الإشعاع السنكروتروني

أ ب ت ث ج ح خ د ذ ر ز س ش ص ض ط ظ ع غ ف ق ك ل م ن هـ و ي

الإشعاع السنكروتروني

اشعاع سنكروتروني

Synchrotron radiation - Rayonnement synchrotron

الإشعاع السِنكروتروني

إلياس أبو عسلي

الإشعاع السِنكروتروني synchrotron radiationهو إشعاع كهرطيسي يتولّد في مسرّع السينكروترُن الذي هو مسرّع جسيمات مشحونة، يتعاون فيه الحقلان الكهربائي والمغنطيسي على تسريعها وإبقاء حركتها دائرية، ويمكن أن تصل سرعاتها إلى سرعات نسبوية قريبة من سرعة الضوء، فتقوم الجسيمات المتسارعة المشحونة كهربائياً بإصدار إشعاعات كهرطيسية، أطوال أمواجها وشداتها متعلقة بسرعة الجسيمات وتسارعها، وتزداد شدتها بازديادهما. لذلك استعمل هذا المسرّع مؤخراً جزءاً من تقنية تستفيد من هذا الإصدار في مجالات مختلفة، قد يكون أهمها التحليل البلوري. ويمكن القول إن هذا الإصدار هو عكس تأثير الحقلين الكهربائي والمغنطيسي في شحنة كهربائية. إذ تخضع شحنة كهربائية نقطية q تحت تأثير حقل كهربائي E لقوة (F = q E) تسرّع هذه الشحنة. وعندما تخضع هذه الشحنة وهي متحركة بسرعة v إلى حقل تحريض مغنطيسي B؛ فإنها تخضع لقوة F = q v x B() تجعل هذه الشحنة تدور على مسار دائري. وكُرِّست الكثير من الأعمال التجريبية والنظرية لدراسة إشعاع الجسيمات المشحونة المتحركة.

منذ نهاية القرن التاسع عشر بيّن الفيزيائي لينارد A. Lienard أن الإلكترون الذي يتحرك على دائرة يصبح - بسبب التسارع المركزي - منبعاً لإشعاع كهرطيسي شديد. ثم طوّر شوت G. Schott النظرية التقليدية لإشعاع الإلكترون المتحرك في حقل تحريض مغنطيسي متجانس محاولاً شرح الأطياف الذرية غير المستمرة. ولم تتمكن هذه المحاولات المستندة إلى النماذج الأولية التقليدية للذرة من تحقيق نجاح يذكر، إذ إن دراسة شدة إشعاع الإلكترون - بحسب توزيعه الزاوي أو الطيفي - بقيت في إطار الدراسة الأكاديمية.

اكتسبت مسألة إشعاع الإلكترونات المتحركة بسرعات نسبوية أهمية خاصة. وذلك بسبب التطور المذهل في تقنيات المسرِّعات التحريضية للإلكترونات. كما أضحى معروفاً أن الإلكترونات تتحرك على مسار دائري في حقل تحريض مغنطيسي ثابت. في المسرعات التحريضية مثل البيتاترونbetatron . فتصبح في هذه الشروط منبعاً للإشعاع الكهرطيسي. وتلا ذلك ظهور مسألة تأثير فقدان الطاقة بالإشعاع في عمل المسرعات التحريضية، وكان أول من أشار إلى إمكان خرق العمل الطبيعي للبيتاترون هو إيفانينكو D. Ivanenko وبوميرانتشوك I. Pomeranchuk، إذ تبين لهما أن إشعاع الإلكترون في البيتاترون يمكن أن يتزايد حتى يبلغ قيمة عظمى، وهذا التزايد سيتوقف عندما يصبح فقدان الطاقة الإشعاعي للإلكترونات في واحدة الزمن مساوياً للطاقة التي يكتسبها من القوى الكهربائية الناتجة من تغيّر حقل التحريض المغنطيسي مع الزمن. وقد صار تحديد سقف الإشعاع في عمل البيتاترون بداية لأعمال بحثية في دراسة إشعاع الإلكترونات النسبوية في حقل تحريض مغنطيسي، والتي سميت بالإشعاع السِنكروتروني.

حتى عام 2008، كان السِنكروترون الموجود في مختبر فيرمي الوطني في الولايات المتحدة والمسمى تيفاترون ««Tevatron أضخم المسرعات السينكروترونية؛ فهو يسرّع البروتون أو البروتون المضاد حتى طاقة حركية قريبة من 1 Tev (تيرا إلكترون فولط 1012 eV) ويجعلها تصطدم بعضها مع بعض. أما مصادم الهدرونات الكبير Large Hadron Collider (LHC) الذي أقيم بعد ذلك في CERNفي جنيف، فتصل طاقة الجسيم فيه حتى سبعة أضعاف قيمتها في المسرِّع السابق.

تتناسب طاقة الإشعاع السِنكروتروني طردياً مع القوة الرابعة لسرعة الإلكترون، وعكسياً مع الجذر التربيعي لنصف قطر المدار. وتشكل هذه المعاملات حداً أعلى لطاقة هذه الإشعاعات، علماً أن نصف قطر المسار يتحدد بعد بناء المحطة. وعند زيادة السرعة لا بد من زيادة الحقل المغنطيسي الذي يجعل الجسيمات المشحونة تتحرك في مسار دائري مما يجعل كمية هذه الإشعاعات وطاقتها معتمدة على أكبر شدة لحقل التحريض المغنطيسي الممكنة. وكلما اقتربت سرعة هذه الجسيمات من سرعة الضوء تزداد شدة الإشعاع السِنكروتروني تزايداً سريعاً وينقص طول موجته. وتوجد في الطبيعة إلكترونات سريعة تصدر في المجال الراديوي من المجرّات والسوبرنوفا والكوازارات وفي مجال الأشعة الضوئية والسينية، وأيضاً في الإصدارات الضوئية اللاحرارية، والتي تصادف في فيزياء الطاقات العالية.

وقد يقع طيف هذا الإشعاع ضمن أطوال أمواج راديوية، أو أشعة تحت حمراء، أو في المجال المرئي، أو فوق البنفسجي، أو الأشعة السينية أو أشعة غاما، ويتميز هذا الإشعاع بكونه مستقطباً.

تشبه تطبيقات الأشعة السِنكروترونية تطبيقات الأشعة السينية، لكنها تتميز عنها بإمكان التحكم بسهولة في طول موجتها، وفي شدتها العالية، وفي نقاوتها من حيث الأطوال الموجية، وتظهر تطبيقاتها في:

- الدراسة البنيوية للمواد البلورية واللابلورية.

- دراسة مطيافية إصدار الفوتونات وامتصاص الأشعة السينية.

- تحليل المركبات الكيميائية لتحديد تركيبها.

- التصوير الطبي ومعالجة بعض أنواع السرطانات.

- مراقبة تفاعل الأدوية مع الخلية الحية.

- الدراسات الفلكية والفضائية.

- بحوث متنوعة في البلازما.

- تصميم بعض أنواع منظومات الليزر.

مراجع للاستزادة:

-Charles A. Brau, Modern Problem in Classical Electrodynamics, Oxford University Press, 2004.

-Handbook on Synchrotron Radiation, Vol. 1a, Ernest-Eckhard Koch, North Holland, 1983.

-A. A. Soholov and I. M. Ternov, Radiation from Relativistic Electrons. American institute of physics, New York 1986.