سازندگان جدول تناوبی عناصر

چکیده: جدول تناوبی عناصر که توسط مندلیف تدوین شد، با کشفیات عمده به شکل امروزی درآمده است. در این مقاله مروری داریم بر این کشفیات، به ویژه سهمی که موزلی و سی‌برگ در این میان داشته‌اند.

کشف طبقه‌بندی تناوبی

در یک نگاه سطحی، جدول تناوبی جدید، به همان جدول پیشنهادی مندلیف می‌ماند، فقط بیشتر جاهای خالی‌اش با عناصر تازه‌ای پر شده که در قرن نوزدهم ناشناخته بوده‌اند. چنین دیدی خالی از دقت است: در اواخر قرن نوزدهم، مندلیف و دیگران بار‌ها در ترتیب قرار گرفتن عناصر تجدید نظر کردند. در قرن بیستم مبنای طبقه‌بندی عناصر به کلی تغییر کرده، و یک گروه کلاً تغییر مکان یافته است.
اگرچه افتخار کشف طبقه‌بندی تناوبی عناصر، نصیب شیمی دان روسی دیمتری ایوانوویچ مندلیف شد، مثل همه‌ی ایده‌های درست علمی، همان موقع دانشمندان دیگری هم کم و بیش چنین آرایشی را برای عناصر پیشنهاد کرده بودند. یکی از اولین نتایج تلاش‌های مندلیف در طبقه‌ بندی تناوبی عناصر که در سال 1248/1869 منتشر شد، در شکل نشان داده شده است.
در این جدول تکرار تناوبی خواص شیمیایی عناصر که بر حسب وزن اتمی مرتب شده‌اند، به وضوح جدول‌های بعدی نیست. بی‌شک، بعضی اشتباهات مندلیف در طرح تناوب مناسب، از خطاهایی ناشی می‌شد که در اندازه‌گیری وزن اتمی عناصر (با روش‌های آن زمان) در کار بود. این خطاها در مورد ایندیوم و اورانیوم قابل ملاحظه است. طبقه‌بندی بعدی را که در سال 1871 عرضه شد، نشان می‌دهد. این طبقه‌بندی را می‌توان آغازی برای شکل جدید جدول تناوبی دانست. نابجایی‌های ایندیوم و اورانیوم تصحیح شده و نیکل و کبالت از هم جدا شده‌اند. مقدّر بود که این مشکل برای زوج دیگری عناصر بروز کند؛ این بار مندلیف در مورد جای تلور و ید، با مشکل رو به رو شد. چون ترتیبی که با وزن اتمی پذیرفته شده برای آن دو به دست می‌آمد، برعکس ترتیبی بود که با در نظر گرفتن خواص شیمایی‌شان باید می‌داشتند. برای حل این مشکل، مندلیف فرض کرد وزن اتمی تلور به درستی معین نشده است، و با کاهش آن به مقداری مناسب، کار را دنبال کرد. با این جدول، مندلیف نشان داد که طبقه‌بندی او پیشگویی خواص عناصر ناشناخته را هم ممکن می‌سازد، در مورد عناصری چون اکا – آلومینیوم (گالیوم)، اکا - بورون (اسکاندیوم) و اکا - سیلیسیوم (ژرمانیوم)، دقت این پیشگویی‌ها قابل توجه بود. مندلیف نظام را Periodisches Gesetz (قانون تناوبی ) نام گذاشت.
سپس طبقه‌بندی پیشگویانه‌ای پدید آمد که آلفرد ورنر در سال 1905 ارائه کرد. این جدول برای خاک‌های نادر جای خالی دارد و توریوم و اورانیوم فلزات «شبه خاکهای نادر» به حساب آورده شده‌اند، برعکس نظر مندلیف که اورانیوم را مشابه تنگستن شمرده بود. ترتیب قرار گرفتن برخی عناصر، که در خانه‌های پررنگ واقع‌اند، از روی خواص شیمیایی‌شان تعیین شده بود، حتی اگر وزن اتمی عکس این ترتیب را ایجاب می‌کرد.

