پلوتونیوم فلزی که جذب آهنربا نمی شود!

پلوتنیوم جزو فلزات به حساب می آید اما هرگز جذب آهنربا نمی شود , چیزی که دهه ها تعجب دانشمندان را برانگیخته بود. اما هم اکنون دانشمندان علت این ویژگی مغناطیسی  گمشده را کشف کرده اند. گفتنی است نتایج تحقیقات اخیر می تواند منجر به پیش بینی و حتی تنظیم خواص مختلف مواد گوناگون به شیوه ای راحت تر شود.

اساس اتمی مواد

الکترون ها همواره در حال چرخش به دور اتم ها هستند و روی مسیرهایی که اربیت نام دارند به حرکت چرخشی خود ادامه می دهند , هر کدام از این اربیت ها توانایی حمل و اختصاص دادن فضای لازم به تعداد الکترون های  محدودی را دارند. در فلزات عادی تعداد الکترون های موجود در بیرونی ترین اربیت معین و ثابت است , به عنوان مثال مس و آهن هر کدام به ترتیب یک و دو الکترون در بیرونی ترین اربیت خود حمل می کنند. در نبود هیچ گونه انرژی ای (همانند گرما و الکتریسیته) که به اتم ها منتقل شود الکترون ها در پایین ترین حد از لحاظ سطح انرژی قرار دارند که به حالت پایه موسوم است.

برای درک بهتر شرایط الکترون های موجود در حالت پایه پلوتنیوم مارک جانشک و همکارانش از آزمایشگاه ملی لاس آلموس ،پرتویی از نوترون ها را به سمت نمونه پلوتونیوم گسیل ساختند. نوترون و الکترون هر دو دارای میدان الکترومغناطیسی و گشتاور مغناطیسی هستند. لازم به ذکر است گشتاور مغناطیسی بیانگر میزان و جهت نیرویی بوده که برای جهت دهی به یک هدف در میدان مغناطیسی مورد نیاز است. با تعامل و برخورد بوجود آمده بین گشتاورهای نوترون ها و الکترون ها تیم تحقیقاتی موفق به رویت نشانه هایی از حالت پایه الکترون هایی شدند که نمایانگر تعداد الکترون های موجود در بیرونی ترین اربیت اطراف اتم است.

از همین رو آن ها دریافتند که پلوتنیوم می تواند چهار , پنج و حتی شش الکترون در حال پایه اربیت خارجی خود داشته باشد. لازم به ذکر است دانشمندانی که پیش از این سعی داشتند به نحوی خواص اعجاب آور پلوتنیوم را به اثبات رسانند پیش بینی می کردند که تعداد این الکترون ها در بیرونی ترین اربیت پلوتنیوم ثابت است.

اما این تنها چیزی نبود که مطالعات اخیر نشان می داد , علاوه بر این دانشمندان دریافتند این الکترون ها بین 3 حالت متفاوت به طور مداوم در حال رفت و آمد هستند و در آن واحد در هر 3 حالت ذکر شده حضور پیدا می کنند.

اساس این تئوری عجیب در سال 2007 در دانشگاه رجرز پی ریزی شد. جایی که فیزیکدانان با استفاده از روابط پیچیده ریاضی  پیش بینی کردند که این الکترون ها می توانند در بین حالات بیان شده نوسان کنند. گفتنی است آزمایش دانشگاه لاس آلموس اولین آزمایش انجام شده در زمینه این تئوری بود که توانست به درستی حقانیت این فرضیه را به اثبات رساند.

خواص عجیب پلوتنیوم

این نوسان می تواند به درستی نشان دهد که چرا پلتونیوم خاصیت مغناطیسی ندارد , آهنرباها خاصیت چسبندگی خود را از الکترون هایی می گیرند که به صورت جفت نیستند وهر کدام از آن ها همانند یک آهنربای کوچک که دارای قطب مثبت و منفی بوده عمل می کنند. زمانی که الکترون ها اربیت های اتم را اشباع می کنند هر کدام از آن ها به تنهایی مکان خود را اشغال نموده و گشتاور های مغناطیسی همگی در یک جهت قرار می گیرند. با پر شدن اربیت ها توسط الکترون های بیشتر , آن ها با قطب های مثبت و منفی ای که در رو به روی یکدیگر قرار دارند جفت می شوند و به این ترتیب میدان مغناطیسی از میان می رود. اما در بعضی مواقع الکترون نمی تواند جفت خود را پیدا کند به عنوان مثال زمانی که آهن در میدان مغناطیسی قرار می گیرد الکترون های جفت نشده همگی در یک مسیر قرار گرفته و یک میدان مغناطیسی متراکم را تشکیل می دهند که سایر میدان های مغناطیسی دیگر را جذب خود می کنند.

به دلیل اینکه الکترون های موجود در بیرونی ترین اربیت پلوتنیوم مدام در حال تغییر حالت خود قرار دارند , الکترون های جفت نشده هرگز در یک میدان مقناطیسی قرار نمی گیرند و در نتیجه فلز پلوتنیوم نمی تواند خاصیت آهنربایی پیدا کند.

به گفته جانشک خواص پلوتنیوم این عنصر را میان دو گروه از عناصر موجود در جدول مندلیف قرار می دهد. عناصری مثل توریوم , اورانیوم و نپتونیوم همانند عناصر واسطه عمل می نمایند و بیشتر به فلزات شبیه هستند. با حرکت به سمت عناصر سنگین تر (به سمت قسمت راست جدول مندلیف) این خاصیت تغییر می نماید به عنوان مثال آمریکیوم و عناصر بعد از آن بیشتر شبیه به عناصر خاکی کمیاب مثل نئودیمیوم بوده که به شکلی بسیار مناسب به حالت مغناطیسی در می آیند در حالی که عناصر واسطه اصلا چنین خاصیتی ندارند.

روابط ریاضی استفاده شده در این تحقیق علاوه بر کشف خواص اعجاب آور پلوتنیوم به محققان کمک می نماید تا خواص و نوع رفتار مواد جدید را پیش بینی نمایند , گفتنی است  تا پیش از این برای دستیابی به چنین امری از آزمایش هایی چون گرم کردن و ضربه زدن توسط میدان مغناطیسی استفاده می نمودیم.

این تحقیق به همراه تمام نتایج بدست آمده در آخرین نسخه مجله پیشرفت های علمی به چاپ رسیده است.

منبع

No tags for this post.