کشف عناصر جدید: از جدول مندلیف تا تولید عناصر فوق سنگین
دیمیتری مندلیف، شیمیدان برجسته، به عنوان مبدع اولین جدول تناوبی شناخته میشود که شباهت زیادی به جدول تناوبی امروزی دارد. او عناصر را بر اساس افزایش وزن اتمی مرتب کرد (اگرچه امروزه ما از عدد اتمی استفاده می‌کنیم). مندلیف متوجه روندها و تناوب‌های تکرارشونده در خواص عناصر شد. جدول او به وی این امکان را داد تا وجود و ویژگی‌های عناصری را که هنوز کشف نشده بودند، پیش‌بینی کند.
امروزه، در جدول تناوبی مدرن، دیگر شکاف و فضاهای خالی به چشم نمی‌خورد. در واقع، دیگر نمی‌توان گفت که عناصر جدید "کشف" می‌شوند، بلکه آنها را با استفاده از شتاب‌دهنده‌های ذرات و واکنش‌های هسته‌ای "تولید" می‌کنند. روش ساخت یک عنصر جدید، افزودن یک یا چند پروتون یا نوترون به یک عنصر از پیش موجود است. این کار با کوبیدن پروتون‌ها یا نوترون‌ها به اتم‌ها یا با برخورد دادن اتم‌ها با یکدیگر انجام میشود.
عناصر جدید، که در انتهای جدول تناوبی قرار دارند، همگی بسیار رادیواکتیو هستند و به سرعت واپاشی می‌شوند. همین واپاشی سریع، اثبات ساخت یک عنصر جدید را بسیار دشوار می‌کند.
نکات کلیدی در مورد چگونگی ساخت عناصر جدید:
- با وجود اینکه محققان عناصری با عدد اتمی 1 تا 118 را سنتز کرده‌اند و به نظر می‌رسد جدول تناوبی پر شده است، احتمالاً عناصر جدید دیگری نیز ساخته خواهند شد.
- عناصر فوق سنگین از طریق برخورد دادن عناصر موجود با پروتون‌ها، نوترون‌ها یا سایر هسته‌های اتمی ساخته می‌شوند. فرآیندهای ترانس‌موتاسیون و همجوشی هسته‌ای در این روش استفاده می‌شوند.
- احتمالاً برخی از عناصر سنگین‌تر در داخل ستارگان نیز ساخته می‌شوند، اما به دلیل نیمه‌عمر بسیار کوتاه، در زمین یافت نمی‌شوند.
- در حال حاضر، مسئله اصلی، دیگر ساخت عناصر جدید نیست، بلکه تشخیص آنها است. اتم‌های تولید شده اغلب خیلی سریع واپاشی می‌شوند و یافتن آنها دشوار است. گاهی اوقات، تایید وجود یک عنصر جدید با مشاهده هسته‌های دختری حاصل از واپاشی انجام میشود. این هسته‌ها باید فقط از واپاشی عنصر مورد نظر به دست آمده باشند، نه از هیچ واکنش دیگری.
فرآیندهای ساخت عناصر جدید
عناصری که امروزه روی زمین یافت می‌شوند، یا در قلب ستارگان از طریق فرآیند هسته‌زایی متولد شده‌اند، یا به عنوان محصولات واپاشی عناصر دیگر شکل گرفته‌اند. تمام عناصر از هیدروژن (عدد اتمی 1) تا اورانیوم (عدد اتمی 92) به طور طبیعی وجود دارند، اگرچه عناصر تکنسیم (43)، پرومتیم (61)، آستاتین (85) و فرانسیم (87) حاصل واپاشی رادیواکتیو توریوم و اورانیوم هستند. نپتونیم و پلوتونیوم نیز در طبیعت، در سنگ‌های غنی از اورانیوم، کشف شده‌اند. این دو عنصر از جذب نوترون توسط اورانیوم به وجود آمده‌اند:
238U + n → 239U → 239Np → 239Pu
نکته کلیدی در اینجا این است که بمباران یک عنصر با نوترون‌ها می‌تواند عناصر جدیدی تولید کند، زیرا نوترون‌ها می‌توانند از طریق فرآیندی به نام واپاشی بتای نوترونی، به پروتون تبدیل شوند. نوترون به یک پروتون واپاشی میشود و یک الکترون و یک آنتی‌نوترینو آزاد می‌کند. افزودن یک پروتون به هسته اتمی، هویت عنصر را تغییر می‌دهد.
رآکتورهای هسته‌ای و شتاب‌دهنده‌های ذرات می‌توانند اهداف را با نوترون‌ها، پروتون‌ها یا هسته‌های اتمی بمباران کنند. برای تشکیل عناصری با اعداد اتمی بیشتر از 118، افزودن یک پروتون یا نوترون به یک عنصر از پیش موجود کافی نیست. دلیلش این است که هسته‌های فوق‌سنگین در آن قسمت از جدول تناوبی به مقدار کافی در دسترس نیستند و به اندازه کافی عمر نمی‌کنند تا در سنتز عنصر مورد استفاده قرار گیرند. بنابراین، محققان به دنبال ترکیب هسته‌های سبک‌تری هستند که پروتون‌های آنها جمع شده و عدد اتمی مورد نظر را تشکیل دهند، یا به دنبال ساخت هسته‌هایی هستند که به یک عنصر جدید واپاشی شوند. متاسفانه، به دلیل نیمه‌عمر کوتاه و تعداد کم اتم‌ها، تشخیص یک عنصر جدید بسیار دشوار است، چه برسد به تأیید نتیجه. محتمل‌ترین گزینه‌ها برای عناصر جدید، اعداد اتمی 120 و 126 هستند، زیرا اعتقاد بر این است که ایزوتوپ‌هایی دارند که ممکن است به اندازه کافی دوام بیاورند تا شناسایی شوند.
عناصر فوق‌سنگین در ستارگان
اگر دانشمندان از همجوشی هسته‌ای برای ایجاد عناصر فوق‌سنگین استفاده می‌کنند، آیا ستارگان نیز این عناصر را تولید می‌کنند؟ پاسخ قطعی مشخص نیست، اما این احتمال وجود دارد که ستارگان نیز عناصر فرااورانیمی تولید کنند. با این حال، به دلیل نیمه‌عمر بسیار کوتاه ایزوتوپ‌ها، تنها محصولات واپاشی سبک‌تر به اندازه‌ای دوام می‌آورند که قابل شناسایی باشند.
- شیمی
- علم
