مِمَّ خُلقنا؟
مِمَّ خُلقنا؟
رحلة الأنسان عبر العصور للبحث عن أصل الوجود
على امتداد ألاف السنين، قام العلماء والنوابغ والمهتمين بالمعرفة العلمية
بمحاولة الإجابة عن أحد أصعب الأسئلة في تاريخ الإنسانية، مِمَّ خُلقنا؟ فأول ما أستعمله
الأنسان من مواد الطبيعة، هو سر وجوده، الماء. بل أنه أعتبره أحد المكونات الرئيسة
للمادة في الكون حيث أنتشر الفكر القديم من تكون المادة من عدد من العناصر الأساسية
(أربعة عند اليونان والفرس و اليابان و التبت والهند وهم الماء والهواء والتراب والنار
ثم أضاف لها أرسطو Aristotle العنصر الخامس وهو الأثير Aether وأصبح له مسميات باختلاف الثقافات، فقد وصفه الصينيون
بالخشب wood ) . إن أول العناصر التي أستعملها
الأنسان كان الفحم الحجري (الكربون) وأستعمله كطريقة طريقه للكشف عن أسرار المادة وفي
صهر المعادن مثل الذهب والنحاس و الخارصين (الرصاص) والفضة أثر تواجد هذه المعادن بصورة
منفصلة طبيعية في البيئة، ويرجح أن يكون ذلك قد بدأ منذ حوالي سبعة إلى تسعة آلاف عام
قبل الميلاد (العصر النحاسي والبرونزي). وقد أمكن للإنسان القديم التمييز بين هذه الفئة
من العناصر عن طريق اللون والوزن وسهولة الصهر . أكتشف في خلال فترة العصر البرونزي
عناصر أخرى مثل القصدير والإِثْمِد (الأنتيموني) فيما عرف بالعصر البرونزي نظرا لأن
تلك الفترة بدأ فيها السبائك بالظهور لتقوية معدن النحاس لصنع أدوات قوية التحمل أشد
صلابة من المعدن نفسه. وحتى اكتشاف الحديد كان يعتمد في مبادئ صنعه على حرق الأخشاب
والفحم الحجري للحصول على خاماته فيما عرف بالعصر الحديدي.
 |
| The Big Question |
الكيمياء
أما
علم الكيمياء فقد بدأ في الظهور مع زيادة معرفة الأنسان بالمخاليط مثل مخلوط الزاج
بألوانه الذي وضع تصوراتها جابر بن حيان من عنصر الكبريت ومعادن النحاس والرصاص
والحديد. وقد ميز جابر بن حيان عنصر الزئبق mercury . بقي
العلم على دائرته المغلقة حتى العام 1526 حيث تم التعرف على عنصر الزنك وفصله
بصورة منفردة عام 1746 م . خلال تلك الفترات أنتشر فكر العناصر الأربعة ومحاولات
تحويل مادة لأخرى مثل تحويل الرصاص إلى ذهب وحتى ظهور نظرية الفلوجستن Phlogiston والتي تعتمد على فكر الأثير الغير مرئي حيث تخرج النار هذا العنصر
الغير مرئي أثناء احتراق المواد ، فلا يمكن للهواء المشبع بالفلوجستن من وجهة
نظرهم دعم أي حياة. عاضد هذا الأمر أتجاه علماء مثل الاسكتلندي جوزيف بلاك Joseph Black في بحثهم في علم الهواء Air science. ففي عام
1754 م أعلن بلاك عن قدرته على فصل نوع من الهواء سماه الهواء الثابت Fixed air من خلال نواتج التنفس وأثبت أنه أثقل من الهواء الطبيعي. إن هذا
اكتشاف الهواء الثابت قاد البريطاني جوزيف بريستلي Joseph
Priestley لأحد أهم الاكتشافات في عالمنا المعاصر من حيث الانتشار، فقد
أستطاع جعل الغازات الكربونية الموجودة على سطح برميل تخمير تندمج داخل المياه
ليحصل على المياه الغازية. علاوة على ذلك أكتشف تسعة أنواع على الأقل من الهواء
(الغازات بمفهومنا الحاضر) منها النيتروجين والهيدروجين والفلور وإن لم يسما بهذا
الاسم في ذلك الوقت. جذبت نجاحات بريستلي اهتمام رائد علم الكيمياء الحديثة
