تاریخ شیمی جدید؛

شیمیدان روسی دیمتری ایوانویچ مندلیف (1)، متولد 1834 در سیبری، که استاد شیمی دانشگاه سن پترزبورگ (لنینگراد امروزی) بود می خواست کلیاتی در اصول شیمی بنویسد؛ او دریافته بود که عناصر جدید شیمیایی همه بر سبیل تصادف کشف شده اند. چند تنی از شیمیدانان آن عصر معتقد بودند که عناصر شیمیایی از اتمهایی تشکیل شده اند که می توانند با هم ترکیب شوند. در کنگره ی شیمیدانان که چند سال پیش از آن در کالسروهه (2) تشکیل شد، بر وحدت فرمول نگاری و مفاهیمی که در شیمی به کار برده می شود تاکید شده بود. مندلیف که نمی توانست در طبیعت، نه بی نظمی را بپذیرد و نه بر تصادفی بودن پدیده ها صحه بگذارد، می خواست مثل سایر شیمیدانان معاصر، 64 عنصر شناخته شده تا آن زمان را طبقه بندی کند، چند میل ترکیبی شیمیایی و متشابهاتی به اثبات رسیده بود. مندلیف جدولی ساخت که در آن، عناصر شیمیایی را به تبع افزایش وزن مخصوص اتمیشان در سطرها و در ستونها جا داده بود، تا انتظام شناخته شده شان محرز گردد. عناصر متشابه در یک ستون جا داشتند؛ مثلاً، فلزات قلیایی: لیتیوم، سدیوم، پتاسیوم، روبیدیوم و سزیوم همین طور، هالوژنها (= شورگنها) و شبه فلزات: فلور، کلر، بروم و یُد.
مندلیف پس از چند ماه کارکردن روی جدولش، نسخه هایی از آن را برای همه ی فیزیکدانان و شیمیدانانی که می شناخت فرستاد؛ و نیز در تاریخ 18 مارس 1869 آن را به «انجمن شیمی روس» عرضه کرد. این جدول تناوبی در 1871 به صورت مقاله ای منتشر شد. در آن، خواص فیزیکی و شیمیایی عناصر و ترکیبات آنها به صورت توابع متناوبی از وزنهای اتمی عناصر نشان داده شده است. مندلیف به قدری از معنادار بودن کارش خاطرجمع بود که وزن اتمی شناخته شده ی برخی از عناصر را تصحیح کرد تا آنها را در جایی بگذارد که خواصشان مقرر می کرد. از سوی دیگر، برخی از خانه های جدول خالی می ماند: 6 خانه در صورت اول جدولش و 16 خانه در صورت نهاییش خالی بودند. او توضیح داد که این جاهای خالی باید از آن عناصر شیمیایی باشد که هنوز کشف نشده اند، وخواص فیزیکی و شیمیایی آنها را، مخصوصاً برای عناصر بالایی بور، آلومینیم و سیلسیم، پیشگویی کرد.
روز 20 سپتامبر 1875، شارل ورتز (3) از طرف پل امیل معروف به فرانسوا لوکُک دُ بوا بودران (4)، گزارشی به آکادمی علوم پاریس ارائه داد مبنی بر آنکه «27 اوت 1875 بین ساعات 3 و 4 بامداد، او نشانه هایی از وجود احتمالی عنصر ساده ای را که گالیوم (5) نامیده، کشف کرده است». او چگالی عنصر جدید را 4/7 و وزن اتمیش را 69 تعیین کرد. مندلیف با علاقه مندی این گزارش را از نظر گذراند، اما متذکر شد که چگالی گالیوم باید 5/9 بوده باشد. اندازه گیریهای دقیق تر، پیشگویی او را تأیید کرد.
در 1880 دو نفر اسکاندیناویایی، نیبون (6) و کلیو (7) در یک کانی خاکهای کمیاب، عنصر تازه ای با خواص نزدیک به خواص «بور» یافتند و آن را اسکاندیوم (8) نامیدند. این کشف تازه پیروزی بزرگی برای مندلیف بود.
