หมู่เกาะแห่งเสถียรภาพ

ในเชิงฟิสิกส์นิวเคลียร์ หมู่เกาะแห่งเสถียรภาพ () อธิบายถึงไอโซโทปของธาตุหลังยูเรเนียมหมู่หนึ่งที่ยังไม่เคยมีการค้นพบมาก่อนซึ่งคาดเดาว่าจะเสถียรกว่าธาตุกัมมันตรังสีอื่นๆ คาดว่าไอโซโทปของธาตุเหล่านี้จะสลายตัวช้ากว่าไอโซโทปของธาตุกัมมันตรังสีอื่นๆ โดยมีอายุยาวนานอย่างน้อยในหน่วยเป็นนาทีหรือวันเมื่อเปรียบเทียบกับไอโซโทปของธาตุกัมมันตรังสีบางธาตุที่มีอายุเพียงไม่กี่วินาทีหรือน้อยกว่านั้น บางไอโซโทปอาจมีครึ่งชีวิตหลายล้านปีทีเดียว

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)

ครึ่งชีวิตของธาตุที่มีหมายเลขสูงสุด
ธาตุที่มีหมายเลขอะตอมเกิน 82 (ตะกั่ว) นั้นไม่เสถียร และเสถียรภาพ (ครึ่งชีวิตของไอโซโทปที่เสถียรที่สุด) โดยปกติจะค่อยๆ ลดลงตามลำดับด้วยหมายเลขอะตอมที่ค่อยๆ สูงขึ้น จากยูเรเนียม (92) ที่ค่อนข้างเสถียร สูงขึ้นไปถึงธาตุที่หนักที่สุดเท่าที่เคยค้นพบมา (118) โดยที่เสถียรภาพของธาตุเพิ่มขึ้นเล็กน้อยมากระหว่างธาตุที่ 110 ถึง 113 ซึ่งอาจเป็นจุดเริ่มต้นขอหมู่เกาะแห่งเสถียรภาพ ไอโซโทปที่เสถียรที่สุดของธาตุที่หนักที่สุดต่างๆ ได้ถูกจัดเรียงไว้ตามตารางนี้

(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  ปีสำหรับไอโซโทปหลังบิสมัทที่เหลือทั้งหมดนั้นค่อนข้างไม่เสถียรหรือไม่เสถียรมาก ดังนั้นตารางธาตุหลักจึงสิ้นสุดตรงนั้น (ตามความคล้ายคลึงกันทางภูมิศาสตร์จุดนั้นจะอยู่บริเวณขอบของทวีป อย่างไรก็ตาม ไหล่ทวีปนั้นดำเนินต่อไปอย่างไม่รู้จบ น้ำตื้นจะเริ่มต้นที่เรเดียมและค่อยตกลงไปอีกทีหลังแคลิฟอร์เนียม โดยมีเกาะที่สำคัญตั้งอยู่ที่ทอเรียมและยูเรเนียม และเกาะเล็กเกาะน้อยอย่างเช่นพลูโทเนียม ซึ่งเกาะทั้งหมดถูกล้อมรอบโดย "ทะเลแห่งความไม่เสถียร"   () โดยแสดงให้เห็นว่าธาตุเช่นแอสทาทีน เรดอน และ แฟรนเซียม มีความสัมพันธ์กับธาตุเบาทั้งหมด และยังมีครึ่งชีวิตที่น้อยมากีกดวย ยกเว้นธาตุหนักที่ถูกค้นพบมาแล้วทั้งหมดจนถึงตอนนี้

การตรวจสอบเชิงทฤษฎีเมื่อไม่นานมานี้ได้แสดงให้เห็นว่าในบริเวณ Z=106–108 and N≈160–164 "เกาะ/คาบสมุทร" สักแห่งอาจเสถียรโดยคำนึงถึงนิวเคลียร์ฟิชชั่นและการปล่อย β- ออกมา นิวเคลียสหนักยิ่งยวดเช่นนั้นสลายตัวโดยการปล่อยอนุภาคออกมาเท่านั้นยิ่งไปกว่านั้น 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 นั้นน่าจะเป็นนิวเคลียสทรงกลมมหัศจรรย์คู่และเสถียรเมื่อคำนึงถึงนิวเคลียร์ฟิชชั่นการคาดการณ์จากแบบจำลองควอนตัมทันเนลลิ่งได้แสดงให้เห็นว่านิวเคลียสที่หนักยิ่งยวดเช่นนั้นจะสลายตัวโดยการปล่อยอนุภาคแอลฟาออกมาภายในไมโครวินาทีหรือน้อยกว่านั้น

ปัญหาการสังเคราะห์

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

อ้างอิง

เคมี
ไอโซโทป
ตารางธาตุ
กัมมันตรังสี