نظائر العناصر فائقة الثقل ذات الأعداد الذرية من 104 إلى 114.
اكتشف فريق من العلماء من المختبر الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية ستة نظائر غير مرئية من قبل للعناصر فائقة الثقل ذات الأعداد الذرية من 104 إلى 114. وجاءت بداية الإنجاز من تحضير النظير الجديد رقم 114 (لا يزال غير مسمى)، والتي لاحظ الباحثون منها انبعاثًا متتاليًا لجسيمات ألفا مما أدى إلى قبول النظائر الجديدة: كوبرنيسيوم (112)، دارمشتاتيوم (110)، هاسيوم (108)، سيبورجيوم (106)، رذرفورديوم (104). يوقف الرذرفورديوم سلسلة الاضمحلال عندما يضمحل في النهاية عن طريق الانشطار التلقائي.
المعلومات التي سيتم جمعها من النظائر المكتشفة حديثا سوف تساهم في فهم أفضل لنظرية "الطبقات" النووية، والتي هي أساس التنبؤات بوجود "جزيرة الاستقرار"، وهي مجموعة من النظائر المستقرة التي تم العثور عليها بين "بحر" النظائر غير المستقرة وقصيرة العمر للعناصر الفائقة الثقيلة
وترأس الفريق الذي اكتشف النظائر الستة الجديدة هينو نيتشه، رئيس مجموعة الكيمياء الإشعاعية ونواة العناصر الثقيلة في مختبرات بيركلي وأستاذ الكيمياء في جامعة كاليفورنيا، بيركلي. ونشرت نتائج البحث في المجلة العلمية Physical Review Letters
يقول الباحث الرئيسي: "لقد حاولنا صنع نظائر فائقة الثقل عن طريق حقن أيونات الكالسيوم 48 في هدف ذرات البلوتونيوم 242". "لقد كان نظامًا مشابهًا تمامًا للنظام الذي استخدمناه قبل عام للتحقق من وجود العنصر 114."
يعتمد الاستقرار النووي على هيكل متعدد الطبقات - وهو نموذج يتم فيه تنظيم البروتونات والنيوترونات في مستويات الطاقة المتزايدة في النواة الذرية. توصف النواة ذات الطبقة الخارجية المليئة بالبروتونات أو النيوترونات بأنها نواة "سحرية" وبالتالي فهي مستقرة. أدت إمكانية العثور على نظائر "سحرية" أو "سحرية مضاعفة" للعناصر فائقة الثقل (حيث تمتلئ الطبقات الخارجية لكل من البروتونات والنيوترونات بالكامل) إلى تنبؤات بوجود مجال ذي استقرار متزايد في الستينيات.
يكمن التحدي في إنشاء النظائر عن طريق قصف النوى المستهدفة الغنية بالبروتونات والنيوترونات بحزمة أيونية تحتوي على العدد المناسب من البروتونات للحصول على نوى عنصرية ذات خصائص مرغوبة.
ويشير الباحثون إلى أن الكالسيوم 48 (48Ca)، الذي يحتوي على بنية ذات طبقات سحرية مضاعفة (20 بروتونًا و28 نيوترونًا)، "غني بشكل خاص بالنيوترونات وقادر على الاندماج مع البلوتونيوم" - الذي يحتوي على 94 بروتونًا - "بنسبة منخفضة نسبيًا". استثمار الطاقة للحصول على نواة جديدة." هذه مادة ممتازة لتكوين نواة العنصر 114."
يقول أحد الباحثين: "هناك احتمال ضئيل للغاية أن يتفاعل نظيران مع بعضهما البعض لتكوين نواة جديدة. وللقيام بذلك، نحتاج إلى حزم قوية للغاية من أيونات الكالسيوم التي سيتم اعتراضها نحو الهدف، ومن ثم نحتاج إلى كاشف مناسب يمكنه التعرف على النواة المرغوبة والعثور عليها من بين مجموعة متنوعة من منتجات التفاعل وفقًا لنمط الاضمحلال الفريد الخاص بها.
