אומת היסוד הכימי המאה וארבעה-עשר

מדענים מהמעבדה הלאומית של משרד האנרגיה האמריקאי הצליחו לאמת את הקבלה של היסוד הכבד המאה וארבעה-עשר, זאת לאחר כעשור שקבוצת מחקר אחרת ברוסיה טענה לראשוניות לכך. החיפוש אחר יסוד זה היה זה זמן רב חלק חיוני מציפיותיהם של מדעני גרעין למצוא “אי של יציבות”

מדענים מהמעבדה הלאומית של משרד האנרגיה האמריקאי הצליחו לאמת את הקבלה של היסוד הכבד המאה וארבעה-עשר, זאת לאחר כעשור שקבוצת מחקר אחרת ברוסיה טענה לראשוניות לכך. החיפוש אחר יסוד זה היה זה זמן רב חלק חיוני מציפיותיהם של מדעני גרעין למצוא “אי של יציבות”.

Heino Nitsche, ראש הקבוצה של רדיוכימיה והגרעין של יסודות כבדים במכון, ופרופסור לכימיה באוניברסיטת ברקלי, קליפורניה, הוביל את הקבוצה שאימתה באופן בלתי-תלוי את הקבלה של היסוד החדש. באמצעות מכשיר, המכונה “מַפְרֵד ממולא-גז של ברקלי”, החוקרים הצליחו לאשר את הקבלה של שני גרעינים פרטניים של היסוד ה- 114, כאשר כל אחד מהם מכיל 114 פרוטונים, אך מספר שונה של נויטרונים ומסלולי דעיכה נפרדים. “בעקבות האימות של ייצור היסוד ה- 114, הסרנו כל ספק באשר לתקפות טענותיה של הקבוצה הרוסית,” מציין החוקר הראשי. “הממצא מוכיח כי אכן ניתן לייצר במעבדה את היסודות הכבדים המעניינים ביותר.” תוצאות המחקר פורסמו בכתב-העת המדעי Physical Review Letters.

יסודות, הכבדים במשקלם מהיסוד אורניום (מספר אטומי 92, המציין את מספר הפרוטונים בגרעין האטום), הינם רדיואקטיביים ודועכים בפרק זמן שקצר מגילו של כדור הארץ; כך, שלא ניתן למצוא אותם בטבע (חרף העובדה כי ניתן לעיתים למצוא שרידים של היסודות נפטוניום ופלוטוניום בעופרות אורניום). יסודות עד המספר האטומי 112 הוכנו באופן מלאכותי – אלו מביניהם בעלי מספרים אטומים נמוכים בכורים ובפיצוצים גרעיניים, והגבוהים במספרם במאיצי חלקיקים – ולרוב דועכים במהירות רבה, תוך מספר שניות או שברירי השניה.

בשלהי שנות החמישים של המאה הקודמת מדענים חישבו ומצאו כי יסודות כבדים ביותר (superheavy) בעלי צירופים מסוימים של פרוטונים ונויטרונים, המאורגנים ב”קליפות” אשר בגרעין האטום, אמורים להיות די יציבים, כך שבסופו של דבר יתקבל “אי של יציבות” שבו אורך-החיים שלהם יוכל להגיע עד כדי דקות או ימים – ואפילו, סבורים האופטימיים מביניהם – מיליוני שנים. חישובים מוקדמים הציעו כי יסוד בעל 114 פרוטונים ו- 184 נויטרונים עשוי להיות אחד מאותם יסודות יציבים אלו. גם חוקרים במכון הלאומי של משרד האנרגיה בארה”ב עודדו את החיפוש של יסודות כבדים ביותר המקיימים בתוכם “מספרי-קסם” של נוּקְלֵאוֹנים (פרוטון או נויטרון כמרכיבי הגרעין).

“אנשים חלמו על יסודות כבדים ביותר עוד משנות השישים,” מציין החוקר. “אולם, נדיר שממצאים חשובים כפי שנטענו ע”י הקבוצה הרוסית בדבר ההכנה של היסוד ה- 114 יהיו בלתי מאומתים למשך תקופה כה ארוכה. מדענים החלו כבר לתהות אם אכן יסודות כבדים קיימים במציאות.”