الفرنسي أنطوان-لوران دي لافوازييه Antoine-Laurent de
Lavoisier حيث قام بتجربة حرق أكسيد الحديد الأحمر للحصول على غاز يساعد على
الاحتراق ويدعم الحياة سماه الأكسجين تلك التجربة التي قام بها بريستلي على مسحوق صدأ
الزئبق الأحمرRed mercury calx وسبقهم بها الألماني كارل فلهلم شيله Carl Wilhelm Scheele على مركب عرف فيما بعد باسم فوق منجنيز البوتاسيوم. كان لهذه
الاكتشافات معا تأثير مدحض لنظرية النار حيث أثبتت أن النار مجرد عملية لتفاعل
الأكسجين مع المادة. ولكن المهم أن هذا الأمر دل على الطريق الذي يسلكه الفكر
الإنساني للإجابة على السؤال، مِمَّ خُلقنا؟ فإذا كان الأكسجين هو أحد مكونات
المواد التي نَصِفَها بالصدئة فكم من العناصر يمكن معرفتها بعد فصل الأكسجين؟ وكم
من المعادن Minerals التي ظن يوما أنها مختلفة
التركيب يمكن اختزال عددها إلى عدد أقل من العناصر؟ إن عظمة هذا الاكتشاف أدت إلى
دفع العلماء لتمييز عدد من العناصر بعضها عن بعض بناء على الخواص المعروفة مثل
الشكل واللون و درجة الأنصهار. ولكن كل المعارف الكيميائية لم تكن لتكفي للتمييز
بين كل العناصر.
الكهرباء وفيزياء الضوء
إن لاكتشاف التيار الكهربي بواسطة الإيطالي ألساندرو
جيسبي أنطونيو أنستازيو فولتا Alessandro Giuseppe Antonio
Anastasio Volta، الذي صنع أول بطارية كهربية عام 1745 م، دور مهم في المعرفة
الإنسانية. فقد مهد هذا الاكتشاف للترسيب الكهربي للعناصر على أقطاب والتمييز بين
العناصر بواسطة الوزن عند مرور تيار كهربي ثابت. مهد الأمر لاكتشاف عنصر المغنسيوم
magnesium عام 1755م ثم فصل الهيدروجين عام 1766 م ثم
البوتاسيوم والصوديوم عام 1807 م والكالسيوم والبورون عام 1808 م. ولكن قدرة
التمييز بالوزن تتلاشى عندما تكون العناصر أقرب لبعضها البعض لذلك لجأ العلماء في
تلك الفترة على مبدأ لون اللهب (فيما يعرف بلهب بونسن نسبة للعالم الألماني روبرت
بونسن
Robert Bunsen) فأملاح الصوديوم تأخذ عند حرقها لونا أصفر yellow بينما
يصدر ملح البوتاسيوم لونا أرجواني براق pink اما
الليثيوم فيصدر اللون الأحمر الدموي. ولكن بونسن لم يستطع التمييز بين باقي
العناصر نظرا لضعف قدرة الأنسان على التمييز بين الألوان هنا لجأ إلى عالم
البصريات الألماني جوستاف روبرت كيرشوف Gustav Robert Kirchhoff لاستخدام المنشور الزجاجي في تحليل الضوء الصادر من احتراق
الأملاح في لهب بونسن ونجحا معا في التمييز بين عنصري السيزيوم والروبيديوم عامي
1860 و 1861 م. تلى ذلك التمييز بين عدد كبير من العناصر التي ظُن أنها لنفس
العنصر قبل هذا التاريخ واكتشاف عناصر جديدة لم يكن من الممكن تمييزها بالطرق
التقليدية وبذلك أصبحت البصمة الضوئية للعنصر الوسيلة المعترف بها لتأكيد أصالة
الاكتشاف. وقد مكنت هذه الطريقة عام 1868م كل من الفرنسي بيير
جانسين
Pierre Jules César Janssen و البريطاني جوزيف
نورمان لوكير Joseph Norman Lockyer من تمييز خط لغاز اسماه
الأخير غاز الهيليوم في الغلاف الخارجي للشمس أثناء الكسوف الكلي وقد مكن ذلك كل
من وليام ميتشل رامزي William Mitchell Ramsay و بير تيودور كليفه Per Teodor Cleve
عام 1895م من اكتشافه على الأرض.
