Ανακάλυψη και διαμάχη: ιστορίες από τα χημικά στοιχεία Understand article

Πώς πραγματοποιούνται οι επιστημονικές ανακαλύψεις; Σε αντίθεση με τις δημοφιλείς ιστορίες στιγμιαίας…

Όλοι γνωρίζουμε ιστορίες επιστημονικής προόδου, οι οποίες κορυφώνονται με μια στιγμή ευρηματικού θριάμβου, όταν ο ηρωικός επιστήμονας κάνει την περίφημη ανακάλυψη. Οι ιστορίες αυτές – όπως ο θρύλος του Αρχιμήδη, ο οποίος λέγεται ότι φώναξε «Εύρηκα!», όταν ανακάλυψε τους νόμους της άνωσης στο λουτρό του- συνήθως επικεντρώνονται σε ένα ιδιοφυΐες άτομο, σε ένα συγκεκριμένο χρόνο και τόπο.

Η ανακάλυψη του περιοδικού συστήματος από τον Ρώσο χημικό Dmitri Mendeleev παρουσιάζεται συνήθως με αυτό τον τρόπο – με όλα τα χημικά στοιχεία να τοποθετούνται ξαφνικά σε μια λογική σειρά με βάση το ατομικό βάρος και τις χημικές ιδιότητες τους. Στην πραγματικότητα, η διαδικασία κατασκευής του περιοδικού πίνακα διήρκησε πολλές δεκαετίες και περιελάμβανε, μεταξύ άλλων, πλήθος επιστημονικών εξελίξεων οι οποίες ήταν τελικά πλήρη αδιέξοδα. Έτσι τελικά τι είναι η επιστημονική ανακάλυψη και πόσο ανταποκρίνονται οι ιστορίες-θρύλοι στα ιστορικά γεγονότα;

Στο άρθρο αυτό, εξετάζουμε την πραγματική διάσταση των επιστημονικών ανακαλύψεων, με ιδιαίτερη έμφαση στις ιστορίες κάποιων χημικών στοιχείων. Επιπλέον φωτίζουμε κάποιες λιγότερο γνωστές πτυχές αυτών των ανακαλύψεων, έτσι ώστε να καταδειχθεί η ενδογενής πολυπλοκότητα κάθε ιστορίας επιστημονικής ανακάλυψης, τόσο στο παρελθόν όσο και σήμερα.

Ανακάλυψη και εθνικότητα

Μια συχνή περίπτωση σύγχυσης είναι η απόδοση της ανακάλυψης ενός χημικού στοιχείου σε μια συγκεκριμένη χώρα. Η πρακτική αυτή απεικονίζεται στην εικόνα 1: μια εκδοχή του περιοδικού πίνακα που δείχνει τη χώρα όπου έγινε η ανακάλυψη κάθε χημικού στοιχείου.

Τέτοιες απεικονίσεις υπονοούν οτι κάθε ανακάλυψη συνέβη κάποια συγκεκριμένη χρονική στιγμή (πιθανά στο πλαίσιο ενός άτυπου διαγωνισμού μεταξύ των εθνών). Εδώ, για παράδειγμα, το ράδιο (88) και το πολώνιο (84) φαίνονται ως Γαλλικές ανακαλύψεις. Παρά το γεγονός ότι, όντως οι ανακαλύψεις αυτών των στοιχείων συνέβησαν στη Γαλλία, η επικεφαλής επιστήμονας Marie Skłodowska Curie ήταν Πολωνή. Επίσης το πισσώδες ορυκτό από το οποίο εξήχθησαν οι νέες ουσίες προήλθε από μια πόλη της σημερινής Τσεχίας, η οποία ήταν τότε μέρος της αυτοκρατορίας της Αυστροουγγαρίας.

