کیمیاگران امروزی برای کشف عنصری جدید رقابت می‌کنند

شاید تبدیل فلزهای اصلی مانند سرب به فلز طلا برای کیمیاگران قرون وسطا، تلاشی بیهوده بود اما به آن‌ها در درک اولیه‌ی جایگاه انسان در جهان کمک بسیاری کرد. بسیاری از جادوها و افسانه‌های آمیخته درباره‌ی کیمیاگری، به‌دنبال اهدافی مثل پرده‌برداری از راز طول عمر انسان بودند. در نگاه اول، چنین تلاشی در دنیای امروزی عجیب به‌نظر می‌رسد؛ اما فیزیک‌دان‌های کنونی هم به شیوه‌ی خود مجذوب کیمیاگری شده‌اند با این تفاوت که هدف آن‌ها، تبدیل عناصر به یکدیگر است. آن‌ها کاری را انجام می‌دهند که برای کیمیاگران باستان ممکن نبود: ساخت اتم‌های جدید که به حوزه‌ی شناخته‌شده‌ها نفوذ می‌کنند و نکات زیادی را درباره‌ی رفتار ماده در جهان ارائه می‌دهند. کوسوکه موریتا، فیزیکدان هسته‌ای دانشگاه کیوشوی ژاپن یکی از کیمیاگران مدرن است. او سرپرست اولین تیم آسیایی بود که موفق به ساخت عنصر فوق سنگین ۱۱۳ در جدول تناوبی شد.

این بار دانشمندان به‌جای تلاش برای تبدیل فلزی بی‌ارزش به فلز ارزشمند با اشیایی افسانه‌ای مثل سنگ جادو فیلسوف، رویکرد دیگری دارند. هدف آن‌ها رسیدن به اتم‌های جدید از طریق برخورد اتم‌ها است. تاکنون ۱۱۸ عنصر در جدول تناوبی شناخته‌ شده‌اند. رقابت بر سر یافتن عنصر ۱۱۹ بالا گرفته است. در طبیعت روی زمین عنصری با بیش از ۹۲ پروتون در هسته‌ی اتم وجود ندارد. در جدول تناوبی عناصر، عدد اتمی برابر با تعداد پروتون‌ها است. با این حال می‌توان در محیط آزمایشگاه و از طریق ترکیب اتم‌ها، به اتم‌های بزرگ‌تری دست یافت.

تلاش بیهوده‌ی کیمیاگران قرون وسطا برای تبدیل عناصری مثل سرب، امروزه در کیمیاگری مدرن، شکل جدیدی به خود گرفته است

بزرگ‌ترین مشکل در ترکیب عناصر فوق سنگین، کوچک بودن هسته‌ی اتم است که عرض آن تنها به یک تریلیونیوم سانتی‌متر می‌رسد. در صورت برخورد دو هسته‌ی اتم، شانس ترکیب آن‌ها تنها یک در ۱۰۰ تریلیون است. حتی با فرض برخورد مستقیم و ترکیب دو هسته‌ی اتمی با یکدیگر، ثابت ماندن این وضعیت در مدت زمانی‌که برای کشف آن کافی باشد، چالشی دیگر است. ایزوتوپ‌های ۱۱۳ (انواع اتم‌هایی که به دلیل تعداد نوترون‌های موجود هسته‌ی اتمی، وزن اتمی متفاوتی دارند) در مرکز نیشتای RIKEN در ژاپن، تنها یک هزارم ثانیه دوام آوردند. بااین‌حال، موریتا مرد علم است و این سختی‌ها او را ناامید نکردند؛ زیرا با وجود چند پژوهش منطبق دراین‌زمینه همچنان امیدوار بود به نتیجه‌ی خوبی برسد.

