היסודות שבסוף
הטבלה המחזורית

השנה מציינים 150 שנה להולדת הטבלה המחזורית – הלא היא טבלת היסודות הכימיים שפרסם דמיטרי מנדלייב בשנת 1869. בתחילת הדרך היא כללה 63 יסודות בלבד ומאז היא הלכה וגדלה בהתמדה.

היסוד האחרון שהתגלה בטבע הוא פרנציום (מספר אטומי 87). שגילתה לפני 80 שנה המדענית הצרפתית מרגריט פריי, ונקרא על שם מולדתה צרפת. שנתיים לאחר מכן, בשנת 1941, ייצרו מדענים את היסוד פלוטוניום (מספר אטומי 94) במעבדה בארצות הברית. בהמשך התברר שגם הפלוטוניום יכול להיחשב יסוד טבעי, שכן הוא יציב מספיק כדי להתקיים בכמויות זעירות בקרום כדור הארץ.

גרעין האטום

כדי להבין מדוע יסודות מסוימים אינם קיימים בטבע, הבה ניכנס אל מעמקי האטום. גרעין האטום מורכב משני סוגי חלקיקים: פרוטונים בעלי מטען חשמלי חיובי וניטרונים שמטענם החשמל ניטרלי.

אחד הכוחות החשובים בפיזיקה הוא הכוח האלקטרוסטטי, שגורם למטענים חשמליים בעלי סימן זהה – חיובי או שלילי – לדחות זה את זה, ולחלקיקים בעלי למטען מנוגד להימשך זה לזה. אז איך גרעין שמורכב מחלקיקים ניטרליים וחיוביים מצליח להישאר מאוחד? הרי אפשר לצפות שהפרוטונים ידחו זה את זה בשל מטענם החיובי, וכך הגרעין יתפרק. אכן, אילו הכוח האלקטרוסטטי היה פועל לבדו, שני פרוטונים כה קרובים היו נדחים זה מזה במהירות של יותר מ-10,000 קילומטר לשנייה.

הכוח המסתורי שמחזיק ביחד את החלקיקים בגרעין האטום הוא הכוח החזק ביותר הידוע בטבע. שמו, כמתבקש, הוא "הכוח הגרעיני החזק". בניגוד לכוח האלקטרוסטטי, הכוח החזק אינו תלוי במטען החלקיקים, אלא פשוט פועל בין כל שני חלקיקים בגרעין, שונים או זהים. כלומר הוא פועל בין שני פרוטונים, שני ניטרונים או בין פרוטון לניטרון. עוד הבדל גדול בין שני הכוחות הוא שהכוח החזק תלוי מאוד במרחק בין החלקיקים. העובדה הזאת קריטית כדי להבין מדוע אין בטבע חלקיקים בעלי מספר גדול במיוחד של פרוטונים.

הכוח האלקטרוסטטי האחראי לדחייה בין הפרוטונים פוחת והולך ככל שהמרחק ביניהם גדל. הכוח הגרעיני החזק, לעומת זאת, פועל לגמרי אחרת. כאשר שני חלקיקים בגרעין קרובים מאוד, הוא מפעיל ביניהם דחייה שהולכת ופוחתת ככל שהמרחק בין החלקיקים גדל. בשלב מסוים, הכוח מתאפס ולאחר מכן הופך לכוח משיכה. זה קורה בדיוק בטווח המרחקים שבין פרוטונים בגרעין האטום.

מלחמת הכוחות

בשלב הזה הכוח החזק גדול בהרבה מהכוח האלקטרוסטטי, ולכן הגרעין אינו מתפוצץ ופרוטונים לא עפים לכל עבר. עם זאת, ככל שהמרחק ממשיך לגדול, הכוח הגרעיני החזק פוחת, עד שבשלב מסוים הוא מגיע קרוב מאוד לאפס. כששני פרוטונים רחוקים מספיק זה מזה, הכוח האלקטרוסטטי גובר על הכוח הגרעיני החזק וגורם לפרוטונים לרצות לברוח זה מזה.

אפשר להיעזר בגרף על מנת לדמיין את מלחמת הכוחות בגרעין. בציר האנכי מוצגת מידת המשיכה או הדחייה בין שני פרוטונים. הציר האופקי מייצג את המרחק ביניהם, שהולך וגדל ככל שנעים ימינה. עד הנקודה הכחולה השמאלית, הכוח האלקטרוסטטי (הירוק) והכוח הגרעיני החזק (האדום) הם כוחות דחייה (בעל ערך Y חיובי), ולכן שני פרוטונים שנמצאים בקרבה כה רבה זה לזה יידחו בהכרח.

