กำเนิดตารางธาตุ…คือธาตุอะไร?

ตั้งแต่เริ่มเรียนเคมีหรืออาจจะเริ่มเรียนวิทยาศาสตร์ ม.ต้น ผู้อ่านคงคุ้นเคยกับการให้ท่องตารางธาตุ มากบ้าง น้อยบ้าง แตกต่างกันไป ผู้อ่านเคยทราบไหมคะ ว่าการจัดเรียงธาตุเป็นกลุ่มๆ แบบนี้มีที่มาอย่างไร และจริงๆ แล้วเราอาจไม่เคยรู้เลยว่าธาตุในโลกนี้มีอยู่กี่ตัว เพราะมีการค้นพบกันอยู่เรื่อยๆ ตามทันบ้าง ไม่ทันบ้าง ผู้อ่านทราบไหมคะว่า “ปัจจุบันตารางธาตุถูกเติมเต็มถึงธาตุตัวที่เท่าไรแล้ว และจะสิ้นสุดเมื่อไร?”

ในศตวรรษที่ 18 ธาตุถูกค้นพบเพียงไม่กี่ธาตุ นักวิทยาศาสตร์คนแรก คือ โยฮันน์ โวลฟ์กัง เดอเบอไรเนอร์ ได้เสนอการจัดแบ่งธาตุออกเป็นกลุ่มๆ กลุ่มละ 3 ธาตุ ที่มีคุณสมบัติเหมือนๆ กัน โดยเรียกการจัดแบบนี้ว่าไตรแอดส์ (ชุดสาม) โดยพบว่าธาตุตรงกลางจะมีมวลอะตอมเป็นค่าเฉลี่ยของมวลอะตอมอีกสองธาตุที่เหลือ เช่น กลุ่มที่ 1 ได้แก่ธาตุลิเทียม (Li) โซเดียม (Na) โพแทสเซียม (K) ตามหลักการนี้ธาตุโซเดียมซึ่งเป็นธาตุตรงกลางระหว่างธาตุลิเทียมและโพแทสเซียมจะมีมวลอะตอมเป็น 23 ซึ่งเป็นค่าเฉลี่ยของมวลอะตอมของลิเทียมคือ 7 และ โพแทสเซียมคือ 39 แต่ในเวลาต่อมาเมื่อนำหลักการดังกล่าวไปใช้กับธาตุกลุ่มอื่นที่มีสมบัติคล้ายกัน มวลอะตอมของธาตุตรงกลางกลับไม่ได้ตรงกับมวลอะตอมเฉลี่ยของธาตุทั้งสองที่เหลือ หลักการจัดตารางธาตุแบบไตรแอดส์ของเดอเบอไรเนอร์จึงไม่เป็นที่ยอมรับอีกต่อไป

ต่อมาในปี ค.ศ. 1865 จอห์น นิวแลนด์ นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษได้เสนอการจัดเรียงธาตุเป็นหมวดหมู่ขึ้นใหม่ โดยเรียงตามลำดับมวลอะตอม นิวแลนด์กล่าวว่าถ้านำธาตุมาเรียงตามลำดับมวลอะตอมแล้ว พบว่า “ธาตุที่ 8 จะมีสมบัติคล้ายคลึงกับธาตุตัวที่ 1 โดยยกเว้นธาตุไฮโดรเจนและแก๊สเฉื่อย” กฎของนิวแลนด์นี้เรียกว่า “Law of octaves” ตัวอย่างเช่น ถ้าเริ่มต้นจากลิเทียม (มวลอะตอม = 7) เป็นธาตุตัวที่ 1 ธาตุโซเดียม (น้ำหนักอะตอม = 23) จะเป็นธาตุตัวที่ 8 โดยธาตุทั้งสองมีสมบัติทางเคมีและทางฟิสิกส์คล้ายคลึงกัน อย่างไรก็ตามการจัดตารางธาตุแบบนิวแลนด์ยังมีข้อจำกัดคือสามารถใช้ได้เพียงแค่น้ำหนักอะตอมไม่เกินธาตุแคลเซียม (Ca) ต่อมาเมื่อมีการค้นพบแก๊สเฉื่อยก็ไม่สามารถจัดตามตารางธาตุของนิวแลนด์ได้และ ไม่สามารถอธิบายได้ว่าเพราะเหตุใดมวลอะตอมจึงมีความสัมพันธ์กับความคล้ายคลึงกันของสมบัติของธาตุ ตามหลักการดังกล่าว

