عناصر رادیوآکتیو و خانواده‌های آنها

قبل از کشف پولونیوم و رادیوم هفت خانه‌ی در جدول تناوبی، بین بیسموت و اورانیوم، وجود داشت. تا زمانی که تعداد عناصر رادیوآکتیو کشف شده اندک بود هیچ‌گونه مشکلی در ارتباط با جایگزین کردن آنها در جدول تناوبی وجود نداشت. ولی اماناسیونها مشکل دست و پاگیری بودند. آنها خواص مشابهی داشتند و، بنابراین، امکان جاگذاری آنها در خانه‌های متفاوت جدول تناوبی وجود نداشت. به طور مثال، غیرطبیعی بود اگر دو خانه‌ی خالی مربوط به همخانواده‌های یود و سزیوم توسط اماناسیونها پر می‌شد.
اما، حتی اگر خانواده‌ی مرموز رادون را جدا کنیم، باز هم وضعیت نامشخص باقی می‌ماند. کروکس در سال 1900، پدیده‌ی عجیبی را مشاهده کرد. وی، از تبلور جزءبه‌جزء ترکیب اورانیوم، یک محلول صاف شده و یک رسوب به دست آورد. اورانیوم در محلول باقی ماند اما فعالیتی از خود نشان نداد. به عکس، رسوب، که حاوی اورانیوم نبود، خاصیت رادیوآکتیویته‌ی شدیدی از خود بروز داد. کروکس، براساس مشاهداتش، به این نتیجه‌ی نامعقول رسید که اورانیوم خودش اصلاً رادیوآکتیو نیست بلکه رادیوآکتیویته‌ی این عنصر ناشی از ممزوجات همراه آن است. کروکس اقدام به جدا کردن آنها از اورانیوم کرد. او از اطلاق نام معینی به این ممزوج خودداری کرد و آن را اورانیوم (UX) x نامید. بعدها مسلم شد که اورانیوم، پس از جدا شدن UX از آن، فعالیت اولیه خود را به دست می‌آورد. ظاهراً UX ماده‌ی بسیار فعالتری نسبت به اورانیوم بود. بر این اساس، اورانیوم (UX) x می‌توانست به عنوان یک عنصر رادیوآکتیو جدید شناخته شود.
دو سال بعد، راذرفرد و سادی پدیده‌ای مشابه، یعنی از بین رفتن موقت فعالیت رادیوآکتیویته، را در مورد توریوم کشف کردند. ممزوج مربوط به توریوم، به تبع وضعیت اورانیوم، توریوم (ThX) x نامیده شد. راذرفرد و سادی تلاش کردند جوابی برای دو سؤال اساسی زیر بیابند: چه اتفاقی برای عنصر رادیوآکتیو در فرایند تشعشع پیش می‌آید؟ آیا خواص شیمیایی عنصر ثابت می‌ماند یا تغییر می‌کند؟ این دو دانشمند به یک نتیجه‌ی تجربی با ارزش دست یافتند. آنان متوجه شدند که اماناسیون توریوم حاصل از ThX است نه خود توریوم. به عبارت دیگر، آنان اولین مرحله‌ی تبدیلات رادیوآکتیو را شناسایی کردند:

این اتفاق بود که نقش مهمی در تکامل نظریه‌ی تباهی رادیوآکتیو ایفا کرد.
طبق نظریه‌ی راذرفرد و سادی، مکانیسم تباهی رادیوآکتیو عبارت است از تبدیل عناصر شیمیایی و تحول طبیعی آنها. این نظریه، ‌بویژه در مورد رادیوم که پس از انتشار ذرات آلفا به رادون تبدیل می‌شد، قابل درک بود. چندی بعد، معلوم شد که، بی‌تردید، ذره‌ی آلفا عبارت از اتم هلیوم دوبار یونیزه است. تباهی رادیوم منجر به ایجاد دو عنصر رادون و هلیوم می‌شد:

