Atomun Hekayəsi ilə XX Əsrin Elementləri

Atom haqqında bu gün bilinənlər, 1 əsr bundan əvvəlkinə görə qat-qat çoxdur. Bunun bir çox səbəbi var — ən böyük səbəblərdən biri isə atomun bölünə bilmə özəlliyinin olmaması inancı idi. Atom sözü yunan dilindən “atomus” sözündən törəyib və bölünməz mənasına gəlir; tarixi isə E. Ə. 460-cı illərə qədər gedib çıxır. Atom sözü ilk dəfə qədim Yunanıstanda, Demokritus və Leukippus tərəfindən ifadə edilmişdir. Ona qədər filosofların inanmış olduğu ən təməl maddələr, Empedokles tərəfindən ortaya qoyulmuş – hava, od, su, torpaq idi. Bu ideyanı hətta məşhur filosof Aristotel də dəstəkləmişdir. Lakin, əsrlər sonra, Demokritusun fikirləri yenə də aktuallaşaraq, əsas alınacaqdı.

Atom məfhumu isə, rəng korluğu ilə də tanınan, Birləşmiş Krallığın Manchester Maarifçilik və Fəlsəfə cəmiyyətinin üzvü olan John Dalton tərəfindən, 1803-cü ildə ortaya atılmışdır. Onun atom haqqındakı təsəvvürləri Demokritusun “atomus” fəlsəfəsini əsas alırdı. John Dalton, atomun özəlliklərini dörd maddə ilə izah edəcək teorem hazırlamışdır:

1) Elementlər, atom adı verilən çox kiçik zərrəciklərdən ibarətdir.

2) Bir elementin atomları, bir-birinin eynisidir; yəni, bu atomların ölçüsü, kütləsi və kimyəvi özəllikləri eynidir. Lakin bir elementin atomları başqa elementin atomlarından fərqlidir.

3) Mürəkkəb maddələr birdən çox elementin atomlarından yaranır. Mürəkkəb maddədəki fərqli atom sayılarının bir-birinə olan nisbəti tam və yaxud kəsr sayı olabilər.

4) Kimyəvi reaksiyalar, atomların bir-birindən ayrılması, digərləri ilə birləşməsi və yaxud da yenidən qruplaşması sayəsində baş verir ki, bu da atomların yox olmasına və ya yaranmasına yol açmır.

1895-ci ildə Almaniyanın Würzburg Universitetində, fizika professoru olaraq çalışan zaman, Wilhelm Conrad Röntgen 0.01 -10 nm dalğaboyu uzunluğunda olan X-şüalarını kəşf edir və bununla da modern fizika elminin inkişafında ilk addım atılmış olur. 1901-ci ildə Röntgen, Fizika sahəsində ilk Nobel mükafatını alır. Qeyd etmək lazımdır ki, X-şüaları sayəsində çalışan Röntgen cihazı günümüzdə də tibbdə çox istifadə olunan alətlərdəndir. Bununla yanaşı, yüksək nüfuz etmə qabiliyyəti olan bu şüaları kristalloqrafiya sahəsində və atomların bir-birinə necə bağlandığını göstərən alətlərdə də istifadə etmək olur. Bu kəşf zamanında böyük səs-küyə səbəb olmuş və Avropada beynəlxalq seminarlarda geniş müzakirələrə gətirib çıxarmışdır.

