پژوهشگران توانسته اند سنگین ترین هسته اتمی را با دقتی عالی، همانند تعیین جرم انسان ۱۰۰ کیلوگرمی به دقت میلی گرم، وزن کنند. با بهبود روش های تعیین جرم می توان به کشف عناصر سنگین جزیره پایداری امید داشت.

پژوهشگران توانسته اند سنگین ترین هسته اتمی را با دقتی عالی، همانند تعیین جرم انسان ۱۰۰ کیلوگرمی به دقت میلی گرم، وزن کنند. با بهبود روش های تعیین جرم می توان به کشف عناصر سنگین جزیره پایداری امید داشت.

با دقیق تر شدن اندازه گیری جرم در مقادیر بسیار ناچیز، می توان به کشف عناصر سنگینی امید داشت که نیمه عمر کوتاهی نداشته باشند.

پژوهش گران به تازگی توانسته اند با استفاده از یک تله ویژه، ۳ ایزوتوپ از عنصر بسیار سنگین نوبلیوم را به دام بیاندازند و جرم آن را نیز اندازه گیری کنند. نوبلیوم، سنگین ترین عنصری است که تاکنون وزن آن به طور مستقیم اندازه گیری شده است.

این اندازه گیری ها، یک گام بسیار مهم رو به جلو در مسیر کشف «جزیره پایداری» به شمار می روند؛ عبارتی که به کلاس کوچکی از عناصر سنگین وزن هنوز کشف نشده ای اشاره دارد که فیزیک دانان امیدوارند بتوانند به مدت چند دقیقه، یا چند روز، و یا حتی چندین سال پایدار بمانند. نتایج این تحقیق که به سرپرستی مایکل بلاک، فیزیک دان اتمی و عضو هیات علمی مرکز پژوهش های یون های سنگین هلمهولتز جی. اس. آی واقع در دارمشتات آلمان انجام شده و مشروح آن، هفته گذشته در نیچر منتشر شد؛ هم چنین به اصلاح تعاریف فعلی از سنگین ترین اتمی که تاکنون ساخته شده نیز کمک خواهد کرد.

تعیین جرم دقیق اتمی یک عنصر فوق سنگین به هیچ وجه کار آسانی نیست، فیزیک دانان تاکنون تنها می توانستند جرم عناصر سنگین را به طور غیر مستقیم تخمین بزنند. هسته های سنگین معمولا به سرعت شکسته می شوند و هسته های فرزند و نوه ای به وجود می آورند که با افزودن جرم و انرژی آنها، می توان جرم و انرژی هسته اولیه را تعیین کرد.

ولی جرم یک هسته سنگین، چیزی بیشتر از مجموع جرم اجزای آن است. دلیل این امر هم این است که انرژی پیوندی که پروتون ها و نوترون های هسته را در کنار هم قرار می دهد، با جرم آن مرتبط است. همان طور که آلبرت اینشتین در فرمول معروف E = mc۲ پیش بینی کرده بود، این دو قابل تبدیل به هم هستند. تخمین های غیرمستقیم از جرم اتم، معمولا نمی توانند این انرژی پیوند را به درستی محاسبه کنند.

رویکرد شاتگان!

بلاک و همکارانش برای اندازه گیری مستقیم جرم این عناصر فوق سنگین، ابتدا نیاز داشتند که آنها را تولید کنند. برای این کار، آنها از یک شتاب دهنده استفاده کردند که اتم های کلسیوم را به هدفی از جنس سرب شلیک می کرد. در موارد نادری، این هسته های اتمی با هم برخورد می کردند و طی فرآیند همجوشی هسته ای، هسته ای سنگین تر را می ساختند. تقریبا یک بار در هر ثانیه، شتاب دهنده یک ایزوتوپ از اتم نوبلیوم را تولید و آن را آشکار می کرد. این اتم مصنوعی بسته به تعداد نوترون هایی که داشته باشد، می تواند تنها به مدت چند هزارم ثانیه، و یا برای دقایق متمادی دوام بیاورد.

هنگامی که پژوهشگران نوبلیوم را تولید کردند، باید به سرعت آن را از هزاران میلیارد اتم دیگری که از هدف سربی عبور کردند، جدا کنند. برای انجام این کار، گروه از یک ترکیب ویژه میدان های الکتریکی و مغناطیسی استفاده کرد که به نوبلیوم اجازه می داد بدون مشکل عبور کند، در حالی که دیگر اتم های سبک تر و سریع تر از منحرف می کرد. سپس با عبور اتم سنگین نوبلیوم از سلول هایی که با گاز نجیب هلیم پر شده بودند، از سرعت آن کاسته می شد. در نهایت، جرم نوبلیوم در درون یک تله پنینگ اندازه گیری می شد، ابزاری است که از میدان های الکتریکی و مغناطیسی استفاده می کند تا اتم نوبلیوم را در مداری دایروی به حرکت وادارد. با اندازه گیری شعاع و سرعت دوران اتم، می توان به طور مستقیم جرم اتم را اندازه گیری کرد.

مشکلات سنگین وزن

بلاک می گوید: «با استفاده از این روش، ما توانستیم دقت اندازه گیری جرم را تا حد خیلی زیادی ارتقا بخشیم. این تله می تواند جرم یک اتم را با دقتی برابر با اندازه گیری جرم یک انسان صد کیلوگرمی در ابعاد میلی گرم اندازه بگیرد. در مورد یک ایزوتوپ، یعنی نوبلیوم ۲۵۳، اندازه گیری اخیر تا پنج برابر دقیق تر از تخمین های قبلی است».

رالف دیتمار هرزبرگ، دانشمند فیزیک هسته ای در دانشگاه لیورپول انگلستان، تا حدی تحت تاثیر این روش اندازه گیری قرار گرفته که نتایج آن را از دیوار آزمایشگاهش آویزان کرده ست. او می گوید: «قطعا این یک کار خیلی خیلی خوب است».

اندازه گیری دقیق جرم عناصر شناخته شده ای مانند نوبلیوم می تواند دانشمندان را قادر سازد تا پژوهش های خود را برای یافتن عناصر سنگین تر بهبود ببخشند، مانند آنهایی که تصور می شود جزو مجموعه جزیره پایداری باشند. این محدوده از جدول هسته ای (که در آن به جای تعداد پروتون ها تعداد نوترون ها نوشته شده است)، جای عناصری است که خیلی خیلی سنگین تر از هر چیز دیگری است که تاکنون دیده شده است. کار اخیر دانشمندان را قادر می سازد تا چنین اجرامی را بدون روبرو شدن با مشکلات محاسبه جرم هسته های «فرزند» و «نوه» هسته اصلی، خیلی دقیق تر محاسبه کنند.

تصور می شود که برخی از هسته ها در جزیره پایداری برای چندین سال و یا حتی بیشتر از آن نیز پایدار بمانند، که به این معنی است که آنها را می توان برای مدت های طولانی ذخیره کرد؛ امری که در صورت تحقق آن می توان آینده ای را متصور شد که در آن سوخت های هسته ای بسیار کارامد برای سفر به اعماق فضا در دسترس بشر قرار گیرد.

ولی هرزبرگ بر این باور است که این کار حتی برای آینده نزدیک باارزش است. به گفته او، نظریه کنونی هسته ای نمی تواند به طور دقیق اجرام ساختارهای هسته ای سنگین ترین عناصر را پیش بینی کند. اندازه گیری مستقیم به بهبود آن کمک می کند و برای مثال می تواند با مشخص کردن ساختار هسته های در حال فروپاشی، به یافتن روش های کارامدتر برای خلاص شدن از شر زباله های هسته ای هم کمک کند.