عناصر فرا اورانیوم

عناصر فرا اورانیوم شامل تمام عناصری است که عدد اتمی‌شان بیشتر از 92 است. یعنی عناصری که مستقیماً در پی اورانیوم می‌آیند. امروزه 15 عنصر از این نوع شناخته شده‌اند. چند عنصر فرا اورانیوم دیگر می‌تواند کشف شود؟ جواب هنوز مشخص نشده است. این پدیده یکی از جالبترین و اسرارآمیزترین مباحث علم محسوب می‌شود.
اگرچه از تولد اولین عنصر فرا اورانیوم (نپتونیوم، به شماره 93) مدت زیادی نمی‌گذرد (سال 1940)، سؤال در مورد امکان وجود چنین عناصری خیلی پیشتر عنوان شده بود. مندلیف نیز این سؤال را نادیده نگرفت ولی معتقد بود که حتی اگر عناصر فرا اورانیوم روی زمین یافت شوند تعداد آنها معدود خواهد بود. مندلیف در سال 1870 چنین دیدگاهی داشت. برای مدت بیش از 25 سال مسئله‌ی مزبور مورد بحث و جدل بود. هر سال چندین گزارش اشتباه در مورد کشف عناصر جدید منتشر می‌شد اما هیچ یک از آنها عدد اتمی بیشتر از اورانیوم نداشتند. این موضوع بدیهی به نظر می‌آمد که اورانیوم آخرین عنصر در جدول تناوبی است ولی هیچ کس نمی‌توانست بگوید چرا.
اما زمانی که رادیوآکتیویته کشف شد ثابت شد که توریوم و اورانیوم، یعنی سنگینترین عناصر جدول مندلیف، در بردارنده‌ی این خاصیت هستند. منطقی به نظر می‌رسید که گفته شود عناصر فرا اورانیوم در گذشته و در طبیعت وجود داشته‌اند، اما به علت ناپایدار بودن، به عناصر شناخته شده‌ی دیگر تبدیل شده‌اند. این توضیح ساده نکته‌ی نهفته‌ای در خود داشت و آن اینکه حتی زمانهای نیمه عمر ممکن عناصری که در سمت راست مجاور اورانیوم قرار داشتند کاملاً ناشناخته بود. هیچ کس نمی‌توانست با قاطعیت بگوید که این عناصر فرضی ناپایدارتر از اورانیوم و توریوم هستند. بنابراین، جستجو برای یافتن عناصر فرا اورانیوم منطقی به نظر می‌آمد.
سالها گذشت و هر چند وقت یک بار گزارشی مبنی بر موفقیت در کشف اولین عنصر فرا اورانیوم در نشریات علمی انتشار می‌یافت. فیزیک نظری نیز در روند پیشرفت و تکامل خود تلاش می‌کرد ختم شدن سیستم تناوبی به عنصر اورانیوم را توجیه و تبیین کند. بسیاری از این توجیهات جالب توجه بودند اما قاطعیت در آنها دیده نمی‌شد. به عبارت دیگر، در دهه‌ی دوم قرن حاضر مسئله‌ی عناصر فرا اورانیوم به همان نامفهومی و ابهام ربع آخر قرن نوزدهم بود.
به هر صورت، در مقابل این سابقه‌ی تأسف‌آور فرضیه‌ای شگفت‌انگیز ظهور کرد، اگرچه دانشمندان در ابتدای کار با شک و تردید با آن روبه‌رو شدند. تنها چهل سال بعد فرضیه‌ی مزبور مفهومی تازه یافت. این مفهوم جدید در سال 1925 توسط دانشمند آلمانی، سوین (1)، که در ماده‌ی خاصی به دنبال عناصر فرا اورانیوم می‌گشت مطرح گردید. ماده‌ی مزبور پودر تیره رنگی بود با منشاء فضایی و انباشته در مناطق منجمد گروئنلند. نمونه‌ای از پودر تیره رنگ در دهه‌ی هشتم قرن گذشته توسط کاشف مشهور قطب، نوردنشولد، به موزه‌ی استکهلم اهدا شده بود. سوین به یافتن اثراتی از عناصر فرا اورانیوم با اعداد اتمی 106 تا 110 در این پودر امیدوار بود، و حتی در یکی از گزارشهایش اشاره کرد که طیفی از اشعه‌ی ایکس را ثبت کرده که حاوی خطوطی منطبق با عنصر 108 است. اما هیچ کس حرف او را باور نکرد و او خود نیز از ادامه‌ی کار باز ایستاد.
