عناصر مصنوعی

نظریه‌ی تغییر شکل (تبدیل) عناصر از زمانهای بسیار دور مطرح بوده است. این نظریه از طرف کیمیاگران، با توجه به اهدافی که داشتند، حمایت می‌شد. اما تمام کوششها برای تبدیل عناصر با شکست مواجه می‌گردید. شیمی، با گسترش و تکامل خود، می‌رفت تا به عنوان یک علم تمام عیار مطرح شود و در این رهگذر با توجه به اطلاعاتی که درباره‌ی ساختمان و خواص ماده گرد آمده بود امکان تبدیل عناصر زیر سؤال قرار گرفت. با پایان یافتن قرن نوزدهم، دانشمندان واقع بین ایده‌ی تبدیل عناصر را کنار گذاشتند، اگر چه جرئت نکردند به طور قاطع آن را رد کنند.
اما در اواخر این قرن واقعه‌ای اتفاق افتاد که منجر به ظهور نظریه‌ای مبنی بر تغییر مداوم عناصر در طبیعت شد. این واقعه کشف رادیوآکتیویته بود. ولی فقط تعداد معدودی از عناصر در انتهای جدول تناوبی مشمول این تغییر طبیعی می‌شوند.
تبدیلات رادیوآکتیو مستقل از خواست انسان است. تمام کوششها برای تحت تأثیر قرار دادن روند طبیعی رادیوآکتیویته با شکست مواجه شد. وقتی مدل هسته‌ای ساختمان اتم تبیین شد، معلوم گردید که رادیوآکتیویته یک پدیده‌ی هسته‌ای است. ویژگیهای ساختمانی هسته، ظرفیت تباهی رادیوآکتیوی را تعیین می‌کند.
بار هسته‌ای (Z) اولین و مهمترین کمیت عنصر شیمیایی است. وقتی یک هسته ذرات آلفا یا بتا منتشر می‌کند بار الکتریکی آن تغییر می‌یابد، به طوری که ماهیت شیمیایی عنصر نیز دگرگون می‌گردد. در این صورت است که عنصری به عنصر دیگر تبدیل می‌شود. در مورد یک عنصر شیمیایی پایدار، بار الکتریکی هسته‌ی (Z) هرگز خودبه‌خود تغییر نمی‌کند. برای تعییر دادن بار الکتریکی هسته‌ی یک عنصر پایدار بایستی به طریقی در هسته‌ی آن تغییر ساختمان بدهیم، یعنی تعداد پروتون یا نوترون آن را کم یا زیاد کنیم. تنها در این صورت است که بار الکتریکی هسته تغییر می‌کند و تبدیل مصنوعی عنصر شیمیایی تحقق می‌یابد.
راذرفرد اولین کسی بود که تغییر مصنوعی عناصر را عملی ساخت. وی، در سال 1919، نیتروژن را با ذرات آلفا بمباران کرد و اتمهای اکسیژن را به دست آورد. این اولین واکنش هسته‌ای مصنوعی را می‌توان با معادله‌ی زیر نمایش داد:
یا به طور خلاصه‌تر،
مدتها ذرات آلفا تنها وسیله‌ی موجود برای عملی ساختن واکنشهای هسته‌ای بود. انرژی ذره‌ی آلفای طبیعی زیاد نیست؛ بنابراین، تنها می‌تواند در هسته‌ی تعداد بسیار معدودی از عناصر نفوذ کند و چنین واکنشهایی به تعداد اندک قابل اجرا بودند. این ویژگی حوزه‌ی فعالیت تغییر مصنوعی را محدود می‌کرد. به واسطه‌ی دو اکتشاف در دهه‌ی سوم قرن نوزدهم وضعیت تغییر یافت. در سال 1932، دانشمند بریتانیایی، چدویک (1)، ذره‌ی بنیادی خنثی موسوم به نوترون را کشف کرد. نوترن، به دلیل خنثی بودن، می‌توانست وسیله‌ی مؤثری برای عملی ساختن تبدیلات هسته‌ای باشد زیرا ذره‌ی مزبور توسط بار مثبت هسته دفع نمی‌شد. دو سال بعد، فیزیکدانان فرانسوی، ایرن و فردریک ژولیو – کوری (2)، رادیوآکتیویته‌ی مصنوعی را کشف کردند و نوع جدیدی از تبدیل رادیوآکتیو را آشکار ساختند. این تبدیل رادیوآکیتو عبارت بود از تباهی پوزیترون، یعنی انتشار پوزیترون. معلوم شد که ایزوتوپهای رادیوآکتیو می‌توانند به طور مصنوعی و با اعمال واکنشهای هسته‌ای بر روی بسیاری از عناصر پایدار تولید شوند.
در اینجا باید پرسید تولید ایزوتوپهای رادیوآکتیو مصنوعی در مقیاس بزرگ چگونه امکان‌پذیر شد؟ جواب این است که تلاش فیزیکدانان تجربی در مورد طراحی دستگاههای ظریف اندازه‌گیری موجب تکامل تکنیکهای ویژه‌ای برای مطالعه و انجام واکنشهای هسته‌ای شد. اینان، همراه با شیمیدانان، روشهایی برای تهیه‌ی مقادیر بسیار ناچیز مواد رادیوآکتیو کشف کردند. به علاوه، تعداد ذرات قابل استفاده برای بمباران هسته به میزان قابل ملاحظه‌ای افزایش یافت. این امر با افزایش ذرات آلفا، پروتون، و نوترون به دوترون (هسته‌ی ئیدروژن سنگین یعنی ایزوتوپ دوتریوم) امکان‌پذیر شده بود و بعدها، با باردار شدن عناصری نظیر بور، کربن، نیترن، اکسیژن، نئون، و غیره، که تبدیل به یونهای چند باره می‌شدند، انجام پذیرفت. سرانجام، فیزیکدانان شتاب دهنده‌های پرقدرتی ساختند که قادر به شتاب دادن ذرات باردار تا سرعتهای بسیار زیاد بودند. تمام این ترقیات راه را برای تولید مصنوعی عناصر جدید هموار کرد.

پی‌نوشت‌:

1. Chadwick.
2. Irene and Frederic Joliot-Curie.

منبع مقاله :
تریفونوف، دیمیتری نیکولایویچ؛ تریفونوف، ولادیمیر؛ (1390)، تاریخچه‌ی کشف عناصر شیمیایی، برگردان: عبدالله زرافشان، تهران: شرکت انتشارات علمی و فرهنگی، چاپ چهارم