2. مبنای طبقه‌بندی تغییر می‌کند

در سال 1292/1913، هنری جین جفریز موزلی فیزک پیشۀ جوانی بود که پس از فارغ التحصیل شدن از آکسفورد، در آزمایشگاه ازنست رادرفورد در منچستر کار می‌کرد. به دنبال سه سال کار زیر نظر رادرفورد موزلی به همراهی چالز جی، داروین، تعبیری از بازتاب پرتو ایکس از بلور‌ها ارائه کرد که به تعبیر براگ شباهت داشت. موزلی که آزمایشگر زبردستی هم شده بود اسباب‌هایی برای اندازه‌گیریهای‌ پرتو بنا و طیف‌نمایی پرتو ایکسی، طراحی کرد. پس از این مدت موزلی تصمیم گرفت مستقلاً کار خود را روی پرتو‌ها ایکس گسترده‌تر کند و به هزینه‌ی خود در آکسفورد به تحقیق پرداخت. زمان حساس تحول فیزیک هسته‌ای فرا رسیده بود. رادرفورد تازه مدل «هسته چگال» را به عنوان نتیجۀ آزمایش پراکنش ذرۀ آلفا که توسط هانس گایگر وارنست مارسدن انجام گرفته بود، ارائه کرده بود و نیلز بور، بر مبنای مدل کوانتومی خود از مدار‌های اتمی، فرمول بالمر را برای طیف گسیلی (نشری)، هیدروژن، بدست آورده و نیز ثابت ریدبرگ را محاسبه کرده بود. به علاوه، فیزیک پیشه هلندی، ا. وان دن بروک، دریافته بود آزمایش پراکنش ذرۀ آلفا را می‌توان چنین تعبیر کرد که بار هسته با عدد مشخص کنندۀ عنصر در جدول مندلیف تطبیق می‌کند. موزلی دریافت که فرضیه وان دن بروک پیامدهای دیگر هم دارد، چرا که بار هسته، با بار الکترون‌های مداری که مبین خواص شیمیایی‌اند، یکسان بود اگر نظر بروک صحیح می‌بود،« این اتمی» - به اصطلاح موزلی - بود که جای عناصر را در جدول مندلیف تعیین می‌کرد، نه وزن اتمی. موزلی بر آن شد که فرضیه‌ی وان دن بروک را با بررسی طیف گسیلی پرتو ایکسی عناصر، محک بزند. با بهره‌گیری از شمّ تجربیی که موزلی در سایه‌ی رادرفورد به دست آورده بود، توانست وسایل لازم را بسازد و در مدتی کمتر از یک سال اطلاعات مربوط به 10 عنصر را به دست آورد. نتایج بروشنی نشان می‌داد بر چگونگی طیف گسیلی K ی پرتو ایکسی، عدد اتمی بیشتر حاکم است تا وزن اتمی. موزلی عبارت جبری ساده‌ای برای رابطه‌ی عدداتمی با دو خط k – آلفا و K - بتای عناصر پیشنهاد کرد. آنچه بعد‌ها «قانون موزلی» خوانده شد امکان تحقیق در ماهیت عناصر جدید را فراهم آورد و به عنوان یک ابزار تحلیلی، در تجزیه‌ی ناخالصی مورد استفاده قرار گرفت.
در اوایل سال 1914 موزلی طیف نمایی پرتو ایکسی را برای سازمان دادن به پیچیدگی‌هایی که در شناخت خاک‌های نادر وجود داشت، به کار گرفت. او به سرعت توانست نظامی در خواص شیمیایی خاکهای نادر پیدا کند، زیرا قادر بود چیز‌هایی را که شیمی پیشگان برای یافتنش به ماه‌ها وقت نیاز داشتند، ظرف چند دقیقه فرا بگیرد. آخرین مقاله‌ی موزلی در مورد طیفهای پروتوایکسی، اطلاعات مربوط به بیش از 38 عنصر را ارائه کرد، و قانون وی را علاوه بر دو خط« K » به چهار خط«L» در طیف گسیلی، تعمیم داد.
متأسفانه، موزلی آنقدر زنده نماند که تعبیر نظری «قانون» خود را ببیند و شاهد تأییدی باشد که در خورد کشف او بود. در دهم اوت 1915، ستوان دوم هنری جی. موزلی در نبرد «ساری بر» طی لشکر کشی نافرجام گالی بولی کشته شد.

