تولید عناصر سنگین

هسته از پروتون و نوترون ساخته شده است. پایداری این آمیزه از سه بابت محدود است. هرگاه تعداد نوترون‌های هسته خیلی زیاد باشد، نوترون از آن «بیرون می‌چکد». چنان‌چه پروتون‌های آن زیادی باشد، هسته پروتون از دست می‌دهد و اگر در هسته نیروی الکتروستاتیکی بر نیروی هسته‌ای چیره شود، هسته شکافته می‌شود. قلمرو پایداری هسته‌ای را سه خط مرزی فرا می‌گیرد: خط چِکِشِ نوترون، خط چِکِشِ پروتون، و شکافت.
از طریق واکنش‌های هم‌جوشی، که در آن‌ها هسته‌های پرتابه‌ایِ شتابان در هسته‌های ساکنِ هدف ادغام می‌شوند، هسته‌های جدیدی به وجود می‌آیند. آزمایش‌های اخیر با شتاب دهندۀ اونیلاک در دارمشتات آلمان باختری، تولید هسته را تا خطوط مرزی پایداری پیش برده است (انگرت و دیگر 1977). نقش کلیدی در این پژوهش و شناسایی هسته‌های کوتاه‌ـ عمر، با دستگاه آشکارساز ویژه‌ای به نام جدا کنندۀ فراورده‌های واکنش یون سنگین (SHIP) بوده است (مونزنبرگ و دیگر 1979، هوفمن و دیگر 1981). هسته‌های تازه تولید شده با سرعتی زیاد از هدف خارج و به این دستگاه وارد می‌شوند.
دستگاه SHIP، که با جداسازی فراورده‌های سنگین‌تر ادغام شدۀ هم‌جوشی از دیگر هسته‌های موجود، هم‌چون یک صافی سرعت عمل می‌کند، تعیین کنندۀ سرعت پس‌زنی است. هسته‌های هم‌جوشیده، پس از جدا شدن درSHIP، روی آشکارسازهای سیلیکونیِ با سد سطحی فرو می‌افتند؛ که به این ترتیب می‌شود زمان و محل فرود و هم‌چنین انرژی فراوردۀ فرودی را تعیین کرد. از آن‌جا که فراوردۀ هم‌جوشی به صورت یک نقطۀ کاملاً مشخص در آشکارساز فعال قرار می‌گیرد، تمام واپاشی‌های پرتوزای بعدی آن را می‌توان به وسیلۀ همان آشکارساز با بازدۀ بسیار بالایی ثبت کرد. تحلیل علائم ثبت شده از یک رویداد به شناسایی هستۀ پرتوزا می‌انجامد.
SHIPـ UNILAC و دستگاه آشکارساز آن، مجموعه وسایل یگانه‌ای هستند که در خلال سال‌های 1978ـ 1972 توسط گروهی فیزیک‌دان از GSI دارمشتات و دانشگاه گیسن تکوین یافته‌اند و حساسیت در کار تولید، جداسازی، و آشکارسازی ایزوتوپ‌های پرتوزای محصول هم‌جوشی را به حدی رسانده‌اند که قبلا امکان نداشت. ره‌آورد این تحول، پنج نکتۀ برجسته در انکشاف پایداری هسته‌ای بود.
(1) دو عنصر جدید با اعداد پروتونی 107 و 109 به وجود آمده‌اند. برای تولید عناصر سنگین‌تر از عنصر 106 ساخت برکلی (جیورسو 1982)، که با انرژی برانگیختگی بیش از 40MeV ساخته شده بود، باید آن فرایندهای هم‌جوشی را که فرآورده‌های‌شان کم‌تر برانگیخته‌اند، مورد پژوهش قرار داد. با استفاده از هسته‌های «جادویی» مستحکم و متقارن‌تر، به عنوان اجزای برخورد، می‌توان به هم‌جوشی‌هایی با انرژی برانگیختگی 15 تا 20MeV دست یافت. دانشمندان GSI، با پیروی از آزمایش‌های دانشمندان دوبنا، که در آن‌ها از هدف‌های سرب و بیسموت برای ساخت عناصر سنگین استفاده شده بود (اگانسیان و دیگر 1975). ایزوتوپ‌هایی از عناصر فرمیوم، مندلویوم، نوِبیوم، 104، 105، 107 و 109 تولید کردند (مونزنبرگ و دیگر 1981، مونزنبرگ و دیگر 1982). هفت هسته از عنصر 107 و یک هسته از عنصر 109 شناسایی شده‌اند. ادعای GSI در مورد کشف عناصر 107 و 109 بر پایۀ همین چند هسته استوار است.
