العناصر الثقيلة في الأشعة الكونية
جدول المحتويات
العناصر الثقيلة للغاية في الصخور أو الأشعة الكونية؟
وقد بدا علماء الفيزياء أيضا عن آثار العناصر الفائقة الثقل في الأشعة الكونية، على سبيل المثال عن طريق التجربة UHCRE (الترا الثقيلة الكونية راي تجربة ) على متن LDEF الفضائية (لل مرفق طويل مدة التعرض ) ) من وكالة ناسا، ولكن لم يجدوا قاطعة دليل على وجودهم. ستستمر الجهود بلا شك ، لأن مثل هذا الاكتشاف سيكون له أهمية أساسية كبيرة. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن يؤدي تحديد العناصر الجديدة إلى مواد جديدة ، تتمتع كل منها بخصائص فريدة ، ومن المحتمل أن تكون مثيرة للاهتمام للتطبيقات.
نظرًا لأننا لم نجد بعد العناصر فائقة الثقل في الطبيعة ، فلا خيار أمامنا سوى تشكيلها في المختبر. تتكون العملية من البدء من العناصر “الحالية” وإثرائها بالبروتونات. كيف ؟ بتقليد العمليات التي يستخدمها الكون لتكوين العناصر الثقيلة. للقيام بذلك ، يكفي قصف عنصر بالنيوترونات. نظرًا لأن النوى التي تحتوي على عدد كبير جدًا من النيوترونات تميل إلى تحويل أحد نيوتروناتها الزائدة إلى بروتون (عن طريق عملية اضمحلال بيتا) ، فإن الطريقة تنتج في النهايةعنصر أثقل ، برقم ذري أكبر من وحدة واحدة. تكمن مشكلة هذه التقنية في أنه يمكننا فقط تكوين عناصر تصل إلى الفرميوم (العنصر 100). أبعد من هذا العدد الذري ، لا تخضع النواة لاضمحلال بيتا ومن المستحيل إضافة بروتونات.
إقرأ أيضا:استخدامات تجميلية غير متوقعة للهلام البتروليمعجلات لإنشاء عناصر جديدة
للمضي قدمًا وإنتاج عناصر فائقة الثقل مثل oganesson ، يستخدم العلماء أسلوبًا آخر: يجعلون نواتين قريبين جدًا من بعضهما البعض بحيث يلعب التفاعل القوي. هذه القوة لها مدى واسع للغاية. باختصار ، مما يعني أن النواة لديها لمس بعضنا البعض عمليا ليشعروا به. في مثل هذه المسافة ، تكون القوة الطاردة بين البروتونات موجبة الشحنة هائلة. لهذا السبب يجب على الفيزيائيين تسريع إحدى النوى بقوة ، بحوالي 10٪ من سرعة الضوء ، وإسقاطها على النواة الأخرى. هذه السرعة كافية فقط للتغلب على تنافر البروتون والسماح لأسطح النوى بالتلامس.
على الرغم من هذه الظروف ، فإن احتمال أن تلامس النواتان بعضهما البعض يظل ضعيفًا للغاية. بالإضافة إلى ذلك ، تقل احتمالية دمج نواتي البداية في نواة واحدة مع زيادة عدد البروتونات في النظام. حتى عندما توحد “نواة مركبة” شكلي نواتين أصليين ، فإنها في أغلب الأحيان تنقسم على الفور تقريبًا إلى أجزاء أخف. هذان الاتجاهان (الاحتمالية المنخفضة لتكوين نواة مركبة ، والفرصة الكبيرة لانقسامها بعد ذلك) يعملان ضدنا عندما نحاول توليف عناصر فائقة الثقل.
على الرغم من العقبات ، فقد حقق الباحثون نجاحًا كبيرًا باستخدام هذا النهج. لقد أنتجوا العناصر 113 و 115 و 117 و 118 ، والتي تم اعتماد اكتشافاتها في عام 2016 من قبل الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية (IUPAC لديها القدرة على التعرف رسميًا على العناصر الجديدة وتسميتها).
إقرأ أيضا:من هم أغنى الأمريكيين؟يُطلق على العنصر 113 الآن اسم نيهونيوم (الرمز: Nh) ، تكريماً لليابان حيث أجريت التجارب التي جعلت من الممكن توليفه ( Nihon ، باللغة اليابانية ، أحد هذين الاسمين لليابان). العنصر 115 هو موسكوفيوم (Mc) ، لأنه في منطقة موسكو ، حيث تقع IURN ، تم إنتاج هذا العنصر. وأطلق على العنصر 117 اسم تينيسي (Ts) ، على اسم ولاية تينيسي ، حيث يقع مختبر أوك ريدج الأمريكي الذي قدم النوى المستهدفة للبركليوم (العدد الذري 97) اللازم لتركيب العنصر 117. Og) ، مع 118 بروتونًا ، يضع الكرة على العرش الجديد.
