مفهوم العناصر الثقيلة
إن الغموض الذي استمر لفترة طويلة في مجال الفيزياء النووية هو السبب وراء تكوين المادة المحددة التي نراها حولنا في الكون. من الأهمية بمكان فهم العمليات الفيزيائية المسؤولة عن إنتاج العناصر الثقيلة مثل الذهب والبلاتين واليورانيوم. يعتقد أن تلك العمليات تحدث خلال اندماج النجوم النيوترونية والأحداث النجمية المتفجرة.
قاد علماء من مختبر أرغون الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية تجربة فيزياء نووية دولية أجريت في CERN، وهي المنظمة الأوروبية للأبحاث النووية، حيث استخدموا تقنيات جديدة تم تطويرها في مختبر أرغون لدراسة طبيعة وأصل مفهوم العناصر الثقيلة في الكون.
معنى مفهوم العنصر الثقيل
يُعرف العنصر الثقيل على أنه العنصر الذي يحمل رقم ذري أكبر من 92، ويُعد النبتونيوم (Np) العنصر الثقيل الأول الذي يحمل عدد تشريحي يساوي 93، وتتم إنتاج بعض العناصر الثقيلة في المفاعلات، وتنتج بعضها بشكل مصطنع في تجارب السيكلوترون.
يشير العدد الذري إلى عدد البروتونات في نواة العنصر، حيث يحتوي كل عنصر على رقم ذري فريد يعرف بهذا الرقم حتى يتلقى اسمًا رسميًا، على سبيل المثال، العنصران الجديدان الفائقان 113 و 115 يحتويان على 113 و115 بروتونًا في نواتهما على التوالي.
مفهوم النظائر بالعناصر
تتم تحديد العناصر عن طريق رقمها الذري، وهو عدد البروتونات في النواة، وتحتوي العناصر على أكثر من نظير واحد، ويحتوي كل نظير على أعداد مختلفة من النيوترونات في النواة، فمثلاً، الذهب يحتوي على نظير واحد ثابت يعرف باسمه.
الذهب النظائر لديها عدد ذري يساوي 79، أي أن لديها 79 بروتونا في النواة، وعدد كتلة يساوي 197، أو إجمالي عدد النيوترونات والبروتونات في النواة. وبالتالي، يحتوي هذا النظير على 118 نيوترونا. وهناك أكثر من 30 نظيرا من الذهب معروفة، ولكل نظير خصائص تحلل خاصة به ونصف عمر.
على سبيل المثال، هناك نظير مستقر واحد لنظير مورنيوترون (119)، ويتميز هذا النظير بنصف عمر يبلغ 2.7 يومًا ويتحلل عن طريق تحلل بيتا، وتختلف نظائر الذهب بشكل كبير، حيث يصل نصف عمر بعضها إلى 5 مللي ثانية وتتحلل بواسطة تسوس ألفا.
خصائص النظائر المصنوعة صناعيًا
ونظائر العناصر المختلفة التي يتم إنشاؤها صناعيًا في تجارب المعجل ، غير مستقرة ومشعة ، فبمجرد إنتاجها ، تبدأ النظائر الجديدة بالتحلل أي ، التحول إلى نظير آخر ، والوقت المطلوب لتحلل نصف ذرات النظائر يسمى نصف عمر النظائر ، وكلما زاد العدد الذري لكل عنصر جديد ، ينخفض نصف العمر بشكل نموذجي ، مما يعني أن العناصر الجديدة تميل إلى التلاشي بسرعة أكبر.
وعلى الرغم من ذلك، توقع الفيزيائيون في الستينيات أن هذا الاتجاه، نحو نصف العمر الأقصر، سيتغير حول العنصر 114، على الرغم من أنهم قد يمتلكون بعض العناصر حول العنصر 114 بأعمار أطول من نصف العمر، مما يشكل (جزيرة استقرار) في وسط (بحر) العناصر غير المستقرة للغاية
وتعني (جزيرة الاستقرار) المنطقة المتوقعة من العناصر الفائقة الثقل ، على مخطط النويدات التي لها نصف عمر أطول بأكثر من نصف حجم عناصر نصف العمر الأخرى للعناصر الثقيلة ، وقد تتراوح عناصر نصف العمر في جزيرة الاستقرار ، من ثوان إلى دقائق ، في حين يمكن قياس نصف عمر العناصر الفائقة الثقل ، في الميكروثانية أو النانوية.
تم اكتشاف جزيرة الاستقرار عام 1998م عند اكتشاف العنصر الثقيل 114، وهي مجموعة فرعية من العناصر الثقيلة ذات النوى الكروية.
بحر عدم الاستقرار يشير إلى مجموعة من العناصر في الجدول الدوري التي تكون غير مستقرة للغاية ولها نصف عمر قصير جدا يمكن قياسه بالميكروثانية أو النانوثانية، وتحيط هذه المجموعة من العناصر بجزيرة الاستقرار.
