האיזוטפים היסודות העל-כבדים בעלי המספרים האטומיים 104 עד 114.
צוות מדענים מהמעבדה הלאומית במשרד האנרגיה האמריקאי גילה שישה איזוטופים, שלא נצפו בעבר, של היסודות העל-כבדים בעלי המספרים האטומיים 104 עד 114. תחילת ההישג הגיעה מההכנה של האיזוטופ החדש מספר 114 (עדיין ללא שם), וממנו הבחינו החוקרים בפליטות עוקבות של חלקיקי אלפא אשר הביאו לקבלתם של האיזוטופים החדשים: copernicium (112), darmstadtium (110), hassium (108), seaborgium (106) ו- rutherfordium (104). רותרפורדיום מפסיק את שרשרת הדעיכה כאשר הוא דועך בסופו של דבר ע”י ביקוע ספונטני.
מידע שייאסף מהאיזוטופים החדשים שהתגלו יתרום להבנה טובה יותר של תיאוריית “שכבות” הגרעין, אשר מונחת בבסיס התחזיות לקיום “אי של יציבות”, אוסף של איזוטופים יציבים המצויים בינות ל”ים” של איזוטופים בלתי-יציבים, קצרי-חיים של היסודות העל-כבדים.
בראשות הצוות שגילה את ששת האיזוטופים החדשים עמד Heino Nitsche, ראש הקבוצה לרדיוכימיה וגרעין של יסודות כבדים במעבדות ברקלי ופרופסור לכימיה באוניברסיטת קליפורניה בברקלי. ממצאי המחקר התפרסמו בכתב-העת המדעי .Physical Review Letters
“ניסינו להכין איזוטופים על-כבדים באמצעות הזרמת יוני סידן 48 לתוך מטרת אטומי פלוטוניום 242,” מציין החוקר הראשי. “זו הייתה מערכת די דומה לזו ששימשה אותנו לפני שנה על-מנת לאמת את קיומו של היסוד 114.”
יציבות גרעינית מתבססת על מבנה שכבות – מודל שבו פרוטונים ונויטרונים מאורגנים ברמות אנרגיה ההולכות וגדלות בגרעין האטום. גרעין בעל השכבה החיצונית ביותר שמלאה בפרוטונים או בנויטרונים מתואר כגרעין “קסום” ועל-כן הוא יציב. האפשרות למצוא איזוטופים “קסומים” או “קסומים כפליים” של יסודות על-כבדים (בהם השכבות החיצוניות ביותר הן של הפרוטונים והן של הנויטרונים מלאות לחלוטין) הובילה לתחזיות בדבר קיומו של תחום בעל יציבות מוגברת בשנות השישים.
האתגר הוא ביצירת איזוטופים באמצעות הפצצת גרעיני מטרה עתירי פרוטונים ונויטרונים ע”י אלומת יונים בעלי מספר הפרוטונים המתאים לקבלת גרעיני יסודות בעלי תכונות רצויות.
החוקרים מציינים כי סידן 48 (48Ca), המכיל מבנה שכבות קסום כפליים (20 פרוטונים ו- 28 נויטרונים), “הינו עתיר במיוחד בנויטרונים ומסוגל להתמזג עם פלוטוניום” – המכיל 94 פרוטונים – “בהשקעת אנרגיה נמוכה יחסית לשם קבלת גרעין חדש. זהו חומר מעולה ליצירת גרעין של היסוד 114.”
אומר אחד מהחוקרים: “קיימת סבירות נמוכה מאוד ששני איזוטופים יגיבו אחד עם השני ליצירת גרעין חדש. כדי לבצע זאת אנו זקוקים לאלומות עוצמתיות ביותר של יוני סידן שייורטו לעבר המטרה, ואז אנו צריכים גלאי מתאים שיוכל לברור ולמצוא בין מגוון תוצרי התגובה את הגרעין המבוקש שלנו בהתאם לתבנית הדעיכה הייחודית לו.”
