ما هي “الأرقام السحرية” في الفيزياء النووية، ولماذا هي قوية جدًا؟

بعض الذرات مستقرة، بينما يبدو بعضها الآخر متفككًا. من المحتمل أن يستمر الرصاص 208 إلى الأبد، في حين أن النظير الاصطناعي التكنيشيوم 99 موجود لمدة ساعات فقط. ويكمن الاختلاف في بنية نواة الذرة، مع بعض “الأرقام السحرية” النووية جزيئات مما يجعل بعض النظائر مقاومة بشكل خاص للتحلل الإشعاعي.

إذن ما هي هذه الأرقام السحرية، ولماذا هي مميزة جدًا؟

يختلف استقرار النوى الذرية بشكل كبير باختلاف عدد الجزيئات النووية التي تحتوي عليها. بعضها، مثل الرصاص 208 والكالسيوم 40، كان موجودًا منذ تشكل الأرض لأول مرة. والمعروفة باسم النظائر البدائية، ومن المرجح أن تبقى على قيد الحياة حتى نهاية الزمن. والبعض الآخر، مثل أوغانيسون-294 وتينيسين-294، يُفقد بسبب الاضمحلال الإشعاعي في لحظة، مع نصف عمر عابر يبلغ 0.89 و0.80 مللي ثانية فقط، على التوالى.

يبدو أن هذا الاستقرار مرتبط جزئيًا بكتلة الذرة، حيث تكون العناصر الأثقل أقل استقرارًا. ولكن في الأربعينيات والخمسينيات من القرن الماضي، لاحظ العلماء أن العديد من تحتوي العناصر الأخف أيضًا على نظائر مشعة; يخضع كل من الكربون 14 والبوتاسيوم 40 للتحلل الإشعاعي ببطء ويكونان مسؤولين عن الكثير من الإشعاع الخلفي للكوكب.

ومن المثير للاهتمام أن هؤلاء العلماء لاحظوا أن أعدادًا معينة جدًا من البروتونات والنيوترونات يبدو أنها تؤدي إلى نوى مستقرة بشكل غير عادي، وأصبحت هذه القيم تُعرف بالأرقام السحرية.

وقال “الأرقام السحرية هي 2 و 8 و 20 و 28 و 50 و 82 و 126”. ديفيد جنكينز، عالم فيزياء نووية في جامعة يورك في المملكة المتحدة “إذا أخذت أخف واحد – بروتونين ونيوترونين – فهذه هي نواة ذرة الهيليوم، ونحن نعلم أن هذا مزيج مستقر للغاية من البروتونات والنيوترونات.”

متعلق ب: لماذا ليست نواة الذرة مستديرة؟

لعبة شل

تنبعث نوى الهيليوم، والمعروفة أيضًا باسم جسيمات ألفا، تلقائيًا من جسيمات أثقل وغير مستقرة الذرات أثناء تعرضهم للاضمحلال النووي.

قال جينكينز: “إذا فكرت في الأمر، فهذا غريب جدًا”. “إذا كانت الذرة سوف تتحلل، فلماذا لا تفقد البروتونات أو النيوترونات واحدا تلو الآخر؟ والسبب هو أن جسيم ألفا مستقر للغاية، وهذا مرتبط بفكرة الأعداد السحرية.”

تشمل النوى السحرية الأخرى الأكسجين-16 (ثمانية بروتونات وثمانية نيوترونات)، والكالسيوم-40 (20 بروتونًا و20 نيوترونًا)، والرصاص-208 (82 بروتونًا و126 نيوترونًا)، وهو أثقل عنصر مستقر معروف.

لفهم هذه الملاحظات الغريبة، اقترح الفيزيائيون “نموذج الغلاف النووي”، الذي يقارن بين الأغلفة الإلكترونية المستخدمة لشرح السلوك الكيميائي للذرات.

وأوضح جنكينز: “كانت الفكرة هي أن البروتونات والنيوترونات تتواجد في أغلفة، تشبه إلى حد ما الإلكترونات الموجودة في الذرة، وأن الإثارة النووية ستتضمن قفز البروتونات والنيوترونات لأعلى ولأسفل بين تلك الأغلفة”.

مثل نظائرها الإلكترونية، تتمتع هذه الأغلفة النووية بقيم طاقة ثابتة تُعرف بالحالات الكمية، ويكون النظام أكثر استقرارًا عندما تمتلئ هذه الأغلفة بالكامل. السبب الدقيق وراء ذلك هو مزيج معقد من ميكانيكا الكم العوامل، ولكن يعتقد أن قوة قوية – التفاعل الأساسي الذي يجمع البروتونات والنيوترونات معًا في النواة – أعلى من المتوقع لكل جسيم في الأغلفة المكتملة.

وبالتالي فإن الأرقام السحرية هي ببساطة أعداد الجسيمات المطلوبة لملء كل من هذه الأغلفة النووية، مع مستويات منفصلة للبروتونات والنيوترونات. يمكن للنظائر الفردية أن تكون سحرية منفردة، مع عدد سحري من البروتونات أو النيوترونات (على سبيل المثال، النظير البدائي الحديد-56)، أو سحر مضاعف، مع أعداد سحرية لكل من البروتونات والنيوترونات (مثل الأكسجين-16 والرصاص-208).

وقال جينكينز إن هذه الأنظمة السحرية المضاعفة قليلة ومتباعدة، لكنها تمتلك بعض الخصائص الكمومية المثيرة للاهتمام.

وقال: “إن الأنظمة السحرية المضاعفة لها توزيع كروي للمادة والشحنة” – وهي نواة مستديرة بالكامل. “معظم النوى تتشوه وتدور. لديهم هيكل مختلف للغاية.”

ولا أحد يعرف إلى أي مدى سيمتد هذا النموذج. القصدير-100 — أثقل نواة سحرية مضاعفة، تحتوي على 50 بروتونًا و50 نيوترونًا — نصف عمر 1.2 ثانية فقط، في حين أن الأنبيهكسيوم، العنصر السحري التالي بعد الرصاص، لم يتم تصنيعه أبدًا. ولذلك، فإن ما إذا كان تعزيز الاستقرار السحري هذا سيكون كافيًا للسماح للعلماء بإضافة صف ثامن إلى الجدول الدوري يظل سؤالًا مفتوحًا.

---