سوین به مطالعه‌ی نظری تغییرات خواص گوناگون رادیو المنتها، بویژه زمان نیمه عمر آنها، همت گماشت. وی نتیجه گرفت عناصری که در پی اورانیوم می‌آیند بایستی زمان نیمه عمر کوتاهی داشته باشند. اما انتظار می‌رفت عناصری با عدد اتمی بین 98 و 102 و بین 108 و 110 زمان نیمه عمری نسبتاً طولانی داشته باشند. پس کجا باید به دنبال آنها گشت؟ سوین پیشنهاد کرد که مناسبترین مکان نمی‌تواند سنگ معدنهای زمینی باشد بلکه برای یافتن این عناصر باید به منشاء کیهانی مراجعه کرد. به همین دلیل، وی به مطالعه‌ی غبارهای کیهانی انباشته در گروئنلند پرداخت. موضوع مجذوب کننده و جالب بود ولی به علت نداشتن پایه و اساس محکم به فراموشی سپرده شد.
حال ما به نقطه‌ای رسیده‌ایم که کلمات «عناصر فرا اورانیوم» و «سنتز» به یکدیگر پیوند خوردند.
تعجب‌آور است که تلاش برای سنتز عناصر فرا اورانیوم چند سال قبل از تهیه‌ی تکنتیوم آغاز شد. انگیزه‌ی اصلی برای این کار کشف نوترون بود. دانشمندان برای این ذره‌ی بنیادی بدون بار، قدرت نفوذ نامحدودی قائل بودند و آن را قادر به ایجاد بسیاری از تبدیلات در تمام عناصر می‌دانستند. بنابراین، کلیه‌ی آزمایشگاههایی که منبع تولید نوترون داشتند شروع به بمباران نوترونی هدفهای گوناگون، از جمله اورانیوم،‌ کردند. شخصیت بسیار فعال در این مورد فیزیکدان ایتالیایی، فرمی، بود که در رأس یک گروه از جوانان علاقه‌مند در دانشگاه رم قرار داشت.
آنان فعالیت جدیدی در اورانیوم تابش دیده آشکار ساختند. وقتی اورانیوم 238 را تحت تابش قرار دادند عنصر یاد شده نوترونها را جذب کرد و به ایزوتوپ ناشناخته‌ای از اورانیوم با عدد جرمی 239 تبدیل شد. از آنجا که ایزوتوپ به دست آمده نوترون اضافی داشت، تمایل ویژه‌ای به تباهی بتا نشان داد. اگر طرف چپ واکنش باشد طرف راست آن لزوماً 23993 خواهد بود.
فرمی و همکاران جوانش تقریباً چنین توجیهی را ارائه دادند (اگرچه بسیاری از مفاهیم فیزیک هسته‌ای در آن زمان به اندازه‌ی کافی تکامل نیافته بود). حال لازم بود پژوهشهای شیمیایی، سنتز اولین عنصر فرا اورانیوم را به اثبات برساند. باید مشخص می‌شد که فعالیت حاصل از نوترونها در اورانیوم متعلق به هیچ یک از عناصر شناخته شده‌ی قبلی نیست. توجیه و اثبات این امر در محدوده‌ی امکانات و اطلاعات موجود پرتوشیمی امکان‌پذیر بود. به این ترتیب، فرمی و گروهش عنصر جدیدی در دست داشتند، یک فرا اورانیوم، و این اولین عنصر از گروه مزبور بود که از طریف سنتز هسته‌ای کشف شد (تمام این وقایع در سال 1934 اتفاق افتاد). به هر حال، فرمی و گروهش به نتایج کار خود کاملاً مطمئن نبودند. در این ضمن، خبرهایی در مورد عنصر جدید به مطبوعات درز کرد و کشف مزبور با شرح و تفسیرهای غیر واقعی آمیخته شد. روزنامه‌ها نوشتند که فرمی لوله‌ی آزمایشی محتوی نمکی از عنصر 93 را به ملکه‌ی ایتالیا هدیه کرده است. بسیاری مطالب نادرست از این قبیل در مطبوعات چاپ شد، در حالی که گروه به ارزیابی نتایج حاصل پس از بمباران ادامه می‌داد.
