فقط در پوسته؟ پژوهش‌های نوین نشان می‌دهد که چگونه ذرات آلفا در »پوستهٔ« هستهٔ اتم تشکیل می‌شوند
یک اتم را تجسّم کنید: مانند منظومهٔ شمسی کوچکی با هسته‌ای در مرکز و الکترون‌هایی که مانند سیارات به دور آن در گردش‌اند. اگرچه این تصویر آشنایی است، ولی چنین تشبیه‌هایی می‌توانند گمراه کننده باشند. تیمی که به‌طور عمده در دارمشتات آلمان مستقر است، هفتهٔ گذشته پژوهش تازه‌ای در نشریهٔ «ساینس» (علم) منتشر کرد که بر این امر تأکید دارد که اتم از تصویرهای ساده‌ای که ما از آن داریم، بسیار شگفت‌تر و پیچیده‌تر است. ما دربارهٔ ستاد مرکزی آن، یعنی هستهٔ اتم، هنوز باید خیلی بیشتر بیاموزیم.
هستهٔ اتم کمی بیش از یک قرن پیش کشف شد. پیش از آن، اتم‌ها مانند توپ‌های کوچک بیلیارد تصوّر می‌شدند. سپس، در اوایل قرن بیستم، اتم نوعی مادهٔ اسفنجی با بار الکتریکی مثبت در نظر گرفته شد که الکترون‌هایی با بار منفی در سراسر آن پراکنده‌اند. در یک تشبیه ساده‌نگرانه، اتم را مثل «فرنی کشمشی» می‌دیدند (که الکترون‌ها همانند کشمش‌های داخل فرنی بودند).
در یک آزمایش ثابت شد که این ایده اشتباه بوده است. ارنست رادرفورد فیزیک‌دان [نیوزیلندی] مدتی در حال بررسی مواد رادیواکتیو بود. او دریافته بود که این مواد می‌توانند سه نوع تابش ساطع کنند. او کم‌سرعت‌ترین و کوتاه‌ترین تابش را “آلفا” نامید. رادرفورد سپس دریافت که ذراتِ تابش آلفا مانند هسته‌های اتم هلیومِ بدون الکترون هستند. این “ذرات آلفا” را، به‌خاطر بار الکتریکی‌شان، می‌توان شتاب داد، و به همین دلیل برای شلیک کردن و زدن آنها با سرعت زیاد به مواد دیگر مناسب‌اند. چنین بود که استراتژی آزمایشی مهمی در فیزیک هسته‌یی به وجود آمد.
در سال ۱۹۱۲، هانس گایگر، جزو تیم اختراع‌کنندهٔ شمارشگر گایگر، در حین شلیک ذرات آلفا به ورق بسیار نازکی از طلا متوجه شد که برخی از ذرات پس از برخورد با زرورق بازمی‌گردند. گایگر این خبر را به رادرفورد داد. رادرفورد این کشف را “باورنکردنی‌ترین رویداد زندگی‌ام” خواند. او گفت: “[این رویداد] تقریباً به همان اندازه باورنکردنی بود که گویی گلوله‌ای ۱۵ اینچی را به تکه‌ای دستمال کاغذی شلیک کرده باشید و برگردد و به شما بخورد.”
رادرفورد متوجه شد که برای اینکه این بازگشت صورت بگیرد، بار مثبت اتم طلا باید در نقطهٔ مرکزی بسیار کوچکی متمرکز شده باشد: در هستهٔ آن. بنابراین، اتم تا حد زیادی حجمی تهی است، با هسته‌ای کوچک در مرکز آن و الکترون‌هایی که در بیرون آن [هسته] می‌گردند. این هسته در بر دارندهٔ ذره‌هایی با بار مثبت (پروتون) بود. تازه در سال ۱۹۳۲ بود که جیمز چَدویک وجود نوترون را کشف کرد: ذره‌ای شبیه به پروتون امّا با بار خنثا، که در مرکز هستهٔ اتم جا دارد.
برخلاف ذرات آلفا که با بار مثبت هسته دفع می‌شوند (مگر اینکه انرژی زیادی به آنها داده شود)، نوترون‌ها را می‌توان مستقیم به خودِ هسته شلیک کرد و فقط با انرژی نسبتاً کمی به درون هسته وارد کرد. نوترون‌ها گشایندهٔ دنیایی جدید از اکتشاف شدند، به‌خصوص در مورد هسته‌های بسیار سنگین و با بار الکتریکی زیاد.
فیزیک‌دانانی مانند اِنریکو فِرمی شروع کردند به انجام آزمایش‌هایی با نوترون و آنها را به هسته‌ها اضافه کردند تا ببینند چه اتفاقی می‌افتد. فِرمی معتقد بود که با افزودن نوترون‌ها به عنصر اورانیوم- سنگین‌ترین عنصر شناخته شده (با عدد اتمی ۹۲)- ابتدا تغییری ناپایدار در هسته ایجاد می‌شود. سپس در این هستهٔ ناپایدار شده واپاشیِ رادیواکتیو (فروپاشی هسته‌یی) صورت می‌گیرد، یعنی یک نوترون «شکافته» و به یک پروتون و یک الکترون تقسیم می‌شود، و بنابراین تعداد پروتون‌های هسته را یکی افزایش می‌دهد و عنصر کاملاً جدید “فرا-اورانیومی” [ترانس‌اورانیک، عنصری با عدد اتمی بالاتر از ۹۲] به وجود می‌آید: کیمیاگری هسته‌یی.