Οι συχνές αλλαγές στο γεωπολιτικό χάρτη προκαλούν επίσης σύγχυση στην περίπτωση του τελλουρίου (52). Το στοιχείο αυτό φαίνεται με Ρουμανική σημαία, επειδή τόσο ο Franz-Joseph Müller von Reichenstein – ο οποίος πρώτος υποπτεύθηκε την ύπαρξη ενός άγνωστου μετάλλου στο μετάλλευμα από το οποίο αργότερα εξήχθη- όσο και το μετάλλευμα το ίδιο, προέρχονταν από τη σημερινή Ρουμανία.  Όμως η Ρουμανία ήταν τότε μέρος της αυτοκρατορίας της Αυστροουγγαρίας. Επιπλέον, η απόδοση της ανακάλυψης στον von Reichenstein είναι αμφιλεγόμενη, καθώς το τελλούριο πρωτοαπομονώθηκε το 1789 από το Γερμανό χημικό Martin Heinrich Klaproth, ο οποίος μάλιστα πρότεινε το όνομα τελλούριο (Weeks, 1968). Όμως, η απόδοση της ανακάλυψης στη Γερμανία θα ήταν επίσης προβληματική, καθώς η Γερμανία δεν υπήρχε ως έθνος μέχρι και 80 χρόνια αργότερα.

Οξυγόνο: μία ανακάλυψη – ή τρεις;

Το οξυγόνο είναι  ένα στοιχείο για το οποίο, η διαμάχη της ανακάλυψης του, είναι ευρέως γνωστή. Ο Βρετανός χημικός Joseph Priestley χαρακτήρισε διαφόρους τύπους «αέρα», ή αερίων, την περίοδο 1772 έως 1880. Όταν θέρμανε το λεγόμενο κόκκινο οξείδιο (calx) που προκύπτει από την καύση του υδράργυρου (HgO), παρατήρησε ένα τύπο αέρα που ήταν ευχάριστο να αναπνέεις και συντηρούσε την καύση καλύτερα από τον κανονικό αέρα ή οποιοδήποτε άλλο τύπο αέρα. Ονόμασε το αέριο «αποφλογιστικό αέρα», καθώς ήταν κοινή πεποίθηση τότε, ότι το «φλογιστόν» απελευθερωνόταν κατά τη διάρκεια της καύσης των ουσιών. Επομένως ήταν προφανές ότι εφόσον το νέο είδος αέρα, ήταν ικανό να διατηρεί την καύση πολύ καλύτερα από κάθε άλλο αέρα, ήταν πλήρως απαλλαγμένο από φλογιστόν.

Ο Γάλλος Antoine-Laurent Lavoisier, αναμορφωτής της χημείας στα τέλη του 18ου αιώνα, πειραματιζόταν επίσης με «αέρες». Όταν συναντήθηκαν το 1774, ο Priestley είπε στον Lavoisier σχετικά με τα πειράματα του, πριν τη δημοσίευση τους. Ο Lavoisier επανέλαβε το πείραμα με το οξείδιο του υδράργυρου και κατέληξε στο ίδιο συμπέρασμα: ένα νέο αέριο είχε παραχθεί.Όμως, σε αντίθεση με τον Priestley, απέρριψε τη θεωρία του φλογιστού, ονομάζοντας το νέο αέριο «οξυγόνο» (το οποίο σημαίνει «δημιουργός οξέων» στα Ελληνικά). Ο Lavoisier θεώρησε ότι το οξυγόνο είναι χημικό στοιχείο – δηλαδή βασικό συστατικό της ύλης – και διατύπωσε τη θεωρία της καύσης με οξυγόνο, η οποία χρησιμοποιείται έως σήμερα.

Λίγα χρόνια πριν κάνουν τα πειράματα τους οι Priestley και Lavoisier, ο Σουηδός χημικός Carl Wilhelm Scheele είχε ανακαλύψει τον ίδιο τύπο «αέρα». Τον ονόμασε «αέρα φωτιάς» καθώς συντηρούσε πολύ καλά την καύση. Παρόλα αυτά, δεν κατάφερε να δημοσιεύσει τα ευρήματα του νωρίτερα από το 1777.

