Οι επιστήμονες μόλις δημιούργησαν την ελαφρύτερη μορφή του κόσμου μαγνήσιο — ένα ισότοπο που δεν έχει ξαναδεί ποτέ με μόλις έξι νετρόνια στους ατομικούς του πυρήνες — μέσα σε ένα γιγάντιο θρυμματιστή ατόμων.
Και ενώ η ουσία αποσυντίθεται πολύ γρήγορα για να μετρηθεί άμεσα, οι ερευνητές αναμένουν ότι η ανακάλυψή τους θα βοηθήσει τους επιστήμονες να κατανοήσουν καλύτερα πώς άτομα κατασκευάζονται. Αυτό συμβαίνει επειδή τέτοια εξωτικά ισότοπα — εκδόσεις του χημικά στοιχεία με περισσότερα ή λιγότερα νετρόνια στους πυρήνες τους από το συνηθισμένο — μπορεί να βοηθήσει στον καθορισμό των ορίων των μοντέλων που χρησιμοποιούν οι επιστήμονες για να καταλάβουν πώς λειτουργούν τα άτομα.
«Δοκιμάζοντας αυτά τα μοντέλα για να τα κάνουμε όλο και καλύτερα, μπορούμε να επεκτείνουμε το πώς λειτουργούν τα πράγματα εκεί που δεν μπορούμε να τα μετρήσουμε», δήλωσε ο Kyle Brown, χημικός στο Facility for Rare Isotope Beams στο Michigan State University στο East Lansing. «Μετράμε τα πράγματα που μπορούμε να μετρήσουμε για να προβλέψουμε αυτά που δεν μπορούμε».
Το νέο ισότοπο μαγνησίου – που ονομάζεται μαγνήσιο-18 – δεν θα καλύψει όλα τα κενά στην επιστημονική γνώση για τα άτομα, αλλά η ανακάλυψη θα βοηθήσει να τελειοποιηθούν οι θεωρίες που έχουν αναπτύξει οι επιστήμονες για να τα εξηγήσουν, είπε. Συγκεκριμένα, οι μετρήσεις της ομάδας για τα προϊόντα της ραδιενεργής διάσπασης του ισοτόπου δίνουν νέες ιδέες για τις ενέργειες δέσμευσης των ηλεκτρονίων που περιφέρονται γύρω από έναν πυρήνα, σύμφωνα με περίληψη της έρευνας.
Ατομικοί πυρήνες
Υπό κανονικές συνθήκες, το καθαρό μαγνήσιο είναι ένα μαλακό γκρι μέταλλο με τον ατομικό αριθμό 12, που δείχνει ότι έχει 12 πρωτόνια —σωματίδια με θετικό φορτίο— στον πυρήνα του. Είναι πολύ εύφλεκτο και το έντονο λευκό φως από μια φλεγόμενη λωρίδα μαγνησίου συχνά θαμπώνει τους μαθητές στα μαθήματα χημείας.
Όπως πολλά χημικά στοιχεία, το μαγνήσιο προέρχεται από τις αντιδράσεις σύντηξης γηρασμένων αστεριών, και βρίσκεται στη Γη επειδή αυτά τα μακροχρόνια νεκρά αστέρια έχουν εκραγεί ως σουπερνόβα και «σπορά» τα διαστρικά σύννεφα που σχημάτισαν το δικό μας ηλιακό σύστημα. Το μαγνήσιο είναι σχετικά άφθονο στο Γητου φλοιού και έχει σημαντικό χημικό ρόλο σε πολλές βιολογικές και βιομηχανικές ενώσεις.
Το πιο κοινό σταθερό ισότοπο του μαγνησίου έχει 12 νετρόνια – σωματίδια με ουδέτερο φορτίο – σε κάθε πυρήνα, δίνοντας σε αυτήν την εκδοχή του στοιχείου ατομική μάζα 24. Ως αποτέλεσμα, ονομάζεται μαγνήσιο-24.
Για τα πειράματά τους, οι ερευνητές επιτάχυναν μια δέσμη πυρήνων μαγνησίου-24 στο μισό περίπου της ταχύτητας του φωτός μέσα στο Εθνικό Εργαστήριο Υπεραγώγιμων Κυκλοτρονίων στο MSU — έναν κυκλικό επιταχυντή σωματιδίων εξαιρετικά υψηλής ενέργειας. Στη συνέχεια εκτόξευσαν τη δέσμη πυρήνων μαγνησίου υψηλής ταχύτητας σε έναν στόχο από μεταλλικό φύλλο από βηρύλλιο.
