۵٫۱۰ هستهٔ اتم

خانه ／ ۵ ذراتِ میکروسکوپی

هستهٔ اتم شبکه‌ای خودپایدار از نوکلئون‌ها، یعنی پروتون‌ها و نوترون‌ها، است. در «نظریهٔ ریسه‌های انرژی»، هر نوکلئون به‌صورتِ «دسته‌ریسهٔ بسته و خودنگهدار» تصویر می‌شود و نوکلئون‌های مجزا به‌وسیلهٔ راهروهای کششی به هم می‌پیوندند که محیط پیرامون ــ «دریای انرژی» ــ آن‌ها را خودبه‌خود می‌گشاید. دسته‌های موجِ پیچشی یا چروکیده که در این راهروها می‌دوند با ظاهری «همسانِ گلوئون» دیده می‌شوند. این تصویر با داده‌های رایج سازگار است و گزارهٔ «نیروی هسته‌ای باقیمانده‌ای از برهم‌کنشِ رنگ است» را به زبانِ «راهروِ کشش» و «بازپیوند» مجسّم می‌کند.

نخست هسته چیست روایت بی‌طرف

• هسته از پروتون و نوترون ساخته می‌شود.
• شمارِ پروتون‌ها گونهٔ عنصر را تعیین می‌کند؛ در نقش‌واره‌ها پروتون را سرخ و نوترون را سیاه نشان می‌دهیم.
• عنصرها و ایزوتوپ‌ها به‌سببِ شمار و چیدمانِ نوکلئون‌ها در شبکه تفاوت دارند. هیدروژن-۱ استثناست: هستهٔ آن یک پروتون تنهاست و راهرویی میانِ نوکلئون‌ها ندارد.

همسنجی ساده: هر نوکلئون را دکمه‌ای با جای قلاب تصور کنید؛ دریای انرژی خود به‌خود نواری کم‌هزینه میانِ دو دکمهٔ نزدیک می‌بافد و آن‌ها را می‌بندد. آن نوار همان راهروی کشش است.

دوم چرا نوکلئون‌ها «به هم می‌چسبند» راهروهای کشش

• هرگاه پستی‌وبلندیِ کشش در میدانِ نزدیکِ دو نوکلئون بر هم منطبق شود، دریای انرژی راهرویی را بر مسیرِ کم‌هزینه‌تر قفل می‌کند و آن دو را پیوند می‌دهد.
• راهرو، «ریسه‌ای بیرون‌کشیده از نوکلئون» نیست؛ پاسخِ جمعیِ محیط است که بر «درگاه»‌هایی در سطح نوکلئون‌ها لنگر می‌اندازد.
• شار و فازِ جاری در راهرو به‌صورتِ دسته‌موج‌هایی با سیمای گلوئون نمودار می‌شود (در نقش‌واره‌ها با بیضی‌های کوچک زرد نشان داده‌ایم).

همسنجی: پلکی سبک خودبه‌خود میانِ دو کرانه قوسی می‌زند؛ نقطه‌های زردی که بر عرشه می‌دوند همان «رفت‌وآمد» است.

سوم دافعهٔ کوتاه‌بُرد، جاذبهٔ میان‌بُرد، فرونشستِ دوربرد

• کوتاه‌بُرد — دافعه: اگر هسته‌های نوکلئون‌ها بیش از حد نزدیک شوند، بافتِ میدانِ نزدیک فشرده می‌شود و هزینهٔ برشیِ دریای انرژی جهش می‌کند؛ رخدادی هم‌ارز با «هستهٔ سختِ دافع».
• میان‌بُرد — جاذبه: در فاصلهٔ میانه، راهروی کشش کم‌هزینه‌ترین گزینه است و کشش چشمگیر می‌شود.
• دوربرد — فرونشست: بیرون از مقیاسِ هسته، راهرو دیگر خودکار قفل نمی‌شود؛ جاذبه تند فرو می‌نشیند و تنها «حوضچهٔ کم‌ژرفای هسته‌ای» با تقریبِ همسانگرد برجا می‌ماند.

همسنجی: دو آهن‌رُبا وقتی خیلی نزدیک‌اند همدیگر را می‌رانند، با فاصلهٔ اندک پایدارتر می‌شوند و دورتر که بروند دیگر نمی‌کشند.

