اعداد جادویی در فیزیک هسته‌ای چه هستند و چرا بسیار قدرتمندند؟

چرا بعضی عناصر تنها چند دقیقه یا چند ساعت دوام می‌آورند، در حالی که برخی دیگر میلیاردها سال پایدار باقی می‌مانند؟ پاسخ این پرسش در چیزی نهفته است که فیزیکدان‌ها آن را «اعداد جادویی» می‌نامند.

به گزارش زومیت، برخی اتم‌ها بسیار پایدار هستند و به‌راحتی از هم نمی‌پاشند، در حالی که برخی دیگر خیلی سریع دچار واپاشی می‌شوند. برای مثال، ایزوتوپ سرب-۲۰۸ تقریباً جاودانه است، اما ایزوتوپ مصنوعی تکنسیم-۹۹ تنها چند ساعت عمر دارد. دلیل این تفاوت در ساختار هسته اتم‌هاست؛ جایی که وجود تعداد خاصی از ذرات هسته‌ای می‌تواند بعضی ایزوتوپ‌ها را در برابر واپاشی رادیواکتیو بسیار مقاوم کند.

پایداری هسته‌های اتم به شدت متفاوت است. بعضی هسته‌ها مانند سرب-۲۰۸ یا کلسیم-۴۰ از زمان شکل‌گیری زمین وجود داشته‌اند و هنوز هم هستند. این‌ها به «ایزوتوپ‌های اولیه» معروف‌اند و احتمالاً تا پایان عمر جهان باقی خواهند ماند. در مقابل، هسته‌هایی مثل اوگانسون-۲۹۴ یا تنسین-۲۹۴ در کسری از ثانیه از بین می‌روند و نیمه‌عمر آن‌ها کمتر از یک هزارم ثانیه است.

شاید تصور کنید پایداری هسته فقط به جرم اتم بستگی دارد و عناصر سنگین‌تر ناپایدارترند. اما این توضیح کامل نیست. آن‌طور که لایوساینس می‌نویسد، در دهه‌های ۱۹۴۰ و ۱۹۵۰ دانشمندان متوجه شدند حتی عناصر سبک‌تر نیز ایزوتوپ‌های رادیواکتیو دارند. برای نمونه، کربن-۱۴ و پتاسیم-۴۰ هر دو به آرامی دچار واپاشی می‌شوند و بخشی از پرتوهای طبیعی اطراف ما را به وجود می‌آورند. نکته جالب اینجا بود که پژوهشگران متوجه شدند تعداد خاصی از پروتون‌ها یا نوترون‌ها در هسته موجب پایداری غیرعادی آن می‌شود. این مقادیر ویژه بعدها «اعداد جادویی» نام گرفتند.

اعداد جادویی عبارت‌اند از: ۲، ۸، ۲۰، ۲۸، ۵۰، ۸۲ و ۱۲۶. دیوید جنکینز، فیزیکدان هسته‌ای از دانشگاه یورک در انگلستان می‌گوید: «اگر به اولین عدد جادویی نگاه کنیم، یعنی دو پروتون و دو نوترون، به هسته هلیوم می‌رسیم. می‌دانیم این ترکیب یکی از پایدارترین حالت‌ها در طبیعت است.»

یکی از شگفتی‌های مربوط به اعداد جادویی پدیده‌ای به نام واپاشی آلفا است. در این فرآیند، هسته‌های سنگین و ناپایدار به جای آنکه یک پروتون یا یک نوترون را جدا کنند، کل یک هسته هلیوم (۲ پروتون + ۲ نوترون) را بیرون می‌دهند. دلیل این اتفاق، پایداری فوق‌العاده هسته هلیوم است که خودش نمونه‌ای از عدد جادویی محسوب می‌شود.

نمونه‌های دیگر از هسته‌های جادویی شامل اکسیژن-۱۶ (۸ پروتون و ۸ نوترون)، کلسیم-۴۰ (۲۰ پروتون و ۲۰ نوترون) و سرب-۲۰۸ (۸۲ پروتون و ۱۲۶ نوترون) هستند. سرب-۲۰۸ سنگین‌ترین هسته پایدار شناخته‌شده است.

برای توضیح این رفتار عجیب، فیزیکدان‌ها مدل تازه‌ای به نام مدل پوسته‌ای هسته پیشنهاد دادند. این مدل شباهت زیادی به مدل پوسته‌ای در شیمی دارد که در آن الکترون‌ها در لایه‌های مشخصی قرار می‌گیرند. درست همان‌طور که پر شدن کامل یک لایه الکترونی موجب پایداری اتم می‌شود، پر شدن کامل پوسته‌های هسته‌ای هم باعث پایداری هسته اتم است. این لایه‌ها یا پوسته‌های هسته‌ای دارای انرژی‌های مشخص و کوانتومی هستند و وقتی پر می‌شوند، هسته به وضعیت متقارن و پایدار می‌رسد. دلیل اصلی این پایداری هم به نیروی هسته‌ای قوی مربوط می‌شود که پروتون‌ها و نوترون‌ها را کنار هم نگه می‌دارد.

با وجود این، هنوز نمی‌دانیم این مدل تا کجا جواب می‌دهد. برای نمونه، قلع-۱۰۰ (۵۰ پروتون + ۵۰ نوترون) که جادویی مضاعف به حساب می‌آید، نیمه‌عمر ۱٫۲ ثانیه دارد! یا عنصر فرضی بعد از سرب که باید عدد جادویی ۱۲۶ را داشته باشد، تاکنون ساخته نشده است. بنابراین هنوز مشخص نیست آیا این پایداری جادویی می‌تواند به ساخت ردیف جدیدی در جدول تناوبی کمک کند یا خیر.

خلاصه اینکه اعداد جادویی مقادیری خاص از پروتون‌ها یا نوترون‌ها هستند که وقتی در هسته وجود داشته باشند، اتم به شکل غیرعادی پایدار می‌شود. این پایداری به پر شدن کامل پوسته‌های هسته‌ای و اثر نیروی هسته‌ای قوی برمی‌گردد. اما در عناصر سنگین‌تر، حتی این ویژگی هم همیشه کافی نیست و پژوهشگران همچنان به دنبال کشف رازهای بیشتر در مورد این اعداد هستند.