تاریخ کشف آرگون

اگر شما عبارت «گازهای بی‌اثر توسط کوندیش در سال 1785 کشف شدند» را ببینید آن را شوخی تلقی خواهید کرد. اما با وجود غیرعادی جلوه کردن، این گفته اساساً صحیح است. فقط کلمه‌ی «کشف شده» به غلط مورد استفاده قرار گرفته است. کشف ئیدروژن توسط بویل در سال 1660 یا به وسیله‌ی لامانوسوف در سال 1745 نیز به یکسان می‌تواند مورد پذیرش قرار گیرد. کوندیش در آزمایشهای خود فقط چیزی را مشاهده کرد که ماهیت آن صد سال بعد روشن شد. کوندیش در یکی از گزارشهای آزمایشگاهی‌اش نوشت که با گذراندن جرقه‌ی الکتریکی از میان نیتروژن در حضور اکسیژن اضافی به باقیمانده‌ی گاز ناچیزی، که حجم آن بیش از حجم مخلوط اولیه نبود، دست یافته است. این حبابهای گاز مرموز تحت اثر تخلیه‌ی الکتریکی بعدی بدون تغییر باقی ماند. امروزه روشن است که باقیمانده‌ی ناچیز مزبور مخلوطی از گازهای بی‌اثر بوده است. این واقعیتی است که کوندیش نه توانست آن را بفهمد و نه قدرت توجیهش را داشته باشد.
آزمایش مشهور فیزیکدان انگلیسی در سال 1849 توسط ویلسن (1)، کسی که زندگینامه‌ی وی را طی کتابی موسوم به «زندگی هنری کوندیش» نوشت، تشریح شد. در اوایل دهه‌ی 1880، رمزی واکنش نیتروژن گازی را با ئیدروژن و اکسیژن در حضور کاتالیزر پلاتین مطالعه کرد. از این آزمایش چیزی عاید نشد و رمزی حتی نتایج آن را منتشر نکرد. به طوری که بعدها رمزی خاطرنشان کرد، وی کتاب نوشته شده توسط ویلسن را خوانده و در حاشیه‌ی شرح آزمایش کوندیش نوشته بود: «توجه کنید!» وی حتی از دستیارش، ویلیامز (2)، خواست که آزمایش را تکرار کند ولی نتیجه‌ای از آن در دست نیست. به احتمال قوی، چیزی عاید ویلیامز نشده بود. به هر حال، این پیشامد برای رمزی فراموش نشدنی بود (وی آن را خاطره‌ی پنهان می‌نامید) و واقعه‌ای بود که نقش ویژه‌ای در تاریخچه‌ی پیش از کشف آرگون ایفا کرد. ابتدا، در این زمینه فیزیکدان انگلیسی، ریلی (3)، شخصیت اصلی بود و نیاز به تکمیل نظریه‌ی اتمی و مولکولی پیش زمینه‌ی تاریخی اقدامات وی محسوب می‌شد. برای تکمیل و توسعه‌ی نظریه‌ی مزبور لازم بود جرم اتمی عناصر تعیین شود. آزمایشهای متعدد نشان داد که، در اکثر موارد، جرم اتمی عناصر اعداد صحیح نیستند. ضمناً طی سالهای 1815-1816 فیزیکدان انگلیسی، پروت، فرضیه‌ای پیشنهاد کرد که واقعه‌ی برجسته‌ای در تاریخ علوم طبیعی محسوب می‌شود. فرضیه این بود که، تمام اتمهای عناصر شیمیایی حاوی اتمهای ئیدروژن هستند و، به همین دلیل، جرمهای اتمی می‌بایست عدد صحیح باشند. بنابراین، باید گفت که یا پروت اشتباه می‌کرد یا جرمهای اتمی اشتباه تعیین شده بود.
