سازمان ملل، سال ۲۰۱۹ را سال جهانی جدول تناوبی اعلام کرد؛ آیا به پایان جدول تناوبی رسیده‌ایم؟

سال بعد، صد و پنجاهمین سالگرد فرمول‌بندی جدول تناوبی توسط دیمتری مندلیف است، جدولی که تمام عناصر سازنده‌ی کائنات (حداقل تا جایی که ما می‌دانیم) را به شکلی منظم و زیبا، ساماندهی می‌کند. به همین مناسبت، سازمان ملل، سال ۲۰۱۹ را، سال جهانی جدول تناوبی عناصر شیمیایی (IYPT 2019) اعلام کرده است. این در حالی است که این جدول ۱۵۰ ساله، هنوز در حال رشد است و در سال ۲۰۱۶، چهار عنصر جدید به آن اضافه شدند! چند روز پیش، مقاله‌ی جالبی با همین موضوع و درباره‌ی محدودیت‌های جدول تناوبی به قلم فیزیکدان هسته‌ای دانشگاه میشیگان، ویتولد نزارویچ در مجله‌ی معتبر  Nature Physics منتشر شد. با دیپ لوک همراه باشید…

میهمانان تازه‌وارد جدول تناوبی ، نیهونیوم (nihonium)، مسکوویوم (moscovium)، تنسین (tennessine) و اگنسون (oganesson) هستند. اعداد اتمی آنها (یا همان تعداد پروتون‌های درون هسته که ویژگی‌های شیمیایی و مکان آنها را در جدول مشخص می‌کند) به ترتیب ۱۱۳، ۱۱۵، ۱۱۷ و ۱۱۸ است. یک دهه طول کشید تا با تلاش جهانی، این چهار عنصر تایید شوند و اکنون دانشمندان با تعجب می‌پرسند: این جدول تا کجا می‌تواند پیش رود؟ اکنون می‌خواهیم جواب‌ را در مقاله‌ی تازه‌ منتشر شده‌ی ویتولد نزارویچ بیابیم.

تمام عناصر دارای بیش از ۱۰۴ پروتون، به عنوان عناصر فوق سنگین نامگذاری می‌شوند و بخشی از سرزمین وسیع و ناشناخته‌ای هستند که دانشمندان تلاش می‌کنند آن را کشف کنند. پیش‌بینی می‌شود اتم‌های با بیش از ۱۷۲ پروتون می‌توانند به طور فیزیکی، هسته‌ای را شکل دهند که با نیروی هسته‌ای به یکدیگر مقید شده‌اند. این نیرو، چیزی است که از فروپاشی و تجزیه‌ی آنها جلوگیری می‌کند، اما تنها برای کسر کوچکی از یک ثانیه. این هسته‌های ساخته‌شده در آزمایشگاه، بسیار ناپایدار هستند و به طور خودبخودی و سریعا پس از شکل‌گیری، واپاشی می‌کنند. برای هسته‌های سنگین‌تر از اگنسون، این فرآیند می‌تواند آنقدر سریع باشد که حتی زمان کافی برای جذب و به دام انداختن یک الکترون برای شکل‌ دادن یک اتم وجود ندارد. در نتیجه آنها تمام طول عمر خود را به صورت اجتماعی از پروتون‌ها و نوترون‌ها می‌گذرانند.

چنین پدیده‌ای، روشی را که امروزه دانشمندان برای درک و تعریف اتم‌ها استفاده می‌کنند، به چالش خواهد کشید. اتم‌ها دیگر نمی‌توانند به صورت یک هسته‌ی مرکزی با الکترون‌هایی که در اطراف آنها می‌چرخند، مانند سیاره‌هایی که به دور خورشید می‌چرخند، توصیف شوند.  اینکه آیا این هسته‌ها اصلا می‌توانند تشکیل شوند، هنوز یک راز است.

دانشمندان، به آرامی، اما با قطعیت، در حال واکاوی این ناحیه هستند، آنها عنصر به عنصر، در حال سنتز هستند، اما نمی‌دانند چیزهایی که سنتز می‌کنند، مانند چه چیزی خواهند بود یا در نهایت به کجا ختم خواهند شد؟ جستجو برای عنصر ۱۱۹ در چندین آزمایشگاه در حال انجام است، به خصوص در روسیه، آلمان و ژاپن. نزارویچ می‌گوید:

نظریه‌ی هسته‌ای، فاقد توانایی پیش‌بینی قابل اطمینان شرایط بهینه‌‌ی لازم برای سنتز عناصر فوق سنگین است، بنابراین شما مجبورید حدس بزنید و آزمایش‌های همجوشی را انجام دهید تا وقتی چیزی پیدا کنید. به این شیوه، شما می‌توانید سالها آزمایش انجام دهید!

اگرچه موسسه FRIB در دانشگاه میشیگان قصد ندارد این سیستم‌های فوق سنگین را تولید کند، اما حداقل در طراحی فعلی‌اش، می‌تواند نشان دهد چه واکنش‌هایی می‌تواند استفاده شود. اگر عنصر ۱۱۹، تایید شود، ردیف هشتم به جدول تناوبی اضافه خواهد شد. نزارویچ می‌گوید:

 این کشف، خیلی دور از دسترس نیست. شاید همین روزها و یا شاید دو یا سه سال دیگر. ما نمی‌دانیم. آزمایش‌ها در حال پیشرفت هستند.

سوال هیجان‌انگیز دیگری باقی می‌ماند: آیا هسته‌های فوق سنگین می‌توانند در فضا تولید شوند؟ تصور بر این است که این عناصر می‌توانند در ترکیب‌ ستارگان نوترونی ساخته شوند، یک برخورد ستاره‌ای آنقدر قدرتمند است که به معنای واقعی کلمه، جهان را بلرزاند. در چنین محیط‌های ستاره‌ای، جاییکه نوترون‌ها فراوان هستند، یک هسته می‌تواند با نوترون‌های بیشتر و بیشتری همجوشی کند تا یک ایزوتوپ سنگین‌تر را شکل دهد. این عنصر، تعداد پروتون برابری با عنصر اولیه خواهد داشت و بنابراین، همان عنصر اولیه است، اما سنگین‌تر. اینجا چالش، این است که هسته‌های سنگین، بسیار ناپایدار هستند به گونه‌ای که خیلی قبل‌تر از اضافه شدن نوترون‌های بیشتر و تشکیل هسته‌های فوق سنگین، می‌شکنند. این امر، مانع تولید آنها در ستارگان خواهد شد. امید است که دانشمندان از طریق شبیه‌سازی‌های پیشرفته بتوانند این هسته‌های گریزان را از طریق الگوهای مشاهده‌ شده‌ی عناصر سنتزشده ببینند. با پیشرفت توانایی‌های آزمایشگاهی، دانشمندان عناصر سنگین‌تر را دنبال می‌کنند تا آنها را به جدول بازسازی شده اضافه کنند. در ضمن، آنها به دنبال کشف کاربردهای شگفت‌انگیز این سیستم‌های عجیب هستند. نزارویچ می‌گوید:

ما نمی‌دانیم آنها شبیه چه هستند و این چالش‌برانگیز است. اما چیزی که تاکنون آموخته‌ایم احتمالا می‌تواند به معنای پایان جدول تناوبی به صورتی که می‌شناسیم باشد.