יסוד על-כבד

יסוד על-כבד או טרנסאקטיניד הוא יסוד שהמספר האטומי שלו גדול מ-103 (למרות שיש המגדירים זאת כגבוה מ-100, או כגבוה מ-112). המונח "איזוטופים על-כבדים" (של יסוד כלשהו) ו"גרעינים על-כבדים" מתארים איזוטופים בעלי מסה גבוהה, וגרעינים בעלי מסה גבוהה (ליסוד הנתון), בהתאמה. יסודות על-כבדים נוצרים בתגובות היתוך גרעיניות שמאחות שני גרעינים שונים בעלי גודל שונה זה בזה. ככל שההפרש בין המסות של שני הגרעינים המגיבים גדול יותר כך קיים סיכוי גדול יותר שיעברו היתוך. גרעיני האטום הכבד יותר מבין השתיים הופכים למטרה, ומופצצים באלומת חלקיקים של גרעיני האטום הקל יותר. שני גרעינים יכולים לעבור היתוך גרעיני רק אם הם קרובים מספיק זה אל זה. באופן טבעי, גרעינים (שמטענם הוא חיובי), דוחים זה את זה דחייה אלקטרוסטטית. הכוח החזק יכול להתגבר על דחייה זאת, אך רק כשהגרעינים במרחק זעום זה מזה. לכן אלומת הגרעינים מואצת על מנת ליצור מצב בו הדחייה היא אפסית ביחס למהירות האלומה, וחלקיקי האלומה יוכלו להתקרב מספיק למטרה. למרות זאת, רוב הגרעינים שייתקרבו זה לזה יישארו ביחד במשך כ 10 − 20 {\displaystyle 10^{-20}} שניות ואז יפרדו (לא בהכרח באותו הרכב כמו לפני התגובה), במקום לעבור היתוך וליצור גרעין אחד. אם היתוך אכן מתרחש, המיזוג הזמני הנקרא "גרעין מורכב" נמצא במצב מעורר. בכדי לחזור מהמצב המעורר למצב יציב יותר, הגרעין המורכב עובר ביקוע גרעיני או פולט אחד או יותר נייטרונים. דבר המשחרר את אנרגיית העירור. תהליך זה מתרחש בערך ב 10 − 16 {\displaystyle 10^{-16}} שניות הראשונות שלאחר ההיתוך. האלומה עוברת דרך המטרה ומגיעה לחלק הבא, המפריד. אם גרעין חדש נוצר הוא יסחב עם האלומה אל המפריד. במפריד, הגרעין החדש מופרד משאר הגרעינים (של האלומה המקורית וכל תוצרי הלוואי האחרים) ומועבר לגלאי מוליך למחצה שעוצר את הגרעין, המיקום בו נעצר הגרעין נרשם בגלאי, בנוסף הגלאי גם מסמן את האנרגיה של הגרעין והזמן שלקח לו להגיע אליו. תהליך זה לוקח כ 10 − 6 {\displaystyle 10^{-6}} שניות, ועל מנת לזהותו, על הגרעין לשרוד לפחות את משך הזמן הזה. בנוסף הגלאי רושם את המיקום הזמן והאנרגיה כשהגרעין מגיע לדעיכה. יציבות הגרעין תלויה בכוח החזק, למרות זאת, תחומו מאוד קטן, וככל שהגרעין יהיה גדול יותר כך תקטן השפעתו של הכוח על הנוקליאונים בקצוות הגרעין. בנוסף לכך, על הגרעין פועלים כוחות פירוק בעקבות הדחייה האלקטרוסטטית בין הפרוטונים בגרעין, שלעומת הכוח החזק, לדחייה האלקטרוסטטית תחום אינסופי. ולכן הגרעינים של היסודות הכי כבדים יתפרקו בעיקר על ידי סוגי דעיכה שנגרמים מדחייה אלקטרוסטטית: דעיכת אלפא ודעיכה אקראית. דעיכת האלפא נמדדת על ידי חלקיקי האלפא (הידועים גם כ- He 4 {\displaystyle {\ce {^4He}}} ) שנפלטו, ואת תוצרי הדעיכה ניתן לזהות בקלות עוד לפני זיהוי הדעיכה עצמה בגלאי. אם דעיכה כזאת או סדרה של דעיכות כאלה נותנת גרעין ידוע, את הגרעין המקורי של התגובה ניתן יהיה לקבוע אריתמטית במדידה עקיפה. דעיכה אקראית לעומת זאת, מייצרת כמה סוגי גרעינים כתוצרים ולכן לא ניתן לקבוע מהם את הגרעין המקורי. אם כן, המידע היחיד המתקבל כאשר מסנתזים את אחד היסודות העל-כבדים הוא המיקום, האנרגיה והזמן של הגעת החלקיק לגלאי ושל דעיכתו. לאחר מכן, כתלות בתוצאות, ניתן להסיק כי זהו אכן יסוד חדש ושהתוצאות לא היו יכולות להיגרם על ידי שום חלקיק ידוע אחר. או, שהמידע שהתקבל אינו מספיק כדי להסיק שזהו אכן יסוד חדש ואין שום הסבר אחר חוץ מלהסיק שהיו שגיאות שהפריעו בתהליך. פרק זה לוקה בחסר. אנא תרמו לוויקיפדיה והשלימו אותו. ייתכן שתמצאו פירוט בדף השיחה. חסרים יסודות 119 ו-120. עד היום נוצרו 17 יסודות על-כבדים: יציבות האטום הטבלה המחזורית אי של יציבות קטרינה קרמר, Explainer: superheavy elements, Chemistry World, ‏2016 המעבדה הלאומית לורנס ליברמור, Discovery