در 1885 شیمیدان آلمانی وینکلر (9)، عنصر تازه ای به نام ژرمانیوم (10) را با خواصی مشابه خواص سیلیسیوم (11) کشف کرد. خواصی که او پس از تجربه های آزمایشگاهی تعیین کرد دقیقاً با خواصی که مندلیف پانزده سال پیشتر پیش بینی کرده بود، مطابقت می
در 1893 دو نفر انگلیسی به نامهای ویلیام رامسی (12) و جان ریلی (13) در هوا گاز بی اثر آرگون (14) را یافتند که به نظر نمی رسید در جدول مندلیف جایی داشته باشد، اما در 1895 دو دانشمند نامبرده گاز هلیوم (15) را که آن هم گاز بی اثری بود، کشف کردند و در سه سال متوالی بعد از آن، گازهای کمیاب با خواص مشابهی به نامهای نئون (16)، کریپتون (17) و کِسِنون (18) را کشف کردند. لذا کافی بود که ستونی معروف به صفر به جدول طبقه بندی تناوبی عناصر افزوده شود.
(توضیح تصویر): مسوده طبقه بندی مندلیف
(توضیح تصویر): نخستین مسوده ی طبقه بندی تناوبی عناصر مندلیف. توالی عناصر در این مسوده در ستونها مرتب شده اند؛ بعداً آنها در سطرها مرتب خواهند شد.
مندلیف در یکی از چاپهای اصول شیمی خود می نویسد: «با ملاحظه ی راه تجربه به عنوان تنها راه درست، من خودم آنچه را که توانسته ام آزموده ام و وسایل آزمودن یا تأیید قانون را به دیگران نیز داده ام... من انتظار نداشتم در زمان حیات خودم شاهد تأیید قانون تناوبی باشم، اما واقعیت چیز دیگری بود. من فقط سه عنصر را پیشگویی کرده بودم و در مدتی کمتر از بیست سال بعد از آن، با خوشوقتی از کشف آنها مطلع شدم.»
مرتب کردن عناصر برحسب افزایش وزن اتمیشان و دادن یک عدد اتمی به هر کدام از آنها، کاری نه ساده، که پراسرار می نمود. دلیل اصلی موفقیت این طبقه بندی در چه بود؟ برای آنکه پاسخ قانع کننده ای به این پرسش داده شود، لازم شد چهل سال منتظر بمانیم تا منشاء این تناوبی بودن را بفهمیم. یک رشته اکتشافات مهم ما را از راز آن باخبر می کند.
در 1911، در منچستر، ارنست راتر فورد (19) ثابت کرد که اتم از یک هسته ی مرکزی کوچک با بار الکتریکی مثبت تشکیل شده که تقریباً تمام جرم در آن متمرکز است و قشری از الکترونها با بار الکتریکی منفی دور آن می چرخند. مجموع بار این الکترونها باید با بار مثبت هسته مساوی باشد. دو سال بعد، فیزیکدان هلندی ا. وان دن بروک (20) اعلام کرد که این بار الکتریکی با عدد اتمی عنصر جدول طبقه بندی تناوبی مندلیف مساوی است. در پاییز 1913 هانری موزلی (21) با اندازه گیری دقیق عناصر روی طیفهای پرتو ایکس نشان داد که خطوط طیفشان با طول موج از یک عنصر به عنصر بعدی منظماً تغییر می کند. این تغییر، بستگی به عددی داشت که هر بار یک واحد اضافه می شد. این، دلیلی تجربی بود که ثابت می کرد بار الکتریکی هسته و تعداد الکترونهایی که به دور آن می چرخند دقیقاً مساوی با عدد اتمی عنصر است. به نظر می آمد که این عدد اتمی که همیشه عدد صحیحی بود، یک کمیت فیزیکی به مراتب مهم تر از جرم اتمی باشد. هیدروژن که سبک ترین عناصر بود، عدد 1 می گرفت و اورانیوم که سنگین ترین عناصر بود، عدد 92. نتایج تحقیقات موزلی نشان می داد که بین هیدروژن و اورانیوم فقط 90 عنصر میانی می تواند وجود داشته باشد که تا آن روز 84 عنصر از آنها شناخته شده بود و 6 عنصر هنوز کشف نشده بود.