برای رفع این ناسازگاری، مطالعه‌ی مجدد ترکیب و ماهیت گازها ضروری بود. ریلی فکر می‌کرد، قبل از هر چیز، باید چگالی گازهای اصلی آتمسفر، یعنی نیتروژن و اکسیژن، را تعیین کرد. زیرا، پس از آن تعیین جرمهای اتمی براساس مقدار چگالی امکان پذیر می‌شد.
ریلی، در 29 سپتامبر 1892، مقاله‌ی کوتاهی در نشریه‌ی معتبر انگلیسی موسوم به «طبیعت» منتشر ساخت. به نظر می‌آمد که مقاله‌ی مزبور درباره‌ی موضوعی نه چندان مهم نوشته شده است. وی اظهار کرده بود که چگالی نیتروژن حاصل از هوای آتمسفر با چگالی نیتروژن حاصل از عبور دادن مخلوط هوا و آمونیاک از روی مفتول مسی سرخ شده فرق دارد. تفاوت بسیار کم بود – فقط 0/001، اما این مقدار را نمی‌شد به خطای آزمایش نسبت داد. نیتروژن آتمسفری سنگینتر بود. بنابراین، پدیده‌ای مرموز رخ نمود مبنی بر «چگالی بالاتر غیرعادی نیتروژن آتمسفری». نیتروژن به دست آمده از هر روش شیمیایی دیگر همواره به همان اندازه‌ی مشخص سبکتر بود.
دلیل این ناسازگاری چه بود؟ توجه رمزی به این مسئله جلب شد. در 19 آوریل 1894، او با ریلی ملاقات کرد و درباره‌ی این تناقض با وی به بحث پرداخت. به هر حال، هر دوی آنان در عقیده‌ی محکم قبلی خود پا بر جا ماندند. رمزی معتقد بود که نیتروژن آتمسفری حاوی ممزوجی از یک گاز سنگینتر است و ریلی، به عکس، معتقد به وجود ممزوجی سبکتر در نیتروژن شیمیایی بود و آن را عامل این ناسازگاری می‌دانست.
دیدگاه ریلی بیشتر جلب نظر می‌کرد. ترکیب آتمسفر طی بیش از صد سال مورد مطالعه‌ی عمیق و دقیق قرار گرفته بود و بسختی امکان داشت که ترکیبات دیگری از هوا ناشناخته مانده باشد. درست زمانی بود که باید آزمایش کوندیش تداعی و «خاطره‌ی پنهان» رمزی عملی می‌شد. رمزی، در 29 آوریل، نامه‌ای برای همسرش فرستاد و در آن نوشت که احتمالاً نیتروژن حاوی گاز بی‌اثری است که از نظرها دور مانده است. ویلیامز مشغول ترکیب دادن نیتروژن یا منیزیوم است و سعی دارد باقیمانده‌ی این واکنش را شناسایی کند. «ما می‌توانیم عنصر جدیدی کشف کنیم.»

