الخيمياء الحديثة: من عناصر ناقصة إلى عناصر تخليقية

العناصر الناقصة

في منتصف عقد الثلاثينيات من القرن العشرين بقيت أربع ثغرات وجب ملؤها في الجدول الدوري الذي كان موجودًا وقتئذٍ، وتتكون هذه الثغرات من عناصر أعدادها الذرية ٤٣ و٦١ و٨٥ و٨٧. ومما يستحق الذكر أن وجود ثلاثة من هذه العناصر كان قد تنبَّأ به مندليف بشكل واضح قبلها بسنوات كثيرة، وأعطاها أسماءً من عنده؛ هي: إيكا-منجنيز (٤٣)، وإيكا-يود (٨٥)، وإيكا-سيزيوم (٨٧). وقد اكتُشِفت ثلاثة من هذه العناصر الأربعة الناقصة نتيجةً لتخليقها اصطناعيًّا في القرن العشرين.

كان هذا هو أول عنصر جديد تمامًا يتم الحصول عليه بعملية تحويل العناصر، وذلك بعد مرور ١٨ عامًا من تجربة رذرفورد الكلاسيكية التي أظهرتْ هذه الاحتمالية. وقد اكتُشِف بعد ذلك وجود آثار من هذا العنصر الجديد — التكنيشيوم — في الأرض بصورة طبيعية وبكميات ضئيلة للغاية.

ولكي نكمل قصتنا هذه، أقول إن العنصر الرابع الناقص اكتشفتْه كيميائيةٌ فرنسية تُدعَى مارجريت بيري عام ١٩٣٩، وكانت قد بدأت بالعمل كمساعدة مختبر لدى مدام كوري، ولم تكن حتى حاصلة على شهادة جامعية في وقتِ اكتشافها هذا. وسمَّتِ العنصر الجديد الذي اكتشفتْه الفرنسيوم، نسبة لبلدها الأصلي. لم يتطلَّب هذا العنصر استخدامَ التخليق الاصطناعي، وإنما وُجِد أنه مجرد ناتج ثانوي لتحلُّل عنصر الأكتينيوم الطبيعي المُشِع. وكان نتاج ذلك أن رُقِّيت مارجريت إلى درجة أستاذة، وإلى منصب مديرة المعهد الرئيسي للكيمياء النووية في فرنسا.

عناصر ما بعد اليورانيوم

والآن لندرس تخليق العناصر التي بعد العناصر الأصلية (من ١ إلى ٩٢) في الجدول الدوري. ففي عام ١٩٣٤؛ أيْ بعد تخليق التكنيشيوم بثلاث سنوات، بدأ العالم الإيطالي إنريكو فيرمي، الذي كان يعمل في روما، بقذف عناصر مستهدفة بالنيوترونات، على أمل تخليق عناصر ما بعد اليورانيوم. وكان فيرمي يظن أنه نجح في إنتاج عنصرين منهم، فلم يلبث أن سمَّاهما الأوسونيوم (٩٣) والهسبيريوم (٩٤)، ولكنَّ ظنَّه هذا لم يكن في محله.

كان فيرمي ومساعدوه يرصدون نواتج الانشطار النووي تلك، بدلًا من محاولة تكوين أنوية ذرات أثقل كما كانوا يظنون في البداية.

عناصر ما بعد اليورانيوم الحقيقية

لقد تم التعرُّف الفعلي على العنصر ٩٣ في نهاية الأمر عام ١٩٣٩، على يد إدوين ماكميلان ومساعديه في بيركلي. وأُعطِي اسم النبتونيوم؛ لأنه يعقب اليورانيوم في الجدول الدوري كما يعقب كوكبُ نبتون كوكبَ أورانوس من حيث البُعْد عن الشمس. وقد اكتشف أحد الكيميائيين في ذلك الفريق البحثي، ويُدعَى فيليب أبلسون أن العنصر ٩٣ لا يسلك سلوكًا يجعله إيكا-رينيوم، كما كان متوقَّعًا من موضعه المفترض في الجدول الدوري؛ وعلى أساس هذا الأمر ونتائج مشابهة عن العنصر ٩٤، وهو البلوتونيوم، تقدَّم جلين سيبورج بتعديل رئيسي للجدول الدوري (انظر الفصل الأول). ونتيجة لهذا لم يَعُدْ عنصر الأكتينيوم (٨٩) وما بعده بالتتابُع، من الفلزات الانتقالية، ولكن أصبح يُنظَر إليها كعناصر مناظِرة لمجموعة اللانثانيدات. نتيجةً لهذا لم تَعُدْ ثمة حاجة لأن يسلك عنصران مثل ٩٣ و٩٤ سلوكًا يجعلهما إيكا-رينيوم وإيكا-أوزميوم، بعد أن «هاجرا» إلى موضعين مختلفين في الجدول الدوري المعدل.

كذلك العنصر ١٠٠، المسمَّى فيرميوم، تكوَّن بطريقة مماثلة كنتيجة لدفقٍ غزيرٍ من النيوترونات الناتجة عن نفس الانفجار النووي، وتم اكتشافه بتحليل التربة من جزرٍ بالمحيط الهادي قريبة من موقع الانفجار.

العناصر من ١٠١ إلى ١٠٦

احتاج التقدُّم على طول تتابُع أنوية الذرات الأثقل إلى أسلوب مختلف تمامًا؛ نظرًا لأن التحلل الإشعاعي المنتج لدقائق بيتا لا يحدث للعناصر التي تتجاوز أعدادُها الذرية ١٠٠. واحتاج الأمر إلى الكثير من المبتكرات التكنولوجية، بما فيها استخدام المعجلات الخطية بدلًا من السيكلوترونات؛ فالمعجلات الخطية تمكِّن الباحثين من تسريع حُزَم عالية الشدة من الأيونات بطاقات محدَّدة جيدًا، وفي هذه الحالة يمكن أن تكون قذائف الجسيمات أثقل من النيوترونات ومن دقائق ألفا. وإبان الحرب الباردة لم تكن تمتلك هذه الإمكانات سوى القوتين العُظميَين، وهما الولايات المتحدة الأمريكية والاتحاد السوفيتي.

وهكذا، بصفة إجمالية، تم تخليق ستة عناصر من ١٠١ إلى ١٠٦ بهذه الطريقة. وقد نشبت نزاعاتٌ ساحقة وشدٌّ وجذبٌ بشأن مزاعم أسبقية تخليق معظم هذه العناصر، وحدث هذا إلى حدٍّ ما نتيجةً لضغوط الحرب الباردة بين الولايات المتحدة والاتحاد السوفيتي. واستمرت هذه النزاعات لعدة سنوات. ولكن حين تمَّ الوصول إلى العنصر ١٠٦، برزت مشكلة جديدة استلزمت اللجوء إلى وسيلة جديدة. وفي ذلك الحين دخل علماء ألمان إلى الحلبة بتأسيسهم لمعهد «بحوث الأيونات الثقيلة» ومقره مدينة دارمشتات، وقد أطلقوا على هذه التكنولوجيا الجديدة اسم «الاندماج البارد»، ولكن لا علاقةَ له بذلك النوع من الاندماج البارد الذي يتم في أنابيب الاختبار، والذي أعلن عنه الكيميائيان مارتن فليشمان وستانلي بونز في عام ١٩٨٩.

فالاندماج البارد الذي نحن بصدده في مجال عناصر ما بعد اليورانيوم هو تقنيةٌ تُستخدَم لجعل أنوية الذرات تتصادم فيما بينها بسرعات أبطأ ممَّا كان يجري سابقًا؛ ونتيجةً لهذا يتولَّد قدرٌ أقل من الطاقة؛ ومن ثَمَّ يقل احتمال أن تتفكَّك النواة الكبيرة بعد تكوينها وتجميعها. وقد ابتكر هذه التقنية في الأصل العالِمُ الفيزيائي السوفيتي يوري أوجانيسيان، ولكن تم تطويرها لاحقًا في ألمانيا إلى مستوًى أكثر اكتمالًا.

العنصر ١٠٧ وما بعده

وقيس العمر النصفي للنظير الناتج فكان ١٧٠ ميكرو ثانية فحسب، وأطلق الألمان على عنصرهم الجديد اسم الدارمشتاتيوم. ولا عجب هنا، فقد كان هذا على غرار تسمية عنصرَي البركيليوم والدوبنيوم من قِبَل الفريقَيْن الأمريكي والروسي على الترتيب. وبعد ذلك بشهر حصل الألمان على العنصر ١١١، الذي صار يُعرَف بعدها باسم الرونتجينيوم؛ نسبةً إلى رونتجين مكتشِف الأشعة السينية. ثم شهد فبراير عام ١٩٩٦ تخليقَ العنصر التالي في ذلك التتابُع، وهو العنصر رقم ١١٢، الذي سُمِّي رسميًّا في عام ٢٠١٠ باسم الكوبرنيكيوم، ولا يزال يُعَدُّ أثقل عنصر مُسمَّى رسميًّا حتى وقت كتابة هذه السطور.

العناصر من ١١٣ إلى ١١٨

منذ عام ١٩٩٧، نُشِرت مطالبات عدة بتخليق العناصر من ١١٣ وصولًا إلى ١١٨، وآخِر ما تم تخليقه فعليًّا منها كان العنصر ١١٧، وذلك في عام ٢٠١٠. وهذا الموقف يمكن تفهُّمه جيدًا إذا عرفنا أن أنوية الذرات، التي عدد بروتوناتها فردي، دائمًا ما تكون غير مستقرة بدرجةٍ تَفُوق تلك التي عدد بروتوناتها زوجي. وهذا الاختلاف في الاستقرار يحدث لأن البروتونات، مثل الإلكترونات، تقوم بحركة نصف دائرية، وتدخل في مداراتٍ للطاقة اثنين اثنين في حركات دورانية عكسية. ويترتب على هذا أن البروتونات التي أعدادها زوجية، كثيرًا ما يكون إجمالي حركاتها الدورانية صفرًا؛ ومن ثَمَّ تكون أنويتها أكثرَ استقرارًا من أنوية الذرات التي أعداد بروتوناتها فردية، والتي تكون محصلة حركاتها الدورانية فوق الصفر كما هو الحال في العنصرين ١١٥ و١١٧.

وقد كان تخليق العنصر ١١٤ أمرًا متوقَّعًا بدرجة كبيرة؛ إذ كان العلماء قد تنبَّئُوا لفترةٍ ما أنه سيمثِّل ما سمَّوْه «جزيرة الاستقرار»؛ بمعنى أن يكون جزءًا من قائمة من أنوية الذرات التي تتميَّز بدرجة استقرار عالية. وكان أول مَن افترض وجود العنصر ١١٤ هو مختبر دوبنا الروسي في أواخر عام ١٩٩٨، ولكن لم يتم إنتاجه فعليًّا إلا بتجارب أُجرِيت فيما بعدُ، في عام ١٩٩٩، شملت صدْمَ هدفٍ من البلوتونيوم بأيونات الكالسيوم-٤٨. وقد تمكَّنَ مختبرَا بيركلي ودارمشتات مؤخرًا من إثبات هذا الاكتشاف. وفي وقت كتابتي لهذه السطور أُعلِن عن ٨٠ عملية تحلُّل إشعاعي نتج عنها العنصر ١١٤، ومنها ٣٠ حدثت من تحلُّل أنوية ذرات أثقل، مثل ١١٦ و١١٨. كما عُرِف أن أطول نظائر العنصر ١١٤ عمرًا، كتلتُه الذرية ٢٨٩، وعمره النصفي نحو ٢.٦ ثانية، بما يتفق مع التنبؤات التي قالت إن هذا العنصر يُظهِر استقرارًا كبيرًا.

وبعد عدة محاولات فاشلة لإعادة الحصول على هذه النتيجة في اليابان وفرنسا وألمانيا، سُحِب هذا الافتراض رسميًّا في يوليو ٢٠٠١، وتبع ذلك الكثير من الجدل، ونتج عنه فصل أحد كبار أعضاء الفريق البحثي، الذي نشر الزعم الأصلي.

