הפיזיקה הגרעינית שוב
מותחת את הגבול

הפיזיקה הגרעינית היא אחד מאותם תחומי מדע שבהם הניסיון מקדים פעמים רבות את התיאוריה. בהרבה מקרים, החוקרים במאיצי החלקיקים ובמעבדות מופתעים לראות לנגד עיניהם תצפיות שעומדות בניגוד מסוים לתיאוריה, מה ששולח את התיאורטיקנים, בתורם, בחזרה למשוואות כדי לנסות להסביר את ההפתעות בניסוי. רק לאחרונה סיפרנו לכם על גרעין החמצן-28 שלא התנהג בהתאם לחיזוי, ויש דוגמאות רבות נוספות.

גרעין בהפתעה

מאמר חדש שהתפרסם בכתב העת Physical Review Letters, המכוון לכל קהילת הפיזיקאים באשר הם, מספר על ההפתעה שהכין לחוקרים גרעין החנקן-9; גרעין שלכאורה כלל לא היה אמור להתקיים, ואף על פי כן, ישנם סימנים מבוססים לקיומו.

כל יסוד מאופיין במספר הפרוטונים שבגרעין האטום שלו, שהוא תמיד קבוע עבור יסוד מסוים ומשתנה מיסוד ליסוד. הפרוטונים הם בעלי מטען חיובי, וכבדים בערך פי 1837 מחבריהם האלקטרונים בעלי המטען השלילי המקיפים את הגרעינים. כיום, מוכרים למדע 118 יסודות – חלק לא מבוטל מהם מיוצרים באופן מלאכותי במעבדות ואינם יציבים בעליל, ולכן לא נמצא אותם בטבע. את גרעיני האטומים השונים מרכיבים גם נייטרונים, חלקיקים מחוסרי מטען, אשר מספרם קובע מהו האיזוטופ של יסוד כלשהו. לכל יסוד יש כמה איזוטופים, חלקם שכיחים יותר בטבע וחלקם פחות.

כל יסוד מאופיין במספר הפרוטונים שבגרעין האטום שלו, שהוא תמיד קבוע עבור יסוד מסוים ומשתנה מיסוד ליסוד. היסוד חנקן בטבלה המחזורית | Oselote, Shutterstock

אטום חנקן תמיד מכיל שבעה פרוטונים, ובאיזוטופ הנפוץ ביותר שלו, חנקן-14, המהווה 99 אחוז מהחנקן בטבע, יש שבעה נייטרונים. בסך הכול 14 חלקיקים, המכונים נוקליאונים, מרכיבים את האיזוטופ הזה של גרעין החנקן, ומכאן שמו. חנקן-14 הוא איזוטופ יציב, כלומר איננו נוטה להתפרק במהרה. היציבות נובעת מיחסי הכוחות שבין הכוח הגרעיני החזק הפועל בין הפרוטונים והנייטרונים, ובין הדחייה החשמלית הקיימת בין הפרוטונים בעלי המטען החיובי. כאשר שני הכוחות דומים בעוצמתם הגרעין יציב. זה אך מתבקש לחשוב שכאשר מספר הפרוטונים גדול בהרבה ממספר הנייטרונים, הכוח הגרעיני החזק לא יצליח לגבור על הכוח החשמלי, ואז הגרעין ייקרא בלתי יציב. כאשר היחס בין הפרוטונים לנייטרונים מוטה בצורה קיצונית, הגרעין יהיה כל כך בלתי יציב עד שלא יוכל להתקיים כלל.

מהו הגבול התחתון של משך החיים שמעליו הגרעין נחשב כ"קיים"? נהוג להגדיר גרעין בתור אוסף נוקליאונים שמחזיק מעמד לפחות 10^-22 שניות, כלומר מאית של מאית של מיליארדית של מיליארדית השנייה! כדי להמחיש עד כמה פרק הזמן הזה קצר, נאמר שהיחס בינו ובין שנייה אחת קטן מהיחס בין שנייה אחת ובין גיל היקום, שהוא  14 מיליארד שנה, כפי שיודע כל מי שזוכר את הפתיח לסדרה "המפץ הגדול".

האיזוטופ הנפוץ ביותר של היסוד הוא חנקן-14, המהווה 99 אחוז מהחנקן בטבע. אטום חנקן | bsr00, Shutterstock

היכן עובר הגבול?

קו פרשת המים שעובר בין מה שיכול להיקרא גרעין ובין מה שלא, מכונה "קו הזליגה" (Drip Line). השם הציורי נובע ממחשבה על דלי דמיוני שמתמלא בנוקליאונים עד שהם מגדישים אותו ונשפכים ממנו. כמובן שקו זה מגובה בתיאוריה שבוחנת, כאמור, את יחסי הכוחות בגרעין.

ככלל אצבע, ניתן לומר שגרעינים קלים, שבהם עד עשרים פרוטונים, שומרים על יציבות כאשר מספר הפרוטונים ומספר הנייטרונים שווים זה לזה; חנקן הוא ללא ספק גרעין קל. יש לו שבעה פרוטונים, ולכן הכלל אמור להיות תקף לגביו. מדוע רק "אמור"? מכיוון שפיזיקאי הגרעין מנסים מעת לעת לחצות את קו הזליגה ולאתגר את כלל האצבע. בעבר הם אף נחלו הצלחה בכך: השיא היה יצירה מלאכותית של גרעינים קלים שההפרש בין מספר הפרוטונים למספר הנייטרונים שלהם עומד על ארבע. הגילוי החדש מאתגר את כלל האצבע בצורה חריפה יותר מאי פעם בעבר. 

בדרך לתגליתם הנוכחית, החוקרים מאוניברסיטאות וושינגטון, מישיגן, פודאן בשנגחאי ונוספות, למעשה חיפשו אחר האיזוטופ חמצן-11. לשם כך הם השתמשו באלומה עוצמתית של גרעיני חמצן-13 וגרמו להם להתנגש במטרת בריליום, שהוא יסוד בעל ארבעה פרוטונים. תוצרי ההתנגשות הזו הם גרעינים קצרי חיים שונים ומשונים.

שנים לאחר הניסוי – ואיזה מזל שהם שמרו את טבלאות הנתונים – בחנו החוקרים מחדש את ספקטרום הגרעינים שנפלטו. הם החלו לחשוד כי בסבירות גבוהה, מקורם של חלק מתוצרי ההתנגשות הוא התפרקות של גרעיני חנקן-9, שבהם שבעה פרוטונים ושני נייטרונים. כלומר, הפרש של חמישה נוקליאונים. כאמור, שיא חדש!

היציבות של הגרעין נובעת מיחסי הכוחות שבין הכוח הגרעיני החזק הפועל בין הפרוטונים והנייטרונים, ובין הדחייה החשמלית הקיימת בין הפרוטונים. גרף המראה כמה נייטרונים דרושים לאטום כדי להיות יציב (בתחום הכחול) כתלות במספר הפרוטונים | Shutterstock, Nandalal Sarkar

תמיד יש מקום לספק

טוב, רק כמעט. החוקרים זהירים בהערכותיהם, וטוענים כי למרות הממצאים, עדיין ייתכן שהתגלית המפתיעה היא רק תחפושת, ואולי יש הסבר חלופי. דווקא חבריו התיאורטיקנים של אחד ממובילי המחקר, רוברט צ'אריטי (Charity) מאוניברסיטת וושינגטון, גיבו את הדעה שלו שאכן מדובר בגרעין חנקן-9, וכמו כן שהוא ראוי להיקרא גרעין: הוא מחזיק מעמד 10^-21 שניות.

"נראה לי שיש כאן הוכחה חזקה לקיומו של חנקן-9", אמר הפיזיקאי אנדראס היינץ (Heinz) מאוניברסיטת צ'למרס בשוודיה. "זה נשמע לי די משכנע, והתגלית האפשרית הזו מגיעה כראיה מחזקת עבור הפיזיקאים הניסיוניים, שמחפשים איזוטופים נוספים מעבר לקו הזליגה".

אבל מה יעשו התיאורטיקנים? האם בכלל יש משמעות לקו הזליגה? "אנשים מדברים על קו הזליגה כאילו מדובר בגבול הקיצוני לקיומם של גרעינים", התקומם הפיזיקאי מארק פלושייצ'אק (Płoszajczak) ממאיץ החלקיקים GANIL בצרפת. "התוצאה החדשה אמורה להאיץ בתיאורטיקנים לשפר את המודלים הגרעיניים מעבר לקו הזליגה. הניסויים הללו מראים כי חייו של הגרעין יכולים להתמשך גם מעבר לקו הזה". נראה שהפיזיקאים מנסים כל העת למתוח את הגבול עוד ועוד, וקורה שהם מצליחים. להתראות במתיחה הבאה.