หมู่เกาะแห่งเสถียรภาพ

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

ภาพจำลอง 3 มิติของหมู่เกาะแห่งเสถียรภาพที่ได้ทำนายไว้ ซึ่งอยู่ระหว่าง N=178 และ Z=118

สมมติฐานและที่มา

แนวคิดความเป็นไปได้ที่จะมี "หมู่เกาะแห่งเสถียรภาพ" ได้ถูกเสนอครั้งแรกโดยเกลนน์ ที. ซีบอร์กในช่วงปลายทศวรรษที่ 1960 สมมติฐานได้กล่าวไว้ว่านิวเคลียสอะตอมได้ถูกสร้างขึ้นเป็นชั้นๆ ในรูปแบบที่คล้ายชั้นพลังงานของอิเล็กตรอนซึ่งมีขนาดใหญ่กว่าในอะตอม ในกรณีทั้งสอง ชั้นพลังงานเหล่านี้เป็นเพียงระดับพลังงานควอนตัมที่อยู่ค่อนข้างใกล้กันเท่านั้น ระดับพลังงานของในชั้นพลังงานสองชั้นที่ต่างกันจะถูกคั่นด้วยที่ค่อนข้างใหญ่ ดังนั้นเมื่อจำนวนนิวตรอนและโปรตอนได้เติมเต็มระดับพลังงานของชั้นพลังงานในนิวเคลียสที่กำหนดไว้ พลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออนจะเพิ่มสูงขึ้นจนถึงฉะนั้นนั้นๆ จะมีช่วงชีวิตที่ยาวนานกว่าไอโซโทปใกล้เคียงซึ่งไม่มีชั้นพลังงานที่ถูกเติมจนเต็ม

ชั้นพลังงานที่ถูกเติมจนเต็มจะมีจำนวนโปรตอนและนิวตรอนที่เท่ากับ เลขมหัศจรรย์ที่เป็นไปได้สำหรับจำนวนนิวตรอนในนิวเคลียสทรงกลมคือ 114, 120 และ 126 ซึ่งหมายความว่าไอโซโทปทรงกลมที่เสถียรที่สุดจะเป็น ฟลีโรเวียม-298, อูนไบนิลเลียม-304 และ อูนไบเฮกเซียม-310 โดยเฉพาะอย่างยิ่ง Ubh-310 ซึ่งมี (เนื่องจากเลขโปรตอนของมันเท่ากับ 126 และเลขนิวตรอนของมันเท่ากับ 184 ซึ่งคาดว่าเป็นเลขมหัศจรรย์) จึงน่าจะมีครึ่งชีวิตที่ยาวนานมาก (ไอโซโทปที่มีนิวเคลียสทรงกลมและเลขมหัศจรรย์คู่ที่เบากว่าน่าจะเป็น ตะกั่ว-208 นิวเคลียสเสถียรที่หนักที่สุดและโลหะหนักที่เสถียรที่สุด)

ผลการวิจัยล่าสุดได้ชี้ให้เห็นว่านิวเคลียสที่มีขนาดใหญ่นั้นมีลักษณะผิดเพี้ยนจากทรงกลมเป็นทรงรี จึงทำให้เลขมหัศจรรย์เปลี่ยนไป อาทิเช่น ณ ตอนนี้คาดว่า ฮัสเซียม-270 เป็นนิวเคลียสรูปทรงผิดเพี้ยนที่ "มหัศจรรย์สองเท่า" ด้วยเลขมหัศจรรย์คู่ที่ผิดเพี้ยน 108 และ 162 อย่างไรก็ตาม มันมีครึ่งชีวิตเพียง 3.6 วินาที

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

ครึ่งชีวิตของธาตุที่มีหมายเลขสูงสุด

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

เลขอะตอม	ชื่อ	ไอโซโทปที่ช่วงชีวิต ยาวนานที่สุด	ครึ่งชีวิต	บทความ
100	เฟอร์เมียม	^257Fm	8,70,000 ! 101 วัน
101	เมนเดลีเวียม	^258Md	4,500,000 ! 52 วัน
102	โนเบเลียม	^259No	0,003,500 ! 58 นาที
103	ลอว์เรนเซียม	^262Lr	0,013,000 ! 3.6 ชั่วโมง
104	รัทเทอร์ฟอร์เดียม	^267Rf	0,004,700 ! 1.3 ชั่วโมง
105	ดุบเนียม	^268Db	0,104,000 ! 29 ชั่วโมง
106	ซีบอร์เกียม	^271Sg	0,000,110 ! 1.9 นาที
107	โบห์เรียม	^270Bh	0,000,061 ! 61 วินาที
108	ฮัสเซียม	^277mHs	0,001,000 ! ~12 นาที
109	ไมต์เนเรียม	^278Mt	0,000,008 ! 7.6 วินาที
110	ดาร์มสตัดเทียม	^281Ds	0,000,011 ! 11 วินาที
111	เรินต์เกเนียม	^281Rg	0,000,022.8 ! 26 วินาที
112	โคเปอร์นิเซียม	^285Cn	0,000,029 ! 29 วินาที
113	นิโฮเนียม	^286Nh	0,000,019.6 ! 19.6 วินาที
114	ฟลีโรเวียม	^289Fl	0,000,002.6 ! 2.6 วินาที
115	มอสโกเวียม	^289Mc	0,000,000.220 ! 220 มิลลิวินาที
116	ลิเวอร์มอเรียม	^293Lv	0,000,000.061 ! 61 มิลลิวินาที
117	เทนเนสซีน	^294Ts	0,000,000.078 ! 78 มิลลิวินาที
118	ออกาเนสซอน	^294Og	0,000,000.000,89 ! 0.89 มิลลิวินาที

