جزیره پایداری

جزیره پایداری یک محدوده پیش‌بینی‌شده‌است که در آن عناصر فوق سنگین با جرم اتمی نزدیک به اعداد جادویی از روند نزولی پایداری در عناصر فرااورانیمی تبعیت نمی‌کنند. جزیره پایداری یک فرضیه اثبات‌نشده‌است و در مورد موقعیت و تاثیرات آن بر پایداری عناصر ابهاماتی وجود دارد. برای مثال بسیاری از دانشمندان اعتقاد دارند که مرز جزیره پایداری از عنصر آن‌بینیلیم شروع می‌شود ولی برخی هم معتقد هستند که این جزیره از عدد اتمی ۱۲۶ — نزدیک‌ترین عدد جادویی به وزن اتمی آن‌بینیلیم — آغاز می‌شود؛ همچنین نیمه‌عمر عناصر واقع در این محدوده از چند دقیقه، تا چند روز تخمین زده شده‌است.
عنصرهای سنگین‌تر از اورانیم به صورت طبیعی در زمین وجود ندارند. این عنصرهای فرااورانیمی و به وسیله واکنش‌های هسته‌ای در آزمایشگاه‌ها ساخته می‌شوند. آن‌ها همگی پرتوزا و ناپایدارند و به‌طور کلی هرچه سنگین‌تر می‌شوند، نیمه‌عمرشان کوتاه‌تر می‌شود. برای مثال نیمه‌عمر عنصر ۱۱۵ (مسکوویم) ۰/۸ ثانیه، عنصر ۱۱۶ (لیورموریم) ۶۰ میلی‌ثانیه و عنصر ۱۱۸ (اوگانسون) تنها ۰/۷ میلی‌ثانیه است. اما طبق برخی نظریه‌ها در فیزیک هسته‌ای، دانشمندان حدس می‌زنند در محدوده‌ای از تعداد نوترون‌ها و پروتون‌ها، دوباره به عنصرهایی با پایداری بالا دست یابند. برای نمونه پیش‌بینی می‌شود عنصری با ۱۱۴ پروتون و ۱۸۴ نوترون، پایداری بالاتری نسبت به عنصرهای مجاورش داشته باشد و به اصطلاح در جزیره پایداری قرار داشته باشد.
منظور از دستیابی به جزیره پایداری، ساخت عنصر فوق سنگینی است که برخلاف عنصرهای فوق سنگینی که تاکنون ساخته شده‌اند، از پایداری بالایی برخوردار باشد. هرچند در عمل هنوز کسی موفق به انجام این کار نشده، ولی شواهدی از آزمایش‌های مختلف به دست آمده که امکان چنین کاری را تایید می‌کنند. کشف جزیره پایداری یک هدف مهم در علم تلقی می‌شود، چنان‌که فیزیک‌دان روس ویتالی گینزبورگ این موضوع را یکی از ۳۰ مساله مهم فیزیک برای قرن بیست و یکم می‌داند. در صورت چنین کشفی، عنصرهای فوق سنگین پایداری که ساخته می‌شوند در صورتی که نیمه عمرشان به اندازه کافی طولانی باشد، می‌توانند در آزمایش‌هایی واقعی از نظر خواص شیمیایی و فیزیکی بررسی شوند و این امر می‌تواند به تکمیل مدل‌های نظری ساختار هسته کمک کند و دانش انسان از هسته اتم را بهبود ببخشد. همچنین ممکن است کاربردهای جدید و حتی غیرمنتظره‌ای در زمینه‌های گوناگون برای این عنصرها کشف شود.
مبانی نظری
نظریه جزیره پایداری مبتنی بر مدل پوسته‌ای هسته — یکی از مدل‌های توصیف هسته اتم — است. مطابق این مدل نوترون‌ها و پروتون‌ها در ترازهای انرژی متفاوتی حول مرکز هسته توزیع شده‌اند. هرکدام از این ترازها را اصطلاحا یک پوسته می‌نامند. هر پوسته فقط می‌تواند تعداد مشخصی نوترون یا پروتون را در خود جای دهد و با پر شدن یک پوسته، نوترون یا پروتون بعدی به پوسته بالاتر که شعاع بزرگتری دارد می‌رود. از این لحاظ، شعاع پوسته‌ها مانند شعاع لایه‌های پیاز حول مرکز هسته افزایش می‌یابد. پر بودن کامل یک پوسته باعث افزایش پایداری یک هسته می‌شود. مثلا در عنصری مانند قلع، آخرین پوسته هسته کاملا از پروتون‌ها پر است و به همین دلیل هسته آن به طرز نامعمولی پایدار است. به تعدادی از نوترون‌ها و پروتون‌ها که یک پوسته را پر می‌کنند، عددهای جادویی گفته می‌شود. عددهای جادویی پروتون‌ها عبارتند از ۲ ، ۸ ، ۲۰ ، ۲۸ ، ۵۰ و ۸۲ ؛ عددهای جادویی نوترون‌ها نیز عبارتند از ۲ ، ۸ ، ۲۰ ، ۲۸ ، ۵۰ ، ۸۲ و ۱۲۶ .
عددهای جادویی یاد شده، عددهایی هستند که تاکنون کشف شده‌اند. اما بر پایه مدل پوسته‌ای هسته، پیش‌بینی می‌شود عددهای جادویی بالاتری نیز برای پر کردن پوسته‌های هسته‌های سنگین‌تر وجود داشته باشند. طبق محاسبه‌ها، عددهای جادویی بعدی نوترون‌ها ۱۲۶ و ۱۸۴ هستند. محاسبه این عددها برای پروتون‌ها کمی مشکل‌تر است و تاکنون چند پیش‌بینی مختلف مانند ۱۱۴، ۱۲۰ یا ۱۲۶ صورت گرفته‌است.
هسته‌ای که شامل یک پوسته نوترونی یا پروتونی پر شده باشد، به هسته جادویی معروف است و به‌طور نسبی از سایر هسته‌ها پایدارتر است. هسته‌ای که در آن هر دو پوسته نوترونی و پروتونی پر شده باشند، هسته دوچندان جادویی نامیده می‌شود. اتم‌های هلیم، اکسیژن، کلسیم و سرب همگی ایزوتوپ‌هایی دارند که هسته‌های دوچندان جادویی دارند و کاملا پایدارند:
He