با وصف این، راز پایداری ساختمان اتمی و تناوبی بودن طبقه بندی مندلیف هنوز کشف نشده بود. اتم، یک هستی پایدار است، هویتش را در همه احوال حفظ می کند. یک اتم آلومینیوم (با عدد اتمی 13) یا یک اتم سیلیسیوم (با عدد اتمی 14) را چه در دمای بالا گرم کنیم، چه زیر فشار شدید بگذاریم یا ترکیب شیمیاییش را تغییر دهیم، همیشه اتم آلومینیوم یا اتم سیلسیوم باقی می ماند. هسته ی اتم با عدد اتمیش (13 برای آلومینیوم و 14 برای سیلیسیوم) پایداری خواص اتمی، یعنی تعداد کل الکترونها را تأمین می کند: هرگاه یک الکترون از آن جدا گردد، بلافاصله هسته ی اتم برای پر کردن جای آن، یک الکترون خواهد گرفت.
در همان سال 1913، فیزیکدان جوان دانمارکی، نیلس بور (22) مُدلش را درباره ساختمان اتم تنظیم کرد: الکترونها بر مدارهای مستدیری می چرخند (بعدها مدار بیضوی هم پذیرفته شد) و انرژی بستگی (23) شان کاملاً معین است. به طور کلی، الکترونی که بر یک مدار می چرخد تابع شتاب است و در نتیجه بایستی تابش کند؛ از این عمل تابش، الکترون، «انرژی بستگی» می گیرد و خود را به هسته نزدیک تر می کند. در صورتی که آزمایش، چنین چیزی را نشان نمی داد: یک اتم پایدار، پرتو پخش نمی کند. بور فرض کرد وقتی که یک الکترون آزاد به هسته متصل می شود، یک فوتون تکفام (24)، یک «ذرّه ی نور» گسیل می شود. حالتی که از آن نتیجه می گردد، ممکن است حالت بنیادی اتم باشد؛ اتمی که از همه پایدارتر است. همچنین ممکن است یک حالت انگیخته (25) باشد و آن در صورتی است که الکترون به مداری بالاتر جهیده باشد. بور فرض را بر این گذاشت که الکترون در مدارش به دور هسته در حالتی پایدار است. او از نظریه های کوانتومی ماکس پلانک (26) و آلبرت اینشتین (27) استفاده کرد که به موجب آن، انرژی یک تابش مساوی است با حاصلضرب بسامد ارتعاشش در ثابت پلانک. بدین ترتیب، بور فرض کرد که برای یک الکترون دریک اتم، تنها برخی حالات حرکت
(توضیح تصویر): اتم بور، نخستین چهار مدار پایدار اتم هیدروژن (نقطه ی مرکزی، معروف هسته است). جهش یک الکترون از یک مدار به مدار دیگر موجب گسیل یک فوتون می گردد؛ خطوط پیکاندار، انتقالات احتمالی میان حالات مختلف را نشان می دهد. Ha خط طیف قرمز هیدروژن آلفا و HB خط طیف فیروزه ای هیدروژن بتا است.
ــ و لذا فقط برخی از انرژیهای بستگی ــ مجازند: حالات اندازه ی حرکت زاویه ای (= اندازه حرکت الکترون x فاصله اش از هسته ی مرکزی)، مضربی صحیح از ثابت پلانک تقسیم بر π2 است. گفته می شود که یک چنین اندازه ی حرکت زاویه ای، کوانتومی است؛ یعنی اینکه مقادیر آن معین و معلوم است و با یک عدد کوانتومی نمایش داده می شود. بور ایضاً از آن نتیجه گیری کرد که بسامد ارتعاشات موجی یک اتم وقتی معلوم است که الکترون، حالت حرکتش را تغییر می دهد و نتیجتاً انرژی بستگی تغییر می کند. باری، کوانتومی کردن اندازه ی حرکتها و انرژیها راهگشای کوانتومی کردن خواص اتمی شد.
