ตารางธาตุจะค่อยๆ ใหญ่ขึ้นเรื่อยๆ ครั้งหนึ่งมีธาตุที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติเพียง 83 ธาตุ โดยเริ่มจากไฮโดรเจนและลงท้ายด้วยยูเรเนียม องค์ประกอบเหล่านี้มีครึ่งชีวิตที่เทียบได้กับอายุของโลกซึ่งมีอายุประมาณ 4.5 พันล้านปี อย่างไรก็ตาม ตั้งแต่ทศวรรษที่ 1940 นักฟิสิกส์สามารถสร้างองค์ประกอบที่ไม่เสถียรซึ่งสลายตัวเป็นองค์ประกอบที่เบากว่าในช่วงเวลาที่มีตั้งแต่หลายพันปีไปจนถึงเสี้ยววินาที
ในปีที่แล้ว
รู้จักธาตุทั้งหมด 114 ชนิด และเมื่อต้นปีนี้ ผู้เขียนและเพื่อนร่วมงานรายงานการสังเคราะห์ธาตุ “หนักยิ่งยวด” ใหม่สองธาตุ อย่างไรก็ตาม ฟิสิกส์สาขานี้มีอะไรมากกว่าแค่การสร้างองค์ประกอบที่หนักขึ้นและหนักขึ้น สิ่งสำคัญคือต้องเข้าใจลักษณะการทำงานขององค์ประกอบใหม่เหล่านี้ ซึ่งหลายองค์ประกอบ
ยังไม่มีชื่ออย่างเป็นทางการ ธาตุหนักยิ่งยวดช่วยให้นักฟิสิกส์นิวเคลียร์สามารถสำรวจแนวคิดต่างๆ เช่น “เลขมหัศจรรย์” และ “เกาะแห่งความมั่นคง” ซึ่งช่วยให้เราเข้าใจว่าทำไมนิวเคลียสบางอันจึงเสถียรมากกว่าธาตุอื่นๆ นอกจากนี้ยังสามารถใช้เพื่อทดสอบการทำนายแบบจำลองต่างๆ ของนิวเคลียส
และท้ายที่สุดอาจช่วยให้เราเข้าใจว่าทำไมธรรมชาติจึงมีองค์ประกอบเพียงจำนวนจำกัด ตัวเลขเบื้องต้นอย่างที่นักเรียนฟิสิกส์ทุกคนรู้ นิวเคลียสมีจำนวนโปรตอนและนิวตรอนใกล้เคียงกันโดยประมาณ นอกเหนือจากนิวเคลียสของไฮโดรเจนซึ่งเป็นเพียงโปรตอน ธาตุชนิดเดียวกันนี้
ยังสามารถมีอยู่เป็นไอโซโทปที่แตกต่างกันหลายไอโซโทป ตัวอย่างเช่น คาร์บอน-12 ประกอบด้วยโปรตอนหกตัวและนิวตรอนหกตัว และมีความเสถียร ในขณะที่คาร์บอน-14 ประกอบด้วยโปรตอนหกตัวและนิวตรอนแปดตัว และมีครึ่งชีวิตเท่ากับ 5730 ปี ตัวเลขต่างๆ ใช้ในการกำหนดนิวเคลียส:
ธาตุหนักมีแนวโน้มที่จะมีนิวตรอนมากกว่า เช่น ไอโซโทปของตะกั่วที่เสถียรที่สุด เช่น มีโปรตอน 82 ตัวและนิวตรอน 126 ตัว อย่างไรก็ตาม หากเราเพิ่มนิวตรอนหนึ่งตัวขึ้นไปในนิวเคลียสที่เสถียร หรือนำนิวตรอนออกไป นิวเคลียสอาจไม่เสถียรและเกิดการสลายตัวของสารกัมมันตภาพรังสี
นิวเคลียส
สามารถสลายตัวได้หลายวิธี: ในการสลายตัวแบบแอลฟา นิวเคลียสจะปล่อยอนุภาคแอลฟาออกมา (เช่น นิวเคลียสของฮีเลียมที่มีโปรตอนสองตัวและนิวตรอนสองตัว); และในการสลายตัวแบบบีตา นิวตรอนสามารถสลายตัวเป็นโปรตอน ปล่อยอิเล็กตรอนและแอนตินิวตริโนในกระบวนการนี้
นิวเคลียสที่หนักยังสามารถแบ่งออกเป็นสองส่วนในปฏิกิริยาที่เรียกว่าฟิชชันที่เกิดขึ้นเอง สิ่งนี้ถูกสังเกตเป็นครั้งแรกในปี 1940ด้วยนิวเคลียสของยูเรเนียม-238 ปฏิกิริยาฟิชชันของนิวเคลียร์กระตุ้นให้ เสนอแบบจำลองหยดของเหลว ซึ่งถือว่านิวเคลียสเป็นหยดของเหลวที่มีประจุโดยไม่มีโครงสร้างใดๆ
