5.10 Kiini cha atomi

Nyumbani ／ Sura ya 5: Chembe za kimsingi zinazoweza kuonekana kwa hadubini (V5.05)

Kiini cha atomi ni mtandao unaojisimamia wenyewe wa nukleoni—protoni na netroni. Katika Nadharia ya Filamenti za Nishati (EFT), kila nukleoni hueleweka kuwa “kifungu kilichofungwa cha filamenti” kinachoweza kujistahimili. Uunganisho kati ya nukleoni hutokea kupitia mikanda ya kizuizi ya tensori yenye umbo la korido, ambayo bahari ya nishati huifungua kwa hiari kufuata njia yenye gharama ndogo ya nishati. Vifurushi vya mawimbi ya mzunguko na ya mikunjo vinavyosafiri kwenye mikanda hii huonekana kama “sura ya gluoni” (hutiwa alama ya njano kwenye mchoro). Mtazamo huu haulingani vibaya na vipimo vinavyozingatiwa katika fizikia iliyozoeleka; badala yake huifanya kauli “nguvu za kiini hutokana na mwingiliano thabiti ulio baki” iwe taswira inayoonekana ya korido za tensori na uunganishaji upya.

I. Kiini ni nini (maelezo yasiyoegemea upande)

• Kiini hutengenezwa na protoni na netroni.
• Idadi ya protoni huamua aina ya elementi; kwenye michoro ya Nadharia ya Filamenti za Nishati, nukleoni mwekundu ni protoni na nukleoni mweusi ni netroni.
• Elementi na isotopi tofauti huwa na idadi na mpangilio tofauti wa nukleoni ndani ya mtandao. Protiamu (hidrojeni-1) ni kisa maalum: kiini chake ni protoni moja tu, bila mkanda wa kizuizi unaovuka kati ya nukleoni.

Mfano wa karibu: fikiri kila nukleoni kuwa kitufe chenye “vishikio vya kufunga”. Bahari ya nishati “hushona” yenyewe kamba ya kuunganisha, ya kutumia nguvu kidogo, kati ya vitufe viwili vilivyo karibu na kuvikaza pamoja. Kamba hiyo ndiyo mkanda wa kizuizi wa tensori.

II. Kwa nini nukleoni “hufutiana”: mikanda ya kizuizi ya tensori

• Wakati mandhari za tensori za karibu za nukleoni wawili zinapokabiliana na kuingiliana, bahari ya nishati huchagua njia yenye gharama ndogo na “hufunga” korido inayowaunganisha—mkanda unaovuka kati ya nukleoni.
• Mkanda si uzi “uliovutwa” kutoka kwa nukleoni; ni mwitikio wa pamoja wa kiunzi, uliounganishwa katika “bandari” kwenye uso wa nukleoni.
• Awamu na mtiririko vinavyopitishwa ndani ya mkanda hujitokeza kama sura ya gluoni, iliyooneshwa kwa ovale ndogo za njano.

Mfano: daraja jepesi la watembea kwa miguu hujikuza lenyewe kati ya kingo mbili; nukta za njano zinazokimbia juu yake ni “mtiririko wa trafiki”.

III. Kwa nini tunaona “msukumo karibu – mvutano wa katikati – kufifia mbali”

• Msukumo karibu: Viini vya nukleoni vikikaribiana mno, muundo wa karibu hukandamizwa sana; gharama ya kukata (shear) katika bahari ya nishati hupaa ghafla—sawa na msukumo wa kiini kigumu.
• Mvutano wa katikati: Kwa umbali wa wastani, mkanda wa tensori hupunguza gharama ya jumla na kuzalisha mfungamano dhahiri.
• Kufifia mbali: Nje ya kiwango cha kiini, mkanda haujifungi tena kwa hiari; mvutano hupungua haraka na kubaki “bawaba ya kiini iliyo bapa” iliyo dhaifu na karibu izotropiki.

Mfano: sahani mbili tambarare za sumaku husukumana zikiwa karibu mno, huwa thabiti zaidi zikiwa na mwanya mdogo, na hazishikani tena zikiwa mbali sana.