مدل بور با آزمون تجربی از راه خطوط طیف مشاهده شده برای هیدرژن، تأیید شد. بور، مدلش را تدریجاً کامل تر کرد. حرکت الکترونها در واقع با چند عدد کوانتومی مشخص شده است که شامل اندازه ی حرکت، که شرح دادیم، و «اسپین (28) است که چرخش وضعی الکترون را مشخص می کند.
در 1925، ولفگانگ پائولی (29) فیزیکدان اتریشی نشان داد که در یک اتم، دو الکترون نمی توانند همزمان در یک حالت حرکتی یکسان باشند؛ به عبارت دیگر، اعداد کوانتومی آنها نمی تواند دقیقاً برابر باشد. این اصل «طرد»، امروز به نام «اصل پائولی» نامیده می شود.
اکنون می توان پیکربندی اتمهای عناصر گوناگون را به تَبَع مقادیر متوالی که اعداد کوانتومی الکترونها در حالات حرکتی متفاوت می توانند بگیرند، تنظیم کرد (30) الکترونها به تدریج با گذر از یک عنصر به عنصر بعدی، لایه ها را پر می کنند. هیدروژن با عدد اتمی 1=Z، تنها یک الکترون دارد؛ هلیوم با عدد اتمی2=Z، دو الکترون دارد، با این دو عنصر لایه ی اول تکمیل است. لیتیوم یک الکترون سوم در لایه ی دوم دارد که با 8 عنصر پر می شود، آخرین عنصر لایه ی دوم نئون است با عدد اتمی10=Z. سدیوم عنصر بعدی، یک الکترون در لایه ی سوم دارد و به همین ترتیب تا آخرین عنصر. میل ترکیب شیمیایی با لایه هایی متناظر است که کاملاً پر نشده اند؛ تعداد الکترنهای مازاد یا جاخالی، ظرفیت شیمیایی را به دست می دهد. اتمهای گازهای کمیاب، لایه های کامل دارند و این گازها بی اثر (خنثی) هستند. بدین ترتیب، طبقه بندی تناوبی مندلیف توضیح خود را پیدا کرد.

چه کسی این غذا را سفارش داده است؟

مرحله ی بعدی، شناخت ما از جهان بی نهایت کوچک، ساختار خود هسته بود. از 1932 به بعد می دانستیم که هسته از نو کلئونها (31) تشکیل شده است، یعنی از پروتونها و نوترونها. اینها بر هم کنش شدیدی با یکدیگر دارند و حجم بسیار کوچکی را اشغال می کنند. مرکز هسته مثل مرکز منظومه ی خورشیدی، که خورشید آن را پر کرده، یا مثل مرکز اتم که هسته آن را پر کرده باشد، نیست. لذا، فکر می کردند که باید آن را با مدلی که ماهیت آن از مدل ساختمان اتم متفاوت باشد تعریف کنند. فیزیکدانان، نظریه های نخستین دانشمندانی چون الساسر (32) را که در 1934 ابراز کرد و گفت نوکلئونها در هسته ممکن است در لایه ها جمع شده باشند، با شک و تردید تلقی کردند، زیرا تصور می کردند که لایه ها تنها بر اثر نیروی وارده از شییء مرکزی حاصل می گردد. فکر می کردند که لایه ها تنها بر اثر نیروی وارده از شییء مرکزی حاصل می گردد. فکر می کردند که هسته، بیشتر شبیه یک قطره ی مایع باشد، که بر اساس آن می شد تعدادی واکنشهای هسته ای مثل شکافت (33) را توضیح داد. طی ده سال، نتایج تجربی فراوانی جمع شد تا بتوان ثابت کرد که هسته ها نیز تابع قانون تناوبی هستند. انرژیهای بستگی نوکلئونها، انفصالهای بارزی برای برخی از مقادیر تعداد نوترونها N و پروتونها Z نشان می دادند. وفور نسبی ایزوتوپهای متفاوت به تَبَع این تعداد N و Z، نظمهایی را بروز می دادند. برای همین، تعداد N و Z انرژی برانگیختگی در سطوح اولیه ی برانگیخته ی هسته ها خیلی بالاتر است تا برای هسته های همسایه شان. مقطع مؤثر نوترون گیری هسته ها با تغییرات تناوبی همراه است که در آن، این مقادیر خاص N دخیل هستند. این مقادیر، یعنی اعداد 2، 8، 20، 50، 82 و 126 به «اعداد جادویی» معروفند.
