حالة تبدل استقرار غلاف التكافؤ الداخلي في الجزيء

إن حالة تبدل استقرار غلاف التكافؤ الداخلي في الجزيء، والتي تُعرف اختصاراً بالإنجليزية بـ MIMS، هي فئة من الجزئيات ذات الطاقة الفائقة وعمر النصف القصير، والتي تملك طاقة ارتباط أكبر بـ 1000 مرة، وطول رابطة يُقدر بجزء من مئة، مقارنة مع الجزئيات القياسية (أو النظامية). تتشكل هذه الجزئيات عن طريق الكترونات غلاف التكافؤ والتي تقاوم تشكّل الجزيء الطبيعي. ولكن في الظروف النجمية، تصبح الكترونات حزمة التكافؤ نشطة تفاعلياً، وتشكل بذلك البنى الجزيئية من مجموعات تحوي جميع العناصر في الجدول الدوري.

تبعث هذه الجزئيات فوتونات أشعة X، وتصل طاقتها لـ 100 ألف الكترون فولت keV مقارنة بطاقة الفوتونات العادية. ومن المتوقع وجود هذه الجزئيات، وهيمنتها على العمليات الإشعاعية، في بيئات الفيزياء الفلكية، أي في قلب الكواكب مثلاً أو النجوم، أو في محيط الثقوب السوداء أو النجوم النيوترونية. ويُعتقد بذلك أن هذه الجزيئات قادرة على تحويل طاقة الانضغاط النجمي إلى طاقة إشعاعية.

يُظهر المخطط التوضيحي المراحل الأربعة الافتراضية لتشكلها، وعمليات توليد أشعة X:
 المرحلة الأولى I: تخضع الذرات الفردية إلى الانضغاط النجمي، وتصبح جاهزة لامتصاص طاقة الانضغاط هذه.
 المرحلة الثانية II: تتحد أغلفة الالكترونات الخارجية مع بعضها تحت تأثير الضغط النجمي المتزايد.
 المرحلة الثالثة III: عندها يبلغ الضغط أقصاه، عن طريق تأين مدارات الغلاف K (الغلاف الأول) لتشكيل غلاف التكافؤ متبدل الاستقرار، ويصبح حاراً ومغلفاً بغلاف شبيه بالغلاف L.
 المرحلة الرابعة IV: تبرد الجزيئات ذات غلاف التكافؤ متبدل الاستقرار عن طريق تأيين عددٍ من التكرونات الغلاف الوهمي المشابه للغلاف L، وعن طريق التضاؤل اللاحق نتيجة إطلاق فوتونات أشعة X. تعود الذرات المنفصلة إلى حالتها الأصلية، وتصبح جاهزة لامتصاص طاقة الضغط.

وبالإمكان إنتاج هكذا جزيئات في المختبر أو في الوسط الصناعي، وذلك عن طريق آلة زد أو الاندماج بحصر القصور الذاتي.

تاريخ 
اقتُرح وجود شبه جزيء ذو غلاف داخلي متبدل الاستقرار في عملية تبديد إنتاج أشعة X، وذلك منذ ثلاثينيات القرن الماضي من طرف Mott. كان وجود شبه جزيء ذي طاقة عالية في المادة شديدة الضغط ممكناً نظرياً في الحساب الكمي (ab initio quantum calculation)، وهو ما اقترحه يونغر وآخرون في أواخر الثمانينيات من القرن الماضي . وفي عام 2008، توقع ونتربرغ وجود جزيئات ذات رابطة داخلية متبدلة الاستقرار في غلاف التكافؤ K تحت الضغط العالي، واستخدامها في بدء التفاعلات النووية الحرارية، وذلك استناداً على النتائج المستخصلة من أبحاث مولر ورافيلسكي وغيرنر  في أشباه الجزيئات أثناء التصادمات الذرية ذات سرعات التصادم المرتفعة.

واقتُرح وجود حالة الجزيء ذي غلاف التكافؤ الداخلي متبدل الاستقرار، والمشابه لإكسايمر الغازات النادرة، على يد Bae في عام 2008  لتفسير إشارات أشعة X الشاذة والغامضة التي لاحظها Bae وزملاؤه في مختبر بروكهفن الوطني في تسعينيات القرن الماضي.

ولدراسة آثار الجسم المتعدد في المواد النجمية المنضغطة بشدة، قام Bae وزملاؤه بتوليد ودراسة هذه المواد عن طريق تصادم جسيمات نانوية مائية وحيوية بسرعات فائقة (100 كلم/ثانية) مع أهداف مختلفة. واكتشف الباحثون أثناء دراستهم وجود إشارات شاذة عندما اصطدمت الجسيمات النانوية مباشرة بكاشفات جزيئات السيليكون، والتي تملك نوافذ سميكة كفاية لمنع اختراق الجسيمات النانوية بشكل كامل.

لم يستطع Bae حل لغز الإشارات الشاذة حتى عام 2008، حيث ساعدته علوم المواد النجمية الناشئة في هذا الأمر. وعند تحليل هذه الإشارات، اكتشف Bae  وجود نوع من الجزيئات متبدلة الاستقرار تملك طاقة عالية جداً، وترتبط مع بعضها بالكترونات غلاف التكافؤ الداخلي، وأن هذه الجزيئات هي المسؤولة عن الإشارات الصادرة، وهو من أطلق عليها الاسم الذي نعرفه الآن. كما اكتشف Bae أن كفاءة تحويل الطاقة المرصودة عن هذه الجزيئات من الطاقة الحركية للجسيمات النانوية إلى الطاقة الإشعاعية يصل إلى 40 بالمائة، واقترح بالتالي أن هذه الجزيئات ذات غلاف التكافؤ متبدل الاستقرار باستطاعتها أن تفسح المجال لجيل جديدٍ من مولدات أشعة X المضغوطة ذات الكفاءة الفائقة.

بين عامي 2013 و2014، وأثناء بحثٍ يتعلق بهذه الجزيئات باستخدام مجالٍ واسعٍ من مولدات أشعة X، اكتشف Bae  ظهور الجزيئات ذات غلاف التكافؤ متبدل الاستقرار، والتي تشكلت بوساطة الكترونات غلاف التكافؤ K، في العديد من البيانات البحثية المتعلقة بعمليات التصادم الأيونية، والتي أجراها عدد كبير من الباحثين على مر العقود السابقة. وافترض Bae في أوراقه البحثية أن شبه الجزيء ما هو إلا جزيء ذو غلاف تكافؤ متبدل الاستقرار (MIMS) خلال عمليات التصادم، وأن هناك ظروف معينة تسمح بإنتاج هذا الجزيء.

وبعد التحليل الدقيق والمكثف والنمذجة النظرية لهذه البيانات، والتي تضمنت نطاقاً واسعاً من العناصر في الجدول الدوري، دُمجت البيانات بنجاحٍ في إطار موحد لنموذج الجزيء ذي غلاف التكافؤ متبدل الاستقرار. لذا تم إنشاء نموذج جزيء ذي غلاف تكافؤ متبدل الاستقرار لجميع العناصر في الجدول الدوري.

المراجع 

أشعة سينية
اندماج نووي
ترابط كيميائي
فيزياء البلازما
فيزياء المواد المكثفة
فيزياء جزيئية