شارح الدرس: الكواركات الكيمياء • الصف الأول الثانوي

مثال ١: تحديد نكهة الكوارك غير الصحيحة

أيٌّ من الآتي ليس أحد أنواع الكواركات؟

1. قاعي
2. غريب
3. أيسر
4. عُلوي
5. سُفلي

الحل

الكواركات جسيمات دون ذرية أساسية، وهي المكوِّنات الأساسية للمادة. تتَّحِد الكواركات لتكوِّن جسيمات مثل البروتونات والنيوترونات. تُوجَد ستة أنواع مختلفة من الكواركات (تُعرَف أيضًا باسم نكهات الكواركات). فتُوجَد نكهات للكواركات عُلوية وسُفلية وغريبة وساحرة وقِمِّية وقاعية.

من قائمة الاختيارات المُعطاة في السؤال، يُمكننا ملاحَظة أن جميعها تمثِّل نكهات الكواركات، ما عدا الاختيار (ج)، «أيسر». إذن الإجابة الصحيحة هي الاختيار (ج).

مثال ٢: تحديد الشحنة الكهربية للكواركات

أيٌّ من الآتي يرمز إلى قيمتَيِ الشحنة الكهربية التي يُمكن أن تكون لدى الكوارك؟

1. e، e
2. 0، e
3. e، e
4. e، e
5. e، e

الحل

الكواركات جسيمات دون ذرية أساسية، وهي المكوِّنات الأساسية لجسيمات مثل البروتونات والنيوترونات. تحمل البروتونات شحنة قيمتها + e، بينما تحمل الإلكترونات شحنة e ؛ حيث e شحنة أولية. يُمكن أن تحمل الكواركات شحنتين كسريتين مختلفتين من e. تعتمد الشحنة الكهربية للكوارك على نوعه، الذي يُعرَف أحيانًا بنكهته.

تحمل الكواركات العُلوية والساحرة والقِمِّية شحنة كهربية قيمتها e، في حين تحمل الكواركات السُّفلية والغريبة والقاعية شحنة كهربية قيمتها e. وهاتان الشحنتان تُناظِران الشحنتين المذكورتين في الإجابة (د)؛ ومن ثَمَّ، هذه هي الإجابة الصحيحة.

مثال ٣: تحديد نوع الجسيم بمعلومية نوع الكواركات المكوِّنة له

أيٌّ من الآتي يتكوَّن من ثلاثة كواركات على شكل udd؟

1. الإلكترون
2. جسيمات ألفا
3. البروتون
4. جسيمات بيتا
5. النيوترون

الحل

الكواركات جسيمات دون ذرية أساسية، يُمكنها أن تتَّحِد بطُرق مختلفة لتكوِّن جسيمات مركَّبة.

تتكوَّن النيوترونات والبروتونات من ثلاثة كواركات. تتكوَّن النيوترونات والبروتونات فقط من كواركات عُلوية وسُفلية. إذن يُمكن أن يكون الاختيار (ج) أو (هـ) هو الإجابة الصحيحة عن هذا السؤال.

الإلكترونات جسيمات أساسية، ولا تتكوَّن من أيِّ كواركات. وبالمثل يُمكن أن يكون جسيم بيتا إلكترونًا عالي الطاقة أو بوزيترونًا عالي الطاقة؛ ومن ثَمَّ، فهو لا يتكوَّن من كواركات.

يتكوَّن جسيم ألفا من بروتونين ونيوترونين، وهذا يُكافئ تركيب النواة الذرية لذرة الهليوم. يتكوَّن كلُّ بروتون أو نيوترون من ثلاثة كواركات، وهذا يعني أن جسيم ألفا لا بدَّ أن يحتوي على إجمالي 12 كواركًا. ومن ثَمَّ، الاختيار (ب) لا يُمكن أن يكون هو الإجابة الصحيحة عن هذا السؤال.