العناصر الثقيلة في الأشعة الكونية : في التركيز: العنصر 119
تسليط الضوء الآن على العنصر 119 ، والذي سيضيف عمودًا جديدًا إلى الجدول الدوري. على الرغم من أن العديد من المجموعات ، بما في ذلك مجموعتنا ، قد شرعت في البحث عن هذه الذرة فائقة الثقل ، إلا أن أيًا منها لم يفز باليوم ، على الرغم من لجوئه لأشهر إلى أقوى مسرعات في العالم. إحدى المشاكل التي تمت مواجهتها هي أن التقنية التي عملت بشكل جيد مع oganesson (والتي تتكون من تحطيم أيونات الكالسيوم على نوى أثقل) فشلت لأن ليس لدينا ما يكفي من النوى المتاحة.أكثر من 98 بروتون لاستخدامها كأهداف. نحاول الآن تحديد مجموعات العناصر المعروفة والمتاحة التي تقدم أفضل فرصة لإنتاج نوى جديدة.
إقرأ أيضا:روبرت غراسعلى الرغم من أن الأنواع الذرية الجديدة التي ننتجها تتحلل بسرعة كبيرة ، فقد تم إحراز تقدم ملحوظ مؤخرًا في القدرة على مراقبة وتحليل العناصر فائقة الثقل. بقدر ما هو قصير ، فإن عمر هذه الذرات يجعل من الممكن إجراء تجارب لاختبار خصائصها الفيزيائية والكيميائية ، من أجل معرفة على سبيل المثال ما إذا كانت تتصرف مثل المعادن أو مثل الغازات في درجة حرارة الغرفة.
الخصائص التي يصعب التنبؤ بها
العنصر الأثقل الذي تمت دراسة خصائصه الكيميائية هو الفليروفيوم ، الذي تم تصنيعه لأول مرة في عام 1998. ترك في البداية علماء الفيزياء في حيرة. مكان هذه الذرة في الجدول الدوري ، أسفل الرصاص مباشرة ، يعني أنها يجب أن تتصرف مثل أي ذرة معادن ثقيلة. ولكن وفقًا للنظريات التي يعود تاريخها إلى عام 1975 ، يمكن في الواقع أن تكون نموذجًا لما يسمى بالغازات النادرة ، هذه الغازات الخاملة التي لا تتفاعل إلا قليلاً مع المواد الأخرى. أين تكمن الحقيقة؟
العناصر الثقيلة في الأشعة الكونية : هذه الغازات الخاملة التي لا تتفاعل إلا قليلاً مع المواد الأخرى. أين تكمن الحقيقة؟
هذا السلوك المحسوب الغريب للفلروفيوم هو نتيجة لعدد البروتونات التي تحتويها نواتها وبالتالي لقيمة شحنتها. نظرًا للشحنة الموجبة العالية جدًا لنواة العناصر الثقيلة ، فإن إلكتروناتها (ذات الشحنة السالبة) لها سرعات تصل إلى 80٪ من سرعة الضوء ، وبالتالي تتطور في مدارات مختلفة عن تلك التي تميز المزيد من العناصر.خفيف.
في flerovium ، على سبيل المثال ، يؤدي هذا التأثير إلى فجوة طاقة كبيرة بين المدارين الإلكترونيين الخارجيين. لذلك ، للانتقال من مدار إلى آخر ، يجب أن يكتسب الإلكترون طاقة أكثر مما لو كان للذرة نواة أصغر ، مثل الرصاص الموجود أعلى الجدول الدوري. في حالة الرصاص ، فإن تكوين رابطة كيميائية سيوفر بسهولة أكبر الطاقة اللازمة للإلكترونات للتغلب على هذه الفجوة. نظرًا للفجوة الكبيرة في مستويات الطاقة ، قد لا يصلح الفلروفيوم للتفاعلات الكيميائية بسهولة مثل نظيره الأخف. يمكن أن تبدو بعد ذلك مثل العناصر المقاومة للتفاعلات الكيميائية (الغازات النبيلة) أكثر من المعادن النموذجية مثل الرصاص.
ومع ذلك ، من الصعب التنبؤ بكيفية تصرف الفليروفيوم بالضبط. تتفق النظريات عمومًا على أنه يجب أن يكون أكثر خمولًا من الرصاص ، ولكن من المحتمل أن يكون أكثر تفاعلًا من الغازات النبيلة الحقيقية ويمكن أن يشكل ، على سبيل المثال ، روابط معدنية ضعيفة مع عناصر مثل الذهب. نظرًا لعدم تمكن أي شخص من إنتاجه بكميات كبيرة ، فليس من المعروف كيف ستبدو القطعة المصنوعة من هذا العنصر. يقول البعض إنه يأخذ مظهرًا أبيض فضيًا أو رماديًا باهتًا ويكون صلبًا في درجة حرارة الغرفة.
