اعداد جادویی در فیزیک هسته‌ای چه هستند و چرا بسیار قدرتمندند؟

چرا بعضی عناصر تنها چند دقیقه یا چند ساعت دوام می‌آورند، در حالی که برخی دیگر میلیاردها سال پایدار باقی می‌مانند؟ پاسخ این پرسش در چیزی نهفته است که فیزیکدان‌ها آن را «اعداد جادویی» می‌نامند.

برخی اتم‌ها بسیار پایدار هستند و به‌راحتی از هم نمی‌پاشند، در حالی که برخی دیگر خیلی سریع دچار واپاشی می‌شوند. برای مثال، ایزوتوپ سرب-۲۰۸ تقریباً جاودانه است، اما ایزوتوپ مصنوعی تکنسیم-۹۹ تنها چند ساعت عمر دارد. دلیل این تفاوت در ساختار هسته اتم‌هاست؛ جایی که وجود تعداد خاصی از ذرات هسته‌ای می‌تواند بعضی ایزوتوپ‌ها را در برابر واپاشی رادیواکتیو بسیار مقاوم کند.

پایداری هسته‌های اتم به شدت متفاوت است. بعضی هسته‌ها مانند سرب-۲۰۸ یا کلسیم-۴۰ از زمان شکل‌گیری زمین وجود داشته‌اند و هنوز هم هستند. این‌ها به «ایزوتوپ‌های اولیه» معروف‌اند و احتمالاً تا پایان عمر جهان باقی خواهند ماند. در مقابل، هسته‌هایی مثل اوگانسون-۲۹۴ یا تنسین-۲۹۴ در کسری از ثانیه از بین می‌روند و نیمه‌عمر آن‌ها کمتر از یک هزارم ثانیه است.

شاید تصور کنید پایداری هسته فقط به جرم اتم بستگی دارد و عناصر سنگین‌تر ناپایدارترند. اما این توضیح کامل نیست. آن‌طور که لایوساینس می‌نویسد، در دهه‌های ۱۹۴۰ و ۱۹۵۰ دانشمندان متوجه شدند حتی عناصر سبک‌تر نیز ایزوتوپ‌های رادیواکتیو دارند. برای نمونه، کربن-۱۴ و پتاسیم-۴۰ هر دو به آرامی دچار واپاشی می‌شوند و بخشی از پرتوهای طبیعی اطراف ما را به وجود می‌آورند. نکته جالب اینجا بود که پژوهشگران متوجه شدند تعداد خاصی از پروتون‌ها یا نوترون‌ها در هسته موجب پایداری غیرعادی آن می‌شود. این مقادیر ویژه بعدها «اعداد جادویی» نام گرفتند.

اعداد جادویی عبارت‌اند از: ۲، ۸، ۲۰، ۲۸، ۵۰، ۸۲ و ۱۲۶. دیوید جنکینز، فیزیکدان هسته‌ای از دانشگاه یورک در انگلستان می‌گوید: «اگر به اولین عدد جادویی نگاه کنیم، یعنی دو پروتون و دو نوترون، به هسته هلیوم می‌رسیم. می‌دانیم این ترکیب یکی از پایدارترین حالت‌ها در طبیعت است.»