1896-cı ildə Fransız fizikaçı alim Henri Becquerel, Röntgen’in kəşfi müzakirə olunan bir seminardan sonra, X-şüaları ilə çalışmaq qərarına gəlir və uranium tərkibli maddələr üzərində təcrübələrə başlayır. Buna səbəb isə, uranium minerallarının günəş işığından sonra, qaranlıqda közərməsi idi. O, uranium duzunu pəncərənin kənarına yerləşdirərək, günəş şüalarının bu duzda şüa emissiyasına necə təsir edəcəyini öyrənmək istəyir. Bu zaman, duzun arxasında qara rəngli kağızla örtülmüş fotoqrafik lövhə (gümüşdən hazırlanmış şüşə) olur. O, lövhəni uranium duzundan emissiya olunan şüaları ölçmək üçün istifadə edirdi. Həmin lövhələri yuduqdan sonra, uranium duzundan zəif cizgilərlə yayılan yansıma tapır. Bu, onu heyrətləndirir və təcrübəni digər uranium duzlarıyla təkrarlamaq istəyir. Duzlar 1, 2, 3 və daha çox gün günəş şüaları altında saxlanır, ardınca isə, duzun arxasına yerləşdirilmiş müvafiq lövhələr yuyulur. Becquerel bununla peyda olan şəklin qalınlıq dərəcəsini ölçür və elə düşünürdü ki, günəş şüalarının altında saxlanma müddəti ilə şüa emissiyasının intensivliyi düz mütənasibdir. Beləcə, günəş şüalarının altında 5 gün gözlədilmək planı ilə yenə pəncərənin kənarına uranium duzu yerləşdirir, lakin birinci gündən sonra hava buludlu olur. Günəş çıxana qədər təcrübəni qaranlıq otağa daşıyır, lakin növbəti bir neçə gün də hava günəşli olmur. Bundan sonra, qaranlıqda saxladılan həmin foto lövhələri yuyur və təəccüblü nəticə ilə qarşı-qarşıya qalır — peyda olan təsvirlər daha qalın cizgilidir. Eyni təcrübəni, dəfələrlə təkrar etməsinə rəğmən, nəticə dəyişmir. Bununla da, Becquerel, uranium duzlarının günəş işığının yoxluğunda belə, təbii formada şüa emissiya etməsi fikrini önə sürür və bu şüaların X-şüaları olduğu qənaətinə gəlir.

Becquerel 1896-cı ildə uraniumun təbii şəkildə şüa saçması ilə əlaqəli məqalə yazır və bununla da, “təbii radioaktivlik” kəşf olunmuş olur. 1903-cü ildə Becquerel, Marie Curie və Pierre Theodore Curie, fizika Nobel mükafatına layiq görülürlər.

Marie Sklodowska, Sorbonne adı ilə bildiyimiz, Paris Universitetinin fizika və riyaziyyat bölmələrindən məzun olur. Daha sonra, doğma vətəni olan Polşaya qayıdır, lakin o vaxtlar burada qadınların doktorluq dərəcəsi ala bilmədiyi üçün, Pierre Curie’nin dəvəti ilə yenidən Paris Universitetinə geri qayıdır. Onlar, daha sonra ailə qururlar və Marie Sklodowska, soyadını Curie ilə əvəzləyir. Pierre Curie, fiziki qurğular üzrə mütəxəssis olduğundan, Becquerelin radioaktivlik kəşfi üçün qurğular hazırlayır. Onlardan ilkin olanı, elektrometr cihazıdır. Marie Curie uranium duzlarının havanı ionlaşdırdığı üçün, elektrikin sahəsi yaratdığını kəşf edir və Pierre ilə birlikdə uranium duzlarının, elektrometr ilə, elektrik intensivliyini ölçməyə başlayırlar. Onlar dəqiq hesablaya bilirlər ki, uranium ətrafında hava ionlaşması (radioaktivlik) artdıqca, elektrometr daha yüksək dəyərlər ölçür, yəni elektrik intensivliyi artır. Çünki, uraniumun radioaktivliyi, havanı ionlaşdırırdı. Onlar radioaktivliyin, dolayısıyla da hava ionlaşmasının artması ilə duzun ətrafındakı elektrik intensivliyinin də artdığını elektrometrlə ölçə bilirlər. Daha sonra, onlar digər radioaktiv elementlərin axtarışına başlayırlar. İlk kəşf etdikləri element, torium olur. Bunun ardınca, içində uranium elementi olan, “pitchblend” adlı bir mineralın daha radioaktiv olduğunu ölçürlər. Onlar, bu mineralın içində uraniumdan daha radioaktiv bir elementin olduğunu düşünüb, həmin elementi mineraldan ayırd edirlər. Onun adı Polşanın şərəfinə, polonium qoyulur. Tezliklə, onlar radium elementini də bu yolla kəşf edirlər. Radium fransız dilindən şüa anlamını verir və bu ad onun qeyri-adi emissiya gücünə görə qoyulur. Laboratoriya imkanlarının az olmasından, onlar 0.1 gram radium əldə etmək üçün, 4 il ərzində 3-4 ton mineral istifadə etmişdilər. Radium, o günə qədər tapılmış, ən radioaktiv element idi. 1911-ci ildə Marie Curie, kimya sahəsində Nobel mükafatını alır. Hələ də, bu mükafatı Marie Curie xaricində, iki dəfə alan yoxdur.