(2) دسترسی به خط چِکِشِ پروتون، که یکی از خطوط مرزی پایداری هسته‌ای است، میسر شد و گذار از آن به عمل آمد. هسته‌های لوتسیوم‌ ـ‌151 و تولیوم ‌ـ147 پروتون‌زا هستند. (هوفمن و دیگر ، کلپر و دیگر ).
(3) از هم‌جوشی دو هستۀ زیر کونیوم ‌ـ90 با پوسته‌های پایدار، هستۀ جیوۀ ـ180 تولید شده است که پایداری آن در برابر شکافت و گسیل پروتون و نوترون یکسان است (کلر و دیگر). نشان داده شد که واانگیختگی این هسته تنها با گسیل گاما انجام می‌گیرد. دستگاه SHIP گیراندازی تابشی دو هستۀ سنگین را بدون هیچ ابهامی به اثبات رسانده است. این فرآیند «سردترین» واکنش هم‌جوشی تولید شده تا به امروز است.
(4) موضوع امکان و عدم امکان هم‌جوشی دو هسته بستگی دارد به نسبت نیروهای الکتروستاتیکیِ ویران‌گر و نیروهای جاذبۀ هسته‌ای بین دو هستۀ ادغامی حد هم‌جوشی پذیری با نسبتی در حدود 8/0 برای این دو نیرو مشخص شده است. فراتر از این حد، هم‌جوشی تنها هنگامی امکان‌پذیر است که انرژی انتقالی هسته‌های برخورد کننده افزایش یابد. این انرژی «اضافی» به مجموعه‌های هم‌جوشیده‌ای با انرژی ذاتی بالاتر یا دمای بالاتر می‌انجامد. بدین ترتیب، هم‌جوشی سرد و تولید هسته‌های با شکافت محدود ناممکن می‌شود.
(5) تمام عناصر شناخته شدۀ بالاتر از اورانیوم هسته‌های «گره‌وار شده» دارند و پوسته ‌ـ پایدارند. پایداری پوسته تا انرژی برانگیختگی 40MeV برقرار است. هسته‌های کروی نزدیک به پوستۀ بستۀ نوترونی 126 نیز پوسته‌ ـ پایدارند. اما، نشان داده شد که یک هستۀ کروی می‌تواند پیش از رسیدن به انرژی برانگیختگی 15MeV شکل عمدۀ کرویِ پوسته‌ ـ پایدار خود را از دست بدهد. تولید عناصر ابر سنگینِ پایدار با پوستۀ بستۀ نوترونی 184، با استفاده از مطالعات هم‌جوشی در هسته‌های 126 نوترونی، شبیه‌سازی شد (اشمیت و دیگر ). این مطالعات نشان داد که عناصر ابر سنگین را باید با انرژی‌های برانگیختگیِ کم‌تر از 20MeV تولید کرد.
این پیشرفت، انگیزۀ کوششی نوین در تولید عناصر ابَر سنگین شد. در یک طرح همکاری بین GSI و آزمایشگاه لارنس برکلی، در کوشش به منظور تولید عناصر ابر سنگین Z=116، چند آزمایش بمباران هدف‌های کوریوم ‌ـ248 مصنوعی توسط کلسیوم ‌ـ48 انجام گرفته است. در یک آزمایش اخیر با دستگاه SHIP، انرژی‌های برانگیختگیِ بین 15 تا 20MeV و گستره‌ای از نیمه عمرها بین 〖10〗^(-6) ‌تا 〖10〗^6 ثانیه دیده شده‌اند. سطح مقطع‌هایی در حدود 〖cm〗^2 〖5ـ10〗^(-35) به دست آمده‌اند. کار ارزیابی داده‌ها هنوز ادامه دارد.
تولید عناصر ابر سنگین بستگی دارد به برون‌یابی‌های انجام شده در مورد سازوکار سردسازی، انرژی «اضافی»، و وابستگی دمایی اثرات پوسته در هسته‌های کروی. اگر نشود عناصر ابر سنگین را با انرژی برانگیختگی ذاتی کم به دست آورد، ساختن آن‌ها امکان نخواهد داشت.