کشف ایزوتوپ‌های جدید از عناصر سنگین خاکی کمیاب!

به گزارش مجله خبری نگار، نسبت‌هایی از ذرات تشکیل دهنده هسته‌های اتم که تاکنون هرگز دیده نشده بود در آزمایشی برجسته که شامل تکه تکه شدن عناصر سنگین بود، پدیدار شد.

فیزیکدانان به رهبری اولگ تاراسوف از دانشگاه ایالتی میشیگان با شکستن هسته‌های پلاتین، ایزوتوپ‌های جدیدی از عناصر کمیاب تولیوم، ایتربیوم و لوتسیم را کشف کردند.

این دستاوردی است که دانشمندان معتقدند به آن‌ها کمک می‌کند تا خواص هسته‌های غنی از نوترون و فرآیند‌هایی را که عناصر جدیدی را در برخورد ستارگان نوترونی ایجاد می‌کنند، درک کنند.

به گفته پژوهشگران، این کار همچنین قدرت تأسیسات اخیراً تکمیل شده برای پرتو‌های ایزوتوپ نادر (FRIB) دانشگاه ایالتی میشیگان را نشان می‌دهد که نخستین آزمایش خود را در ژوئن ۲۰۲۲ انجام داد.

همه اشکال یک عنصر، یکسان تشکیل نمی‌شوند. هر هسته اتمی متشکل از تعدادی ذرات زیر اتمی است که به نوکلئون‌ها (پروتون و نوترون) معروف هستند. تعداد پروتون‌ها در تمام اشکال یک عنصر ثابت است و به آن عنصر عدد اتمی آن را می‌دهد. با این حال، تعداد نوترون‌ها می‌تواند متفاوت باشد و همین تغییرات تعیین می‌کنند که چه چیزی بعنوان ایزوتوپ یک عنصر شناخته می‌شود.

همه عناصر دارای تعدادی ایزوتوپ هستند که با سطوح مختلف پایداری تشکیل می‌شوند. بعضی از آن‌ها به شکل فوق العاده‌ای سریع تجزیه میشوند و در یک پرتوافشانی کوتاه تشعشع یونیزه به عناصر سبک‌تر تجزیه می‌شوند. بعضی‌ها نیز ثبات خود را حفظ می‌کنند.

شناخت ایزوتوپ‌های مختلف و نحوه رفتار آن‌ها به دانشمندان کمک می‌کند تا بفهمند جهان چگونه عناصر را می‌سازد و فراوانی آن عناصر را در فضا و زمان تخمین بزنند.

تاراسوف و همکارانش برای ساخت ایزوتوپ‌های جدید خود با یک ایزوتوپ پلاتین با ۱۲۰ نوترون به نام ۱۹۸ Pt شروع کردند. پلاتین استاندارد دارای ۱۱۷ نوترون است. استفاده از ایزوتوپ سنگین‌تر میتواند نحوه تقسیم شدن هسته را تغییر دهد.

آن‌ها این اتم‌ها را در FRIB قرار دادند که از یک شتاب دهنده یون سنگین برای تقسیم هسته‌های اتم استفاده می‌کند. پرتو‌های ایزوتوپ‌های کمیاب با سرعتی بیش از نیمی از سرعت نور به سمت هدف شلیک می‌شوند. هنگامی که آن‌ها به هدف برخورد می‌کنند، این ایزوتوپ‌ها به ایزوتوپ‌های سبک‌تر از هسته تبدیل می‌شوند. سپس فیزیکدانان می‌توانند این ایزوتوپ‌ها را شناسایی و مطالعه کنند.

در تجزیه و تقسیم هسته ۱۹۸ Pt تیم پژوهشگران تاراسوف ۱۸۲ Tm و ۱۸۳ Tm را با ۱۱۳ و ۱۱۴ نوترون کشف کردند. تولیوم استاندارد دارای ۶۹ نوترون است.

آن‌ها همچنین ۱۸۶ Yb و ۱۸۷ Yb را به ترتیب با ۱۱۶ و ۱۱۷ نوترون یافتند. در حالیکه ایتربیوم استاندارد دارای ۱۰۳ نوترون است.

پژوهشگران همچنین ۱۹۰ Lu را با ۱۱۹ نوترون کشف کردند. لوتسیم استاندارد نیز دارای ۱۰۴ نوترون است.

هر یک از این ایزوتوپ‌ها در چندین دور شتاب دهنده دیده شدند. پژوهشگران می‌گویند این بدان معناست که FRIB می‌تواند برای مطالعه سنتز ایزوتوپ‌های غنی از نوترون عناصر سنگین در ترکیباتی استفاده شود که تاکنون بسیار نادیده گرفته شده اند، البته نه به دلیل عدم علاقه دانشمندان، بلکه توانایی ایجاد و شناسایی آن‌ها وجود نداشته است.

این به نوبه خود می‌تواند به ما کمک کند تا بفهمیم که چگونه رویداد‌های کیهانی خشونت آمیز سنگین‌ترین عناصر را در کیهان ایجاد می‌کنند. هر چیزی سنگین‌تر از آهن در کیهان فقط در شرایط شدید و خشن ایجاد می‌شود، مثلاً در شرایطی که در ابرنواختر‌ها یا در برخورد بین ستاره‌های نوترونی دیده می‌شود.

یکی از فرآیند‌های سنتز هسته که در برخورد ستاره‌های نوترونی مشاهده می‌شود، فرآیند جذب سریع نوترون یا فرآیند r است. این فرآیند زمانی اتفاق می‌افتد که هسته‌های اتمی به سرعت نوترون‌های شناور آزاد را که در جریان انفجار کیلونووا از بین می‌روند، می‌گیرند و تبدیل آن‌ها به عنصری سنگین‌تر آغاز می‌شود. طلا، استرانسیم، پلاتین و سایر فلزات سنگین را از این طریق بدست می‌آوریم.

پژوهشگران می‌گویند که آزمایش شان به بازتولید فرآیند r بسیار نزدیک شده است. این بدان معناست که ما ممکن است در آینده‌ای بسیار نزدیک، ابزاری در اختیار داشته باشیم که می‌تواند یکی از مسیر‌های سنتز هسته را که در برخی از خشن‌ترین رویداد‌هایی که کیهان ارائه می‌دهد، تکرار کند.

پژوهشگران می‌گویند: قابلیت‌های منحصر به فرد FRIB، از جمله پرتو‌های اولیه بسیار شدید در انرژی‌هایی بیش از انرژی موجود در آزمایشگاه ملی سیکلوترون ابررسانا، آن را به یک ابزار ایده آل برای کاوش حوزه نوترون‌ها و فراتر از آن تبدیل می‌کند.

پژوهشگران در FRIB میتوانند از این واکنش‌ها برای تولید، شناسایی و مطالعه خواص ایزوتوپ‌های جدید استفاده کنند و به پیشرفت‌های فیزیک هسته ای، اخترفیزیک و درک ما از خواص اساسی ماده کمک کنند.

این پژوهش در مجله Physical Review Letters منتشر شده است.