หมู่เกาะแห่งเสถียรภาพ

จากวิกิพีเดีย สารานุกรมเสรี
(เปลี่ยนทางจาก เกาะแห่งความเสถียร)
ภาพจำลอง 3 มิติของหมู่เกาะแห่งเสถียรภาพที่ได้ทำนายไว้ ซึ่งอยู่ระหว่าง N=178 และ Z=118

ในเชิงฟิสิกส์นิวเคลียร์ หมู่เกาะแห่งเสถียรภาพ (อังกฤษ: island of stability) อธิบายถึงไอโซโทปของธาตุหลังยูเรเนียมหมู่หนึ่งที่ยังไม่เคยมีการค้นพบมาก่อนซึ่งคาดเดาว่าจะเสถียรกว่าธาตุกัมมันตรังสีอื่นๆ คาดว่าไอโซโทปของธาตุเหล่านี้จะสลายตัวช้ากว่าไอโซโทปของธาตุกัมมันตรังสีอื่นๆ โดยมีอายุยาวนานอย่างน้อยในหน่วยเป็นนาทีหรือวันเมื่อเปรียบเทียบกับไอโซโทปของธาตุกัมมันตรังสีบางธาตุที่มีอายุเพียงไม่กี่วินาทีหรือน้อยกว่านั้น บางไอโซโทปอาจมีครึ่งชีวิตหลายล้านปีทีเดียว[1]

สมมติฐานและที่มา[แก้]

แนวคิดความเป็นไปได้ที่จะมี "หมู่เกาะแห่งเสถียรภาพ" ได้ถูกเสนอครั้งแรกโดยเกลนน์ ที. ซีบอร์กในช่วงปลายทศวรรษที่ 1960[2] สมมติฐานได้กล่าวไว้ว่านิวเคลียสอะตอมได้ถูกสร้างขึ้นเป็นชั้นๆ ในรูปแบบที่คล้ายชั้นพลังงานของอิเล็กตรอนซึ่งมีขนาดใหญ่กว่าในอะตอม ในกรณีทั้งสอง ชั้นพลังงานเหล่านี้เป็นเพียงระดับพลังงานควอนตัมที่อยู่ค่อนข้างใกล้กันเท่านั้น ระดับพลังงานของสภาวะควอนตัมในชั้นพลังงานสองชั้นที่ต่างกันจะถูกคั่นด้วยช่องโหว่พลังงานที่ค่อนข้างใหญ่ ดังนั้นเมื่อจำนวนนิวตรอนและโปรตอนได้เติมเต็มระดับพลังงานของชั้นพลังงานในนิวเคลียสที่กำหนดไว้ พลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออนจะเพิ่มสูงขึ้นจนถึงค่าสูงสุดเฉพาะที่ฉะนั้นการจัดเรียงอีเล็กตรอนนั้นๆ จะมีช่วงชีวิตที่ยาวนานกว่าไอโซโทปใกล้เคียงซึ่งไม่มีชั้นพลังงานที่ถูกเติมจนเต็ม[3]

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[4][5] อย่างไรก็ตาม มันมีครึ่งชีวิตเพียง 3.6 วินาที[6]

ไอโซโทปที่มีจำนวนโปรตอนมากพอที่จะสามารถตั้งรากฐานไว้บนเกาะใดเกาะหนึ่งได้ถูกสังเคราะห์ขึ้นแล้ว แต่ทว่าไอโซโทปเหล่านี้มีจำนวนนิวตรอนที่น้อยเกินกว่าที่จะสามารถวางมันลงบนแม้แต่ "ชายฝั่ง" รอบนอกของเกาะเสียอีก เป็นไปได้ที่ว่าธาตุเหล่านี้จะมีสมบัติทางเคมีที่แตกต่างจากธาตุอื่นๆ และถ้าธาตุเหล่านี้มีไอโซโทปที่มีช่วงชีวิตยาวพอ อาจสามารถนำไปใช้ได้หลายประการ (เช่นเป้าหมายในเครื่องเร่งอนุภาครวมถึงการนำไปใช้เป็นต้นกำเนิดนิวตรอนอีกด้วย)

ครึ่งชีวิตของธาตุที่มีหมายเลขสูงสุด[แก้]

