مفهوم العناصر الثقيلة

إن

الغموض

الذي طال أمده في مجال الفيزياء النووية ، هو سبب كون الكون يتكون من مواد محددة نراها حولنا ، فمن المهم بشكل خاص العمليات الفيزيائية المسؤولة عن إنتاج العناصر الثقيلة ، مثل الذهب والبلاتين و

اليورانيوم

، والتي يُعتقد أنها تحدث أثناء عمليات اندماج النجوم النيوترونية ، والأحداث النجمية المتفجرة.

وقد قاد علماء من مختبر أرغون الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية (DOE) تجربة فيزياء نووية دولية أجريت في CERN ، المنظمة الأوروبية للأبحاث النووية ، والتي تستخدم تقنيات جديدة تم تطويرها في Argonne لدراسة طبيعة وأصل مفهوم العناصر الثقيلة في الكون.

معنى مفهوم العنصر الثقيل

العنصر الثقيل هو عنصر ذو رقم ذري أكبر من 92، والعنصر الثقيل الأول هو النبتونيوم (Np) ، الذي يحتوي على عدد تشريحي 93 ، ويتم إنتاج بعض العناصر الثقيلة في المفاعلات ، ويتم إنتاج بعضها بشكل مصطنع في تجارب السيكلوترون.

ويشير العدد الذري إلى عدد البروتونات في نواة العنصر ، حيث يحتوي كل عنصر على رقم ذري فريد ، ويعرف بهذا الرقم حتى يتلقى اسمًا رسميًا ، على سبيل المثال ، يحتوي العنصران الجديدان الفائقان 113 و 115 على 113 و 115 بروتونًا ، على التوالي ، في نواتهما.[1]

مفهوم النظائر بالعناصر

وتُحدد العناصر برقمها الذري أو عدد البروتونات في النواة ، والعناصر تحتوي على أكثر من نظير واحد ، ويحتوي النظير على أعداد مختلفة من النيوترونات في النواة ،  فالذهب ، على سبيل المثال ، لديه نظير واحد ثابت مألوف باسم.

و

النظائر

لديها عدد ذري من 79 (بمعنى 79 بروتونات في النواة) ، وعدد الكتلة 197 ، أو إجمالي عدد النيوترونات والبروتونات في النواة ، وهكذا يوجد 197-79 = 118 نيوترون في هذا النظير ، ولكن أكثر من 30 نظيرًا من الذهب معروفة ، وكل نظير له خصائص تحلل خاصة به ونصف عمر.

فعلى سبيل المثال ، أن نظير مورنيوترون (119) له نظير واحد مستقر ، وله نصف عمر يبلغ 2.7 يومًا ، ويتحلل بواسطة تحلل- بيتا ، نظائر الذهب المختلفة جدًا ، لها نصف عمر 5 مللي ثانية ، وتتحلل بواسطة ألفا -تسوس.

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.

ومع ذلك ، توقع الفيزيائيون في الستينيات أن هذا الاتجاه ، نحو نصف عمر أقصر سيتغير حول العنصر 114 ، على الرغم من أنهم قد يمتلكون بعض العناصر حول العنصر 114 أطول من نصف العمر ، مما يشكل (جزيرة استقرار) في وسط (بحر) من عناصر غير مستقرة 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.

وظهر وجود جزيرة الاستقرار في عام 1998م ، مع اكتشاف العنصر الثقيل 114 ، كما أن جزيرة الاستقرار هي مجموعة فرعية محددة من العناصر الثقيلة ، والتي تتميز بنوى لها شكل كروي.

أما بحر عدم الاستقرار ، يشير إلى منطقة عناصر في

الجدول الدوري

، تكون غير مستقرة إلى حد كبير ، هذه العناصر لها نصف عمر قصير للغاية ، يمكن قياسه بالميكروثان أو النانو ثانية ، مع العلم أن النانو ثانية هو الوقت الذي يستغرقه الضوء في السفر قدمًا واحدة ، وهذا الإقليم من العناصر غير المستقرة يحيط بجزيرة الاستقرار.

كيفية اكتشاف العناصر الجديدة

بتم استخدام العديد من التقنيات التجريبية لصنع عناصر كيميائية جديدة ، فبعضها تشمل تفاعلات نقل الأيونات الثقيلة ، وتفاعلات التبخر بالاندماج البارد أو الساخن ، وتفاعلات التقاط النيوترون ، والتفاعلات التي يسببها الجسيمات ذات الشحنات الخفيفة ، والانفجارات النووية ، كل هذه التقنيات لها مزايا وعيوب تجعلها مناسبة لدراسة النوى في مناطق معينة.

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.[2]

وهذا يولد نظائر أقل غنى بالنيوترونات لعنصر له احتمالات بقاء أعلى فيما يتعلق بالانشطار ، ولكن مع احتمالات الاندماج أقل ، مثال على هذا النوع من التفاعل هو 70Zn 208Pb → 277112 1 بمقطع عرضي من ~ 1 picobarn

ونظرًا لأن النظير 112 يتحلل في نهاية المطاف عن طريق الانبعاث ، إلى نوى معروف [وهي نظائر العناصر 102 (No) و 104 (Rf)] ، فإن تحديد هذا العنصر واضح ومباشر ، وتستخدم تفاعلات الانصهار الساخنة المزيد من الشعاع غير المتماثل ، والنوى المستهدفة ، وتنتج نواة مركبة ذات طاقة استثنائية أعلى تتطلب عادة تبخر ثلاثة إلى فيفيترونات ، وتولد المزيد من النظائر الغنية بالنيوترونات لعنصر ، ولها احتمالات بقاء أقل مع احترام الانشطار ، ولكن لديها احتمالات اندماج أعلى.