آنان چندین ماده‌ی دارای فعالیت بتا را از هدف اورانیوم استخراج کردند. دو نمونه از این مواد از نظر شیمیایی ماهیت ویژه‌ای داشتند، به طوری که آسانتر از عناصر پیش از اورانیوم توسط اکسید منگنز چهار ظرفیتی رسوب می‌یافتند. این پدیده نشان می‌داد که عنصر 93 اکا-رنیوم یا به عبارتی همخانواده‌ی منگنز است. عنصر یاد شده اوزونیوم (2) (Ao) نامیده شد. اوزونیوم با فعالیت انتشار بتا قادر بود به عنصر مجاور خود با عدد اتمی 94، که هسپریوم (3) نامیده می‌شد، تبدیل شود. فرمی، سری تبدیلات هسته‌ای مربوطه را به صورت زیر بیان کرد:

سری واکنشهای فوق توسط دانشمندان آلمانی، هان، ماتینر، و اشتراسمان (4) که در زمینه‌ی پرتوشیمی کارآزموده‌تر بودند تکمیل‌تر شد. در این زمینه هان، که به عنوان کاشف چندین رادیو المنت شناخته می‌شد، بررسی بیشتری انجام داد. در اثر مطالعات دقیق بر تعداد عناصر فرا اورانیوم جدید سه عنصر افزوده شد (همراه با عنصر 97):

پیشوند «اکا» در فرمول فوق به این معناست که عناصر فرا اورانیوم مربوطه به عنوان همخانواده‌های ایریدیوم، پلاتین، و طلا، از تناوب ششم جدول تناوبی در نظر گرفته می‌شدند. دقیقاً همینجا بود که یک اشتباه جدی رخ داد و مدت زمانی طول کشید تا به این اشتباه پی برده شود. در واقع، خواص نزدیکترین عناصر فرا اورانیوم کاملاً متفاوت بود.
تاریخ علم مملو از دیدگاههای شگفت‌انگیزی است که در وهله‌ی اول کاملاً بی‌اساس به نظر می‌آمدند. یکی از آنها نظریه‌ای بود که توسط نوداک، در سال 1934، پس از آزمایش بمباران نوترونی اورانیوم و مشاهده‌ی عدم تبدیل هسته‌ی آن به عنصر جدید ارائه شد. در آن آزمایش، هسته‌ی اورانیوم، به جای تبدیل به عنصر جدید ارائه شد. در آن آزمایش، هسته‌ی اورانیوم، به جای تبدیل به عنصر جدید، به اجزایی که هسته‌ی عناصر شناخته شده‌ی سبکتر بودند شکسته شد. همکاران نوداک سعی کردند نظریه‌ی وی را واضح‌تر تبیین کنند و در این میان تفسیر و توجیه هان، مخصوصاً کنایه‌آمیز بود. اما نظرات کنایه‌آمیز وی به خودش برگشت و سرنوشت آنچنان که می‌بایست عمل کرد.