چهارم پوسته‌ها، عددهای جادویی و جفت‌شدن

• پوسته‌ها: زیر قیودِ هندسی و کششی، نوکلئون‌ها نخست حلقه‌های کم‌هزینه را اشغال می‌کنند. با پر شدنِ یک حلقه، سختیِ کلی جهش می‌کند و ردّ عددهای جادویی پدیدار می‌شود.
• جفت‌شدن: جفت‌های اسپین و کی‌رالیتی بافتِ میدانِ نزدیک را بهتر هم‌تراز می‌کنند و انرژیِ جفت‌شدن پدید می‌آید.
• پیوند با مشاهده: پله‌های منظمِ ترازهای انرژی و قاعده‌مندی‌های طیفی از همین‌جا سر برمی‌آورند.

همسنجی: در تالاری حلقه‌حلقه، هر بار که یک ردیف پر می‌شود جمع آرام‌تر می‌نشیند؛ دو صندلیِ مجاور اگر جفتی پر شوند، تکان‌ها کمتر می‌شود.

پنجم تغییر شکل، نوسان‌های جمعی و خوشه‌بندی

• تغییر شکل: اگر حلقه‌هایی ناتمام بماند یا اتصال‌های بیرونی یکنواخت نباشد، شکل از کره کمی می‌کِشد یا می‌خوابد.
• نوسان‌های جمعی: شبکهٔ راهروها «نفس‌کشیدن» و «تاب‌خوردن» همگانی را ممکن می‌کند که متناظر با برانگیختگی‌های کم‌انرژیِ جمعی و تشدیدهای عظیم است.
• خوشه‌بندی: در هسته‌های سبک، راهروهای محلیِ استوار می‌تواند ریزساختارهایی از نوعِ خوشهٔ آلفا بسازد.

همسنجی: پوستِ تَنبکی که در چند نقطه کشیده شده، هم‌زمان می‌تواند یک‌پارچه بالا و پایین برود و به ضربه‌های موضعی پاسخ بدهد؛ آمیختن این دو، رنگِ صدا را می‌سازد.

ششم ایزوتوپ‌ها و درّهٔ پایداری

• برای یک عنصرِ ثابت، دگرگونیِ شمارِ نوترون‌ها توازنِ شبکه و توپولوژیِ راهروها را تغییر می‌دهد، در نتیجه پایداری دگرگون می‌شود.
• «کم‌نوترون» یا «پرنوترون» بودن، در بخش‌هایی «قلاب‌های سُست» بر جا می‌گذارد؛ هسته با مسیرهایی مانند واپاشی بتا خود را به نسبتِ پایدارتر می‌رساند.
• بیشترِ هسته‌های پایدار نزدیک درّهٔ پایداری جای می‌گیرند.

همسنجی: پلی که تکیه‌گاه و کابل‌هایش یا کم باشند یا بسیار، می‌لرزد؛ آهنگِ درستِ آن‌ها است که پل را آرام می‌کند.

هفتم حسابِ انرژی در همجوشیِ سبک و شکافتِ سنگین

• همجوشی: اگر دو «توریِ پل» را به یک شبکهٔ بزرگ‌تر و کارآمدتر در راهروها گره بزنیم، طولِ کشیدهٔ کل کم می‌شود و صرفه‌جویی به تابش و انرژیِ جنبشی بدل می‌شود.
• شکافت: بریدنِ یک شبکهٔ بیش‌ازحد پیچیده به دو زیرشبکهٔ فشرده نیز می‌تواند طولِ کل را بکاهد و انرژی آزاد کند.
• خاستگاهِ مشترک: در هر دو روند، جمعِ «طولِ راهرو × کشش» را بازتخصیص می‌دهیم.

همسنجی: دو توریِ کوچک را گره بزنیم تا یک توریِ «اندازه» بسازیم، یا توریِ بیش‌ازحد کشیده را به دو تکهٔ مناسب ببُریم — اگر ماهرانه باشد «ریسمان می‌ماند».

هشتم نمونه‌های شاخص و موارد ویژه

• پروتیوم هیدروژن-۱: هسته‌ای تک‌پروتونی بدون راهروی بین‌نوکلئونی.
• هلیوم-۴: «حلقهٔ کمینه و پُر» از چهار نوکلئون با سختیِ بالا.
• اطرافِ آهن: «حسابِ راهرو»ی میانگین برای هر نوکلئون در کمینه است و پایداری کل به بیشینه می‌رسد.
• هسته‌های هاله‌ای: چند نوترون بسیار به بیرون دُم می‌کشند؛ همچون شنلی سبک بر شبکهٔ فشردهٔ مرکزی.

