. כאן מתקבלת תופעה הנקראת "מיסוך", הגורמת לכך שכבר במרחק לא גדול מהמולקולה, הכוחות החשמליים החיוביים של הגרעין והכוחות החשמליים השליליים של האלקטרונים מבטלים למעשה זה את זה. אך כאשר מתקרבות המולקולות זו לזו משתנה הסידור של האלקטרונים והוא מושפע מהמולקולה השכנה. בסידור חדש זה הכוחות החשמליים של הגרעין והאלקטרונים כבר לא מבטלים זה את זה לחלוטין, ונותר כוח חשמלי מורגש, אם כי זעיר יחסית לכוחות המקוריים הפועלים בין הפרוטונים שבגרעין לבין האלקטרונים. תאור מדוייק של אינטראקציה זו מתקבל מתורת הקוואנטים. הכוח הנותר, כוח ואן דר ואלס, הינו חזק דיו כדי לשמור על המולקולות במצב נוזלי כאשר הטמפרטורה אינה גבוהה מדי.

תכונות דומות יש לכוח המחזיק את הנוקליאונים, הכוח הגרעיני. הוא אמנם חזק מאוד, אך הוא חלש בהרבה בהשוואה לכוח המחזיק את הקווארקים הנמצאים בנוקליאונים. תכונה מעניינת נוספת של כוח זה היא שאם שני נוקליאונים מתרחקים זה מזה, הכוח חדל לפעול. גם כאן, החלשות הכוח עם המרחק שונה לחלוטין מחוקי משיכה חשמליים, מגנטיים או גרביטציונים, שבהם הכוח נחלש באופן איטי הרבה יותר כאשר גדל המרחק. כוח המשיכה בין נוקליאונים מתבטל כליל כאשר הם מתרחקים זה מזה.

שני כוחות אלו מכונים "כוחות שיוריים", משום שהם חלשים בהרבה מהכוחות הבסיסיים מהם הם נובעים – הכוח החשמלי עבור האטומים והמולקולות, והכוח החזק עבור הנוקלאונים.

לא דחיסים
תכונה נוספת של מולקולות בנוזל היא העובדה הידועה לכולנו, והיא שנוזל עמיד בפני דחיסה, כלומר כמעט שאיננו מתכווץ כאשר הוא נדחס. למעשה, הנפח שאותו תופסת כל מולקולה הוא כמעט קבוע. זה נובע מכך שכאשר מתקרבות שתי מולקולות זו לזו, מתקיימת בהתחלה משיכה בין המולקולות. אך בהתקרבן מופיעים כוחות דחייה חזקים. ההסבר למשיכה ולדחייה מתקבל מתורת הקוואנטים. עצמתם הגבוהה של כוחות הדחייה גורמת לכך שנקודת האיזון כמעט שלא משתנה עם הגדלת הלחץ. כך נוצר איזון המחזיק את הנוזל בצפיפות כמעט קבועה.

דומה לכך היא צפיפות הנוקלאונים בתוך גרעין האטום. לכאורה, נוקלאונים הנמצאים זה ליד זה, ומושכים זה את זה, היו עלולים להתקרב יותר זה לזה כאשר כמות הנוקלאונים בגרעין גדלה. אך לא כך הוא – צפיפות נוקליאונים בגרעין גדול זהה כמעט לזו שבגרעין קטן (למעט גרעינים קטנים מאוד).

נפח הקליפה החיצונית
תכונה נוספת של מולקולות בנוזל היא שנפח קליפת האלקטרונים במולקולה שבנוזל גדול מנפח קליפת האלקטרונים של אותה המולקולה כאשר היא חופשית. זהו אפקט קוואנטי המוסבר בעזרת האינטראקציה בין פרוטונים של מולקולה אחת לאלקטרונים של מולקולה סמוכה. ולכן, למולקולות יש איזור חפיפה שבו נמצאות קליפות של מולקולה אחת וגם קליפות של מולקולה שכנה.

תופעה דומה מתרחשת בגרעין האטום. בשנת 1983, התגלה בניסוי שנפח הקוארקים של הנוקלאונים גדל כאשר הם בתוך גרעין האטום. האפקט נקרא "אפקט EMC הראשון", והוא הביך את המדענים. עד היום אין הסבר לתופעה המוסכם על הקהילה המדעית [1,2].

