کوتاه‌ترین و سبک‌ترین ایزوتوپ منیزیم که تا به حال بیش از حد ناپایدار است که حتی الکترون‌ها را جذب نمی‌کند | پژوهش

ایزوتوپی از منیزیم کشف شده است که نیمه عمر کمتری نسبت به زمانی که برای جذب الکترون ها لازم است دارد، که نشان دهنده مرزی بالقوه برای شیمی در نمودار نوکلیدها است.

بیش از 3000 هسته مختلف – ایزوتوپ های عناصر – تا به امروز کشف شده است، اگرچه تنها 252 هسته پایدار در نظر گرفته می شوند. اکنون یک تیم آمریکایی و چینی سبک‌ترین ایزوتوپ منیزیم شناخته شده را – با نوترون‌های بسیار کمی که بیش از چند لحظه وجود ندارد – در آزمایشگاه ملی سیکلوترون ابررسانا در دانشگاه ایالتی میشیگان، ایالات متحده ایجاد کرده‌اند.

برای انجام این کار، تیم پرتوی از یون منیزیم-24 را در یک هدف بریلیوم شتاب داد. این باعث شد که هسته های پرتو تکه تکه شوند و نوترون ها را از بین ببرند و پرتو دوم منیزیم 20 را ایجاد کنند. این تیم سپس این پرتو جدید را خالص کرده و آن را با حدود نیمی از سرعت نور به سمت هدف دوم بریلیومی به ضخامت 1 میلی متر هدایت کردند.

در تحقیقات، تیم در هنگام برخورد پرتو به هدف دوم، نشانه‌هایی از اکسیژن-14 و چهار پروتون را شناسایی کرد. این شواهد تجربی، همراه با شبیه‌سازی‌های نظری توسط تیم، به ایجاد یک کاتیون منیزیم-18 با نیمه‌عمر حدود سه زپتوثانیه (1×10) اشاره می‌کند.^-21 ثانیه)، یا سه شش میلیاردم ثانیه.

این کمتر از کوتاه‌ترین بازه زمانی است که تا کنون با استفاده از ابزار دقیق اندازه‌گیری شده است، ۲۴۷ زپتوثانیه، زمانی که یک فوتون برای عبور از اتم هیدروژن طول می‌کشد، که توسط تیمی در دانشگاه گوته فرانکفورت در سال ۲۰۲۰ مشاهده شد.

کایل براون، استادیار شیمی در دانشگاه ایالتی میشیگان توضیح می‌دهد: «برای ایزوتوپ‌هایی مانند این با نیمه‌عمر بسیار کوتاه، ما زمان را مستقیماً اندازه‌گیری نمی‌کنیم». در عوض، ما می توانیم طول عمر را از رزونانس استنتاج کنیم [observed]. این شبیه به روشی است که برای سایر ایزوتوپ‌های کوتاه‌مدت مانند اکسیژن 11 استفاده می‌شود که اولین بار توسط این تیم مشاهده شد.

مهمتر از همه، نیمه عمر تقریبی منیزیم-18 حدود یک میلیارد بار کوتاهتر از 1×10 است.^-14 چند ثانیه، اتحادیه بین‌المللی شیمی محض و کاربردی زمان جذب اتم الکترون را تشخیص داد. بنابراین، این و ایزوتوپ‌های مشابه قادر به تشکیل پیوند نیستند و به این ترتیب، مرزی را نشان می‌دهند که فراتر از آن هیچ بررسی شیمیایی نمی‌تواند انجام شود، حتی اگر ایزوتوپ‌های سبک‌تر منیزیم در انتظار کشف باشند.

نیمه عمر کوتاه ایزوتوپ جدید به این معنی است که به طور طبیعی خارج از برخورد ابرنواخترها و ستاره های نوترونی وجود ندارد. با این حال، براون می‌گوید، اگر منیزیم-18 تثبیت شود، هنوز آشنا خواهد بود. از جنبه شیمی چیزها، اگر بتوانیم الکترون ها را اضافه کنیم، خواص شیمیایی منیزیم-18 باید با تمام ایزوتوپ های دیگر منیزیم یکسان باشد.

رابرت آیکلر، یک شیمیدان هسته ای در موسسه پل شرر، سوئیس، مشاهده می کند که اندازه گیری زمان مستقیم با چنین ایزوتوپ هایی در حال حاضر امکان پذیر نیست، و بنابراین کار این تیم به منزله کشف ایزوتوپ است. او می‌گوید: «در صورتی که هسته اتمی آن تشکیل شده باشد و هنوز در حالت بسیار یونیزه باشد یا به طور کامل از الکترون‌ها خالی شده باشد، ایجاد یک ایزوتوپ در نظر گرفته می‌شود. با این حال، برای کشف یک عنصر جدید، مقیاس زمانی بقای منیزیم-18 کافی نخواهد بود. برای اینکه یک عنصر شیمیایی جدید شناسایی شود باید حداقل 10×1 زنده بماند^-14 ثانیه – به اندازه ای طولانی است که یک الکترون را جذب کند.

دانشگاه ایالتی میشیگان به لطف تأسیسات خود برای پرتوهای ایزوتوپی کمیاب که قرار است اواخر امسال آنلاین شود، آماده است تعداد هسته های شناخته شده را حتی بیشتر گسترش دهد.