1895-ci ildə, Yeni Zellandiyada doğulmuş, Yeni Zellandiya Universiteti, Canterbury Kollecinin məzunu, Ernest Rutherford, Cambridge Universitetindən təqaüd alaraq, Cavendish laboratoriyasında, professor Joseph John Thomson ilə çalışmaq fürsəti əldə edir. Thomson, fotoelektrik işıqla mənfi yüklü hissəcik çıxdığını, bu hissəciyin katod şüalarının kütləsi ilə eyni olub, hidrogen atomundan 1800 dəfə az kütləyə sahib olduğunu göstərən təcrübə aparır. Elektrik kəşf olunduğundan, metallardaki elektrik axımını mümkün edən parçacığın, həmin mənfi yüklü parçacıq olduğunu kəşf etmək çox asan olur. Elektrik axımı ilə əlaqəli olaraq, bu parçacığa “elektron” adı verilir. Rutherford Thomson’un təcrübələri ilə yaxından tanış olur. Lakin, doktorluq dərəcəsini aldıqdan sonra, ona Cambridge unıversitetində professor olaraq çalışmağa icazə verilmir. O vaxtın qanunlarına görə, Birləşmiş Krallıq universitetlərində, yalnız İngiltərədə doğulan insanlar professor olaraq çalışa bilərdi. Bunun nəticəsində, Rutherford Kanadanın McGill Universitetinə üz tutur (Thomson’un yönləndirməsiylə) və araşdırmalarını orada davam edir. Radioaktiv maddələrdən quraşdırma edərək iki şüa növü tapır. Onlardan müsbət yüklü olanı α-şüası, mənfi yüklü olanı isə, β-şüası adlanır. Bundan əlavə, β-şüasının elektron emissiyası ilə eyni olduğunu da, Thomson ilə qazandığı təcrübələr sayəsində isbat edə bilir. Rutherford, α-şüalarının 4 hidrogen atomunun kütləsinə (yəni +2 yüklü helium atomu) bərabər olduğunu göstərir. Fransız fizikaçı Paul Villard üçüncü növ şüanın mövcud olduğunu və onun nə yükü, nə də kütləsi olduğunu kəşf edərək, onu ϒ-şüası adlandırır. Nüfuz etmə qabiliyyətinə görə ϒ-şüaları, α- və β-şüalarından qat-qat yüksək idi. Daha sonra, Rutherford nüvəsi aktiv olan elementlərin radioaktivliyinin yarıya düşmə zamanını hesablayaraq, yarılanma ömrü (τ1/2) funksiyasını çıxarır. uranium-238 izotopu üçün yarılanma ömrünün 4.5 milyard il olduğu müəyyən olunur. Rutherford McGill Universitetindəki kəşflərindən sonra, İngiltərəyə, Manchester Universitetinə dəvət alır. İngiltərədə, o, qızıldan düzəlmiş təbəqəyə α-parçacıqları ilə nüfuz edir. α-şüalarının qızıl təbəqəsini tamamilə keçəcəyini təxmin etsə də, bəzi α-parçacıqları əyilərək geri qayıdır (difraksiya), bəziləri isə fərqli bucaq altında təbəqəni keçir. Bu, Rutherforda görə atomun tort şəklində olmaması, nüvəyə sahib olması haqda məlumat verirdi. Rutherford azot qazını radium elementi emissiyası nəticəsində ortaya çıxan α-parçacıqları ilə bombardman edir və nəticədə oksigen qazını və +1 yüklü parçacığı (elektronu olmayan hidrogen atomu) əldə edir. Beləliklə, tarixdə ilk dəfə, bir atom başqa bir atoma çevrilir. Həmin +1 yüklü parçacıq isə, “proton” adlandırılır:

