מספר קסם חדש מעלה חיוך גדול על פניהם של פיסיקאים גרעיניים

.
מדענים יפניים ממכון המחקר RIKEN, הצליחו ליצור
איזוטופ כבד של חמצן. איזוטופ הוא מעין גירסה של אטום
של יסוד מסוים. ההבדל בין הגירסאות מתבטא במספר
הניטרונים שבגרעין האטום. כלומר, השונות בין
האיזוטופים אינה מתבטאת בתיפקוד הכימי שלהם, אלא
בתכונות הפיסיקליות שלהם, כגון משקל, ומערכת היחסים
בין החלקיקים בגרעין האטום.

.
גרעין של אטום חמצן, למשל, מכיל בדרך כלל שמונה
פרוטונים ושמונה ניטרונים. ידועים איזוטופים נדירים של
חמצן שגרעיניהם מכילים תשעה, ואפילו עשרה ניטרונים.
אבל המדענים היפנים הצליחו ליצור אטומי חמצן
שבגרעיניהם 16 ניטרונים. גרעינים כאלה היו אמורים להיות
מאוד לא יציבים. אבל להפתעת הכל, הם הפגינו יציבות
מרשימה.

.
בדרך כלל, גרעיני אטומים מפגינים יציבות, כאשר מספר
הנויטרונים והפרוטונים בהם הוא אחד מהמספרים שנודעו
בכינוי "מספרי קסם": 2, 8, 20, 28, 50, 82 או 126. עכשיו,
טוענים המדענים היפניים, כי 16 הוא מספר קסם חדש. כדי
להבין את מדמעות התגלית, יש לחזור לערש לידתה של
הפיסיקה הגרעינית.

.

הייתי יכול להיות דוקטור לפיסיקה גרעינית

הייתי יכול ללמוד פילוסופיה שנה חמישית

הציעו לי לפתוח מסעדה גדולה עם שיש

הציעו לי לנהל סניף של בנק מקומי מיליון דולר.
.

מיליון דולר.

מילים, לחן וביצוע: רפי פרסקי

.
.

.
.
לפני 104 שנים, הפגיז ארנסט רתרפורד יריעות זהב בקרינת
אלפא שמקורה בראדיום. בניסוי התגלה שהמטען החשמלי
באטום ורוב המסה שלו נמצאים בתחום קטן מאוד, פי
עשרות אלפים מממדי האטום. כך התגלה גרעין האטום.
תוצאות הניסוי הובילו אותו להצעת "המודל הפלנטרי" של
מבנה האטום, כגרעין שסביבו נעים אלקטרונים
במסילותיהם, בדומה למבנה מערכת השמש שבה כוכבי-
לכת נעים במסילותיהם סביב השמש.

.
מודל, בהקשר זה, הוא תיאוריה באשר למערכת מסוימת
בטבע. המודל מתואר ומנוסח באמצעות מערכת משוואות
שמהווה פישוט מסוים, שכן אין אפשרות לתאר במדויק את
מלוא מורכבותה של המערכת. המשוואות צריכות להיות
פתירות, והפתרונות חייבים להתאים (בקירוב) לתוצאות של
ניסויים או תצפיות. נילס בוהר הבין את הקשיים לקיום
ה"המודל הפלנטרי" והצליח להתגבר עליהם באמצעות
יישום והרחבה של תורת הקוונטים של מקס פלנק, לתנועת
האלקטרונים באטומים. התיאוריה של בוהר איפשרה לחשב
ולחזות נכונה את שיעורי האנרגיה ותכונות נוספות של
אטומים. עיקרון האיסור של וולפגנג פאולי סיפק הסבר
לעובדה שבכל "קליפה" שבה נעים האלקטרונים יכולים
להימצא רק מספר מסוים של אלקטרונים. לכן האלקטרונים
נעים במערכת של "קליפות" מסביב לגרעין בדומה לקליפות
הבצל. עובדה זו היא הבסיס למערכת המחזורית של
היסודות.