גרף הפוטנציאל
הקו הרציף בגרף הבא נלקח מספר לימוד של כימיה פיזיקלית והוא מתאר את התלות של הפוטנציאל במרחק שבין שתי מולקולות נייטרליות:[3]

הגרף הבא דומה מאוד. הוא לקוח מספר לימוד של פיזיקה גרעינית, ומתאר את התלות של הפוטנציאל במרחק שבין שני נוקלאונים בגרעין:[4]

הבה נשווה
נסכם את תכונות הכוח החשמלי בטיפת נוזל:
* מחזיק אלקטרונים בתוך המולקולה בכוח רב יחסית
* מחזיק מולקולות בתוך טיפת נוזל עם כוח חלש בהרבה (כוח ואן-דר-ואלס)
* לא מורגש כלל כאשר המולקולות רחוקות זו מזו
* למולקולות הנוזל ישנה צפיפות כמעט קבועה
* נפח המולקולה בטיפת נוזל גדול יותר מנפח מולקולה חופשית
* הגרף המתאר את התלות במרחק של פוטנציאל הכוח נראה כמו מקפצת סקי

נרשום את תכונות הכוח החזק בתוך גרעין האטום:
* מחזיק קוארקים בתוך נוקלאון בכוח רב יחסית
* מחזיק נוקלאונים בתוך גרעין עם כוח חלש בהרבה (כוח גרעיני)
* לא מורגש כלל כאשר הנוקלאונים רחוקים זה מזה
* לנוקלאונים בגרעין האטום ישנה צפיפות כמעט קבועה
* נפח הנוקלאונים בתוך גרעין אטום רב נוקליאונים גדול יותר מנפח הנוקלאונים בגרעין הדיוטרון (שבו שני נוקלאונים בלבד)
* הגרף המתאר את התלות במרחק של פוטנציאל הכח נראה כמו מקפצת סקי

מסתבר שקיים דמיון מפליא בין תכונות טיפת הנוזל ותכונות גרעין האטום. אפשר להעתיק את התכונות מתחום אחד למשנהו אם מחליפים טיפה בגרעין אטום, מולקולות בנוקלאונים, ואלקטרונים בקוארקים.

עד כאן, יש הסכמה מוחלטת בין כל אלו שסיימו בהצלחה תואר ראשון בפיזיקה.

התפתחות היסטורית תמוהה
כנראה שקורא בעל הבנה פיזיקלית, אשר לא נרדם עד שורה זו, כבר יודע הרבה מאוד על מבנה החומר ובמיוחד על גרעין האטום. הרי זה כה פשוט: כל מה שצריך, זה להניח שיש בכל נוקלאון ליבה המושכת את הקוארקים אליה בכוח רב, ואילו הקוארקים דוחים זה את זה. כך תתקבל האנלוגיה המלאה בין הכוח החזק לכוח החשמלי. הנחה זו נתמכת בעובדה שפחות ממחצית המומנטום הלינארי של הנוקליאון נישאת על ידי הקוארקים. כלומר, הנוקליאון חייב להכיל עוד אובייקט מסיבי.

מודל טיפת הנוזל הגרעיני ידוע יותר מ-70 שנים וכך גם האנלוגיה שהוזכרה כאן בין כח ואן-דר-ואלס לכוח הגרעיני. אבל משום מה, לא עשו הפיזיקאים עוד צעד קטנטן אחד, והוא להניח שגם בנוקלאון יש גרעין המאפשר בנייה אקוויולנטית של הכוח הגרעיני בדומה לכוח ואן דר ואלס, וכי חוקי הכוח החזק יהיו אנלוגים לחוקי האלקטרודינמיקה.