IV. Magamba, namba za kichawi na uoanishaji

• Magamba: Chini ya vikwazo vya jiometri na tensori, nukleoni huchukua kwanza “miringo ya gharama ndogo”. Gamba linapojazwa, ugumu wa jumla huruka juu—alama ya namba za kichawi.
• Uoanishaji: Spini zinapopingana na ukiraliti unaolingana husawazisha muundo wa karibu kwa ufanisi zaidi, hivyo kutoa nishati ya jozi.
• Viungo vinavyoonekana: Namba za kichawi na uoanishaji huleta ngazi za kimfumo katika viwango vya nishati na mpangilio katika spektra za kiini.

Mfano: ukumbi wa tamasha wenye safu za duarani; safu inapojazwa, ukumbi wote hutulia; viti viwili vya jirani “vilivyo jozi” huyumba kidogo.

V. Ulegevu wa umbo, mtikisiko wa pamoja na klasta

• Ulegevu: Baadhi ya miringo ikiwa haijakamilika au miungo ya nje ikiwa si shwari, umbo la kiini hutoka kidogo kwenye duara—hunyooka au hupungua.
• Mtikisiko wa pamoja: Mtandao wa mikanda huruhusu modi za “kupumua” na “kupepea” za mwili mzima, zinazolingana na msisimko wa pamoja wa nishati ya chini na mwangwi-jitu.
• Klasta: Katika viini vyepesi, mikanda kati ya nukleoni wachache ikiwa imara sana, huunda miundo midogo ya karibu—kwa mfano klasta za alfa.

Mfano: ngozi ya ngoma iliyovutwa sehemu nyingi inaweza kupepeta yote na pia kujibu mgao wa mahali; pamoja ndiko kunakotoa rangi ya sauti.

VI. Isotopi na “bonde la uthabiti”

• Kwa elementi ile ile, kubadili idadi ya netroni hubadili ufanisi wa kusawazisha na topolojia ya mikanda, hivyo basi uthabiti hubadilika.
• Chache mno au nyingi mno za netroni huacha sehemu katika mtandao ambazo “hazifungi kwa nguvu”; mfumo hujirekebisha kupitia michakato kama mbadiliko wa beta kuelekea uwiano thabiti zaidi.
• Nuklidi nyingi thabiti ziko karibu na bonde la uthabiti.

Mfano: daraja huanza kuyumba kama nguzo ni chache kupita kiasi au nyingi mno. Mpangilio wa vigingi na muundo wa nyaya lazima ulingane ili kupata uthabiti.

VII. Mizania ya nishati ya muungano wa viini vyepesi na mgawanyiko wa viini vizito

• Muungano (fusion): “Mitandao ya daraja” miwili midogo huungana kuwa mtandao mkubwa na wenye ufanisi zaidi; urefu na mkazo wa korido uliookolewa hutoka kama mionzi na nishati ya mwendo.
• Mgawanyiko (fission): Mtandao mgumu kupita kiasi unapotenganishwa kuwa mitandao miwili iliyo bichi zaidi, urefu wa korido wa jumla hupungua pia na nishati hutolewa.
• Matukio yote mawili ni uhasibu upya wa urefu na mkazo wa jumla wa mikanda katika mtandao.

Mfano: funga nyavu mbili ndogo kuwa nyavu moja yenye tija, au gawa nyavu kubwa iliyovutwa kupita kiasi kuwa mbili zinazofaa—katika hali zote “unaokoa kamba”.

VIII. Mifano ya kawaida na maalum

• Protiamu (hidrojeni-1): kiini chenye protoni moja, bila mkanda unaovuka kati ya nukleoni.
• Heliamu-4: “mduara mdogo uliojaa” wa nukleoni wanne, wenye ugumu mkubwa.
• Eneo la chuma: wastani wa “hesabu ya korido” kwa nukleoni ni wa kiuchumi zaidi, hivyo uthabiti wa jumla huwa juu zaidi.
• Viini halo: netroni wachache huenea mbali nje, kama joho jembamba kuzunguka mtandao wa kiini.

