اكتشاف النظائر الكيميائية - Isotopes

سنة الاكتشاف: 1913م

ما هو هذ الاكتشاف؟

• النظائر هي أشكال مختلفة للعنصر الكيميائي ذاته تلك نفس الخواص الكيميائية والفيزيائية ولكن أوزاناًً ذرية مختلفة

من هو مكتشف النظائر في الكيمياء؟

• فريدريك سودي Frederick Soddy

أهمية اكتشاف النظائر الكيميائية؟

نظائر عنصر ما هي أشكال مختلفة قليلاً لذاك العنصر. تمتلك النظائر نفس الخواص الكيميائية والفيزيائية والكهربائية للعنصر الأصلي، ولكن عدداً مختلفاً من النيوترونات في نوی ذراتها. لقد أضفي إكتشاف النظائر بعداً جديداً على علوم الفيزياء والكيمياء.

أجاب هذا الاكتشاف على أسئلة محيرة أربكت باحثي الفيزياء المهتمين بدراسة العناصر المشعة.

أصبحت دراسة النظائر أساساً جوهرياً لتطوير القدرة والأسلحة الذرية. كما أن للنظائر أهميتها في علم الجيولوجيا طالما أن التأريخ بالكربون والتقنيات التقديرية الأخرى لعمر الصخور تعتمد جميعاً على نسب نظائر معينة.

كان هذا الاكتشاف كفيلاًً لوحده برفع الحواجز التي إعترضت طريق التقدم العلمي، وفتح حقولاً جديدة في بحوث الفيزياء والكيمياء، وأمد بالأدوات البحثية الأساسية لبحوث علم الأرض.

كيف تم اكتشاف النظائر؟

ولد فريدريك سودي Frederick Soddy عام 1877م في سوسيکس بإنجلترا. وفي عام 1910م قبِل سودي بمنصب في جامعة غلاسكو كمحاضر في النشاط الإشعاعي والكيمياء.

كانت دراسة العناصر المشعة لا تزال ممتعة و جديدة. وكانت العناصر المشعة تعرف بإختلافات في كتلتها وشحنتها الذرية وخواصها الإشعاعية، بما فيها أنواع وطاقات مختلف الدقائق (الجسيمات التي تبثها).

طبقا لهذا النظام، كان العلماء قد تعرفوا تواً على 40 إلى 50 من العناصر المشعة. ولكن تواجدت 10 إلى 12 مكاناً لجميع هذه العناصر المشعة على الجدول الدوري للعناصر. إما أن الجدول الدوري المندلييف كان خاطئا أو  لسبب ما غير معروف کانت العناصر المشعة تقع خارج منطق وترتيب الجدول الدوري.

لم يعن أي من الجوابين شيئاًً، وتعرض البحث الإشعاعي إلى كبوة في مسيرته.

قرر سودي دراسة الدقائق الثلاثة الدون ذرية المعروفة التي تنبعث من مختلف العناصر المشعة (دقائق ألفا وبيتا وغاما)، فوجد بأن دقائق ألفا كانت تحمل شحنة موجبة (و كأنها بروتونين) وكتلة تساوي أربع بروتونات. أما أشعة غاما فلم تمتلك شحنة ولا كتلة، بل طاقة فقط، ولهذا لم تؤثر على طبيعة الذرة نهائياً.

من جانبها لم تمتلك دقائق بيتا أية كتلة يمكن قياسها ولكنها حملت شحنة سالبة واحدة، فقد بدت وكانها إلكترونات فقط.

عندما كانت ذرة ما تبعث دقيقة من دقائق بيتا، فإنها كانت تفقد شحنة سالبة. أدرك سودي بأن هذا مشابه لإكتساب شحنة موجبة بالذات. أبعث دقيقة ألفا وأفقد شحنتين موجبتين من النواة، وأبعث دقيقة بيتا وأكتسب واحدة!

نظراًً لأن الجدول الدوري كان مرتّباًً حسب عدد البروتونات في نواة الذرة بدء بالعنصر الأخف (الهيدروجين) وصعوداً إلى أثقل عنصر معروف (اليورانيوم)، أدرك سودي بأن انبعاث دقيقة ألفا سيؤدي إلى زحف الذرة لخانتين نحو الشمال على الجدول الدوري وبأن انبعاث دقيقة بيتا سيزحف بها خانة واحدة نحو اليمين.

إستنتج سودي من هذه الملاحظة أنه لا بد أن تكون ذرات عناصر عدة قد تواجدت في عدة خانات مختلفة على الجدول الدوري. فإستعمل تقنيات مطيافية بحثية جديدة إكتشفها غوستاف كيرخوف وروبرت بونزن (عام 1859م) ليظهر بأنه رغم إمتلاك ذرات اليورانيوم والثوريوم لكتلة ذرية مختلفة وبالتالي إحتلالها لخانات مختلفة على الجدول الدوري، فإنها كانت لا تزال كما هي، العنصر الأصلي. 

دل هذا على إمكانية أكثر من عنصر واحد إحتلال نفس المكان على الجدول الدوري، وبأن ذرات عنصر واحد يمكن أن تحتل أكثر من مكان واحد وهي لا تزال نفسها، العنصر الأصلي. أطلق سودي على نسخ ذات العنصر التي إحتلت أماكن علی الجدول الدوري غير المكان «الطبيعي» لذلك العنصر بisotopes أو «النظائر»، إشتقاق عن كلمة إغريقية بمعنى «نفس المكان».

بعدها، وفي نفس العام (1913م)، قاس الكيميائي الأمريكي تيودور ريتشاردز Theodore Richards الأوزان الذرية لنظائر الرصاص الناتجة عن التحلل الإشعاعي لليورانيوم والثوريوم وأثبت صحة نظرية سودي.

على كل حال، لم يكن تفسير سودي لاكتشافه دقيقاً بالكامل. فكان إكتشاف تشادويك Chadwick للنيوترون (في 1932م) كفيلاً بتصحيح أخطاء سودي وبالتالي تكملة فهم مفهومه عن النظائر.

حاول سودي شرح نظائره مستعملاً البروتونات والإلكترونات فقط.

ما تشادويك فقد اكتشف وجود عدد من النيوترونات المتعادلة في النواة يضاهي تماماً عدد البروتونات الموجبة. فإكتساب أو فقدان النيوترونات لم يغير من الشحنة الكهربائية أو من خواص المادة (طالما أن العناصر معرفة بعدد البروتونات في النواة)، ولكنه غير فعلاً من الكتلة الذرية للذرة وبالتالي خلق نظيراً لذلك العنصر.

إذن، اكتشف سودي مفهوم النظائر، ولكن تطلب کامل فهمه فهماً لماهية النيوترونات بالأخير.