نهم تناظر با تصویرِ استاندارد

• «نیروی هسته‌ایِ بازمانده از قوی» ↔ «راهروهای کششِ میانِ نوکلئون‌ها».
• «مبادلهٔ گلوئون» ↔ «جریانِ دسته‌موج‌های پیچشی/چروکیده در راهروها».
• «دفعِ نزدیک — جذبِ میانه — افولِ دور» ↔ «هزینهٔ برشِ هسته — راهروی کم‌هزینه‌تر — هموارشدنِ میدانِ دور».
• «پوسته، اعداد جادویی، جفت‌شدن، تغییر شکل، مُدهای جمعی» ↔ «گنجایشِ حلقه‌ها، پله‌های پُرش، همترازیِ بافت‌ها، هندسه و ارتعاش‌های شبکه».

دهم در پایان

هسته شبکه‌ای است با گره‌هایی از نوکلئون و یال‌هایی از راهروهای کشش. پایداری، تغییر شکل، طیف‌ها و رهاسازیِ انرژی را می‌توان از همین تار و پود خواند: هندسهٔ گره‌ها، جمعِ طولِ راهروها و کشش آن‌ها، و پاسخِ کشسانِ دریای انرژی. این تصویرِ مجسّم واقعیت‌های شناخته‌شده را عوض نمی‌کند؛ آن‌ها را در «دفترِ انرژیِ» دیداری می‌چیند و خطِ روشنِ میانِ هیدروژن تا اورانیوم و میانِ همجوشی تا شکافت را آشکار می‌سازد.

یازدهم نمودارها

هر عنصر معماریِ هسته‌ای ویژهٔ خود را دارد؛ در این نمودارها شش حلقهٔ کوچک را به‌عنوان نشانه به‌کار می‌بریم.

راهنمای عناصر دیداری:

1. نشانه‌گذاریِ نوکلئون‌ها
   • حلقه‌های هم‌مرکزِ سیاه و ستبر ساختارِ بسته و خودپایدار نوکلئون را نشان می‌دهد؛ مربع‌ها و قوس‌های کوچک درونِ آن‌ها، مُدهای قفلِ فاز و بافتِ میدانِ نزدیک را یادآور می‌شود.
   • دو سبکِ حلقهٔ متناوب، پروتون و نوترون را از هم بازمی‌شناسد:
     1 پروتون به‌رنگِ قرمز در نمودارها: برشی با بافتِ «نیرومندِ بیرونی/کم‌رمقِ درونی».
     2 نوترون سیاه: نوارهای مکمل که هم‌نهشتیِ درونی/بیرونی‌شان نمودِ تک‌قطبیِ الکتریکی را خنثی می‌کند.
2. راهروهای بین‌نوکلئونی شبکه‌ای نیمه‌شفاف از نوارهای پهن
   • نوارهای قوسیِ میانِ همسایگان راهروهای کشش‌اند و همانندِ «لوله‌های شارِ رنگ» در تصویرِ سنتی عمل می‌کنند.
   • این‌ها شیءِ مستقلِ تازه‌ای نیستند؛ بازپیوند و امتدادِ راهروهای بومیِ هر نوکلئون‌اند که دریای انرژی در مقیاسِ هسته به‌عنوان کانال‌های کم‌هزینه‌تر می‌گشاید.
   • این نوارها الگوهای سه‌گوش–لانه‌زنبوری می‌سازند و خاستگاهِ هندسیِ جذبِ میان‌بُرد و اشباع را توضیح می‌دهند هر نوکلئون تنها شمار و زاویهٔ محدودی از پیوندها را تاب می‌آورد.
   • بیضی‌های کوچکِ زرد دسته‌موج‌های «گلوئون‌سان»: به‌شکلِ دوتایی یا پی‌درپی در امتدادِ هر راهرو چیده می‌شود و گذرِ دسته‌موج‌ها را نشان می‌دهد.
3. حوضچهٔ کم‌ژرفای هسته و همسانگردی حلقهٔ پیرامونیِ پیکان‌ها
   حلقه‌ای از پیکان‌های باریک «حوضچهٔ هسته‌ای» را که در میانگینِ زمانی نزدیک به همسانگرد است بازنمایی می‌کند نمودِ جرم:
   • در میدانِ نزدیک بافت‌های جهت‌دار باقی می‌ماند،
   • و میدانِ دور با برگشتِ محیط هموار می‌شود و به هدایتِ کروی میل می‌کند.
4. نقطهٔ مرکزیِ کم‌رنگ
   همگراییِ راهروهای بسیار در مرکز، سختیِ کلیِ شبکه را هویدا می‌کند؛ این‌جا از خاستگاه‌های پوسته/اعداد جادویی است و همین‌جا نوسان‌های جمعی تشدیدهای عظیم آسان‌تر برانگیخته می‌شود.