of Elements 113 and 115, ‏11 בספטמבר 2015 בשנת 2009, קבוצה במכון המאוחד למחקר גרעיני (JINR) בהובלת אוגאנסיאן פרסמה את תוצאות הניסיון שלהם לייצור האסיום בתגובה סימטרית Xe 136 + Xe 136 {\displaystyle {\ce {^136Xe + ^136Xe}}} , הקבוצה לא זיהתה אף לא אטום בודד שנוצר בריאקציה, ומשם הסיקו כי יש גבול עליון לשטח החתך (cross section) - המדד לסיכוי התגובה להתרחש, של 2.5 בארן. בתור השוואה, התגובה שבעקבותה התגלה האסיום הייתה Pb 208 + Fe 58 {\displaystyle {\ce {^208Pb + ^58Fe}}} , ולה היה סיכוי של כ-20 בארן, כפי שנאמד על ידי המגלים. יורי אוגאנסיאן, דימיטרייב ס.נ., ירמין א.ו., Attempt to produce the isotopes of element 108 in the fusion reaction 136Xe + 136Xe, Physical Review, ‏2009 סמנט' סברמאניין, Making New Elements Doesn't Pay. Just Ask This Berkeley Scientist, ביזנסוויק, ‏2019 ד. איבנוב, Superheavy steps into the unknown, N+1 (ברוסית), ‏2019 דוד הינד, Something new and superheavy at the periodic table, The Conversation, ‏2014 ככל שהגרעין במצב מעורר יותר, כך יפלטו יותר נייטרונים. אם אנרגיית המצב המעורר נמוכה מהאנרגיה המקשרת כל נייטרון לשאר הגרעין אז אף נייטרון לא יפלט, ובמקום, הגרעין המורכב יחזור מהמצב המעורר על ידי פליטת קרינת גמא אנטונין קרסה, Neutron Sources for ADS, האוניברסיטה הטכנית הצ'כית בפראג, ‏2010 ההגדרה לפי IUPAC, קובעת כי יסוד כימי יכול להיחשב כמגולה הגרעין שלו לא דעך בתוך 10 − 14 {\displaystyle 10^{-14}} שניות. ערך זה נבחר כהערכה לכמה זמן לוקח לגרעין להשיג את קליפת האלקטרונים החיצונית שלו ובכך להציג את תכונותיו הכימיות המתאימות. ערך זה מציין גם את הגבול העליון לזמן החיים של גרעין מורכב. א.ה. וופסטרה, Criteria that must be satisfied for the discovery of a new chemical element to be recognized, Pure and Applied Chemistry, ‏2019 דרלין כריסטיאן הופמן, א.ק. הייד, א.ל. קלר, A History and Analysis of the Discovery of Elements 104 and 105 (עמ' 67-68), ‏1987 Chemistry World, How to Make Superheavy Elements and Finish the Periodic Table, סיינטיפיק אמריקן, ‏2016 המפריד מתבסס על כך שהגרעין החדש שנוצר נע לאט יותר מאלומת הגרעינים האחרים. המפריד מכיל שדה אלקטרי ומגנטי שהשפעתם על חלקיקים נעים מתבטלת במהירויות ספציפיות של החלקיקים. המפריד יכול להיעזר גם בספקטרוסקופיית המסה זמן-התעופה ובמדידת אנרגיית הרתיעה. שילוב של שניהם יכול לאפשר הערכה של מסת הגרעין וולרי זגרבב, אלכסנדר קרפוב, וולטר גריינר, Future of superheavy element research: Which nuclei could be synthesized within the next few years?, Journal of Physics: Conference Series, ‏2013 ארתוא בייסר, Concepts of modern physics (6th ed.), ‏2003 מאחר שהמסה של הגרעין אינה מחושבת באופן ישיר אלא מחושבת מגרעינים אחרים, המדידה נקראת עקיפה. קיימות גם מדידות ישירות, אך הן לרוב בלתי אפשריות לגרעינים כבדים. המדידה הישירה הראשונה של גרעין כבד התבצעה בשנת 2018 בLBNL. המסה נקבעה לפי המיקום של הגרעין לאחר המעבר עם האלומה (המיקום מאפשר לגלות את המסלול שעבר, אשר קשור ליחס המסה-מטען של הגרעין מאחר שהמעבר נעשה תחת מגנט) יורי אוגאנסיאן, קרזיסטוף ריקצסקי, A beachhead on the island of stability, Physics Today, ‏2015 אנדרו גרנט, Weighing the heaviest elements, Physics Today, ‏2018 לורה האוס, Exploring the superheavy elements at the end of the periodic table, Chemical & Engineering News, ‏2019 לדוגמה, יסוד 102 זוהה בטעות בשנת 1957 במכון נובל לפיזיקה בסטוקהולם, שוודיה, לא היו טענות קודמות ליצירת היסוד, ושמו ניתן לו על ידי מגליו. לאחר מכן הראו כי הגילוי היה שגוי לאחר שLBNL לא הצליחו לשחזר את תוצאות הניסוי השוודי.