หมู่เกาะแห่งเสถียรภาพ

สมมติฐานและที่มา

แนวคิดความเป็นไปได้ที่จะมี "หมู่เกาะแห่งเสถียรภาพ" ได้ถูกเสนอครั้งแรกโดยเกลนน์ ที. ซีบอร์กในช่วงปลายทศวรรษที่ 1960 สมมติฐานได้กล่าวไว้ว่านิวเคลียสอะตอมได้ถูกสร้างขึ้นเป็นชั้นๆ ในรูปแบบที่คล้ายชั้นพลังงานของอิเล็กตรอนซึ่งมีขนาดใหญ่กว่าในอะตอม ในกรณีทั้งสอง ชั้นพลังงานเหล่านี้เป็นเพียงระดับพลังงานควอนตัมที่อยู่ค่อนข้างใกล้กันเท่านั้น ระดับพลังงานของสภาวะควอนตัมในชั้นพลังงานสองชั้นที่ต่างกันจะถูกคั่นด้วยช่องโหว่พลังงานที่ค่อนข้างใหญ่ ดังนั้นเมื่อจำนวนนิวตรอนและโปรตอนได้เติมเต็มระดับพลังงานของชั้นพลังงานในนิวเคลียสที่กำหนดไว้ พลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออนจะเพิ่มสูงขึ้นจนถึงค่าสูงสุดเฉพาะที่ฉะนั้นการจัดเรียงอีเล็กตรอนนั้นๆ จะมีช่วงชีวิตที่ยาวนานกว่าไอโซโทปใกล้เคียงซึ่งไม่มีชั้นพลังงานที่ถูกเติมจนเต็ม
ชั้นพลังงานที่ถูกเติมจนเต็มจะมีจำนวนโปรตอนและนิวตรอนที่เท่ากับเลขมหัศจรรย์ เลขมหัศจรรย์ที่เป็นไปได้สำหรับจำนวนนิวตรอนในนิวเคลียสทรงกลมคือ 114, 120 และ 126 ซึ่งหมายความว่าไอโซโทปทรงกลมที่เสถียรที่สุดจะเป็น ฟลีโรเวียม-298, อูนไบนิลเลียม-304 และ อูนไบเฮกเซียม-310 โดยเฉพาะอย่างยิ่ง Ubh-310 ซึ่งมีเลขมหัศจรรย์คู่ (เนื่องจากเลขโปรตอนของมันเท่ากับ 126 และเลขนิวตรอนของมันเท่ากับ 184 ซึ่งคาดว่าเป็นเลขมหัศจรรย์) จึงน่าจะมีครึ่งชีวิตที่ยาวนานมาก (ไอโซโทปที่มีนิวเคลียสทรงกลมและเลขมหัศจรรย์คู่ที่เบากว่าน่าจะเป็น ตะกั่ว-208 นิวเคลียสเสถียรที่หนักที่สุดและโลหะหนักที่เสถียรที่สุด)
ผลการวิจัยล่าสุดได้ชี้ให้เห็นว่านิวเคลียสที่มีขนาดใหญ่นั้นมีลักษณะผิดเพี้ยนจากทรงกลมเป็นทรงรี จึงทำให้เลขมหัศจรรย์เปลี่ยนไป อาทิเช่น ณ ตอนนี้คาดว่า ฮัสเซียม-270 เป็นนิวเคลียสรูปทรงผิดเพี้ยนที่ "มหัศจรรย์สองเท่า" ด้วยเลขมหัศจรรย์คู่ที่ผิดเพี้ยน 108 และ 162 อย่างไรก็ตาม มันมีครึ่งชีวิตเพียง 3.6 วินาที
ไอโซโทปที่มีจำนวนโปรตอนมากพอที่จะสามารถตั้งรากฐานไว้บนเกาะใดเกาะหนึ่งได้ถูกสังเคราะห์ขึ้นแล้ว แต่ทว่าไอโซโทปเหล่านี้มีจำนวนนิวตรอนที่น้อยเกินกว่าที่จะสามารถวางมันลงบนแม้แต่ "ชายฝั่ง" รอบนอกของเกาะเสียอีก เป็นไปได้ที่ว่าธาตุเหล่านี้จะมีสมบัติทางเคมีที่แตกต่างจากธาตุอื่นๆ และถ้าธาตุเหล่านี้มีไอโซโทปที่มีช่วงชีวิตยาวพอ อาจสามารถนำไปใช้ได้หลายประการ (เช่นเป้าหมายในเครื่องเร่งอนุภาครวมถึงการนำไปใช้เป็นต้นกำเนิดนิวตรอนอีกด้วย)

