ในที่สุดก็เจอ!! เมื่อนักวิทยาศาสตร์ตรวจพบไอโซโทปหายากของธาตุออกซิเจน
โดยทีมนักวิจัยจากญี่ปุ่นสามารถตรวจพบการมีอยู่ของไอโซโทปธาตุออกซิเจนที่มีเลขมวลอะตอมสูงถึง 28 (ออกซิเจน-28 หรือ O-28) ซึ่งมีจำนวนนิวตรอนในนิวเคลียสมากกว่าอะตอมออกซิเจนปกติถึง 12 ตัว แต่การค้นพบนี้อาจนำมาสู่ความท้าทายต่อทฤษฎีและความเข้าใจในฟิสิกส์อนุภาค
ความท้าทายที่ว่าคืออะตอมของ O-28 นี้นักวิทยาศาสตร์คาดว่าหากสามารถสังเคราะห์ขึ้นมาได้พวกมันจะมีเสถียรภาพพอให้ตรวจสอบคุณสมบัติได้ แต่จากการทดลองสร้าง O-28 นี้ ผลที่ได้กลับตรงกันข้ามกับที่คาดการณ์เอาไว้
โครงสร้างอะตอมของออกซิเจนตามทฤษฎีอะตอมของ นีลส์ บอร์
ทั้งนี้ธรรมชาติของธาตุต่าง ๆ นั้นจะมีไอโซโทปของมันซึ่งยังเป็นธาตุเดียวกันแต่มีเลขมวลอะตอมต่างกัน นั่นคือมีจำนวนโปรตรอนในนิวเคลียสเท่ากันแต่มีจำนวนนิวตรอนแตกต่างกันไป (โปรตรอนคือตัวกำหนดคุณสมบัติของอะตอมนั้น ๆ ว่าเป็นธาตุอะไร จำนวนโปรตรอนต่างกันก็จะเป็นธาตุคนละชนิดกัน) โดยธาตุที่เราพบเจอในธรรมชาติส่วนใหญ่ก็จะเป็นไอโซโทปที่เสถียรของธาตุนั้นๆ
ในสาขาฟิสิกส์นิวเคลียร์นั้นจะมี magic numbers ชุดตัวเลขพิเศษของจำนวนนิวคลีออน(อนุภาคมูลฐานของนิวเคลียสอะตอมอันประกอบด้วยโปรตรอนหรือนิวตรอน)ในนิวเคลียสของอะตอม ซึ่งก็คือชุดตัวเลข 2, 8, 20, 28, 50, 82 และ 126 ซึ่งธาตุที่มีจำนวนนิวคลีออนที่เป็นส่วนประกอบของนิวเคลียสด้วยตัวเลขเหล่านี้จะมีเสถียรภาพสูงมาก
ตารางไอโซโทปของธาตุต่าง ๆ ที่เรารู้จัก ตัวอย่างที่ตีกรอบสีแดงคือออกซิเจน
จากภาพตาราง NuclideMap ที่วงกรอบสีแดงคือธาตุออกซิเจนโดยสีดำคือไอโซโทปที่เสถียรของออกซิเจนอันได้แก่ O-16 ถึง O-18 ซึ่งตัวที่พบมากสุดในธรรมชาติคือ O-16 (99.762%) ประกอบด้วยโปรตรอน 8 และนิวตรอน 8 ตัว นั่นก็เพราะพวกมันเสถียรมากด้วยคุณลักษณะ doubly magic (8P/8N)
ไอโซโทปอื่นของออกซิเจนนั้นแม้จะเกิดขึ้นได้แต่ก็จะไร้ซึ่งเสถียรภาพและจะเกิดการสลายตัวไปสู่สภาพที่มีเสถียรภาพมาขึ้น โดยการสลายตัวก็จะปลดปล่อยรังสีออกมาแตกต่างกันไปตามอนุกรมการสลายตัว
จากตารางช่องสีส้มคือการสลายตัวให้โปรตรอน(เปลี่ยนเป็นธาตุอื่น) สีฟ้าสลายตัวให้รังสีเบต้าพร้อมการยึดจับอิเล็คตรอน สีชมพูสลายตัวให้รังสีเบต้า สีเหลืองสลายตัวให้รังสีแกมมา(เปลี่ยนเป็นธาตุอื่น)
ซึ่งถ้าสังเกตจะเห็นได้ว่ายิ่งอัตราส่วนโปรตรอนกับนิวตรอนห่างจากสัดส่วนที่มีเสถียรภาพของธาตุนั้น ๆ ไม่ว่าจะทางมากหรือทางน้อยก็จะยิ่งทำให้นิวเคลียสของไอโซโทปนั้นไร้เสถียรภาพและมีการสลายตัวอย่างรวดเร็ว โดยบางไอโซโทปมีครึ่งชีวิตแค่เสี้ยววินาทีบางไอโซโทปไม่สามารถดำรงสถานะอยู่ได้เลยจะเกิดการสลายตัวทันทีที่เกิดขึ้นมาเลยก็มี
ไอโซโทปธาตุหนักแม้สังเคราะห์ขึ้นมาได้แต่ก็ไม่มีเสถียรภาพพอจะอยู่ได้ในธรรมชาติเลย (สีเขียวคือนิวเคลียสแตกตัวเป็นธาตุอื่นทันทีเลย)
อะตอมของไอโซโทปที่ไม่เสถียรเหล่านี้จึงแทบไม่ค่อยพบในธรรมชาติ เรียกได้ว่าเกิดมาปั๊บอวตารกลายเป็นอีกภาคเพื่อจะอยู่ในสถานะที่เสถียรมากขึ้น และยิ่งอะตอมมีขนาดใหญ่ของพวกธาตุหนักก็ยิ่งจะมีเสถียรภาพต่ำลงจนหาไม่เจอในธรรมชาติ