كيفية اكتشاف العناصر الجديدة
يتم استخدام العديد من التقنيات التجريبية لإنتاج عناصر كيميائية جديدة، بما في ذلك تفاعلات نقل الأيونات الثقيلة، وتفاعلات التبخر بالاندماج البارد أو الساخن، وتفاعلات التقاط النيوترون، والتفاعلات التي يتسبب فيها جسيمات ذات شحنات خفيفة، والانفجارات النووية. تتمتع هذه التقنيات بمزايا وعيوب تجعلها مناسبة لدراسة النوى في مناطق محددة.
وأنواع التفاعلات النووية التي تم استخدامها بنجاح ، لإنتاج عناصر جديدة في العقد الماضي ، هي تفاعلات الاندماج البارد ، وتفاعلات الانصهار الساخن ، وتستخدم تفاعلات الاندماج البارد نواة الشعاع ، والنواة المستهدفة الأقرب من بعضها البعض ، من أجل إنتاج نواة مركبة (الاندماج الكامل لنواة واحدة مستهدفة مع نواة شعاع واحد) ، مع طاقة استثارة عامة ، تتطلب عادة تبخير واحد أو بدون نيوترونات.
يؤدي ذلك إلى إنتاج نظائر نووية فقيرة بالنيوترونات لعناصر تمتلك احتمالات بقاء أعلى في عملية الانشطار، ولكن احتمالات الاندماج أقل، ومن أمثلة هذا النوع من التفاعل 70Zn 208Pb → 277112 1 بمقطع عرضي يبلغ حوالي 1 بيكوبارن
نظرا لأن النظير 112 يتحلل في النهاية عن طريق الانبعاث إلى نوى معروفة (نظائر العناصر 102 و104)، فإن تحديد هذا العنصر يكون واضحا ومباشرا. يستخدم تفاعلات الانصهار الساخنة شعاعا غير متماثلا إضافيا ونوى مستهدفة، وتنتج نواة مركبة ذات طاقة استثنائية أعلى. هذا يتطلب عادة تبخير ثلاثة إلى خمسة إلكترونات وإنتاج نظائر غنية بالنيوترونات للعنصر، ولها احتمالات أقل للاشتعال ولكن احتمالات اندماج أعلى.
مثال على هذا النوع من التفاعل هو 48Ca + 244Pu → 288114 + 4n، مع مقطع عرضي يقارب 1 رطل. بسبب ثراء نظير العنصر 114 بالنيوترونات، فإنه لا يتعارض مع أي نظائر معروفة، وبالتالي يكون تحديده أكثر صعوبة، وتمكنت تفاعلات الاندماج البارد من إنتاج العناصر 104-112، وقدمت تفاعلات الاندماج الساخن مؤخرا أدلة على العناصر 113-116 و 11.
العنصر فائق الثقل
يختلف تعريف العناصر الفائقة الثقل (SHE) بين مجموعات مختلفة من الناس ، نحن نستخدم مصطلح SHE للإشارة إلى تلك العناصر ذات العدد الذري أكبر من ، أو يساوي 112 ، وأول عنصر فائق الثقل هو element113 ، والذي تم اكتشافه مؤخرًا من خلال تعاون العلماء ، من مختبر لورانس ليفرمور الوطني والمعهد المشترك للأبحاث النووية في روسيا ، ومثل بعض العناصر الثقيلة ، يتم إنتاج العناصر فائقة الثقل بشكل مصطنع في تجارب السيكلوترون.
السيكلوترون
السيكلوترون هو مُسرِّع للجسيمات يعمل على تعزيز الأيونات بسرعات عالية جدًا ، من خلال سلسلة من الركلات الصغيرة أثناء انتقال الأيونات في الحركة الدائرية (أو الحلزونية) ، وقد تم اختراع السيكلوترون في جامعة كاليفورنيا ، بيركلي ، بواسطة إرنست أو.لورانس ، الذي يحمل الاسم نفسه للمختبر الوطني لورانس ليفرمور.
أهمية اكتشاف عناصر ثقيلة جديدة
يثبت اكتشاف عناصر جديدة فائقة الثقل ، نظريات نووية راسخة بشأن وجود (جزيرة الاستقرار) والحدود النهائية للجدول الدوري للعناصر، وتساعد هذه الاكتشافات العلماء أيضًا على فهم كيفية الحفاظ على النوى معًا بشكل أفضل ، وكيف تقاوم عملية الانشطار ، ويمكن بعد ذلك تطبيق المهارات المكتسبة من خلال إجراء تجارب العناصر الثقيلة هذه ، على حل الاحتياجات الوطنية مثل إدارة المخزونات ، وأمن الوطن.
من خلال تحسين فهم عملية الانشطار لدى العلماء، يمكن تعزيز سلامة وموثوقية المخزون النووي والمفاعلات النووية في ذلك الوقت.
كيفية استخدام العناصر الثقيلة
مثل معظم الاكتشافات العلمية ، لا يعرف الباحثون بعد التطبيقات العملية لاكتشاف العناصر 113 و 115، حيث يتم استخدام العناصر الثقيلة المكتشفة سابقًا ، في أجهزة الكشف عن الدخان (الأمريسيوم) ، والتصوير بالأشعة السينية ، والاستجواب النيوتروني (كوريوم وكاليفورنيوم) ، والأسلحة النووية (البلوتونيوم) ، لذا يتوقع العلماء وجود تطبيقات عملية للعناصر 113 و 115 ، وسيتم اكتشافها في المستقبل.
