Πώς μάθαμε ότι ο άνθρακας έχει 6 πρωτόνια και όχι 7;

Τα πειράματα του Henry Moseley αποκάλυψαν ότι κάθε στοιχείο έχει μια μοναδική ατομική δομή που αλληλεπιδρά με τις ακτίνες Χ με διακριτικό τρόπο.

Υδρογόνο, Ήλιο, Λίθιο, Βηρύλλιο, Βόριο, Άνθρακα…

Αυτή η σειρά λέξεων θα μεταφέρει τους περισσότερους από εμάς στο μάθημα της χημείας στο σχολείο, όπου μας ζητήθηκε να απομνημονεύσουμε τα στοιχεία του περιοδικού πίνακα… τουλάχιστον μέχρι το στοιχείο 20. Αυτή η πρακτική ανέτρεψε εντελώς τον σκοπό της ύπαρξης περιοδικού πίνακα, αλλά ήταν τελικά αρκετά χρήσιμο. Μας διδάχτηκαν επίσης ότι τα στοιχεία στον περιοδικό πίνακα είναι διατεταγμένα σύμφωνα με τους ατομικούς τους αριθμούς. Αυτός είναι ο αριθμός των πρωτονίων σε ένα άτομο, ο ίδιος με τον αριθμό των ηλεκτρονίων.

Αλλά… πώς το καταλάβαμε; Δεδομένου ότι τα άτομα είναι πραγματικά μικροσκοπικά, η μέτρησή τους με όραση δεν είναι ανθρωπίνως δυνατή, άρα πώς ήξεραν οι επιστήμονες που ανέπτυξαν τον περιοδικό πίνακα τι ακριβώς ήταν ένας ατομικός αριθμός;

Όλα αυτά έγιναν χάρη σε έναν γαλήνιο χειμώνα στη Γερμανία και σε έναν νεαρό λαμπρό επιστήμονα από το Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ.

Ο Röntgen και οι ακτίνες του

Κάποιοι μπορεί να αναρωτηθούν γιατί οι επιστήμονες δεν εξέτασαν απλώς τα άτομα κάτω από ένα μικροσκόπιο και δεν μέτρησαν τον αριθμό των πρωτονίων; Λοιπόν, μπορεί κανείς να χρησιμοποιήσει το πιο ισχυρό οπτικό μικροσκόπιο στον κόσμο και να μην μπορεί να δει ένα άτομο. Μπορούμε να δούμε μόνο πράγματα που διαταράσσουν τη διαδρομή των κυμάτων φωτός και τα αντανακλούν πίσω στα μάτια μας.

Ένα άτομο είναι 10.000 φορές μικρότερο από το μήκος κύματος του ορατού φωτός, επομένως η παρουσία του δεν έχει καμία επίδραση στα κύματα. Φανταστείτε έναν κόκκο άμμου να στέκεται απέναντι σε ένα γιγάντιο κύμα του ωκεανού (όχι σε κλίμακα).

Η εξερεύνηση στον κόσμο των υποατομικών σωματιδίων πήρε τεράστια ώθηση μετά την ανακάλυψη των ακτίνων Χ από τον Wilhelm Röntgen. Ήταν χειμώνας του 1895 όταν ο Röntgen, όπως πολλοί άλλοι επιστήμονες της εποχής του, ερευνούσε τις ακτίνες που εκπέμπονταν από τον σωλήνα του Crooke.

Ο σωλήνας Crooke ή ο σωλήνας καθοδικών ακτίνων είναι ένας σφραγισμένος γυάλινος θάλαμος κενού με δύο ηλεκτρόδια τοποθετημένα μέσα. Ο σωλήνας θα έδινε μια αμυδρή λάμψη όταν εφαρμοζόταν τάση στα ηλεκτρόδια.

Ένας σωλήνας Crookes που λάμπει σε ένα σκοτεινό δωμάτιο (Φωτογραφία :D-Kuru/Wikimedia commons)

Ο Röntgen βρήκε τη στιγμή του Eureka όταν παρατήρησε ότι οι ακτίνες που εκπέμπονταν από τον σωλήνα δημιουργούσαν φωτεινά σημεία σε μια οθόνη πλατινοβαρίου που ήταν σχεδόν 9 πόδια μακριά από την εγκατάσταση. Για να δοκιμάσει τις διεισδυτικές ικανότητες των αόρατων ακτίνων, θωράκισε το σωλήνα με χοντρό μαύρο χαρτόνι, ωστόσο μια λάμψη φαινόταν ακόμα στην οθόνη. Ονόμασε αυτές τις άγνωστες ακτίνες—ακτίνες Χ.