ทั้งนี้ด้วยหลัก magic numbers ทำให้นักวิทยาศาสตร์คาดการณ์ว่าหากธาตุหนักที่มีการผสมกันของโปรตรอนและนิวตรอนด้วยชุดตัวเลข magic numbers แม้ว่าจะอยู่ในโซนที่เรียกว่า Sea of instability บริเวณที่สัดส่วนโปรตรอน/นิวตรอนไม่เอื้อให้นิวเคลียสคงสภาพเสถียรอยู่ได้
แต่ก็น่าจะมีบริเวณที่เป็นเหมือนเกาะที่เรียกว่า Island of stability อาณาบริเวณที่หากจำนวนโปรตรอนและนิวตรอนในนิวเคลียสเป็น magic numbers ธาตุเหล่านี้น่าจะมีเสถียรภาพมากพอให้เราสามารถตรวจสอบคุณสมบัติได้
Island of stability ดินแดนที่นักวิทยาศาสตร์หวังว่าจะค้นพบ
แต่การจะสังเกตและทดลองหาว่า Island of stability นั้นมีอยู่จริงหรือไม่คงเป็นเรื่องยาก การที่จะทดสอบสมมติฐานนี้เหล่านักวิทยาศาสตร์จึงเล็งมาที่การสังเกตอะตอมของธาตุเบาอย่างออกซิเจนแทน โดนไอโซโทปที่นักวิทยาศาสตร์เล็งไว้ก็คือ O-28 ที่มีจำนวนโปรตรอน 8 และนิวตรอน 20 ตรงตาม magic numbers
ก่อนหน้านี้เรายังไม่เคยตรวจพบการมีอยู่ของออกซิเจน-28 มาก่อน ทีมนักวิจัยจึงใช้กระบวนการพิเศษในการสังเคราะห์ออกซิเจน-28 โดยทีมนักวิจัยได้ทำการยิงแคลเซียม-48 ไปยังโลหะเบริลเลียมซึ่งก่อให้เกิดไอโซโทปฟลูออไรด์-29 ซึ่งมีโปรตรอนมากกว่าออกซิเจน-28 อยู่ 1 ตัว ขั้นต่อไปจึงเอาฟลูออไรด์-29 ฟุ่งผ่านม่านไฮโดรเจนเหลว เมื่อโปรตรอนในนิวเคลียสฟลูออไรด์-29 หลุดออกก็จะกลายเป็น ออกซิเจน-28
แต่ทั้งนี้ O-28 ที่ตรวจพบนี้ก็ไม่ได้เสถียรมากพอให้ทีมนักวิจัยตรวจสอบคุณสมบัติได้ การค้นพบนี้ต้องใช้วิธีทางอ้อมในการยืนยันการมีอยู่ของ O-28 ด้วยการตรวจสอบสิ่งที่หลงเหลือจากการสลายตัวของ O-28 ซึ่งก็คือ O-24 กับนิวตรอนอีก 4 ตัว
ซึ่งเมื่อก่อนนั้นไม่สามารถยืนยันได้เพราะการตรวจนับจำนวนนิวตรอนที่แม่นยำนั้นยังไม่สามารถทำได้ แต่ด้วยเครื่องมือพิเศษที่ยืมมาจาก GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research ประเทศเยอรมันทำให้ทีมนักวิจัยสามารถยืนยันการมีอยู่ของ O-28 ในครั้งนี้ได้
ด้วยความร่วมมือระดับนานาชาติทำให้การค้นพบครั้งนี้เกิดขึ้น
ทั้งนี้นี่ไม่ใช่ครั้งแรกที่เหล่านักวิทยาศาสตร์พบว่าไอโซโทปของธาตุต่าง ๆ นั้นมีพฤติกรรมต่างจากที่คาดการณ์ไว้ตามทฤษฎี โดยในปี 2009 ทีมนักวิจัยจากแคนาดาก็ได้ตรวจวัดครึ่งชีวิตของ O-24 ได้ที่ 61 มิลลิวินาที ซึ่งถือว่าเสถียรมากหากเทียบกับสัดส่วนโปรตรอน/นิวตรอนในนิวเคลียส
ปัจจุบันเรารู้ว่าแรงที่ยึดเหนี่ยวอนุภาคให้อยู่ใจกลางนิวเคลียสของอะตอมคือแรงนิวเคลียร์ชนิดเข้มซึ่งถือเป็นแรงพื้นฐานที่ทรงพลังที่สุดในจักรวาลเพราะมันสามารถยึดโยงอนุภาคให้อยู่ในพื้นที่เล็ก ๆ กลางอะตอมเอาชนะแรงแม่เหล็กไฟฟ้าของประจุที่อยู่ในนิวเคลียสนี้ได้ แต่ผลจากการค้นพบครั้งนี้อาจนำไปสู่คำถามและการรื้อทำความเข้าใจเกี่ยวกับแรงพื้นฐานทางฟิสิกส์ก็เป็นได้
ยังคงมีเรื่องที่เรายังไม่รู้และต้องทำความเข้าใจเพิ่มอีกมากเกี่ยวกับฟิสิกส์อนุภาค ก็คงต้องค้นหาศึกษาทำความเข้าใจกันต่อไป
- 10
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2024 Blockdit
