หมู่เกาะแห่งเสถียรภาพ

ในเชิงฟิสิกส์นิวเคลียร์ หมู่เกาะแห่งเสถียรภาพ () อธิบายถึงไอโซโทปของธาตุหลังยูเรเนียมหมู่หนึ่งที่ยังไม่เคยมีการค้นพบมาก่อนซึ่งคาดเดาว่าจะเสถียรกว่าธาตุกัมมันตรังสีอื่น ๆ คาดว่าไอโซโทปของธาตุเหล่านี้จะสลายตัวช้ากว่าไอโซโทปของธาตุกัมมันตรังสีอื่น ๆ โดยมีอายุยาวนานอย่างน้อยในหน่วยเป็นนาทีหรือวันเมื่อเปรียบเทียบกับไอโซโทปของธาตุกัมมันตรังสีบางธาตุที่มีอายุเพียงไม่กี่วินาทีหรือน้อยกว่านั้น บางไอโซโทปอาจมีครึ่งชีวิตหลายล้านปีทีเดียว

สมมติฐานและที่มา
แนวคิดความเป็นไปได้ที่จะมี "หมู่เกาะแห่งเสถียรภาพ" ได้ถูกเสนอครั้งแรกโดยเกลนน์ ที. ซีบอร์กในช่วงปลายทศวรรษที่ 1960 สมมติฐานได้กล่าวไว้ว่านิวเคลียสอะตอมได้ถูกสร้างขึ้นเป็นชั้น ๆ ในรูปแบบที่คล้ายชั้นพลังงานของอิเล็กตรอนซึ่งมีขนาดใหญ่กว่าในอะตอม ในกรณีทั้งสอง ชั้นพลังงานเหล่านี้เป็นเพียงระดับพลังงานควอนตัมที่อยู่ค่อนข้างใกล้กันเท่านั้น ระดับพลังงานของสภาวะควอนตัมในชั้นพลังงานสองชั้นที่ต่างกันจะถูกคั่นด้วยช่องโหว่พลังงานที่ค่อนข้างใหญ่ ดังนั้นเมื่อจำนวนนิวตรอนและโปรตอนได้เติมเต็มระดับพลังงานของชั้นพลังงานในนิวเคลียสที่กำหนดไว้ พลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออนจะเพิ่มสูงขึ้นจนถึงค่าสูงสุดเฉพาะที่ฉะนั้นการจัดเรียงอีเล็กตรอนนั้น ๆ 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 เช่น ณ ตอนนี้คาดว่า ฮัสเซียม-270 เป็นนิวเคลียสรูปทรงผิดเพี้ยนที่ "มหัศจรรย์สองเท่า" ด้วยเลขมหัศจรรย์คู่ที่ผิดเพี้ยน 108 และ 162 อย่างไรก็ตาม มันมีครึ่งชีวิตเพียง 3.6 วินาทีดูการอ้างอิงที่ ฮัสเซียม

ไอโซโทปที่มีจำนวนโปรตอนมากพอที่จะสามารถตั้งรากฐานไว้บนเกาะใดเกาะหนึ่งได้ถูกสังเคราะห์ขึ้นแล้ว แต่ทว่าไอโซโทปเหล่านี้มีจำนวนนิวตรอนที่น้อยเกินกว่าที่จะสามารถวางมันลงบนแม้แต่ "ชายฝั่ง" รอบนอกของเกาะเสียอีก เป็นไปได้ที่ว่าธาตุเหล่านี้จะมีสมบัติทางเคมีที่แตกต่างจากธาตุอื่น ๆ และถ้าธาตุเหล่านี้มีไอโซโทปที่มีช่วงชีวิตยาวพอ อาจสามารถนำไปใช้ได้หลายประการ (เช่น เป้าหมายในเครื่องเร่งอนุภาครวมถึงการนำไปใช้เป็นต้นกำเนิดนิวตรอนอีกด้วย)

ครึ่งชีวิตของธาตุที่มีหมายเลขสูงสุด
ธาตุที่มีหมายเลขอะตอมเกิน 82 (ตะกั่ว) นั้นไม่เสถียร และเสถียรภาพ (ครึ่งชีวิตของไอโซโทปที่เสถียรที่สุด) โดยปกติจะค่อย ๆ ลดลงตามลำดับด้วยหมายเลขอะตอมที่ค่อย ๆ สูงขึ้น จากยูเรเนียม (92) ที่ค่อนข้างเสถียร สูงขึ้นไปถึงธาตุที่หนักที่สุดเท่าที่เคยค้นพบมา (118) โดยที่เสถียรภาพของธาตุเพิ่มขึ้นเล็กน้อยมากระหว่างธาตุที่ 110 ถึง 113 ซึ่งอาจเป็นจุดเริ่มต้นขอหมู่เกาะแห่งเสถียรภาพ ไอโซโทปที่เสถียรที่สุดของธาตุที่หนักที่สุดต่าง ๆ ได้ถูกจัดเรียงไว้ตามตารางนี้

