اکسیژن جدید، قوانین فیزیک را به چالش می‌کشد

اکسیژن فوق‌سنگین جدید که توسط محققان به تازگی کشف شده است، تمام مفاهیم ما درباره اعداد جادویی هسته‌ی اتم‌های زیرساختی را به چالش می‌کشد.

این ایزوتوپ جدید از اکسیژن با نام اکسیژن-۲۸، حاوی بیشترین تعداد نوترون مشاهده‌شده در هسته‌ی یک اتم اکسیژن است. با این‌حال، این ایزوتوپ به سرعت ناپایدار می‌شود و تمام دانسته‌های ما درباره اعداد جادویی موجود در هسته‌ی اتم را مورد تردید قرار می‌دهد.

هسته‌ی یک اتم از ذرات زیراتمی به نام “نوکلئون” تشکیل شده است که از پروتون‌ها و نوترون‌ها تشکیل می‌شود. عدد اتمی یک عنصر توسط تعداد پروتون‌های آن تعریف می‌شود. با این حال، تعداد نوترون‌ها می‌تواند متغیر باشد و ایزوتوپ‌ها به عنوان نسخه‌های مختلف یک عنصر شناخته می‌شوند. اکسیژن دارای ۸ پروتون است، اما تعداد نوترون‌ها ممکن است متفاوت باشد.

تا قبل از این، بیشترین تعداد نوترون مشاهده‌شده برای اکسیژن در ایزوتوپ اکسیژن-۲۶ بود که شامل ۸ پروتون به علاوه ۱۸ نوترون بود که جمعاً ۲۶ نوکلئون داشت. اما حالا تیمی تحت رهبری یوسوکه کوندو، یک فیزیکدان هسته‌ای از موسسه‌ی فناوری توکیو در ژاپن، دو ایزوتوپ جدید از اکسیژن کشف کرده‌اند که قبلاً مشاهده نشده بودند: اکسیژن-۲۷ و اکسیژن-۲۸ که به‌ترتیب دارای ۱۹ و ۲۰ نوترون هستند.

تحقیقات اخیر محققان در کارخانه‌ی پرتو ایزوتوپ رادیواکتیو انجام شده است. این مرکز شتاب‌دهنده حلقوی، برای تولید ایزوتوپ‌های ناپایدار طراحی شده و تیم تحقیقاتی به رهبری یوسوکه کوندو، از موسسه‌ی فناوری توکیو در ژاپن، ابتدا پرتویی از ایزوتوپ‌های کلسیم-۴۸ را به سوی هدف بریلیومی پرتاب کرد تا اتم‌های سبک‌تری مانند فلوئور-۲۹ (که یک ایزوتوپ از فلوئور با ۹ پروتون و ۲۰ نوترون است) 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 را ایجاد کند.

تصویری از مراحل آزمایش محققان

تلاش محققان در این مسیر، علاوه بر موفقیت، به شدت غافلگیرکننده بود. ایزوتوپ‌های اکسیژن-۲۷ و اکسیژن-۲۸ هر دو ناپایدار هستند و در مدت زمان کوتاهی قبل از واپاشی به ایزوتوپ‌های سبک‌تری مانند اکسیژن-۲۴ و تولید سه یا چهار نوترون آزاد، تنها به مدت یک لحظه باقی می‌مانند. اما داستان ایزوتوپ اکسیژن-۲۸ در اینجا جالب می‌شود.

عدد ۸ برای پروتون‌ها و عدد ۲۰ برای نوترون‌ها، به عنوان اعداد جادویی شناخته می‌شوند و وجود این اعداد نشان می‌دهد که ایزوتوپ اکسیژن-۲۸ باید پایدار باشد. تعداد کل نوکلئون‌ها در هسته به واقعیتی چگونه تأثیر می‌گذارد که پوسته‌ی هسته‌ای نامیده می‌شود.

مفهوم عدد جادویی در فیزیک هسته‌ای به تعداد نوکلئون‌ها اشاره دارد که به طور کامل هسته‌ی اتم را پر کنند و باعث می‌شوند که هر پوسته‌ی جدید از پوسته‌ی قبلی با شکاف انرژی گسترده متمایز شود. هسته‌ی اتمی که پوسته‌های نوترون و پروتون دارای اعداد جادویی مربوط به خود را دارند، به عنوان هسته‌ی جادوی مضاعف شناخته می‌شود و انتظار می‌رود که دارای پایداری بالایی باشد.

بیشتر اکسیژن موجود در زمین (شامل هوایی که تنفس می‌کنیم) اکسیژن-۱۶ است که یک نمونه جادوی مضاعف از اکسیژن است. برای مدت‌های طولانی، تصور می‌شد که ایزوتوپ اکسیژن-۲۸ به عنوان یک ایزوتوپ جادوی مضاعف بعد از اکسیژن-۱۶ باشد. اما تلاش‌های پیشین برای یافتن آن کافی نبود.

به طور جالب، شواهدی در سال ۲۰۰۹ نشان دادند که اکسیژن-۲۴ ممکن است جادوی مضاعف باشد. این شواهد نشان می‌دهند که احتمالاً عدد ۲۰ هم می‌تواند عددی جادویی برای نوترون‌ها باشد یا خیر. تحقیقات کوندو و تیمش، توانستند توضیح مطلوبی را در مورد این موضوع ارائه دهند. یافته‌های آن‌ها، در حالی که نشان می‌دهند که پوسته‌ی نوترونی پر نشده بود، این سوال را مطرح می‌کند که آیا عدد ۲۰ هم ممک

یافته‌های اخیر به یک پدیده به نام “جزیره‌ی وارونگی” در ایزوتوپ‌های نئون، سدیم و منیزیم نیز اشاره می‌کنند، که به نظر می‌رسد با پدیده‌ی مشابهی در اکسیژن-۲۸ و فلوئور-۲۹ هم سازگار باشد. در این پدیده، پوسته‌های حاوی ۲۰ نوترون به طرز عجیبی بسته نمی‌شوند.

برای درک بهتر این پوسته‌های نوترونی که به شکل عجیبی بسته نمی‌شوند، نیاز به بررسی‌های بیشتر توسط محققان در شرایط پرانرژی و برانگیخته داریم. احتمالاً روش‌های دیگری نیز برای تشکیل ایزوتوپ اکسیژن-۲۸ وجود دارد؛ اگرچه بررسی این مسئله به دلیل پیچیدگی‌های زیاد، کاری چالش‌بر است. در حال حاضر، یافته‌های جذاب تیم تحقیقاتی نشان می‌دهند که هسته‌های جادوی مضاعف ممکن است بسیار پیچیده‌تر از آنچه پیش‌تر می‌دانستیم، باشند.

نتایج این مطالعه در نشریه‌ی “نیچر” منتشر شده است.