بريليوم-8

البريليوم-8 ( ^8Be ، Be -8 ) هو نظير مشع يحتوي على 4 نيوترونات و4 بروتونات . وهو رنين غير مرتبط لجسيمين ألفا ، ويُعتبر نظيراً للبريليوم . ولهذا الأمر تداعيات مهمة في عملية التخليق النووي النجمي ، إذ يُشكل عائقاً أمام إنتاج العناصر الكيميائية الأثقل .

تم اكتشاف البريليوم-8 بعد فترة وجيزة من بناء أول مسرع جسيمات عام 1932. أجرى الفيزيائيان جون دوغلاس كوكروفت وإرنست والتون أول تجربة لهما باستخدام المسرع في مختبر كافنديش في كامبريدج ، حيث قاما بتشعيع الليثيوم-7 بالبروتونات . وأفادا بأن هذا أدى إلى تكوين نواة ذات عدد كتلي A =  8  ، والتي تتحلل بشكل شبه فوري إلى جسيمين ألفا. لوحظ هذا النشاط مرة أخرى بعد عدة أشهر، وعُزِيَ أنه ناتج عن البريليوم ^-8 . ^{[ 4 ]}

يُعدّ البريليوم-8 غير مرتبط فيما يتعلق بانبعاث جسيمات ألفا عند طاقة 92  كيلو إلكترون فولت؛ وهو رنين ذو عرض 6  إلكترون فولت. ^{[ 5 ]} تتميز نواة الهيليوم-4 باستقرارها العالي، إذ تمتلك تكوينًا سحريًا مزدوجًا وطاقة ربط أكبر لكل نيوكليون مقارنةً ^{بالبريليوم-8} . ولأن الطاقة الكلية للبريليوم ^-8 أكبر من طاقة جسيمَي ألفا ، فإن تحلله إلى جسيمَي ألفا يُعدّ مُفضّلاً من الناحية الطاقية، ^{[ 6 ]} كما أن تخليق البريليوم ^-8 من نواتَي هيليوم ^-4 ماصٌّ للحرارة. يُسهّل تركيب نواة البريليوم ^-8 تحلله؛ فهي مشوّهة للغاية، ويُعتقد أنها عبارة عن عنقود جزيئي لجسيمَي ألفا يمكن فصلهما بسهولة بالغة. ^{[ 7 ] [ 8 ] علاوة} على ذلك، في حين أن النوى الأخرى التي تحتوي على جسيمات ألفا لها رنينات قصيرة العمر مماثلة، فإن ^{البريليوم-8} يكون استثنائيًا في الحالة الأرضية . يحتوي النظام غير المرتبط المكون من جسيمين ألفا على حاجز كولوم منخفض الطاقة ^، مما يجعله غير قادر على الوجود لفترة زمنية كبيرة: ^{[ 9 ]} يبلغ عمر النصف حوالي 8.2 × 10−17 ثانية. 

البريليوم-8 هو النظير غير المستقر الوحيد الذي يحتوي على عدد زوجي متساوٍ من البروتونات والنيوترونات (≤  20) . وهو أيضاً أحد النظيرين غير المستقرين الوحيدين (الآخر هو الهيليوم-5 ) اللذين يمتلكان عددًا كتليًا ≤ 143، واللذين يتمتعان بالاستقرار تجاه كل من تحلل بيتا وتحلل بيتا المزدوج . 

توجد أيضًا عدة حالات مثارة لنظير البريليوم ^-8 ، جميعها رنينات قصيرة العمر - بعرض يصل إلى عدة ميغا إلكترون فولت وبأعداد نظائرية متغيرة - تتحلل بسرعة إلى الحالة الأرضية أو إلى جسيمين ألفا. ^{[ 10 ]} أشارت تجربة أجريت عام 2015 على نظير البريليوم ^{-8 المثار إلى وجود} جسيم X17 .

في عملية التخليق النووي النجمي ، قد تصطدم نواتان من الهيليوم-4 وتندمجان لتكوين نواة واحدة من البريليوم-8. يتميز البريليوم-8 بعمر قصير للغاية قبل أن يعود إلى نواتين من الهيليوم-4، ولكنه يظل موجودًا بتركيز متوازن مفيد. هذا، بالإضافة إلى الطبيعة غير المرتبطة للهيليوم ^-5 والليثيوم ^-5 ، يُشكل عائقًا في عملية التخليق النووي في الانفجار العظيم والتخليق النووي النجمي ، ^{[ 9 ]} لأنه يتطلب معدل تفاعل سريعًا للغاية. ^{[ 11 ]} هذا يُعيق تكوين العناصر الأثقل في الأولى، ويُحد من الناتج في الثانية. إذا اصطدم البريليوم-8 بنواة هيليوم-4 قبل تحلله، فيمكنهما الاندماج لتكوين نواة كربون-12 . تم وضع هذا التفاعل نظريًا بشكل مستقل من قبل أوبيك ^{[ 12 ]} وسالبيتر ^{[ 13 ]} في أوائل الخمسينيات.

