מאז שדמיטרי מנדלייב שרטט את הטבלה המחזורית שלו, נוספו לה לא מעט יסודות חדשים. כמעט כולם מיוצרים במעבדה, קיימים במשך שברירי שנייה ואז שוב מתפרקים. איך יוצרים יסודות מלאכותיים כאלה?
בעבר, יסודות חדשים התגלו בעיקר על ידי כימאים. עבודתם התחילה בדרך כלל בתרכובת שנמצאה בטבע והכילה כמה יסודות קשורים זה לזה בקשר כימי. הכימאים היו צריכים לזהות שמדובר בתרכובת, ואז למצוא - או להמציא - דרכים מקוריות כדי להפריד את התרכובות ליסודות המרכיבים אותן ולאפיין את תכונותיהם של היסודות החדשים.
ב-1869, כאשר דמיטרי מנדלייב סידר את 63 היסודות שהתגלו עד אז בטבלה המחזורית המפורסמת שלו, הוא לא הסתפק ביסודות האלה. מנדלייב השאיר בטבלה שלו מקומות ריקים שהיו מיועדים ליסודות שהוא הסיק שאמורים להיות שם, אבל טרם התגלו. בטבלה המחזורית המקורית, היסוד הכבד ביותר היה אורניום, שמספרו האטומי 92; היום כבר שובצו בטבלה לא מעט יסודות נוספים וכבדים ממנו, עד המספר האטומי 118. הייתכן שמנדלייב טעה?
כאן הדיון הופך להיות קצת יותר מורכב, מפני שכמעט כל היסודות שמחוץ לטבלה המחזורית המקורית של מנדלייב אינם יסודות טבעיים, אלא יסודות מלאכותיים – מעשה ידי אדם (חוץ מפלוטוניום, שנמצא בכמויות זעירות בטבע).
דרושה אנרגיה רבה כדי להתגבר על כוחות הדחייה החשמלית בין גרעינים. מאיץ הסיכנרוטרון ב-CERN | מקור: Science Photo Library
איך יוצרים יסוד מלאכותי?
כיום כבר לא מגלים יסודות, אלא. יוצרים אותם. היסודות החדשים, שנקראים יסודות כבדים או סופר-כבדים, אינם יציבים מספיק כדי להתקיים בטבע. רובם נוצרים בתנאי מעבדה מבוקרים היטב, וגם אז הם נוצרים בסבירות נמוכה מאוד וקיימים רק זמן קצר מאוד לפני שהם עוברים התפרקות רדיואקטיבית ליסודות קלים יותר.
כדי ליצור יסוד חדש צריך לייצר אטום שבגרעין שלו יש לפחות פרוטון אחד יותר ממספר הפרוטונים בגרעין של היסוד הכבד ביותר שנוצר או התגלה. כדי להבין את תהליך היצירה של יסוד חדש, אפשר לחשוב על שתי טיפות מים: בכל טיפה יש מספר מסוים של מולקולות מים, וכשהטיפות נפגשות ומתאחות זו עם זו, מתקבלת טיפת מים גדולה יותר ובה יותר מולקולות מים. גם יסודות סופר-כבדים נוצרים על ידי איחוי של אטומים ויונים (אטומים טעונים) לאטום בעל גרעין גדול יותר, שמכיל יותר פרוטונים. זה היסוד החדש שלנו.
ההבדל המרכזי הוא, שהרבה יותר קשה לאחות אטומים מאשר טיפות מים. לאטומים יש גרעין חיובי שמורכב מפרוטונים בעלי מטען חיובי ומניטרונים חסרי מטען. רק כאשר הגרעינים קרובים מספיק זה לזה, הם יכולים להתאחד. כשמנסים לקרב את האטומים זה לזה כדי שיתאחו, הגרעינים החיוביים דוחים זה את זה בעוצמה רבה. דמיינו את הדחייה שמרגישים אם מנסים לקרב זה לזה שני קטבים זהים של מגנטים. כדי להתגבר על הדחייה האלקטרוסטטית בין הגרעינים החיוביים, משתמשים בהמון המון אנרגיה. הרעיון המתוחכם שהגו טובי המוחות בעולם הוא פשוט להטיח את הגרעינים אלו באלו במהירות גבוהה מספיק כדי שהם יתקרבו במידה מספקת ליצירת איחוי.
כדי להאיץ את הגרעינים משתמשים במאיץ חלקיקים מעגלי שנקרא סינכרוטרון, שמאפשר האצה של חלקיקים כבדים. למשל, בעבור היסוד מוסקוביום, שמספרו האטומי, כלומר מספר הפרוטונים בגרעין שלו, הוא 115, משתמשים ביון של סידן (שמספרו האטומי 20) שמואץ במעגלים באנרגיה הולכת וגדלה על ידי מערכת של מגנטים ומתחים חשמליים. כשהמערכת מגיעה למהירויות הדרושות, מפגישים את היון המואץ עם חומר המטרה – אטומי אמריציום שמספרם האטומי 95, כדי לייצר יסוד סופר-כבד בעל מספר אטומי השווה לסכום המספרים האטומיים של הסידן והאמריציום: 115.
רק באחת מכל מיליארד-מיליארדי התנגשויות יווצר אטום חדש. תרשים של התנגשות גרעינים | מקור: Science Photo Library
סיכוי קלוש
אבל אפילו כשמפגישים אטומים באנרגיה הדרושה, הסיכוי שהאטומים יתאחו וייצרו את האטום הסופר-כבד הוא קטן מאוד. למעשה, בדוגמה שהבאנו לעיל, רק יון סידן אחד מבין 1018 יונים שיעברו האצה ויוטחו במטרת האמריציום יצליח ליצור אטום מוסקוביום. מדובר ביון אחד מבין מיליארד מיליארדי יונים.
קשה מאוד לזהות אירוע שהסבירות להתרחשותו נמוכה כל-כך, ודאי כשמדובר ביסוד שקיים גם כך למשך זמן קצר מאוד, כי הוא רדיואקטיבי ומתפרק תוך שבריר שנייה ליסוד אחר, קל יותר. לכן משתמשים בגלאים מתוחכמים ובשיטות הפרדה שמאפשרות לזהות את הקיום של היסוד ואת ההתפרקויות הרדיואקטיביות שלו ושל היסודות הקלים יותר שנוצרים אחריו בשרשרת.
לא קל לייצר יסודות חדשים, ואנו משקיעים זמן רב ומשאבים אדירים כדי לייצר את היסודות הסופר-כבדים למשך שבריר קצרצר של שנייה. אז מדוע אנו עושים זאת? כי על הדרך, אנחנו לומדים הרבה על הפיזיקה של היקום ודוחפים עוד קצת הלאה את גבולות הקיום שלנו.
סרטון של Chemistry World על יצירת יסודות סופר-כבדים (באנגלית):