IX. Sambamba na taswira iliyozoeleka

• “Nguvu za kiini kutoka kwa mwingiliano thabiti ulio baki” ↔ “mikanda ya kizuizi ya tensori inayovuka kati ya nukleoni”.
• “Kubadilishana gluoni” ↔ “mitiririko ya vifurushi vya mawimbi ya mzunguko/ mikunjo ndani ya mikanda”.
• “Msukumo karibu – mvutano katikati – kufifia mbali” ↔ “gharama ya kukata ya kiini – korido bora – kusawazika kwa uga wa mbali”.
• “Magamba, namba za kichawi, uoanishaji, ulegevu, modi za pamoja” ↔ “uwezo wa miringo, ngazi za ujazo, ulinganifu wa mwelekeo, jiometri ya mtandao na mitikisiko”.

X. Kwa muhtasari

Kiini cha atomi ni mtandao ambamo nukleoni ni vihimili (nodi) na mikanda ya kizuizi ya tensori ndiyo kingo. Uthabiti, ulegevu wa umbo, spektra ya viwango na vyanzo vya nishati vinaweza “kusomwa” kutoka kwenye mtandao huu: kutoka jiometri ya nodi, urefu wa jumla na mkazo wa mikanda, na jinsi bahari ya nishati inavyourudisha mtandao katika mizani baada ya msukosuko. Taswira hii iliyo kwenye “vitu” haibadili uhalisi wowote uliothibitishwa; huweka tu hoja hizo kwenye rejesta inayoonekana ya nishati, inayounganisha hoja kuanzia hidrojeni hadi urani, na kuanzia muungano hadi mgawanyiko.

XI. Maelezo ya mchoro (kimaelezo; viini halisi hutofautiana kwa elementi)

1. Piktogramu za nukleoni
   • Pete nene nyeusi za duarani zinaonyesha muundo uliofungwa unaojisimamia; miraba midogo na vikoromeo vya ndani huashiria kufungika kwa awamu na muundo wa karibu.
   • Miundo miwili inayobadilishana ya pete hutofautisha protoni na netroni:
     a) Protoni (nyekundu kwenye mchoro): sehemu-tarakimu yenye muundo “imara zaidi nje, dhaifu ndani”.
     b) Netroni (nyeusi): sehemu-tarakimu inayokamilishana; mikanda ya ndani na nje hufuta upolarishaji wa umeme wa bersi.
2. Mikanda inayovuka nukleoni kadhaa (mipana, ya uwazi kiasi)
   • Miale mipana inayounganisha nukleoni jirani ndiyo mikanda ya kizuizi ya tensori, inayolingana, katika istilahi za jadi, na “mrija ya mtiririko wa rangi”/mwingiliano thabiti uliosalia.
   • Si hulka huru mpya; hutokana na kuunganishwa upya na uongezaji wa mikanda ya nukleoni wenyewe—njia za gharama ndogo zaidi ambazo bahari ya nishati “huchonga” katika kiwango cha kiini.
   • Makutano ya mikanda huunda mtandao wa pembetatu-asali, chanzo cha kijiometri cha mvutano wa katikati na usitishaji (kila nukleoni hubeba idadi na mgao wa pembe ulio na kikomo).
   • Ovale za njano (sura ya gluoni): hupangwa kwa jozi/ mfululizo kando ya kila mkanda na kuashiria mitiririko ya aina ya gluoni.
3. Bawaba bapa ya kiini na izotropia (pete ya nje ya mishale)
   • Pete ya mishale midogo pembezoni huonyesha bawaba ya kiini iliyo bapa iliyo na wastani wa muda (mwonekano wa “misa”).
   • Uga wa karibu una mwelekeo na muundo; uga wa mbali, baada ya “kurudi” kwa bahari ya nishati, husawazika kuelekea mwongozo wa karibu wa duarani.
4. Eneo la kati lenye mwanga
   Mikanda mingi hukutana katikati na kuonyesha ugumu wa jumla; hapa ndiko asili ya dalili za magamba/namba za kichawi, na hapa ndipo mitikisiko ya pamoja (mwangwi-jitu) huchocheka kwa urahisi zaidi.