الوقت المستغرق لاكتشاف العناصر الثقيلة 113 و 114 و 115 و 116 و 118
بدأت التجربة على العناصر 113 و115 في 14 يوليو 2003، وانتهت في 10 أغسطس 2003، وتم إنتاج أربع ذرات من العنصر 115 وتحللت بعد فترة هادئة لتنتج العنصر 113 وغيره.
على الرغم مما سبق،إلا أن هناك حاجة لسنوات من التجارب الناجحة قبل اكتشاف 115 و 113، وذلك لإثبات أن التجربة يمكن أن تكون ناجحة، وتم إنفاق أكثر من عام على تنظيف المواد المستهدفة وشحنها إلى روسيا وصنع الهدف وتشغيل التجربة.
أما العنصر 114 تم اختبار العنصر الأول 114 لمدة عام تقريبًا ، واكتشاف ذرتين خلال ذلك الوقت ، والعنصر 116 تم تجربة العنصر 116 لمدة عام تقريبًا ، وتم اكتشاف ثلاث ذرات خلال ذلك الوقت ، والعنصر 118 تم إنتاج العنصر 118 خلال تجربتين منفصلتين ، واستمرت كل واحدة لعدة أشهر ، تم اكتشاف ثلاث ذرات في كلتا التجربتين مجتمعة.
الذهب والعناصر الثقيلة الأخرى تأتي من النجوم
اكتشف الباحثون لأول مرة عنصرا أثقل من الحديد في اصطدام نجمين نيوترونيين، وتم حل أحد الأسئلة الأساسية حول تاريخ الكون. منذ خمسينيات القرن الماضي، علمنا أن الهيدروجين والهيليوم يتشكلان خلال الانفجار العظيم، وأن العناصر الأثقل تتولد بالاندماج النووي داخل النجوم وعندما تنفجر النجوم كمستعرات فائقة.
ولكن ليس الحديد وحده، فمن بين 90 عنصرا، هناك 26 عنصرا يحدث بشكل طبيعي في الجدول الدوري. كانت العناصر الأثقل من الحديد تشكل لغزا منذ فترة طويلة، حيث عرف العلماء أن بعضها يتشكل في أظرف النجوم ذات الكتلة المنخفضة، والتي تعرف باسم نجوم AGB. ومع ذلك، تم إنشاء نصف العناصر الأثقل من الحديد فقط بهذه الطريقة، فمن أين يأتي الباقي؟ اكتشف الباحثون دليلا طيفيا يشير إلى أن الانفجار الذي يحدث عندما يتصادم نجمان نيوترونيان يخلق عناصرا ثقيلة. وحدد الباحثون السترونتيوم المعدني في طيف ناتج عن اصطدام نجم نيوتروني والذي لاحظته في عام 2017.
الجانب الأخف من العناصر الثقيلة
لم يتم رصد هذه الظاهرة إلا مرة واحدة في أغسطس 2017م، حيث اصطدم نجمان نيوترونيان في مجرة تبعد 140 مليون سنة ضوئية عن الأرض، وتم اكتشاف الاصطدام لأول مرة من خلال توقيع موجة جاذبية، وتم متابعته من قبل مراصد مثل المرصد الأوروبي الجنوبي (ESO) في صحراء أتاكاما في تشيلي.
الأطياف التي تم جمعها في ESO في ذلك الوقت، هي ما يتم تحليله من قبل واتسون وزملاؤه منذ ذلك الحين، ومع ذلك، لم يتمكن أي شخص في ذلك الوقت من تحديد عناصر محددة.
باستخدام طيف الجسم الأسود، نجح واتسون وزملاؤه في إعادة إنتاج الأطياف المبكرة لتلك الكيلونوفا، حيث يتم تسليط الضوء على عنصر السترونتيوم، والغريب أن السترونتيوم يعتبر واحدًا من أخف العناصر الثقيلة. وهذا في حد ذاته يعتبر أمرًا مهمًا.
كان من المعتقد سابقا أن العناصر الثقيلة فقط، مثل اليورانيوم والذهب، تتشكل في عمليات اندماج نجوم النيوترونات. والآن نعلم أن العناصر الأخف وزنا أيضا تتكون في هذه العمليات. وبالتالي، تنتج اصطدامات نجوم النيوترونات مجموعة واسعة من العناصر الثقيلة، بدءا من الأخف وصولا إلى الأثقل وزنا. هذا ما يقوله عالم الفيزياء الفلكية والمؤلف المشارك جونتان سيلسينغ، الذي كان يعمل حتى وقت قريب في معهد نيلز بور.
الخطوة التالية للباحثين هي محاولة تحديد المزيد من العناصر في أطياف كيلونوفا، وإذا تم النجاح، فمن المتوقع أن يتم العثور على عناصر أثقل من السترونتيوم، مثل الباريوم واللانثانيدات، وهذا يمثل آخر جزء في لغز تكوين العناصر .