يُخبرنا السؤال أن الجسيم يتكوَّن من اتِّحاد ثلاثة كواركات، واحد عُلوي واثنان سُفليان (udd). ويتكوَّن البروتون من كواركين عُلويين وكوارك سُفلي. أمَّا النيوترون، فيتكوَّن من كوارك عُلوي، وكواركين سُفليين. إذن الإجابة الصحيحة هي الاختيار (هـ): النيوترون.

مثال ٤: تحديد الشحنة الكهربية لجسيم من نوع الكواركات التي يتكوَّن منها

جُسيم مُركَّب مُكوَّن من كواركين عُلويين وكوارك سُفلي. ما الشحنة الكهربية الكلية لهذا الجُسيم؟

الحل

الكواركات جسيمات دون ذرية أساسية، وهي المكوِّنات الأساسية لجسيمات مثل البروتونات والنيوترونات. تُوجَد ستة أنواع مختلفة من الكواركات (تُعرَف أيضًا باسم نكهات الكواركات). فتُوجَد نكهات للكواركات عُلوية، وسُفلية، وغريبة، وساحرة، وقِمِّية، وقاعية.

تحمل الكوراكات العُلوية والساحرة والقِمِّية شحنة كهربية قيمتها e، في حين تحمل الكواركات السُّفلية والغريبة والقاعية شحنة كهربية قيمتها e.

يُمكن تحديد الشحنة الكلية لجسيم يتكوَّن من كواركين عُلويين وكوارك سُفلي عن طريق جمع شحنات الكواركات:

إذن الشحنة الكهربية الكلية للجسيم تساوي . ومن المرجَّح إلى حدٍّ كبير أن يكون هذا الجسيم بروتونًا.

مثال ٥: حساب عدد الكواركات العُلوية في النواة

احسب العدد الكلي للكواركات السُّفلية في نواة عنصر عدده الذري 9، علمًا بأن نواته بها 28 كواركًا عُلويًّا.

الحل

الكواركات جسيمات دون ذرية أساسية، وهي المكوِّنات الأساسية لجسيمات مثل البروتونات والنيوترونات. يتكوَّن البروتون من كواركين عُلويين وكوارك سُفلي. ويتكوَّن النيوترون من كوارك عُلوي، وكواركين سُفليين.

ولحلِّ هذا السؤال، لا بدَّ من تحديد إجمالي عدد البروتونات والنيوترونات في النواة.

يوضِّح السؤال أن العدد الذري للعنصر هو 9، وهو ما يعني أنه يحتوي على 9 بروتونات. وبما أن البروتونات تتكوَّن من كواركين عُلويين، وكوارك سُفلي، فإن 9 بروتونات تعني وجود كواركات عُلوية، وهو ما يساوي 18 كواركًا عُلويًّا.

ويوضِّح السؤال أن النواة تحتوي على 28 كواركًا عُلويًّا. تمثِّل البروتونات 18 من هذه الكواركات، وهو ما يعني وجود 10 كواركات عُلوية متبقِّية. وبما أن نواة الذرة تحتوي على بروتونات ونيوترونات فقط، فلا بدَّ أن تشكِّل الكواركات العشرة المتبقية النيوترونات.

تتكوَّن النيوترونات من كوارك عُلوي واحد، وكواركين سُفليين. إذن تشكِّل الكواركات العشرة المتبقِّية 10 نيوترونات.

أوضحنا الآن أن النواة الذرية لهذا العنصر تحتوي على 9 بروتونات و10 نيوترونات.

وبما أن البروتونات تحتوي على كوارك سُفلي، فهذا يعني أن 9 بروتونات تحتوي على 9 كواركات سُفلية.

وبما أن النيوترونات تحتوي على كواركين سُفليين، فهذا يعني أن 10 نيوترونات تحتوي على 20 كواركًا سُفليًّا.

وبجمع عدد الكواركات السُّفلية معًا، نحصل على . وبذلك يكون إجمالي عدد الكواركات السُّفلية في نواة الذرة 29.