החמצן הכבד ש(אולי)
יהרוס את הקסם

האטום הוא חלקיק המורכב מגרעין המכיל פרוטונים ונייטרונים המוקפים באלקטרונים, והוא היחידה הבסיסית של כל יסוד כימי. יסודות נבדלים זה מזה במספר הפרוטונים בגרעין. איזוטופים של יסודות כימיים מכילים מספר פרוטונים זהה, ונבדלים זה מזה רק במספר הנייטרונים. איזוטופים משמשים במחקר רפואי וארכאולוגי, בתעשייה, לייצור נשק גרעיני ובתחומים נוספים. נהוג למספר איזוטופים בהתאם לסך הפרוטונים והנייטרונים בגרעין שלהם: פחמן-14, למשל, שמשמש להערכת גילם של חומרים אורגניים מהעבר הרחוק, מכיל שישה פרוטונים ושמונה נייטרונים. לעומתו האיזוטופ היציב פחמן-12, שהוא השכיח ביותר בטבע, מכיל שישה פרוטונים ושישה נייטרונים.

מאמר שהופיע לאחרונה בכתב העת Nature, וחתום בידי צוות חוקרים בינלאומי שהוביל את הניסוי ביפן, מציג את סיפורו של האיזוטופ חמצן-28, בן דוד של החמצן שאנחנו נושמים. לפי התחזיות חמצן-28 אמור היה להיות יציב מאוד – עד שנצפה בניסוי והתגלה כבלתי יציב בעליל. ייתכן שהדבר ייאלץ את הפיזיקאים להתאים את המודל התיאורטי שמאחורי התחזית הזאת, אולם בפיזיקת החלקיקים נהוג לשדרג את המודל בעקבות תצפיות לעיתים קרובות למדי, כך שספק אם נראה גל התפטרויות המוני של פיזיקאים בעקבות התוצאות החדשות.

לפי "מודל הקליפות", שזיכה את מפתחיו, מריה גופרט מאייר (Goeppert Mayer) ויוהנס הנס דניאל ינסן (Jensen) בפרס נובל לפיזיקה בשנת 1963, אפשר לחזות באמצעות אוסף כללים בסיסי אילו גרעיני אטומים יהיו יציבים – אפילו אם יחזיקו מעמד רק כמה דקות לפני שיתפרקו. כשמספר הפרוטונים או הנייטרונים הוא 2, 8, 20, 28, 50, 82 או 126 – תיתכן יציבות. המספרים האלה מכונים "מספרי קסם". אם גם מספר הפרוטונים וגם מספר הנייטרונים הם מספרי קסם, הגרעין צפוי להיות "קסום כפליים" וכנראה גם יותר יציב. אחת מהשיטות הוותיקות והמדויקות לחישוב מודל הקליפות היא פרי עבודתו של יגאל תלמי ממכון ויצמן למדע.

לא כל גרעין אטום תיאורטי אכן יכול להיות יציב. כיוון שהפרוטונים טעונים במטענים חשמליים חיוביים, שדוחים זה את זה, הכוח הגרעיני החזק – שמצמיד את הפרוטונים והנייטרונים אלה לאלה – צריך לגבור על הכוח החשמלי. אם הכוח החשמלי חזק יותר, הגרעין לא יחזיק מעמד וימהר להתפרק.

האטום מורכב מגרעין המכיל פרוטונים ונייטרונים המוקפים באלקטרונים. אילוסטרציה של אטום חמצן עם שמונה, תשעה או עשרה נייטרונים | Shutterstock, PK Designs

חמצן-28 והיציבות התיאורטית

במחקר הנוכחי ניסו לבחון איזוטופ של חמצן, שגרעינו כולל בסך הכול 28 חלקיקים: שמונה פרוטונים, שמגדירים אותו כחמצן, ו-20 נייטרונים. בחמצן שאנו נושמים, לשם השוואה, יש שמונה פרוטונים ושמונה נייטרונים. אם נבחן את המספרים הללו מול רשימת "מספרי הקסם", נגלה שגם חמצן-16 (מספרו האיזוטופי של החמצן שבאוויר) וגם חמצן-28 הם "קסומים כפליים". לפיכך, כשם שחמצן-16 הוא יציב מאוד, גם חמצן-28 היה אמור להיות כזה.

הפקת חמצן-28 אינה פשוטה כלל. לשם כך נקטו החוקרים מאמצים חריגים, שחלקם נוסו לראשונה במחקר הזה. הם השתמשו בלוח בריליום, שלו ארבעה פרוטונים, והפגיזו אותו באלומה של אטומי סידן-48. כתוצאה מההתנגשות בין אטומי הסידן-48 והבריליום, נפלט האיזוטופ פלואור-29, שגרעינו דומה מאוד לגרעין של חמצן-28 שלנו, מלבד פרוטון אחד נוסף. כדי להיפטר מהפרוטון העודף, הטיחו החוקרים את הפלואור-29 אל "קיר" עשוי מימן נוזלי. בתהליך הזה הפרוטון יצא החוצה והתקבל חמצן-28 כמבוקש.

להפתעת החוקרים, החמצן-28 התפרק תוך זמן קצר במיוחד לחמצן-24 וארבעה נייטרונים. ההתפרקות הייתה מהירה עד כדי כך שהחוקרים אפילו לא הספיקו למדוד את זמן מחצית החיים של האיזוטופ – הזמן שבו מחצית מכמות הגרעינים מתפרקת. 

עם זאת, מדידת תוצרי הפירוק היא הישג בפני עצמו. על מנת שאפשר יהיה לומר בוודאות שהנייטרונים נפלטו כתוצאה מהתהליך, יש למדוד אותם סימולטנית, כל הארבעה בעת ובעונה אחת. אלא שלנייטרונים אין מטען חשמלי, ולכן קשה למדוד אותם באמצעים שגרתיים. לצורך המדידה שאלו החוקרים גלאי מיוחד ממרכז מחקר בגרמניה, שמאתר נייטרונים בעזרת הפרוטונים שנמצאים סביבם. 

החמצן-28 התפרק תוך זמן קצר במיוחד לחמצן-24 וארבעה נייטרונים. אילוסטרציה של האטום והנייטרונים העוזבים אותו | Andy Sproles/ORNL

סופו של הקסם?

"זהו לא הרמז הראשון לכך שרשימת מספרי הקסם של הפיזיקאים לא תמיד עובדת", אמרה ריטופארנה קאנונגו (Kanungo) מאוניברסיטת סנט מארי בקנדה. קאנונגו עצמה הייתה חלק מצוות פיזיקאים שהראה ב-2009 שחמצן-24 הוא דווקא יציב למדי, אף שאינו "קסום כפליים". 

"מספרי קסם הם לא נצחיים", הוסיף רוברט ינסנס (Janssens) מאוניברסיטת צפון קרוליינה. כמו פיזיקאים רבים אחרים, התוצאות החדשות מציתות את דמיונו. "זה כל כך פשוט וכל כך מורכב, ואנו לא יודעים כרגע כמה פרוטונים ונייטרונים אפשר לצרף לגרעין יציב. במילים אחרות, מה הגבול?"