با سنگین‌ترین ایزوتوپ‌های عناصر آشنا شوید؛ ایستگاه اول: سدیم

چند سال پیش، گروهی از فیزیکدانان یک ذره زیر اتمی عجیب و جدید را خلق کردند. آن‌ها نام این ذره تازه کشف شده را سدیم گذاشتند. اما سدیم جدید چیست و چگونه به وجود آمد؟ با دیجیاتو در این سفر علمی همراه باشید.

ابتدا به سراغ نحوه خلق سدیم برویم. فیزیکدانان با استفاده از یک شتاب دهنده ژاپنی به نام ریکن (Riken)، ساعت‌های متمادی رشته‌هایی از هسته کلسیم را به یک دیسک فلزی برخورد دادند. سپس در میان نتایج این برخورد، ذره‌ای پیدا کردند که نام آن را سدیم گذاشتند. اما این سدیم با آن سدیمی که در نمک (NaCl) می‌شناسید، فرق دارد.

کاری که فیزیکدانان ژاپنی انجام داده‌اند، مانند تولید یک فرانکنشتاین سدیم است.

سدیم‌های موجود در طبیعت همگی سدیم ۲۳ هستند. عدد جرمی ۲۳، نشان دهنده مجموع تعداد ۱۱ پروتون و ۱۲ نوترون داخل هسته این ذره است، اما این عدد نشان دهنده تمام پتانسیل این ماده نیست. از لحاظ تئوری، هر هسته‌ای با ۱۱ پروتون، یک نوع سدیم به حساب می‌آید. جدول تناوبی هم بر اساس همین تعداد پروتون‌های داخل هسته، عناصر را چیده که سدیم هم عنصر شماره ۱۱ است. از همین رو هیچ گاه خبری از تعداد نوترون‌هایی که داخل هسته یک اتم جای می‌گیرد، نشده بود.

کاری که فیزیکدانان ژاپنی انجام داده‌اند، مانند تولید یک فرانکنشتاین سدیم است. این سدیم، همان ۱۱ پروتون را دارد، اما اینبار به جای ۱۲ نوترون، ۲۸ نوترون در خود جای داده است. در نتیجه سدیم ۳۹، آن را به بزرگ‌ترین ایزوتوپ سدیم تبدیل می‌کند. تولید این ایزوتوپ، ۸ ساعت طول کشید و میلیون‌ها برخورد هم لازم داشت. در اصل ۱۰ به توان ۱۷ بار برخورد لازم بود تا یک ایزوتوپ سدیم ۳۹ تولید شود. ایزوتوپی که پس از تشکیل، بلافاصله از هم متلاشی شد.

توشیوکی کوبو (Toshiyuki Kubo) یکی از فیزیکدانان ریکن می‌گوید:

نرخ تولید چنین ایزوتوپ‌هایی بسیار پایین است و در نتیجه زود هم از بین می‌روند.

این گونه جدید اما تاثیرش را گذاشت. ایزوتوپ فوق، تبدیل شد به معرف نهایت چیزی که می‌توان به سدیم نسبت داد. همچنین یکی از بزرگ‌ترین پروژه‌های دانشمندان را نیز به سرانجام رساند. اما با گذر زمان و در طول دهه‌ها، فیزیکدانان به سراغ جدول تناوبی رفته و هلیوم، هیدروژن، لیتیوم و دیگر عناصر را بررسی کردند تا سنگین‌ترین ایزوتوپی که با قانون فیزیک تطابق دارد را پیدا کنند.

حد نهایی نوترون‌های فلورین، ۲۲ است یا هسته نئون می‌تواند حداکثر ۲۴ نوترون را در خود جای دهد.

بر اساس مقاله‌ای که دانشمندان ریکن منتشر کرده‌اند، با قطعیت گفته‌اند که حد نهایی نوترون‌های فلورین، ۲۲ است یا هسته نئون می‌تواند حداکثر ۲۴ نوترون را در خود جای دهد. اما حد نهایی سدیم همچنان مجهول مانده، ولی به نظر می‌رسد که عدد حداقلی ۲۸، حد پایین مناسبی قلمداد شود. فیزیک دانان این حد را «خط ریزش نوترون» می‌نامند. دلیل آن هم این است که اگر سعی کنید بیشتر از ظرفیت هسته به آن نوترون وارد کنید، اولین نوترون وارد شده به هسته، بدون مقاومت از هسته خارج می‌شود.

