«اعداد جادویی» در فیزیک هسته‌ای چه هستند و چرا اهمیت دارند؟
چرا برخی عناصر تنها چند دقیقه دوام می‌آورند، در حالی که برخی دیگر میلیاردها سال پایدار می‌مانند؟ پاسخ ممکن است در «اعداد جادویی» ذرات هسته‌ای نهفته باشد که تفاوت بزرگی ایجاد میکنند.
فرادید| برخی اتم‌ها پایدارند، در حالی که برخی دیگر به‌سرعت از هم می‌پاشند. سرب-۲۰۸ شاید تا ابد باقی بماند، در حالی که ایزوتوپ مصنوعی تکنتیوم-۹۹ تنها چند ساعت عمر می‌کند. تفاوت اصلی در ساختار هسته اتم نهفته؛ جایی که وجود «اعداد جادویی» خاصی از ذرات هسته‌ای سبب می‌شود برخی ایزوتوپ‌ها در برابر «واپاشی پرتوزا» بسیار مقاوم باشند.
به گزارش فرادید، پایداری هسته‌های اتمی به‌شدت با تعداد ذرات هسته‌ای درون آن‌ها تغییر می‌کند. برخی مانند سرب-۲۰۸ و کلسیم-۴۰، از زمان پیدایش زمین تاکنون وجود داشته‌اند. این‌ها را ایزوتوپ‌های آغازین یا ابتدایی (Primordial isotopes) می‌نامند و شاید تا پایان جهان نیز پایدار بمانند. برخی دیگر مانند اوگانسون-۲۹۴ و تنسین-۲۹۴، کمابیش بلافاصله واپاشی می‌شوند و نیمه‌عمری کمتر از یک هزارم ثانیه دارند.
به‌نظر می‌رسد این پایداری بخشی به جرم اتم مربوط باشد؛ به‌گونه‌ای که عناصر سنگین‌تر همواره ناپایدارترند. اما در دهه‌های ۱۹۴۰ و ۱۹۵۰ دانشمندان دریافتند بسیاری از عناصر سبک هم ایزوتوپ‌های پرتوزا دارند؛ برای نمونه کربن-۱۴ و پتاسیم-۴۰ که به‌آرامی واپاشی میکنند و منبع اصلی تابش پس‌زمینه زمین هستند.
جالب آنکه، این دانشمندان دریافتند شمار بسیار خاصی از پروتون‌ها و نوترون‌ها هسته‌هایی به‌شکل غیرعادی پایدار ایجاد میکنند. این مقادیر بعدها «اعداد جادویی» نام گرفتند.
دیوید جنکینز، فیزیک‌دان هسته‌ای می‌گوید: «اعداد جادویی عبارتند از: ۲.۸، ۲۰.۲۸، ۵۰.۸۲ و ۱۲۶. اگر سبک‌ترین حالت را در نظر بگیرید، یعنی دو پروتون و دو نوترون، همان هسته اتم هلیوم است که ترکیب بسیار پایداری از پروتون‌ها و نوترون‌ها به‌شمار می‌آید.»
بازی پوسته‌ها
هسته‌های هلیوم (ذرات آلفا) به‌شکل طبیعی از اتم‌های سنگین و ناپایدار جدا می‌شوند و این بخشی از فرآیند واپاشی هسته‌ای است.
جنکینز می‌گوید: «اگر خوب فکر کنید، موضوع عجیبی است. چرا اتم هنگام واپاشی، پروتون‌ها یا نوترون‌ها را یکی‌یکی از دست نمی‌دهد؟ دلیلش اینست که ذره آلفا بسیار پایدار است و این هم به همان اعداد جادویی مربوط می‌شود.»
نمونه‌های دیگر هسته‌های جادویی شامل: اکسیژن-۱۶ (۸ پروتون و ۸ نوترون)، کلسیم-۴۰ (۲۰ پروتون و ۲۰ نوترون) و سرب-۲۰۸ (۸۲ پروتون و ۱۲۶ نوترون) می‌شوند که سرب-۲۰۸ سنگین‌ترین عنصر پایدار شناخته‌شده محسوب می‌شود.
برای درک این رفتار عجیب، فیزیک‌دانان «مدل پوسته‌ای هسته» را پیشنهاد کردند که شباهت زیادی به پوسته‌های الکترونی در شیمی دارد.
جنکینز توضیح می‌دهد: «ایده این بود که پروتون‌ها و نوترون‌ها هم مانند الکترون‌ها در لایه‌ها (پوسته‌ها) قرار می‌گیرند و برانگیختگی‌های هسته‌ای زمانی رخ می‌دهد که پروتون‌ها و نوترون‌ها بین این پوسته‌ها جابه‌جا شوند.»
همانند الکترون‌ها، پوسته‌های هسته‌ای هم سطوح انرژی ثابتی دارند که به آن «حالت‌های کوانتیده» می‌گویند. سیستم زمانی بیشترین پایداری را دارد که این پوسته‌ها به‌شکل کامل پر شوند. دلیل دقیق این پایداری، ترکیب پیچیده‌ای از عوامل مکانیک کوانتومی است، اما گمان می‌رود «نیروی قوی هسته‌ای» (برهمکنش بنیادی که پروتون‌ها و نوترون‌ها را در هسته کنار هم نگه میدارد) در پوسته‌های کامل، برای هر ذره قوی‌تر از مقدار پیش‌بینی‌شده عمل میکنند.
به این ترتیب، اعداد جادویی همان تعداد ذرات لازم برای پر کردن هر پوسته هسته‌ای هستند (به‌شکل جداگانه برای پروتون‌ها و نوترون‌ها). برخی ایزوتوپ‌ها «تک‌جادویی» هستند، یعنی تنها شمار پروتون‌ها یا نوترون‌هایشان جادویی است (مانند آهن-۵۶). برخی دیگر «دوجادویی» هستند، یعنی هم پروتون‌ها و هم نوترون‌هایشان عدد جادویی دارند (مانند اکسیژن-۱۶ و سرب-۲۰۸).
جنکینز می‌گوید: «این هسته‌های دوجادویی نادر هستند، اما ویژگی‌های کوانتومی جالبی دارند. برای نمونه، آن‌ها توزیع کاملاً کروی ماده و بار دارند، یعنی هسته‌ای کاملاً گرد، در حالی که بیشتر هسته‌ها شکل تغییرپذیر دارند و دوران میکنند.»
هنوز روشن نیست این مدل تا کجا کاربرد دارد. برای نمونه قلع-۱۰۰ (با ۵۰ پروتون و ۵۰ نوترون) سنگین‌ترین هسته دوجادویی شناخته‌شده است، اما نیمه‌عمر آن تنها ۱.۲ ثانیه است. یا «آنبای‌هگزیوم» (عنصر ۱۲۶) که پس از سرب در جدول تناوبی قرار می‌گیرد، هنوز ساخته نشده است. بنابراین این‌که آیا پایداری جادویی می‌تواند به دانشمندان کمک کند تا ردیف هشتم جدول تناوبی را بسازند یا خیر، همچنان پرسشی بی‌پاسخ است.
مترجم: زهرا ذوالقدر