اقتراح مندليف
في عام 1868 م كان عدد العناصر المكتشفة هو ثلاثة وستون بالإضافة لعنصر
الهيليوم في الشمس. مثل هذا العدد تحديا لكل العلماء إذ أنهم على غير دراية بالتركيب
الذري الذي نعلمه اليوم ولم يكن لديهم من معلومات عن العناصر سوى وزنها مقدر بالكتلة
المكافئة الجرامية للفضة عند مرور تيار كهربي قدره واحد فاراداى. لذلك أقترح غوستاف
ديتليف هنريتشز Gustavus Detlef Hinrichs ترتيب
العناصر طبقا لأوزانها المكافئة ذلك لأن الخطوط الطيفية لم تكن لتعطي أي دلالة على
ترتيب العناصر. ونظرا لأن ثابت فارادي لم يكن معروفا بدقة في هذا الوقت، وهو
الثابت الذي يحول الشحنة المارة خلال محلول إلى وزن كل ذرة، فكانت قيم الوزن
المكافئ نسبية مما أدى للكثير من الخلط وحاول الكثير من العلماء وضع تصورات ولكن
أي منها لم يلق قبولا من المجتمع العلمي إما لتعقيده الشديد أو لبساطته المتناهية.
حتي الروسي ديميتري إيفانوفيتش مندليف Dmitri Ivanovich
Mendeleev صاحب الجدول الشهير للعناصر، لم يستطع أول الأمر الآتيان بالصورة
الكاملة للجدول الدوري الذي نراه اليوم. بل أن محاولاته الأولى لم تنجح إلا لخمس
عناصر خفيفة . ولكن إحداثه لمبدأ جمع الخصائص الكيميائية المتشابهة في مجموعات
وترتيبها معا طبقا للكتلة المكافئة لها أحدث قبولا واسعا في الأوساط العلمية وبذلك
ميز 15 مجموعة ثم قسم أحدها (وهي المجموعة الثامنة) إلى ثلاث ليصبح العدد 17
مجموعة. وكان لعدم أتساق الخصائص الكيميائية والوزن الذري أمرا محيرا لمندليف
ولكنه في النهاية غلب الخصائص الكيميائية على الوزن الذري مخالفا بذلك القاعدة
التي وضعها هنريتشز. وبذلك وضع الجدول عبارة عن 17 عمودا تتخللها فراغات لعناصر
أكد أنها لعناصر لم تكتشف بعد. ولثقته في نتائجه بدأ في التنبؤ بالخصائص المحتملة
للعناصر المفقودة معتمدا على المبدأ بأن الطبيعة لا تعطي استثناءات (هذا المبدأ قد
يعارض مبادئ العلم الحديث حيث أن هناك مناطق تفرُد singularities تسبب
استثناء أمر عن قانون الطبيعة). في العام
1875م تم اكتشاف عنصر الجاليوم Ga بواسطة
الفرنسي بول دي بواسباردن Paul E. Lecoq de
Boisbaudran والذ أخذ نفس الخصائص التي توقعها مندليف ثم أكتشاف عنصر
اليتبريوم عام 1878م بواسطة Jean Charles Galissard de
Marignac وعنصر الهولميوم بواسطة جاك-لویس سورت Jacques-Louis
Soret و مارك ديلفونتين Marc Delafontaine و و بير
تيودور كليفه Per Teodor Cleve في نفس العام. وتوالت
اكتشافات العناصر.