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

ไอโซโทปของธาตุที่เป็นที่รู้จัก ตั้งแต่ธาตุที่ 100 จนถึง 118[7][8]
เลขอะตอม ชื่อ ไอโซโทปที่ช่วงชีวิต
ยาวนานที่สุด
ครึ่งชีวิต บทความ
100 เฟอร์เมียม 257Fm 101 วัน ไอโซโทปของเฟอร์เมียม
101 เมนเดลีเวียม 258Md 52 วัน ไอโซโทปของเมนเดลีเวียม
102 โนเบเลียม 259No 58 นาที ไอโซโทปของโนเบเลียม
103 ลอว์เรนเซียม 262Lr 3.6 ชั่วโมง ไอโซโทปของลอว์เรนเซียม
104 รัทเทอร์ฟอร์เดียม 267Rf 1.3 ชั่วโมง ไอโซโทปของรัทเทอร์ฟอร์เดียม
105 ดุบเนียม 268Db 29 ชั่วโมง ไอโซโทปของดุบเนียม
106 ซีบอร์เกียม 271Sg 1.9 นาที ไอโซโทปของซีบอร์เกียม
107 โบห์เรียม 270Bh 61 วินาที ไอโซโทปของโบห์เรียม
108 ฮัสเซียม 277mHs ~12 นาที[9] ไอโซโทปของฮัสเซียม
109 ไมต์เนเรียม 278Mt 7.6 วินาที ไอโซโทปของไมต์เนเรียม
110 ดาร์มสตัดเทียม 281Ds 11 วินาที ไอโซโทปของดาร์มสตัดเทียม
111 เรินต์เกเนียม 281Rg 26 วินาที ไอโซโทปของเรินต์เกเนียม
112 โคเปอร์นิเซียม 285Cn 29 วินาที ไอโซโทปของโคเปอร์นิเซียม
113 อูนอูนเทรียม 286Uut 19.6 วินาที ไอโซโทปของอูนอูนเทรียม
114 ฟลีโรเวียม 289Fl 2.6 วินาที ไอโซโทปของฟลีโรเวียม
115 อูนอูนเพนเทียม 289Uup 220 มิลลิวินาที ไอโซโทปของอูนอูนเพนเทียม
116 ลิเวอร์มอเรียม 293Lv 61 มิลลิวินาที ไอโซโทปของลิเวอร์มอเรียม
117 อูนอูนเซปเทียม 294Uus 78 มิลลิวินาที ไอโซโทปของอูนอูนเซปเทียม
118 อูนอูนออกเทียม 294Uuo 0.89 มิลลิวินาที ไอโซโทปของอูนอูนออกเทียม

(สำหรับธาตุที่ 109–110, 112–114 และ 116–118 ไอโซโทปที่เสถียรที่สุดจะเป็นไอโซโทปที่หนักที่สุดเท่าที่เคยค้นพบมาเสมอ จึงคาดว่าน่าจะยังมีไอโซโทปที่เสถียรกว่าในระหว่างไอโซโทปที่หนักกว่านี้)

เพื่อเป็นการเปรียบเทียบ ธาตุที่มีหมายเลขอะตอมต่ำกว่า 100 ที่มีช่วงชีวิตน้อยที่สุดคือแฟรนเซียม (ธาตุที่ 87) ด้วยครึ่งชีวิตเพียง 22 นาที

ครึ่งชีวิตของนิวเคลียสที่อยู่ภายในตัวเกาะแห่งเสถียรภาพนั้นยังไม่ทราบแน่ชัด เพราะว่ายังไม่มีการค้นพบไอโซโทปใดที่ "อยู่บนเกาะ" นักฟิสิกส์หลายคนคาดคิดว่าครึ่งชีวิตของไอโซโทปเหล่านี้น่าจะค่อนข้างสี้นเป็นนาทีหรือวัน[1] แต่การคำนวณในเชิงทฤษฎีได้บ่งบอกว่าครึ่งชีวิตของไอโซโทปพวกนั้นยาวนานถึง 109 ปี[ต้องการอ้างอิง]

ครึ่งชีวิตการสลายให้อนุภาคแอลฟาของนิวเคลียส 1,700 อัน ด้วย 100 ≤ Z ≤ 130 ได้ถูกคำนวณโดยแบบจำลองควอนตัมทันเนลลิ่งโดยค่าของ Q ของการสลายตัวให้อนุภาคแอลฟาทั้งในเชิงการทดลองและเชิงทฤษฎี[10][11][12][13][14][15] การคำนวณในเชิงทฤษฎีจึงไปด้วยกันได้กับผลการทดลอง[ไม่แน่ใจ ]

