السباق على العناصر الثقيلة للغاية : تنخرط عدة فرق من علماء الفيزياء في سباق محموم لإنتاج أثقل نوى ذرية يمكن أن توجد. هدفهم: أن يكونوا أول من يضع علمهم على “جزيرة الاستقرار” الشهيرة ، وهي منطقة من الجدول الدوري من شأنها أن تجمع عناصر ثقيلة للغاية ولكنها ليست سريعة الزوال.
جدول المحتويات
إذا كان بإمكانك حمل ذرة واحدة في يدك
إذا كان بإمكانك حمل ذرة واحدة في يدك ، فأي واحدة ستكون أثقل ذرة؟ الجواب: oganesson. تحتوي نواتها الكثيفة على رقم قياسي يبلغ 118 بروتونًا. في المقابل ، يحتوي الهيدروجين ، أخف العناصر وأكثرها انتشارًا في الكون (الموجود في خلاياك ومحيطات الأرض وجو المشتري) على عنصر واحد فقط.
تم الإعلان عن اكتشاف oganesson في عام 2006. استخدم الفيزيائيون معجل الجسيمات في دوبنا ، روسيا ، لقصف هدف ذري ثقيل بملايين المليارات من أيونات الكالسيوم كل ثانية. في نهاية ما مجموعه 1،080 ساعة من الاصطدامات ، أنتج الباحثون ثلاث نوى ذرية (واحدة في عام 2002 ، واثنتان أخريان في عام 2005) من هذه المادة الجديدة فائقة الثقل.
السباق على العناصر الثقيلة : هذه النوى الذرية الجديدة بقيت على قيد الحياة لبضعة أجزاء من الألف من الثانية
هذه النوى الذرية الجديدة بقيت على قيد الحياة لبضعة أجزاء من الألف من الثانية. مع هذا العمر القصير ، كيف يمكنك التأكد من حقيقة الاكتشاف؟ في الواقع ، أجرى الفيزيائيون في المعهد الموحد للأبحاث النووية (IURN) في دوبنا تعدادًا دقيقًا للإشعاع والنوى الأصغر المنبعثة أثناء عمليات التحلل. سمح لهم ذلك بالحصول على اليقين الافتراضي بأنهم قد خلقوا العنصر الشهير للحظة. في عام 2015 ، بعد عقد من عمليات التحقق من جميع الأنواع ، انضم العنصر 118 رسميًا إلى الجدول الدوري للعناصر ، أي القائمة المرجعية للعناصر التي تشكل المادة. تم تسميته على شرف يوري أوجانيسيان ، رائد هذا البحث في المعهد.
إقرأ أيضا:الخوارزمياكتشاف الأوغانيسون الروسي بعيد كل البعد عن الحلقة الأخيرة في هذه القصة.
اكتشاف الأوغانيسون الروسي بعيد كل البعد عن الحلقة الأخيرة في هذه القصة. على مدى العقد الماضي ، دفع الباحثون هوامش الجدول الدوري للعناصر عدة مرات لتضمين ذرات جديدة وأثقل. في نفس الوقت الذي تم فيه إضفاء الطابع الرسمي على oganesson ، أضاف الباحثون أيضًا إلى عناصر الجدول الدوري التي تحتوي على 113 و 115 و 117 بروتونًا لكل ذرة (يتم تحديد الطبيعة الكيميائية للعنصر من خلال عدد البروتونات في نواة ذراته). تمكن أحدنا (كريستوف دولمان) من إجراء تجارب كيميائية على العديد من هذه العناصر فائقة الثقل.
هذا الاستكشاف لعالم مجهول مذهل ، لكن الفيزيائيين والكيميائيين يواجهون مشكلة كبيرة: الذرات القليلة التي يصنعونها موجودة فقط لبضع لحظات قبل أن تضعف أو تتغير. وهذا بسبب التنافر بين البروتونات: موجبة الشحنة ، تتنافر وتتنافر وتتعدد لدرجة أن التوترات الداخلية تنتهي بالفوز وتمزيق مادة النواة. ومع ذلك ، فإن الفيزيائيين لا ييأسوا ، لأنه يمكن أن تكون هذه اللعنة التي تؤثر على الذرات فائقة الثقل. قد تم رفعها بالنسبة لبعضهم ونظائرهم (نسخ من نفس العنصر حيث تحتوي النواة الذرية على عدد مختلف من النيوترونات).
السباق على العناصر الثقيلة : هؤلاء “الناجون” من العالم الذري
هؤلاء “الناجون” من العالم الذري ، والذين لم يتم اكتشافهم بعد . يمكنهم البقاء على قيد الحياة لبضع دقائق ، أو حتى بضع سنوات ، دون أن يتفككوا. معًا ، سيشكلون منطقة من الجدول الدوري لطالما كانت موضوع تكهنات: جزيرة الاستقرار. بفضل التكوينات الخاصة للنواة التي من شأنها أن تمنحها ثباتًا غير عادي.، فإن العناصر فائقة الثقل في هذه المنطقة لن تكون مجرد إنتاجات معملية سريعة الزوال ، ولكنها يمكن أن تقاوم الوقت.