بر پایه ی همین تجربیات بود که ماریاگوپر ــ مایر (34)، اُ. هکسل (35) جی. اچ. دی. یانسن (36) و اچ. ای. ساس (37) این «اعداد جادویی» را به کمک یک مدل لایه ها که نام دیگر آن مدل ذرات انفرادی است، توضیح دادند. در این مدل، قدرتهای هسته ای، برای ایجاد یک میدان قدرت متوسط از مبداء مرکز هسته، با یکدیگر همیوغ می شوند، این قدرت را قدرت اسپین ــ مدار می نامند؛ به این معنا که بر هم کنشی که هر نوکلئون ناگزیر از آن است ایضاً به جهت گیری نسبی اندازه ی حرکتش نسبت به جهت گیری اسپینش بستگی دارد. این، همان «اصل پائولی» است که ــ مثل مورد الکترونها ــ مانع همحالتی همزمان دو نوکلئون می گردد، و این سبب می شود که آنها مسافت متوسط طولانی تری را در ماده ی هسته ای بپیمایند. در مدل لایه ای، پروتونها و نوترونها لایه های متوالیی را پر می کنند که با اعداد جادویی متناظر است. هسته هایی که 2، 8، 20، 50، 82 یا 126 پروتون یا نوترون دارند به وجه خاصی پایدار هستند و در حالت بنیادی، شکلشان کروی است، در حالی که هسته هایی که در حالات میانی هستند شکلشان کم و بیش درهم ریخته و شبیه سوسیس یا کلوچه است.
روایت می کنند ایزیدور آی. رابی (43) استاد دانشگاه کُلمبیای نیویورک که معمولاً همراه با همکارانش در رستورانهای چینی غذا صرف می کرد، از کشف الکترون سنگین، میون (44)، اطلاع پیدا کرد، ذره ای که ظاهراً برای ساختار ماده «بی فایده» است، فریاد کشید: «این غذا را که سفارش داده است؟» در همان ایام، فیزیکدان ایتالیایی انریکو فرمی (45) متذکر شد که فیزیک ذرات، دارد به گیاهشناسی شباهت پیدا می کند.
در 1953، م.گِل ــ مان (46) آمریکایی وک.نی شی جیما (47) ژاپنی، مستقلاً پیشنهاد کردند که ذرات Ʌ و مزونهای K، ذرات «شگفت» (48) نامیده شوند و به آنها عدد کوانتومی جدید با نام «شگفت انگیز» (49) داده شود.
(توضیح تصویر): الف)بخش مؤثر نوترون گیری هسته ها به تبع تعداد نوترونها. حداقل نوترون گیری با اعداد جادویی متناظر است.
ب)ترکیبهای ممکن سه کوارک اول (موسوم به u و d و s) که به تبع عدد کوانتومیشان یک دَه دهی از اسپین 3/2 تشکیل می دهند. (به نظر گِل ــ مان).
کوششهای انسان، طی قرون و اعصار، پیوسته متوجه درک همه ی پدیده ها از بی نهایت بزرگ تا بی نهایت کوچک بوده است. با وجود شباهتهایی که میان آنها وجود دارد، ماهیت قدرتهای دخیل، متفاوت است: سیارات و ستارگان با نیروهای گرانش، برهم کنشی دارند؛ الکترونهای درون اتم با نیروهای الکترومغناطیسی نگهداری شده اند. انسجام نوکلئونها درون هسته و کوارکها درون نوکلئونها نتیجه برهم کنشی قوی است. نوع چهارمی نیرو وجود دارد که از پدیده های رادیواکتیویته به بار می آیند و فیزیکدانان آنها را بر هم کنشی ضعیف می نامند؛ شدت آن بین شدت گرانش و شدت نیروهای الکترومغناطیسی، حالت میانی دارد، بُرد این چهار برهم کنشی، برابر نیست. گرانش و نیروی الکترومغناطیس، بُرد دوری دارند، در حالی که، برهم کنشی قوی، و از آن بیشتر، برهم کنشی ضعیف، کوتاه بُرد هستند.
