کیمیاگران امروزی برای کشف عنصری جدید رقابت می‌کنند

زوميت/ دانشمندان اميدوار هستند بتوانند به کمک برخورددهنده‌هاي غول‌آسا، هشتمين سطر از جدول تناوبي را پر کنند و اتم‌هاي جديدي را کشف کنند که تاکنون ديده نشده‌اند. شايد تبديل فلزهاي اصلي مانند سرب به فلز طلا براي کيمياگران قرون وسطا، تلاشي بيهوده بود اما به آن‌ها در درک اوليه‌ي جايگاه انسان در جهان کمک بسياري کرد. بسياري از جادوها و افسانه‌هاي آميخته درباره‌ي کيمياگري، به‌دنبال اهدافي مثل پرده‌برداري از راز طول عمر انسان بودند. در نگاه اول، چنين تلاشي در دنياي امروزي عجيب به‌نظر مي‌رسد؛ اما فيزيک‌دان‌هاي کنوني هم به شيوه‌ي خود مجذوب کيمياگري شده‌اند با اين تفاوت که هدف آن‌ها، تبديل عناصر به يکديگر است. آن‌ها کاري را انجام مي‌دهند که براي کيمياگران باستان ممکن نبود: ساخت اتم‌هاي جديد که به حوزه‌ي شناخته‌شده‌ها نفوذ مي‌کنند و نکات زيادي را درباره‌ي رفتار ماده در جهان ارائه مي‌دهند. کوسوکه موريتا، فيزيکدان هسته‌اي دانشگاه کيوشوي ژاپن يکي از کيمياگران مدرن است. او سرپرست اولين تيم آسيايي بود که موفق به ساخت عنصر فوق سنگين ۱۱۳ در جدول تناوبي شد. اين بار دانشمندان به‌جاي تلاش براي تبديل فلزي بي‌ارزش به فلز ارزشمند با اشيايي افسانه‌اي مثل سنگ جادو فيلسوف، رويکرد ديگري دارند. هدف آن‌ها رسيدن به اتم‌هاي جديد از طريق برخورد اتم‌ها است. تاکنون ۱۱۸ عنصر در جدول تناوبي شناخته‌ شده‌اند. رقابت بر سر يافتن عنصر ۱۱۹ بالا گرفته است. در طبيعت روي زمين عنصري با بيش از ۹۲ پروتون در هسته‌ي اتم وجود ندارد. در جدول تناوبي عناصر، عدد اتمي برابر با تعداد پروتون‌ها است. با اين حال مي‌توان در محيط آزمايشگاه و از طريق ترکيب اتم‌ها، به اتم‌هاي بزرگ‌تري دست يافت. تلاش بيهوده‌ي کيمياگران قرون وسطا براي تبديل عناصري مثل سرب، امروزه در کيمياگري مدرن، شکل جديدي به خود گرفته است در عمل، ترکيب عناصر سنگين با عدد اتمي بالاتر از عنصر ۱۱۳، کار دشواري است. وقتي دو اتم با يکديگر برخورد مي‌کنند، پروتون‌هاي باردار مثبت در هسته‌ي اتم‌ها، نيروي دافعه‌ي الکترواستاتيک را ايجاد مي‌کنند. دانشمندان براي پيشگيري از جدا شدن اتم‌ها بايد آن‌ها را با سرعت‌هاي بالايي برخورد دهند. معمولا در اين فرايند از يک عنصر به‌عنوان هدف استفاده مي‌شود و با پرتوي شديد يون‌هاي عنصر دوم که با سرعت هزاران کيلومتر بر ثانيه حرکت مي‌کنند، بمباران مي‌شود. بزرگ‌ترين مشکل در ترکيب عناصر فوق سنگين، کوچک بودن هسته‌ي اتم است که عرض آن تنها به يک تريليونيوم سانتي‌متر مي‌رسد. در صورت برخورد دو هسته‌ي اتم، شانس ترکيب آن‌ها تنها يک در ۱۰۰ تريليون است. حتي با فرض برخورد مستقيم و ترکيب دو هسته‌ي اتمي با يکديگر، ثابت ماندن اين وضعيت در مدت زماني‌که براي کشف آن کافي باشد، چالشي ديگر است. ايزوتوپ‌هاي ۱۱۳ (انواع اتم‌هايي که به دليل تعداد نوترون‌هاي موجود هسته‌ي اتمي، وزن اتمي متفاوتي دارند) در مرکز نيشتاي RIKEN در ژاپن، تنها يک هزارم ثانيه دوام آوردند. بااين‌حال، موريتا مرد علم است و اين سختي‌ها او را نااميد نکردند؛ زيرا با وجود چند پژوهش منطبق دراين‌زمينه همچنان اميدوار بود به نتيجه‌ي خوبي برسد. کوسوکه موريتا در حين تلاش براي اثبات نيوهونيوم، اهميتي