الغازات النبيلة
في العام 1894 م تم اكتشاف غاز خامل بواسطة جون
ويليام ريليه John William Strutt, 3rd Baron Rayleigh و وليام ميتشل رامزي الذي سماه غاز الأرجون ولم يجدا له مكانا في
الجدول الدوري. وهنا أدعى مندليف بأن ريليه ورامزي
قد أخطئا في قياساتهم ولكنه كان مخطئا في ظنه. توالت اكتشافات غازات مثل الكربتون
والنيون والزينون بواسطة رامزي وآخرين وهنا لم يجد مندليف بدا من أن يقبل إضافة
مجموعة إضافية إلى الجدول لذي أقترح فكرته، أطلق عليها أسم الغازات النبيلة وبذلك
أصبح عدد أعمدة الجدول 18 عمودا وإن كانت حتى ذلك الوقت تحتوي على العديد من
الخانات الفارغة .
العناصر الأرضية
في العام 1902 م أعلن كل من بيير
كوري Pierre Curie وزوجته ماري سكوودوفسكا Maria Salomea Skłodowska اكتشافهم لعنصر البولونيوم والراديوم واللذان تم التعرف عليهما من
خلال ظاهرتين فيزيائيتين هما النشاط الإشعاعي و ظاهرة التأثير الكهروميكانيكي piezoelectric واللذان كونا معا وسيلة لرصد هذان العنصران. فلم
يكن لفلسفة العلوم الطبيعية تلك الفوارق التي نراها اليوم بين العلوم. وقد أعتمد
كل من بيير وماري على نتائج الفرنسي أنطوان هنري بيكريل Antoine Henri Becquerel عام 1896 م التي أوضحت أن عنصر اليورانيوم (الذي سبق وأن اكتشفت
خاماته عام 1789م بواسطة الألماني مارتن هاينرش كلابروت Martin
Heinrich Klaproth ) يجعل الهواء المحيط به موصلا للكهرباء نتيجة وجود نوع من
الإشعاع عرف حينها باسم Uranyl ray. نفس الخاصية التي أكتشفها
بيير وماري للبولونيوم والراديوم واستعملاها للكشف عنهم. بعد ذلك بعام واحد ( أي
عام 1903م ) اكتشف رزرفورد غاز الثورون (الرادون). بداية من عام 1903م وحتى ظهور النموذج الذري عام 1911م اكتشفت عدد
كبير من العناصر منها Lu و Eu و Dy و Nd و Sm و Ho و غيرهم مما أثر على سمعة الجدول الذي وضعه مندليف إذ ظهرت
مجموعات من العناصر جديدة لم يوجد لها مكان بالجدول الدوري فالخصائص الكيميائية
لها جميعا أصبحت مشابهة لخصائص المجموعتين الثالثة والرابعة بينما تختلف كتلتها
المكافئة بشكل بسيط.