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

เพื่อเป็นการเปรียบเทียบ ธาตุที่มีหมายเลขอะตอมต่ำกว่า 100 ที่มีช่วงชีวิตน้อยที่สุดคือแฟรนเซียม (ธาตุที่ 87) ด้วยครึ่งชีวิตเพียง 22 นาที

ครึ่งชีวิตของนิวเคลียสที่อยู่ภายในตัวเกาะแห่งเสถียรภาพนั้นยังไม่ทราบแน่ชัด เพราะว่ายังไม่มีการค้นพบไอโซโทปใดที่ "อยู่บนเกาะ" นักฟิสิกส์หลายคนคาดคิดว่าครึ่งชีวิตของไอโซโทปเหล่านี้น่าจะค่อนข้างสี้นเป็นนาทีหรือวัน แต่การคำนวณในเชิงทฤษฎีได้บ่งบอกว่าครึ่งชีวิตของไอโซโทปพวกนั้นยาวนานถึง 10⁹ ปี^[]

ครึ่งชีวิตการสลายให้อนุภาคแอลฟาของนิวเคลียส 1,700 อัน ด้วย 100 ≤ Z ≤ 130 ได้ถูกคำนวณโดยแบบจำลองโดย ของการสลายตัวให้อนุภาคแอลฟาทั้งในเชิงการทดลองและเชิงทฤษฎี การคำนวณในเชิงทฤษฎีจึงไปด้วยกันได้กับผลการทดลอง ^{[ ]}

การสลายตัวที่รุนแรงกว่าซึ่งเป็นไปได้สำหรับ(ธาตุที่หนักยิ่งยวดของยิ่งยวด)ได้ถูกแสดงให้เห็นโดยว่าเป็น

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

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

การตรวจสอบเชิงทฤษฎีเมื่อไม่นานมานี้ได้แสดงให้เห็นว่าในบริเวณ Z=106–108 and N≈160–164 "เกาะ/คาบสมุทร" สักแห่งอาจเสถียรโดยคำนึงถึงนิวเคลียร์ฟิชชั่นและการปล่อย β^- ออกมา นิวเคลียสหนักยิ่งยวดเช่นนั้นสลายตัวโดยการปล่อยอนุภาคออกมาเท่านั้นยิ่งไปกว่านั้น ²⁹⁸
Flไม่ใช่ใจกลางของเกาะมหัศจรรย์ดังที่เคยคาดการณ์ไว้ ในทางตรงกันข้าม นิวเคลียสที่มี Z=110 และ N=183 (²⁹³
Ds) ดูเหมือนว่าจะอยู่ใกล้ใจกลางของ "เกาะมหัศจรรย์" ที่เป็นไปได้ (Z=104–116 และ N≈176–186) ในบริเวณ N≈162 ²⁶⁸
Sgรอดชีวิตจากการสลายตัวแบบบีตา-เสถียรและนิวเคลียร์ฟิชชั่นและครึ่งชีวิตของการสลายตัวให้อนุภาคแอลฟาที่ทำนายไว้ของไอโซโทปนี้อยู่ราว ~3.2 ชั่วโมง มากกว่า ²⁷⁰
Hs(~28 วินาที) ซึ่งมีนิวเคลียสรูปทรงผิดเพี้ยนที่มหัศจรรย์สองเท่า อย่างไรก็ตาม นิวเคลียสหนักยิ่งยวด ²⁶⁸
Sgนั้นยังไม่เคยถูกสังเคราะห์ขึ้นในห้องทดลอง (พ.ศ. 2552) ส่วนสำหรับนิวเคลียสหนักยิ่งยวดที่ Z>116 และ N≈184 นั้นครึ่งชีวิตของการสลายตัวให้อนุภาคแอลฟานั้นได้ถูกทำนายว่าน่าจะต่ำกว่าหนึ่งวินาที นิวเคลียสที่ Z=120, 124, 126 และ N=184 นั้นน่าจะเป็นนิวเคลียสทรงกลมมหัศจรรย์คู่และเสถียรเมื่อคำนึงถึงนิวเคลียร์ฟิชชั่นการคาดการณ์จากแบบจำลองควอนตัมทันเนลลิ่งได้แสดงให้เห็นว่านิวเคลียสที่หนักยิ่งยวดเช่นนั้นจะสลายตัวโดยการปล่อยอนุภาคแอลฟาออกมาภายในไมโครวินาทีหรือน้อยกว่านั้น

