ทีมนักวิทยาศาสตร์กระทรวงพลังงานสหรัฐฯ ยืนยันการผลิตธาตุหนัก "ซูเปอร์เฮฟวี่" ที่ 114 หลังผลิตขึ้นได้ครั้งแรกเมื่อ 10 ปีก่อน ซึ่งการค้นหาธาตุที่ 114 นี้เป็นส่วนสำคัญในการค้นหา "หมู่เกาะแห่งความเสถียร" ของศาสตร์ทางด้านนิวเคลียร์ ที่ต้องการค้นหาธาตุหนักแต่มีความเสถียร
ไฮโน นิทส์เช (Heino Nitsche) หัวหน้ากลุ่มนิวเคลียร์และเคมีกัมมันตรังสีธาตุหนัก (Heavy Element Nuclear and Radiochemistry Group) ในภาควิชาวิทยาศาสตร์นิวเคลียร์ของห้องปฏิบัติการเบิร์กเลย์ (Berkeley Lab) สหรัฐฯ และศาสตราจารย์ด้านเคมีมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียในเบิร์กเลย์ (University of California at Berkeley) พร้อมด้วย เคน เกรกอริช (Ken Gregorich) นักวิทยาศาสตร์อาวุโสจากภาควิชาวิทยาศาสตร์นิวเคลียร์เบิร์กเลย์ ได้ยืนยันการผลิตธาตุใหม่เป็นธาตุหนักที่มีเลขอะตอม 114
ทั้งนี้ เป็นความสำเร็จ ที่ยืนยันการค้นพบธาตุหนัก ที่มีเลขอะตอมเดียวกันนี้ ของกลุ่มวิจัยสถาบันวิจัยนิวเคลียร์ดูบนา (Institute for Nuclear Research in Dubna) ในรัสเซียที่ผลิตออกมาได้ครั้งแรกเมื่อ 10 ปีก่อน โดยครั้งนี้ทีมวิจัยสหรัฐฯ ได้ใช้อุปกรณ์ในเครื่องไซโคลตรอน 88 นิ้ว ผลิตธาตุหนักได้ 2 ไอโซโทปที่มีโปรตอน 114 ตัวเท่ากัน แต่มีจำนวนนิวตรอนแตกต่างกันและมีการสลายตัวที่แตกต่างกัน โดยเลขอะตอมหมายถึงจำนวนโปรตอนในนิวเคลียสอะตอม
“จากการพิสูจน์เพื่อยืนยันการผลิตธาตุที่ 114 ได้นั้น เราได้ขจัดความสงสัยใดๆ เกี่ยวกับหลักฐานในสิ่งที่กลุ่มดูบนาอ้าง สิ่งนี้ได้พิสูจน์ว่าธาตุหนักซึ่งน่าสนใจที่สุดนั้นสามารถผลิตได้จริงภายในห้องปฏิบัติการ” นิทส์เชกล่าว
ทั้งนี้ ธาตุที่หนักกว่ายูเรเนียม ซึ่งมีเลขอะตอม 92 นั้น เป็นสารกัมมันตรังสีและสลายตัวในเวลาที่สั้นกว่าอายุของโลก ดังนั้นจึงไม่พบธาตุที่หนักกว่ายูเรเนียมในธรรมชาติ แม้ว่าบางครั้งจะพบร่องรอยชั่วคราวของเนปจูเนียมและพลูโตเนียมในแร่ยูเรเนียม แต่ตอนนี้ธาตุที่มีเลขอะตอมถึง 111 ได้รับการยืนยันว่าสร้างขึ้นได้ รวมถึงธาตุที่ 112 ซึ่งเพิ่งค้นพบเร็วๆ นี้ด้วย โดยสร้างขึ้นภายในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ การระเบิดทางนิวเคลียร์ และเครื่องเร่งอนุภาค ซึ่งธาตุเหล่านี้สลายไปอย่างรวดเร็ว ภายในไม่กี่วินาทีหรือเสี้ยววินาที
ในช่วงปลายทศวรรษที่ 1950 (ประมาณ พ.ศ.2500) นักวิทยาศาสตร์และนักทฤษฎีได้คำนวณไว้ว่า ธาตุหนักซึ่งการจัดเรียงของโปรตอนและนิวตรอนที่รวมตัวอย่างคงที่ ภายในชั้นของนิวเคลียสจะค่อนข้างเสถียร และที่สุดจะจัดเข้าในกลุ่ม "หมู่เกาะแห่งความเสถียร" (Island of Stability) ซึ่งเป็นสถานะที่ธาตุจะมีอายุได้ ตั้งแต่เป็นนาที เป็นวัน ไปจนถึงเป็นล้านปี (หากมองในแง่ดี) และแบบจำลองล่าสุดชี้ว่า ธาตุที่มีโปรตอน 114 ตัวและมีนิวตรอน 184 ตัวนั้นอาจจะมีความเสถียรเช่นนั้น