أشعة-أكس
جاءت طريقة حل المشكلة قبل هذا التاريخ بعدة عقود، فقد أستطاع البريطاني
وليام كروكرز Sir William Crookes في العام 1869 م تصميم أنبوب
مفرغ من الهواء تمر به جسيمات مشحونة عرفت باسم أشعة الكاثود Cathode ray (سميت فيما بعد بالإليكترونات) حيث أكتشف خواصها العديد من
العلماء أهمهم البريطاني جوزيف جون طومسون Joseph John
Thomson و الألمانيون فيليب أنتون لينارد Philipp
Lenard ويوهان فيلهلم هتورف Johann Wilhelm
Hittorf وجوليوس بلكر Julius Plücke ويوجين
غولدشتاين Eugen Goldstein وهاينريش هيرتز Heinrich Rudolf Hertz و أخيرا أستطاع الألماني فيلهلم كونراد رونتغن Wilhelm Conrad Röntgen استعمال الاكتشاف بتسليط شعاع إلكتروني داخل الأنبوب الزجاجي على
هدف من معدن ثقيل ليحصل على نوع من أنواع الضوء الغير مرئي أطلق عليه أسم أشعة-إكس
X-ray. وكان لأشعة أكس دور هام في اكتشاف العالم من حولنا. ففي العام
1911 م وضع العالم الأسترالي وليام لورنس براغ Sir William
Lawrence Bragg قانون الحيود لأشعة أكس في البلورات لتصبح البلورات بديلا عن
المنشور الزجاجي في معرفة الطيف ولكن أمر الحيود لأشعة-إكس كان معروفا من قبل
علماء آخرين قبل هذا التاريخ بسنوات. أستطاع الفيزيائي الإنجليزي هنري غوين جيفريس
موزلي Henry Gwyn Jeffreys Moseley عمل دراسة (تعرف الآن باسم
دراسة تصنيفية Systematic study) باستخدام علم البلورات لوضع
تصور عن طيف أشعة-إكس ومدى تغيره في قيمة تردده عند الانتقال في جدول مندليف من
عنصر إلى الذي يليه حيث لم يكن معروفا في هذه الفترة سوى رقم المربع الذي يوضع به
رمز العنصر. وأعطت الدراسة علاقة خطية بين الجذر التربيعي لتردد طاقة أشعة أكس
ورقم المربع، مما يعني أن رقم المربع هو كمية أساسية للذرة بدلا من كونه مجرد رقم،
كان هذا الكشف في حدود عام 1913 م .
العصر النووي
هذا الرقم هو عدد الشحنات الموجبة (البروتونات) في الذرة وهذا ما أستنتجه
أستاذ موزلي ، العالم الكبير إرنست رذرفورد Ernest
Rutherford في نفس الفترة. قام موزلي بعد اكتشافه بدراسة
عدد كبير من المواد التي أدعى أصحابها أنها عناصر جديدة فأقر بعضها ونفى صحة أدعاء
البعض حتى أنهى إكمال الخانات الفارغة في جدول مندليف عدا عنصر Hf الذي أكتشف عام 1923م و Pa الذي
أكتشف عام 1913م و Re الذي أكتشف عام 1925م و Tc الذي أكتشف عام 1937م بعد اكتشاف النيوترونات و Fr الذي أكتشف عام 1939 م و Pm الذي
أكتشف عام 1945م والنبتونيوم Np والبلوتونيوم Pu عام 1940م في المفاعلات النووية بواسطة غلين
سيبورغ Glenn Theodore Seaborg. والذي أستمر في سلسلة
اكتشافاته للعناصر الجديدة مثل الكوريوم Cm و
الأمرسيوم Am و البيركليوم Bk والكليفورنيوم Cf .
الجدول الدوري
في العام 1913م قدم نيلس هنريك دافيد بور
Niels Henrik David Bohr
نموذج
لذرة الهيدروجين بني على أساس نظرية حركة الكواكب حول الشمس والذي طور بعد ذلك
ليكون نظرية الكم وقام بعدها الأمريكي إرفينغ لانغموير Irving Langmuir بوضع نموذج بني على نموذج بور لترتيب مستويات الطاقة حول نواة
الذرة وكان ذلك في عام 1919م ، ووجد أنه من الواجب إضافة خانات منفصلة
لجدول مندليف أحدهما خاص بالعناصر الأرضية النادرة (اللانثانيدات Lanthanides ) والثاني خاص بالعناصر المشعة (الأكتينيدات Actinides) بتوصيف
مختلف. كان لتصنيف لانغموير وتابعوه دور كبير في اكتشاف القانون الدوري للعناصر،
حيث سمي الجدول منذ ذلك الحين باسم الجدول الدوري Periodic
Table والذي أكمل عناصره المائة وثمانية عشر ومازال البحث مستمرا سعيا للوصول
للمزيد.
