אי של יציבות

זמן מחצית חיים של איזוטופים מדודים (קוביות) וחזויים (צלליות), לפי מספר פרוטונים ונייטרונים. ככל שהצבע כהה יותר אורך זמן מחצית החיים ארוך יותר. "אי היציבות" מוקף בעיגול.

אי של יציבות הוא חיזוי תאורטי לפיו, על-אף שיסודות טרנס-אורניים (כלומר יסודות כימיים כבדים יותר מאורניום) נוטים להיות בעלי זמן מחצית חיים קצר מאד (שניות בודדות ולמטה מכך), הרי שישנן קבוצות של איזוטופים בעלות "מספר קסם" של פרוטונים ונייטרונים, המקיימות זמן מחצית חיים ארוך באופן ניכר, של דקות ארוכות, ימים ואף שנים רבות.

רקע תאורטי

הצעה לקיום "אי של יציבות" הועלתה כבר בשנות ה-60 של המאה ה-20 על ידי גלן תיאודור סיבורג. לפי תאוריה זו, כפי שישנם "מספרי קסם" ברמה האטומית, כלומר מילוי של "שכבות" או "קליפות" באלקטרונים סביב הגרעין, המשפיעות על תכונותיו הכימיות של החומר. כך ישנן "קליפות" מקבילות ברמה הגרעינית, הפועלות לפי עקרון האיסור של פאולי, כך שקליפה "מלאה" בנוקליאונים (פרוטונים או נייטרונים) מאריכה את זמן מחצית החיים. "מספר הקסם" הוא מספר הפרוטונים או הנייטרונים הנדרש על מנת למלא קליפה (החלת עקרון זה ברמת הגרעין הוא פרי מחקרה של מריה גופרט-מאייר). מריה גופרט-מאייר קראה בשם "מספרי קסם" למספרי הנוקלאונים הנחוצים למילוי הרמות בגרעין. "מספר הקסם הכפול" הוא מספר שבו מתמלאות גם רמות הפרוטונים וגם רמות הנייטרונים.

"מספר הקסם" התאורטי של נייטרונים ב"אי של יציבות" התאורטי הראשון של היסודות העל-כבדים הוא 184, כך שאיזוטופים בעלי מספר זה של נייטרונים צפויים להיות יציבים יחסית, כאשר מספר הפרוטונים להשגת יציבות הוא 114, 120 או 126. מכל היסודות האפשריים מתמקד המחקר ב-²⁸⁹Fl, יסוד בן מספר מתאים של פרוטונים (114) שהצליחו לייצר, אף שטרם נמצאה דרך ליצור איזוטופ יציב מספיק במעבדה (שהוא יהיה כנראה ²⁹⁸Fl). מועמד נוסף הוא איזוטופ ³⁰⁴Ubn (כלומר גרעין עם 120 פרוטונים ו-184 נייטרונים).

התוצאות האמפיריות שנצפו בעת יצירת אטומי ליברמוריום (116) ואוגאנסון (118) הצליחו לשכנע את החוקרים שהאי של יציבות אכן קיים בפועל.

בכנס האגודה האמריקנית לכימיה ב-2008 הציע יורי אוגאנסיאן שאי היציבות הבא צריך להמצא בגרעין בעל 164 פרוטונים (ו-318 נייטרונים, "מספר הקסם" הבא, כלומר האיזוטופ התאורטי ⁴⁸²Uhq)‏.

החשיבות בהשגת איזוטופים יציבים ליסודות על-כבדים, מלבד העניין שבמדע בסיסי, היא שייתכנו להם שימושים מעשיים ותכונות כימיות ייחודיות. אחד השימושים הדוחפים תחום זה הוא האפשרות ליצור פצצת נייטרון זעירה מבוססת חומר על-כבד כזה, שתשתמש כמקור אנרגיה ראשוני לתהליך של היתוך גרעיני.

זמן מחצית החיים של יסודות 83 עד 118

כל היסודות בעלי מספר אטומי מעל 82 (עופרת) הינם בלתי-יציבים וזמן מחצית החיים באופן כללי יורד עם עליית המספר האטומי, החל מהיסוד היציב למדי אורניום (מספר 92) ועד היסוד הכבד ביותר 118. זמן מחצית החיים גדל בתחום היסודות 103 עד 105, יורד ביסוד 106 ועולה שוב קלות ביסודות 110 עד 114, מה שמרמז על התכנות אי של יציבות.

בטבלה מוצג זמן מחצית החיים של האיזוטופ היציב ביותר של היסוד בטווח.

מספר אטומי	שם היסוד	האיזוטופ היציב ביתר	מחצית חיים
83	ביסמוט	209Bi	2 × 1019 שנים
84	פולוניום	209Po	130 שנים
85	אסטטין	210At	8 שעות
86	רדון	222Rn	3.824 ימים
87	פרנציום	223Fr	22.0 דקות
88	רדיום	226Ra	1600 שנים
89	אקטיניום	227Ac	21.77 שנים
90	תוריום	232Th	1.41 × 1010 שנים
91	פרוטקטיניום	231Pa	32800 שנים
92	אורניום	238U	4.47 × 109 שנים
93	נפטוניום	237Np	2.14 × 106 שנים
94	פלוטוניום	244Pu	8.0 × 107 שנים
95	אמריציום	243Am	7400 שנים
96	קוריום	247Cm	1.6 × 107 שנים
97	ברקליום	247Bk	1000 שנים
98	קליפורניום	251Cf	900 שנים
99	איינשטייניום	252Es	470 ימים
100	פרמיום	257Fm	100.5 ימים
101	מנדלביום	258Md	51.5 ימים
102	נובליום	259No	58 דקות
103	לורנציום	266Lr	~11 שעות
104	רתרפורדיום	267Rf	~1.3 שעות
105	דובניום	268Db	1.3 ימים
106	סיבורגיום	269Sg	~3.1 דקות
107	בוהריום	270Bh	3.8 דקות
108	האסיום	277mHs	~130 שניות
109	מייטנריום	278Mt	7.6 שניות
110	דרמשטטיום	281mDs	~3.7 דקות
111	רנטגניום	282Rg	2.1 דקות
112	קופרניקיום	285mCn	~8.9 דקות
113	ניהוניום	286Nh	19.6 שניות
114	פלרוביום	289mFl	~1.1 דקות
115	מוסקוביום	289Mc	220 מילי-שניות
116	ליברמוריום	293Lv	61 מילי-שניות
117	טנסין	294Ts	78 מילי-שניות
118	אוגאנסון	294Og	890 מיקרו-שניות

קישורים חיצוניים

• Superheavy Element 114 Confirmed: A Stepping Stone to the Island of Stability
• ?The Island of Stability
• משה נחמני, הוכן היסוד הכימי ה-117 בטבלה המחזורית, הידען, 16 באפריל 2010
• תמר רותם, אמנון מרינוב, האיש שהלך מעבר לאורניום, באתר הארץ, 18 בפברואר 2013
• Viewpoint: Heavy into Stability

הערות שוליים

21559406אי של יציבות