کیهان زادگاه الفبای هستی — بخش ۱

سرآغاز کیهان با رویدادی به نام مهبانگ (Big Bang) همراه بوده است که طی آن انرژی عظیمی آزاد شد. در مراحل اولیه پس از مهبانگ، ابتدا ذره‌های زیراتمی مانند الکترون، پروتون و نوترون پدید آمدند. با کاهش دما، این ذرات با هم ترکیب شده و نخستین عنصرهای جهان، یعنی هیدروژن (H) و هلیم (He) را به وجود آوردند.

با گذشت زمان و کاهش بیشتر دما، توده‌های گاز هیدروژن و هلیم متراکم شده و مجموعه‌های گازی بزرگی به نام سحابی را تشکیل دادند. سحابی‌ها زادگاه ستاره‌ها و کهکشان‌ها هستند. درون ستاره‌ها، بر اثر واکنش‌های هسته‌ای همجوشی و در دماهای بسیار بالا، عنصرهای سبک به عنصرهای سنگین‌تر تبدیل می‌شوند. برای مثال، هیدروژن به هلیم تبدیل شده و انرژی گرمایی و نور خیره‌کننده‌ای آزاد می‌کند.

عنصرهایی مانند کربن، نیتروژن و اکسیژن در ستاره‌ها تشکیل شدند. با مرگ ستاره که اغلب با یک انفجار بزرگ (مانند انفجار ابرنواختری) همراه است، این عناصر در فضا پراکنده شده و سحابی‌های جدید را غنی‌سازی می‌کنند. لازم به ذکر است که عناصر سبک‌تر مانند کربن، قدمت بیشتری نسبت به عناصر سنگین‌تر مانند آهن و طلا دارند.

فضاپیماهای وویجر ۱ و ۲ کاوشگرهایی بودند که در سال ۱۹۷۷ میلادی برای شناخت بیشتر سامانه خورشیدی و تهیه شناسنامه فیزیکی و شیمیایی سیارات بیرونی (مشتری، زحل، اورانوس و نپتون) به فضا پرتاب شدند. این مأموریت با گذر از کنار سیارات و بدون فرود بر سطح آن‌ها انجام شد. اطلاعات ارسالی شامل نوع عناصر سازنده، ترکیب‌های شیمیایی اتمسفر و ترکیب درصد مواد بود.

مطالعه عناصر سازنده نشان می‌دهد که عناصر در جهان به صورت ناهمگون توزیع شده‌اند. سیاره مشتری عمدتاً از هیدروژن (نزدیک به ۹۰٪) و هلیم تشکیل شده است. در میان هشت عنصر فراوان مشتری هیچ عنصر فلزی یافت نمی‌شود و همگی نافلز (مانند کربن، اکسیژن، گوگرد) هستند. در مقابل، زمین سیاره‌ای سنگی است که آهن فراوان‌ترین عنصر آن محسوب می‌شود و اکسیژن میان این دو سیاره مشترک است، اما درصد آن در زمین بسیار بیشتر است.

وویجر ۱ پیش از خروج از منظومه شمسی، تصویری تاریخی از زمین از فاصله تقریبی ۷ میلیارد کیلومتری ثبت کرد. اطلاعات به دست آمده از این مأموریت‌ها نشان داد که انسان‌های اولیه نیز با مشاهده آسمان و ستارگان، همواره به دنبال درک نظم و قانونمندی حاکم بر کیهان بوده‌اند.

اتم از سه ذره زیراتمی اصلی تشکیل شده است: پروتون (p)، نوترون (n) و الکترون (e). نوترون سنگین‌ترین ذره است و جرم آن (۱/۰۰۸۷ amu) کمی بیشتر از پروتون (۱/۰۰۷۳ amu) است. جرم الکترون بسیار ناچیز و حدود ۱/۲۰۰۰ جرم پروتون یا نوترون (۰/۰۰۰۵ amu) است. در یک اتم خنثی، تعداد پروتون‌ها (عدد اتمی Z) با تعداد الکترون‌ها برابر است، بنابراین مجموع ذرات زیراتمی برابر با A+Z (عدد جرمی + عدد اتمی) است.

ایزوتوپ‌ها اتم‌هایی از یک عنصر هستند که عدد اتمی (Z) یکسان اما عدد جرمی (A) متفاوتی دارند (تفاوت در تعداد نوترون‌ها). ایزوتوپ‌ها به دلیل یکسان بودن پروتون‌ها و الکترون‌ها، خواص شیمیایی و واکنش‌پذیری کاملاً مشابهی دارند، اما در خواص فیزیکی وابسته به جرم (مانند چگالی، نقطه ذوب و جوش) متفاوت هستند. همه ایزوتوپ‌های یک عنصر در جدول تناوبی هم‌مکان هستند.

