در 1940، با بمباران نوترون‌‌ها بر اورانیوم اولین عنصر سنگین‌تر از آن –نپتونیوم 239- تولید شد. از آن زمان تاکنون دانشمندان هسته‌ای به تحقیق درباره عناصر سنگین جدید مبادرت کرده‌اند. تولید عناصر با عدد اتمی بیش از اورانیوم چالش برانگیز است زیرا با افزایش عدد اتمی نیمه عمر عناصر کاهش می‌یابد. با این وجود نظریات هسته‌ای پیش‌بینی کرده‌اند که برای بعضی از عناصر فراسنگین جدول هسته‌ای، «جزیره پایداری»‌ای وجود دارد که در آن نیمه‌عمر عناصر از مرتبه چند دقیقه تا چند سال است.

شکل 1. نمایش سه‌بعدی جزیره پایداری نظری در فیزیک هسته‌ای.

جستجو برای این جزیره پایداری منجر به پیدایش عناصری شد که تا 118 پروتون دارند. آخرین عنصری که پیدا شد 117 بود[1] که تنها جای خالی بین فهرست عناصر تا 118 را پر کرد. اکنون یوری اگانسیان[أ‌] در موسسه مشترک پژوهش هسته‌ای در روسیه(JINR) و همکارانش روش دیگری را برای تولید عنصر 117 آغاز کرده‌اند[2] که یافته‌های اولیه آن‌ها را تایید می‌کند و به شکل دقیق زنجیره واپاشی دو ایزوتوپ عنصر 117 را مشخص می‌کند. نتایج آن‌ها تایید می‌کند که در حال رسیدن به سواحل جزیره پایداری هستیم.

پایداری هسته‌ها تابعی از تعداد پروتون(Z) و نوترون(N) است(شکل 1). یکی از نواحی متصل از عناصر سبک به «قاره» معروف است و در «دماغه» سرب-بیسموت پایان می‌یابد. همه عناصر با عدد اتمی بیش از 82(سرب) ناپایدارند و برای اعداد اتمی بالاتر، نیمه‌عمر کاهش می‌یابد. با این حال اولین ناحیه پایداری نسبی در حدود ایزوتوپ های توریوم و اورانیوم ظاهر می شود(به ترتیب با Z 90 و 92) که نیمه عمر آن ها با سن عالم قابل مقایسه است.

عناصری با عدد اتمی بیش از اورانیوم(عناصر پسااورانیومی) تنها در آزمایشگاه ساخته شده‌اند(برای مرور تاریخی مرجع [3] را ببینید). پیشرفت این حوزه چشمگیر بوده: 26 عنصر سنگین در طول 60 سال تولید شده است. با استفاده از فرایندهای درآشامی نوترون برای شکلگیری عناصر سنگین تر از اکتنیدها، بعضی از این عناصر(تا کالیفرنیوم) در واکنشگرهای هسته‌ای در مقادیر ماکروسکوپی تولید شده‌اند.

عناصر بعد از اورانیوم هر چه سنگین‌تر، ناپایدارتر می‌شوند زیرا دافعه کولنی قوی‌تر از نیروهای قوی می‌گردد که نوکلئون‌ها را کنار هم نگاه می‌دارد. اما در انتهای دهه 60، گلن تی. سیبرگ[ب‌] وجود ناحیه نسبتا پایداری از عناصر فراسنگین(جزیره پایداری) را فرض کرد. این ایده مبتنی بر مدل پوسته هسته‌ای است که می‌گوید همانند مدل پوسته الکترونی معروف، هسته نیز از پوسته‌هایی ساخته شده است. نظریه‌پردازان هسته‌ای[4،5]، پیش‌بینی کردند که پایداری هسته با پوسته‌های پروتونی و نوترونی بسته باید نیروهای کولنی دافعه را خنثی کند. در ایزوتوپ‌هایی که تعداد پروتون و نوترون «جادویی» دارند، نوترون‌ها و پروتون‌ها کاملا سطوح انرژی یک پوسته در هسته را پر می‌کنند. این ایزوتوپ‌ها نیمه‌عمر طولانی‌تری نسبت به همسایه‌های خود دارند. بر اساس نظریه، این جزیره پایداری دوم باید در حدود عدد پروتونی 114 یا 120 و عدد نوترونی 184 واقع شده باشد. رسیدن به این جزیره پایداری، افق‌های تازه‌ای در فیزیک و فناوری هسته‌ای می‌گشاید و تولید هسته‌های فراسنگین را در مقادیر ماکروسکوپی و با نیمه‌عمر طولانی ممکن می‌سازد به نحوی که بتوان با این هسته‌ها دست به آزمایش‌های واقعی زد. در واقع می‌توانیم درک خود را از ماده هسته‌ای بیازماییم و این عناصر را در پزشکی و شیمی به کار گیریم.

پیشرفت اساسی در ساخت هسته‌های فراسنگین در مرکز پژوهشی یون سنگین هلمهولتز در آلمان صورت گرفت که هسته‌هایی با Z=108 تا 112 برای اولین بار در واکنشگرهای همجوشی پرتابه‌هایی  از آهن تا روی با اهداف سرب و بیسموت ترکیب شدند[6]. متاسفانه، در این ترکیب‌های پرتابه-هدف تنها ایزوتوپ‌هایی را می‌توان تولید کرد که از لحاظ پروتون غنی هستند و نیمه عمرهای بسیار کوتاهی دارند؛ در واقع خارج از جزیره پایداری قرار می‌گیرند. در 10 سال اخیر، پژوهشگران در JINR با موفقیت شش عنصر سنگین Z=113 تا 118 را با روش متفاوتی ساخته‌اند: به جای پرتابه سنگین، از پرتویی از اتم‌های سبک تر ولی با شدت بالا(کلسیم 48) استفاده کردند و آن را بر اهداف اکتنیدی از جنس اورانیوم یا عناصر پسااورانیومی تاباندند. استفاده از کلسیم که از لحاظ نوترونی غنی‌تر است، اجازه می‌دهد تا هسته‌هایی با عدد نوترونی نزدیک به پایداری تولید کنیم.

