بررسی اتم های کرانی در فیزیک

فیزیکدانان با کشیدن، از جای برکندن و از شکل انداختن اتم‌ها، به آن‌ها حدود جدید و عجیب و غریبی می‌بخشند.

یک روش برای از بین بردن اتم، شلیک کردن به آن با استفاده از قویترین تفنگ اشعه‌ی X این سیاره است. لیندا یونگ (Linda Young) در اکتبر سال 2009 زمانی که در حال تست لیزر جدید الکترون آزاد اشعه‌ی X در آزمایشگاه شتاب‌دهنده‌ی ملی در کالیفرنیا بود، سعی کرد تا این آزمایش را انجام دهد. یک پالس از این دستگاه 400 میلیون دلاری برابر با همه‌ی انرژی تابشی بود که در همان لحظه از خورشید به زمین می‌رسید، با این تفاوت که تنها در یک سانتی‌متر مربع متمرکز شده بود. یونگ می‌گوید: «این پالس هر چیزی را که در سر راهش قرار دهید، نابود خواهد کرد.»

زمانی که پالس لیزر به اتم‌های نئون در آن آزمایش برخورد کرد، آن‌ها را منفجر کرده و هر اتم ده الکترونی را در 100 فمتو‌ثانیه از جای برکند. اما شیوه‌ی این انهدام برای یونگ جالب‌ترین قسمت آن بود. پرتوهای X ابتدا الکترون‌های داخلی اتم را حذف کردند و الکترون‌های بیرونی را در سر جای خود باقی گذاردند. بنابراین برای لحظه‌ای کوتاه اتم‌های نئونی که در مسیر لیزر قرار داشتند، توخالی شدند.

این شکل نامتعارف نئون یکی از چندین نمونه‌ای است که توسط فیزیکدانانی که در از شکل انداختن اتم‌ها مصمم هستند، خلق شده است. برخی از این گروه‌ها اتم‌ها را به اندازه‌ی ذرات گرد‌‌و‌غبار درآورده‌اند. در مواردی پاد‌اتم از پادماده ایجاد شده است. برخی دیگر هسته‌های اتمی را با پروتون‌ها و نوترون‌ها در جهت تلاش برای ایجاد عناصر فوق‌سنگین جدیدی بارگذاری کرده‌اند. برخی از این آزمایش‌ها به منظور بررسی ساختار اتمی صورت می‌گیرد. در برخی دیگر از اتم‌ها به عنوان اولین گام در مدل‌سازی سیستم‌های پیچیده‌تر استفاده می‌شود. همه‌ی اینها زاده‌ی انقلابی در نظریه‌ی اتمی است که توسط فیزیکدان دانمارکی، نیلز بور (Niels Bohr)، در صد سال پیش توسعه داده شد. اما بور به سختی قادر به تصور میزان پیشروی دانشمندان در تغییر شکل اتم‌ها بوده است.

در مدل بور مربوط به سال 1913  الکترون‌ها ذرات نقطه‌مانندی فرض شدند که کوانتیده‌اند. به این معنا که تنها می‌توانستند از مداری به مدار دیگر جهش کنند اما قادر نبودند بین مدارها وجود داشته ‌باشند. با ظهور مکانیک کوانتوم در دهه‌ی 1920، مفهوم مدارها حفظ شد با این تفاوت که الکترون‌ها می‌توانند در همه‌جا در اطراف هسته حضور داشته باشند و مکان احتمالی آن‌ها با استفاده از یک تابع‌موج ریاضی شرح داده شد.

جدا کردن الکترون‌هایی که از هسته دورترند، به انرژی کمتری نیاز دارد، بنابراین معمولاً در ابتدا حذف می‌شوند. اما یونگ با استفاده از دستگاه لیزر اشعه‌ی X در آزمایش سال 2009 توانست ابتدا همه‌ی الکترون‌های داخلی اتم‌های نئون را حذف کند و زمانی که الکترون‌ها از پوسته‌های خارجی به پوسته‌های داخلیِ خالی شده سقوط می‌کردند، توسط پرتو حذف می‌شدند.

یونگ می‌گوید: «اگر شما اشعه‌ی X را به درستی تنظیم کنید، می‌توانید انتخاب کنید که ابتدا می‌خواهید کدام پوسته خالی شود.» گزارش کنونی در مورد این نوع خالی کردن اتم، مربوط به عنصر زینان است که توسط گروهی از دانشمندان آلمانی در نوامبر گذشته منتشر شده است. یونگ معتقد است دانستن اینکه اتم‌های توخالی چطور تشکیل می‌شوند، می‌تواند به پژوهش‌گران جهت تفسیر تغییر الگوهای پراکندگی هنگام انفجار یک مولکول کمک کند. امسال فریتز اومیر (Fritz Aumayr) فیزیکدانی از دانشگاه صنعتی وینا مقاله‌ای منتشر کرده است که نشان می‌دهد انرژی خارج شده از یون‌ها به طرف غشاهای کربنی می‌تواند سوراخ‌هایی با مقیاس نانو ایجاد کند که اندازه‌ی آن‌ها با توان بار یون‌ها قابل کنترل است.