نیم‌عمر رادیوایزوتوپ‌ها با پایداری آن‌ها رابطه مستقیم دارد؛ هرچه نیم‌عمر بیشتر باشد، ایزوتوپ در طبیعت فراوان‌تر و پایدارتر است. هیدروژن ۷ ایزوتوپ دارد که ۲ مورد (پروتیم و دوتریم) پایدار و ۵ مورد دیگر ناپایدارند. تریتیم (^۳H) تنها رادیوایزوتوپ طبیعی هیدروژن است.

از میان ۱۱۸ عنصر شناخته شده، ۹۲ عنصر (حدود ۷۸٪) طبیعی و ۲۶ عنصر (حدود ۲۲٪) ساختگی هستند. تمامی عناصر با عدد اتمی بیش از ۹۲، ساختگی می‌باشند. تکنسیم (Tc) با عدد اتمی ۴۳، نخستین عنصری بود که به طور مصنوعی در واکنشگاه هسته‌ای ساخته شد. این عنصر یک رادیوایزوتوپ ناپایدار با نیم‌عمر کوتاه است که به دلیل زمان ماندگاری کم، امکان انبار کردن مقادیر زیادی از آن وجود ندارد.

یکی دیگر از رادیوایزوتوپ‌های مهم، اورانیوم (U) است. این فلز پرتوزا در طبیعت یافت می‌شود اما تنها ایزوتوپ شکافت‌پذیر آن، یعنی اورانیم-۲۳۵ (^۲۳۵U)، فراوانی بسیار کمی (کمتر از ۰/۷٪) دارد. برای استفاده از آن به عنوان سوخت در راکتورهای اتمی، فرایند غنی‌سازی ایزوتوپی انجام می‌شود که هدف آن افزایش درصد فراوانی این ایزوتوپ بر اساس تفاوت در خواص فیزیکی (مانند جرم) است.

استفاده از سوخت‌های هسته‌ای چالش بزرگی به نام دفع پسماند چالش‌برانگیز دارد. این پسماندها همچنان خاصیت پرتوزایی دارند و برای سلامتی انسان و محیط زیست بسیار خطرناک هستند. از دیگر کاربردهای رادیوایزوتوپ‌ها می‌توان به تشخیص و درمان توده‌های سرطانی (با گلوکز نشان‌دار) اشاره کرد. همچنین، مواد پرتوزای موجود در دود سیگار یکی از علل اصلی سرطان ریه محسوب می‌شوند.

اتم‌ها به قدری کوچک هستند که مشاهده مستقیم یا اندازه‌گیری جرم آن‌ها با ترازو ممکن نیست. به همین دلیل دانشمندان از مقیاس واحد جرم اتمی (amu) یا نماد 'u' استفاده می‌کنند. مرجع این مقیاس، ایزوتوپ کربن-۱۲ (^۱۲C) است که جرم آن دقیقاً ۱۲ amu و هر یک amu معادل ۱/۱۲ جرم اتم کربن-۱۲ تعریف شده است. جرم اتمی میانگین هیدروژن در این مقیاس برابر با ۱/۰۰۸ amu است.

رابطه بین مقیاس اتمی و مقیاس ماکروسکوپی (آزمایشگاهی) از طریق مفهوم مول برقرار می‌شود. یک مول از هر ذره شامل ۶/۰۲۲ × ۱۰^۲۳ (عدد آووگادرو) از آن ذره است. عدد آووگادرو (N_A) تقریباً با معکوس جرم اتمی میانگین هیدروژن بر حسب گرم برابر است. جرم مولی یک ماده، جرم یک مول از آن ماده بر حسب گرم است.

برای محاسبه شمار اتم‌ها در m گرم از یک ماده، از رابطه: (m / جرم مولی) × NA × تعداد اتم در هر واحد سازنده استفاده می‌شود. برای مثال، در جرم یکسان (m)، شمار اتم‌ها در گلوکز (C_۶H_۱۲O_۶) و اوره (CO(NH_۲)_۲) با هم برابر است (هر دو معادل m/۱۵ × N_A)، اما در متان (CH_۴) و گلوکز متفاوت است.

نور خورشید شکلی از پرتوهای الکترومغناطیسی است. این پرتوها گستره وسیعی دارند که شامل امواج رادیویی، ریزموج (مایکروویو)، فروسرخ (IR)، نور مرئی، فرابنفش (UV)، پرتو ایکس و پرتو گاما می‌شود. نور مرئی بخش بسیار محدود و کوچکی از این طیف وسیع است (بین ۴۰۰ تا ۷۰۰ نانومتر).