در این ضمن، دانشمندان دیگر سعی داشتند دریابند چه بر سر اورانیومی می‌اید که تحت بمباران نوترونی قرار می‌گیرد. ایرن ژولیو = کوری و همکارش، فیزیکدان صربی، ساویچ (5)، با دقت خاص یک هدف اورانیوم تابش دیده را تجزیه کردند. آنها پس از کوشش و فعالیت زیاد به اثرات عنصری شیمیایی پی بردند که خواص آن بیشتر شباهت به آکتینیوم، یعنی عنصری از عناصر ماقبل اورانیوم، داشت تا عناصر پس از اورانیوم در جدول تناوبی. بزودی ثابت شد خواص این عنصر بیشتر شبیه خواص لانتان است تا آکتینیوم. بنابراین، یکی از محصولات حاصل پس از بمباران اورانیوم با نوترونهای کم سرعت شبیه لانتان بود.
اگر ایرن ژولیو – کوری و ساویچ به جای اشاره‌ی احتیاط‌آمیز در مورد وجود عنصری شبیه لانتان در محصول بمباران، اثبات می‌کردند که این محصول همان لانتان است این دو دانشمند پیشتاز (یا حداقل از اولین افراد) در کشف بزرگ قرن بیستم می‌شدند (لازم به تذکر است که لانتان دارای عدد 57 و اورانیوم دارای عدد 92 است و این خود بیان کننده‌ی نظریه‌ی نوداک است). ظاهراً این قضیه ناممکن‌تر از یک پدیده‌ی غیرممکن می‌نمود. اما حقیقت، حقیقت باقی ماند. نتایج ایرن ژولیو – کوری و ساویچ چنان متقن و بارز بود که هان کمر به کاوش جدی درباره‌ی آنها بست، فردی که از مخالفان سرسخت دستاوردهای دو دانشمند فوق‌الذکر بود. این بدین معناست که او بتدریج عقاید گذشته‌اش را مورد سؤال قرار می‌داد.
هان، همراه با همکارش اشتراسمان، آزمایشات دانشمندان فرانسوی را که اخیراً مخالف خود می‌دانست تکرار کرد. تقریباً تمام نتایج تأیید شد. هدف اورانیوم حاوی ایزوتوپهایی از لانتان و همسایه‌ی قبلی آن در جدول تناوبی، یعنی باریوم، بود. هان به عنوان یک شیمیدان می‌توانست در مورد نتایج شک کند. و به عنوان یک فیزیکدان در مقابل این اتفاق حیرت‌زده بود.

واقعیت این بود که ظاهراً هسته‌ی اورانیوم در اثر بمباران نوترونی به دو جزء تقسیم شده بود و این اجزا هسته‌ی ایزوتوپهای عناصری از مرکز جدول تناوبی بودند. فیزیک هسته‌ای هرگز با چنین پدیده‌ای مواجه نشده بود. اما حقایق باید روشن می‌شد، و دانشمندان آلمانی نتیجه گرفتند که هسته‌ی اورانیوم قابلیت شکسته شدن در مقابل بمباران نوترونی را داراست.

این واقعه در 23 دسامبر 1938 اتفاق افتاد. بلافاصله دانشمندان کشف خود را گزارش کردند. بعدها، هان یادآوری کرد که همه چیز به نظر وی به اندازه‌ای ناممکن بود که پس از فرستادن گزارش آرزو کرده بود‌ای کاش امکان برگرداندن نامه از صندوق پست وجود می‌داشت.
حقانیت نامحتمل بودن این موضوع به اثبات رسید. چند روز بعد نامه‌ای از هان به ماتینر، که سالها با وی کار کرده بود، رسید. او همراه با خواهرزاده‌اش، فیزیکدان مشهور، فریش (6)، تلاش کرده بود تا این پدیده را تفسیر و توجیه کند.