כיצד התרחשה ההחמצה הזו? סיבה אחת היא ככל הנראה היסטורית. את הכוח החזק ניסו להסביר כבר בשנות השלושים של המאה הקודמת. בתקופה זו עדיין לא ידעו שהנוקלאון מורכב מחלקיקים קטנים יותר (מהקוארקים), ומה שנצפה בניסויים היה הכוח "השיורי" הפועל בין נוקלאונים. כך ניסו הפיזיקאים לתאר כוח שהינו כוח משיכה בלבד, דבר שמנע מהם לראות בזמנו את התמונה הפרושה לפניכם. התחיל בזאת הפיזיקאי היפני יוקאווה, בשנות השלושים של המאה הקודמת, ובסוף שנות השישים המשיכו בכיוון זה חסידי הקיו-סי-די המהווה חלק מהמודל הסטנדרטי. כאשר התגלה אפקט EMC הראשון ב 1983, כבר הייתה תיאוריית הקיו סי די מבוססת מספיק, ושום תיאוריה אלטרנטיבית לא נבדקה ברצינות. קיו סי די טוענת שהקוארקים החיצוניים (וזוגות של קוארק-אנטיקוארק בהסתברות מסויימת) הינם החלקיקים המסיבים היחידים שבנוקליאונים. היא מספקת הסבר קלוש לכך שרוב המומנטום איננו בקוארקים אלו, אין לה הסבר לאפקט EMC הראשון, לדימיון בין גרף הפוטנציאל של שני הכוחות ולכך שצפיפות הנוקליאונים בגרעין האטום הינה קבועה.

תיאוריית המונופולים הרגולריים של קומאי בונה מודל אשר מכיל ליבה בכל נוקליאון, והוא מסביר בקלילות מופלאה את הממצאים הניסיוניים הידועים עד היום בתחום, כולל ממצאים רבים אשר המודל הסטנדרטי איננו מצליח להסביר. באתר זה יש סדרת כתבות המציגות אספקטים שונים של תיאוריה זו.

לכתבות באתר ישנם קישורים למאמרים מדעיים רלבנטיים. רובם זמינים לקריאה מיידית, ולחלקם יש רפרנס המאפשר למצוא אותם בספריות מתאימות.

J. J. Aubert et al. (EMC), Phys. Lett., 123B, 275 1983 .1
J. Arrington et al., J. Phys. Conference Series 69, 012024 2007 .2
H. Haken and H. C. Wolf, Molecular Physics and Elements .3
of Quantum Chemistry (Springer, Berlin, 1995). p.15
S. S. M. Wong, Introductory Nuclear Physics, Wiley New York 1998. p.97 .4

מודעות פרסומת

פעולות

Information

3 responses

7 05 2010
בעז תמיר

בנוגע לדחיסה של קוורקים, איזה עקרון קיים כאן, האם הכוח של המונופול הוא זה שמונע את הדחיסה או שעקרון קוונטי אחר כמו העקרון של פאולי ?

8 05 2010
אליהו קומאי

כוונתך כנראה לאי-דחיסה, שהוא מצב המאפיין חומר גרעיני. זה אנלוגי לתורת החשמל ולתורת הקוואנטים. לפי עקרון פאולי, פונקצית הגל של פרמיונים זהים חייבת להיות בנויה על סכום של איברים terms)) שכל אחד מהם הוא פונקציה אנטי-סימטרית של כלל החלקיקים במערכת. דחיסה מאלצת את הפרמיונים לקפוץ (בהסתברות) למצבי אנרגיה מעוררים. זה מגדיל את האנרגיה העצמית ויוצר פוטנציאל (וכח) אפקטיבי המתנגד לדחיסה. התופעה קיימת במערכת האלקטרונית של המולקולות (בנוזלים ובמוצקים) ובמערכת הקווראקים של הנוקלאונים (בגרעין).

תופעה הקשורה לענין זה היא תופעת הגרפים הדומים של הפוטנציאל בתלות במרחק עבור המולקולות והנוקלאונים. התכונות של מערכת אלקטרומגנטית הכוללת מטענים שוני סימן, חומר לא מיונן ודעיכת הכח לפי חוקי האלקטרודינמיקה הם תנאי מספיק לקיום התופעה: אי דחיסה המראה עליה תלולה מאד של הגרף כאשר הרדיוס קטן ומשיכה הדועכת מהר כאשר הרדיוס גדל.

26 08 2014
רועי.ס

אם הנוקליאונים הם כמו אטומים לא מיוננים, מדוע הם לא יוצרים "מולקולות" אחד עם השני?

כתיבת תגובה

הזינו את פרטיכם בטופס, או לחצו על אחד מהאייקונים כדי להשתמש בחשבון קיים:

הלוגו של WordPress.com

אתה מגיב באמצעות חשבון WordPress.com שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת Twitter

אתה מגיב באמצעות חשבון Twitter שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת Facebook

אתה מגיב באמצעות חשבון Facebook שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת גוגל פלוס

אתה מגיב באמצעות חשבון Google+ שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

מתחבר ל-%s




%d בלוגרים אהבו את זה: