מרכז ארצי למורי הכימיה - עמוד הבית

ניקל 48: ''הקסם הכפול''

8/09/2016 17:33:49

מעובד לפי:
Geoffrey W. Rayner-Canham, Education in Chemistry, March 2001, pp 46-48 

בדרך כלל, נוטים הכימאים למקד את התעניינותם באטום באלקטרונים, ולהשאיר את מסתרי הגרעין לפיזיקאים.

כדי לענות על שאלות מסוימות, כגון "מדוע ליסודות מסוימים יש רק איזוטופ אחד ולאחרים איזוטופים רבים?" או "מדוע מספר היסודות היציבים הוא סופי?" אין מנוס אלא ל"הציץ" אל תוך הגרעין ולהבין את המתרחש בו. השנה, עם גילויו של איזוטופ מיוחד של ניקל, פונים גם הכימאים לחפש תשובות במודל רמות האנרגיה של הגרעין.

מחישוב היחס בין מספר הנויטרונים לבין מספר הפרוטונים בגרעינים נפוצים, הסתבר שהוא גדל עם העלייה במספר האטומי (טבלה 1) כדי להסביר זאת, יש להתייחס לשני הכוחות המנוגדים הקיימים בגרעין:
  • כוח המשיכה בין הנוקליאונים (הפרוטונים והנויטרונים), הנקרא הכוח החזק (או הכוח הגרעיני).
  • הדחייה החשמלית בין הפרוטונים, הנקרא הכוח האלקטרומגנטי (קולון).

    הכוח החזק הוא קצר טווח, הכוח האלקטרומגנטי הוא ארוך טווח.  

    היסוד מס' פרוטונים מס' נויטרונים יחס
    פרוטונים/נויטרונים
    הליום

    פחמן

    ארגון

    ברזל

    יוד

    עופרת

    אורניום

     
    2

    6

    18

    26

    53

    82

    92

     
    2

    6

    20

    30

    74

    126

    146

     
    1.0

    1.0

    1.2

    1.2

    1.4

    1.5

    1.6

    טבלה 1: יחס נויטרונים לפרוטונים בכמה איזוטופים נפוצים

    כדי שהמשיכה בין החלקיקים תהיה גדולה מן הדחייה ביניהם, צריך שהכוח החזק יהיה גדול יותר מכוח הדחייה, וזאת ניתן לקבל רק על ידי הוספת נויטרונים. אם אין מספיק נויטרונים, כוח הדחייה בין הפרוטונים יגרום להתפרקות הגרעין. באיזוטופ החדש של הניקל, 48Ni, נמצא כי היחס בין מספר הנויטרונים למספר הפרוטונים הוא רק 0.7 זהו יחס קטן בהרבה מהתחום הרגיל, שנע בין 1.1-1.3 השכיח באטומים עם מספר מסה דומה. כיצד אפשר להסביר זאת?

    שני מודלים הוצעו כדי להסביר את התנהגות הגרעין: מודל הטיפה ומודל רמות האנרגיה. מודל הטיפה יעיל לחקר ביקוע גרעיני. אם מדמים את הגרעין לטיפת מים, פיצול הטיפה לשתי טיפות קטנות יותר, מתאים לביקוע הגרעין לשני חלקים.

    מודל זה אינו מסביר מדוע איזוטופים מסוימים קיימים בטבע ואחרים לא. מודל רמות האנרגיה מסביר סוגייה זו, ומכאן חשיבותו. מודל זה, שהוצע בנפרד על ידי מריה גופרט מייר והנס ג'נסן (במסגרת בסוף המאמר), מייחס לנוקלאונים בגרעין רמות אנרגיה עם מספרים קוונטיים, בדומה לרמות האנרגיה והמספרים הקוונטיים של האלקטרונים באטום. על פי מודל זה, גם הפרוטונים והנויטרונים ממלאים רמות אנרגיה קוונטיות ומצייתים לכללי פאולי, על פיהם לא ייתכנו שני פרוטונים או שני נויטרונים המאופיינים על ידי אותם ארבעה מספרים קוונטיים.

    בדומה לאלקטרונים, גם לנוקליאונים יש ספין של ±1/2. צימוד הספינים חשוב יותר בגרעינים מאשר באלקטרונים, ושכיחים יותר הגרעינים בעלי מספר זוגי של פרוטונים ו/או נויטרונים. מתוך 273 גרעינים יציבים, ב- 164 יש מספר זוגי של פרוטונים ושל נויטרונים. רק בארבעה יש מספר אי-זוגי גם של פרוטונים וגם של נויטרונים, ואילו בשאר יש שילוב של זוגי ואי-זוגי. ספקטרוסקופיה של תהודה מגנטית גרעינית (תמ"ג) אפשר לבצע רק כשיש נוקלאונים לא מזווגים, ולכן שיטה זו יעילה בעבור פחות מ-40% מהגרעינים היציבים.

    במערכת השמש, יסודות בעלי מספר זוגי של פרוטונים שכיחים פי עשרה מיסודות בעלי מספר איזוגי, ולכן מספר האיזוטופים היציבים גדול יותר. ליסודות בעלי מספר איזוגי של פרוטונים יש, בדרך כלל, איזוטופ אחד, או לכל היותר שניים. לדוגמה, לצזיום (55 פרוטונים) יש איזוטופ יציב אחד, ולבריום (65 פרוטונים) יש שבעה איזוטופים.

    אף שזיווג ספינים חשוב מאוד, המספרים הקוונטיים האחרים ממלאים את התפקיד המרכזי בקביעת האנרגיה של רמת היסוד והרמות המעוררות של הגרעינים.

    בדומה לאלקטרונים, לכל נוקליאון יש 4 מספרים קוונטיים:
    1. מספר קוונטי ראשי, n - קובע את רמת האנרגיה של הנוקליאון. מספר זה, כמו באלקטרונים, יכול לקבל את הערכים 1, 2, 3, 4 וכו', עד אינסוף.
    2. מספר קוונטי של תנע זוויתי, l - באלקטרונים ערכיו נעים בין 1-n לאפס. יש סדר קבוע של מילוי תת הרמות. למשל, תת-רמה 4s מתמלאת לפני 3p. הערך של התנע הזויתי בנוקליאונים אינו מוגבל, והם יכולים לאכלס רמות 1d ,1p וכו'. גם רמות הנוקלאונים מתמלאות לפי הסדר:  

    ... ,1s, 1p, 1d, 2s, 1f, 2p, 1g, 2d, 3s, 1h, 2f, 3p, 1i, 2g, 3g, 4s, 1j
     
    3. מספר קוונטי מגנטי - יכול לקבל ערכים ממינוס l עד פלוס l  וכך יש תת רמה אחת s, שלוש p, חמש d, שבע f, תשע g, אחת עשרה h, שלוש עשרה i, וחמש עשרה j.
    4. מספר קוונטי של הספין - לכל תת-רמה יכולים להיכנס עד שני נוקלאונים, בעלי ספין הפוך.

    מודל רמות האנרגיה של הגרעין, כפי שפותח על ידי מריה גופרט מייר, מסביר את היציבות המיוחדת של גרעינים בעלי מספרי פרוטונים ונויטרונים מסוימים. הסתבר, כי כמו בסידור האלקטרוני, גם לגבי הגרעין קיימות סדרות של מספרים האחראיות ליציבות הגרעין.

    מריה גופרט מייר קראה בשם "מספרי קסם" למספרי הנוקלאונים הנחוצים למילוי הרמות בגרעין. "מספר הקסם הכפול" הוא מספר שבו מתמלאות גם רמות הפרוטונים וגם רמות הנויטרונים.