والباحثون على درجة عالية من الثقة بأن النتائج مُرْضِية؛ حيث إن احتمال أن تكون هذه الكشوف مجرد أحداث عشوائية قُدِّر بأنه أقل من واحد من ١٠٠ ألف، ومن نافلة القول أنه لم تُجرَ أي تجارب كيميائية حتى الآن على هذا العنصر؛ نظرًا لقلة الذرات الناتجة والقِصَر الشديد في أعمارها النصفية بما يقلُّ عن ملِّي ثانية واحدة.

وفي عام ٢٠١٠ تمَّ تخليق وتحديد عنصر أشد في عدم استقراره، وهو رقم ١١٧، وذلك على يد فريق كبير من الباحثين العاملين بمختبر دوبنا الروسي، فضلًا عن عدد من المختبرات في الولايات المتحدة. وقد وصل الجدول الدوري إلى نقطة تثير الاهتمام؛ وهي أن جميع العناصر اﻟ ١١٨ إما أنها توجد في الطبيعة وإما أنها تم تخليقها اصطناعيًّا في تجارب خاصة. هذا يتضمَّن ٢٦ عنصرًا مهمًّا مما بعد عنصر اليورانيوم الذي اعتُبِر في السابق آخِر العناصر الموجودة بصفة طبيعية. وفي وقت كتابتي لهذه السطور تُوضَع خططٌ في محاولةٍ لتخليق عناصر أثقل من هذا مثل ١١٩ و١٢٠. ولا يوجد ما يفرض علينا الاعتقاد بوجود نهاية فورية لتتابُع العناصر التي يمكن تكوينها.

كيميائية العناصر التخليقية

يثير وجود العناصر فوق الثقيلة تساؤلًا جديدًا مهمًّا وتحدِّيًا أيضًا للجدول الدوري، كما يتيح نقطةَ تلاقٍ جديدة جذَّابة لوضع التنبُّؤات النظرية في مقابل النتائج التجريبية؛ فالحسابات النظرية تفترض أن تأثيرات صفة «النسبية» (أي المتعلِّقة بالنظرية النسبية) تزداد أهميتُها باطراد كلما زادت الشحنة النووية للذرات؛ فعلى سبيل المثال: اللون المميز للذهب مع تواضُع عدده الذري إلى حدٍّ ما، وهو ٧٩، يُفسَّر الآن بالاحتكام إلى النظرية النسبية لأينشتاين. فكلما زادت الشحنة النووية، زادت سرعة حركات إلكترونات الغلاف الداخلي للذرة، ونتيجةً لاكتساب تلك الإلكترونات الداخلية سرعاتٍ مرتفعةً «نسبيًّا»، فإنها تُسحَب للداخل مقترِبةً أكثر من النواة، ويكون هذا بدوره السببَ في زيادة حجب الإلكترونات الخارجية التي تحدِّد الخواص الكيميائية لأي عنصر معين. وقد تنبَّأ بعض العلماء بأن بعض ذرات العناصر ستسلك كيميائيًّا بطريقة غير متوقَّعة لا تناسب مواضعها المفترضة في الجدول الدوري.

ومن ثَمَّ تمثِّل التأثيراتُ المعزوَّة للنظرية النسبية آخِرَ التحديات لاختبار عمومية الجدول الدوري وشموليته. وقد نشر باحثون مختلفون تلك التنبؤات النظرية على مدى سنوات كثيرة، ولكن لم يصل الموقف إلى ذروته إلا بعد إجراء الفحص الكيميائي للعنصرين ١٠٤ و١٠٥، وهما الرذرفوريوم والدوبنيوم؛ فقد تَبيَّنَ أن السلوك الكيميائي لهذين العنصرين مختلفٌ إلى حدٍّ ما في الحقيقة عمَّا يتوقَّعه المرء بالبديهة من خلال موضعَيْهما في الجدول الدوري؛ حيث إن عنصرَي الرذرفورديوم والدوبنيوم لم يسلكَا على ما يبدو سلوكَ الهافنيوم والتانتالوم، على الترتيب، كما كان يجب أن يكون.

