کشف شکل جدیدی از اکسیژن، درک ما از قوانین فیزیک را به چالش می‌کشد

ایزوتوپی از اکسیژن که به‌تازگی مشاهده شده است، تمام انتظارات ما درمورد نحوه‌ی رفتار این عنصر را به چالش می‌کشد. این ایزوتوپ، اکسیژن-۲۸ است و بیشترین تعداد نوترون مشاهده‌شده در هسته‌ی یک اتم اکسیژن را درخود جا می‌دهد. با وجود انتظار دانشمندان درخصوص پایداربودن اکسیژن-۲۸، این ایزوتوپ به‌سرعت وامی‌پاشد و تمام دانسته‌های ما را درمورد اعداد جادویی موجود در هسته‌ی اتم، زیر سؤال می‌برد.

هسته‌ی اتم حاوی ذرات زیراتمی به‌نام «نوکلئون» است که از پروتون و نوترون تشکیل شده‌اند. عدد اتمی یک عنصر، با تعداد پروتون‌هایی که دارد تعریف می‌شود؛ اما تعداد نوترون‌ها می‌تواند متفاوت باشد. عناصر دارای تعداد متفاوت نوترون به‌عنوان ایزوتوپ شناخته می‌شوند. اکسیژن دارای ۸ پروتون است؛ ولی ممکن است تعداد نوترون‌های متفاوتی داشته باشد.

پیش‌ازاین بیشترین تعداد نوترون مشاهده‌شده ۱۸ بود و در ایزوتوپ اکسیژن-۲۶ وجود داشت (۸ پروتون به‌اضافه‌ی ۱۸ نوترون، برابر با ۲۶ نوکلئون است). اکنون تیمی به رهبری یوسوکه کوندو، فیزیکدان هسته‌ای از موسسه‌ی فناوری توکیو در ژاپن، موفق به کشف دو ایزوتوپ جدید از اکسیژن شده‌اند که قبلا هرگز آن‌ها را ندیده بودیم: اکسیژن-۲۷ و اکسیژن-۲۸ که به‌ترتیب ۱۹ و ۲۰ نوترون دارند.

به‌گزارش ساینس‌آلرت، پژوهش اخیر محققان در کارخانه‌ی پرتو ایزوتوپ رادیواکتیو انجام شد. این مرکز شتاب‌دهنده‌ی حلقوی، برای تولید ایزوتوپ‌‌های ناپایدار طراحی شده است. تیم تحقیقاتی ابتدا پرتویی از ایزوتوپ‌های کلسیم-۴۸ را به‌سمت هدف بریلیومی پرتاب کرد تا اتم‌های سبک‌تری مانند فلوئور-۲۹ (ایزوتوپی از فلوئور با ۹ پروتون و ۲۰ نوترون) تولید کند. در مرحله‌ی بعد، فلوئور-۲۹ پس از جداشدن، با هدفی از جنس هیدروژن مایع برخورد کرد تا یک پروتون را ازبین ببرد و اکسیژن-۲۸ ایجاد کند.

تلاش محققان درعین موفقیت‌آمیزبودن، غافلگیرکننده بود. اکسیژن-۲۷ و اکسیژن-۲۸ هردو ناپایدار هستند و پیش از واپاشی به اکسیژن-۲۴ و سه یا چهار نوترون آزاد، فقط برای یک لحظه دوام می‌آورند. این همان جایی است که داستان اکسیژن-۲۸ جالب می‌شود.

هردو عدد ۸ و ۲۰، اعدادی جادویی برای پروتون‌ها و نوترون‌ها به‌شمار می‌روند و درواقع خاصیتی هستند که نشان می‌دهند اکسیژن-۲۸ باید پایدار باشد. تعداد کل هرکدام به این بستگی دارد که نوکلئون‌های اضافه‌شده چگونه روی پایداری سهمیه‌های پروتون و نوترون که پوسته‌ی هسته نام دارد، تاثیر می‌گذارند.

بیشتر اکسیژن روی زمین (ازجمله هوایی که تنفس می‌کنیم) شکل جادویی مضاعفی از اکسیژن یعنی اکسیژن-۱۶ است. برای مدت‌زمان طولانی انتظار می‌رفت که اکسیژن-۲۸، ایزوتوپ اکسیژن جادویی مضاعف بعد از اکسیژن-۱۶ باشد؛ اما تلاش‌های قبلی برای یافتن آن کافی نبود.

جالب اینجاست که شواهد مبنی بر اینکه اکسیژن-۲۴ ممکن است جادوی مضاعف باشد، در سال ۲۰۰۹ ظاهر شدند. این شواهد نشان می‌دادند که ممکن است ۱۶ هم عددی جادویی باشد. پژوهش کوندو و همکارانش می‌تواند توضیح‌ قانع‌کننده‌ای برای این موضوع ارائه دهد. یافته‌های آن‌ها درعین حال که نشان می‌دهد پوسته‌ی نوترونی پر نشده بود، این سوال را مطرح می‌کند که آیا ۲۰ هم می‌تواند عددی جادویی برای نوترون‌ها باشد یا خیر.

یافته‌های اخیر با پدیده‌ای تحت‌عنوان جزیره‌ی وارونگی برای ایزوتوپ‌های نئون، سدیم و منیزیم نیز سازگار به‌نظر می‌رسد؛ پدیده‌ای که در آن پوسته‌های ۲۰ نوترونی بسته نمی‌شوند. ظاهرا این موضوع به فلوئور-۲۹ و اکسیژن-۲۸ هم تعمیم‌پذیر است.

درک بیشتر پوسته‌ی نوترونی که به‌طرز عجیبی بسته نشده، مستلزم بررسی‌های بیشتر هسته توسط محققان در حالت برانگیخته و پرانرژی‌تر است. احتمالا روش‌های دیگری نیز برای تشکیل اکسیژن-۲۸ وجود داشته باشد؛ اگرچه بررسی این موضوع کار بسیار دشواری است. درحال‌حاضر یافته‌های جذاب تیم تحقیقاتی نشان می‌دهند که هسته‌های جادویی مضاعف می‌توانند بسیار پیچیده‌تر از چیزی باشند که پیش از این می‌دانستیم.

نتایج مطالعه در نشریه‌ی نیچر منتشر شده است.