5.10 גרעין האטום

דף הבית ／ פרק 5: חלקיקים מיקרוסקופיים

גרעין האטום הוא רשת עצמאית המתמידה בזכות עצמה של נוקלאונים — פרוטונים ונייטרונים. בתורת הסיבים האנרגטיים כל נוקלאון מתואר כאגד סגור של סיבים המייצב את עצמו. הקישור בין נוקלאונים נוצר באמצעות רצועות ריתוק טנזוריות הדומות למסדרונות, שהים האנרגטי שסביב חורץ מעצמו לאורך המסלול החסכוני ביותר באנרגיה. חבילות של גלי פיתול וקימוט הנעות לאורך הרצועות נראות כדמות גלואונית — מסומנות בצהוב בתרשים. תמונה זו עומדת בקנה אחד עם הגדלים הנצפים בפיזיקה המקובלת, אך ממחישה את האמרה כי הכוח הגרעיני נובע מן האינטראקציה החזקה השיורית באמצעות מסדרונות טנזוריים וחיבור־מחדש.

I. מהו הגרעין — תיאור ניטרלי

• הגרעין מורכב מפרוטונים ומנייטרונים.
• מספר הפרוטונים קובע את היסוד הכימי. באיורים על פי תורת הסיבים האנרגטיים נוקלאון אדום מציין פרוטון ונוקלאון שחור מציין נייטרון.
• ליסודות ולאיזוטופים שונים יש מספר וסידור שונים של נוקלאונים ברשת. פרוטיום — מימן 1 — הוא מקרה מיוחד, גרעין בעל פרוטון יחיד וללא רצועת ריתוק בין נוקלאונים.

דימוי יומיומי: ראו בכל נוקלאון כפתור בעל לשוניות הצמדה. הים האנרגטי אורג מעצמו רצועה חסכונית בין שני כפתורים סמוכים ומצמיד אותם יחד. רצועה זו היא רצועת הריתוק הטנזורית.

II. מדוע נוקלאונים נמשכים — רצועות ריתוק טנזוריות

• כאשר נופי הטנזור בשדה הקרוב של שני נוקלאונים חופפים זה מול זה, הים האנרגטי בוחר במסלול זול־העלות ונועל מסדרון המחבר את הזוג — רצועה המתוחה מעל הנוקלאונים.
• הרצועה איננה חוט שנמשך מתוך הנוקלאון, אלא תגובה קולקטיבית של התווך, מעוגנת בנקודות חיבור שעל פני הנוקלאון.
• מופע ושטף העוברים ברצועה ניכרים כדמות גלואונית המסומנת באובליים צהובים קטנים.

דימוי: גשר־הולכי־רגל קל הקם מאליו בין שתי גדות, והנקודות הצהובות החולפות עליו הן זרם התנועה.

III. מדוע נצפה דפוס של דחייה קרובה — משיכה במרחק בינוני — דעיכה למרחוק

• דחייה קרובה — כאשר ליבות הנוקלאונים מתקרבות יתר על המידה, המרקם הקרוב נדחס בעוצמה, ועלות הגזירה בים האנרגטי מזנקת, השקולה לדחייה של ליבה קשיחה.
• משיכה במרחק בינוני — במרחק מתון רצועה טנזורית ממזערת את העלות הכוללת ומולידה קישור משמעותי.
• דעיכה למרחוק — מעבר לקנה המידה הגרעיני הרצועה אינה ננעלת עוד מעצמה, המשיכה נחלשת במהירות, ונשאר אגן גרעיני רדוד וחלש כמעט איזוטרופי.

דימוי: לוחות מגנטיים שטוחים דוחים זה את זה בקרבה רבה, יציבים ביותר עם רווח קטן, ואינם נאחזים כלל כאשר המרחק גדול.

IV. קליפות, מספרים קסומים וזיווג

• קליפות — תחת אילוצים גאומטריים וטנזוריים נוקלאונים מאכלסים תחילה טבעות זולות־עלות. כאשר טבעת מתמלאת קשיחות המערכת קופצת כלפי מעלה — חותם המספרים הקסומים.
• זיווג — ספינים מנוגדים וחירליות תואמת מאזנים טוב יותר את המרקם הקרוב ומולידים אנרגיית־זוג.
• זיקות נצפות — מספרים קסומים וזיווג יוצרים מדרגות שיטתיות של מפלסי אנרגיה וסדירויות בספקטרום הגרעיני.

דימוי: אולם תיאטרון בעל שורות קונצנטריות, כאשר שורה מתמלאת כל האולם נרגע, ושני מושבים סמוכים בזוג מיטלטלים פחות.

V. עיוות, תנודות קולקטיביות והתקבצות

• עיוות — אם טבעות מסוימות אינן מלאות או שחיבורים חיצוניים אינם אחידים, צורת הגרעין סוטה מעט מן הכדור, מתארכת או משת扁ת.
• תנודות קולקטיביות — רשת הרצועות מאפשרת מצבי נשימה והתנדנדות של הגוף כולו, התואמים עירורים קולקטיביים באנרגיה נמוכה ותהודות־ענק.
• התקבצות — בגרעינים קלים רצועות חזקות במיוחד בין מספר נוקלאונים יוצרות תתי־מבנים מקומיים, כגון אגד אלפא.

דימוי: קרום תוף המתוח בנקודות רבות יכול להתנפנף כולו וגם להגיב למכות מקומיות, וביחד נקבעת גוון הצליל.

VI. איזוטופים ועמק היציבות

• לאותו יסוד שינוי במספר הנייטרונים משנה את יעילות האיזון ואת טופולוגיית הרצועות ולפיכך את היציבות.
• מעט מדי נייטרונים או רבים מדי משאירים ברשת מקומות שאינם ננעלים בחוזקה, והמערכת מתקנת את עצמה באמצעות תהליכים כגון דעיכת ביתא לעבר יחס יציב יותר.
• רוב הנוקלידים היציבים מצויים סמוך לעמק היציבות.