ومثال على هذا النوع من التفاعل هو 48Ca + 244Pu → 288114 + 4n مع مقطع عرضي ~ 1 رطل. بسبب الثراء النيوتروني لهذا النظير للعنصر 114 ، فإنه لا يتعارض مع أي نظائر معروفة ، وبالتالي فإن تحديده أكثر إشكالية ، وقد نجحت تفاعلات الاندماج البارد في إنتاج العناصر 104-112 ، وقدمت تفاعلات الاندماج الساخن مؤخرًا أدلة على العناصر 113-116 و 118.

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.  [3]

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.

فعلى سبيل المثال ، سيسمح تحسين فهم عملية الانشطار للعلماء ، بتعزيز 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

وعن العناصر 113 و 115 ،  بدأت التجربة في 14 يوليو 2003م ، وانتهت في 10 أغسطس 2003م ، وفي ذلك الوقت ، تم إنتاج أربع ذرات من العنصر 115 ، والتي تحللت بعد زمن هادئ ، وبالتالي أنتجت العنصر 113 وما إلى ذلك.

وبالرغم من الذي سبق ذكره فقد كانت هناك حاجة لسنوات من التجارب الناجحة ، قبل اكتشاف 115 و 113 ، لإظهار أن التجربة يمكن أن تكون ناجحة ، وقد تم إنفاق أكثر من عام لتنظيف 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

لأول مرة اكتشف الباحثون عنصرًا أثقل من الحديد في اصطدام نجمين نيوترونيين ، وحل أحد الأسئلة الأساسية حول تاريخ الكون ، فمنذ خمسينيات القرن الماضي ، عرفنا أن الهيدروجين والهيليوم تشكل خلال الانفجار العظيم ، وأن العناصر الأثقل تصل إلى شكل الحديد عبر الاندماج النووي في النجوم ، وعندما تنفجر النجوم على شكل مستعرات أعظمية.

لكن ليس الحديد فقط ، ف 26 من أصل 90 عنصرًا تحدث بشكل طبيعي في الجدول الدوري ، حيث كانت العناصر الأخرى الأثقل من الحديد تأتي لغزًا منذ فترة طويلة ، فقد عرف العلماء أن بعضها يتشكل في أظرف النجوم ذات الكتلة المنخفضة ، ما يسمى نجوم AGB ، ولكن فقط نصف العناصر الأثقل من الحديد يتم إنشاؤها بهذه الطريقة ، إذن من أين يأتي الباقي؟ ، وقد وجد الباحثون دليلاً طيفيًا على أن الانفجار الذي يحدث عندما يصطدم نجمان نيوترونيان يخلق عناصر ثقيلة ، وحدد الباحثون السترونتيوم المعدني في طيف من تصادم نجم نيوتروني لوحظ في عام 2017م.

الجانب الأخف من العناصر الثقيلة

المرة الوحيدة التي لاحظ فيها الباحثون هذه الظاهرة كانت في أغسطس 2017م ، عندما اصطدم نجمان نيوترونيان في مجرة على بعد 140 مليون

سنة ضوئية

من الأرض ، وقد اكتشف اصطدامًا لأول مرة من خلال توقيع موجة الجاذبية ، ثم تبعه مراصد مثل الجنوب الأوروبي المرصد (ESO) ، في صحراء أتاكاما في تشيلي.

الأطياف التي تم جمعها في ESO في ذلك الوقت ، هي ما يحلله واتسون وزملاؤه منذ ذلك الحين ، ومع ذلك لم يتمكن أحد في ذلك الوقت من تحديد أي عناصر محددة.

وباستخدام ما يسمى طيف الجسم الأسود ، نجح واتسون وزملاؤه في إعادة إنتاج الأطياف المبكرة لذلك الكيلونوفا ، حيث يبرز عنصر السترونتيوم ، والغريب أن السترونتيوم هو واحد من أخف العناصر الثقيلة ، وهذا في حد ذاته مهم.

وقد كان يعتقد أن العناصر الأثقل فقط ، مثل اليورانيوم والذهب ، تشكلت في عمليات اندماج النجوم النيوترونية ، أما الآن نعلم أن أخف العناصر الثقيلة يتم إنشاؤها أيضًا في هذه الاندماجات ، وهكذا تخبرنا أن اصطدامات النجوم النيوترونية تنتج مجموعة واسعة من العناصر الثقيلة ، من الأخف إلى الأثقل وزنًا ، كما يقول عالم الفيزياء الفلكية والمؤلف المشارك جونتان سيلسينغ ، الذي كان حتى وقت قريب في معهد نيلز بور.  [4]

وكانت الخطوة التالية للباحثين هي محاولة تحديد المزيد من العناصر في أطياف كيلونوفا ، فإذا نجحوا ، فإنهم يتوقعون العثور على عناصر أثقل من السترونتيوم – ربما

الباريوم

واللانثانم ، وهنا يمكننا القول أن هذه هي آخر قطعة في لغز تكوين العناصر .