המצב משתנה כשהמרחק ביניהם גדל. כעת הכוח החזק מושך את הפרוטונים זה לזה, ונוצרת מעין תחרות בינו לבין הכוח האלקטרוסטטי – מי מהשניים חזק יותר? בין שתי הנקודות הכחולות נמצא טווח המרחקים שבו המשיכה שמפעיל הכוח הגרעיני החזק גובר על הדחייה של הכוח האלקטרוסטטי, ולכן פרוטונים שנמצאים בתחום הזה יימשכו זה לזה. לא במקרה, זה בדיוק המרחק הטיפוסי של פרוטונים באטומים יציבים הנמצאים בטבע, שנקראים "היסודות הטבעיים". אולם מעבר לנקודה הכחולה הימנית, הכוח האלקטרוסטטי גובר על הכוח הגרעיני החזק, ולכן הפרוטונים שוב נמצאים במצב של דחייה.

מכאן קל להבין מדוע היסודות הכבדים פחות יציבים מיסודות קלים. הרי אם בגרעין יש פרוטונים רבים, רובם יהיו רחוקים זה מזה, ורק אחוז קטן מהם יהיו שכנים ויהנו מהכוח הגרעיני החזק. כל השאר ידחו זה את זה. לכן גרעינים שיש בהם יותר מ-104 פרוטונים נחשבים סופר כבדים, וזמן מחצית החיים שלהם (הזמן הדרוש כדי שמחצית מכמות החומר תתפרק) קטן עד כדי כך שאיננו יכולים למצוא אותם בטבע.

מאזן של כוחות: השפעת הרוח האלקטרוסטטי והכוח החזק כתלות במרחק בין חלקיקים | איור: דניאל זיידמן

יסודות מלאכותיים

בדרך כלל, ככל שזמן מחצית החיים של יסוד קצר יותר לעומת גיל כדור הארץ, כלומר כ-4.6 מיליארדי שנים, הסיכוי למצוא אותו בטבע פוחת. כמעט כל הכמות שהייתה כשהעולם נוצר כבר התפרקה. יוצאי הדופן הם יסודות שנוצרים בכדור הארץ במהלך הההתפרקות של יסודות אחרים. למשל זמן מחצית החיים של פרנציום (מספר אטומי 87) הוא 22 דקות בלבד, אך הוא נוצר ומתפרק כל הזמן בקרום כדור הארץ, כך שבכל זמן נתון יש 30-20 גרם ממנו אי שם בעולם.

העובדה שיסוד אינו נמצא בכדור הארץ לא אומרת שאיננו יכולים ליצור אותו באופן מלאכותי. מדענים מסוגלים לייצר יסודות באמצעות כורים גרעיניים או מאיצי חלקיקים, למשל על ידי היתוך גרעיני של שני אטומים בעלי מספר אטומי קטן יותר, או הפגזת האטום בחלקיקי אלפא (גרעינים של אטום הליום שבהם שני פרוטונים ושני ניטרונים) על מנת להגדיל את מספרו האטומי.

היסוד הראשון שיוצר באופן מלאכותי היה הטכנציום (מספר אטומי 43) בשנת 1937. לטכנציום יש איזוטופים שונים, כלומר תצורות בעלות מספר שונה של ניטרונים בגרעין, וזמן מחצית החיים שלהן הוא בין שעות אחדות למיליוני שנים, בהתאם ליציבות הגרעין. אף שהזמן הזה ארוך יחסית לחלקיקים מלאכותיים אחרים, הוא קצר מאוד יחסית לגילו של כדור הארץ, כך שגם אם היה קיים בקרום כדור הארץ בעבר, לא שרד ממנו דבר. הכמויות המזעריות שבכל זאת קיימות בקרום כדור הארץ נוצרות שם ונעלמות, בדומה לפרנציום. שמו של הטכנציום נגזר מהמילה היוונית "מלאכותי" והוא משמש כיום לאבחון מחלות כמו סרטן העצמות.

היסוד הראשון המלאכותי לחלוטין, שאינו נמצא כלל בטבע בכדור הארץ ויוצר בידי אדם, היה הקיריום (מספר אטומי 96), הקרוי על שם פייר ומארי קירי. הוא יוצר לראשונה בשנת 1944 וזמן מחצית החיים של האיזוטופ היציב ביותר שלו שהתגלה הוא 15.6 מיליון שנה.

היסוד הכבד ביותר שהתגלה, וגם סגר את השורה השביעית בטבלת היסודות, הוא אוגנסון (מספר אטומי 118). הוא סונתז לראשונה בשנת 2002 אך זיהויו אושר רק בשנת 2016. זמן מחצית החיים שלו הוא כאלפית השנייה בלבד. זאת גם הסיבה לכך שקשה כל כך לגלות יסודות כאלה. יצירתם והצפייה בהם חוצה את הגבולות בין כימיה לפיזיקה.

היסוד האחרון

אז האם התגלו כבר כל היסודות? קשה לקבוע. בארצות הברית ובגרמניה כבר נעשו ניסיונות לייצר את היסוד הבא, בעל 119 פרוטונים. המרדף אחריו נמשך גם במכון ריקן ביפן, ועתיד להתרחב גם למכון המאוחד למחקר גרעיני ברוסיה. אין דרך לומר אם מישהו מהם יצליח במשימה, ואם כן – מתי.