Τρεις μέρες πριν από τα Χριστούγεννα, στις 22 Δεκεμβρίου, έβαλε το αριστερό χέρι της συζύγου του Άννας σε ένα φωτογραφικό χαρτί και απαθανάτισε την πρώτη ακτινογραφία οστών στον κόσμο. Οι ακτίνες πέρασαν από το δέρμα, αλλά τις σταμάτησαν τα οστά της και η βέρα της. Έκπληκτη από τη σκοτεινή σιλουέτα του χεριού της στο φωτογραφικό πιάτο, αναφώνησε:«Είδα τον θάνατό μου», καθώς αυτή ήταν η πρώτη φορά στην ιστορία που ένας ζωντανός άνθρωπος έβλεπε τον δικό του σκελετό.

Η πρώτη ακτινογραφία ανθρώπινου χεριού. (Φωτογραφία :Καλώς ήρθατε εικόνες/Wikimedia Commons)

Μέσα στα επόμενα χρόνια, οι ακτίνες Χ έγιναν μια από τις μεγαλύτερες ανθρώπινες ανακαλύψεις, καθώς έφεραν επανάσταση στην επιστήμη. Διασκέδασε επίσης τους γενικούς λαούς που επισκέπτονταν εκθέσεις ακτίνων Χ με αξιοθέατα όπως «Μετρήστε τα νομίσματα μέσα στο πορτοφόλι σας» ή «Φωτογραφίες με ακτίνες Χ που τραβήχτηκαν εδώ». Για να διαβάσετε περισσότερα σχετικά με τις χρήσεις των ακτίνων Χ, κάντε κλικ εδώ.

Λοιπόν, πώς η ανακάλυψη των ακτίνων Χ έλυσε το πρόβλημα του ατομικού μας αριθμού; Ευτυχώς για εμάς, οι ακτίνες Χ έχουν μήκη κύματος μικρότερα από το μέγεθος ενός ατόμου και επομένως μπορούν να αλληλεπιδράσουν μαζί τους.

Ο Henry Moseley και οι ατομικοί αριθμοί

Μέχρι τη δεκαετία του 1900, έγινε σαφές ότι οι ακτίνες Χ ήταν ηλεκτρομαγνητικά κύματα, ακριβώς όπως το ορατό φως, αλλά είχαν υψηλότερη ενέργεια και μπορούσαν να διαπεράσουν πράγματα που το φως δεν μπορούσε. Η αγάπη για αυτό το νέο ερευνητικό εργαλείο ένωσε τους χημικούς, τους βιολόγους και τους φυσικούς της εποχής. Οι ακτίνες Χ όχι μόνο αποκάλυψαν τη σκελετική δομή των βιολογικών ειδών, αλλά αποκάλυψαν επίσης την όμορφη διάταξη των ατόμων στους κρυστάλλους μέσω της κρυσταλλογραφίας περίθλασης ακτίνων Χ.

Ο Έρνεστ Ράδερφορντ, ο οποίος ερευνούσε τη ραδιενέργεια χρησιμοποιώντας ακτίνες Χ, διόρισε έναν νεαρό Χένρι Μόζελι (ο Χάρι στους συναδέλφους του) το 1910 για να εργαστεί στο εργαστήριό του. Ο Ράδερφορντ ήθελε ο Χάρι να εξερευνήσει περισσότερα για τα ραδιενεργά στοιχεία, αλλά η καρδιά του ανήκε στη φασματοσκοπία ακτίνων Χ. Συνεργάστηκε με τον Κάρολο Δαρβίνο (εγγονό της «Εξέλιξης» Δαρβίνου) και ερεύνησε τη φύση των ακτίνων Χ που εκπέμπονται από διαφορετικά μέταλλα. Αφού εργάστηκε για τρία χρόνια υπό τον Ράδερφορντ, ξαφνικά επέστρεψε στην Οξφόρδη, από όπου καταγόταν, και άρχισε να εργάζεται ανεξάρτητα σε ένα εργαστήριο συναδέλφων του επιστήμονα.