این نظریه بزودی در آزمایشات رمزی و سادی مورد تأیید قرار گرفت.
راذرفرد و سادی پا فراتر گذاشتند و گفتند که تمام عناصر رادیو‌آکتیو شناخته شده به طور مطلق مستقل نیستند بلکه از نظر منشأ و مبدأ به یکدیگر مربوطند (به طور پیوسته و متوالی به یکدیگر تبدیل می‌شوند). می‌توان گفت که این عناصر سه خانواده‌ی رادیوآکتیو را تشکیل می‌دهند – خانواده‌های اورانیوم، توریوم، و رادیوم که براساس نام عنصر اصلی هر خانواده نامگذاری شده‌اند. اما همچنان پرسشهای زیادی بدون جواب مانده بود. چند عنصر رادیوآکتیو تشکیل یک خانواده می‌دهند؟ کدام عناصر پایان‌بخش خانواده‌های عناصر رادیوآکتیو هستند؟ و سرانجام، عنصر رادیوآکتیو دارای کدام نوع جوهر مادی است و ماهیت واقعی آن کدام است؟
آخرین سؤال تنها یک پرسش مجرد و ذهنی نبود، چه از آغاز قرن بیستم تعداد مواد رادیوآکتیو رو به افزایش گذاشت و مسئله‌ی مرتب کردن آنها در جدول تناوبی بسیار بغرنج شد.
مواد رادیوآکتیو جدید با نامهای گوناگون نظیر اجسام رادیوآکتیو، آکتیویته‌ها، و عناصر رادیوآکتیو شناخته می‌شدند. دانشمندان می‌دانستند که با پدیده‌های مادی ناشناخته و جدیدی سروکار دارند. بیشتر آنها موجودیت خود را تنها توسط خواص رادیوآکتیو، یعنی شدت تشعشع، نوع تباهی، و زمان نیمه عمر آشکار می‌ساختند. اما شاید تقریباً هیچ چیز درباره‌ی ماهیت شیمیایی آنها نمی‌شد گفت. شیمی کلاسیک قدیمی همواره با توزین کمی مواد سروکار داشت به طوری که یک عنصر جدید (یا ترکیبش) باید به شکل مادی استخراج می‌شد، واکنشهای شیمیایی آن مورد بررسی قرار می‌گرفت، و طیف آن ثبت می‌شد. برای بیشتر عناصر نوظهور و رادیوآکتیو این‌گونه پژوهشها غیرممکن بود. بنابراین، این پرسش که آیا این عناصر به معنی واقعی کلمه مرتبط با علم شیمی هستند، غیر منطقی به نظر نمی‌رسید.
اولین پژوهشگران رادیوآکتیویته با این استدلال موافق نبودند. کوری‌ها و دبیرن معتقد بودند که تمام مواد رادیوآکتیو جدید ماهیت عنصری دارند و، بنابراین، عناصر شیمیایی جدید محسوب می‌شوند. ظاهراً کشف پولونیوم، رادیوم، و آکتینیوم نظریه‌ی فوق را تأیید کرد و این دانشمندان سرسختانه از اعتقاد خود، حتی زمانی که انتشار گزارشهای متعدد در مورد کشف مواد رادیوآکتیو جدید شروع گردید، دفاع می‌کردند. اما این سرسختی تنها باعث شدت یافتن مجادلات و مباحثات می‌شد.
راذرفرد و سادی نقطه نظر دیگری عنوان کردند. به اعتقاد آنان، مواد رادیوآکتیو می‌توانستند ماهیتهای مختلفی داشته باشند. این دو دانشمند با استناد به مفهوم خانواده‌های رادیوآکتیو، که خود عرضه کرده بودند، استدلال می‌کردند که عناصر رادیوآکتیو نسبتاً پایداری مانند اورانیوم، توریوم، و رادیوم هستند که خانواده‌ها یا سری مواد رادیوآکتیو را تشکیل می‌دهند. به نظر آن دو، ماهیت شیمیایی این سه عنصر بخوبی مشخص و شناخته شده بود و، بنابراین، می‌شد آنها را عناصری معمولی دانست که تنها وجه تمایزشان خاصیت رادیوآکتیویته بود. عناصری که نزدیک به خانواده‌های رادیوآکتیو هستند عناصر پایدار معمولی محسوب می‌شوند (در آن زمان گمان می‌رفت که سرب باید نزدیک به خانواده‌های رادیوآکتیو باشد). طبق نظریه راذرفرد و سادی، بین این دو نوع عنصر مواد واسطه‌ای وجود دارند که ویژگی اصلی‌شان ناپایداری است و با مفاهیم شیمیایی قابل توجیه نیستند. این مواد واسطه، به استناد تعبیرات شیمیایی، عنصر نیستند. آنها چیزی مانند ذرات اتمی هستند. پیشنهاد شد که آنها «متابولون» (از ریشه‌ی یونانی به معنی اجسام در حال تبدیل) نامیده شوند. این تمهید مشکل جایگزین کردن این مواد را در جدول تناوبی منتفی می‌کرد.
