- Εισαγωγή: Μύθοι και δεδομένα για ορισμένες ευτυχείς συγκυρίες στην επιστήμη της Χημείας
- Ορισμός της τυχαιότητας στην επιστήμη
- Το "μήλο" του Newton
- Το "φίδι" του Kekule
- Τυχαίες ανακαλύψεις που οδήγησαν στη διευκρίνιση της δομής του ατόμου
- Εκρηκτικά
- Γλυκαντικές ουσίες
- Τεχνητές υφάνσιμες ύλες
- Ουσίες με βιολογική δράση
- Χρωστικές ουσίες
Τυχαίες ανακαλύψεις που οδήγησαν στη διευκρίνιση της δομής του ατόμου
Είδαμε ως τη στιγμή αυτή δύο περιπτώσεις σημαντικών ανακαλύψεων σχετικά με την εξέλιξη των επιστημών, για τις οποίες έχει γίνει επίκληση της θείας επιφοίτησης ή της αστραπιαίας έμπνευσης που έδωσαν το έναυσμα στους επιστήμονες να ασχοληθούν και να βρουν την τελική απάντηση στο ερώτημα που τους απασχολούσε.
Είναι εμφανές ότι και στις δύο περιπτώσεις η αναφορά στην ακαριαία αυτή διαδικασία και στην επίκληση της τυχαιότητας της στιγμής που αυτή πραγματοποιήθηκε, δεν ευσταθεί και υπάρχουν γι' αυτό οι σχετικές υπόνοιες ή και μαρτυρίες. Στη συνέχεια όμως, θα πραγματευθούμε την ιστορική πορεία της μελέτης του ατόμου και της ανακάλυψης της δομής του, στην πορεία της οποίας συνδέονται και σχετίζονται μεταξύ τους πολλά φαινόμενα και διάφοροι τομείς της έρευνας. Στις περισσότερες περιπτώσεις των ανακαλύψεων νέων στοιχείων σχετικών με τη δομή και τη συμπεριφορά του ατόμου, η τυχαιότητα έπαιξε χωρίς αμφιβολία σημαντικό ρόλο.
Η ατομική θεωρία είναι το επόμενο χαρακτηριστικό παράδειγμα ενός επιστημονικού επιτεύγματος που βασίστηκε, τουλάχιστον στο πρακτικό της μέρος, καθαρά στην τυχαιότητα. Η ατομική θεωρία του Dalton είχε λίγο ως πολύ γίνει αποδεκτή από το σύνολο των χημικών και των φυσικών περί τα τέλη του 19ου αιώνα, ωστόσο το άτομο θεωρούνταν ακόμη ως ένα σύνολο συμπαγές κατά τα πρότυπα της αρχικής θεώρησής του από τον Δημόκριτο. Φυσικά υπήρχαν δεδομένα από τον κόσμο της πειραματικής Φυσικής καθώς και της Χημείας τα οποία υποδείκνυαν την ύπαρξη μιας εσωτερικής δομής του ατόμου, πράγμα εντελώς ασύμβατο προς την βασική του ιδιότητα, να είναι δηλαδή άτμητο.
Εκείνο που έλλειπε από το σύνολο της επιστημονικής γνώσης του καιρού ήταν ο νους που θα συλλάμβανε την αντιστοιχία κάποιων φαινομένων και τη συσχέτιση των αποτελεσμάτων κάποιων πειραμάτων φαινομενικά άσχετων μεταξύ τους. Ο ιονισμός αερίων σε αερόκενους σωλήνες ήταν κάτι αρκετά γνωστό και πολλοί πειραματιζόταν με το κενό που δημιουργούσαν καθώς και με το είδος του αερίου.