מזה שנים רבות סבורים מדענים כי היסוד 114 עצמו ממוקם באי של יציבות. מודלים רגילים חוזים כי אם ניתן יהיה ליצר איזוטופ של היסוד 114 בעל 184 נויטרונים, הוא יהיה קסום כפליים כאשר הן שכבת הפרוטונים שלו והן שכבת הנויטרונים שלו מלאות, והוא צפוי להיות בעל זמן חיים ממושך. יחד עם זאת, מודלים עדכניים חוזים כי מספר קסום של פרוטונים אמור להיות 120 או 126. כך שמיקומו של היסוד 114 בתוך התחום היציב נמצא מוטל כרגע בספק. “כנראה שלא נוכל לייצר איזוטופ של היסוד 114 עד אשר לא נבנה מאיצי יונים עוצמתיים ויעילים יותר,” מציין החוקר הראשי. “אולם בינתיים אנו מסוגלים ללמוד הרבה אודות מודל שכבות הגרעין באמצעות השוואת תחזיות תיאורטיות לתצפיות של האיזוטופים שכן נוכל לייצר.”
צוות המחקר שאימת את קיומו של היסוד 114 הבחין בגרעינים של שני סוגי איזוטופים: 114(286) ו- 114(287), אשר דעכו תוך עשירית השנייה ומחצית השנייה, בהתאמה. בשיתוף פעולה מדעי עם קבוצת מחקר מגרמניה (GSI Helmholtz Center) נוצרו שני איזוטופים נוספים: 114(288) ו- 114(289); איזוטופים אלו דעכו במשך זמן של שני-שליש השנייה ושתי שניות, בהתאמה.
למרות שזמני חיים אלו אינם כה ארוכים, הם מספיקים דיים עבור הביקוע הספונטני שמסיים את סדרות דעיכות האלפא. חלקיקי אלפא מכילים שני פרוטונים ושני נויטרונים – למעשה גרעין של היסוד הליום – וגרעינים כבדים רבים לרוב דועכים באמצעות פליטת חלקיקי אלפא ליצירת אטומים בעלי מספר נמוך יותר בשני פרוטונים. בניגוד לכך, ביקוע ספונטני מוביל לקבלת מקטעים הרבה יותר קלי-משקל.
השנה החליטה קבוצת המחקר בברקלי לשנות גישה ולהכין איזוטופים חדשים באמצעות שיטה ייחודית: במקום לנסות ולהוסיף נויטרונים חדשים ליסוד 114, הם ינסו לחפש איזוטופים בעלי מספר נויטרונים נמוך יותר. זמני מחצית החיים הנמוכים יותר של איזוטופים אלו יוכלו לאפשר קבלת איזוטופים חדשים באמצעות דעיכת אלפא לפני שתהליך הביקוע הספונטני יפריע לשרשרת הדעיכה.
“זו הייתה גישה מחושבת ביותר,” מסביר החוקר, “מכיוון שקיווינו למצוא את האיזוטופים שמקורם בדעיכות אלפא עוקבות במורד השרשרת הראשית של היסודות, שם היחסים שבין המספר האיזוטופי, מבנה השכבות, והיציבות שלהם מובנים הרבה יותר. באמצעות מידע זה ובאמצעות מדידת האנרגיה של דעיכות האלפא, אנו מקווים ללמוד משהו אודות מידת דיוק התחזיות של מודל מבנה השכבות והיסודות הכבדים ביותר.”
בדרך זו, לאחר יותר משלושה שבועות של הפעלת האלומה, החוקרים הבחינו בשרשרת אחת של דעיכות מגרעיני היסוד 114 מעוטי-הנויטרונים. שני האיזוטופים החדשים שנוצרו בשיטה זו, 114(285) ו- copernicium (281), ע”י דעיכת האלפא שלו, היו בעלי זמני חיים של פחות מחמישית השנייה לפני פליטה של חלקיקי אלפא. האיזוטופ החדש השלישי, darmstadtium (277), היה בעל זמן חיים מועט של שמונה אלפיות השנייה. האיזוטופים הנוספים: Hassium (273) התקיים למשך שליש השנייה, ואילו האיזוטופ Seaborgium (269) התקיים למשך 3 דקות וחמש שניות לפני שנפלטו ממנו חלקיקי אלפא. בסופו של דבר, לאחר שתי דקות ומחצה, rutherfordium (265) דעך באמצעות ביקוע ספונטני. בסה”כ, מציין החוקר הראשי, התחזיות היו די קרובות לתוצאות המעשיות שהתקבלו. גילוי ששת האיזוטופים החדשים הללו מהווה צעד משמעותי קדימה בהבנת העקרונות השולטים בגרעיני האטומים.
הידיעה על המחקר