إقرأ أيضا:ما هي شجرة الغافمع الاكتشافات الحديثة للذرات فائقة الثقل ، ربما يكون الفيزيائيون قد لمحوا بالفعل شواطئ هذه الجزيرة. خذ البند 114 ، على سبيل المثال. في المسرع ، تحلل ذرة 114 بروتون أبطأ قليلاً مما توقعته الحسابات. أما بالنسبة لعمر النصف (أي الوقت الذي تحلل بعده نصف الذرات إلى عنصر آخر). لعناصر ثقيلة أخرى تم تحديدها مؤخرًا ، فقد وجد أنها تطول لأن ذلك يزيد من عدد النيوترونات في النواة.
جزيرة حيث الحياة فيها طويلة نسبيا
حتى لو كان هذا العمر لا يزال قصيرًا ، فهو علامة مقنعة على اقتراب علماء الفيزياء من أرض الميعاد. في الواقع ، تتفق هذه الملاحظات مع التوقعات: يُعتقد أن جزيرة الاستقرار تقع في منطقة الجدول الدوري حيث تحتوي الذرات على حوالي 114 بروتونًا وعدد النيوترونات نفسه على الأقل.
الآن وقد بدأنا في استكشاف جزيرة الاستقرار هذه . نأمل في تتبع خطوطها الخارجية وتحديد جوهرها (حيث تتركز النظائر الأكثر استقرارًا) ومعرفة المدة التي يمكن أن تبقى فيها هذه الذرات.
لا يتعلق الأمر فقط بإضافة القليل من الطوب إلى ليغو الطبيعة الكبيرة. لأنه إذا تمكنا يومًا ما من صنع كيلوغرام منها ، فقد يكون لهذه العناصر خصائص جديدة تمامًا (وربما مفيدة) تميزها عن جميع المواد المعروفة.وحتى إذا استمرت المواد التي نصنعها في التحلل بسرعة كبيرة جدًا بحيث لا يمكننا الاحتفاظ بها في أيدينا. فسنكون قد اتخذنا خطوة إلى الأمام نحو فهم أعمق للكيمياء والطبيعة الأساسية مادة.
إقرأ أيضا:علم اليوجاالجدول الدوري هو وسيلة للكيميائيين لرسم خريطة للعالم الذري. تم تصميمه فيالتاسع عشرعشر قرن من الزمان الكيميائي الروسي ديمتري مندليف (ولكن أيضا، بشكل مستقل، من قبل الكيميائي الألماني يوليوس لوثر ماير). يسرد العناصر بترتيب عددها الذري (الذي يتوافق مع عدد البروتونات في النواة الذرية) ويضعها في أعمدة وفقًا لتفاعلها الكيميائي ، أي طريقة تفاعلها مع الذرات الأخرى لتشكيل الجزيئات.
بمجرد صياغة الصورة ، بدأ الكيميائيون يتساءلون عن مدى امتدادها. أثقل عنصر موجود في الطبيعة بكميات ملحوظة هو اليورانيوم ، حيث تحتوي نواته على 92 بروتونًا. أبعد من هذا العدد ، كل بروتون إضافي يزعزع استقرار النواة: التنافر الإلكتروستاتيكي بين البروتونات (الشحنات الموجبة) يتجاوز الجذب بسبب التفاعل النووي – “التفاعل القوي” – الذي يضمن تماسك النواة الذرية. ، وهذا واحد ينقسم ؛ إنه انشطار النواة.
السباق على العناصر الثقيلة : استقرار عنصر معين لا يقتصر على عدد البروتونات التي يحتوي عليها
ومع ذلك ، فإن استقرار. عنصر معين لا يقتصر على عدد البروتونات التي يحتوي عليها ؛ كما أنه يعتمد على تنظيم البروتونات والنيوترونات في نواة الذرة. وفقًا للنموذج الطبقي. للنواة الذي تم تطويره في أواخر الأربعينيات من قبل الأمريكية الألمانية ماريا. جويبيرت ماير والألماني هانز دانييل جنسن (الحائز على جائزة نوبل عام 1963) . يملأ نوعا الجسيمات ما يسمى بالطبقات النووية. يمكن أن تستوعب هذه الطبقات أعدادًا معينة من البروتونات والنيوترونات ، وهي مماثلة للطبقات الإلكترونية التي تحتوي على الإلكترونات حول النواة. في كلتا الحالتين ، تضمن الطبقات المملوءة بالكامل تماسكًا أكبر وتوفر استقرارًا أفضل.