Στα 1897 ο J.J. Thompson κατανόησε ότι οι καθοδικές ακτινοβολίες που είχαν παρατηρηθεί σε αερόκενους σωλήνες και οι οποίες είχαν αποδειχθεί ότι εκτρέπονται με την εφαρμογή ηλεκτρικού ή μαγνητικού πεδίου, προερχόταν από το υλικό της καθόδου του σωλήνα και όχι από το ενδιάμεσο αέριο. Με τον τρόπο αυτό είχε ανιχνεύσει το πρώτο υποατομικό θραύσμα, το οποίο αργότερα ονομάστηκε ηλεκτρόνιο αφού θεωρήθηκε ότι έφερε τη βασική ιδιότητα του ηλεκτρισμού.
Προφανώς λοιπόν ο Thompson σκέφθηκε ότι τα αρνητικά αυτά φορτία ήταν εντοπισμένα στο άτομο και επειδή τα υλικά που χρησιμοποιούνταν στις καθόδους των σωλήνων ήταν ουδέτερα, συμπέρανε ότι μέσα στο άτομο συνυπήρχαν ίσα σε αριθμό θετικά φορτία. Το πρώτο ατομικό πρότυπο είχε προταθεί και περιλάμβανε ένα συμπαγές άτομο όπου το θετικό φορτίο ήταν ομοιόμορφα κατανεμημένο ενώ σε διακριτά σημεία εντός αυτού εντοπιζόταν στοιχειώδη αρνητικά φορτία, τα ηλεκτρόνια.
Το μοντέλο αυτό είναι γνωστό στις μέρες μας ως το μοντέλο της πουτίγκας από το αντίστοιχο γλυκό όπου στη μάζα του υπάρχουν σταφίδες. Το μοντέλο αυτό δεν έδινε όμως καμία ιδέα για το τι συνέβαινε μέσα στο άτομο και κυρίως για το πως η συγκέντρωση αυτή των φορτίων στο μικρό χώρο που το άτομο καταλάμβανε, έδινε σταθερότητα στο σύστημα.
Ο Rutherford στις αρχές του 20ου αιώνα είχε δουλέψει για ένα διάστημα με τον Soddy, σε μια από τις πιο πετυχημένες επιστημονικές συνεργασίες και είχαν κάνει αρκετές προόδους πάνω στην αντιμετώπιση του ατόμου συνολικά. Είχαν δουλέψει και με τη ραδιενέργεια που ήταν τότε ένα από τα νέα και περίεργα φαινόμενα και είχαν διαπιστώσει την εκπομπή τουλάχιστον δύο ειδών ακτινοβολίας από τους ραδιενεργούς πυρήνες, τις οποίες χαρακτήρισαν ως άλφα και βήτα αντίστοιχα. Σύντομα απέδειξαν ότι η ακτινοβολία βήτα ήταν αντίστοιχη με τις καθοδικές ακτινοβολίες και κατά συνέπεια με τα ηλεκτρόνια που είχε προσδιορίσει ο Thompson.
Για την ακτινοβολία άλφα ήταν γνωστό πως αποτελούνταν από σωματίδια τέσσερις φορές πιο βαριά από το άτομο του υδρογόνου και ακόμη πως ήταν φορείς θετικού φορτίου. Αργότερα έγινε κατανοητό ότι ήταν πυρήνες του στοιχείου ήλιον.
Χρησιμοποιώντας μικρές ποσότητες ραδιενεργών υλικών ο Rutherford πραγματοποίησε, όπως και πολλοί άλλοι ταυτόχρονα, πειράματα εκτόξευσής τους εναντίον ποικίλλων στόχων και μελέτης των αποτελεσμάτων αυτής της πρόσκρουσης. Με τη βοήθεια του Geiger (Hans Geiger, 1882-1945) που είχε κατασκευάσει κατάλληλα όργανα για την καταγραφή των ακτινοβολιών από τη ραδιενεργό διάσπαση πυρήνων, πραγματοποίησε σειρά πειραμάτων τα οποία δεν ερχόταν σε καμιά εντυπωσιακή αντιδιαστολή προς το ατομικό μοντέλο του Thompson.