اما نام «متابولون مورد پذیرش عموم قرار نگرفت. سادی خود بزودی بر آن شد که متابولونها را به عنوان مواد شیمیایی منفرد، درست مانند عناصر رادیوآکتیو معمولی، در نظر بگیرد. در سال 1902، فیزیکدان بریتانیایی، مارتین (1)، اصطلاح رادیو المنت را، که در زیر تعریف خواهد شد، عرضه کرد. در اینجا تأکید می‌کنیم که اصطلاحات رادیو المنت و عنصر رادیوآکتیو به هیچ‌وجه همسان نیستند اگرچه گاهی اوقات در نوشته‌های علمی، به اشتباه، آنها را مترادف تلقی می‌کنند.
اساساً کل تاریخچه‌ی پرتوشیمی در دو دهه‌ی اول قرن بیستم عبارت بود از جستجو برای یافتن عناصر رادیوآکتیو جدید و وجوه تشابه آنها در ارتباط با عناصر رادیوآکتیوی که در گذشته کشف شده بودند. ترکیب خانواده‌های رادیوآکتیو به طور روزافزون مشخص می‌شد و این خانواده‌ها، بتدریج، شکل دسته‌بندیهای رادیو المنت را به خود می‌گرفتند. درست همان‌گونه که جدول تناوبی عناصر پایدار را طبقه‌بندی کرده بود. بعدها ثابت شد که خانواده رادیوم فوق‌الذکر بخشی از خانواده اورانیوم است اما، در مقابل، خانواده‌ی جدید آکتینیوم پدیدار شد که سردسته‌ی آن مدتها ناشناخته باقی ماند (این شناسایی در سال 1935 تحقق یافت). پیشتر، عناصر رادیوالمنت، موادی با عمر کوتاه بودند که زمان نیمه عمرشان برحسب ثانیه یا، حداکثر، دقیقه اندازه‌گیری می‌شد. تعیین خواص شیمیایی و مکان عناصر رادیو المنت در خانواده‌ی مربوطه‌اش فوق‌العاده مشکل بود؛ حتی کار سخت و یکنواخت حدا کردن عناصر خاکهای کمیاب با این تحقیقات طاقت‌فرسا قابل مقایسه نبود. برای تشریح مشکلاتی که در راه این پژوهشها وجود داشت باید کتاب مفصلی به رشته تحریر درآید. بنابراین، در اینجا فقط اطلاعاتی در رابطه با ترتیب تاریخی کشف عناصر رادیو المنت ارائه می‌شود (به جدولهای 3-1 مراجعه شود).
سیر تحولات مربوط به سه خانواده‌ی رادیوآکتیو در نمودار 1 عرضه شده است.
هر خانواده‌ی رادیوآکتیو حاوی دو گروه عناصر متمایز است. رادیو المنتهای پیش از اماناسیونها عمر نسبتاً طولانی دارند؛ به عکس، زمان نیمه عمر عناصری که پیش از اماناسیون قرار دارند بسیار کوتاه است. از شیوه‌ی علامت‌گذاری خاصی برای شناسایی آنها استفاده شده است. در این مورد حروف A،B، و C، که در کنار نشانه‌های عناصر مربوطه (Ra،Th، و Ac) قرار دارد، مورد استفاده قرار گرفته است. گروههای این عناصر کوتاه مدت به عنوان رسوبات فعال شناخته شده‌اند؛ این عناصر از جمله موادی هستند که تجزیه‌ی آنها نسبت به عناصر دیگر مشکلتر بود و همواره موجب بروز سردرگمی و خطاهای بسیار می‌شد. اما، به هر حال، مطالعه‌ی این عناصر نقش مهمی در تکامل علم جدید پرتوشیمی ایفا کرد.
همان طور که ترتیب خانواده‌های رادیوآکتیو به شکلی که امروزه در دست است نزدیک می‌شد، لزوم جاگذاری منطقی عناصر رادیو المنت در جدول تناوبی، به شکلی فزاینده، آشکار می‌شد. به هر ترتیب، هر یک از عناصر رادیو المنت از خود مشابهتی با یکی دیگر از عناصری که به طور قطعی خانه‌ی معینی از جدول را