การสลายตัวที่รุนแรงกว่าซึ่งเป็นไปได้สำหรับธาตุที่หนักยิ่งยวดของยิ่งยวดได้ถูกแสดงให้เห็นโดยดอริน โพเอนารุว่าเป็นการสลายตัวของสารกัมมันตรังสีแบบกลุ่ม[16]

ตารางธาตุพร้อมกับทำสัญลักษณ์สีธาตุตามครึ่งชีวิตของไอโซโทปที่เสถียรที่สุด
  ธาตุเสถียร
  ธาตุกัมมันตรังสีซึ่งมีไอโซโทปที่มีครึ่งชีวิตยาวนานมาก โดยมีครึ่งชีวิตนานกว่าสี่ล้านปี ปลดปล่อยรังสีออกมาในปริมาณเล็กน้อยมาก
  ธาตุกัมมันตรังสีซึ่งอาจเป็นอันตรายต่อสุขภาพเล็กน้อย ไอโซโทปที่เสถียรที่สุดของธาตุเหล่านี้มีครึ่งชีวิตอยู่ระหว่าง 800 ถึง 34,000 ปี มีการนำไปใช้ในทางพาณิชย์อยู่บ้าง
  ธาตุกัมมันตรังสีซึ่งทราบกันดีว่ามีความเสี่ยงต่อความปลอดภัยสูง ไอโซโทปที่เสถียรที่สุดมีครึ่งชีวิตอยู่ระหว่าง 1 วันถึง 103 ปี ด้วยรังสีที่ปลดปล่อยออกมาทำให้ธาตุเหล่านี้มีศักยภาพในการนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์ได้เพียงเล็กน้อย
  ธาตุกัมมันตรังสีอย่างยิ่ง ไอโซโทปที่เสถียรที่สุดมีครึ่งชีวิตอยู่ระหว่างไม่กี่นาทีถึงหนึ่งวัน ธาตุเหล่านี้อันตรายต่อสุขภาพอย่างรุนแรง มีไม่กี่ชนิดเท่านั้นที่ถูกใช้นอกเหนือไปจากการวิจัยเบื้องต้น
  ธาตุกัมมันตรังสีอย่างรุนแรง ธาตุเหล่านี้มีความรู้ความเข้าใจเกี่ยวกับพวกมันน้อยมากเนื่องจากความไม่เสถียรและกัมมันตภาพรังสี

เกาะแห่งความสัมพันธ์เสถียรภาพ[แก้]

232Th (ทอเรียม) 235U และ 238U (ยูเรเนียม) เป็นไอโซโทปที่พบเห็นในธรรมชาติเพียงไม่กี่ไอโซโทปเท่านั้นที่ค่อนข้างเสถียรที่อยู่หลังบิสมัทและมีครึ่งชีวิตยาวนานมากกว่าหรือใกล้เคียงกับอายุของจักรวาล บิสมัทได้ถูกค้นพบในปี 2546 ว่าไม่เสถียร และสลายตัวโดยการปล่อยอนุภาคแอลฟาออกมา ด้วยครึ่งชีวิตประมาณ 1.9×1019 ปีสำหรับ209Bi ไอโซโทปหลังบิสมัทที่เหลือทั้งหมดนั้นค่อนข้างไม่เสถียรหรือไม่เสถียรมาก ดังนั้นตารางธาตุหลักจึงสิ้นสุดตรงนั้น (ตามความคล้ายคลึงกันทางภูมิศาสตร์จุดนั้นจะอยู่บริเวณขอบของทวีป อย่างไรก็ตาม ไหล่ทวีปนั้นดำเนินต่อไปอย่างไม่รู้จบ น้ำตื้นจะเริ่มต้นที่เรเดียมและค่อยตกลงไปอีกทีหลังแคลิฟอร์เนียม โดยมีเกาะที่สำคัญตั้งอยู่ที่ทอเรียมและยูเรเนียม และเกาะเล็กเกาะน้อยอย่างเช่นพลูโทเนียม ซึ่งเกาะทั้งหมดถูกล้อมรอบโดย "ทะเลแห่งความไม่เสถียร" [17] (อังกฤษ: sea of instability) โดยแสดงให้เห็นว่าธาตุเช่นแอสทาทีน เรดอน และ แฟรนเซียม มีความสัมพันธ์กับธาตุเบาทั้งหมด และยังมีครึ่งชีวิตที่น้อยมากีกดวย ยกเว้นธาตุหนักที่ถูกค้นพบมาแล้วทั้งหมดจนถึงตอนนี้

