צוות מחקר בינלאומי מודד לראשונה את עוצמת הקשר הכימי עם סיבורגיום – תוצאות שפורסמו ב"נייצ'ר"
צוות מחקר בינלאומי בראשות מדענים ממרכז הלמהולץ GSI לחקר יונים כבדים ומ-FAIR בדרמשטט השיג מדידה יוצאת דופן: לראשונה, נקבע בניסוי חוזק הקשר הכימי בתרכובת עם יסוד כבד-על. התוצאות מספקות תובנות חדשות לגבי האופן שבו התכונות הכימיות של יסודות משתנות בתנאים קיצוניים.
מוקד המחקר היה היסוד המלאכותי סיבורגיום (Sg) עם המספר האטומי 106. המדענים בחנו תרכובת המורכבת מאטום סיבורגיום אחד ושש קבוצות פחמן חד-חמצני, המכונה קומפלקס הקסאקרבוניל Sg(CO)₆.
התוצאה המפתיעה: הקשר הכימי חלש יותר מהצפוי בהתבסס על מיקומו של היסוד בטבלה המחזורית. זאת בשל השפעות שניתן להסבירן על ידי תורת היחסות של איינשטיין. ממצאי המחקר פורסמו בכתב העת המדעי הנודע "Nature".
כאשר תורת היחסות של איינשטיין משפיעה על הכימיה
יסודות כבדים במיוחד עם מספר אטומי בין 104 ל-118 אינם מופיעים באופן טבעי בכמויות מספיקות למחקרים כאלה. הם חייבים להיווצר באופן מלאכותי בתגובות היתוך גרעיני במאיצי חלקיקים.
זהו תהליך מורכב: לעתים קרובות מיוצרים רק אטומים בודדים ביום. יתר על כן, גרעיני האטום המתקבלים אינם יציבים ביותר ומתפרקים באופן רדיואקטיבי תוך זמן קצר מאוד.
בסיאבורגיום, המטען החיובי הגבוה של גרעין האטום משפיע מאוד על תנועת האלקטרונים. אלקטרונים ליד הגרעין מגיעים למהירויות בהן השפעות רלטיביסטיות ממלאות תפקיד משמעותי.
זה משנה את מבנה האלקטרונים של האטום. זה, בתורו, משפיע על האופן שבו היסוד יוצר קשרים כימיים עם אטומים או מולקולות אחרות.
סיבורגיום מתנהג בצורה שונה מהצפוי
בטבלה המחזורית, סיבורגיום שייך לאותה קבוצת יסודות כמו כרום, מוליבדן וטונגסטן. בתוך קבוצה זו, חוזק הקשר הכימי הנחקר עולה מכרום דרך מוליבדן ועד טונגסטן.
בעקבות דפוס זה, ניתן היה לצפות שהקשר המתאים יהיה חזק במיוחד בסיבורגיום הכבד עוד יותר.
עם זאת, המדידות הראו את ההפך.
"מכרום למוליבדן לטונגסטן, חוזק הקשר עולה, כך שהוא אמור להיות החזק ביותר בסבורגיום. עם זאת, המדידה מראה שהמספר האטומי הגבוה של סיבורגיום משנה את המבנה האלקטרוני שלו, מה שהופך את המגמה ומוביל לקשר חלש יותר", מסביר ד"ר אלכסנדר יאקושב מ-GSI/FAIR, דובר שיתוף הפעולה המחקרי הבינלאומי.
חישובים כימיים קוונטיים שלוקחים בחשבון השפעות רלטיביסטיות יכולים להסביר תצפית זו. מודלים פשוטים יותר ללא השפעות אלו, לעומת זאת, היו מנבאים עלייה נוספת בחוזק הקשר.
רק 75 אטומי סיבורגיום היו נדרשים למחקר
המחקר הניסויי הציב בפני החוקרים אתגרים מיוחדים, שכן אטומי הסיבורגיום שנוצרו קיימים רק שברירי שנייה.
האיזוטופ סיבורגיום-259 הופק ב-GSI/FAIR בדרמשטט. מצבי הגרעין שנחקרו הם בעלי אורך חיים של פחות מחצי שנייה.
באמצעות מערך הניסוי TASCA, מפריד הטרנסאקטינידים והמנגנון הכימי, האטומים שנוצרו בודדו ולאחר מכן הוכנסו לאטמוספרה גזית המכילה פחמן חד-חמצני.
התרכובות הכימיות שנחקרו הצליחו להיווצר שם. שני גלאים שהיו מסודרים זה מאחורי זה שימשו לרישום הדעיכה הרדיואקטיבית של האטומים הבודדים ולהבחנה בין תוצרי תגובה שונים.
בסך הכל, החוקרים זיהו 75 אטומי סיבורגיום. רק שלושה מהם נרשמו בגלאי עבור תרכובת ההקסקרבוניל.
לשם השוואה, הצוות בחן גם איזוטופים של טונגסטן קצרי חיים. באלה, 17 אחוז מהאטומים יצרו את התרכובת המתאימה.
מההבדל הזה, המדענים הצליחו להסיק שהקשר שנחקר חלש בכארבעה קילוג'ול למול בסיבורגיום מאשר בטונגסטן.
שנים של מחקר מובילות להצלחה
התרכובת Sg(CO)₆ סונתזה לראשונה לפני כעשר שנים במרכז RIKEN Nishina ביפן. מדענים מאוניברסיטת יוהנס גוטנברג מיינץ ומ-GSI/FAIR היו בין המעורבים בניסוי באותה תקופה.
אפילו אז, התרכובת נחשבה מבטיחה לחקירת חוזקי קשרים כימיים. עם זאת, ניסיונות ראשוניים לקבוע בפועל את חוזקיהם לא צלחו.
רק השילוב של שיטות סינתזה כימית מהירות, תפוקות גבוהות ושיטות גילוי רגישות לדעיכה רדיואקטיבית אפשר כעת מדידה מוצלחת.
שיתוף פעולה בינלאומי כבסיס
פרופסור כריסטוף א. דולמן, ראש המחלקות לכימיה של יסודות כבדים-על ב-GSI/FAIR ובמכון הלמהולץ מיינץ, וכן פרופסור באוניברסיטת יוהנס גוטנברג מיינץ, מדגיש את חשיבות שיתוף הפעולה הבינלאומי.
"ניסוי פורץ דרך זה לא היה אפשרי ללא שיתוף פעולה בין-תחומי ובינלאומי בין מוסדות מחקר ברחבי העולם", מסביר דולמן.
המחקר משלים את תוכניות המחקר של GSI ו-FAIR, העוסקות, בין היתר, במקור היסודות ביקום ובתכונות הבסיסיות שלהם.
בעקבות הניסוי המוצלח, המדענים כבר מכינים חקירות נוספות. בעתיד, הם מתכננים גם לחקור תרכובות כימיות עם יסודות כבדים אף יותר מסיבורגיום.
(דרמשטאדט – אדום/GSI)
תמונה ראשית: מערך ניסוי מאחורי מפריד TASCA: הגלאי הראשון מאחורי תא התגובה, מוקף בשני גלאי גרמניום. צילום: GSI
