راهی برای تهیه‌ی عناصر بسیار سنگین

هشتاد سال پس از سنتز اولین ایزوتوپ رادیواکتیو مصنوعی فسفرِ 30 توسط فردریک و ایرن ژولیو – کوری، بیش از دو هزار ایزوتوپ رادیو اکتیو کشف شده است و بیش از بیست عنصر ترانس اورانین (عناصری که عدد اتمی آن‌ها بالاتر از عدد اتمی اورانیوم نود و دو است) تهیه شده است. یکی از این عناصرِ اخیر عنصر 108 است که کشف آن در 22 مارس 1984 طی مراسم پنجاهمین سالگرد رادیواکتیویته‌ی مصنوعی در پاریس اعلام گردید. درواقع سه عنصر اتم 108 در GSI، آزمایشگاه یون‌های سنگین دارمشتات، توسط یک اکیپ دوازده نفری از فیزیک‌دانان، زیر نظر پیتر آرمیروستر، شناسایی شد. نکته‌ی جالب توجه این بود که نیمه عمر این اتم‌ها از آن‌چه قبلاً پیش‌بینی می‌شد بیش‌تر بود. به علاوه، این کشف، در مورد عناصر 107 و 109 نیز که سنتز آن‌ها در سال‌های 1981 و 1982 ممکن شد شناخت بیش‌تری به دست داد و هم‌چنین در مورد کمک به درک بهتر چگونگی پایان گرفتن جدول تناوبی و علت مشاهده نشدن عناصر بسیار سنگین، با این که وجود آن‌ها از سال 1966 اعلام شده بود.

جدول تناوبی چگونه پایان می‌گیرد؟

اتم هر عنصری اعم از طبیعی یا مصنوعی، در وهله‌ی اول توسط عدد اتمی، Z، که مساوی با تعداد پروتون‌های موجود در هسته‌ی خود است، مشخص می‌گردد. ایزوتوپ‌های مختلف همین عنصر با تعداد نوترون‌ها معین می‌شود. مثلاً اورانیوم عنصری است با عدد اتمی 92 (92=Z). پس هسته‌ی اورانیوم اتمی دارای 92 پروتون است که باید بدان 146 و 143 نوترون در ایزوتوپ‌های 238 و 235 را اضافه نمود. دو نیروی متضاد در میان این نوکلئون‌ها وجود دارد: اول نیروی دافعه‌ی کولومبیک که میان پروتون‌های حاوی بار الکتریکی وجود دارد و درصدد متلاشی ساختن هسته از طریق گسستن پروتون‌ها از یک‌دیگر است. دومین نیرو، نیروی هسته‌ای است که پیش از همه یک نیروی جاذبه است و درواقع برهم‌کنش نیرومندی است که میان نوکلئون‌ها (پروتون‌ها یا نوترون‌ها) جریان دارد و شدت نیروی آن باعث پیوند هسته‌های اتمی می‌گردد. علاوه بر این دو نیرو، نیروی سومی هم شناخته شده است که نیروی برهم‌کنش ضعیف است و در تجزیه‌ی هسته‌های رادیواکتیو نیز نمایان می‌شود. گرچه این نیروها تاحدودی شناخته شده‌اند، ولی طرز عمل دقیق و چگونگی پیوند برای مؤثر بودن در هسته، از بعضی جهات هم‌چنان غیرقابل پیش‌بینی و غیرقابل حساب باقی مانده است.
کلیه‌ی نوکلئون‌های هسته به دلیل برهم‌کنشی که دارند، سیستم کوانتمی پیچیده‌ای را به وجود می‌آورند. ممکن است این سیستم ناپایدار شود و تمایل به تغییر و تحول خودبه‌خودی به حالت پایدارتری داشته باشد. برای این کار سه راه وجود دارد: رادیواکتیویته‌ی آلفا، رادیواکتیویته‌ی بتا، و فیسیون خودبه‌خودی.
رادیواکتیویته با تابش آلفا عبارت است از انتشار یک ذره آلفا (هسته‌ی هلیوم) مرکب از دو پروتون و دو نوترون. رادیواکتیویته با تابش بتا عبارت است از تبدیل از طریق برهم‌کنش یک نوترون به پروتون یا بالعکس، با انتشار متوالی الکترون و نوترینو. و بالاخره در فیسیون خودبه‌خودی هسته به دو قطعه‌ی متناسب با یک‌دیگر تقسیم می‌شود.
عمل تجزیه، به ویژه فیسیون خودبه‌خودی، در عناصر بالای اورانیوم بیش‌تر ملاحظه می‌شود. به همین دلیل هیچ عصر ترانس اورانینی به حالت طبیعی پایداری یافت نمی‌شود، ولی می‌توان این عناصر را به طور مصنوعی از طریق واکنش‌های هسته‌ای میان هسته‌های سبک‌تر ایجاد نمود.