تا سال 2010، بین عناصر 116 و 118 شکافی وجود داشت. مانع پیش‌رو برای تولید عنصر 117 ماده مناسب برای هدف بود؛ این عنصر که برکلیوم 249 نام دارد نیمه عمر کوتاه 330 روز دارد. در سال 2009، چند میلی‌گرم از برکلیوم در آزمایشگاه ملی اوک ریج ایالات متحده تولید شد که برای منظور هدف‌گیری کافی بود و اولین آزمایش برای ساخت عنصر 117 در JINR انجام شد[1]. در اوایل مارچ 2012(فروردین 1391)، دوباره 12 میلی‌گرم برکلیوم از اوک ریج به JINR فرستاده شد تا فیزیکدانان دومین تلاش خود را برای تولید عنصر 117 انجام دهند.

نتایج این تلاش که در مرجع [2] منعکس شده، تایید می‌کند که روشی اتکاپذیر برای تولید عنصر 117 وجود دارد. نویسندگان اکنون با اطمینان می‌گویند که دو ایزوتوپ این عنصر(293 و 294) ساخته شده‌اند و پنج زنجیره واپاشی برای ₂₉₃117 آشکارسازی شده است. اگانسیان و همکارانش زنجیره واپاشی از عنصر 118 را نیز مشاهده کردند زیرا در زمان آزمایش، بخشی از ماده هدف یعنی برکلیوم به کالیفرنیوم 249 واپاشی کرده بود که می‌تواند در واکنش همجوشی با کلسیوم 48 تولید عنصر 118 کند. نیمه‌عمرهای اندازه‌گیری شده از ایزوتوپ‌های 117 و دیگر عناصر زنجیره واپاشی آن‌ها طولانی هستند و در بازه میلی ثانیه تا ثانیه هستند. این مشاهده با پیش‌بینی‌های مدل پوسته سازگار است و تایید می‌کند که این عناصر در واقع در جنوب غربی ساحل جزیره پایداری واقع شده‌اند.

انتظار ما از رسیدن به مرکز جزیره پایداری چیست؟ اگرچه ایزوتوپ‌های عناصر سنگین تولیدشده با کلسیوم 48 به اندازه کافی زنده می‌مانند، کمبود نوترون دارند یعنی هر ایزوتوپ نیاز به شش تا هشت نوترون دیگر دارد تا در جزیره قرار گیرد. زیرا اتم‌های پایدار سنگین‌تر نسبت به اتم‌های سبک‌تر، باید نسبت نوترون به پروتون بیشتری داشته باشند. بنابراین، ساخت اتم سنگین با همجوشی دو اتم سبک‌تر منجر به اتمی می‌شود که برای پایدار بودن، نوترون‌ها و پروتون‌های بسیار کمی دارد. می‌توان نتیجه گرفت که هیچ راهی به جزیره پایداری وجود ندارد. با این وجود، شاید مسیرهایی به مرکز جزیره پیدا شود. مطالعات نظری اخیر نشان می‌دهد که هسته‌های فراسنگین واقع در طرف چپ و بالای جزیره پایداری در واکنش‌های همجوشی معمول شکل می‌گیرند و پروتون‌های اضافی ناشی از واپاشی β+ را حذف می‌کنند[7]. جایگزین‌های دیگر برای گرفتن تعداد صحیح نوترون، درآشامی نوترون است. در چنین روشی نیاز است که اتم‌های سنگین مانند اورانیوم را در معرض شارهای بسیار زیاد نوتورن قرار دهیم. نظریه نشان می‌دهد که این کار را می‌توان در احتراق هسته‌ای در زیرِ زمین[8] یا با استفاده از واکنشگرهای هسته‌ای ضربه‌ای انجام داد البته به شرطی که در هر ضربه، شار نوتورنی در حدود سه مرتبه بزرگی زیاد شود.

منبع:

Heavy into Stability, Walter Greiner, APS News, October 15, 2012.

مراجع:

1.     Yu.Ts. Oganessian et al., “Synthesis of a New Element with Atomic Number Z=117,” Phys. Rev. Lett. 104, 142502 (2010).

2.     Y. T. Oganessian et al., “Production and Decay of the Heaviest Nuclei 293,294 117 and 294 118,” Phys. Rev. Lett. 109, 162501 (2012).

3.     G. T. Seaborg and W. D. Loveland, The Elements Beyond Uranium (John Wiley and Sons, New York, 1990)[Amazon][WorldCat].

4.     S. G. Nilsson, S. G. Thompson, and C. F. Tsang, “Stability of Superheavy Nuclei and Their Possible Occurrence in Nature,” Phys. Lett. 28B, 458 (1969).

5.     U. Mosel and W. Greiner, “On the Stability of Superheavy Nuclei Against Fission,” Z. Phys. A 222, 261 (1969); Also in the Proposal for the Establishment of GSI: Frankfurt-Darmstadt-Marburg (1967).

6.     S. Hofmann and G. Munzenberg, “The Discovery of the Heaviest Elements,” Rev. Mod. Phys. 72, 733 (2000).

7.     V. I. Zagrebaev, A. V. Karpov, and W. Greiner, “Possibilities for Synthesis of New Isotopes of Superheavy Elements in Fusion Reactions,” Phys. Rev. C 85, 014608 (2012).

8.     V. I. Zagrebaev, A. V. Karpov, I. N. Mishustin, and W. Gr