Όπως αναμενόταν, το συντριπτικά μεγαλύτερο ποσοστό των σωματιδίων που εκπέμπονταν προς ένα στόχο απλώς τον διαπερνούσαν ενώ μερικά εκτρεπόταν σε μικρές γωνίες σε σχέση με την κατεύθυνση της αρχικής δέσμης.
Tην περίοδο 1908-1909 ο Geiger διαπίστωσε συσχέτιση της γωνίας σκέδασης με το ατομικό βάρος του υλικού του στόχου. H πιθανότητα σκέδασης κατά μεγαλύτερες γωνίες ήταν εξαιρετικά μικρή και κανένας ποτέ δεν κατάλαβε γιατί ανατέθηκε στον Marsden, μεταπτυχιακό φοιτητή της περιόδου, ο εντοπισμός σωματιδίων α που θα σκεδαζόταν κατά γωνίες μεγαλύτερες από 90°, αυτός όμως γρήγορα διαπιστώθηκε πως για φύλλο χρυσού πάχους 0,00004 cm περίπου το 1 στα 10.000 σωματίδια α είχε σκεδαστεί κατά 180°. Εξαντλητικές μελέτες είχαν ως τελικό συμπέρασμα την πρόταση για την ύπαρξη ενός περιορισμένου χώρου, του πυρήνα, όπου ήταν συγκεντρωμένη η μεγάλη πλειοψηφία της μάζας του ατόμου.
Mελέτες που έγιναν πάνω σε στόχους από ελαφρά μέταλλα, κατέγραψαν μετρήσιμη ανάδρομη κίνηση των πυρήνων, με συνέπεια τη δυνατότητα μέτρησης του φορτίου που αυτοί έφεραν. Δεδομένου ότι για το υδρογόνο είχε γίνει αποδεκτή η ύπαρξη της μονάδας φορτίων στο μόριό του αποδείχθηκε ότι, ο άνθρακας π.χ. έπρεπε να είχε έξι τέτοιες μονάδες στον πυρήνα του και κατά συνέπεια έξι αντίθετα φορτισμένες οντότητες γύρω του, ώστε το άτομο να εμφανίζεται ουδέτερο.
Έτσι ο Rutherford επεξέτεινε την μαθηματικά αποδεδειγμένη θεώρηση πως ένα άτομο θα μπορούσε να είναι κατασκευασμένο στο πρότυπο του πλανήτη Kρόνου, με τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια σε ρόλο δακτυλίων. Η πρόταση αυτή είχε προηγηθεί κατά το 1904 από τον Ιάπωνα Hantaro Nagaoka (Philosophical Magazine Series 6, Volume 7, May 1904, p. 445-455 ενώ η αρχική ανακοίνωση πραγματοποιήθηκε στις 5 Δεκεμβρίου του 1903 στη Φυσικοχημική Κοινότητα του Τόκιο) αλλά η αποδοχή της μορφής των ηλεκτρονίων ως συμπαγών ή διάχυτων δακτυλίων γύρω από τον πυρήνα οδηγούσε σε μαθηματικές λύσεις που δεν έδιναν σταθερότητα στο σύστημα.
Η πρόταση λοιπόν του Nagaoka, όσο κι αν φαινόταν θεωρητικά αστήρικτη ήταν λογικοφανής και από την άλλη βασιζόταν σε μια από τις παλιές αντιλήψεις των επιστημόνων για πλήρη αντιστοίχιση του μακρόκοσμου στο μικρόκοσμο. Το πλανητικό μοντέλο δεν ήταν άγνωστο στον Rutherford όπως και η σχετική αδυναμία του μοντέλου του Nagaoka να εξηγήσει τη σταθερότητα του ατόμου, ωστόσο και το δικό του πλανητικό μοντέλο δεν αποτελούσε μια εξαιρετική βελτίωση. Οπωσδήποτε όμως οι αρχικές μετρήσεις που ανατέθηκαν στον Marsden δεν είχαν νόημα εφόσον είχε διαπιστωθεί πολλαπλά πως η γωνία σκέδασης των ακτίνων άλφα ήταν μικρή και μάλιστα η πιθανότητα μειωνόταν δραστικά με την αύξησή της.