سؤالی که در این‌جا پیش می‌آید این است که تا کجا می‌توان در این جهت پیش رفت؛ به عبارت دیگر حدودی که در ورای آن، دیگر هسته‌ای نمی‌تواند وجود داشته باشد در کجاست. آیا زمان نیمه عمر آن‌ها کسری از ثانیه نخواهد بود؟ از نقطه نظر تئوری، شناخت دقیق این مرز اهمیت دارد، زیرا به طور کلی به کشف علل پایداری ماده‌ی هسته‌دار در زمین و در همه‌ی جهان کمک می‌کند. تا سال 1974 مؤثرترین روش برای تهیه‌ی عناصر ترانس اورانین، مبتنی بر قرار دادن صفحات عناصر سنگین در معرض تابش نوترون‌ها یا عناصر بسیار سبک تا 8=Z بود. و به همین ترتیب بود که تا 106=Z در برکلی توسط اکیپ سیبورگ و گیورسو به دست آمد.
در دارمشتات، روش قبلی با روش فوزیون سرد که توسط فیزیک‌دانان روسی، اُگانسیون و دمین، کشف شده بود جای‌گزین گردید. در این روش از صفحات ساخته شده از عناصر اتمی سبک‌تر ولی پایدارتر استفاده می‌شود. مانند سرب 82=Z و یا بیسموت 83=Z، هسته‌ی مرکب حاصل از فوزیون، بین صفحه‌ی ویروژکتیل، با کم‌ترین انرژی برانگیختگی ممکن تهیه می‌شود.
در آزمایشگاه دارمشتات، برای ایجاد عنصر 108، مانند همه‌ی عناصر 100=Z تا 109=Z، از روش فوزیون سرد سنتز ایزوتوپ‌های ترانس اورانین استفاده شد، که دستگاه آن توسط C. Schmelzer طراحی و در سال‌های 1970 تا 1975 در دارمشتات ساخته شد. شتاب دهنده‌ی یون‌های سنگین UNILAC که یون‌های سنگین لازم برای آزمایش را با نیروی زیادی تولید می‌کرد رمز موفقیت این آزمایش بود.
برای ایجاد عنصر 108 از یک دسته یون‌های آهن 58 به عنوان پروژکتیل در جهت صفحه‌ی سربی 208 استفاده شد. به این ترتیب هسته‌ی مرکب، متشکل از فوزیون آهن و سرب، یعنی ایزوتوپ 266 عنصر 108 به دست آمد. این هسته در حالت اصلی پایه به وجود نیامد، بلکه در یک حالت برانگیخته تهیه شد که با خارج شدن یک نوترون، سردتر شده و به ایزوتوپ 265 تبدیل می‌شود. زمان نیمه عمر مشخص سرد شدن ده به توان منفی هفده ثانیه است که به این ترتیب شانسی برای مشاهده‌ی هسته‌ی مرکب اولیه باقی نمی‌ماند. اما در عوض، زمان نیمه عمر هسته‌ی باقی مانده‌ی ایزوتوپ 265 برای اثبات وجود آن به اندازه‌ی کافی طولانی بود.
ایزوتوپ‌های 262 و 266 عناصر 107 و 109 که در دارمشتات مورد مطالعه قرار گرفتند در حالت اصلی خود تحت واکنش فیسیون قرار نمی‌گیرند و فقط به وسیله‌ی تابش آلفا تجزیه می‌شوند. البته این موضوع تعجب‌آور نیست، زیرا می‌دانیم که ایزوتوپ‌های فرد – فرد (یعنی دارای تعداد پروتون و نوترون فرد) دارای پایداری بیش‌تری در رابطه با فیسیون خود به خودی هستند. ولی در مقابل، چیزی که باعث تعجب گردید این است که مشاهده شد که عنصر 108 هم از طریق فیسیون خودبه‌خودی تجزیه نمی‌شود، بلکه آن نیز توسط تابش آلفا تجزیه می‌گردد. و به علاوه، نیمه عمر آن حداقل هزار بار طولانی‌تر از آن‌چه که انتظار می‌رفت بود (بر مبنای یک گسترش ساده از عنصر 104).
موضوع اعجاب برانگیز دیگری که در یک آزمایش، درست قبل از کشف عنصر 108 حادث شد این بود که ایزوتوپ‌های 259 و 260 و 261 عنصر 106 نیز تهیه شدند. ایزوتوپ 260 دارای ویژگی جالب‌تری است، زیرا تنها هسته‌ی زوج – زوج ساخته شده در بالای 104=Z است، و مانند هسته‌های زوج – زوج دیگر مدت نیمه عمر آن در رابطه‌ی فیسیون خودبه‌خودی قابل اندازه‌گیری است.