نظراً لعدم استقرار ^{البريليوم-8} ، تُعدّ عملية ألفا الثلاثية التفاعل الوحيد الذي يُمكن من خلاله إنتاج الكربون ^-12 والعناصر الأثقل بكميات قابلة للملاحظة. وعلى الرغم من كونها تفاعلاً ثلاثي الأجسام، إلا أن عملية ألفا الثلاثية تُصبح أسهل عندما يزداد إنتاج ^{البريليوم-8} بحيث يُصبح تركيزه حوالي 10⁻⁸ ^{مقارنةً} بالهيليوم ^-4 ؛ ^{[ 14 ]} ويحدث هذا عندما يُنتج البريليوم ^{-8 بمعدل أسرع من معدل تحلله. [ 15 ]} ومع ذلك، فإن هذا وحده غير كافٍ، إذ نادراً ما يؤدي التصادم بين ^{البريليوم-8} والهيليوم ^{-4 إلى الاندماج [ 16 ]} ، ولن يكون معدل التفاعل سريعاً بما يكفي لتفسير الوفرة الملحوظة للكربون ^-12 . ^{[ 1 ]} في عام 1954، افترض فريد هويل وجود رنين في الكربون-12 ضمن نطاق طاقة النجوم لعملية ألفا الثلاثية، مما يُعزز إنتاج الكربون-12 على الرغم من قصر عمر النصف للبريليوم-8. ^{[ 17 ]} تم تأكيد وجود هذا الرنين ( حالة هويل ) تجريبياً بعد ذلك بوقت قصير؛ وقد تم الاستشهاد باكتشافه في صياغات المبدأ الأنثروبي وفرضية الكون المضبوط بدقة. ^{[ 18 ] [ 19 ]}

بما أن طاقة ارتباط البريليوم-8 تبلغ 92  كيلو إلكترون فولت فقط، يُفترض أن تغيرات طفيفة جدًا في الجهد النووي والضبط الدقيق لبعض الثوابت (مثل α، ثابت البنية الدقيقة ) قد تزيد طاقة ارتباط ^8Be بشكل كافٍ لمنع تحلله ألفا، مما يجعله مستقرًا . وقد أدى ذلك إلى دراسة سيناريوهات افتراضية يكون فيها ^8Be مستقرًا، وتكهنات حول أكوان أخرى ذات ثوابت أساسية مختلفة. ^{[ 1 ]} تشير هذه الدراسات إلى أن اختفاء العائق ^{[ 18 ]} الذي أحدثه ^8Be سيؤدي إلى آلية تفاعل مختلفة تمامًا في عملية التخليق النووي للانفجار العظيم وعملية ألفا الثلاثية، فضلًا عن تغيير وفرة العناصر الكيميائية الأثقل. ^{[ 5 ]} ولأن عملية التخليق النووي للانفجار العظيم حدثت خلال فترة قصيرة فقط في ظل الظروف اللازمة، يُعتقد أنه لن يكون هناك فرق كبير في إنتاج الكربون حتى لو كان ^8Be مستقرًا. ^{[ 9 ] مع ذلك، فإن وجود نظير البريليوم -8} المستقر سيمكّن من مسارات تفاعل بديلة في احتراق الهيليوم (مثل ^8Be + ^4He و ⁸ Be + ^8Be ؛ مما يشكل مرحلة "احتراق البريليوم")، وربما يؤثر على وفرة النوى الناتجة من الكربون ^{-12 والأكسجين -16} والنوى الأثقل، على الرغم من أن الهيدروجين ^-1 والهيليوم ^-4 سيظلان أكثر النوى وفرة. سيؤثر هذا أيضًا على تطور النجوم من خلال بدء احتراق الهيليوم (واحتراق البريليوم) في وقت أبكر وبمعدل أسرع، مما ينتج عنه تسلسل رئيسي مختلف عن تسلسل كوننا. ^{[ 1 ]}