دفعت الخصائص المثيرة للفضول للفيليروفيوم الفيزيائيين إلى مضاعفة التجارب على الرغم من أن طاقاتهم الإنتاجية محدودة ببضع ذرات في اليوم. والأسوأ من ذلك ، أن فترات نصف العمر لأكثر النظائر استقرارًا المعروفة للفلروفيوم لا تتجاوز ثانية واحدة إلى ثانيتين. واحدة من أفضل المعدات المتاحة للمجتمع لإنتاج flerovium هي Tasca ( لفاصل TransActinide وجهاز الكيمياء ، “جهاز لفرز وكيمياء المعاملات” ، المعاملات التي تحدد جميع العناصر ذات العدد الذري أكبر من 103) الموجودة في Helmholtz Heavy مركز أبحاث الأيونات (GSI) ، ألمانيا ، حيث يعمل كلانا.
أول تجارب الكيمياء
يتم الحصول على عنصر الفيروفيوم شديد الثقل عن طريق قصف البلوتونيوم 244 بشعاع من الكالسيوم 48. عندما يتم إنتاج نوى الفيروفيوم ، توجه المغناطيسات إلى لوحين بطول 32 سم يواجهان بعضهما البعض ، كل منهما مغطى بأجهزة كشف السيليكون ويفصل بينهما مسافة نصف ملليمتر .
أجهزة الكشف مغطاة بطبقة رقيقة جدًا من الذهب ، مما يسمح لنا بدراسة كيفية تفاعل ذرات الفليروفيوم مع هذا المعدن. يتم حفظ اللوح الأول في درجة حرارة الغرفة ، بينما يتم تبريد اللوح الثاني باستخدام النيتروجين السائل حتى – 160 درجة مئوية. لماذا ؟ لأن الروابط الضعيفة (مثل تلك الغازات النادرة التي تصنعها المواد) قوية بما يكفي لربط ذرات الفليروفيوم عند درجة حرارة منخفضة ، ولكن ليس في درجة حرارة الغرفة. لذلك ، إذا كان الفليروفيوم يتصرف كمعدن ، فسوف يلتصق باللوحة الأكثر سخونة. من ناحية أخرى ، إذا كان يبدو أشبه بغاز نادر ، فإنه إما أن يرتبط بالسطح البارد أو لا يتفاعل على الإطلاق.
عندما استخدم فريقنا هذا الإعداد التجريبي ، لاحظنا ذرتين تحلل كلاهما في أجهزة الكشف في درجة حرارة الغرفة. تشير هذه النتيجة إلى أن الفليروفيوم مرتبط بمعدن أكثر من كونه غازًا نادرًا. لكننا ناقضنا تجربة أخرى ، أجراها فريق من معهد بول شيرير في سويسرا ، ونُفذت في مختبر فليروف للتفاعلات النووية في روسيا. من بين الذرات الثلاث التي لاحظها المجربون ، تفككت واحدة في المنطقة الساخنة وعثر على اثنتين في منطقة درجة الحرارة المنخفضة (تم الحفاظ عليها عند حوالي – 90 درجة مئوية). لذلك فهم يفضلون خيار الغاز النادر. نحن أنفسنا نحلل البيانات الجديدة التي تم الحصول عليها في GSI ونأمل أن توضح خصائص هذا العنصر الرائع.
العناصر الثقيلة في الأشعة الكونية : دراسات التنظير الطيفي
في الآونة الأخيرة ، أجرى أحدنا (مايكل بلوك) وفريقه أولى تجارب التحليل الطيفي بالليزر على عنصر ثقيل للغاية ، نوبليوم (العنصر 102). تمكن الباحثون من إنتاج ذرات من النوبليوم بمعدل بضع وحدات في الثانية عن طريق قصف هدف الرصاص (82 بروتونًا) بأيونات الكالسيوم (20 بروتونًا). ثم تم إبطاء ذرات النوبليوم داخل غاز الأرجون وتعريضها لنبضات الليزر. بالنسبة لطاقات معينة من فوتونات الليزر ، يمتص إلكترون من ذرة النوبليوم فوتونًا وهرب. من خلال تغيير تردد الضوء ، وبالتالي طاقة فوتونات الليزر ، تمكن مايكل بلوك وزملاؤه من قياس الطاقة اللازمة لتمزيق إلكترون من ذرة النوبليوم بدقة. ومع ذلك ، فإن “طاقة التأين” هذه هي إحدى الخصائص المميزة التي تحدد مكان العنصر في الجدول الدوري. يحدد احتمال أن يتفاعل العنصر مع العناصر الأخرى ويشكل روابط كيميائية.
تم إجراء هذه التحليلات لأول مرة على النظير 254 من النوبليوم ( 254 لا ، الذي يحتوي على 152 نيوترونًا) ، ثم امتد مؤخرًا إلى النظير 252 رقم و 253 لا من أجل معرفة كيف يغير عجز النيوترونات الطاقات التي تمتصها الإلكترونات. ستوفر النتائج أيضًا معلومات حول التباين في حجم وشكل نوى هذه النظائر ، لأن خصائص النواة (ذات الشحنة الموجبة) لها تأثير على سلوك الإلكترونات (ذات الشحنة السالبة).