از دید هسته‌ی اتم، الکترون‌ها مسافران دورافتاده‌ای هستند، چراکه هسته قطری در ابعاد فمتومتر دارد اما الکترون‌ها به طور معمول صد هزار برابر قطر هسته‌ای از مرکز اتم می‌توانند دور شوند. اما اتم‌های ریدبرگ، غول‌های دنیای اتمی، الکترون‌های بیرونی دارند که می‌توانند صد میلیارد برابر قطر هسته‌ای از مرکز اتم فاصله بگیرند. بزرگترین اتم‌های ریدبرگ می‌توانند اندازه‌ای در ابعاد نقطه‌ی پایان این جمله داشته باشند.

این اتم‌های غول‌پیکر از دهه‌ی 1970 با پدید آمدن لیزر که می‌توانست الکترون‌ها را تا چنین فاصله‌های زیادی برانگیخته کند، به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفتند. این الکترون مانند هر مسافر راه دور دیگری می‌تواند تنها و آسیب‌پذیر باشد. جاذبه‌ی هسته در این فاصله ضعیف عمل می‌کند. بنابراین الکترون‌ها به‌سادگی می‌توانند تحت تاثیر میدان‌های الکترومغناطیسیِ سرگردان و یا در اثر برخورد مختل شوند. به همین دلیل این اتم‌ها باید در خلا بالا ایجاد شوند. اگر مجزا سازی از نیروهای خارجی با دقت انجام شود، این اتم‌های متورم را می‌توان از چندین صدم ثانیه تا چندین ثانیه به همین حالت نگه داشت.

از نظر باری داننینگ (Barry Dunning) فیزیکدانی از دانشگاه هوستون در تگزاس، لذت کار کردن با اتم‌های ریدبرگ آنجاست که توانایی ارزشمندی برای کنترل حرکت یک الکترون می‌دهد. این کار با اتم‌های معمولی امکان‌پذیر نیست زیرا سرعت الکترون‌ها حتی در صورت استفاده از سریع‌ترین لیزر‌ها بسیار زیاد است، در حالی که حرکت الکترون متورم اتم ریدبرگ بسیار آهسته‌تر است. او با استفاده از این روش اتم بور را پس از حدود یک قرن دوباره ایجاد کرده است .

این اتم‌ها کاربردهای دیگری نیز دارند. دو اتم گازی که در فاصله‌ی چند میکرومتری از یکدیگر قرار دارند، در حالت عادی بر یکدیگر تاثیر نمی‌گذارند اما اگر یکی یا هر دو متورم باشند، ابرهای الکترونی شروع به دفع یکدیگر می‌کنند. مارک سافمن (Mark Saffman) فیزیکدانی از دانشگاه ویسکانسین مدیسون (University of Wisconsin-Madison) با استفاده از این ویژگی یک گیت منطقی کوانتومی ساخته است. این رویکرد ممکن است یک مدل مناسب برای مطالعه‌ی فیزیک سیستم‌های حالت جامدِ همبسته‌ی قوی ایجاد کند.

در حال حاضر که مهندسان در حال ارتقای توان برخود دهنده‌ی بزرگ هادرونی در سرن هستند، در سالن مجاور آن آزمایشی در حال ارتقا است که ممکن است به فیزیکدانان اجازه دهد تا ویژگی‌های اتم‌های پادماده را اندازه بگیرند. این هدفی است که پژوهش‌گران از سال 1995، زمانی که اولین اتم‌های پادهیدروژن در سرن ساخته شدند، دنبال کرده‌اند.

یک اتم پادهیدروژن شامل یک پادپروتون و یک پوزیترون است که به ترتیب همان جرم یک پروتون و یک الکترون معمولی را داراست اما با بار مخالف. اطلاعات بسیار محدودی در مورد پادهیدروژن وجود دارد. جفری هنگس (Jeffrey Hangst) سخنگوی ALPHA ، یکی از همکاری‌های مشترک برای تولید و تجزیه‌و‌تحلیل پادهیدروژن، می‌گوید: «آیا اتم‌های ماده و پادماده از قوانین یکسانی در فیزیک پیروی می‌کنند؟»

این آزمایش‌ها در سرن ممکن است در توضیح اینکه چرا در جهان مرئی ماده‌ی بیشتری در مقایسه با پادماده وجود دارد، کمک کننده باشد.

برای ایجاد اتم‌های پادهیدروژن، پژوهش‌گران در سرن ابتدا پادپروتون‌ها را با بمباران کردن اتم‌ها به وسیله‌ی پروتون‌های پرشتاب ایجاد کرده‌اند. سپس سرعت‌ آن‌ها را با گذراندن از میان یک ورقه‌ی فلزی؛ و دمای آن‌ها را با استفاده از الکترون‌های سرد، کاهش داده و در نهایت با کمک میدان‌های الکترومغناطیسی آن‌ها را به دام انداخته‌اند. با استفاده از روشی مشابه پوزیترون‌هایی که به وسیله‌ی مواد پرتوزا گسیل می‌شوند، جمع‌آوری می‌گردند. هنگامی که ابرهای ذرات باردار با یکدیگر ترکیب می‌شوند، اتم‌های پادماده‌ی خنثی به وجود می‌آیند. اما به دلیل عدم وجود هیچ بار خالصی، در آزمایش‌های اولیه این اتم‌ها از میدان‌های الکترومغناطیسی که برای گیراندازی آن‌ها بکار رفته بودند، می‌گریختند.