کوسوکه موریتا در حین تلاش برای اثبات نیوهونیوم، اهمیتی به اندک پژوهش‌های مرتبط نمی‌داد

از طرفی پروژه‌ی موریتا و همکاران او، فاصله‌ی زیادی با ماورا‌ء‌الطبیعه و جادو داشتند. موریتا می‌گوید: «عنصر ۱۱۳ زمانی ترکیب شد که سرعت پرتوی هسته‌ی عنصر روی را بالا بردیم و آن را با ده درصد سرعت نور، به عنصر هدف بیسموت زدیم.» عنصر ۱۱۳ در بازه‌ای ۹ ساله و پس از چهار تریلیون برخورد، سه مرتبه ساخته شد؛ اما همین سه مرتبه برای شناخت و کشف این عنصر کافی بود.

با وجود خاموشی موقتی ژاپن در زلزله‌ی بزرگ توهوکو در سال ۲۰۱۱، تیم موریتا در تاریخ ۱۲ اوت ۲۰۱۲ به مشاهده‌ی مهمی دست یافت که شبهات قبلی درباره‌ی وجود عنصر ۱۱۳ را رد می‌کرد. کیتلین کوک، فیزیک دان هسته‌ای دانشگاه ایالتی میشیگان می‌گوید:

تنها با مشاهده‌ی واپاشی عنصر می‌توانیم از کشف آن خبر دهیم. تمام این عناصر رادیواکتیو هستند و ذرات آلفا منتشر می‌کنند. انرژی واپاشی آلفا حکم اثر انگشت هسته‌ای مشخص را دارد که با آشکارساز، قابل اندازه‌گیری است. در فرایند ساخت عنصر جدید، واپاشی جدیدی را شاهد خواهیم بود. این واپاشی هسته‌هایی را تولید می‌کند که زنجیره‌ی واپاشی آن‌ها قبلا شناخته شده‌اند.

گروه موریتا پس از کشف عنصر، حق نام‌گذاری آن را هم داشتند. پس از مشورت، بالاخره اسم نیهونیوم با نماد Nh برای این عنصر انتخاب شد. به مناسبت این کشف جدید، خیابانی در شهر واکو براساس عنصر جدید نام‌گذاری شد. موریتا پس از کشف عنصر ۱۱۳  در خبرنامه‌ی RIKEN گفت:

از دیدگاه شیمی، این کشف اهمیت زیادی دارد زیرا یکی از جاهای خالی را در جدول تناوبی پر می‌کنیم و ممکن است تنها ۱۷۳ فضای خالی دیگر در این جدول وجود داشته باشد.

طبق محاسبات دانشمندان، قبل از واپاشی هسته‌ی اتم امکان تولید حداکثر ۱۷۲ الی ۱۷۳ عنصر وجود دارد. اگرچه به اعتقاد برخی، جدول تناوبی بیش از این هم قابل گسترش است.

گروه‌های پژوهشی امیدوار هستند بتوانند برای اولین‌بار عنصر ۱۱۹ را بسازند و جدول تناوبی را گسترش دهند

موریتا می‌گوید:

تاکنون کمتر از ۱۲۰ عنصر کشف شده‌اند. کشف عناصر، اهمیت نمادین دارند. تمام عناصر گذشته در غرب کشف شده‌اند و حالا عنصری داریم که در آسیا کشف شده است.

موریتا و تیم او بر سر کشف عنصر جدید دیگری به رقابت می‌پردازند که آغازگر سطر هشتم جدول تناوبی خواهد بود. عنصر ۱۱۹، موقتا اونونیوم نام‌گذاری شده است و هنوز عنصری فرضی است که احتمالا هفتمین فلز قلیایی با خواصی مشابه دیگر عناصر فرار این گروه مثل لیتیم، سدیم، پتاسیم و سزیم خواهد بود.

ترکیب عنصر و کشف آن کار ساده‌ای نیست. به‌گفته‌ی جیمز روبرتو، رئیس آزمایشگاه علم و فناوری در آزمایشگاه ملی اوک ریج تنسی: «برای دستیابی به عنصر ۱۱۹ و برخورد پرتوهای وانادیوم به هدف کوریوم، ماه‌ها زمان لازم است.» حتی پس از این تلاش‌ها ممکن است، عنصر تولیدی ۱۱۹ بسیار کوچک و دارای عمری بسیار کوتاه باشد. یکی از چالش‌های دیگر، تضمین دوام کوریم در طول بمباران است.

