ابتكر العلماء للتو أخف أشكال المغنيسيوم في العالم - نظير لم يسبق له مثيل مع ستة نيوترونات فقط في نواته الذرية - داخل محطم ذرة عملاق.
وبينما تتفكك المادة بسرعة كبيرة جدًا بحيث لا يمكن قياسها مباشرة ، يتوقع الباحثون أن اكتشافهم سيساعد العلماء على فهم كيفية الذرات شيدت. ذلك لأن هذه النظائر الغريبة - نسخ من العناصر الكيميائية مع وجود عدد أكبر أو أقل من النيوترونات في نواتها من المعتاد - يمكن أن تساعد في تحديد حدود النماذج التي يستخدمها العلماء لمعرفة كيفية عمل الذرات.
قال كايل براون ، الكيميائي في منشأة لحزم النظائر النادرة في جامعة ولاية ميتشيغان في إيست لانسينغ:"من خلال اختبار هذه النماذج في جعلها أفضل وأفضل يمكننا استقراء كيفية عمل الأشياء حيث لا يمكننا قياسها". "نحن نقيس الأشياء التي يمكننا قياسها للتنبؤ بالأشياء التي لا يمكننا قياسها."
وقال إن نظير المغنيسيوم الجديد - المسمى المغنيسيوم 18 - لن يملأ كل الفجوات في المعرفة العلمية حول الذرات ، لكن الاكتشاف سيساعد في صقل النظريات التي طورها العلماء لشرحها. على وجه الخصوص ، تعطي قياسات الفريق لنواتج الاضمحلال الإشعاعي للنظير رؤى جديدة حول طاقات الربط للإلكترونات التي تدور حول النواة ، وفقًا ملخص البحث .
النوى الذرية
في الظروف العادية ، يعتبر المغنيسيوم النقي معدنًا رماديًا ناعمًا برقم ذري 12 ، مما يشير إلى أنه يحتوي على 12 بروتونًا - جزيئات ذات شحنة موجبة - في نواتها. إنه شديد الاشتعال ، وغالبًا ما يبهر الضوء الأبيض المكثف من شريط المغنيسيوم المحترق الطلاب في فصول الكيمياء.
مثل العديد من العناصر الكيميائية ، ينشأ المغنيسيوم في تفاعلات الاندماج للنجوم المسنة ، وهو موجود على الأرض لأن تلك النجوم الميتة منذ زمن طويل قد انفجرت على شكل مستعرات أعظم و "بذرت" السحب بين النجوم التي شكلت نظامنا الشمسي . المغنيسيوم وفير نسبيًا في الأرض القشرة ولها دور كيميائي مهم في العديد من المركبات البيولوجية والصناعية.
يحتوي النظير المستقر الأكثر شيوعًا للمغنيسيوم على 12 نيوترونًا - جسيمات ذات شحنة متعادلة - في كل نواة ، مما يعطي هذا الإصدار من العنصر كتلة ذرية تساوي 24. ونتيجة لذلك ، يطلق عليه المغنيسيوم 24.
من أجل تجاربهم ، قام الباحثون بتسريع حزمة من نوى المغنيسيوم 24 إلى حوالي نصف سرعة الضوء داخل مختبر السيكلوترون الوطني فائق التوصيل في جامعة ولاية ميشيغان - وهو مسرع جسيمات دائري عالي الطاقة. ثم أطلقوا الحزمة عالية السرعة من نوى المغنيسيوم على هدف من رقائق معدنية مصنوعة من البريليوم.
أسفر التصادم في تلك الخطوة من العملية عن "حساء" من نظائر المغنيسيوم الأخف وزنًا يمكن للباحثين الاختيار من بينها - نظير المغنيسيوم 20 غير المستقر ، الذي يحتوي على ثمانية نيوترونات فقط لكل نواة ويتحلل إشعاعيًا في بضع أعشار من الثانية.
عمل الباحثون على عكس عقارب الساعة ، ثم أطلقوا نواة المغنيسيوم 20 - مرة أخرى بحوالي نصف سرعة الضوء - على هدف آخر من البريليوم ، على بعد حوالي 100 قدم (30 مترًا).
كان أحد نواتج الاصطدام الناتج هو النظير المكتشف حديثًا ، المغنيسيوم 18 - "الأخف" نظير المغنيسيوم الذي شوهد على الإطلاق ، مع 12 بروتونًا وستة نيوترونات فقط في نواتها.
نظير نادر
معظم النوى الذرية "تحجب" نفسها بسرعة بالإلكترونات - جسيمات ذات شحنة سالبة - من بيئتها وتصبح ذرات عنصرية ، والتي يمكن أن تتحد بعد ذلك مع ذرات من أنواع أخرى لتكوين مركبات كيميائية.
لكن نظير المغنيسيوم 18 المكتشف حديثًا غير مستقر بشكل جذري وقصير جدًا:مع وجود عدد قليل جدًا من النيوترونات ، تتفكك النواة بسرعة ، مع نصف عمر - الوقت الذي تستغرقه نصف نواتها لتتفكك من الاضمحلال الإشعاعي - أقل من واحد سيكستليون من الثانية ، أو 10 ^ -21 ثانية.
وهذا يعني ، أنه يختفي بسرعة كبيرة جدًا بالنسبة لنواة المغنيسيوم -18 حتى تتاح لها فرصة إخفاء نفسها بإلكترونات وبالتالي فهي موجودة - وفقط لفترة وجيزة - على أنها نوى "عارية".
في الواقع ، يعتبر النظير قصير العمر لدرجة أن المغنيسيوم 18 لا يترك أبدًا البريليوم الهدف ولكنه يتحلل بداخله - ولذلك استنتج الباحثون وجوده من نواتج تحللها:البروتونات الشاردة ونظائر النيون 16 والأكسجين 14 ، حسبما جاء في البيان.
قال براون:"كان هذا مجهودًا جماعيًا". "إنه أمر مثير للغاية - فليس كل يوم يكتشف فيه الناس نظيرًا جديدًا."
حدد العلماء الآن عدة آلاف من النظائر لـ 118 عنصرًا مشتركًا في الجدول الدوري ، ويتم اكتشاف المزيد كل عام.
قال براون:"نضيف قطرات إلى دلو ، لكنها قطرات مهمة". "يمكننا وضع أسمائنا على هذا ، ويمكن للفريق بأكمله. وأقول لوالدي أنني ساعدت في اكتشاف هذه النواة التي لم يرها أحد من قبل".
براون هو المؤلف الرئيسي لمقال يصف الاكتشاف (يفتح في علامة تبويب جديدة) نُشر الأسبوع الماضي في مجلة Physical Review Letters. كما شارك علماء من جامعة بكين في الصين وجامعة واشنطن في سانت لويس.