ตราบใดที่แรงตึงผิวในหยดน้ำมีค่ามากกว่าแรงคูลอมบ์ที่ผลักออกเนื่องจากโปรตอน สิ่งกีดขวางที่อาจเกิดขึ้นจะป้องกันไม่ให้มันแตกออก (รูปที่ 1) อย่างไรก็ตาม สิ่งกีดขวางฟิชชันนี้สามารถเอาชนะได้หากเราจ่ายพลังงานให้กับนิวเคลียสเพียงพอหรือหากนิวเคลียส “อุโมงค์” ผ่านสิ่งกีดขวาง
สำหรับนิวเคลียสของยูเรเนียม-238 ซึ่งมีเลขอะตอมเท่ากับ 92 ฟิชชันบาเรียจะมีค่าสูงประมาณ 6 MeV สิ่งนี้นำไปสู่ครึ่งชีวิตครึ่งชีวิตที่เกิดขึ้นเองจากฟิชชันประมาณ 10 16ปี อย่างไรก็ตาม เมื่อเลขอะตอมสูงขึ้น สิ่งกีดขวางศักย์จะเล็กลงและหายไปในที่สุด ทำให้นิวเคลียสที่หนักที่สุดสลายตัว
ในเวลาประมาณ 10 -19วินาที จากข้อมูลของบอร์และวีลเลอร์ อุปสรรคที่อาจเกิดขึ้นจะหายไปอย่างสมบูรณ์เมื่อเลขอะตอมถึงประมาณ 106 อายุการใช้งานของธาตุ “ทรานส์ยูเรเนียม” ชนิดแรก เช่น พลูโทเนียม คูเรียม และแคลิฟอร์เนียม มีค่าใกล้เคียงกับค่าที่ทำนายโดยแบบจำลองหยดของเหลวมาก
อย่างไรก็ตาม
ในปี 1962 นักวิจัยจากสถาบันร่วมเพื่อการวิจัยนิวเคลียร์ ในเมือง ได้ค้นพบว่ามีไอโซโทปจำนวนมากของธาตุทรานส์ยูเรเนียม ? ซึ่งมีพลังงานกระตุ้นต่ำมาก ? เกิดฟิชชันขึ้นเองในเวลาเพียง 10 -10 -10 -2วินาที สิ่งนี้ไม่สอดคล้องกับการคาดการณ์แบบจำลองหยดน้ำ ยิ่งไปกว่านั้น แบบจำลองไม่สามารถอธิบาย
ถึงการเปลี่ยนแปลงจำนวนมากในครึ่งชีวิตที่เกิดขึ้นเองจากฟิชชันของ “ไอโซเมอร์” เหล่านี้ได้ในไม่ช้านักวิจัยก็ตระหนักว่าความน่าจะเป็นของฟิชชันที่เกิดขึ้นเองนั้นขึ้นอยู่กับโครงสร้างภายในของนิวเคลียส เป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้ว ตัวอย่างเช่น พลังงานยึดเหนี่ยวทางนิวเคลียร์ทั้งหมดที่วัดได้
ในการทดลองเบี่ยงเบนไปจากการคาดการณ์ของแบบจำลองหยดของเหลวในลักษณะปกติ พลังงานยึดเกาะมีค่าสูงสุดสำหรับจำนวนเฉพาะของโปรตอนZ = 2, 8, 20, 28, 50, 82 และนิวตรอน, N = 2, 8, 20, 50, 82, 126 จำนวนโปรตอนและ “เวทมนต์” เหล่านี้ นิวตรอนเรียกว่าเปลือกปิด
ในตอนท้ายของทศวรรษ 1960 ข้อสังเกตเหล่านี้นำไปสู่ทฤษฎีจุลภาคใหม่ของนิวเคลียส ซึ่งแสดงให้เห็นว่าเปลือกปิดของโปรตอนและนิวตรอนทำให้นิวเคลียสมีความเสถียรเกินกว่าขีดจำกัดที่กำหนดโดยแบบจำลองหยดของเหลว (เช่น สำหรับเลขอะตอมที่มากกว่า 106 ). ผลกระทบของเปลือกถูกคาดการณ์
ว่าจะแข็งแกร่งเป็นพิเศษสำหรับนิวเคลียสที่มีเลขมหัศจรรย์Z = 108 และN = 162 และยิ่งแข็งแกร่งขึ้นสำหรับนิวเคลียสที่มีZ = 114 และN = 184 ซึ่งเป็นสาเหตุที่ทำให้บริเวณเหล่านี้เป็นที่รู้จักในชื่อ “เกาะแห่งความมั่นคง” ” แท้จริงแล้ว อายุขัยของนิวเคลียสมวลยิ่งยวดในN= พื้นที่ 184 แห่งถูกคาดการณ์ว่า
จะยาวกว่า 30 ลำดับความสำคัญในกรณีที่ไม่มีกระสุน ความท้าทายที่นำเสนอต่อนักนิวเคลียร์ฟิสิกส์เชิงทดลองนั้นชัดเจน พวกเขาจำเป็นต้องสร้างนิวเคลียสมวลยิ่งยวดและวัดคุณสมบัติของมันเพื่อทดสอบการทำนายทางทฤษฎี ปฏิกิริยาการสังเคราะห์ ธาตุทรานส์ยูเรเนียมชนิดแรกถูกสังเคราะห์หลัก