شكل ٩-١: جزء مُقتطَع من الجدول الدوري، يُظهِر المجموعات من ٣ إلى ١٢ بما فيها من العناصر.

هذا، ولم يتمكَّن الجدول الدوري من استعادةِ ما يجب أن يتمتَّع به من استتباب السلوك الدوري المتوقَّع والمفترض إلا بعد أن فُحِصت كيميائية العنصرَيْن التاليَيْن، وهما السيبورجيوم (١٠٦) والبوريوم (١٠٧). ونُشِرت مقالات علمية بعدها لتعلن عن هذه الاكتشافات بعناوين تتحدَّث عن نفسها، وكان منها ما معناه «السيبورجيوم العادي بشكل غير عادي» و«البوريوم الممل»، ويشير هذان العنوانان إلى استعادة الوضع المستقر العادي للجدول الدوري. وعلى الرغم من أنه كان من الأجدر حتى التحدُّث أكثر عن تأثيرات النظرية النسبية فيما يتعلَّق بهذين العنصرين، فإن السلوك الكيميائي المتوقَّع يبدو أنه أكثر أهميةً من ذلك.

ويمكن تبيُّن حقيقة أن البوريوم يسلك كعضوٍ أصيل في المجموعة ٧ من البرهان التالي الذي طرحتُه. هذا الأسلوب يمثِّل أيضًا نوعًا من «الدائرة المكتملة»؛ إذ إنه يشمل ثلاثيةً من العناصر. وقد يتذكَّر القارئ من الفصل الثالث أن اكتشاف الثلاثيات كان أول تلميح على الإطلاق لوجود انتظام عددي فيما يتعلَّق بخواص العناصر ضمن مجموعة عامة. وفيما يلي أعرِضُ قِيَمَ حرارة التسامي التي تخص المركبات المتناظرة لعناصر التكنيشيوم والرينيوم والبوريوم المتكونة مع الأكسجين والكلور (أيْ قياسات الطاقة اللازمة لتحويل مادةٍ صلبةٍ مباشرة إلى غازٍ).

شكل ٩-٢: المجموعة ٧.

ويصير التحدي الذي يجابه القانون الدوري من قبل تأثيرات النظرية النسبية أكثرَ شدةً في حالة العنصر رقم ١١٢، وهو الكوبرنيكيوم، الذي يُعتبَر أحدث عنصر أُجرِيت عليه تجاربُ كيميائية. فمجددًا، أشارتْ حسابات النسبية إلى وجود سلوك كيميائي معدل لهذا العنصر، لدرجة أنه كان من المعتقَد أنه يسلك سلوكًا أشبه بأحد الغازات النبيلة، وليس سلوكًا أشبه بالزئبق الذي يقع هو تحته في الجدول الدوري. ثم أظهرتِ التجارب التي أُجرِيت — فيما يتعلَّق بقِيَم حرارة التسامي التي تخص العنصر ١١٢ — أن هذا العنصر، خلافًا للتوقُّعات السابقة، ينتمي بالفعل إلى المجموعة ١٢ مع الزنك والكادميوم والزئبق.

قدَّمَ العنصر ١١٤ قصةً مشابهة بحسابات وتجارب سابقة أوحَتْ بأنه يسلك سلوكًا أشبه بغاز نبيل، إلا أن التجارب الأكثر حداثةً دعَّمَتْ فكرة أن هذا العنصر يسلك سلوكًا أشبه بفلز الرصاص كما يُتوقَّع من موضعه في المجموعة ١٤. ويُستنتَج في النهاية أن صفة الدورية الكيميائية هي ظاهرة راسخة بدرجة كبيرة، وحتى تأثيراتُ النسبية القوية الناتجة عن التحركات السريعة للإلكترونات، لا يبدو أنها قادرةٌ على أن تطيح باكتشاف علمي بسيط حدث منذ نحو ١٥٠ عامًا مضت.