Έτσι δίκαια δημιουργείται το ερώτημα: σε ποιον θα πρέπει να αποδοθεί η ανακάλυψη του οξυγόνου και για ποιο επίτευγμα συγκεκριμένα; Στον Scheele, που ήταν ο πρώτος που έκανε το πείραμα παρατήρησης του νέου αερίου; Στον Priestley, που δημοσίευσε πρώτος μια εργασία για τον νέο «αέρα»; Ή στον Lavoisier που έβαλε το νέο αέριο στο χάρτη της χημείας και το αναγνώρισε τελικά ως χημικό στοιχείο; Στην εικόνα 1, εμφανίζονται και οι τρεις σημαίες στη θέση του οξυγόνου (8) στον περιοδικό πίνακα, υποδηλώνοντας ότι η διαμάχη αυτή δεν έχει διευθετηθεί ακόμα.

Η διαμάχη σχετικά με την ανακάλυψη του οξυγόνου έχει μεταφερθεί ακόμη και στη θεατρική σκηνή (Djerassi and Hoffmann, 2001), Στο έργο αυτό, οι τρεις πρωταγωνιστές (μαζί με τις συντρόφους τους), με αφορμή φανταστικές επανενώσεις των μελών της επιτροπής των βραβείων Nobel, αντιμετωπίζουν το ερώτημα σε ποιόν θα έπρεπε να αποδοθεί η ανακάλυψη.

Ραδόνιο: στοιχεία και ισότοπα

Η ανακάλυψη της ραδιενέργειας, στην καμπή του 20ου αιώνα, έφερε γρήγορα στο φως ένα πλήθος νέων ραδιενεργών ουσιών. Χρειάστηκε όμως αρκετός χρόνος για τη μελέτη αυτών των νέων ουσιών καθώς και την κατανόηση της φύσης της ραδιενέργειας. Ο Mendeleev είχε φτιάξει το περιοδικό του σύστημα με βάση την παραδοχή ότι τα στοιχεία αποτελούν σταθερές οντότητες. Από το 1902 όμως, οι φυσικοί δήλωναν ότι η ραδιενέργεια μπορούσε να μετατρέψει ένα στοιχειώδες άτομο σε ένα άλλο – ένα είδος σύγχρονης αλχημείας. Τα πρωταρχικά προβλήματα που είχαν να κάνουν με την ερμηνεία των εμπειρικών δεδομένων, φαίνονται έκδηλα στην ιστορία του ραδονίου.

Το 1899, ο Ernest Rutherford, ενώ εργαζόταν στο Πανεπιστήμιο McGill στο Μόντρεαλ του Καναδά, παρατήρησε ότι το θόριο εξέπεμπε στο περιβάλλον ένα αέριο το οποίο ήταν προσωρινά ραδιενεργό (η εκπομπή ονομάστηκε «emanation»). Την επόμενη χρονιά, ο Γερμανός φυσικός Friedrich Ernst Dorn έδειξε ότι και το ράδιο παρήγαγε την ίδια εκπομπή. (Οι Curie είχαν κάνει νωρίτερα μια παρόμοια παρατήρηση). Ο Dorn αναζήτησε σε αυτή τη ραδιενεργή εκπομπή, νέες και άγνωστες μέχρι τότε φασματικές γραμμές, θεωρώντας ότι πιθανά να πρόκειται για κάποιο καινούργιο στοιχείο. Ο Rutherford τότε άρχισε να εξετάζει συστηματικά τη φύση της αντίστοιχης εκπομπής του ραδίου(Malley, 2011). Δουλεύοντας με την Harriet Brooks- τελειόφοιτη ερευνητική φοιτήτρια του- περιέγραψε την εκπομπή από το ράδιο ως ένα αέριο υψηλού μοριακού βάρους, το οποίο δεν μπορούσε να είναι ατμοί ραδίου υπονοώντας έτσι οτι αποτελούσε ένα άγνωστο ραδιενεργό αέριο. Το 1910 ήρθε η απόδειξη ότι επρόκειτο όντως για ένα νέο αέριο ευγενές  χημικό στοιχείο: οι William Ramsay και Robert Whytlaw-Gray κατάφεραν να παράγουν ένα μοναδικό φάσμα όμοιο με τα φάσματα των ευγενών αερίων  (Marshall and Marshall, 2003).