    הרמה המלאה הראשונה, הן בפרוטונים והן בנויטרונים (1s2) היא בהליום - 4. אטום זה הוא השני בשכיחותו ביקום. גרעיניו, חלקיקי a, נפלטים בדרך כלל בתגובות של דעיכה רדיואקטיבית. בגרעין הליום - 4, שבו גם רמת הפרוטונים וגם רמת הנויטרונים מלאות, מתקיים "מספר הקסם הכפול". גרעין חמצן - 16, שבו מתמלאת הרמה השנייה, 1p61s2, גם של הפרוטונים וגם של הנויטרונים, הוא גם הגרעין השני בעל "מספר קסם כפול".
    הרמה השלישית (אחריה יש קפיצה גדולה ברמת האנרגיה) ממלאת את 1s21p61d102s2, כלומר 20 נוקלאונים.

    "מספרי הקסם" הבאים הם 28, 50, 82, 126, 184. פיזיקאים טוענים, שלגבי נויטרונים, גם 114 הוא "מספר קסם".

    על פי מודל רמות האנרגיה ניתן להסביר תצפיות רבות:

  • לגרעינים עם "מספר קסם" של פרוטונים יש איזוטופים רבים (אטומים בעלי מספר פרוטונים שווה, מספר נויטרונים שונה). לסידן (20 פרוטונים), למשל, יש שישה איזוטופים יציבים: לשכניו, אשלגן וסקנדיום, יש רק איזוטופ יציב אחד.
  • לגרעינים בעלי "מספר קסם" של נויטרונים יש איזוטופים רבים (אטומים בעלי מספר שווה של נויטרונים, אך מספר שונה של פרוטונים). לדוגמא, לאיזוטופים הנפוצים ביותר של טיטניום, נדיום וכרום יש 28 נויטרונים.
  • כל שרשרות הדעיכה הרדיואקטיבית של היסודות הכבדים מסתיימות בעופרת (82 פרוטונים).
  • הגרעינים היציבים הכבדים ביותר הם עופרת - 208 וביסמוט - 209 (126 נויטרונים).
  • האיזוטופים מאריכי-החיים ביותר של פולוניום ואסטטין הם Po-210 ו-(126 נויטרונים) At-211 .

    למודל רמות האנרגיה יש חשיבות רבה לגבי סינתזה של איזוטופים כבדים. באחת השיטות לקבלתם, מפגיזים גרעינים כבדים בגרעינים קלים, מתוך תקווה שיתרחש ביניהם תהליך היתוך ויתקבל גרעין כבד יותר. הצרוף בין גרעין כבד, בו היחס המספרי בין הנויטרונים לפרוטונים גבוה יותר, לבין גרעין קל, בו היחס הוא בין 1.0 לבין 1.2, נידון מראש לכישלון בשל מחסור בנויטרונים.

    כאן באים "מספרי הקסם" לעזרת המדענים. 0.187% מגרעיני הסידן הם איזוטופ "הקסם הכפול", סידן-48 (20 פרוטונים ו-28 נויטרונים). באיזוטופ זה, שהוא קל יחסית, היחס הוא 1.4, יחס גבוה במיוחד. מדענים בדובנה שברוסיה הפגיזו פלוטוניום-244 (94 פרוטונים) בגרעין סידן-48, וקיבלו לראשונה את האטומים של היסוד 411 ("מספר קסם"). לאיזוטופ זה, עם 175 נויטרונים, יש זמן מחצית חיים של 30 שניות - זמן ארוך להפליא בשביל יסוד עם מספר פרוטונים גבוה כל כך. מפליאה עוד יותר העובדה, שיחס הנויטרונים לפרוטונים הוא רק 1.4, הרבה פחות מהדרוש ליציבות של גרעינים גדולים שכאלה. אם יצליחו לקבל איזוטופ עשיר יותר בנויטרונים, הוא יהיה, כנראה בעל זמן מחצית חיים ארוך במיוחד.