لسنوات عديدة، يعتقد العلماء أن العنصر 114 نفسه يقع في جزيرة الاستقرار. تتنبأ النماذج القياسية أنه إذا أمكن إنشاء نظير للعنصر 114 يحتوي على 184 نيوترونًا، فسيكون الأمر سحريًا بشكل مضاعف عندما تمتلئ قذائف البروتون والنيوترونات، ومن المتوقع أن يكون له عمر طويل. ومع ذلك، تتنبأ النماذج الحالية بأن العدد السحري للبروتونات يجب أن يكون 120 أو 126. لذا فإن موقع العنصر 114 داخل المجال المستقر موضع شك حاليًا. يقول الباحث الرئيسي: "من المحتمل أننا لن نكون قادرين على إنتاج نظير للعنصر 114 حتى نبني مسرعات أيونية أكثر قوة وكفاءة". "لكن في هذه الأثناء، نحن قادرون على تعلم الكثير عن نموذج الطبقة النووية من خلال مقارنة التنبؤات النظرية بملاحظات النظائر التي يمكننا إنتاجها."
ولاحظ الفريق البحثي الذي تحقق من وجود العنصر 114 نواة نوعين من النظائر: 114(286) و114(287)، والتي تضمحل خلال عُشر الثانية ونصف الثانية على التوالي. بالتعاون العلمي مع مجموعة بحثية من ألمانيا (مركز GSI Helmholtz) تم إنشاء نظيرين آخرين: 114(288) و114(289)؛ وتضمحل هذه النظائر لمدة ثلثي ثانية وثانيتين على التوالي.
على الرغم من أن هذه الأعمار ليست طويلة جدًا، إلا أنها طويلة بما يكفي لحدوث الانشطار التلقائي الذي ينهي سلسلة اضمحلال ألفا. تحتوي جسيمات ألفا على بروتونين ونيوترونين - وهي في الواقع نواة لعنصر الهيليوم - وكثير من النوى الثقيلة تتحلل غالبًا من خلال انبعاث جسيمات ألفا لتكوين ذرات ذات عدد أقل من بروتونين. وفي المقابل، يؤدي الانشطار التلقائي إلى شظايا أخف بكثير.
هذا العام، قررت مجموعة بيركلي البحثية تغيير نهجها وإعداد نظائر جديدة باستخدام طريقة فريدة: فبدلاً من محاولة إضافة نيوترونات جديدة إلى العنصر 114، سيحاولون البحث عن نظائر تحتوي على عدد أقل من النيوترونات. يمكن أن تسمح فترات النصف العمرية المنخفضة لهذه النظائر بالحصول على نظائر جديدة من خلال اضمحلال ألفا قبل أن تؤدي عملية الانشطار التلقائي إلى اضطراب سلسلة الاضمحلال.
"لقد كان هذا نهجا محسوبا للغاية"، يوضح الباحث، "لأننا كنا نأمل في العثور على النظائر التي تنشأ من اضمحلالات ألفا المتعاقبة أسفل السلسلة الرئيسية للعناصر، حيث العلاقات بين عدد النظائر وبنية الطبقات و استقرارهم مفهوم أكثر من ذلك بكثير. باستخدام هذه المعلومات وقياس طاقة اضمحلال ألفا، نأمل أن نتعلم شيئًا عن مدى دقة تنبؤات نموذج بنية الطبقة وأثقل العناصر.
وبهذه الطريقة، وبعد أكثر من ثلاثة أسابيع من تشغيل الشعاع، لاحظ الباحثون سلسلة واحدة من الاضمحلال من العنصر الفقير بالنيوترونات 114 نواة. النظيران الجديدان اللذان تم إنشاؤهما بهذه الطريقة، 114(285) والكوبرنيسيوم (281)، بسبب اضمحلال ألفا، كان لهما عمر أقل من خمس ثانية قبل انبعاث جسيمات ألفا. أما النظير الجديد الثالث، دارمشتاتيوم (277)، فكان له عمر قصير قدره ثمانية مللي ثانية. النظائر الأخرى: الهاسيوم (273) وجد لمدة ثلث ثانية، بينما نظير سيبورجيوم (269) وجد لمدة 3 دقائق وخمس ثوان قبل أن ينبعث منه جسيمات ألفا. وفي نهاية المطاف، بعد دقيقتين ونصف، اضمحل الرذرفورديوم (265) من خلال الانشطار التلقائي. بشكل عام، يشير الباحث الرئيسي إلى أن التوقعات كانت قريبة جدًا من النتائج العملية التي تم الحصول عليها. يعد اكتشاف هذه النظائر الستة الجديدة خطوة مهمة إلى الأمام في فهم المبادئ التي تحكم النوى الذرية.
أخبار الدراسة