سالهای چندی است که فیزیکدانان می کوشند این بر هم کنشیها را در میدان واحدی جا بدهند. نخستین موفقیتها در این راستا با بر هم کنشیهای ضعیف و الکترومغناطیسی به دست آمده است که امروز از آن با عنوان «بر هم کنشیهای برقی ضعیف» نام می برند. تحقیقات در جهت وحدت بر هم کنشی برقی ضعیف و برهم کنشی قوی در جریان است. این، همان کوششی است که آن را «وحدت بزرگ» می نامند. در قالب چنین نظریه ای، پروتون، عمری متناهی اما فوق العاده طولانی، حتی به مقیاس عمر کهکشان ما، خواهد داشت. تجربیاتی برای اثبات یک چنین ناپایداری شروع شده است. گرانش، عجالتاً خارج از موضوع این تحقیقات است، اما بلندپروازی فیزیکدانان این است که در آینده ای نه چندان دور بتوانند این چهار برهم کنشیِ بنیادیِ عمومیِ شناخته شده را وحدت ببخشند.
در همان حال که دانش کیهان شناختی ما عمیق و عمیق تر می شود، در مطالعه ی ذرات ریز و ریزترین ذراتی که می شناسیم، به دور و باز هم دورتر می رویم. اثبات تقارنها، تناوبها و قانونمندی، ما را در یافتن نظم و توضیح پدیده هایی هدایت می کند که در آغاز ممکن است مبهم و پیچیده به نظر آیند. به کمک مشاهده و تجربه است که می توانیم شناخت حقیقی را از آنچه که اسطوره یا نظریه های مجرّد بیهوده است، تمیز بدهیم.

پی نوشت ها :

1. Dimiti Ivanovitch Mendeleev.
2. Karlsruhe.
3. Charles Wurtz.
4. paul Emile dit Francois Lecoq de Boisbaudran.
5. Gallium.
6. Nibon.
7. Kleve.
8. scandium.
9. Winkler.
10. germanium.
11. silicium.
12. William Ramsay.
13. John Rayleigh.
14. argon.
15. helium.
16. neon.
17. Krypton.
18. xenon.
19. Ernest Rutherford.
20. A. van den Brock.
21. Henry Moseley.
22. Niels Bohr.
23. binding energy یک اتم پایدار همواره جرمی دارد که از مجموع جرمهای ذرات تشکیل دهنده اش کمتر است. انرژی معادل کاهش جرم در یک هسته را انرژی بستگی آن می نامند، و مقیاس پایداری هسته است. ــ م.
24. monochromatic photon.
25. excited state.
26. Max Planck.
27. Albert Einstein.
28. Spin.
29. Wolfgang pauli.
30.اعداد کوانتومی به چهار دسته تقسیم می شوند که عبارتند از: عدد کوانتومی اصلی، عدد کوانتومی ثانوی، عدد کوانتومی مغناطیسی، عدد کوانتومی اسپین. ــ م.
31. nucleons.
32. Elsasser.
33. fission.
34. Maria Goeppert-Mayer.
35. O. Haxel.
36. J. H. D Jensen.
37. H. E. Suess.
38. neutrino.
39. meson.
40. Cecil Powell.
41. G. D. Rochester.
42. C. C. Butler.
43. Isidore I. Rabi.
44. muon.
45. Enrico Fermi.
46. Murray Gell-Mann.
47. K. Nishijima.
48. strange.
49. strangeness.
50. G. Zweig.

منبع: سرگذشت اتم، شماره 2034