"ผู้คนฝันถึงธาตุหนักมาตั้งแต่ทศวรรษที่ 1960 แต่มันเป็นเรื่องไม่ปกตินักกับผลลัพธ์อันมีค่าของกลุ่มดูบนาที่ได้อ้างว่าผลิตธาตุที่ 114 ได้ แล้วไม่ได้รับการยืนยันเป็นเวลานาน จนนักวิทยาศาสตร์ทั้งหลายต่างเริ่มตั้งข้อสงสัยว่า ธาตุหนักนั้นมีอยู่จริงหรือไม่” เกรกอริชเสริม
เป็นเวลายาวนานที่ เกลนน์ ซีเบิร์ก (Glenn Seaborg) นักเคมีแห่งห้องปฏิบัติการเบิร์กเลย์ผู้ค้นพบพลูโตเนียมตั้งแต่ปี 2484 ซึ่งต่อมาได้เป็นประธานคณะกรรมการพลังงานปรมาณู (Atomic Energy Commission) ได้สนับสนุนการค้นหาธาตุหนักซูเปอร์เฮฟวี (superheavy) ซึ่งจำเป็นต้องมีจำนวนนิวคลีออน (nucleon)* เป็น "ตัวเลขมหัศจรรย์" (magic numbers)
เพื่อจะสร้างนิวเคลียสของธาตุหนักซูเปอร์เฮฟวี จะต้องยิงอะตอมจากธาตุชนิดหนึ่งไปยังเป้ายิงที่ผลิตขึ้นจากธาตุอีกชนิด ผลรวมของโปรตอนจากธาตุทียิงกับนิวเคลียสของเป้ายิงต้องได้เท่ากับเลขอะตอมที่ต้องการเป็นอย่างน้อย
สำหรับการทดลองเพื่อยืนยันผลของกลุ่มดูบนา ทีมวิจัยสหรัฐฯต้องยิงไอออนของแคลเซียม 48 (48Ca) ที่มีนิวเคลียสประกอบด้วยโปรลตอน 20 ตัว และนิวตรอน 28 ตัว เข้าไปยังเป้ายิงที่มีพลูโตเนียม 242 (242Pu) ซึ่งมีนิวเคลียสประกอบด้วยโปรตอน 94 ตัว และนิวตรอน 148 ตัว โดยแหล่งกำเนิดไอออนในเครื่องไซโคลตรอนความยาว 88 นิ้วได้สร้างลำไอออนแคลเซียมที่มีประจุสูง แล้วเร่งความเร็วเพื่อให้ได้ระดับพลังงานที่ต้องการ โดยไอออนของแคลเซียมที่สร้างขึ้นนั้นเป็นแคลเซียมที่ขาดอิเล็กตรอนถึง 11 ตัว
เป้ายิงพลูโตโตเนียมออกไซด์ 4 ชิ้นถูกติดบนวงล้อเล้นผ่านศูนย์กลาง 9.5 เซนติเมตร ซึ่งหมุนด้วยความเร็ว 12-14 รอบต่อวินาที เพื่อช่วยกระจายความร้อนจากการระเบิดของลำอนุภาคจากเครื่องไซโคลตรอน
“พลูโตเนียมขึ้นชื่อยู่แล้วเรื่องยากที่จะจัดการ และทุกกลุ่มวิจัยก็ทำเป้ายิงของแต่ละกลุ่มออกมาในแบบที่แตกต่างกัน แต่ประสบการณ์อันยาวนานจากเบิร์กเลย์ทำให้เราเข้าใจกระบวนการทดลองเป็นอย่างดี" นิทส์เชกล่าว
เมื่อนิวเคลียสของตัวยิงและเป้าทำอันตรกริยากันที่เป้ายิง ผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากปฏิกิริยานิวเคลียร์หลายๆ ชนิดก็ออกันที่ด้านหลังเป้ายิง แต่เนื่องจากนิวเคลียสของธาตุหนักซูเปอร์เฮฟวีนั้นมีน้อยและมีอายุสั้น ทั้งกลุ่มดูบนาและเบิร์กเลย์จึงต้องใช้เครื่องมือแยกธาตุด้วยก๊าซ (gas-filled separator) โดยเจือจางก็าซแล้วเปลี่ยนสนามแม่เหล็กให้กวาดเศษซากการปะทะกันของลำไอออนและเป้ายิงให้พ้นทาง แล้วปล่อยให้เพียงนิวเคลียสของสารประกอบที่มีมวลตามต้องการพุ่งไปยังเครื่องตรวจวัด