از طرفی بر خلاف تمام پیش‌بینی‌های تئوری، پایداری این ایزوتوپ‌ها (به طوری که در طی آزمایش‌ اندازه‌گیری شد) به همان اندازه‌ی ایزوتوپ‌های مجاور عنصر 104 (هشت هزارم ثانیه) است، و این ایزوتوپ هم به وسیله‌ی تابش آلفا تجزیه می‌شود (و نه از طریق فیسیون خودبه‌خودی). در این جا نیز مانند عنصر 108، افزایش دوران پایداری هسته‌ها مشاهده می‌شود. این پایداری از کجا ناشی می‌شود؟
درواقع انرژی خاص نوکلئون‌هادر داخل هسته و حرکت و جنبش آن‌ها به طور اتفاقی صورت نمی‌گیرد، بلکه وابسته به قوانین مکانیک کوانتومی بوده و نوکلئون‌ها را در ترازهای متفاوت قرار می‌دهد. در هسته‌ای که تمام ترازهای آن پر باشند یک انرژی همگیری اضافی به وجود می‌آید. همین فرایند دقیقاً در الکترون‌های اتم گازهای کمیاب وجود دارد. اثر این انرژی لایه، فقط در یک درصد انرژی کل هسته‌ها دخالت دارد، ولی با این حال دارای نقش مؤثری است که برخی از آن‌ها را پایدار و برخی دیگر را ناپایدار می‌سازد.
به نظر می‌رسد که این انرژی برای پایدار نگاه داشتن گروهی از هسته‌ها با پروتون 114=Z و نوترون 184=N که بنا بر فرض عناصر بسیار سنگین نامیده می‌شوند کافی است، ولی همه‌ی تلاش‌ها برای کشف آن‌ها تا آن زمان با شکست روبه‌رو بوده است. با این حال، اثر پایداری اعجاب‌انگیزی که در عناصر 106 و 108 مشاهده شد می‌تواند توضیحی برای فرایند عناصر بسیار سنگین باشد.
درواقع، پایداری بیش‌تر، تنها مشخصه‌ی مورد انتظار برای عناصر بسیار سنگین نیست. هسته‌های عناصر بسیار سنگین باید دارای تقارن بسیار زیاد در طرز جای‌گیری نوکلئون‌ها باشند، برخلاف ترانس اورانین‌ها که دارای تقارن کم‌تری هستند.
نحوه‌ی جای‌گیری نوکلئون‌ها در عناصر بسیار سنگین، یک فُرم کاملاً کروی به این عناصر می‌دهد، در حالی که ایزوتوپ‌های ترانس اورانین‌ها که در دارمشتات ملاحظه شدند دارای حالت بیضوی مانند توپ راگبی بودند. از طرفی هنگامی که به هسته‌های کروی یک انرژی برانگیختگی نیرومند منتقل می‌شود (متأسفانه برای تهیه‌ی آن‌ها این مورد پیش آمد) این هسته‌ها در موقعیتی قرار می‌گیرند که تقارن حالت ابتدایی خود را از دست می‌دهند و درنتیجه توسط اثر لایه دیگر پایدار نمی‌مانند. از طرفی به نظر می‌رسد که تقارن کم‌تر هسته‌های بیضوی شکل، حتی در اثر انتقال انرژی برانگیختگی هم‌چنان حفظ می‌شود که بدین ترتیب، ایجاد و مشاهده و بررسی آن‌ها قابل توجیه است. به عبارت دیگر به نظر می‌رسد هسته‌های بیضوی شکل بهتر می‌توانند شوک (ضربه‌ی) حاصل از پیدایش خود را تحمل نمایند در صورتی که هسته‌های کروی شکل با داشتن تقارن کامل آسیب‌پذیری بیش‌تری دارند.
این‌ها تعابیری هستند که در آزمایش‌های انجام شده بر پایه‌ی مکانیسم فوزیون، استنباط می‌شود. روند کار طوری است که گویی اثر لایه‌ی پایداری در رابطه با فیسیونِ خودبه‌خودی به راستی وجود دارد ولی فقط از طریق هسته‌های تغییر شکل یافته‌ی موجود میان سرب 208 (126=N و 82=Z) و عنصر بسیار سنگین 298 (184=N و 114=Z) قابل مشاهده و بررسی است. چنان‌چه این موضوع تأیید شود، این فرضیه ثابت خواهد کرد که دینامیک فرایندهای سنتز، بر خواص استاتیک هسته‌ها برتری دارند. آزمایش‌های انجام گرفته در دارمشتات نشانگر راهی است در جهت تهیه‌ی عناصر بسیار سنگین. آیا این راه عملی خواهد بود؟