Η σύγκρουση σε εκείνο το στάδιο της διαδικασίας έδωσε μια «σούπα» ελαφρύτερων ισοτόπων μαγνησίου από τα οποία οι ερευνητές μπορούσαν να επιλέξουν – ανάμεσά τους το ασταθές ισότοπο μαγνήσιο-20, το οποίο περιέχει μόλις οκτώ νετρόνια ανά πυρήνα και διασπάται ραδιενεργά σε λίγα δέκατα του δευτερολέπτου.
Δουλεύοντας αντίθετα με το ρολόι, οι ερευνητές εκτόξευσαν στη συνέχεια τους πυρήνες μαγνησίου-20 – και πάλι με περίπου τη μισή ταχύτητα του φωτός – σε έναν ακόμη στόχο βηρυλλίου, περίπου 100 πόδια (30 μέτρα) μακριά.
Ένα από τα προϊόντα της σύγκρουσης που προέκυψε ήταν το ισότοπο που ανακαλύφθηκε πρόσφατα, το μαγνήσιο-18 — το πιο «ελαφρύ» ισότοπο μαγνησίου που έχει δει ποτέ, με 12 πρωτόνια και μόλις έξι νετρόνια στον πυρήνα του.
Σπάνιο ισότοπο
Οι περισσότεροι ατομικοί πυρήνες γρήγορα «καλύπτονται» με ηλεκτρόνια – σωματίδια με αρνητικό φορτίο – από το περιβάλλον τους και γίνονται στοιχειακά άτομα, τα οποία στη συνέχεια μπορούν να συνδυαστούν με άτομα άλλων τύπων για να δημιουργήσουν χημικές ενώσεις.
Αλλά το ισότοπο μαγνησίου-18 που ανακαλύφθηκε πρόσφατα είναι ριζικά ασταθές και πολύ βραχύβιο: Με τόσα λίγα νετρόνια, ο πυρήνας καταρρέει γρήγορα, με χρόνο ημιζωής — τον χρόνο που χρειάζεται για να αποσυντεθεί ο μισός πυρήνας του από τη ραδιενεργή διάσπαση — λιγότερο από το ένα εκατοστό του δευτερολέπτου ή 10^-21 δευτερόλεπτα.
Αυτό σημαίνει ότι εξαφανίζεται πολύ γρήγορα ώστε ένας πυρήνας μαγνησίου-18 να έχει την ευκαιρία να καλύψει τον εαυτό του με ηλεκτρόνια και έτσι υπάρχει —και μόνο πολύ σύντομα— ως «γυμνοί» πυρήνες.
Το ισότοπο είναι τόσο βραχύβιο, στην πραγματικότητα, που το μαγνήσιο-18 δεν φεύγει ποτέ από το βηρύλλιο στόχος αλλά διασπάται μέσα του — και έτσι οι ερευνητές συνήγαγαν την παρουσία του από τα ενδεικτικά προϊόντα της διάσπασής του: αδέσποτα πρωτόνια και τα ισότοπα νέον-16 και οξυγόνο-14, ανέφερε η δήλωση.
«Αυτή ήταν μια ομαδική προσπάθεια», είπε ο Μπράουν. “Είναι αρκετά συναρπαστικό – δεν είναι κάθε μέρα που οι άνθρωποι ανακαλύπτουν ένα νέο ισότοπο.”
Οι επιστήμονες έχουν πλέον εντοπίσει αρκετές χιλιάδες ισότοπα από τα 118 κοινά στοιχεία του περιοδικού πίνακα και περισσότερα ανακαλύπτονται κάθε χρόνο.
«Προσθέτουμε σταγόνες σε έναν κουβά, αλλά είναι σημαντικές σταγόνες», είπε ο Μπράουν. “Μπορούμε να βάλουμε τα ονόματά μας σε αυτό, όλη η ομάδα μπορεί. Και λέω στους γονείς μου ότι βοήθησα να ανακαλύψουμε αυτόν τον πυρήνα που κανείς άλλος δεν έχει δει πριν.”
Ο Brown είναι κύριος συγγραφέας του an άρθρο που περιγράφει την ανακάλυψη δημοσιεύθηκε την περασμένη εβδομάδα στο περιοδικό Physical Review Letters. Συμμετείχαν επίσης επιστήμονες από το Πανεπιστήμιο του Πεκίνου στην Κίνα και το Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον στο Σεντ Λούις.
Δημοσιεύτηκε αρχικά στο Live Science.