+ ไอโซโทปของธาตุที่เป็นที่รู้จัก ตั้งแต่ธาตุที่ 100 จนถึง 118 เลขอะตอม  ชื่อ  ไอโซโทปที่ช่วงชีวิต ยาวนานที่สุด  ครึ่งชีวิต  บทความ 100 เฟอร์เมียม  257Fm    ไอโซโทปของเฟอร์เมียม 101 เมนเดลีเวียม  258Md    ไอโซโทปของเมนเดลีเวียม 102 โนเบเลียม  259No    ไอโซโทปของโนเบเลียม 103 ลอว์เรนเซียม  262Lr    ไอโซโทปของลอว์เรนเซียม 104 รัทเทอร์ฟอร์เดียม  267Rf    ไอโซโทปของรัทเทอร์ฟอร์เดียม 105 ดุบเนียม  268Db    ไอโซโทปของดุบเนียม 106 ซีบอร์เกียม  271Sg    ไอโซโทปของซีบอร์เกียม 107 โบห์เรียม  270Bh    ไอโซโทปของโบห์เรียม 108 ฮัสเซียม  277mHs    ไอโซโทปของฮัสเซียม 109 ไมต์เนเรียม  278Mt    ไอโซโทปของไมต์เนเรียม 110 ดาร์มสตัดเทียม    281Ds    ไอโซโทปของดาร์มสตัดเทียม   111 เรินต์เกเนียม  281Rg    ไอโซโทปของเรินต์เกเนียม 112 โคเปอร์นิเซียม  285Cn    ไอโซโทปของโคเปอร์นิเซียม 113 นิโฮเนียม  286Nh    ไอโซโทปของนิโฮเนียม 114 ฟลีโรเวียม  289Fl    ไอโซโทปของฟลีโรเวียม 115 มอสโกเวียม  289Mc    ไอโซโทปของมอสโกเวียม 116 ลิเวอร์มอเรียม  293Lv    ไอโซโทปของลิเวอร์มอเรียม 117 เทนเนสซีน  294Ts   ไอโซโทปของเทนเนสซีน 118 ออกาเนสซอน  294Og    ไอโซโทปของออกาเนสซอน(สำหรับธาตุที่ 109–110, 112–114 และ 116–118 ไอโซโทปที่เสถียรที่สุดจะเป็นไอโซโทปที่หนักที่สุดเท่าที่เคยค้นพบมาเสมอ จึงคาดว่าน่าจะยังมีไอโซโทปที่เสถียรกว่าในระหว่างไอโซโทปที่หนักกว่านี้)

เพื่อเป็นการเปรียบเทียบ ธาตุที่มีหมายเลขอะตอมต่ำกว่า 100 ที่มีช่วงชีวิตน้อยที่สุดคือแฟรนเซียม (ธาตุที่ 87) ด้วยครึ่งชีวิตเพียง 22 นาที

ครึ่งชีวิตของนิวเคลียสที่อยู่ภายในตัวเกาะแห่งเสถียรภาพนั้นยังไม่ทราบแน่ชัด เพราะว่ายังไม่มีการค้นพบไอโซโทปใดที่ "อยู่บนเกาะ" นักฟิสิกส์หลายคนคาดคิดว่าครึ่งชีวิตของไอโซโทปเหล่านี้น่าจะค่อนข้างสี้นเป็นนาทีหรือวัน แต่การคำนวณในเชิงทฤษฎีได้บ่งบอกว่าครึ่งชีวิตของไอโซโทปพวกนั้นยาวนานถึง 109 ปี

ครึ่งชีวิตการสลายให้อนุภาคแอลฟาของนิวเคลียส 1,700 อัน ด้วย 100 ≤ Z ≤ 130 ได้ถูกคำนวณโดยแบบจำลองควอนตัมทันเนลลิ่งโดยค่าของ Q ของการสลายตัวให้อนุภาคแอลฟาทั้งในเชิงการทดลองและเชิงทฤษฎี การคำนวณในเชิงทฤษฎีจึงไปด้วยกันได้กับผลการทดลอง  

การสลายตัวที่รุนแรงกว่าซึ่งเป็นไปได้สำหรับธาตุที่หนักยิ่งยวดของยิ่งยวดได้ถูกแสดงให้เห็นโดยดอริน โพเอนารุว่าเป็นการสลายตัวของสารกัมมันตรังสีแบบกลุ่ม