การตรวจสอบเชิงทฤษฎีเมื่อไม่นานมานี้ได้แสดงให้เห็นว่าในบริเวณ Z=106–108 and N≈160–164 "เกาะ/คาบสมุทร" สักแห่งอาจเสถียรโดยคำนึงถึงนิวเคลียร์ฟิชชั่นและการปล่อย β- ออกมา นิวเคลียสหนักยิ่งยวดเช่นนั้นสลายตัวโดยการปล่อยอนุภาคออกมาเท่านั้น[11][12][13]ยิ่งไปกว่านั้น 298Fl ไม่ใช่ใจกลางของเกาะมหัศจรรย์ดังที่เคยคาดการณ์ไว้[18] ในทางตรงกันข้าม นิวเคลียสที่มี Z=110 และ N=183 (293Ds ) ดูเหมือนว่าจะอยู่ใกล้ใจกลางของ "เกาะมหัศจรรย์" ที่เป็นไปได้ (Z=104–116 และ N≈176–186) ในบริเวณ N≈162 268Sg รอดชีวิตจากการสลายตัวแบบบีตา-เสถียรและนิวเคลียร์ฟิชชั่นและครึ่งชีวิตของการสลายตัวให้อนุภาคแอลฟาที่ทำนายไว้ของไอโซโทปนี้อยู่ราว ~3.2 ชั่วโมง มากกว่า 270Hs (~28 วินาที) ซึ่งมีนิวเคลียสรูปทรงผิดเพี้ยนที่มหัศจรรย์สองเท่า [19]อย่างไรก็ตาม นิวเคลียสหนักยิ่งยวด 268Sg นั้นยังไม่เคยถูกสังเคราะห์ขึ้นในห้องทดลอง (พ.ศ. 2552) ส่วนสำหรับนิวเคลียสหนักยิ่งยวดที่ Z>116 และ N≈184 นั้นครึ่งชีวิตของการสลายตัวให้อนุภาคแอลฟานั้นได้ถูกทำนายว่าน่าจะต่ำกว่าหนึ่งวินาที นิวเคลียสที่ Z=120, 124, 126 และ N=184 นั้นน่าจะเป็นนิวเคลียสทรงกลมมหัศจรรย์คู่และเสถียรเมื่อคำนึงถึงนิวเคลียร์ฟิชชั่น[20]การคาดการณ์จากแบบจำลองควอนตัมทันเนลลิ่งได้แสดงให้เห็นว่านิวเคลียสที่หนักยิ่งยวดเช่นนั้นจะสลายตัวโดยการปล่อยอนุภาคแอลฟาออกมาภายในไมโครวินาทีหรือน้อยกว่านั้น[11][12][13]

ปัญหาการสังเคราะห์[แก้]

ดูเพิ่ม[แก้]

อ้างอิง[แก้]

