داخل المصنع الروسي الذي يصنع أثقل ذرات في الكون
بالنسبة إلى الـ118 عنصرًا، فإن أنماط الجدول الدوري ملائمة إلى حد معقول. لكننا قد ننتج ذرات ضخمة جدًا بحيث تخرق جميع القوانين
بقلم: كيت تشابمان Kit Chapman
المترجم: تامر صلاح
الجدول الدوري يلوح فوق أجزاء ومعدات في ركن هادئ بمختبر فليروف في دوبنا بروسيا.
تقع مدينة دوبنا Dubna في حضن غابات الصنوبر الكثيفة شمال موسكو بالقرب من نهر الفولغا. وليس ببعيد عن مركز المدينة يوجد طريق مُشجّر بمبان من الحقبة السوفييتية. ومن الواضح أنها شهدت أيامًا أفضل قبل زيارتي. وإشارة اقتراب قطار واضحٌ أنها معطلة، فأضواؤها الوامضة تعلن باستمرار عن مجيء قطار لا يمر أبداً، ونوافذ بعض المباني مكسورة. ففي الشارع هناك حاويات نيتروجين سائل مع علب فاصولياء قديمة تعمل كأغطية لها.
ولكن في مكان واحد داخل هذا المجمع، يحدث شيء رائد. وفي الحظيرة الخرسانية الواسعة ينشغل العُمّال ذوو القبعات الصلبة بتجميع واحدة من أقوى آلات البحث في العالم. بجواري وأنا أنظر إلى الشخص الوحيد الذي لا يزال حيًّا ممن أطلق اسمهم على عنصر يوري أوغانيسيان Yuri Oganessian، السيد عنصر118، يحدق بمودة تقريبًا بالقرص المعدني بعرض أربعة أمتار في وسط الحظيرة.
وهذا هو واحد من المكونات الأولى للجهاز الذي سيبدأ قريبًا باستخراج العناصر الكيميائية – ولكن ليست العناصر العادية. وستكون هذه العناصر فائقة الثقل Super heavy، بذرات ضخمة لدرجة أنها بالكاد تبقى موجودة لفترة بسيطة كافية للتأكد من وجودها.
ومن خلال صنع هذه الذرات الغريبة بكميات كافية للدراسة بشكل صحيح لأول مرة، يجب أن يكون أوغانيسيان وآلته قادرين على الإجابة عن بعض الأسئلة الكبيرة حول كيفية تكوين كوننا، وربما يوفران لنا مصدرًا قويًا للطاقة بشكل مذهل. بل قد يدحضان بعض القوانين التي تقوم عليها الجدول الدوري نفسه.
تعود ولادة الجدول الحديث إلى مدينة روسية أخرى، سانت بطرسبرغ. فمن هناك ساعد مستشار علمي يدعى ديمتري مندلييف Dmitri Mendeleev على التغلب على الفوضى التي كانت في علم الكيمياء قبل 150 عامًا.
ومع جدول مندلييف صارت أنماط الكيمياء أكثر منطقية. فقد نظم الروسي العناصر الـ 63 المعروفة طبقا للوزن الذري Atomic weight، الذي نعلم الآن أنه يحدد بعدد البروتونات والنيوترونات الموجودة في نواة الذرة. ومع إجرائه ذلك، فقد وجد أن بعض الخصائص الكيميائية كانت دورية، وتتكرر لكل ثمانية عناصر أو نحو ذلك. وقد رتب مندلييف أعمدة الجدول، بحيث يحتوي كل عمود على عناصر ذات سمات مماثلة. فالمجموعة الأولى، على سبيل المثال، تحتوي على فلزات لينة شديدة التفاعل مثل الليثيوم والصوديوم والبوتاسيوم. المجموعة الأخيرة تحتوي على غازات نبيلة Noble gases، سميت كذلك لأنها خاملة تماماً تقريباً.
نحن نعلم الآن أن هذه الأنماط في طريقة تفاعل العناصر تحكمها الإلكترونات التي تدور حول نواتها. ففي كل مرة ننتقل فيها خانة واحدة على طول الجدول، يكتسب العنصر بروتوناً موجب الشحنة مقارنة بالسابق، وكذلك إلكتروناً سالب الشحنة لتحقيق توازن الشحنة. وتتموضع الإلكترونات في سلسلة من الأغلفة متحدة المركز Concentric shells، تكون أكثر ثباتًا عند ملئها تمامًا. والسعة التي تملأ بها العناصر المختلفة أغلفتها هو ما يُسيِّر تفاعلها – وكل الكيمياء على الأرض، من إشارات الناقلات العصبية إلى تخليق المضادات الحيوية.