تا حد زیادی هسته را می‌توان شبیه قطرات مایع دانست و دانشمندان مکرراً سعی کردند مشابهی بین خواص یک هسته و یک قطره مایع پیدا کنند. اگر انرژی کافی به یک قطره منتقل کنیم و آن را به حرکت درآوریم قطره‌ی مزبور می‌تواند به قطرات کوچکتر تقسیم شود. اگر هسته‌ای را نیز تحریک کنیم (مثلاً به وسیله‌ی یک نوترون) می‌تواند به اجزای کوچکتر شکسته شود. یک هسته‌ی اورانیوم بتدریج تغییر شکل می‌دهد، کشیده‌تر می‌شود، کم‌کم باریک می‌گردد، و سرانجام به دو قسمت تقسیم می‌شود. ماتینر و فریش به این صورت فرایند شکسته شدن هسته‌ی اورانیوم را توجیه و تفسیر کردند. آنان نوشتند که فرایند مزبور مشخصاً شبیه تقسیم یاخته‌های باکتریهایی است که بدین وسیله تکثیر می‌شوند. فرایند مزبور به پیشنهاد این دو دانشمند «شکافت هسته» نامیده شد.
هسته‌ی اورانیوم با آزاد کردن مقدار قابل ملاحظه‌ای انرژی در فرایند مزبور به دو جزء شکسته می‌شود. محصولات دیگر شکافت نوترونهای آزاد بود. این نوترونها می‌توانستند به هسته‌های اورانیومهای دیگر اصابت کندن و باعث شکافت آنها شوند. این فرایند به طور پی‌درپی صورت می‌گیرد. تحت شرایط مناسب امکان انجام یک واکنش شکافت زنجیره‌ای در قطعه‌ی اورانیوم با ایجاد انفجار هسته‌ای عظیمی وجود دارد. در اوایل سال 1940، دانشمندان شوروی، زلدوویچ (7) و خاریتون (8)، به توسعه و تکمیل نظریه‌ی جامع و مؤثری در مورد واکنش شکاف زنجیره‌ای پرداختند. ظاهراً بشر به فرایندی تسلط یافت که در طبیعت ناشناخته بود. این واکنش جامعترین فرایند تبدیلات عناصری بود که تا آن زمان توسط بشر کشف شده بود. مشخص شد که اجزای شکافت اورانیوم حاوی ایزوتوپهای عناصر 34، از عنصر روی (شماره 30) یا عنصر گادو لینیوم (شماره 64)، است. و ثابت شد که واکنش شکافت خاصیت مهم و اساسی ایزوتوپهای رادیوآکتیو است.
شکافت اورانیوم توسط نوترون فرایندی تحمیلی یا مصنوعی است. هر هسته‌ی اورانیومی نمی‌تواند شکسته شود و هر نوترونی هم نمی‌تواند باعث شکافت گردد. زمانی که دانشمندان به طور دقیقتر مکانیسم شکافت را مورد مطالعه قرار دادند دریافتند که تحت تأثیر نوترونهای کم‌شتاب، فرایند شکافت شدت بیشتری می‌یابد و ایزوتوپ اورانیوم با عدد جرمی 235 ایزوتوپ مناسبتری برای این فرایند است. ایزوتوپ دیگر اورانیوم، یعنی اورانیوم 238، فقط در اثر نوترونهای سریع شکافته شد. آیا فرایندی طبیعی مشابه شکافت مصنوعی اورانیوم می‌تواند وجود داشته باشد؟ بور درباره‌ی این موضوع به تفکر پرداخت و فرضیه‌ای درباره‌ی امکان شکافت خود به ‌خود اورانیوم عرضه کرد (بدون انتقال انرژی خارجی به هسته).