  1. 1.0 1.1 "Superheavy Element 114 Confirmed: A Stepping Stone to the Island of Stability" (ใน อังกฤษ). สืบค้นเมื่อ 11 ตุลาคม 2552. 
  2. "The Island of Stability" (ใน อังกฤษ). สืบค้นเมื่อ 24 กรกฎาคม 2555. 
  3. "Shell Model of Nucleus". HyperPhysics (ใน อังกฤษ). Department of Physics and Astronomy, Georgia State University. สืบค้นเมื่อ 22 มกราคม 2550. 
  4. Dvořák, Jan (2007-07-12). "PhD. Thesis: Decay properties of nuclei close to Z = 108 and N = 162". Technische Universität München. 
  5. Dvorak, J.; Brüchle, W.; Chelnokov, M.; Dressler, R.; Düllmann, Ch.; Eberhardt, K.; Gorshkov, V.; Jäger, E. และคณะ (2006). "Doubly Magic Nucleus Hs162-108-270". Physical Review Letters 97 (24): 242501. Bibcode:2006PhRvL..97x2501D. doi:10.1103/PhysRevLett.97.242501. PMID 17280272. 
  6. ดูการอ้างอิงที่ ฮัสเซียม
  7. Emsley, John (2001). Nature's Building Blocks ((Hardcover, First Edition) ed.). Oxford University Press. pp. (pages 143, 144,458). ISBN 0-19-850340-7. 
  8. Alexandra Witze (April 6, 2010). "Superheavy element 117 makes debut" (ใน อังกฤษ). สืบค้นเมื่อ 6 เมษายน 2553. 
  9. http://www.rsc.org/chemistryworld/podcast/Interactive_Periodic_Table_Transcripts/Hassium.asp
  10. P. Roy Chowdhury, C. Samanta, and D. N. Basu (26 มกราคม 2549). "α decay half-lives of new superheavy elements". Phys. Rev. C 73: 014612. arXiv:nucl-th/0507054. Bibcode:2006PhRvC..73a4612C. doi:10.1103/PhysRevC.73.014612. 
  11. 11.0 11.1 11.2 C. Samanta, P. Roy Chowdhury and D.N. Basu (2007). "Predictions of alpha decay half lives of heavy and superheavy elements". Nucl. Phys. A 789: 142–154. arXiv:nucl-th/0703086. Bibcode:2007NuPhA.789..142S. doi:10.1016/j.nuclphysa.2007.04.001. 
  12. 12.0 12.1 12.2 P. Roy Chowdhury, C. Samanta, and D. N. Basu (2551). "Search for long lived heaviest nuclei beyond the valley of stability". Phys. Rev. C 77 (4): 044603. arXiv:0802.3837. Bibcode:2008PhRvC..77d4603C. doi:10.1103/PhysRevC.77.044603. 
  13. 13.0 13.1 13.2 P. Roy Chowdhury, C. Samanta, and D. N. Basu (2008). "Nuclear half-lives for α-radioactivity of elements with 100 < Z < 130". At. Data & Nucl. Data Tables 94 (6): 781. arXiv:0802.4161. Bibcode:2008ADNDT..94..781C. doi:10.1016/j.adt.2008.01.003. 
  14. P. Roy Chowdhury, D. N. Basu and C. Samanta (January 26, 2007). "α decay chains from element 113". Phys. Rev. C 75 (4): 047306. arXiv:0704.3927. Bibcode:2007PhRvC..75d7306C. doi:10.1103/PhysRevC.75.047306. 
  15. Chhanda Samanta, Devasish Narayan Basu, and Partha Roy Chowdhury (2550). "Quantum tunneling in 277112 and its alpha-decay chain". Journal of the Physical Society of Japan 76 (12): 124201–124204. arXiv:0708.4355. Bibcode:2007JPSJ...76l4201S. doi:10.1143/JPSJ.76.124201. 
  16. Dorin N Poenaru, R.A. Gherghescu, Walter Greiner (2011). "Heavy-Particle Radioactivity of Superheavy Nuclei". Phys. Rev. Lett. 107 (6): 062503. arXiv:1106.3271. Bibcode:2011PhRvL.107f2503P. doi:10.1103/PhysRevLett.107.062503.  Text "http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.107.062503" ignored (help)
  17. Note graphic: Known and predicted regions of nuclear stability, surrounded by a “sea” of instability. cf. the Chart of Nuclides by half-life.
  18. Sven Gösta Nilsson, Chin Fu Tsang, Adam Sobiczewski, Zdzislaw Szymaski, Slawomir Wycech, Christer Gustafson, Inger-Lena Lamm, Peter Möller and Björn Nilsson (February 14, 1969). "On the nuclear structure and stability of heavy and superheavy elements". Nuclear Physics A 131 (1): 1–66. Bibcode:1969NuPhA.131....1N. doi:10.1016/0375-9474(69)90809-4. 
  19. J. Dvorak, W. Brüchle, M. Chelnokov, R. Dressler, Ch. E. Düllmann, K. Eberhardt, V. Gorshkov, E. Jäger, R. Krücken, A. Kuznetsov, Y. Nagame, F. Nebel,1 Z. Novackova, Z. Qin, M. Schädel, B. Schausten, E. Schimpf, A. Semchenkov, P. Thörle, A. Türler, M. Wegrzecki, B. Wierczinski, A. Yakushev, and A. Yeremin (2006). "Doubly Magic Nucleus 270108 Hs-162". Physical Review Letters 97 (24): 242501. Bibcode:2006PhRvL..97x2501D. doi:10.1103/PhysRevLett.97.242501. PMID 17280272. 
  20. S. Cwiok, P.-H. Heenen and W. Nazarewicz (2005). "Shape coexistence and triaxiality in the superheavy nuclei" (PDF). Nature 433 (7027): 705 Extra |pages= or |at= (help). Bibcode:2005Natur.433..705C. doi:10.1038/nature03336. PMID 15716943.