เกาะแห่งความสัมพันธ์เสถียรภาพ

²³²Th (ทอเรียม) ²³⁵U และ ²³⁸U (ยูเรเนียม) เป็นไอโซโทปที่พบเห็นในธรรมชาติเพียงไม่กี่ไอโซโทปเท่านั้นที่ค่อนข้างเสถียรที่อยู่หลังบิสมัทและมีครึ่งชีวิตยาวนานมากกว่าหรือใกล้เคียงกับอายุของจักรวาล บิสมัทได้ถูกค้นพบในปี 2546 ว่าไม่เสถียร และสลายตัวโดยการปล่อยอนุภาคแอลฟาออกมา ด้วยครึ่งชีวิตประมาณ 1.9×10¹⁹ ปีสำหรับ²⁰⁹Bi ไอโซโทปหลังบิสมัทที่เหลือทั้งหมดนั้นค่อนข้างไม่เสถียรหรือไม่เสถียรมาก ดังนั้นตารางธาตุหลักจึงสิ้นสุดตรงนั้น (ตามความคล้ายคลึงกันทางภูมิศาสตร์จุดนั้นจะอยู่บริเวณขอบของทวีป อย่างไรก็ตาม ไหล่ทวีปนั้นดำเนินต่อไปอย่างไม่รู้จบ น้ำตื้นจะเริ่มต้นที่เรเดียมและค่อยตกลงไปอีกทีหลังแคลิฟอร์เนียม โดยมีเกาะที่สำคัญตั้งอยู่ที่ทอเรียมและยูเรเนียม และเกาะเล็กเกาะน้อยอย่างเช่นพลูโทเนียม ซึ่งเกาะทั้งหมดถูกล้อมรอบโดย "ทะเลแห่งความไม่เสถียร"  (อังกฤษ: sea of instability) โดยแสดงให้เห็นว่าธาตุเช่นแอสทาทีน เรดอน และ แฟรนเซียม มีความสัมพันธ์กับธาตุเบาทั้งหมด และยังมีครึ่งชีวิตที่น้อยมากีกดวย ยกเว้นธาตุหนักที่ถูกค้นพบมาแล้วทั้งหมดจนถึงตอนนี้
การตรวจสอบเชิงทฤษฎีเมื่อไม่นานมานี้ได้แสดงให้เห็นว่าในบริเวณ Z=106–108 and N≈160–164 "เกาะ/คาบสมุทร" สักแห่งอาจเสถียรโดยคำนึงถึงนิวเคลียร์ฟิชชั่นและการปล่อย β⁻ ออกมา นิวเคลียสหนักยิ่งยวดเช่นนั้นสลายตัวโดยการปล่อยอนุภาคออกมาเท่านั้นยิ่งไปกว่านั้น ²⁹⁸Fl ไม่ใช่ใจกลางของเกาะมหัศจรรย์ดังที่เคยคาดการณ์ไว้ ในทางตรงกันข้าม นิวเคลียสที่มี Z=110 และ N=183 (²⁹³Ds ) ดูเหมือนว่าจะอยู่ใกล้ใจกลางของ "เกาะมหัศจรรย์" ที่เป็นไปได้ (Z=104–116 และ N≈176–186) ในบริเวณ N≈162 ²⁶⁸Sg รอดชีวิตจากการสลายตัวแบบบีตา-เสถียรและนิวเคลียร์ฟิชชั่นและครึ่งชีวิตของการสลายตัวให้อนุภาคแอลฟาที่ทำนายไว้ของไอโซโทปนี้อยู่ราว ~3.2 ชั่วโมง มากกว่า ²⁷⁰Hs (~28 วินาที) ซึ่งมีนิวเคลียสรูปทรงผิดเพี้ยนที่มหัศจรรย์สองเท่า อย่างไรก็ตาม นิวเคลียสหนักยิ่งยวด ²⁶⁸Sg นั้นยังไม่เคยถูกสังเคราะห์ขึ้นในห้องทดลอง (พ.ศ. 2552) ส่วนสำหรับนิวเคลียสหนักยิ่งยวดที่ Z>116 และ N≈184 นั้นครึ่งชีวิตของการสลายตัวให้อนุภาคแอลฟานั้นได้ถูกทำนายว่าน่าจะต่ำกว่าหนึ่งวินาที นิวเคลียสที่ Z=120, 124, 126 และ N=184 นั้นน่าจะเป็นนิวเคลียสทรงกลมมหัศจรรย์คู่และเสถียรเมื่อคำนึงถึงนิวเคลียร์ฟิชชั่นการคาดการณ์จากแบบจำลองควอนตัมทันเนลลิ่งได้แสดงให้เห็นว่านิวเคลียสที่หนักยิ่งยวดเช่นนั้นจะสลายตัวโดยการปล่อยอนุภาคแอลฟาออกมาภายในไมโครวินาทีหรือน้อยกว่านั้น