H συνέχεια της διερεύνησης της δομής του ατόμου δίνει ακόμη μία περίπτωση όπου η τυχαιότητα έπαιξε κάποιο ρόλο.
Συγκεκριμένα ο Bohr προσπαθώντας να ερμηνεύσει τη σταθερότητα του ατόμου σύμφωνα με το πρότυπο του Rutherford το οποίο είχε ήδη ελεγχθεί και διαπιστωθεί η πραγματική του υπόσταση, βρέθηκε σε ένα αδιέξοδο. Ήταν οπωσδήποτε εν γνώσει της σχέσης του Rydberg με βάση την οποία μπορούσε να γίνει ταξινόμηση των φασματικών γραμμών στα φάσματα εκπομπής διαφόρων ατόμων. Ο Rydberg είχε πραγματοποιήσει σειρά δοκιμών για τη συστηματοποίηση των φασματικών αυτών γραμμών και είχε καταλήξει στο ότι κάθε στοιχείο έδινε μια σειρά με ένα ανώτατο όριο και μια διαδοχή γραμμών που μπορούσαν να περιγραφούν με ένα βασικό τύπο, εφόσον η θέση της κάθε γραμμής εκφραζόταν σε κυματάριθμους (το αντίστροφο του μήκους κύματος).
Επανεξετάζοντας τα αριθμητικά δεδομένα της εξίσωσης που είχε προτείνει ο Balmer για τις γραμές του φάσματος εκπομπής του υδρογόνου, ο Bohr και ξαφνικά του ήρθε η έμπνευση πως οι ενέργειες που αντιστοιχούσαν στις φασματικές γραμμές σχετιζόταν όχι με τιμές ενέργειας αλλά με διαφορές ενέργειας μεταξύ διαφόρων ενεργειακών καταστάσεων στο άτομο. Αυτό αποτέλεσε τη βάση της πρότασής του για το άτομο και το ξεκίνημα της κβαντικής αντίληψης για το άτομο.
Σχετικό με τη δομή του ατόμου αλλά με έμμεσο τρόπο είναι και το επόμενο συμβάν, το οποίο αποτελεί κατεξοχήν παράδειγμα της τυχαίας ανακάλυψης. Ας σημειωθεί εδώ ότι μια ποικιλία φαινομένων και δραστηριοτήτων σε μεγάλο εύρος ερευνητικών περιοχών συνετέλεσαν στη διαμόρφωση της εικόνας για το άτομο και, κυρίως, του είδους των βασικών συστατικών του.
Η ραδιενέργεια αποτελεί ένα από τα φαινόμενα αυτά. Στα τέλη του 19ου αιώνα μια από τις πιο σύγχρονες και ενδιαφέρουσες ανακαλύψεις ήταν οι λεγόμενες ακτίνες Χ. Η ανακάλυψη συνδέεται με το όνομα του Rontgen επειδή αυτός πρώτος πραγματοποίησε εκτενείς μελέτες πάνω στη φύση και τις ιδιότητές τους. Οι σωλήνες Crookes ήταν γνωστοί από το 1875 περίπου και περιλαμβανόταν σε μια ποικιλία πειραμάτων. Πολλοί είχαν παρατηρήσει ότι κάτω από ορισμένες συνθήκες, κυρίως με την επίδραση μεγάλης διαφοράς δυναμικού μεταξύ των δύο ηλεκτροδίων, παραγόταν δέσμες από ισχυρά διεισδυτικές ακτινοβολίες.