به اندک پژوهش‌هاي مرتبط نمي‌داد از طرفي پروژه‌ي موريتا و همکاران او، فاصله‌ي زيادي با ماورا‌ء‌الطبيعه و جادو داشتند. موريتا مي‌گويد: «عنصر ۱۱۳ زماني ترکيب شد که سرعت پرتوي هسته‌ي عنصر روي را بالا برديم و آن را با ده درصد سرعت نور، به عنصر هدف بيسموت زديم.» عنصر ۱۱۳ در بازه‌اي ۹ ساله و پس از چهار تريليون برخورد، سه مرتبه ساخته شد؛ اما همين سه مرتبه براي شناخت و کشف اين عنصر کافي بود. با وجود خاموشي موقتي ژاپن در زلزله‌ي بزرگ توهوکو در سال ۲۰۱۱، تيم موريتا در تاريخ ۱۲ اوت ۲۰۱۲ به مشاهده‌ي مهمي دست يافت که شبهات قبلي درباره‌ي وجود عنصر ۱۱۳ را رد مي‌کرد. کيتلين کوک، فيزيک دان هسته‌اي دانشگاه ايالتي ميشيگان مي‌گويد: تنها با مشاهده‌ي واپاشي عنصر مي‌توانيم از کشف آن خبر دهيم. تمام اين عناصر راديواکتيو هستند و ذرات آلفا منتشر مي‌کنند. انرژي واپاشي آلفا حکم اثر انگشت هسته‌اي مشخص را دارد که با آشکارساز، قابل اندازه‌گيري است. در فرايند ساخت عنصر جديد، واپاشي جديدي را شاهد خواهيم بود. اين واپاشي هسته‌هايي را توليد مي‌کند که زنجيره‌ي واپاشي آن‌ها قبلا شناخته شده‌اند. گروه موريتا پس از کشف عنصر، حق نام‌گذاري آن را هم داشتند. پس از مشورت، بالاخره اسم نيهونيوم با نماد Nh براي اين عنصر انتخاب شد. به مناسبت اين کشف جديد، خياباني در شهر واکو براساس عنصر جديد نام‌گذاري شد. موريتا پس از کشف عنصر ۱۱۳ در خبرنامه‌ي RIKEN گفت: از ديدگاه شيمي، اين کشف اهميت زيادي دارد زيرا يکي از جاهاي خالي را در جدول تناوبي پر مي‌کنيم و ممکن است تنها ۱۷۳ فضاي خالي ديگر در اين جدول وجود داشته باشد. طبق محاسبات دانشمندان، قبل از واپاشي هسته‌ي اتم امکان توليد حداکثر ۱۷۲ الي ۱۷۳ عنصر وجود دارد. اگرچه به اعتقاد برخي، جدول تناوبي بيش از اين هم قابل گسترش است. گروه‌هاي پژوهشي اميدوار هستند بتوانند براي اولين‌بار عنصر ۱۱۹ را بسازند و جدول تناوبي را گسترش دهند موريتا مي‌گويد: تاکنون کمتر از ۱۲۰ عنصر کشف شده‌اند. کشف عناصر، اهميت نمادين دارند. تمام عناصر گذشته در غرب کشف شده‌اند و حالا عنصري داريم که در آسيا کشف شده است. موريتا و تيم او بر سر کشف عنصر جديد ديگري به رقابت مي‌پردازند که آغازگر سطر هشتم جدول تناوبي خواهد بود. عنصر ۱۱۹، موقتا اونونيوم نام‌گذاري شده است و هنوز عنصري فرضي است که احتمالا هفتمين فلز قليايي با خواصي مشابه ديگر عناصر فرار اين گروه مثل ليتيم، سديم، پتاسيم و سزيم خواهد بود. ترکيب عنصر و کشف آن کار ساده‌اي نيست. به‌گفته‌ي جيمز روبرتو، رئيس آزمايشگاه علم و فناوري در آزمايشگاه ملي اوک ريج تنسي: «براي دستيابي به عنصر ۱۱۹ و برخورد پرتوهاي واناديوم به هدف کوريوم، ماه‌ها زمان لازم است.» حتي پس از اين تلاش‌ها ممکن است، عنصر توليدي ۱۱۹ بسيار کوچک و داراي عمري بسيار کوتاه باشد. يکي از چالش‌هاي ديگر، تضمين دوام کوريم در طول بمباران است. تيم ژاپني با رقابت شديد از سوي ديگر گروه‌هاي اطراف دنيا از جمله تيم مؤسسه‌ي مشترک پژوهش‌هاي هسته‌اي در دوبناي روسيه روبه رو است. سرپرست اين تيم، فيزيکداني به‌نام يوري اوگانسيان است و عنصر اوگانسن (سنگين‌ترين عنصر جدول تناوبي) با الهام از او نام‌گذاري شده است. او براي اولين‌بار در ترکيب عنصر اوگانسن در