فِرمی به‌خاطر کشف “عناصر رادیواکتیو جدید تولید شده بر اثر تابش نوترونی”، در سال ۱۹۳۸برندهٔ جایزهٔ نوبل فیزیک شد. در معرفی فِرمی و کشف او در مراسم نوبل، به موفقیت او در “تولید دو عنصر جدید ۹۳ و ۹۴” اشاره شد. ولی در حقیقت، همان‌طور که آیدا نودَک، شیمیدان، مطرح کرد، فِرمی در این مورد کاملاً اشتباه کرده بود. سال بعد مشخص شد که پس از ناپایدارسازیِ هستهٔ اورانیوم، این هسته در واقع به دو عنصر سبک‌تر شکافته و تقسیم می‌شود؛ فرایندی که “شکافت هسته‌یی” نام گرفت.
این کشف شگفت‌انگیز در آستانهٔ جنگ جهانی دوّم، جهان را برای همیشه تغییر داد. طی شش سال، این کشف به تولید نخستین بمب‌های شکافتی منجر شد که بر روی شهرهای هیروشیما و ناگازاکی انداخته شدند. بعدها فیزیک‌دانان هسته‌یی ثابت کردند که هستهٔ اتم نیز، مانند اتم، یکنواخت نیست. توزیع و پراکندگی نوترون‌ها بیرونی‌تر از پراکندگی پروتون‌ها است و موجب به وجود آمدن ناحیه‌ای بیرونی غنی از نوترون می‌شود که “پوستهٔ نوترونی” نام گرفته است. این پوسته ویژگی‌های خاص خودش را دارد، درست همان‌طور که پوست پرتقال با گوشت آن بسیار تفاوت دارد.
شناخت بیشتر پوستهٔ نوترونی، از طریق در اختیار گذاشتن اطلاعاتی دربارهٔ تأثیر متقابل نیروهای مورد استفاده در الگوهای ریاضی، می‌تواند اطلاعات بیشتری دربارهٔ هستهٔ اتم به ما بدهد. در پژوهشی جدید که گزارش آن هفتهٔ گذشته منتشر شد، پژوهشگران یک پرتو پروتونی ۳۹۲ مگاالکترون وُلتی را توسط دستگاه شتاب‌دهنده به هدفی از جنس عنصر قلع تاباندند. برای مقایسه، پُرقدرت‌ترین شتاب‌دهندهٔ حلقوی یا سیکلوترون در سال‌های پایانی دههٔ ۱۹۳۰، ۱۶ مگاالکترون وُلتی بود. این پروتون‌های پُرانرژی، ذرات آلفا را از “پوستهٔ نوترونی” بیرون انداختند تا از این راه بتوان تأثیر چگالی‌های متفاوت بر پارامترهای مختلف را مطالعه و کشف کرد. نتیجهٔ این کار پژوهشی این بود که رابطهٔ پیشنهادی موجود بین ضخامت پوستهٔ نوترونی و چگونگی تغییر “انرژی متقارن” پروتون‌ها و نوترون‌ها متناسب با چگالی هسته‌یی، باید تجدیدنظر شود.
این نتایج، علاوه بر اینکه اطلاعاتی بیشتر در مورد اتم‌های اطراف ما در اختیارمان می‌گذارند، برای حدس زدن خواص “ستاره‌های نوترونی” نیز قابل کاربرد هستند. این اجسام شگفت‌انگیز [ستاره‌های نوترونی]، بقایای انفجارهای ستاره‌ها در زمانی‌اند که جرم ستاره‌یی به صورت تودهٔ متراکم درخشانی، درست مانند هستهٔ غول‌پیکر فوق‌العاده متراکم [و سنگین] اتم، فرومی‌پاشد. این نظریات [دربارهٔ ستاره‌های نوترونی] فقط دو سال پس از کشف نوترون پیشنهاد شد ولی تازه در دههٔ ۱۹۶۰ بود که ستاره‌شناسان، از جمله جوسلین بل برنل و ساموئل اوکوی، توانستند پدیدهٔ ستارهٔ نوترونی را مشاهده کنند. ما نمی‌توانیم به ستارهٔ نوترونی برویم، ولی می‌توانیم با انجام آزمایش بر روی بستگان بسیار ریز زمینی‌شان (هستهٔ اتم‌ها) به عنوان الگو، شناخت بهتری از این ستاره‌ها به دست آوریم.
کشف خوشه‌بندی ذرات در درون اتم برای شناخت ناهمگنی‌هایی که ممکن است در داخل یک ستارهٔ نوترونی سنگین‌تر از خورشید رخ دهد، و اینکه چه نیروهای داخلی در آن وجود دارند، دلالت‌های مهمی به دست می‌دهد. این آزمایش‌های جدید نشان می‌دهند که ذرات آلفا در پوستهٔ نوترونی هسته تشکیل می‌شوند و نه در عمق آن. با گذشت بیش از یک قرن از زمانی که ذرات آلفا موجب کشف هستهٔ اتم شدند، اکنون ما کم‌کم می‌توانیم غوغای نیروهای درون آنها و چگونگی تشکیل ذرات آلفا در سطح جوشان هستهٔ اتم را تصوّر کنیم: مانند ”سرشیر“ دَلَمه شده‌ای که روی “فرنی” گرم شکل می‌گیرد. البته این تشبیهی بیشتر نیست.
ترجمه شده مقاله ای از راکس میدلتون، جول هلیول و لیام شاو، منتشر شده در روزنامه مورنینگ استار، ۲۰ ژانویه ۲۰۲۱ / ۱ دی ۹۹
به نقل از «نامۀ مردم»، شمارۀ ۱۱۲۳، ۲۷ بهمن ۱۳۹۹