.
עוד שמונה שנים חלפו, ורתרפורד הציע "ניחוש" שלפיו
בגרעין האטום מצויים, בנוסף לפרוטונים, גם חלקיקים
מאסיביים חסרי מטען חשמלי. הוא הציע לכנותם
"ניטרונים". כעבור 12 שנים נוספות, בשנת 1932, בתם של
פייר ומארי קירי, אירן קירי ובעלה, פייר ז'וליו, גילו
שאלומה של חלקיקים לא ידועים, הפוגעת בגרעינים של
אטומים שונים עשויה לחלץ מהם פרוטונים. הם סברו
שהאלומה שהשתמשו בה היא אלומה של קרינת גאמא,
אבל ג'יימס צ'דוויק הראה ש"ככל הנראה, מדובר באלומה
של ניטרונים, שעליהם דיבר רתרפורד". באותה שנה תאר
ורנר הייזנברג את גרעיני האטומים כמורכבים מפרוטונים
וניטרונים. כך נולדה הפיסיקה הגרעינית.

.
כבר אז היו מכשירים למדידת מסות של גרעינים. ממסות
אלה ניתן היה לחשב, לפי נוסחת איינשטיין E=Mc2 את
האנרגיות הקושרות את הפרוטונים והניטרונים בגרעין. כבר
באותה שנה, על בסיס מדידות אלה, הציע ג"והן ברטלט את
מודל הקליפות של הפרוטונים והנייטרונים בגרעין, בדומה
לקליפות האלקטרונים באטום. לפי מודל זה הם נעים
במסילות מסביב למרכז הגרעין. למרות ההבדל הגדול בין
הגרעין לאטום, שבו יש מרכז המפעיל כוחות חשמליים על
האלקטרונים, הצליח ברטלט להראות התאמה עם העובדות
לגרעינים שבהם עד שמונה פרוטונים וניטרונים.
.
מספרי קסם
.
בשנות ה-30 גילה ואלטר אלזסר "מספרי קסם": מספרי
הפרוטונים או הניטרונים בגרעינים יציבים במיוחד (2, 8, 20,
28, 50, 82 ו-126). הוא ניסה להסביר את תופעת "מספרי
הקסם" באמצעות תיאור מבנה של גרעין המורכב
מ"קליפות" שמכילות פרוטונים וניטרונים. פיסיקאים רבים,
ובהם גם הישראלי יואל רקח (1909 – 1965) מהאוניברסיטה
העברית בירושלים, ניסו לחשב את האנרגיה של ניטרונים
ופרוטונים בגרעין, באמצעות מודל הקליפות. החישובים
צלחו במידה מסוימת רק באשר לגרעינים בעלי "מספרי
הקסם" הקטנים (2, 8, 20).

.
בשנת 1936 קיבל המודל "מכת מוות" מידיו של נילס בוהר,
שהסתמך על תהליכים גרעיניים שבהם חלקיק שפוגע בגרעין
נבלע בו – ולאחר מכן הגרעין פולט קרינת אלפא או גאמה.
תופעות אלה סתרו, לדעת רבים, את אפשרות קיומן של
"קליפות" בגרעין. במקום זאת, החלו לעלות תיאוריות
סטטיסטיות שונות. יואל רקח (שבאחרונה מלאו 100 שנה
להולדתו), לא נטש את שיטות החישוב שפיתח לשימוש
במודל הקליפות. הוא סבר שאם השיטות האלה אינן
מתאימות לגרעין, אפשר יהיה להשתמש בהן לחישובי
אנרגיות של אטומים ועשה זאת בהצלחה רבה. לימים
התברר ששיטות אלה אכן התאימו גם לתיאור תופעות
בגרעינים.