​Σήμερα γνωρίζουμε ότι η ραδιενεργή εκπομπή του θορίου ήταν το ισότοπο Rn-220 του ραδονίου ενώ η εκπομπή του ραδίου ήταν το ισότοπο Rn-222 του ραδονίου. Τις επόμενες δεκαετίες ανακαλύφθηκαν και άλλα ισότοπα του ραδονίου για τα οποία προτάθηκε ποικιλία ονομάτων: acton (ακτόνιο), actineon (ακτινόνιο), exradio, exradium, exthorio, exthorium, exactinio, niton (νιτόνιο), radeon, radon, thoreon και thoron (θορόνιο). Το όνομα ραδόνιο (radon) υιοθετήθηκε επίσημα πολύ αργότερα, το 1931, ενώ ο όρος εκπομπή (emanation) χρησιμοποιούταν ακόμα σε επιστημονικές εργασίες έως τις αρχές της δεκαετίας του 1960. 

Επομένως, ποιος ανακάλυψε το ραδόνιο και ποιο στάδιο αυτής της μακρόχρονης και περίπλοκης διαδικασίας μπορεί να θεωρηθεί ως η τελική ανακάλυψη; Ιστορικοί και χημικοί προσπάθησαν να βάλουν τάξη σε αυτό το πρόβλημα, προτείνοντας τους Curie, Dorn, Rutherford ή Ramsay και Whytlaw-Gray ως υπεύθυνους της ανακάλυψης. Σχεδόν ποτέ όμως δεν αποδίδεται μέρος της ανακάλυψης στην Harriet Brooks, την τελειόφοιτη φοιτήτρια, την οποία αναγνώρισε ο Rutherford ως την πρώτη που παρατήρησε τη ραδιενεργή εκπομπή αερίου  (Rayner-Canham and Rayner-Canham, 2004).

Αστάτιο και τεχνητή σύνθεση

Σε πολλές περιπτώσεις, η πρόοδος στην αναγνώριση νέων στοιχείων εξαρτάται από τις τεχνολογικές εξελίξεις. Το 1932, η Γαλλίδα Yvette Cauchois ανέπτυξε ένα τύπο φασματομέτρου που μπορούσε να μελετήσει το φάσμα στοιχείων με ασθενείς φασματικές γραμμές. Η Cauchois και ο Ρουμάνος συνάδελφος της Horia Hulubei ανακάλυψαν νέες φασματικές γραμμές κατά τη ραδιενεργή διάσπαση του ραδονίου, υποστηρίζοντας ότι υποδηλώνουν την ύπαρξη ενός στοιχείου με ατομικό αριθμό 85, το οποίο δεν είχε ανιχνευθεί μέχρι τότε.

Λίγα χρόνια αργότερα στη Βιέννη, μια αυστριακή γυναικεία ομάδα, η Berta Karlik και η Traude Bernert, ανίχνευσαν δύο φυσικά ισότοπα του στοιχείου 85 και δημοσίευσαν τα ευρήματα τους το 1942 και 1943 (Lykknes and Van Tiggelen, 2019). Αυτό που δεν ήξεραν όμως η Γαλλο-Ρουμανική και η Αυστριακή ομάδα, ήταν ότι τα άτομα του στοιχείου 85 είχαν ήδη συντεθεί στο Μπέρκλει της Καλιφόρνια το 1940. Οι επιστήμονες αυτής της έρευνας (Dale Corson, Kenneth MacKenzie και Emilio Segre) χρησιμοποίησαν ένα κύκλοτρο έτσι ώστε να συνθέσουν το στοιχείο, βομβαρδίζοντας βισμούθιο-209 με σωματίδια άλφα.