نامه در بردارنده‌ی نوعی اطمینان و جسارت بود: یک گاز ناشناخته عنصر جدیدی است که، مانند نیتروژن، غیرفعال است، یعنی بسختی می‌تواند در واکنشهای شیمیایی شرکت کند. رمزی برای جدا ساختن این «بیگانه» از نیتروژن، کوشید نیتروژن را در واکنش شیمیایی شرکت دهد و برای این کار از واکنش آن با براده‌های سرخ شده‌ی منیزیوم استفاده کرد (3MG+N2=Mg3N2)؛ این تنها موردی است که شیمی نقشی در کشف گازهای کمیاب ایفا کرده است.

به هر حال، رمزی در جدال درونی با خود امکان دیگری را فرض کرد: گاز ناشناخته یک عنصر جدید نیست بلکه یکی از انواع آلوتروپی نیتروژن است که مولکولش حاوی سه اتم (N3) مانند اکسیژن (O2 – اکسیژن مولکولی و O3 – اوزون) است. جذب نیتروژن توسط منیزیوم باید همراه با تجزیه‌ی مولکول N2 به اتمهایش باشد؛ آنگاه اتم N تنها می‌تواند به مولکول N2 اضافه شود و N3 را به وجود آورد. این طرز تلقی رمزی بو و بعدها فرضیه‌ی وجود N3 ورق برنده‌ای در دست مخالفان آرگون شد. کوششهای بی‌ثمر برای به دست آوردن نیتروژن اوزون مانند، دو ماه به طول انجامید اما در سوم اوت، رمزی 100 سانتی‌متر مکعب از گازی را در اختیار داشت که نیتروژنی با چگالی 19/086 بود.
رمزی درباره‌ی موفقیت خود به کروکس و ریلی نامه نوشت. وی نمونه‌ای از گاز را برای کروکس فرستاد تا روی طیف آن مطالعه کند. ریلی خود مقدار کمی از گاز جدید را تهیه کرد. در اواسط اوت، رمزی و ریلی در یک گردهمایی علمی یکدیگر را ملاقات کردند و گزارش مشترکی ارائه داشتند. آنان به تشریح طیف گاز پرداختند و بر غیر فعال بودن شیمیایی آن تأکید کردند. بسیاری از دانشمندان با علاقه به این گزارش گوش فرادادند ولی متعجب بودند از اینکه: چگونه ممکن است هوای معمولی حاوی ترکیب جدیدی باشد؟ حتی فیزیکدان مشهور، لاج (4)، پرسید: آقایان، آیا شما نام گاز جدید را نیز کشف کرده‌اید؟
مشکل نامگذاری عنصر جدید در اوایل نوامبر رفع شد. رمزی به ریلی پیشنهاد کرد آن را آرگون بنامد (مشتق از کلمه‌ی غیرفعال یونانی). این پیشنهاد براساس غیرفعال بودن شیمیایی این عنصر ارائه گردید و نشانه‌ی A برای آن انتخاب شد (بعدها این نشانه به Ar تبدیل شد). در 30 نوامبر، رئیس مجمع سلطنتی لرد کلوین (تامس که در 1871 اولین کسی بود که نام «هلیوم» را به کار برد) آشکارا به تشریح کشف جزء جدید آتمسفر پرداخت. این کار برجسته‌ترین اتفاق علمی سال محسوب گردید.
به هر حال، ماهیت جزء مزبور نامشخص بود. آیا این جزء واقعاً یک عنصر شیمیایی بود؟ دانشمندان شناخته شده و معتبری چون مندلیف و دیوئر (5)، مخترع ظرف نگهداری و ذخیره‌ی هوای مایع، عقیده داشتند که آرگون همان N3 است. بی‌اثری مطلق آرگون خاصیت جدیدی بود که پیش از آن برای شیمیدانان ناشناخته بود و، بنابراین، مطالعه‌ی گاز (و بخصوص تعیین جرم اتمی آن) مشکل بود. به علاوه، مشخص شده بود که آرگون، به عکس گازهای شناخته شده‌ی قبلی، یک اتمی است، یعنی مولکول آن یک اتم دارد.
در مجمع شیمیدانان روسی، در 14 مارس 1895، مندلیف چنین اظهار داشت: جرم اتمی 40 آرگون در جدول تناوبی نمی‌گنجد، به همین دلیل، آرگون همان N3 است.
سالها گذشت تا ابهامات ناشی از کشف آرگون تحلیل و توجیه شد. در این زمینه کشف هلیوم نقش خاصی ایفا کرد. چرا که مسلم شد هلیوم نیز گاز بی‌اثر تک اتمی است. زوج آرگون – هلیوم امکان داد این فرضیه برای خود جا باز کند که وجود چنین گازهایی بیش از آنکه یک تصادف باشد از نظم و قانون پیروی می‌کند و هر کس می‌تواند کشف نمایندگان جدیدی از این خانواده را در مخیله‌ی خود پیش‌بینی کند. به هر حال، آنها پس از گذشت سه سال کشف شدند. در این ضمن، دانشمندان به مطالعه‌ی عمیق خواص هلیوم و آرگون پرداختند و جرم اتمی دقیق آن را محاسبه کردند. علاوه بر آن، نظریاتی در مورد جایگزین کردن این دو عنصر در جدول تناوبی از جانب دانشمندان ارائه شد.

پی‌نوشت‌:

1. Wilson.
2. Williams.
3. Rayleigh.
4. Lodge.
5. Dewar.

منبع مقاله :
تریفونوف، دیمیتری نیکولایویچ؛ تریفونوف، ولادیمیر؛ (1390)، تاریخچه‌ی کشف عناصر شیمیایی، برگردان: عبدالله زرافشان، تهران: شرکت انتشارات علمی و فرهنگی، چاپ چهارم