เกรกอริชสรุปให้ฟังว่า ความเข้มของลำไอออนพลังงานสูงจากเครื่องไซโคลตรอน กับเครื่องแยกธาตุด้วยก๊าซที่มีประสิทธิภาพของเบิร์กเลย์นั้น ทำให้ได้ธาตุที่น่าจะเป็นออกมาในจำนวนไม่มาก และในกรณีของธาตุที่ 114 นั้น ได้ออกมา 2 นิวไคล์ภายในการทดลองต่อเนื่อง 8 วัน
นักวิจัยจำแนกไอโซโทปทั้งสองเป็น 286114 ซึ่งมีโปรตอน 114 ตัว นิวตรอน 172 ตัว และ 287114 ซึ่งมีโปรตอน 114 ตัวและมีนิวตรอน 173 ตัว โดยในส่วนของ 286114 นั้นได้สลายตัวภายในเวลา 0.1 วินาที แล้วปลดปล่อยรังสีอัลฟาซึ่งประกอบด้วยโปรตอน 2 ตัวและนิวตรอน 2 ตัว หรืออีกนัยหนึ่งคือนิวเคลียสของฮีเลียมออกมา แล้วกลายเป็นนิวเคลียสของธาตุที่มีเลขอะตอม 112 ซึ่งจะค่อยๆ แตกตัวเป็นนิวไคล์ที่เล็กกว่าด้วยปฏิกิริยาฟิชชัน
ส่วน 287114 จะสลายตัวในเวลาประมาณครึ่งวินาที แล้วปลดปล่อยอนุภาคอัลฟา กลายเป็นนิวไคล์ของธาตุ 112 ซึ่งจะปลดปล่อยอนุภาคอัลฟาออกมาอีก แล้วกลายเป็นธาตุ 110 ก่อนที่จะแตกตัวเป็นนิวไคล์ของธาตุที่เล็กกว่าต่อไป
ความสำเร็จของกลุ่มวิจัยเบิร์กเลย์ในการค้นหานิวไคล์ธาตุ 114 ได้ 2 ตัวและติดตามร่องรอยการสลายตัวของนิวไคล์ทั้งสองนั้น ต้องอาศัยกระบวนการตรวจวัดที่ช่ำช่อง การรวบรวมข้อมูล และการวิเคราะห์ข้อมูลที่เกิดขึ้นพร้อมกัน
หลังผ่านการคัดแยกต้องเครื่องมือแยกธาตุด้วยก๊าซ นิวเคลียสของธาตุที่อยู่ในข่ายจะเข้าสู่ช่องเครื่องตรวจวัด หากตรวจพบอะตอมของธาตุ 114 และพบการสลายตัวของธาตุจากการปลดปล่อยอนุภาคอัลฟา เครื่องไซโคลตรอนจะหยุดปล่อยลำไอออนออกมา ดังนั้นการสลายตัวจะได้รับการบันทึกโดยที่ข้อมูลไม่ถูกรบกวน
นิทส์เชกล่าวว่าทีมวิจัยกล่าวว่า ทีมวิจัยคาดหวังที่จะได้นิวไคล์ของธาตุ 114 ทีแตกต่างกัน 6 ตัวได้เพียง 2 ตัว แต่อย่างไรก็ดีผลการทดลอง ทั้งระยะการสลายตัว อายุของธาตุ และพลังงานของนิวไคล์ที่ได้ก็สอดคล้องกับผลการทดลองของกลุ่มดูบนา ซึ่งเป็นการยืนยันความสำเร็จของกลุ่มดูบนา
“ระหว่าง 20 ปีทีผ่านมานี้ มีไอโซโทปที่มีความเสถียรจำนวนมากได้ถูกค้นพบ และเป็นธาตุที่อยู่ระหว่างธาตุหนักและธาตุในกลุ่ม "หมู่เกาะแห่งความเสถียร" ซึ่งน่าจะเป็นการก้าวไปสู่หมู่เกาะของธาตุ (ที่ยังเป็นเพียงทฤษฎี) นี้ แต่คำถามคือหมู่เกาะนี้กว้างสักแค่ไหน จาก 114 ไปถึง 120 หรือ 126 และธาตุเหล่านั้นสูงจาก "ทะเลแห่งความไม่เสถียร" (Sea of Instability) สักเท่าไหร่" นิทส์เชกล่าว
* นิวคลีออนคือ นิวตรอนหรือโปรตอน