خانواده‌های رادیو آکتیو اورانیوم 238، توریوم 232
اشغال کرده بود بروز می‌داد. اما تعداد عناصر رادیو المنت بسیار زیاد بود. رمزی وضع موجود را به زبان فرانسه چنین بیان داشت «فراوانی گیج کننده». تا آغاز دهه‌ی دوم قرن حاضر، در حدود 40 رادیو المنت کشف شده بود. بعضی گروههای عناصر از نظر خواص شیمیایی به حدی شبیه هم بودند که جدا کردن آنها، به وسیله‌ی روشهای شناخته شده در آن زمان، امکان‌پذیر نبود (برای مثال، هر سه اماناسیون، و سپس توریوم، یونیوم و رادیو توریوم، و سرانجام، رادیوم و توریوم).

جدول 1
خانواده‌ی اورانیوم 238

کاشف	تاریخ کشف	رادیو المنت
بکرل	1896 (2)	اورانیوم I
کروکس	1900	اورانیوم X1
فایانس، گورینگ	1913	اورانیوم X2
گایگر، ناتال	1911	اورانیوم II
بولتوود	1907	یونیوم
کوری‌ها، بمون	1898	رادیوم
دورن	1900	اماناسیون رادیوم
راذرفرد، بارنز	1903	رادیوم A
پیر کوری، دان	1904
پیر کوری، دان	1903	رادیوم B
پیر کوری، دان	1903	رادیوم C
هان، ماتینر	1909	رادیوم cˊ
فایانس	1912	رادیوم c˝
هوفمان، اشتراوس	1900	رادیوم D (سرب رادیوآکتیو)
هوفمان، گوندر، ولف	1904	رادیوم E
راذرفرد	1905
کوری ها	1898	رادیوم F (پولونیوم)

اما جرمهای اتمی رادیو المنتها در هر یک از گروههای یاد شده به طور قابل ملاحظه‌ای با هم فرق داشتند، البته در بعضی موارد این تفاوت در حد چند واحد بود. شرایط واقعاً گیج کننده بود. بعضی از دانشمندان پیشنهاد کردند که بیشتر رادیو المنتها خارج از جدول تناوبی قرار داده شود، اما آنان که پیگرتر بودند به این راه حل رضایت ندادند. در سال 1909، دانشمندان سوئدی، استروملهم (3) و اسودبری (14)، پیشنهاد کردند که چندین عنصر رادیو المنت در یک خانه‌ی جدول قرار گیرد (بزودی آشکار شد که حق با این دو دانشمند است). پرتو شیمیدان بریتانیایی، کامرون، در سال 1910 از پیشنهاد سوئدیها حمایت کرد.
اگر چه پیشتر، در سال 1903، رادیوآکتیویته به عنوان پدیده‌ی عامل تبدیل عناصر به اثبات رسیده بود، مدتها دانشمندان نتوانستند به این سؤال پاسخ دهند که با انتشار ذرات آلفا و بتا از عناصر رادیوآکتیو چه اتفاقی می‌افتد. با پاسخ به این پرسش امکان درک اینکه یک رادیو المنت براساس تباهی رادیوآکتیو به کجای جدول انتقال می‌یابد فراهم می‌شد. هنوز ساختمان اتم ناشناخته بود و تنها از طریق مقایسه‌ی خواص شیمیایی یک رادیو المنت با خواص شیمیایی محصول آن بود که ماهیت رادیو المنت مزبور شناسایی می‌شد. انجام این کار در اکثر موارد مشکل بود، چه پرتو شیمیدانان می‌بایست با مقدار بسیار ناچیزی از مواد کار می‌کردند. در بیشتر مواقع، «چهره‌ی» شیمیایی یک رادیو المنت بایستی از روی شکلهای ثانوی آن ترسیم می‌شد.
با پژوهشهای مستمر دانشمندان و جمع آمدن اطلاعات تجربی، امکان فرموله کردن قانون جابه‌جایی رادیوآکتیو فراهم گردید. گرچه دانشمندان زیادی در این زمینه فعالیت کردند، نقش اصلی را سادی و شیمیدان لهستانی، فایانس، داشتند و، به همین دلیل، این قانون به نام قانون سادی – فایانس شناخته می‌شود. براساس این قانون، تباهی آلفا باعث انتقال یک رادیو المنت، به اندازه‌ی دو خانه، به طرف چپ نسبت به موقعیت اولیه‌اش در جدول تناوبی می‌شود. تباهی بتا به محصول منجر می‌شود که به اندازه‌ی یک خانه در طرف راست موقعیت اولیه قرار دارد. وقتی مشخص شد که بار یک هسته‌ی اتمی برابر با شماره‌ی عنصر مربوطه در جدول تناوبی است،