דימוי: גשר מתחיל להתנודד אם התמיכות מעטות מדי או צפופות מדי, ועל כן קצב הארג והדגם של הכבלים חייבים להתאים כדי להשיג יציבות.

VII. מאזן אנרגיה של היתוך גרעינים קלים וביקוע גרעינים כבדים

• היתוך — שני רשתות־גשר קטנות מתאחדות לרשת גדולה וחסכונית יותר, וחיסכון באורך המסדרונות ובמתיחתם נפלט בצורת קרינה ואנרגיה קינטית.
• ביקוע — פירוק רשת מסובכת מדי לשתי תת־רשתות דחוסות מקטין אף הוא את האורך הכולל ומשחרר אנרגיה.
• שני התהליכים הם רישום־מחדש של האורך הכולל ושל המתיחה של הרצועות בכל הרשת.

דימוי: לקשור שתי רשתות קטנות לרשת יעילה אחת, או לחלק רשת גדולה ומתוחה לשתיים מתאימות — בשני המקרים חוסכים בחבל כאשר הסדר נכון.

VIII. דוגמאות אופייניות ומיוחדות

• פרוטיום — מימן 1 — גרעין בעל פרוטון יחיד וללא רצועה בין נוקלאונים.
• הליום 4 — הטבעת המינימלית המלאה של ארבעה נוקלאונים, בעלת קשיחות גבוהה.
• סביבת הברזל — בממוצע רישום המסדרונות לכל נוקלאון חסכוני ביותר ולפיכך היציבות הכוללת מרבית.
• גרעיני הילה — מספר נייטרונים נמתחים הרחק החוצה כגלימה דקה סביב רשת הליבה.

IX. הצבה במקביל לתמונה המקובלת

• כוח גרעיני מן האינטראקציה החזקה השיורית — רצועות ריתוק טנזוריות המתוחות בין נוקלאונים.
• חילופי גלואונים — זרימות של חבילות גלי פיתול וקימוט בתוך הרצועות.
• דחייה קרובה — משיכה בינונית — דעיכה רחוקה — עלות גזירה של הליבה, מסדרון מיטבי, החלקת השדה הרחוק.
• קליפות, מספרים קסומים, זיווג, עיוות, מצבים קולקטיביים — קיבולת טבעות, מדרגות מילוי, התאמת אוריינטציות, גאומטריית הרשת ותנודות.

X. לסיכום

גרעין האטום הוא רשת שבה הנוקלאונים הם הצמתים ורצועות הריתוק הטנזוריות הן הקצוות. את היציבות, העיוותים, ספקטרום המפלסים ומקורות האנרגיה ניתן לקרוא מן הרשת: מגאומטריית הצמתים, מן האורך הכולל והמתיחה של הרצועות, ומן האופן שבו הים האנרגטי משיב את הרשת באלסטיות לשיווי־משקל לאחר הפרעה. ייצוג מוחשי זה אינו משנה עובדות תצפית, אלא מציב אותן בפנקס אנרגיה גלוי יותר המאחד את קו המחשבה ממימן ועד אורניום ומן היתוך ועד ביקוע.

XI. הערות לתרשים — סכמטי, גרעינים ממשיים משתנים לפי היסוד

1. סמלי נוקלאונים
   • טבעות קונצנטריות שחורות ועבות מציגות מבנה סגור ומתמיד. ריבועים וקשתות קטנים בפנים מסמנים נעילת־מופע ומרקם קרוב.
   • שני דגמי טבעות מתחלפים מבחינים בין פרוטון לנייטרון. פרוטון — אדום בתרשים — בעל חתך שמרקמו חזק יותר בחוץ וחלש יותר בפנים. נייטרון — שחור — חתך משלים שבו הרצועה הפנימית והחיצונית מבטלות קיטוב חשמלי נטו.
2. רצועות המתוחות על פני כמה נוקלאונים — רחבות ושקופות למחצה
   • קשתות רחבות המחברות נוקלאונים סמוכים הן רצועות ריתוק טנזוריות, השקולות למונחי הזרם הצבעוני של האינטראקציה החזקה השיורית.
   • אין אלה ישויות חדשות עצמאיות, אלא תולדה של חיבור־מחדש והארכה של הרצועות העצמיות של הנוקלאונים — התעלות החסכוניות ביותר שהים האנרגטי חורץ בקנה מידה גרעיני.
   • הצמתים בין רצועות יוצרות רשת משולשת כדגם חלת דבש, סיבה גאומטרית למשיכה במרחק בינוני ולתופעת הרוויה. לכל נוקלאון קיבולת מוגבלת של חיבורים והתפלגויות זווית.
   • אובליים צהובים — דמות גלואונית — משורשרים בזוגות או ברצף לאורך כל רצועה ומסמנים זרימות בעלות אופי גלואוני.
3. אגן גרעיני רדוד ואיזוטרופיה — טבעת החצים החיצונית
   • טבעת של חצים קטנים סביב מציגה אגן גרעיני רדוד ממוצע בזמן, דמות מסה.
   • השדה הקרוב מכוון ובעל מרקם, והרחוק — לאחר חזרת הים האנרגטי — מתחליק לכיוון הנחיה כמעט כדורית.
4. אזור מרכזי בהיר
   רצועות רבות מתכנסות במרכז ומגלות קשיחות כוללת. כאן נולדות תכונות של קליפות ומספרים קסומים, וכאן קל ביותר לעורר תנודות קולקטיביות של תהודת־ענק.