Εκείνη την εποχή, μια μελέτη που δημοσιεύτηκε από τον Antonius van den Broek, έναν Ολλανδό οικονομολόγο/ερασιτέχνη επιστήμονα τράβηξε το μάτι του Χάρι. Ισχυρίστηκε ότι τα στοιχεία στον περιοδικό πίνακα πρέπει να είναι διατεταγμένα σύμφωνα με το φορτίο στον ατομικό τους πυρήνα και όχι σύμφωνα με το ατομικό βάρος, όπως πρότεινε ο Ντμίτρι Μεντελέεφ. Ο Χάρι αποφάσισε να δοκιμάσει πειραματικά αυτήν την υπόθεση χρησιμοποιώντας φασματοσκοπία ακτίνων Χ.

Η συσκευή του Moseley εκτόξευε μια δέσμη ακτίνων Χ προς τα δείγματά του, τα οποία ήταν γενικά καθαρές μορφές διαφορετικών στοιχείων, και μερικές φορές κράματα μετάλλων. Στη συνέχεια, τα δείγματα εξέπεμψαν δευτερεύουσες ακτίνες Χ που θα χτυπούσαν μια φωτογραφική πλάκα που ήταν τοποθετημένη πίσω της. Ο Χάρι παρατήρησε ότι κάθε στοιχείο δημιουργούσε μια μοναδική σειρά ραβδώσεων ή φασμάτων όταν χτυπούσε στη φωτογραφική πλάκα. Χρησιμοποίησε αυτά τα φάσματα για να υπολογίσει τη συχνότητα των ακτίνων Χ κάθε στοιχείου που μπορούσε να βρει στα χέρια του.

Οι υπολογισμοί του τον οδήγησαν στο συμπέρασμα ότι η τετραγωνική ρίζα της συχνότητας των ακτίνων Χ που εκπέμπονται από ένα στοιχείο ήταν ανάλογη του Z-1, όπου το Z αντιπροσωπεύει έναν ακέραιο αριθμό ισοδύναμο με το φορτίο του ατομικού πυρήνα ενός στοιχείου. Ο νόμος του Moseley δημιούργησε την έννοια των ατομικών αριθμών, η οποία τελικά οδήγησε στην αναδιάταξη του περιοδικού πίνακα. (Στην πραγματικότητα έλυσε πολλές απολύσεις που είχαν προβληματίσει τον πρώτο περιοδικό πίνακα του Mendeleev.

Moseley Staircase:Μια φωτογραφία μοναδικών εκπομπών ακτίνων Χ από διαφορετικά στοιχεία (Photo Credit :Anders Sandberg &Henry Moseley/Wikimedia commons)

Δυστυχώς, η εκπληκτική επιστημονική σταδιοδρομία του Χάρι διακόπηκε όταν ξέσπασε ο πρώτος παγκόσμιος πόλεμος το 1914. Προσφέρθηκε να καταταγεί στον στρατό ως μηχανικός και έχασε τη ζωή του κατά την τουρκική εισβολή. Αναπολώντας το έργο του Χάρι, ο Έρνεστ Ράδερφορντ είπε ότι αναμφίβολα θα είχε κερδίσει ένα βραβείο Νόμπελ αν όχι για τον πρόωρο θάνατό του.

Συμπέρασμα

Η εισαγωγή της κβαντικής μηχανικής απέδειξε ότι τα μοναδικά φάσματα ακτίνων Χ οφείλονταν σε κβαντισμένες ηλεκτρονικές μεταβάσεις και όχι σε πυρηνικό φορτίο. Ωστόσο, τα πειράματα του Moseley με κυκλικό τρόπο μας έδωσαν μια γεύση του τι υπάρχει μέσα σε ένα άτομο, καθώς και τις επιπτώσεις του στον έξω κόσμο.

Μπορούμε τώρα να δούμε πώς μοιάζει ένα άτομο με τη βοήθεια των μικροσκοπίων σάρωσης σήραγγας. Ωστόσο, είμαστε ακόμη πολύ μακριά από μια πραγματικότητα όπου μπορούμε να ανατέμνουμε ένα άτομο για να κοιτάξουμε μέσα και να μετρήσουμε τον αριθμό των υποατομικών σωματιδίων. Έχει περάσει πάνω από ένας αιώνας από τότε που ο Moseley παρουσίασε τον κόσμο στους ατομικούς αριθμούς, αλλά εξακολουθεί να διαμορφώνει τον τρόπο με τον οποίο χειριζόμαστε στοιχεία και εργαζόμαστε στο συναρπαστικό πεδίο της χημείας.