¹⁴N + α → ¹⁷O + proton

Qızıl təcrübəsindəki geri qayıdış və əyilmələrin səbəbi, məhz nüvədəki protonun müsbət yüklü α-parçacığını dəf etməsi olur. Bu təcrübəylə, Rutherford ilk dəfə bir növ atomu parçalayaraq başqa bir növə çevirmiş olur (çoxları ilk dəfə atomu parçalayan alimin Albert Einstein olduğunu düşünsə də, onun nə atom parçalanması, nə də atom bombası ilə əlaqəsi var). Beləliklə, atom parçalana bilməz deyən Daltonun modeli iflasa uğrayır.

Ernest Rutherford, 1908-ci ildə kimyadan Nobel mükafatı alır. α-parçacığı ilə bombardman bir elementi fərqli elementə çevirdiyi üçün, Avropalı alimlər bu parçacıqla təcrübələr aparmağa başlayırlar. Onlardan biri də, Cambridge Universistetindəki James Chadwickdir. Azot atomunun kütləsinin hidrogen atomundan 14 dəfə ağır olduğu və 7 elektron daşıdığı artıq kəşf olunsa da, alimlər bu atomunun tərkibindəki başqa parçacıqlardan xəbərsiz idilər. James Chadwick berillium metalını, radium metalından emissiya olunan α-parçacıqları ilə bombardman etdikdən sonra, elemental karbonun əmələ gəldiyini görür. Lakin, reaksiyaların kütlə qorunması qanununa əsasən kütləsi 1 hidrogen atomu qədər, amma yüksüz bir qalıq qalırdı, hansı ki, onu elektrometrlə ölçmək mümkün deyildi (bu cihaz ancaq yükü olan parçacıqları aşkarlaya bilirdi). Qalıq, yüksüz olduğu üçün ona “neytron” adı verilir. Bu hadisəni, 1932-ci ildə, James Chadwick ilə paralel olaraq, Marie Curienin qızı Irene Curie də kəşf edir.

Daha fonra, 1933-cü ildə Irene Curie və həyat yoldaşı Frederick Joliot, alüminium metalını α-bombardmanı edərək, radioaktiv fosforu sintez edir. Bununla da, “sintetik radioaktivlik” termini elmi leksikona daxil olur, çünki təbiətdə radioaktiv fosfor müşahidə olunmur. Bu kəşflərinə görə Irene Curie və Frederick Joliot, 1935-ci ildə, kimya üzrə Nobel mükafatına layiq görülür. Curie ailəsindən artıq 5 Nobel mükafatçısı çıxdığına görə, Nobel komitəsi neytronu kəşf edənin James Chadwick olaraq qəbul edilməsini uyğun görür və 1935-ci il, fizika üzrə Nobel mükafatını ona təqdim edir. Bununla, Daltonun atom teoremindəki 2-ci maddə də təkzib edilmiş olur. Bir elementdən eyni proton, lakin fərqli sayıda neytronlara sahib başqa ölçülərdə və fərqli kimyəvi xüsusiyyətlərə sahib atom yaratmaq mümkündür ki, o zaman, bu iki fərqli atom eyni element sayılsa da, bir-birinin izotopu adlanır. Bundan öncə isə, İsveçli alim Jöns Jakob Berzelius elementlərin allotrop halında, yəni eyni növ atoma sahib, amma modeli baxımından təbiətdə fərqli quruluşda tapılan biləcəyini kəşf etmişdi. Oksigen qazı və ozon qazı, qrafit və almaz, qırmızı fosfor və ağ fosfor allotroplara misallardır. Daltonun, eyni növ atomların – eyni kimyəvi xüsusiyyətlərə sahib olması maddəsi, əslində, allotroplar üçün uyğundur.