جدول 2
خانواده‌ی اورانیوم 235

کاشف	تاریخ کشف	رادیو المنت
دمپستر	1935	اورانیوم 235 (AcU )
انتونوف	1911	اورانیوم U
هان، ماتینر	1918	پروتاکتینیوم
سادی، کرانستن	1918
دبیرن	1899	آکتینیوم
گیزل	1902
هان	1906	رادیو آکتینیوم
پرل	1939	آکتینیوم K
دبیرن	1900	آکتینیوم X_
گیزل	1904
گودلوسکی	1905
گیزل	1902	اماناسیون آکتینیوم
گایگر	1911	آکتینیوم A
دبیرن	1904	آکتینیوم B
بروکس	1904	آکتینیوم C
هان، کاتینر	1908	آکتینیوم  cˊ
مارسدن	1913
مارسدن، پرکینز	1914	آکتینیوم  ˝c

قانون تجربی فوق به شکل زیر تشریح شد: یک ذره‌ی آلفا دو واحد بار مثبت را از هسته خارج می‌کند و، در نتیجه، تعداد بار عنصر اولیه به اندازه‌ی دوبار مثبت کاهش می‌یابد در حالی که انتشار یک ذره‌ی بتا بار مثبت هسته را به اندازه‌ی یک واحد افزایش می‌دهد.
قانون جابه‌جایی رابطه‌ی سازگاری بین خانواده‌های رادیوآکتیو و جدول تناوبی عناصر به وجود آورد. پس از تباهیهای پی‌درپی آلفا و بتا، سر دسته‌ی خانواده‌های رادیوآکتیو به سرب پایدار تبدیل می‌شدند که در این روند عناصر رادیوآکتیو طبیعی موجود بین اورانیوم و بیسموت به جود می‌آمدند. اما در این صورت، هر خانه در جدول تناوبی می‌بایست رادیو المنتهای متعددی را در خود جای می‌داد. این عناصر بارهای هسته‌ای یکسانی داشتند اما جرمهای اتمی‌شان متفاوت بود. به عبارتی، گونه‌هایی از یک عنصر معین بودند با خواص شیمیایی یکسان و جرم اتمی و خواص رادیوآکتیویته‌ی متفاوت. سادی، در دسامبر 1913، نام ایزوتوپ را برای این‌ گونه‌های مختلف از عناصر (از کلمه‌ی یونانی به معنی «مکان مشترک») پیشنهاد کرد زیرا عناصر یاد شده خانه‌ی یکسانی را در جدول تناوبی اشغال می‌کنند.

جدول 3
خانواده‌ی توریوم – 232

کاشف	تاریخ کشف	رادیو المنت
اشمیت، ماری کوری	1898 (5)	توریوم
هان	1907	مزوتوریوم I
هان	1908	مزوتوریوم II
هان	1905	رادیو توریوم
راذرفرد، سادی	1902	توریوم X
راذرفرد	1899	اماناسیون توریوم
گایگر، مارسدن	1910	توریوم A
راذرفرد	1899	توریوم B
راذرفرد	1903	توریوم C
هان، ماتینر	1909	توریوم     ˊc
هان	1906	توریوم ˝c

اکنون واضح است که رادیو المنتها دقیقاً ایزوتوپهای عناصر رادیوآکتیو طبیعی هستند. سه اماناسیون یاد شده، ایزوتوپهای عنصر رادیوآکتیو رادون هستند، و عدد 86 در جدول تناوبی مربوط به این عنصر است. خانواده‌های رادیوآکتیو متضمن ایزوتوپهای اورانیوم، پولونیوم، و آکتینیوم است. بعدها معلوم شد که بسیاری از عناصر پایدار ایزوتوپ دارند. بد نیست به مطلب جالبی اشاره شود. زمانی که یک عنصر پایدار کشف می‌شد به معنی کشف همزمان تمام ایزوتوپهایش نیز بود. اما در مورد عناصر رادیوآکتیو طبیعی ابتدا ایزوتوپهای منفرد کشف می‌شدند. کشف رادیو المنتها عبارت بود از کشف ایزوتوپها. این حاکی از اختلاف قابل ملاحظه‌ای بود که بین عناصر پایدار و رادیوآکتیو در ارتباط با جستجوی آنها در طبیعت وجود داشت. عجیب نیست که جدول تناوبی، زمانی که تطبیق و سازگاری برای انبوه رادیو المنتها لازم گردید، از طراحی خوبی برخوردار بود. در آن زمان، جدول تناوبی صرفاً برای دسته‌بندی عناصر تدوین شده بود نه برای ایزوتوپها. کشف قانون جابه‌جایی و پدیده‌ی ایزوتوپی به موقعیت موجود جامعیت بخشید و راه را برای پیشرفتهای آینده باز کرد.

پی‌نوشت‌:

1. Martin.
2. تاریخ کشف رادیوآکتیویته‌ی اورانیوم
3. Strömholm.
4. Svedberg.
5. تاریخ کشف رادیوآکتیویته‌ی توریوم

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