בכדי ליצור גרעינים כבדים ביותר יש צורך “לירות” סוג אחד של אטומים במטרה המורכבת מסוג אחר; מספר הפרוטונים הכולל של מיזוג שני סוגי אטומים אלו חייב להיות לפחות שווה ליסוד הנדרש. אימות תוצאות הקבוצה הרוסית חייב הכוונה של אלומת יוני סידן (48Ca, אטום סידן שבגרעינו 20 פרוטונים ו- 28 נויטרונים) אל מטרה המורכבת מאיזוטופים של פלוטוניום (242Pu, בעל 94 פרוטונים ו- 148 נויטרונים). תהליך זה בוצע באמצעות מכשיר ציקלוטרון – מאיץ חלקיקים עוצמתי.

“הטיפול בפלוטוניום ידוע לשמצה במורכבותו,” אומר החוקר הראשי, “וכל קבוצת מחקר מכינה את המטרות ממנו באופן קצת שונה, אולם ניסיון רב כאן במכון שלנו הוביל להבנה מעמיקה של התהליך.”

בזמן שהאטומים הנהדפים ואטומי המטרה מגיבים ביניהם, סוגים אחרים רבים של תוצרי התגובה הגרעינית נפלטים החוצה. מאחר והגרעינים של יסודות כבדים ביותר נדירים וקצרי-חיים, שתי הקבוצות, הן הרוסית והן האמריקאית, השתמשו במפרדים ממולאי גז בהם גז מדולל ושדות מגנטיים נשלטים מרחיקים החוצה את שפע השרידים שהתקבלו בהתנגשויות הגרעיניות, כך שבאופן מיטבי רק פרודות בעלות מספר הנוקליאונים המבוקש תגענה לגלאי.

באמצעות תהליך זה זיהו החוקרים שני איזוטופים: 286114 (114 פרוטונים ו- 172 נויטרונים) ו- 287114 (114 פרוטונים ו- 173 נויטרונים). האיזוטופ הראשון (286114) דעך בכעשירית השנייה תוך פליטת חלקיקי אלפא (גרעין הליום – שני פרוטונים ושני נויטרונים) – והפיכתו לגרעין “בן” של היסוד 112 – שהוא עצמו דועך לגרעין נמוך יותר במספרו האטומי. האיזוטופ השני דועך בכמחצית השנייה תוך פליטת חלקיקי אלפא ליצירת היסוד 112, שפולט גם הוא חלקיקי אלפא לאחר מכן ליצירת יסוד הבן 110, לפני שהוא דועך עוד יותר לגרעין בעל מספר אטומי נמוך יותר.

הצלחת קבוצת המחקר הזו באיתור שני האיזוטופים ובמעקב אחר מסלולי הדעיכה המפורטים שלהם התבססה על שיטות מתוחכמות ומתקדמות לגילוי, איסוף מידע וניתוחו. לאחר מעברם במפרד, הגרעינים המתאימים מגיעים לתא גילוי. אם אכן מאותר אטום של היסוד 114, ומיד אחר כך מאותרת גם פליטה של חלקיקי אלפא, אלומת מאיץ החלקיקים נכבית מייד, כך שאירועי דעיכה נוספים יוכלו להיות מתועדים ללא הפרעות רקע. בנוסף לשיטות אוטומטיות שכאלו להגברת איסוף המידע, ניתוחו בוצע לאחר מכן באופן בלתי-תלוי לחלוטין באמצעות תוכנות מחשב ייחודיות. “למרות שחתכי הפעולה של האיזוטופים היו נמוכים בהרבה מאלו שדווחו ע”י החוקרים הרוסיים – אופן הדעיכה, זמני-החיים והאנרגיות המתאימות, היו כולם עקביים אל מול הממצאים הקודמים ובעצם איששו את ההישג שלהם בצורה נחרצת,” מסביר החוקר הראשי.

“על סמך הרעיונות שנפוצו בשנות השישים, האמנו כי אכן נגיע לאי של יציבות עבור היסוד 114. תיאוריות מעודכנות יותר מצביעות על יציבות מוגברת של מספרים אטומים אחרים, כגון 120 ו- 126. המחקר שלנו יסיע לנו לקבוע מי מהתיאוריות נכונה יותר וכיצד להתאים את המודלים שלנו.”

מוסיף החוקר: “במהלך עשרים השנים האחרונות התגלו איזוטופים יציבים רבים הנמצאים בין איזוטופים ידועים של יסודות כבדים ובין האיים של היציבות – למעשה, ניתן לראותם כקרש קפיצה לאיים אלו. השאלה הנותרת הינה מהו היקפו של האי – מ- 114 ל- 120 או 126, ומה גובהו מעל “ים חוסר-היציבות” הסובב אותו.”

הידיעה באתר אוניברסיטת ברקלי