البروتونات والنيوترونات: أرقام سحرية
صمم الفيزيائيون النموذج الطبقي عندما أدركوا أنه بالنسبة لأعداد “سحرية” معينة من البروتونات أو النيوترونات (2 ، 8 ، 20 ، 28 ، 50 و 82) ، تكون النوى أكثر استقرارًا .وأكثر صعوبة في كسرها. في النموذج ذي الطبقات ، تتوافق هذه الأرقام السحرية مع الطبقات الصلبة. إن الأعداد السحرية للبروتونات .والنيوترونات هي نفسها ، لكن لا يوجد ما يضمن أنها ستستمر في التطابق في الذرات المستقبلية التي ننتجها. تعتبر النواة التي تكتمل فيها كل من طبقات البروتون والنيوترون “سحرية مضاعفة”.
“وفقًا لبعض التوقعات ، فإن النواة المكونة من 114 بروتونًا و 184 نيوترونًا ستكون سحرية مضاعفة”
ما زلنا بعيدين عن حل كل ألغاز الأرقام السحرية. يسأل الفيزيائيون ، على سبيل المثال ، ما هي الأعداد السحرية للنواة التي يجب اكتشافها؟ وفقًا لبعض التوقعات النظرية ، فإن النواة فائقة الثقل تحتوي على 114 بروتونًا و 184 نيوترونًا ستكون سحرية مضاعفة. لكن هذه النواة تظل مشهدًا للعقل: إذا أنتجنا العنصر 114 (المسمى flerovium) في المختبر ، فإننا لم نحصل بعد على نسخة تحتوي على 184 نيوترونًا. ومع ذلك ، من المتوقع أن يكون هذا النظير مستقرًا لدرجة أن نصف عمره يقترب من عمر الأرض. تعود هذه النتيجة النظرية إلى الستينيات ، واقترحت في ذلك الوقت لأول مرة وجود جزيرة استقرار ، وهي فكرة أثارت حماسًا كبيرًا في الانضباط ولا تزال تحفزنا.
السباق على العناصر الثقيلة : الذين ليسوا معروفين بعد ذلك
ولكن هل مجموعة 114-184 سحرية حقًا؟ لا نعلم. تتنبأ النماذج النظرية الأخرى للنواة ، على سبيل المثال ، بالتكوينات التي تربط 120 أو 126 بروتونًا و 172 نيوترونًا. بالنسبة لبعض التوقعات حول الأرقام السحرية المستقبلية ، نحن مدينون لألبرت أينشتاين. لقد كان هو الذي شرح الحقيقة المذهلة وهي أن كتلة الذرة أقل من مجموع كتل البروتونات والنيوترونات والإلكترونات التي تتكون منها. صيغته الشهيرة E = mc 2يشير إلى أن عيب الكتلة الناتج عن عدم المساواة هذا يعكس طاقة الرابطة ، الطاقة المطلوبة لضمان تماسك اللب. وهذا يعني أنه من خلال وزن الذرات ذات التكوين المختلف في النيوترونات والبروتونات ، يمكننا تحديد التكوينات التي تؤدي إلى تماسك أقوى (أي تلك التي تتوافق مع الأرقام السحرية) وتحديد إلى أي مدى تكون أكثر استقرارًا.
مهما كانت قيمة الأرقام السحرية التالية ، نعتقد أننا بدأنا في رؤية جزيرة الاستقرار. أظهرت أحدث التجارب أن عمر النصف للعناصر فائقة الثقل التي يتم إنتاجها الآن في المختبر يزداد مع زيادة عدد النيوترونات ، مما يشير إلى أننا نقترب من العدد السحري التالي للنيوترونات.
يتضح هذا التطور بشكل جيد من خلال حالة العنصر
يتضح هذا التطور بشكل جيد من خلال حالة العنصر 112 ، الكوبرنيسيوم (Cn): في حين أن متغير العنصر الذي يحتوي على 112 بروتونًا و 165 نيوترونًا ( 277 Cn) يدوم فقط حوالي 0.6 مللي ثانية ، فإن الانحراف الأثقل بمقدار 8 نيوترونات ( 285 Cn) له عمر أطول بحوالي 50000 مرة! من المرجح أن يستمر هذا الاتجاه نحو مزيد من الاستقرار مع اقترابنا من مركز جزيرة الاستقرار ، ولكن إلى أي مدى؟ لا نعلم. على وجه الخصوص ، يطرح السؤال حول ما إذا كانت هناك عناصر فائقة الثقل مستقرة تمامًا وبالتالي ذات عمر غير محدود.
إن احتمال وجود مثل هذه العناصر دفع البعض إلى البحث عنها في الطبيعة. لأن حقيقة أننا لم نلاحظ ذلك بعد لا تعني أنه لا توجد آثار خفية … تحت أنوفنا. يمكن أن تكون مثل هذه الذرات قد تكونت مع عناصر أخرى أثقل من الحديد خلال أحداث فلكية قوية ، مثل اصطدام نجمين كثيفين يسمى النجوم النيوترونية ، قبل أن تتشتت في جميع أنحاء الكون. في هذه الحالة ، يمكن أن تكون موجودة في الأشعة الكونية التي تصل إلينا من الفضاء ، أو في الصخور الأرضية. يتضح هذا التطور بشكل جيد من خلال حالة العنصر