Ο Rontgen απέδειξε πέραν πάσης αμφιβολίας ότι τα ηλεκτρόνια που εκπεμπόταν από την κάθοδο αποκτούσαν κάτω από την επίδραση υψηλού δυναμικού μεγάλη κινητική ενέργεια με αποτέλεσμα να προκαλούν την εκπομπή νέας άγνωστης ακτινοβολίας από την άνοδο ή από όποιο σημείο του σωλήνα ερχόταν σε επαφή μαζί τους. Την ακτινοβολία αυτή την ονόμασε ακτινοβολία Χ και ενδιαφέρθηκε κυρίως για τη μεγάλη της διεισδυτικότητα. Η ακτινοβολία αυτή είχε γίνει φανερό ότι προκαλούσε φαινόμενα φθορισμού αφού ήδη η πρώτη της ανίχνευση έγινε πάνω σε φθορίζον πέτασμα που ο Rontgen χρησιμοποιούσε για τα πειράματά του. Η μελέτη των ακτίνων Χ έγινε του συρμού και σε λίγους μήνες μετά την ανακοίνωση για την ύπαρξή τους πολλοί επιστήμονες πειραματιζόταν μ' αυτές.
Μεταξύ αυτών ήταν ο Henri Becquerel που ενδιαφερόταν για φαινόμενα φωσφορισμού που πιθανόν να ενεργοποιούσαν οι ακτίνες αυτές ή που να αποτελούσαν την πηγή τους. Η διαδικασία που ακολουθούσε στις μελέτες του ήταν να τυλίγει μια φωτογραφική πλάκα με μαύρο πισσόχαρτο και να τοποθετεί επάνω της κάποιο φωσφορίζον υλικό. Στη συνέχεια άφηνε το πακέτο κάτω από την επίδραση του ηλιακού φωτός και εμφάνιζε την φωτογραφική πλάκα ελπίζοντας να βρει σημεία προσβολής της που θα τα συσχέτιζε με την εκπομπή ακτίνων Χ από το φωσφορίζον ορυκτό. Οι μελέτες του δεν είχαν αποτέλεσμα μέχρις ότου χρησιμοποίησε κάποια ορυκτά του ουρανίου.
Ένα εντελώς τυχαίο περιστατικό ακολούθησε όταν στη διάρκεια μιας συννεφιασμένης εβδομάδας ο Becquerel άφησε το πακέτο του στο συρτάρι του γραφείου του. Κανένας δεν μπορεί να εξηγήσει γιατί αποπειράθηκε να εμφανίσει την πλάκα στην οποία δεν θα περίμενε να δει τίποτε. Παρόλα ταύτα η πλάκα έδειξε σημεία προσβολής και όταν το πείραμα επαναλήφθηκε σε πλήρες σκοτάδι το αποτέλεσμα ήταν το ίδιο. Ακόμη κι όταν χρησιμοποιήθηκαν μη φωσφορίζοντα ορυκτά του ουρανίου το αποτέλεσμα ήταν το ίδιο κι έτσι η μόνη πιθανή εξήγηση ήταν μια ακτινοβολία προερχόμενη από το ίδιο το υλικό κι όχι από μια ακτινοβολία που το ενεργοποίησε.
Μεταξύ των ερευνητών που ασχολήθηκαν με το φαινόμενο ήταν η Curie που ανακάλυψε και άλλα μεταλλικά στοιχεία που το εμφάνιζαν και μάλιστα απομόνωσε με τον τρόπο αυτό μερικά νέα στοιχεία. Επιπλέον, ο Rutherford και ο Soddy έδειξαν πρώτον μεν την εκθετική μείωση της ακτινοβολίας από κάθε υλικό και δεύτερον το γεγονός ότι η διαδικασία ήταν μια προσπάθεια των πυρήνων των ατόμων για σταθεροποίηση καθώς συχνά παρατηρούσαν ότι μετά την εκπομπή το υλικό είχε διαφοροποιηθεί, δηλαδή είχε επιτευχθεί μεταστοιχείωση.