Το 1947, σε ένα άρθρο στο περιοδικό Nature αφιερωμένο στα άγνωστα χημικά στοιχεία, ο διακεκριμένος χημικός Friedrich Paneth υποστήριξε ότι οι ανακαλύψεις στοιχείων πρέπει, κατά κανόνα, να αποδίδονται στην πρώτη ομάδα που πετυχαίνει τόσο τη σύνθεση όσο και το χαρακτηρισμό ενός ή περισσότερων ισοτόπων του νέου στοιχείου. Σύμφωνα με τον Paneth, στην περίπτωση του στοιχείου 85, αυτή η ομάδα ήταν αδιαμφισβήτητα η Αμερικανική, η οποία και εξουσιοδοτήθηκε να ονομάσει το νέο στοιχείο. Η ομάδα επέλεξε το όνομα αστάτιο (astatine) από την ελληνική λέξη άστατος που σημαίνει ασταθής.

Συναγωνισμός και συναίνεση

Ο Paneth έκανε επίσης μια κατευθυντήρια ανασκόπηση των ανακαλύψεων άλλων επτά στοιχείων (43, 61, 87, 93, 94, 95 και 96). Σε αυτή θέτει τις βασικές αρχές για το ποιός έχει το δικαίωμα να ονομάσει ένα νέο στοιχείο: ο πρώτος επιστήμονας που θα παρέχει οριστική απόδειξη της ύπαρξης ενός από τα ισότοπα του στοιχείου χωρίς διάκριση μεταξύ φυσικά απαντώμενων και τεχνητά παραγόμενων ισοτόπων. Οι αρχές αυτές υιοθετήθηκαν από την επιστημονική κοινότητα το 1947. Η παραγωγή, παρατήρηση και αναγνώριση στοιχείων, καθώς και η παροχή αποδείξεων για την ύπαρξη τους, αποτελούν πλέον μέρη του ίδιου εγχειρήματος ανακάλυψης.   

Όπως και σήμερα όμως, η τεχνολογία δημιουργίας νέων στοιχείων ήταν διαθέσιμη σε λίγα μέρη: Το Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Livermore (LLNL) στις ΗΠΑ, το Κέντρο GSI Helmholtz για την Έρευνα Βαρέων Ιόντων στη Γερμανία, το Κοινό Ινστιτούτο Για την Πυρηνική Έρευνα (JINR) στην ΕΣΣΔ (αργότερα Ρωσία) και το RIKEN στην Ιαπωνία. Παρά το γεγονός όμως ότι σήμερα υπάρχει μεγαλύτερη συμφωνία σχετικά με το τι περιλαμβάνει μια ανακάλυψη, οι αντιπαλότητες μεταξύ των εργαστηρίων συνεχίζουν να είναι έντονες. Αυτό συμβαίνει γιατί αν και εξαρτώνται το ένα από το άλλο για την επιβεβαίωση των ευρημάτων τους, παράλληλα υπάρχει ανταγωνισμός μεταξύ τους.

Η επιστημονική ανακάλυψη στο σωστό πλαίσιο

SΟι επιστήμονες, από όλους τους κλάδους, γνωρίζουν από την καθημερινή εμπειρία τους, ότι η ανακάλυψη είναι μια μακρά διαδικασία. Για παράδειγμα, με αφορμή πρόσφατες περιπτώσεις στην αστρονομία σχετικά με την ανακάλυψη νέων εξωπλανητών, ένας πλανητικός ερευνητής σχολίασε: «Δεν είναι σαν να υπάρχει μια συγκεκριμένη στιγμή ανακάλυψης»^w1. Στην περίπτωση αυτή, όπως και σε τόσες άλλες, η «ανακάλυψη» έγινε εμφανής μόνο στο πλαίσιο της συνολικής έρευνας, η οποία απαιτεί πολυπληθή ομάδα και δεκαετίες εμπειρίας και ανάπτυξης. Η επιστήμη δεν είναι ένα εγχείρημα που εξελίσσεται από μερικές μοναχικές ιδιοφυίες – ούτε ακολουθεί γραμμική πορεία γεγονότων. Στην ιστορία της επιστήμης, η λεπτομέρεια και η πολυπλοκότητα αποτελούν πάντα μέρος της αφήγησης μιας ανακάλυψης.

Download

Download this article as a PDF