دانشمندان شوروی، فلروف (9) و پترژاک (10)، به بررسی تجربی این فرضیه همت گماشتند. اما چگونه می‌شد شکافت خودبه‌خودی هسته‌ی اورانیوم را ثابت کرد؟ نوترونهای تصادفی اشعه‌ی کیهانی که در محیط آزمایشگاه نفوذ می‌کردند می‌توانستند نتایج آزمایشات را تحت تأثیر قرار دهند. به همین دلیل، در یک نیمه شب سال 1940، فلروف و پترژاک به یکی از عمیقترین ایستگاههای قطار زیرزمینی مسکو رفتند. ظاهراً در آنجا و در دهها متر پایینتر از سطح زمین می‌شد از اشعه‌های کیهانی فرار کرد. همان شب، این دو دانشمند به نتیجه‌ی نهایی در مورد وجود نوع جدیدی از تبدیلات رادیوآکتیو، یعنی شکافت خود به ‌خود هسته،‌ دست یافتند. (آنها فقط با اورانیوم 238 کار کردند). بعدها کشف شد که بسیاری از ایزوتوپهای عناصر سنگین (توریوم و بویژه عناصر فرا اورانیوم) این مکانیسم تباهی رادیوآکتیو را از خود نشان می‌دهند. دانش امروز اطلاعات زیادی در مورد صدها هسته از عناصر گوناگون که قابلیت شکافت خود به‌خود را دارند در اختیار دارد. مکانیسم شکافت خود به ‌خودی شبیه مکانیسم شکافت تحت اثر بمباران نوترونی است. اکنون اطلاعات کافی برای شروع داستان اکتشاف عناصر منفرد فرا اورانیوم در دست است، چه دقیقاً در این محدوده از عناصر است که شکافت خودبه‌خودی نقش بسیار مهمی ایفا می‌کند.
دوران تحولات عناصر فرا اورانیوم چهل سال است که در مسیر آن، با توجه به استانداردهای جدید، دانشمندان زمان نسبتاً طولانی را صرف برداشتن پانزده گام، از بعد اورانیوم تا عنصر 107، کرده‌اند. اگر محورهای مختصاتی در نظر بگیریم و اعداد عناصر 1 تا 92 را روی محور افقی و سالهای کشف آنها را روی محور عمودی رسم کنیم منحنی حاصل شبیه به گزارش لرزه‌نگاری یک زلزله‌ی فاجعه‌آمیز خواهد بود. منحنی مشابه برای عناصر فرا اورانیوم شیب مثبت نسبتاً یکنواخت‌تر دارد و به صورت خطی خواهد بود با نقاط اوج مشخص. هر سنتز جدید عنصر فرا اورانیوم به معنی افزایش یک واحد در عدد اتمی بود (تنها با یک استثنا).
تاریخچه‌ی سنتزها از دورانهایی با جهشهای علمی و پرتحرک و نیز دورانهایی همراه با خمودگی و سکون تشکیل یافته است. اولین دوره‌ی جهش علمی سالهای 1940 تا 1945 بود که طی آن چهار عنصر فرا اورانیوم یعنی نپتونیوم (93=Z)، پلوتونیوم (94=Z)، آمریسیوم (95=Z)، و کوریوم (96=Z)، سنتز شدند. سالهای 1945 تا 1949 دوران فترت بود که طی آن هیچ عنصر جدیدی کشف نشد. در دوره‌ی جهش بعدی، از 1949 تا 1952 چهار عنصر فرا اورانیوم دیگر به جدول تناوبی افزوده شد. این عناصر عبارتند از برکلیوم (97=Z)، کالیفرنیوم (98=Z)، اینشتینیوم (99=Z)، و فرمیوم (100=Z). در سال 1955، یعنی پانزده سال پس از سنتز اولین عنصر فرا اورانیوم، یک عنصر دیگر به نام مندلویوم (101=Z) سنتز شد. در 25 سال بعدی سنتزهای کمتری انجام گرفت و فقط 6 عنصر جدید در جدول تناوبی ظاهر شد. در این مرحله دانشمندان با موقعیتی کاملاً جدید رو به ‌رو گردیدند. این موقعیت حاکی از آن بود که دیگر ضوابط قبلی برای تحقق کشف عناصر قابل استفاده نیستند.

پی‌نوشت‌:

1. Swinne.
2. Auzonim.
3. Hesperium.
4. Strassmann.
5. Savich.
6. Frisch.
7. Zel"dovich.
8. Khariton.
9. Flerov.
10. Petrzhak.

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