เกาะแห่งความสัมพันธ์เสถียรภาพ
 (ทอเรียม)  และ  (ยูเรเนียม) เป็นไอโซโทปที่พบเห็นในธรรมชาติเพียงไม่กี่ไอโซโทปเท่านั้นที่ค่อนข้างเสถียรที่อยู่หลังบิสมัทและมีครึ่งชีวิตยาวนานมากกว่าหรือใกล้เคียงกับอายุของจักรวาล บิสมัทได้ถูกค้นพบในปี 2546 ว่าไม่เสถียร และสลายตัวโดยการปล่อยอนุภาคแอลฟาออกมา ด้วยครึ่งชีวิตประมาณ  ปีสำหรับ  ไอโซโทปหลังบิสมัทที่เหลือทั้งหมดนั้นค่อนข้างไม่เสถียรหรือไม่เสถียรมาก ดังนั้นตารางธาตุหลักจึงสิ้นสุดตรงนั้น (ตามความคล้ายคลึงกันทางภูมิศาสตร์จุดนั้นจะอยู่บริเวณขอบของทวีป อย่างไรก็ตาม ไหล่ทวีปนั้นดำเนินต่อไปอย่างไม่รู้จบ น้ำตื้นจะเริ่มต้นที่เรเดียมและค่อยตกลงไปอีกทีหลังแคลิฟอร์เนียม โดยมีเกาะที่สำคัญตั้งอยู่ที่ทอเรียมและยูเรเนียม และเกาะเล็กเกาะน้อยอย่างเช่นพลูโทเนียม ซึ่งเกาะทั้งหมดถูกล้อมรอบโดย "ทะเลแห่งความไม่เสถียร"Note graphic: Known and predicted regions of nuclear stability, surrounded by a “sea” of instability. cf. the Chart of Nuclides  by half-life. () โดยแสดงให้เห็นว่าธาตุเช่นแอสทาทีน เรดอน และ แฟรนเซียม มีความสัมพันธ์กับธาตุเบาทั้งหมด และยังมีครึ่งชีวิตที่น้อยมากีกดวย ยกเว้นธาตุหนักที่ถูกค้นพบมาแล้วทั้งหมดจนถึงตอนนี้

การตรวจสอบเชิงทฤษฎีเมื่อไม่นานมานี้ได้แสดงให้เห็นว่าในบริเวณ Z=106–108 and N≈160–164 "เกาะ/คาบสมุทร" สักแห่งอาจเสถียรโดยคำนึงถึงนิวเคลียร์ฟิชชั่นและการปล่อย β- ออกมา นิวเคลียสหนักยิ่งยวดเช่นนั้นสลายตัวโดยการปล่อยอนุภาคออกมาเท่านั้น ยิ่งไปกว่านั้น  ไม่ใช่ใจกลางของเกาะมหัศจรรย์ดังที่เคยคาดการณ์ไว้ ในทางตรงกันข้าม นิวเคลียสที่มี Z=110 และ N=183 () ดูเหมือนว่าจะอยู่ใกล้ใจกลางของ "เกาะมหัศจรรย์" ที่เป็นไปได้ (Z=104–116 และ N≈176–186) ในบริเวณ N≈162  รอดชีวิตจากการสลายตัวแบบบีตา-เสถียรและนิวเคลียร์ฟิชชั่นและครึ่งชีวิตของการสลายตัวให้อนุภาคแอลฟาที่ทำนายไว้ของไอโซโทปนี้อยู่ราว ~3.2 ชั่วโมง มากกว่า  (~28 วินาที) ซึ่งมีนิวเคลียสรูปทรงผิดเพี้ยนที่มหัศจรรย์สองเท่า อย่างไรก็ตาม นิวเคลียสหนักยิ่งยวด  นั้นยังไม่เคยถูกสังเคราะห์ขึ้นในห้องทดลอง (พ.ศ. 2552) ส่วนสำหรับนิวเคลียสหนักยิ่งยวดที่ Z>116 และ N≈184 นั้นครึ่งชีวิตของการสลายตัวให้อนุภาคแอลฟานั้นได้ถูกทำนายว่าน่าจะต่ำกว่าหนึ่งวินาที นิวเคลียสที่ Z=120, 124, 126 และ N=184 นั้นน่าจะเป็นนิวเคลียสทรงกลมมหัศจรรย์คู่และเสถียรเมื่อคำนึงถึงนิวเคลียร์ฟิชชั่น การคาดการณ์จากแบบจำลองควอนตัมทันเนลลิ่งได้แสดงให้เห็นว่านิวเคลียสที่หนักยิ่งยวดเช่นนั้นจะสลายตัวโดยการปล่อยอนุภาคแอลฟาออกมาภายในไมโครวินาทีหรือน้อยกว่านั้น

ปัญหาการสังเคราะห์

ดูเพิ่ม
ฟลีโรเวียม — อูนไบนิลเลียม — อูนไบเฮกเซียม
ตารางไอโซโทป
ตารางธาตุ และ ตารางธาตุ (ขยาย)
เกาะแห่งการผกผัน

อ้างอิง

หมวดหมู่:เคมี
หมวดหมู่:ไอโซโทป
หมวดหมู่:ตารางธาตุ
หมวดหมู่:กัมมันตรังสี