1
0
162
اعداد جادویی در فیزیک هسته‌ای چه هستند و چرا بسیار قدرتمندند؟
زوميت
بروزرسانی
زومیت/ چرا بعضی هسته‌ها تقریباً جاودانه‌اند و بعضی در یک لحظه از بین می‌روند؟ راز این پایداری در «اعداد جادویی» پروتون‌ها و نوترون‌ها نهفته است.
چرا بعضی عناصر تنها چند دقیقه یا چند ساعت دوام می‌آورند، در حالی که برخی دیگر میلیاردها سال پایدار باقی می‌مانند؟ پاسخ این پرسش در چیزی نهفته است که فیزیکدان‌ها آن را «اعداد جادویی» می‌نامند.
برخی اتم‌ها بسیار پایدار هستند و به‌راحتی از هم نمی‌پاشند، در حالی که برخی دیگر خیلی سریع دچار واپاشی می‌شوند. برای مثال، ایزوتوپ سرب-۲۰۸ تقریباً جاودانه است، اما ایزوتوپ مصنوعی تکنسیم-۹۹ تنها چند ساعت عمر دارد. دلیل این تفاوت در ساختار هسته اتم‌هاست؛ جایی که وجود تعداد خاصی از ذرات هسته‌ای می‌تواند بعضی ایزوتوپ‌ها را در برابر واپاشی رادیواکتیو بسیار مقاوم کند.
پایداری هسته‌های اتم به شدت متفاوت است. بعضی هسته‌ها مانند سرب-۲۰۸ یا کلسیم-۴۰ از زمان شکل‌گیری زمین وجود داشته‌اند و هنوز هم هستند. این‌ها به «ایزوتوپ‌های اولیه» معروف‌اند و احتمالاً تا پایان عمر جهان باقی خواهند ماند. در مقابل، هسته‌هایی مثل اوگانسون-۲۹۴ یا تنسین-۲۹۴ در کسری از ثانیه از بین می‌روند و نیمه‌عمر آن‌ها کمتر از یک هزارم ثانیه است.
شاید تصور کنید پایداری هسته فقط به جرم اتم بستگی دارد و عناصر سنگین‌تر ناپایدارترند. اما این توضیح کامل نیست. آن‌طور که لایوساینس می‌نویسد، در دهه‌های ۱۹۴۰ و ۱۹۵۰ دانشمندان متوجه شدند حتی عناصر سبک‌تر نیز ایزوتوپ‌های رادیواکتیو دارند. برای نمونه، کربن-۱۴ و پتاسیم-۴۰ هر دو به آرامی دچار واپاشی می‌شوند و بخشی از پرتوهای طبیعی اطراف ما را به وجود می‌آورند. نکته جالب اینجا بود که پژوهشگران متوجه شدند تعداد خاصی از پروتون‌ها یا نوترون‌ها در هسته موجب پایداری غیرعادی آن می‌شود. این مقادیر ویژه بعدها «اعداد جادویی» نام گرفتند.
اعداد جادویی عبارت‌اند از: ۲، ۸، ۲۰، ۲۸، ۵۰، ۸۲ و ۱۲۶. دیوید جنکینز، فیزیکدان هسته‌ای از دانشگاه یورک در انگلستان می‌گوید: «اگر به اولین عدد جادویی نگاه کنیم، یعنی دو پروتون و دو نوترون، به هسته هلیوم می‌رسیم. می‌دانیم این ترکیب یکی از پایدارترین حالت‌ها در طبیعت است.»
تصویری مفهومی از اتم رادیواکتیو که ذراتی را از دست می‌دهد. در طبیعت، بعضی اتم‌ها به طور ذاتی پایدارتر از بقیه‌اند و دلیلش وجود برخی اعداد جادویی در ذرات هسته‌ای است.
یکی از شگفتی‌های مربوط به اعداد جادویی پدیده‌ای به نام واپاشی آلفا است. در این فرآیند، هسته‌های سنگین و ناپایدار به جای آنکه یک پروتون یا یک نوترون را جدا کنند، کل یک هسته هلیوم (۲ پروتون + ۲ نوترون) را بیرون می‌دهند. دلیل این اتفاق، پایداری فوق‌العاده هسته هلیوم است که خودش نمونه‌ای از عدد جادویی محسوب می‌شود.
نمونه‌های دیگر از هسته‌های جادویی شامل اکسیژن-۱۶ (۸ پروتون و ۸ نوترون)، کلسیم-۴۰ (۲۰ پروتون و ۲۰ نوترون) و سرب-۲۰۸ (۸۲ پروتون و ۱۲۶ نوترون) هستند. سرب-۲۰۸ سنگین‌ترین هسته پایدار شناخته‌شده است.