Neytron parçacığının kəşfindən sonra, Roma Universitetinin professoru Enrico Fermi, 1933-cü ildə, müxtəlif elementləri neytron-bombardmanı etmək arzusuna düşür. Buna maraq isə, neytronların yük daşımaması, α-parçacıqları kimi elektron buludları ilə neytrallaşdırıla bilinməməsi və protonlarla birləşə bilmə ehtimalının olmasından dolayı idi. Amma, bunun üçün o, neytronu süni şəkildə əldə etməli idi, çünki radioaktiv elementler təbii yolla neytron emissiyasına qadir deyillər. Üstəlik α-parçacığı əldə etmək üçün, istifadə olunacaq radiumun o günlərdəki dəyəri 34,000 $/qram idi. Maddi imkanının zəif olduğunu anlayan Roma Universitetinin alimi İngiltərədə və Almaniyadakı professorlardan istifadə olunmuş radium qazı qalığı istəyir. O, bilirdi ki, radium parçalandıqdan sonra radioaktiv olan radon qazı əmələ gəlir ki, o da yarılanma ömrü 4 gün olan bir radioaktivliyə sahibdir və parçalanması sırasında, yenidən, α-parçacıqları əmələ gəlir. Bununla da, o, radondan emissiya olunan α-parçacıqları ilə, Chadwick metodunda olduğu kimi, berillium lövhələrini bombardman edib, neytron əldə edir. Bu reaksiyanı hidrogen qazı, berillium, bor, karbon və azot qazı ilə yoxlayır. Lakin, neytron bombardmanı bu elementlərlə heç bir nəticə vermir. Sonra isə təcrübəni Na, As, Si, I₂, Cl₂ və Mn ilə təkrar edir. Nəticə isə, həmin elementlərin radiokativ izotoplarıdır (radioaktivlik səviyyəsi Geiger-hesablayıcısı ilə ölçülür):

Növbəti neytron bombardmanı gümüş və uranium ilə ediləcəkdi. Gümüşün neytron-bombardmanı zamanı, Geiger-hesablayacısının ölçdüyü radioaktivlik hər gün fərqli səviyyədə olurdu. İlk gün 100 parçacıq/dəq, növbəti gün 1000 parçacıq/dəq, 3-cü gün isə 5 parçacıq/dəq. Buna aydınlıq gətirmək üçün, Fermi neytronla gümüş təbəqəsinin arasına müxtəlif filtrlər qoyur. Parafin filtrindən istifadə olunan vaxt, nəticələr daha da qəribələşirək, 100 dəfə artıq radioaktivlik müşahidə olunur. Fermi, düşünür ki, parafin molekulundakı çox saylı hidrogen atomları, ölçü olaraq neytronla təxmini eyni olduğu üçün, bombardman zamanı, neytronlar həmin hidrogenlər (protonlar) tərəfindən zəbt olunur və parçacıqların sürəti azalır. Bu isə, prosesi daha effektiv edir, çünki sürətli neytronlar, gümüş təbəqəsini deşib keçir, yavaşlamış neytronlar isə, gümüşlə daha yaxşı reaksiyaya girib, radioaktivliyi artırır. Bunu isbat etmək üçün, o, eyni təcrübəni suda təkrarlayır. Sudakı hidrogen atomları da, eyni yolla, neytronların sürətini azaldaraq, radioaktivliyi artırır. Bu prinsip, gələcəkdə atom bombasının inşasında istifadə olunacaqdı…

