فیزیکدانان هستهای در آستانه کشف جزیره ثبات



خبرآنلاین - پژوهشگران توانستهاند سنگینترین هسته اتمی را با دقتی عالی، همانند تعیین جرم انسان 100 کیلوگرمی به دقت میلیگرم، وزن کنند. با بهبود روشهای تعیین جرم میتوان به کشف عناصر سنگین جزیره پایداری امید داشت.


مجید جویا: با دقیقتر شدن اندازهگیری جرم در مقادیر بسیار ناچیز، میتوان به کشف عناصر سنگینی امید داشت که نیمه عمر کوتاهی نداشته باشند.

به گزارش نیچر، پژوهشگران به تازگی توانستهاند با استفاده از یک تله ویژه، 3 ایزوتوپ از عنصر بسیار سنگین نوبلیوم را به دام بیاندازند و جرم آن را نیز اندازهگیری کنند. نوبلیوم، سنگینترین عنصری است که تاکنون وزن آن به طور مستقیم اندازهگیری شده است.

این اندازهگیریها، یک گام بسیار مهم رو به جلو در مسیر کشف «جزیره پایداری» به شمار میروند؛ عبارتی که به کلاس کوچکی از عناصر سنگینوزن هنوز کشفنشدهای اشاره دارد که فیزیکدانان امیدوارند بتوانند به مدت چند دقیقه، یا چند روز، و یا حتی چندین سال پایدار بمانند. نتایج این تحقیق که به سرپرستی مایکل بلاک، فیزیکدان اتمی و عضو هیاتعلمی مرکز پژوهشهای یونهای سنگین هلمهولتز جی.اس.آی واقع در دارمشتات آلمان انجام شده و مشروح آن، هفته گذشته در نیچر منتشر شد؛ همچنین به اصلاح تعاریف فعلی از سنگینترین اتمی که تاکنون ساخته شده نیز کمک خواهد کرد.

تعیین جرم دقیق اتمی یک عنصر فوق سنگین به هیچ وجه کار آسانی نیست، فیزیکدانان تاکنون تنها میتوانستند جرم عناصر سنگین را به طور غیر مستقیم تخمین بزنند. هستههای سنگین معمولا بهسرعت شکسته میشوند و هستههای فرزند و نوهای به وجود میآورند که با افزودن جرم و انرژی آنها، میتوان جرم و انرژی هسته اولیه را تعیین کرد.

ولی جرم یک هسته سنگین، چیزی بیشتر از مجموع جرم اجزای آن است. دلیل این امر هم این است که انرژی پیوندی که پروتونها و نوترونهای هسته را در کنار هم قرار میدهد، با جرم آن مرتبط است. همانطور که آلبرت اینشتین در فرمول معروف E = mc2 پیشبینی کرده بود، این دو قابل تبدیل به هم هستند. تخمینهای غیرمستقیم از جرم اتم، معمولا نمیتوانند این انرژی پیوند را به درستی محاسبه کنند.

رویکرد شاتگان!

بلاک و همکارانش برای اندازهگیری مستقیم جرم این عناصر فوق سنگین، ابتدا نیاز داشتند که آنها را تولید کنند. برای این کار، آنها از یک شتابدهنده استفاده کردند که اتمهای کلسیوم را به هدفی از جنس سرب شلیک میکرد. در موارد نادری، این هستههای اتمی با هم برخورد میکردند و طی فرآیند همجوشی هستهای، هستهای سنگینتر را میساختند. تقریبا یک بار در هر ثانیه، شتابدهنده یک ایزوتوپ از اتم نوبلیوم را تولید و آنرا آشکار میکرد. این اتم مصنوعی بسته به تعداد نوترونهایی که داشته باشد، میتواند تنها به مدت چند هزارم ثانیه، و یا برای دقایق متمادی دوام بیاورد.

هنگامی که پژوهشگران نوبلیوم را تولید کردند، باید به سرعت آن را از هزاران میلیارد اتم دیگری که از هدف سربی عبور کردند، جدا کنند. برای انجام این کار، گروه از یک ترکیب ویژه میدانهای الکتریکی و مغناطیسی استفاده کرد که به نوبلیوم اجازه میداد بدون مشکل عبور کند، در حالی که دیگر اتمهای سبکتر و سریعتر از منحرف میکرد. سپس با عبور اتم سنگین نوبلیوم از سلولهایی که با گاز نجیب هلیم پر شده بودند، از سرعت آن کاسته میشد. در نهایت، جرم نوبلیوم در درون یک تله پنینگ اندازهگیری میشد، ابزاری است که از میدانهای الکتریکی و مغناطیسی استفاده میکند تا اتم نوبلیوم را در مداری دایروی به حرکت وادارد. با اندازهگیری شعاع و سرعت دوران اتم، میتوان به طور مستقیم جرم اتم را اندازهگیری کرد.

مشکلات سنگینوزن

بلاک میگوید: «با استفاده از این روش، ما توانستیم دقت اندازهگیری جرم را تا حد خیلی زیادی ارتقا بخشیم. این تله میتواند جرم یک اتم را با دقتی برابر با اندازهگیری جرم یک انسان صد کیلوگرمی در ابعاد میلیگرم اندازه بگیرد. در مورد یک ایزوتوپ، یعنی نوبلیوم 253، اندازهگیری اخیر تا پنج برابر دقیقتر از تخمینهای قبلی است».

رالف دیتمار هرزبرگ، دانشمند فیزیک هستهای در دانشگاه لیورپول انگلستان، تا حدی تحت تاثیر این روش اندازهگیری قرار گرفته که نتایج آن را از دیوار آزمایشگاهش آویزان کرده ست. او میگوید: «قطعا این یک کار خیلی خیلی خوب است».

اندازهگیری دقیق جرم عناصر شناختهشدهای مانند نوبلیوم میتواند دانشمندان را قادر سازد تا پژوهشهای خود را برای یافتن عناصر سنگینتر بهبود ببخشند، مانند آنهایی که تصور میشود جزو مجموعه جزیره پایداری باشند. این محدوده از جدول هستهای (که در آن به جای تعداد پروتونها تعداد نوترونها نوشته شده است)، جای عناصری است که خیلی خیلی سنگینتر از هر چیز دیگری است که تاکنون دیده شده است. کار اخیر دانشمندان را قادر میسازد تا چنین اجرامی را بدون روبرو شدن با مشکلات محاسبه جرم هستههای «فرزند» و «نوه» هسته اصلی، خیلی دقیقتر محاسبه کنند.

تصور میشود که برخی از هستهها در جزیره پایداری برای چندین سال و یا حتی بیشتر از آن نیز پایدار بمانند، که به این معنی است که آنها را میتوان برای مدتهای طولانی ذخیره کرد؛ امری که در صورت تحقق آن میتوان آیندهای را متصور شد که در آن سوختهای هستهای بسیار کارامد برای سفر به اعماق فضا در دسترس بشر قرار گیرد.

ولی هرزبرگ بر این باور است که این کار حتی برای آینده نزدیک باارزش است. به گفته او، نظریه کنونی هستهای نمیتواند به طور دقیق اجرام ساختارهای هستهای سنگینترین عناصر را پیشبینی کند. اندازهگیری مستقیم به بهبود آن کمک میکند و برای مثال میتواند با مشخص کردن ساختار هستههای در حال فروپاشی، به یافتن روشهای کارامدتر برای خلاص شدن از شر زبالههای هستهای هم کمک کند.