برای توضیح این رفتار عجیب، فیزیکدان‌ها مدل تازه‌ای به نام مدل پوسته‌ای هسته پیشنهاد دادند. این مدل شباهت زیادی به مدل پوسته‌ای در شیمی دارد که در آن الکترون‌ها در لایه‌های مشخصی قرار می‌گیرند. درست همان‌طور که پر شدن کامل یک لایه الکترونی موجب پایداری اتم می‌شود، پر شدن کامل پوسته‌های هسته‌ای هم باعث پایداری هسته اتم است. این لایه‌ها یا پوسته‌های هسته‌ای دارای انرژی‌های مشخص و کوانتومی هستند و وقتی پر می‌شوند، هسته به وضعیت متقارن و پایدار می‌رسد. دلیل اصلی این پایداری هم به نیروی هسته‌ای قوی مربوط می‌شود که پروتون‌ها و نوترون‌ها را کنار هم نگه می‌دارد.
اعداد جادویی شامل ۲، ۸، ۲۰، ۲۸، ۵۰، ۸۲ و ۱۲۶ هستند و تعداد خاصی از پروتون‌ها یا نوترون‌ها باعث پایداری غیرعادی هسته می‌شوند
اعداد جادویی در واقع همان تعداد ذراتی هستند که برای پر شدن کامل هر لایه هسته‌ای نیاز است. بعضی ایزوتوپ‌ها تنها ازنظر پروتون‌ها یا نوترون‌ها جادویی هستند که به آن‌ها «تک‌جادویی» می‌گویند، مانند آهن-۵۶. اما بعضی دیگر هم از نظر پروتون‌ها و هم از نظر نوترون‌ها جادویی‌اند. به این‌ها «جادویی مضاعف» گفته می‌شود، مانند اکسیژن-۱۶ و سرب-۲۰۸. جادویی‌های مضاعف کمیاب‌اند، اما ویژگی‌های بسیار شگفت‌انگیزی دارند. جنکینز می‌گوید: «سیستم‌های جادویی مضاعف شکل کروی کامل دارند. یعنی توزیع بار و جرم در آن‌ها کاملاً متقارن است. بیشتر هسته‌ها اما کمی تغییر شکل دارند و می‌توانند بچرخند. ساختار آن‌ها بسیار متفاوت است.»
با وجود این، هنوز نمی‌دانیم این مدل تا کجا جواب می‌دهد. برای نمونه، قلع-۱۰۰ (۵۰ پروتون + ۵۰ نوترون) که جادویی مضاعف به حساب می‌آید، نیمه‌عمر ۱٫۲ ثانیه دارد! یا عنصر فرضی بعد از سرب که باید عدد جادویی ۱۲۶ را داشته باشد، تاکنون ساخته نشده است. بنابراین هنوز مشخص نیست آیا این پایداری جادویی می‌تواند به ساخت ردیف جدیدی در جدول تناوبی کمک کند یا خیر.
خلاصه اینکه اعداد جادویی مقادیری خاص از پروتون‌ها یا نوترون‌ها هستند که وقتی در هسته وجود داشته باشند، اتم به شکل غیرعادی پایدار می‌شود. این پایداری به پر شدن کامل پوسته‌های هسته‌ای و اثر نیروی هسته‌ای قوی برمی‌گردد. اما در عناصر سنگین‌تر، حتی این ویژگی هم همیشه کافی نیست و پژوهشگران همچنان به دنبال کشف رازهای بیشتر در مورد این اعداد هستند.
اخبار بیشتر درباره
اخبار مرتبط
0
0
216
0
0
331
0
0
251
1
0
384
0
0
172
اخبار بیشتر درباره
پس از این بخوانید
پاسخ علمی به بحثی دیرینه: بدن ما احتمالاً با ساعت استاندارد دائمی سازگارتر است
بزرگترین گوشتخوارسان جهان: این غول ۳۶۰۰ کیلویی از خودرو شما سنگین‌تر است
زندگی پرماجرای اینشتین: از پرونده ۱۴۰۰ صفحهای در FBI تا فرزندی که هرگز او را ندید
اعداد جادویی در فیزیک هسته‌ای چه هستند و چرا بسیار قدرتمندند؟
ما انسانها انگشتان خود را مدیون ژنی هستیم که ابتدا در ماهیها ظاهر شد
کشف شبهقمر جدید زمین؛ سیارکی که ۶۰ سال است سیاره ما را تعقیب میکند
کامپیوتر چوبی اپل با قیمت سرسامآور حراج شد
شناسایی ۴۱ رانش جدید در ماه
هواپیماها از ترمز دیسکی استفاده میکنند یا ترمز کاسهای؟