ปัญหาการสังเคราะห์

ดูเพิ่ม

• ฟลีโรเวียม — อูนไบนิลเลียม — อูนไบเฮกเซียม
• ตารางไอโซโทป
• ตารางธาตุ และ ตารางธาตุ (ขยาย)

อ้างอิง

1. "Superheavy Element 114 Confirmed: A Stepping Stone to the Island of Stability" (ภาษาอังกฤษ). สืบค้นเมื่อ 11 ตุลาคม 2552. {{}}: ตรวจสอบค่าวันที่ใน: |accessdate= ((help))
2. "The Island of Stability" (ภาษาอังกฤษ). สืบค้นเมื่อ 24 กรกฎาคม 2555. {{}}: ตรวจสอบค่าวันที่ใน: |accessdate= ((help))^[]
3. "Shell Model of Nucleus". HyperPhysics (ภาษาอังกฤษ). Department of Physics and Astronomy, Georgia State University. สืบค้นเมื่อ 22 มกราคม 2550. {{}}: ตรวจสอบค่าวันที่ใน: |accessdate= ((help))
4. Dvořák, Jan (2007-07-12). (PDF). Technische Universität München. คลังข้อมูลเก่าเก็บจากแหล่งเดิม (PDF)เมื่อ 2012-02-25. สืบค้นเมื่อ 2012-11-25.
5. Dvorak, J.; Brüchle, W.; Chelnokov, M.; Dressler, R.; Düllmann, Ch.; Eberhardt, K.; Gorshkov, V.; Jäger, E.; Krücken, R. (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.). . pp. (pages 143, 144, 458). ISBN .
8. Alexandra Witze (April 6, 2010). (ภาษาอังกฤษ). คลังข้อมูลเก่าเก็บจากแหล่งเดิมเมื่อ 2010-04-09. สืบค้นเมื่อ 6 เมษายน 2553. {{}}: ตรวจสอบค่าวันที่ใน: |accessdate= ((help))
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. :nucl-th/0507054. Bibcode:2006PhRvC..73a4612C. doi:10.1103/PhysRevC.73.014612.{{}}: CS1 maint: multiple names: authors list ()
11. 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. :nucl-th/0703086. Bibcode:2007NuPhA.789..142S. doi:10.1016/j.nuclphysa.2007.04.001.
12. 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. :0802.3837. Bibcode:2008PhRvC..77d4603C. doi:10.1103/PhysRevC.77.044603.{{}}: CS1 maint: multiple names: authors list ()
13. 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. :0802.4161. Bibcode:2008ADNDT..94..781C. doi:10.1016/j.adt.2008.01.003.{{}}: CS1 maint: multiple names: authors list ()
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. :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". . 76 (12): 124201–124204. :0708.4355. Bibcode:2007JPSJ...76l4201S. doi:10.1143/JPSJ.76.124201.{{}}: CS1 maint: multiple names: authors list ()
16. , R.A. Gherghescu, (2011). "Heavy-Particle Radioactivity of Superheavy Nuclei". Phys. Rev. Lett. 107 (6): 062503. :1106.3271. Bibcode:2011PhRvL.107f2503P. doi:10.1103/PhysRevLett.107.062503.{{}}: CS1 maint: multiple names: authors list ()
17. Note graphic: Known and predicted regions of nuclear stability, surrounded by a “sea” of instability. the Chart of Nuclides 2011-07-21 ที่ เวย์แบ็กแมชชีน 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.{{}}: CS1 maint: multiple names: authors list ()
19. Dvořák, J.; Brüchle, W.; Chelnokov, M.; และคณะ (2006). "Doubly Magic Nucleus ²⁷⁰
    ₁₀₈Hs
    ₁₆₂". . 97 (24): 242501-1–242501-4. Bibcode:2006PhRvL..97x2501D. doi:10.1103/PhysRevLett.97.242501. PMID 17280272.
20. S. Cwiok, P.-H. Heenen and W. Nazarewicz (2005). (PDF). Nature. 433 (7027): 705. Bibcode:2005Natur.433..705C. doi:10.1038/nature03336. PMID 15716943. คลังข้อมูลเก่าเก็บจากแหล่งเดิม (PDF)เมื่อ 2010-06-23. สืบค้นเมื่อ 2012-12-04.