سنگین‌ترین اتم جهان چقدر وزن دارد؟

مجله علمی ایلیاد - شبیه‌سازی‌ها خواص عجیبی را نشان می‌دهند. اوگانسون «Og» سنگین‌ترین عنصر شیمیایی در جدول تناوبی است، اما اندازه‌گیری خواص این عنصر دشوار بود، زیرا در ابتدا در سال ۲۰۰۲ ترکیب شد. اکنون شبیه‌سازی کامپیوتری پیشرفته‌ای، برخی از شکاف‌ها را پُر کرده است و حتی به‌نظر می‌رسد عجیب‌تر از آن چیزی که انتظار داشتیم باشد.

در سطح اتمی، اوگانسون به طرقی متفاوت با عناصر سبک‌تر عمل می‌کند و می‌تواند بینش‌هایی بنیادی را در ارتباط با مبانی عملکرد این عناصر فوق‌سنگین، ارائه دهد. شبیه‌سازی‌ها توسط گروه بین‌المللی دانشمندان انجام شد که نشان می‌دهند، الکترون‌ها، پروتون‌ها و نوترون‌های اوگانسون همان قوانینِ گازهای نجیب را تبعیت نمی‌کنند و می‌توانند تاثیر بزرگی بر چگونگی درک این بخش از جدول تناوبی بگذارند.

یکی از محققان به‌نام «ویتک نازارویچ» از دانشگاه دولتی میشیگان، گفت: «عناصر فوق‌سنگین محدوده‌ی بار و جرم هسته‌ای را نشان می‌دهند. آن‌ها در گوشه‌ی چشم‌انداز هسته‌ای با محدوده‌ا‌ی ناشناخته زندگی می‌کنند. سئوالات مربوط به سیستم‌های فوق‌سنگین در خط مقدم تحقیقات فیزیک هسته‌ای و اتمی و شیمی قرار دارند.»

در عناصر سبک‌تر، در خانواده‌ی گازهای نجیب مثل اگانسون، بر اساس مدل اتمی بور، الکترون‌ها به‌دور هسته، جایگاه معینی را اتخاذ کرده یا می‌چرخند و گروه‌های پوسته‌مانندی را در اطراف مرکز تشکیل می‌دهند. محاسباتی که «توابع محلی‌سازی فرمیون» نامیده می‌شوند در جایی به‌کار می‌روند که این پوسته‌های الکترون قرار دارند، اما نیروهای الکترواستاتیک بزرگ نیز در اینجا وجود دارند که توسط اتم اوگانسون تولید شده‌اند. در اینجا، قانون نسبیت خاص، وارد میدان می‌شود.

با در نظر گرفتن این مساله، محققان از توابع محلی‌سازی فرمیون، به‌نام «توابع محلی‌سازی الکترون» استفاده کردند تا محاسبه کنند که الکترون‌ها در کجای اوگانسون قرار دارند. به‌این صورت، پوسته‌های الکترون تقریباً غیرقابل تمایز می‌شوند و نوعی گاز الکترون را در اطراف هسته تشکیل می‌دهند. به عبارت دیگر، در بنیادی‌ترین سطح، این گاز اصلاً شبیه به گازهای نجیب دیگر مثل زنون یا نئون نیست.

یکی از محققان به‌نام «شورتفگر» از دانشگاه مسی در نیوزیلند، گفت: «بر روی کاغذ، تصور می‌کردیم که این گاز نیز همان ساختار گازی نادر مثل بقیه‌ی گازهای این خانواده را دارد. هرچند در محاسبات، پیش‌بینی می‌کنیم که اوگانسون کم‌وبیش ساختار پوسته‌مانندش را از دست داده و تبدیل به لکه‌ای از الکترون‌ها می‌شود.»

براساس محاسبات محققان، همین لکه یا حالت گازی خاص برای نوترون‌های درون هسته‌ی فوق‌سنگین نیز به‌کار می‌رود، اگرچه پروتون‌ها نوعی وضعیتِ پوسته‌مانند را حفظ می‌کنند. در اینجا، در مورد اعماق فیزیک کوانتوم صحبت می‌کنیم، اما تمام منظورمان این است که اوگانسون به‌نظر شبیه به عناصر دیگرِ گروهش نیست. اطلاعات خاص در مورد الکترون‌هایش نشان می‌دهد که این عنصر از لحاظ شیمیایی واکنش‌پذیری بیشتری نسبت به گازهای نجیب دیگر دارد. پیامد احتمالیِ دیگر این است که این اتم‌ها در دمای اتاق به شکل جامد به هم بچسبند، به‌جای اینکه از هم دور شوند که معمولاً در حالت گاز اتفاق می‌افتد.

فراموش نکنید که این‌ها فقط شبیه‌سازی‌های کامپیوتری هستند، البته شبیه‌سازی‌هایی پیچیده. آن‌ها مطالعاتی مختص اوگانسون نیستند. این عنصر به سختی تولید می شود و به قدری کوتاه‌مدت باقی می‌ماند که ما واقعاً نمی‌توانیم آن‌را به طرق معمولی بررسی کنیم.

اما درحال‌حاضر، این پیش‌بینی‌ها را درباره‌ی ساختار و خواص عنصر ۱۱۸ انجام داده‌ایم و دانشمندان می‌توانند آزمایش‌ها را در کنار هم قرار دهند تا این فرضیات را آزمایش کنند. این مرحله‌ی بعدی تحقیق است. در آینده، این بینش‌ها حتی به ما کمک می‌کنند تا یاد بگیریم چگونه اتم اوگانسونی را تولید کنیم که به مدت بیش از یک میلیون ثانیه باقی بماند. شورتفگر گفت: «محاسبات تنها راه درک رفتار اوگانسون توسط ابزار فعلی هستند و قطعاً یافته‌های جالبی را ارائه داده‌اند.»

این تحقیق در مجله‌ی Physical Review Letters منتشر شده است.

نوشته: دیوید نیلد
ترجمه: سحر الله‌وردی - مجله علمی ایلیاد