در سال 2002 دو همکاری جهت ایجاد 50000 اتم پادماده انجام شد، اما این اتم‌ها به سرعت روی دیواره محفظه‌ی خود نابود شدند. در سال 2010 گروه ALPHA نشان داد  که چگونه این اتم‌ها به کمک سه آهن‌ربا با یک میدان مغناطیسی مشترک و گشتاور مغناطیسی کوچکی، پاد‌هیدروژن را مهار کردند که برای مدت 170 میلی‌ثانیه حفظ شد و به ازای هر 8 بار تکرار آزمایشِ 20 الی 30 دقیقه‌ای، تنها یک اتم به دام می‌افتاد. اما این گروه تجهیزات خود را به منظور گیراندازی یک اتم در هر آزمایش و نگهداری آن برای 1000 ثانیه ارتقا داده است.

این گروه اکنون در تلاش است تا ویژگی‌های پاداتم‌ها را بررسی کند .

اتم‌های سنگین

پاداتم‌ها نادر هستند اما پژوهش‌گرانی که آن‌ها را بررسی می‌کنند در مقایسه با آن‌هایی که اتم‌های فوق سنگین را دنبال می‌کنند، در دریایی از داده‌ها غرق هستند. در آزمایشی که صبر عظیمی نیاز داشت، پژوهش‌گرانی از دارمشتات آلمان (the GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research) 5 ماه از سال گذشته را صرف شلیک به یون‌های‌ تیتانیوم-50، با 22 پروتون و 28 نوترون برای هر یون نموده‌اند، با این امید که فقط یک یا دو بار بین دو اتم هم‌جوشی رخ داده و عنصری با 119 پروتون تشکیل شود؛ سابق بر این چنین چیزی اتفاق نیفتاده است.

برخورد شدید باریکه‌هایی از اتم‌های سنگین طی هفتاد سال گذشته به فیزیکدانان اجازه داده است که جرم‌های سنگینی از پروتون‌ها و نوترون‌ها به وجود آورند و جدول تناوبی را فراتر از سنگین‌ترین عناصر طبیعی کنونی گسترش دهند. در حال حاضر رکورد با عنصر لیورموریوم (livermorium) است که از 116 پروتون و بسته به نوع ایزوتوپ 174 تا 177 نوترون تشکیل شده است.

در مورد عناصری با 117 و 118 پروتون نیز ادعاهایی وجود دارد که هنوز رسماً تایید نشده است.

احتمال هم‌جوشی هسته‌ها با سنگین‌تر شدن آن‌ها کاهش می‌یابد. زیرا پروتون‌ها و نوترون‌ها در برابر چسبیدن به یکدیگر مقاومت می‌کنند. بیشتر پژوهش‌گران بر این باورند که فراتر از عنصری با 120 پروتون شانس هم‌جوشی‌های سنگین‌تر بسیار ناچیز می‌شود. از آن پس برای ادامه‌ی بررسی‌ها در زمینه‌ی عناصر فوق سنگین باید انگیزه‌ از انجام این کار مشخص باشد. کنجکاوی و غرور ملی به خاطر سهیم شدن نام کشورها در اضافه کردن عنصری به جدول تناوبی نقش ایفا می‌کند. اما هر عنصر فوق سنگین بسیار کوتاه عمر است و طی چندین میلی‌ثانیه از هم می‌پاشد.

بر طبق فرضیات نظریه‌پردازان، برخی از ترکیبات فوق‌سنگین پرتون و نوترون ممکن است برای مدت چندین ثانیه، دقیقه یا روز دوام آورد و این زمانی امکان‌پذیر است که تعداد پروتون ها بین 114 تا 126 و تعداد نوترون‌ها حدود 184 باشد. اکنون واضح است که چرا تولید عناصر فوق‌سنگین پایدار از طریق برخورد عناصر سبک با عناصر سنگین امکان‌پذیر نیست، زیرا تعداد نوترون عنصر حاصل شده بسیار اندک است. بنابراین پژوهش‌گران در حال تغییر روش‌های خود از طریق تلاش برای ساخت ایزوتوپ‌های سنگین‌تر عناصری که قبلاً ایجاد کرده‌اند، هستند.

به همین دلیل دانشمندان سال آینده در موسسه‌ی تحقیقات هسته‌ای در دوبنا روسیه گرد هم می‌آیند تا ایزوتوپ‌های غنی از نوترون عنصری با عدد اتمی 118 را از طریق شلیک باریکه‌هایی از کلسیم48 به کالیفرنیوم پرتوزای251 بدست آورند.

به گفته‌ی یکی از پژوهش‌گران همواره تولید عنصر بعدی سخت‌ترین خواهد بود.

psi.ir