موقعیت عناصر بعد از اکتینیوم

‌به دنبال کار موزلی جفت‌های جابه‌جا شده در عناصر جدول که ورنر خاطر نشان کرده بود، به عنوان بخشی از یک تسلسل منطقی که مبنی بر عدد اتمی عناصر بود، پذیرفته شد. در جدول‌های تناوبی که بین سال‌های 1915 تا 1945 عرضه شدند، عموماً از ورنر پیروی شده بود، جز اینکه خاکهای نادر معمولاً در ضمیمه آورده می‌شدند، و عناصری که به دنبال توریم می‌آمدند طوری مرتب می‌شدند که اورانیوم درجای همیشگی خود، زیر تنگستن، قرار بگیرد. جدولی تناوبی مورد توافق قرار گرفت که در کتب درسی معروف (شلزینگر 1938) منتشر شد. در دهه‌ی سی، گروه‌های متعددی از جمله انریکوفرمی و همکارانش در ایتالیا، اتوهان و فریتزاشتراسمن در آلمان، با استفاده از چشمه‌های نوترون در پی تولید عناصر فرااورانیوم برآمدند. لکن پیشرفت این پژوهش‌ها تحت الشعاع پدیده‌ی مهمتری قرار گرفت که تعبیرش در آن زمان درک نشده بود: پدیدۀ شکافت هسته‌ای. جالب است که اولین هسته فرااورانیوم ضمن آزمایشی پیدا شد که هدف یافتن چیزی دیگری بود. در خلال جنگ جهانی دوم به کمک سیکلوترون 60 اینچی برکلی ورآکتور‌های هسته‌ای اوک ریج و هانفورد، چهار عنصر ترااورانیومی دیگر کشف شد (نپتونیوم، پلوتونیوم، آمریکیوم، و کوریوم). شکل گلن سی برگ را نشان می‌دهد؛ استاد شیمی و عضو «آزمایشگاه تابش» ارنست لورنس که در کشف سه عنصر اخیر و بسیاری از عناصر فرااورانیومی که از آن زمان به بعد کشف شدند، نفش اساسی داشت. بالای سر سی‌برگ تصویری از یک جدول تناوبی متروک (حدود سال 1945) دیده می‌شود که هنوز هم در دانشگاه کالیفرنیا، برکلی، بر دیوار آویخته است. کسی برای اینکه امتحانی کرده باشد، چهار عنصر جدید را دنبال اورانیوم اضافه کرده است، شاید به این دلیل که ابتدا، به خاطر شباهت خواص شیمیایی عناصر جدید، گمان می‌رفت سری جدیدی از فلزات «شبه خاک‌های نادر» با اورانیوم شروع می‌شود؛ اما سی‌برگ بر اساس تحلیل‌های بیشتر در سال 1324/1945 نظر خود را مبنی بر اینکه سری جدید در واقع از اکتینیوم شروع می‌شود، منتشر کرد (سی‌برگ 1945)، سی برگ دلایل وجود سری اکتینید‌ها را عمدتاً بر اساس خواص شیمیایی نپتویوم و پلوتونیوم ذکر کرد. اگر چه نخستین اعضای عناصر بعد از اکتینیوم، شباهت‌هایی به هافنیوم و تانتالیوم و همرده‌های تانتالیوم، زیرکونیم و نیوبیوم، داشتند، اعضای بعدی سری، عملاً هیچ شباهتی به رنیوم و اوسمیوم، با همرده‌هایشان تنکنیسیوم و روتنیوم نشان نمی‌دادند. سی‌برگ حدس زد ویژگی سری اکتینید باید پر شدن تدریجی پوسته 5f باشد مثل پر شدن پوسته‌ی 4f لانتانید‌ها. نظر سی‌برگ، با کشف عناصر ترااورانیومی دیگر و بررسی بیشتر خواص شیمیایی آن‌ها تاکنون معتبر مانده است. حتی پیش از انتشار این پیشنهاد، جنبه‌های پیشگویانۀ طرح مربوط به آکتینید‌ها، در کشف عناصر 95 و 96 جدول مؤثر بوده‌اند. همانطور که در یافتن عناصر فرااورانیومی دیگر خواهند بود. اخیراً پیش‌بینی شده است (سی برگ 1963) که در نوبلیوم و لورنسیوم (آخرین عناصر سری‌های آکتینید) پوسته‌ی 5f پر می‌شود، و در عناصر بعدی، الکترون‌ها بتدریج پوستۀ 6d را پر می‌کنند.
در شکل، یک جدول تناوبی امروزی را می‌بینیم، هر چند اگر واقعاً «روز آمد» باشد، باید عناصر 107 و 109 را هم در بر بگیرد. مندلیف، بی شک شگفت زده می‌شد ببیند عنصر هنوز بی‌نام 106، بیشتر شبیه تنگستن است تا اورانیوم، اما یقیناً تأیید می‌کرد که موزلی و سی‌برگ در معماری جدید تناوبی نقش بسزایی داشته‌اند.