سال ۲۰۰۲ نقش داشت. تيم روسي مسير دشواري را طي کرده است و تاکنون موفق به کشف چهار عنصر سنگين ۱۱۴ تا ۱۱۸ در جدول تناوبي شده است. هر دو تيم مذکور از واکنش همجوشي داغ براي يافتن عنصر ۱۱۹ استفاده مي‌کنند، تيم اوگانسن از همين روش براي کشف عناصر ۱۱۴ تا ۱۱۸ استفاده کردند. در اين روش از دماهاي بالا براي همجوشي هسته‌ها استفاده مي‌شود. روس‌ها مي‌خواهند از پرتوي تيتانيوم براي بمباران هدف برکليوم استفاده کنند درحالي‌که تيم ژاپني قصد دارد از واناديم براي بمباران کوريم استفاده کند. پرتودهي به هدف کوريوم با پرتوي واناديوم و توليد عنصر ۱۱۹، به ماه‌ها زمان نياز دارد، نام عنصر کوريم، برگرفته از نام ماري کوري و همسر او است. هيروميتسو هابا، يکي از رهبران تيم گروه پژوهشي موريتا در RIKEN مي‌گويد: احتمال واکنش تيتانيوم، برکليوم بيشتر از واکنش واناديوم، کوريم است بااين‌حال برکليوم هدف بسيار کميابي است و دسترسي پيوسته به اين ماده براي ما دشوار است زيرا نيمه عمر ايزوتوپ برکليوم کمتر از يک سال است. ازآنجاکه آزمايش ما چند سال به طول مي‌انجامد، هدفي مثل کوريم را ترجيح مي‌دهيم که عمر طولاني‌تري دارد. صرف‌نظر از اينکه گروه‌ها از چه عناصري به‌عنوان هدف استفاده کنند، هر دو عنصر هدف از رآکتور هسته‌اي آزمايشگاه ملي اوک ريج به دست مي‌آيند. تيم موريتا براي دستيابي به عنصر ۱۱۹، از دو نوع شتاب‌دهنده‌ي ذرات استفاده خواهد کرد. کار با پرتوي سيکلوترون آغاز مي‌شود که ذرات را دور يک حلقه‌ي بسته پرتاب مي‌کند، سپس شتاب‌دهنده‌ي خطي فعال مي‌شود. هيدتو اينيو، رئيس مرکز علوم شتاب‌دهنده‌ي نيشيناي RIKEN، مي‌گويد: سيکلوترون حلقه‌اي بسيار تطبيق‌پذير است و بسياري از کاربران ديگر مؤسسه به‌دنبال استفاده از آن هستند. با استفاده از شتاب‌دهنده‌ي خطي جديد به نتايج خوبي خواهيم رسيد؛ و مهم‌تر از هرچيز مي‌توانيم دو جستجوي موازي را با استفاده از دو شتاب‌دهنده‌ اجرا کنيم.» تيم پژوهشي ژاپني آزمايش پرتوي اول را در ماه فوريه انجام خواهند داد. آن‌ها مي‌گويند: «آزمايش دوم در سال مالي ۲۰۱۹ ژاپن اجرا خواهد شد.» دانشمندان روسي تاکنون چهار عنصر سنگين در جدول تناوبي را کشف کرده‌اند در صورت موفقيت پژوهشگران، عصر جديدي در علوم اتمي آغاز خواهد شد. فيزيک‌دان‌ها معتقدند سطر هشتم جدول تناوبي جايي براي جستجوي جزيره‌ي ثبات خواهد بود. سطر هشتم منبع ايزوتوپ‌ عناصر فوق سنگين با عددهاي جادويي خواهد بود که به‌شدت پايدار هستند و نيمه عمر آن‌ها مي‌تواند به صدها سال برسد. درنتيجه باتوجه به خصوصيت‌ّهاي اين عناصر، زمينه‌ي کاربردهاي جديد آن‌ها فراهم خواهد شد. کاربردهاي بالقوه‌ي کشف عناصر جديد در نگاه اول واضح نيست؛ اما آن‌ها در آينده به‌شدت سودمند خواهند بود. براي مثال مي‌توان به کشف عنصر گادولينيوم در ۱۸۸۰ و تکتونيوم در ۱۹۳۷ اشاره کرد. اين دو عنصر، فلزهايي هستند که در اسکن‌هاي پزشکي از جمله تصويربرداري رزونانس مغناطيسي (MRI) و تومورگرافي (CT) کاربرد دارند و به تصويربرداري از بافت‌ها کمک مي‌کنند. در صورتي که عناصر جديد موريتا و همکاران او، در آينده سودمند واقع شوند مي‌توانند هدف کيمياگران قديمي را محقق کنند با اين تفاوت که ارزش آن‌ها از طلا هم بيشتر خواهد بود. ما را در کانال «آخرين خبر» دنبال کنيد