هر دو تیم مذکور از واکنش همجوشی داغ برای یافتن عنصر ۱۱۹ استفاده می‌کنند، تیم اوگانسن از همین روش برای کشف عناصر ۱۱۴ تا ۱۱۸ استفاده کردند. در این روش از دماهای بالا برای همجوشی هسته‌ها استفاده می‌شود. روس‌ها می‌خواهند از پرتوی تیتانیوم برای بمباران هدف برکلیوم استفاده کنند درحالی‌که تیم ژاپنی قصد دارد از وانادیم برای بمباران کوریم استفاده کند.

پرتودهی به هدف کوریوم با پرتوی وانادیوم و تولید عنصر ۱۱۹، به ماه‌ها زمان نیاز دارد، نام عنصر کوریم، برگرفته از نام ماری کوری و همسر او است.

هیرومیتسو هابا، یکی از رهبران تیم گروه پژوهشی موریتا در RIKEN می‌گوید:

احتمال واکنش تیتانیوم، برکلیوم بیشتر از واکنش وانادیوم، کوریم است بااین‌حال برکلیوم هدف بسیار کمیابی است و دسترسی پیوسته به این ماده برای ما دشوار است زیرا نیمه عمر ایزوتوپ برکلیوم کمتر از یک سال است. ازآنجاکه آزمایش ما چند سال به طول می‌انجامد، هدفی مثل کوریم را ترجیح می‌دهیم که عمر طولانی‌تری دارد.

سیکلوترون حلقه‌ای بسیار تطبیق‌پذیر است و بسیاری از کاربران دیگر مؤسسه به‌دنبال استفاده از آن هستند. با استفاده از شتاب‌دهنده‌ی خطی جدید به نتایج خوبی خواهیم رسید؛ و مهم‌تر از هرچیز می‌توانیم دو جستجوی موازی را با استفاده از دو شتاب‌دهنده‌ اجرا کنیم.»

تیم پژوهشی ژاپنی آزمایش پرتوی اول را در ماه فوریه انجام خواهند داد. آن‌ها می‌گویند: «آزمایش دوم در سال مالی ۲۰۱۹ ژاپن اجرا خواهد شد.»

دانشمندان روسی تاکنون چهار عنصر سنگین در جدول تناوبی را کشف کرده‌اند

در صورت موفقیت پژوهشگران، عصر جدیدی در علوم اتمی آغاز خواهد شد. فیزیک‌دان‌ها معتقدند سطر هشتم جدول تناوبی جایی برای جستجوی جزیره‌ی ثبات خواهد بود. سطر هشتم منبع ایزوتوپ‌ عناصر فوق سنگین با عددهای جادویی خواهد بود که به‌شدت پایدار هستند و نیمه عمر آن‌ها می‌تواند به صدها سال برسد. درنتیجه باتوجه به خصوصیت‌ّهای این عناصر، زمینه‌ی کاربردهای جدید آن‌ها فراهم خواهد شد.

کاربردهای بالقوه‌ی کشف عناصر جدید در نگاه اول واضح نیست؛ اما آن‌ها در آینده به‌شدت سودمند خواهند بود. برای مثال می‌توان به کشف عنصر گادولینیوم در ۱۸۸۰ و تکتونیوم در ۱۹۳۷ اشاره کرد. این دو عنصر، فلزهایی هستند که در اسکن‌های پزشکی از جمله تصویربرداری رزونانس مغناطیسی (MRI) و تومورگرافی (CT) کاربرد دارند و به تصویربرداری از بافت‌ها کمک می‌کنند. در صورتی که عناصر جدید موریتا و همکاران او، در آینده سودمند واقع شوند می‌توانند هدف کیمیاگران قدیمی را محقق کنند با این تفاوت که ارزش آن‌ها از طلا هم بیشتر خواهد بود.