«العناصر الموجودة» في جزيرة الاستقرار «قد تكون وقودًا رائعًا لمحطات الطاقة النووية.»
ومع مرور الوقت اكتشف الكيميائيون المزيد من العناصر، وملؤوا بعض الثغرات التي تركها مندلييف في الجدول. وبحلول الأربعينات من القرن الماضي خلّقوا أول العناصر التركيبية، مثل التكتنيوم Technetium، الذي يُعَدّ غير مستقر لدرجة أنه لا يمكن أن يوجد بأي كمية قابلة للرصد على الأرض.
السبب وراء عدم الاستقرار هذا هو التنافس الأبدي بين اثنتين من القوى الأساسية للطبيعة. تجمع القوة القوية Strong force البروتوناتِ والنيوتروناتِ معًا في النواة الذرية، لكن القوة الكهرومغناطيسية Electromagnetic force تجعل البروتونات تتنافر مع بعضها البعض؛ لأن لديها الشحنة نفسها. لذا كلما زاد عدد البروتونات في العنصر، زاد احتمال فوز الكهرومغناطيسية وجعلها العنصر عنصراً غير مستقر. وأثقل العناصر التي صنعناها تستمر بالوجود فقط لجزء بسيط من الثانية.
ومع ذلك، نستمر بمحاولة تخليق عناصر جديدة عن طريق رصِّ المزيد من البروتونات والنيوترونات في نواة الذرة. لذلك، نحتاج إلى مُسرِّع (مُعجِّل) الجسيمات Particle accelerator. وقد استمر العمل من هذا النوع لسنوات في هذا المجمع في دوبنا، وهو المعهد المشترك للأبحاث النووية Joint Institute for Nuclear Research (اختصارا: المعهد JINR)، الذي أنشئ لمنافسة مختبر فيزياء الجسيمات في سيرن CERN بالقرب من جنيف بسويسرا خلال الحرب الباردة.
ومختبر فليروف هو جوهرة تاج المعهد JINR، حيث مسرّع معجل يدعى السيكلوترون Cyclotron أيونات موجبة الشحنة – ذرات بها عدد قليل جدًّا من الإلكترونات – حول مسار حلزوني باستخدام المغناطيس. وبمجرد أن تصل إلى السرعة اللازمة، تُقذف الأيونات على مسار لتتصادم بنواة مستهدفة. وتشطر معظم التصادمات ببساطة المكونات إلى أجزاء، ولكن في حالات نادرة تندمج لتكوِّن ذرة فائقة الثقل.
السيكلوترونات، مثل السيكلوترون المحال إلى التقاعد في دوبنا، كانت تولّد عناصر جديدة لعقود من الزمن.
وفي السنوات القليلة الماضية ولّدت مسرعات في اليابان وألمانيا وروسيا مجموعةً من العناصر الجديدة الفائقة الثقل بهذه الطريقة، حتى وصلنا إلى العنصر رقم 118. ولكننا لا نعرف شيئًا عنها. والتجربة الأكثر تطوراً حتى الآن تُطلق الذراتِ المُولَّدة حديثًا عبر مجموعة من المسامير الذهبية Gold pins ذات التدرج الحراري، وتبحث مقدار درجة حرارة الذهب التي يجب أن تلتصق عندها الذرات به. ولأي تجربة أكثر تعقيداً، ستحتاج إلى عينة أكبر من الذرات.
ومع ذلك، فهناك تلميحات إلى أن العناصر الفائقة الثقل لا تعمل بالقوانين نفسها التي تخضع لها العناصر الأخرى. يقول رولف-ديتمار هيرزنبرغ Rolf-Dietmar Herzberg من جامعة ليفربول University of Liverpool بالمملكة المتحدة: «نفترض أن الخواص الكيميائية في المجموعة تتغير بشكل منهجي بطريقة ما.» ولكن الحسابات تشير إلى أن العديد من العناصر الفائقة الثقل التي ولَّدناها بالفعل ستتصرف كغاز نبيل، على الرغم من أنها لا تتموضع في هذه المجموعة. وإذا كان الأمر كذلك، يقول: «عليك أن تسأل نفسك عما إذا كان الجدول الدوري كما نعرفه لا يزال ساري المفعول.»
لقراءة المزيد، يمكنك الحصول على نسخة من عدد العلوم مايو-يونيو على