.
בשנת 1948 נכנסה לתמונה המורכבת הזאת, הפיסיקאית
מריה מאייר. היא פירסמה מאמר שבו הראתה, על בסיס של
ממצאים מניסויים רבים שבוצעו במקומות שונים בעולם, את
הממשות של "מספרי הקסם". כעבור שנה, בעקבות שאלה
של אנריקו פרמי, הציעה מריה מאייר את "המודל הקואזי-
אטומי", שהוא, למעשה מודל הקליפות. היא טענה שבין
הספין של הפרוטונים והניטרונים (תנע זוויתי פנימי) לבין
המסילות שלהם, פועלים כוחות חזקים, שאינם פועלים
באטומים שלמים. לפיכך, סדר הקליפות בגרעינים שונה
מהסדר באטומים, ו"מספרי הקסם" מופיעים באופן טבעי.
במילים אחרות, המודל מתאים למציאות. כך חזר "מודל
הקליפות" למרכז הזירה המדעית.

.
מהו המצב הטבעי?
.
כשמדובר בגרעין שבו יש חלקיק אחד (ניטרון או פרוטון)
מחוץ לקליפות סגורות (כלומר, במעין התחלה של קליפה
חדשה), קשה היה לחשב את אנרגיית היוניזציה. כלומר,
כמה אנרגיה יש להשקיע, כדי "לתלוש" את החלקיק הזה
מהגרעין. אם יש מספר פרוטונים וניטרונים מחוץ לקליפות
סגורות, המצב מסובך יותר: גרעין כזה עשוי להימצא בכמה
מצבים קוונטיים ואי-אפשר לדעת מה מצב היסוד (המצב
ה"טבעי") שלו. לשם כך היה צורך לדעת את הכוחות
השיוריים הפועלים בין הפרוטונים והניטרונים שנמצאים
מחוץ לקליפות הסגורות. אם לא די בזה, המצב הסתבך
אפילו עוד יותר: בניסויי פיזור של חלקיקים בודדים התברר
שבטווחים קצרים, הכוחות הפועלים בין החלקיקים חזקים
מאוד, ולעיתים, אלה כוחות דחייה. תופעה זו לא התאימה
לתנועה הבלתי תלויה של הפרוטונים והניטרונים
במסילותיהם. עובדה זו סיבכה עוד יותר את השאלה מדוע
מודל הקליפות זוכה להצלחה כה רבה. לשאלה זו אין עד
היום תשובה מניחה את הדעת. עם זאת, התעוררה בעיה
מעשית מאוד: הוברר סופית שאי-אפשר להשתמש במודל
הקליפות בכוחות שנמדדו בין חלקיקים בודדים. הכוחות
השיוריים שונים מאוד מכוחות אלה ולא הייתה דרך מדויקת
לקבל אותם בחישובים.

.
בהעדר מידע על הכוחות השיוריים, פיתחו יגאל תלמי ועמוס
דה-שליט ממכון ויצמן למדע, דרך לקבוע אותם על-פי
אנרגיות של גרעינים שנמדדו בניסויים. התברר שבהרבה
מקרים המידע שהיה קיים על אנרגיות שנמדדו, הספיק כדי
לקבוע כוחות שמהם אפשר היה לחשב בהצלחה אנרגיות של
גרעינים רבים, הן במצבי היסוד שלהם והן במצבים מעוררים
(חישוב רמות האנרגיה – הספקטרום של גרעין). שימוש
בשיטה זו הוביל ל"ניבויים" מוצלחים שכמה מהם היו
מפתיעים. מכמה מקרים אופייניים אפשר היה להסיק תכונות
כלליות של הכוחות השיוריים.

.
החמצן הסופר-כבד, בעל הגרעין שמאכלס שמונה פרוטונים
ו-16 ניטרונים, אשר הוסיף "מספר קסם" חדש לרשימה
המקורית של אלזסר, מהווה תזכורת נוספת – למי שהיה זקוק
לה – שאנו רחוקים מלהבין את העובדות הבסיסיות ביותר
בעולמנו, ושתעלומות רבות מחכות ל"מגלי ארצות"
שיחשפו אותן.
.

כתיבת תגובה

כתובת הדוא"ל לא תפורסם.