انرژی نور با طول موج آن رابطه عکس دارد. هرچه طول موج کوتاه‌تر باشد، انرژی آن بیشتر است. در گستره نور مرئی، ترتیب انرژی رنگ‌ها طبق طیف رنگین‌کمان (سرخ، نارنجی، زرد، سبز، آبی، نیلی، بنفش) است. نور بنفش کوتاه‌ترین طول موج و بیشترین انرژی را دارد، در حالی که نور سرخ بلندترین طول موج و کمترین انرژی را داراست.

برخی امواج مانند فروسرخ (که از کنترل تلویزیون گسیل می‌شود) با چشم انسان مرئی نیستند اما با دوربین گوشی قابل مشاهده‌اند. دانشمندان با استفاده از دستگاه طیف‌سنج نوری، نور رسیده از ستارگان را تجزیه کرده و از روی آن به دما و عناصر سازنده آن‌ها پی می‌برند. نور خورشید یک طیف پیوسته است که شامل بی‌نهایت طول موج رنگی می‌باشد.

فلزات و بسیاری از نمک‌های آن‌ها در اثر حرارت شعله، نوری با رنگ مشخص ساطع می‌کنند که به آن آزمون شعله می‌گوییم. این پدیده به دلیل فرایند نشر اتفاق می‌افتد؛ یعنی اتم‌ها انرژی شعله را جذب کرده و الکترون‌های آن‌ها به ترازهای بالاتر می‌روند و هنگام بازگشت به ترازهای پایین‌تر، انرژی جذب شده را به صورت پرتوهای الکترومغناطیس (نور) گسیل می‌دارند. شعله حاصل از هر عنصر فلزی، باریکه بسیار کوتاهی از طیف مرئی را در بر می‌گیرد.

رنگ شعله لیتیم همواره سرخ است (چه خود فلز و چه تمام ترکیب‌های آن). سدیم شعله‌ای زرد و مس شعله‌ای سبز تولید می‌کند. دمای شعله نیز با رنگ آن ارتباط دارد؛ هرچه رنگ به سمت آبی متمایل باشد، انرژی بیشتر و دما بالاتر است (سرخ < زرد < آبی). لامپ‌های بزرگراه‌ها به دلیل وجود بخار سدیم زرد هستند و لامپ‌های تبلیغاتی نئون نور سرخ فام منتشر می‌کنند.

طیف نشری خطی برخلاف طیف خورشید، گسسته است. در ناحیه مرئی، هیدروژن و لیتیم هر دو دارای ۴ خط رنگی هستند، در حالی که هلیم ۶ خط و سدیم ۷ خط رنگی دارد. با تغییر آنیون (مثلاً از کلرید به نیترات) در یک نمک، خطوط طیفی تغییر نمی‌کند چون طیف نشری مربوط به کاتيون فلزی است.

جدول تناوبی امروزی ابزاری برای طبقه‌بندی عناصر بر اساس بنیادی‌ترین ویژگی آن‌ها، یعنی عدد اتمی (Z) یا تعداد پروتون‌ها است. این جدول شامل ۷ دوره (ردیف‌های افقی) و ۱۸ گروه (ستون‌های عمودی) است. با حرکت در یک دوره از چپ به راست، تعداد پروتون‌ها افزایش یافته و خواص فیزیکی و شیمیایی عناصر به طور مشابه تکرار می‌شود.

هر خانه در جدول شامل اطلاعاتی مانند نماد شیمیایی، عدد اتمی و جرم اتمی میانگین است. لازم به ذکر است که جرم اتمی میانگین تکنسیم به دلیل ساختگی بودن در جدول ذکر نمی‌شود. نمادهای شیمیایی معمولاً یک یا دو حرفی هستند (مانند C برای کربن و Cl برای کلر) که حرف اول همیشه بزرگ و حرف دوم کوچک است.

عناصر به سه دسته کلی فلز، نافلز و شبه‌فلز تقسیم می‌شوند. دسته‌بندی دیگری نیز بر اساس زیرلایه‌های در حال پر شدن وجود دارد (دسته‌های s, p, d, f). هلیم با اینکه یک گاز نجیب است، در دسته s قرار می‌گیرد (1s^۲)، در حالی که سایر گازهای نجیب در دسته p هستند. گروه‌های ۴ تا ۱۲ متعلق به عناصر واسطه (دسته d) هستند.