    פיזיקאי הגרעין חולמים לסנתז גרעין נוסף עם מספרי "קסם כפול", נוסף על החמישה שכבר ידועים: הליום-4 (2p, 2n), חמצן-16 (8p, 8n), סידן-40 (20p, 20n), ניקל-48 (20p, 28n) ועופרת-208 (50p, 82n). ידועים גם האיזוטופים הרדיואקטיביים ניקל-56 (28p, 28n) ובדיל-132 (50p, 28n). בשנת 3991 סונתז הליום-10 (2p,8n), ושנה לאחר מכן בדיל-100 (50p, 50n). יחס הנויטרונים לפרוטונים בבדיל-100 הוא 1.0, נמוך בהרבה מהממוצע של 1.4 הוא כמה שניות, זמן ארוך במיוחד, יחסית לאלפיות השניה שציפו לקבל. בשנת 1995 הצליחו לסנתז איזוטופ יציב במיוחד של ניקל-78 (28p, 50n).

    המתחרים העיקריים על הכנת יסודות כבדים חדשים הם מדענים מברקלי (ארצות הברית), דובנה (רוסיה), ודרמשטדט (גרמניה). בניסוי משותף לגרמנים, לצרפתים ולפולנים, שבוצע במאיץ החלקיקים בדרמשטדט, הופגזו מטרות עופרת ובריליום ביוני אורניום-238. התקבלו למעלה מ-100 גרעינים, ביניהם גם האיזוטופ ניקל-78, בעל "הקסם הכפול". 10 שנים ניסו, ללא הצלחה, לקבל גם ניקל-48. הם קיבלו אותו לבסוף בשנת 1999, במאיץ החלקיקים בקאין שבצרפת, שם הקרן הנשלחת היתה באנרגיה נמוכה יותר, אך עוצמתה גדולה יותר. החוקרים הפגיזו מטרה של ניקל טבעי, בעיקר 58 ו- 60, בקרן של ניקל 58, ולשמחתם האדירה, התקבלו שניים, ואולי אף ארבעה אטומים של ניקל-48. מאמציהם הממושכים נשאו פרי.

    קיומם של איזוטופים אלה, בעלי זמן מחצית חיים ארוך יחסית, למרות יחס ניטרונים לפרוטונים נמוך יחסית, אפשר להסביר רק בעזרת מודל רמות האנרגיה בגרעינים. ידועים כיום שלושה איזוטופים של ניקל עם מספרי קסם כפולים: ניקל-48 (28p, 20n) ניקל-58 (28p, 28n) וניקל-78 (28p, 50n). הסינתזה של ניקל-48 והעמדתו מול סידן-48 (20p, 28n) מאפשרת למדענים להשוות בין רמות האנרגיה של הנוקלאונים בשני האיזוטופים, וללמוד יותר על רמות האנרגיה בגרעין. קבלת ניקל-48 היה עוד ניצחון לתיאוריה האלגנטית של רמות האנרגיה בגרעין האטום.  
  • דרג את הכתבהדירוג כתבה ניקל 48: ''הקסם הכפול'': 0
    כוכב 12 כוכבים3 כוכבים4 כוכבים5 כוכבים
    ללא מדרגים
    על-כימיה
    דלג על על-כימיה
    זכויות והרשאות
    דלג על זכויות והרשאות

    הפרויקט מבוצע עפ"י מכרז 09/07.13 עבור המזכירות הפדגוגית, משרד החינוך.

     © כל הזכויות שמורות למשרד החינוך

    כל הקבצים הנמצאים באתר זה נועדו אך ורק לשימושם האישי של מורי הכימיה ולהוראה בכיתותיהם. אין לעשות שימוש כלשהו בקבצים אלו לכל מטרה אחרת ובכלל זה שימוש מסחרי; פרסום באתר אחר (למעט אתר בית הספר בו מלמד המורה); העמדה לרשות הציבור או הפצה בדרך אחרת כלשהי של קבצים אלו או כל חלק מהם.

    *  *  *

    עבור לתוכן העמוד