برای مثال، پیدا کردن حد نوترون فلورین و نئون، ۲۰ سال طول کشیده است و یکی از فیزیک دانان دانشگاه میشگیان به نام آرتمیس اسپایرو (Artemis Spyrou) هم این زمان را تایید می‌کند. زیرا برای این که ثابت کنیم یک ایزوتوپ خاص، سنگین‌ترین ایزوتوپ یک عنصر مشخص است، باید نشان دهید که ایزوتوپ سنگین‌تر از آن وجود ندارد و صرفا خلق یک ایزوتوپ سنگین، نشان دهنده چیز خاصی نیست. اسپایرو در این رابطه می‌گوید:

این که شما نمی‌توانید ایزوتوپ سنگین‌تری را ببینید، آیا به این دلیل است که سنگین‌تر از آن وجود ندارد؟ یا به این دلیل است که آزمایش‌های شما به اندازه کافی خوبی نبوده؟

کوبو و تیمش، سال‌ها برای رسیدن به این نتایج تحقیق کرده بودند. آن‌ها مجبور بودند که قدرت شتاب‌دهنده را افزایش دهند و یک سیستم فیلتر کننده ذرات پیچیده‌ مغناطیسی بسازند که هسته‌های اتم‌های مختلف را از یک دیگر جدا می‌کند و طولی به اندازه یک زمین فوتبال دارد. سپس برای نشان دادن این که فلورین ۳۱ با ۲۲ نوترون، سنگین‌ترین فلورینی است که در چارچوب قوانین طبیعت می‌گنجد، مدل‌سازی‌هایی انجام دادند که احتمال تولید فلورین ۳۲ و ۳۳ را تخمین می‌زد.

فیزیکدانان مطمئن شدند که هیچ‌گاه احتمال تشکیل فلورین‌های ۳۲ و ۳۳ وجود ندارد.

پس از این که فیزیکدانان مطمئن شدند که هیچ‌گاه احتمال تشکیل فلورین‌های ۳۲ و ۳۳ وجود ندارد، با قطعیت گفتند که فلورین ۳۱، سنگین‌ترین ایزوتوپ فلورین خواهد بود. نئون ۳۴ هم به همین طریق به عنوان سنگین‌ترین ایزوتوپ نئون برگزیده شد. اما محققین نتایج خود را منتشر نکرده و به مدت ۵ سال، آن ‌ها را تحلیل کردند تا از قطعیت آن‌ها مطمئن شوند.

کیت جونز (Kate Jones) از دانشگاه تنسی در رابطه با این دستاورد می‌گوید:

مقدار فلورین ۳۱ که این فیزیکدانان تولید کرده‌اند، اعجاب انگیز است. آن‌ها ۴ هزار هسته مختلف از ایزوتوپ فلورین را بررسی کردند و قطعا اگر فلورین ۳۲ وجود داشت، پیدایش می‌کردند.

اما فیزیک دانان علاقه دارند تا با استناد به این نتایج بتوانند مرز بین ممکن‌ها و غیر ممکن‌های موجود در طبیعت را شناسایی کنند. با این حال، نتایج به دست آمده به کمک اختر شناسان نیز آمده است. آن‌ها به کمک این کشفیات می‌توانند شرایط محیطی وخیم ستاره‌های نوترونی را بررسی کنند. ستاره نوترونی، هسته وا پاشیده یک ستاره مرده بوده و به قدری چگال است که یک قاشق غذاخوری آن، میلیون‌ها تن جرم دارد. نکته جالب هم این جاست که شرایط وخیم محیطی این ستاره‌های نوترونی، هسته‌های کم عمری که کوبو در آزمایشگاه ساخته بود را به وجود می‌آورد.

این ذرات عبوری، نقش نامعلومی در انفجار اشعه‌های ایکس مشاهده شده در سطح این ستاره‌های نوترونی دارند. این اشعه‌های ایکس که به نام «ابر پرتو‌های اشعه ایکس» نیز شناخته می‌شوند، زمانی قابل مشاهده هستند که جاذبه یک ستاره نوترونی، ذرات و ماده از ستاره‌ای که به دور آن می‌چرخد را ببلعد. اختر فیزیک دانان می‌توانند به کمک این اندازه‌گیری‌های آزمایشگاهی، انفجارات اشعه ایکس سطح این ستاره‌ها را بهتر شبیه‌سازی کنند.

محققین در نظر دارند برای کل ۱۱۸ عنصر جدول تناوبی، چنین ایزوتوپ‌هایی را پیدا کنند.

با این حال محققین، امیدوارند که به جستجوی خود برای پیدا کردن سنگین‌ترین ایزوتوپ سدیم و عنصر قبلی آن، نئون، پایان دهند. از همین رو قرار است که جونز و اسپایرو، به کمک شتاب‌دهنده جدیدی که در دانشگاه میشیگان ساخته می‌شود، سنگین‌ترین سدیم را یپدا کنند. در نهایت هم محققین در نظر دارند برای کل ۱۱۸ عنصر جدول تناوبی، چنین ایزوتوپ‌هایی را کشف کنند. اتفاقی که بسیار سخت ولی شدنی خواهد بود.