Uraniumun neytron bombardmanı zamanı isə, Fermi, atom nömrəsi 93 olan neptuniumu sintez etmiş ola biləcəyini düşünürdü. Ehtimallar arasında, 91 nömrəli element -protaktinium da var idi. Protaktinium, 1917-ci ildə, Alman kimyaçıları Otto Hahn və Lise Meitner tərəfindən, artıq kəşf olunmuşdu, lakin neptuniumun, o zamana qədər kəşf olunmadığı üçün, kimyəvi özəllikləri naməlum idi. Irene Curie, uraniumun neytron bombardmanı zamanı, nə protaktiniumun, nə də neptuniumun alındığını, hansısa “trans-uranik” elementin əmələ gəldiyini iddia etmişdi. Həmin ərəfələrdə, Nazi Almaniyasında çalışan Lisa Meitner və Otto Hahn da, uraniumla təcrübələr aparırdı. Lisa Meitner, yəhudi əsilli olduğu üçün, Hitlerin siyasətindən qorxaraq və işini yarımçıq qoyaraq, İsveçə köçmək məcburiyyətində qalır. Otto Hahn ilə təcrübələrə isə, Fritz Strassmann davam edir. Onlar, bu trans-uranik elementin, radium olduğunu düşünürlər. Lakin, atom nömrəsi 92 olan uraniumun, bombardmanı nəticəsində 91, ya da 92 nömrəli elementin formalaşacığını düşünmək, onlar üçün, əmələ gələn elementin radium (atom nömrə = 88) olmayacağı ehtimalını gücləndirirdi. Radium, barium ilə eyni kimyəvi xüxusiyyətlərə sahib olduğundan, onlar, reaksiya qabına barium əlavə edirlər. Daha sonra, reaksiyada radiuma rast gəlmirlər, əvəzində isə artmış barium kütləsi müşahidə edirlər. Bariumun atom nömrəsi 56 olduğundan, ilk dəfə böyük ölçüdə olan bir atomu bombardmanla, az qala yarıya bölmuş olurlar. Otto Hahn, nəticələri Lisa Meitner ilə paylaşdıqda, Lisa bunun mümkün ola biləcəyini deyir və uraniumun neytronla bombardmanı sayəsində parçalanmasına “fizyon” adını verir. İlk dəfə uraniumu parçalayan alim olaraq isə Otto Hahn tarixə keçir. Danimarkalı fizikaçı Niels Bohr, reaksiya nəticəsində çıxan enerjini, Einstein’in kütlə-enerji qanunu (E = m x c²) ilə hesablamaya çalışır və bununla da, reaksiyanın gerçəkləşdiyini isbat edir. Niels Bohr elektronların, protonla neytronların sıx toplandığı nüvənin ətrafında, daimi hərəkətdə olduğunu və daha iri-radiuslu elektronların daha yüksək energiyaya sahib olmasını göstərir. Atom modelinin müasir hala çatmasında, Niels Bohr’un modeli əsas alınır. Dalton’un, parçalana bilməyən adlandırdığı atomun içində isə, bu günlərdə, protondan və neytrondan da daha kiçik zərrəciklərin ola biləcəyi düşüncəsiylə araşdırmalar aparılır.

Mənbələr

1. Akbulut, U. (2013). Developments of Chemistry. [Mühazirə]
2. Curie, E. (2001). Marie Curie: A biography. New York, NY: Da Capo Press.
3. Biography.com Editors (2016). Marie Curie Biography. Biography.com website. Alınıb: http://www.biography.com/people/marie-curie-9263538 (
4. The atomic model. (2016). Alınıb: http://www.projectsharetexas.org/sites/default/files/resources/documents/EvolutionOfAtomicModel.pdf
5. The models of the atom. (2016). Alınıb: http://www.emsb.qc.ca/laurenhill/science/models.pdf

---

Müəllif haqqında: Toğrul Alməmmədov Türkiyənin Orta Doğu Teknik Universitetində, Kimya bölməsində, magistr üzrə təhsil alır. Laboratoriya araşdırmaları: “Aktiv karbon və tenax adzorbenti ilə havadakı uçucu üzvi birləşmələrin toplanması və kvantitativ təhlili”, “Quartz kristalı mikrobalansı və səpmə monitorinqi texnologiyası (QCM-D monitoring technology) ilə kobalt(II) və nikel (II)-imidazol-zülal kimyəvi bağının analizi və hüceyrədəki E-kadherinlərin kimyəvi xüsusiyyətlərinin öyrənilməsi”, “Mn-GHK tripeptid kompleksinin süni fotosintezindəki mexanizması”, “Fischer-karbenlərin öyrənilməsi”