ต่อมายูลิอุสโลทาร์ ไมเออร์ นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน และ ดิมิทรี อิวาโนวิช เมนเดเลเอฟ นักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซีย ได้ศึกษารายละเอียดของธาตุต่าง ๆ มากขึ้นและมีข้อสังเกตเป็นอย่างเดียวกันในเวลาใกล้เคียงกันว่า ถ้าจัดเรียงธาตุตามมวลอะตอมจากน้อยไปหามาก ธาตุจะมีสมบัติคล้ายกันเป็นช่วงๆ ซึ่งเมนเดเลเอฟตั้งเป็นกฎเรียกว่า “กฎพิริออดิก” และได้เสนอความคิดนี้ในปี 1869 ก่อนที่ไมเออร์จะนำผลงานของเขาออกเผยแพร่ในปีต่อมา และเพื่อเป็นการให้เกียรติแก่เมนเดเลเอฟ จึงใช้ชื่อว่า ตารางพิริออดิกของเมนเดเลเอฟ โดยในตอนนั้นเมนเดเลเอฟได้จัดธาตุที่มีสมบัติคล้ายคลึงกันที่ปรากฏซ้ำกันเป็นช่วง ๆ ให้อยู่ในแนวตั้งหรือหมู่เดียวกันและพยายามเรียงลำดับมวลอะตอมของธาตุจากน้อยไปหามาก ถ้าเรียงตามมวลอะตอมแล้วมีสมบัติไม่สอดคล้องกัน ก็พยายามจัดให้เข้าหมู่โดยเว้นช่องว่างไว้ในตำแหน่งที่คิดว่าน่าจะเป็นธาตุที่ยังไม่มีการค้นพบ และยังได้ใช้สมบัติของธาตุและสารประกอบอื่นๆ นอกเหนือจากคลอไรด์และออกไซด์มาประกอบการพิจารณาด้วย โดยตำแหน่งของธาตุในตารางจะมีความสัมพันธ์กับสมบัติของธาตุ ซึ่งช่วยให้เมนเดเลเอฟสามารถทำนายสมบัติของธาตุในช่องว่างที่ยังไม่มีการค้นพบได้อย่างใกล้เคียง

เล่าถึงตรงนี้ทุกคนคงคุ้นเคยกับตารางธาตุกันพอสมควร แต่เคยสงสัยไหมว่า “ตารางธาตุนี่จะสิ้นสุดที่ไหน ธาตุตัวสุดท้ายคือธาตุอะไร?”

จริงๆ แล้วธาตุยูเรเนียม (เลขอะตอม =92) เป็นธาตุที่หนักที่สุดที่พบได้ในธรรมชาติ แต่นักวิทยาศาสตร์ก็พยายามสังเคราะห์ธาตุที่หนักมากกว่า โดยการให้โปรตอนเพิ่มเข้าไปในนิวเคลียสของธาตุใดๆ ผ่านปฏิกิริยาฟิวชั่น ในช่วงหลายปีที่ผ่านมา นักวิทยาศาสตร์สามารถสร้างธาตุที่หนักมากกว่ายูเรเนียมและหนักมากขึ้นไปเรื่อยๆ ได้สำเร็จหลายธาตุ ซึ่งนักวิทยาศาสตร์เหล่านั้นต่างอยากทราบว่าอะตอมที่ใหญ่ที่สุด จะใหญ่ได้สักเท่าไร มีโปรตอนสูงสุดเท่าไร และตารางธาตุที่เราใช้กันอยู่จะสิ้นสุดที่ธาตุใด

แต่เดิมนักวิทยาศาสตร์คาดว่าธาตุโลหะซุปเปอร์เฮฟวี่ (Super-heavy Metal คือธาตุที่มีจำนวนโปรตอน 104 ขึ้นไป) นั้น น่าจะมีค่าครึ่งชีวิตที่ยาวนาน จึงเป็นที่น่าสนใจและพยายามค้นหาธาตุเหล่านั้น แต่ปรากฏว่ายิ่งมีการเพิ่มนิวตรอนและโปรตอนลงไปในนิวเคลียสลงไปมากเท่าใด อะตอมก็ยิ่งมีความเสถียรน้อยลง ธาตุโลหะซุปเปอร์เฮฟวี่ส่วนใหญ่จึงอยู่ได้เพียงแค่เพียงไมโครหรือนาโนวินาทีเท่านั้น อย่างไรก็ตามหลังจากมีการสร้างธาตุโลหะซุปเปอร์เฮฟวี่ได้มากขึ้นก็มีข้อสังเกตจนกระทั่งตั้งเป็นทฤษฎีที่เกี่ยวกับความเสถียรของธาตุซุปเปอร์เฮฟวี่เหล่านี้ว่า ถ้าเพิ่มจำนวนเลขอะตอมไปถึงค่าๆ หนึ่ง ธาตุซุปเปอร์เฮฟวี่ที่ได้ จะมีเสถียรภาพมากและอยู่ได้นานขึ้น เรียกทฤษฎีนี้ว่า Island of stability โดยคาดการณ์กันว่าธาตุตัวที่จะมีเสถียรภาพมากพอที่จะตรวจสอบได้คือธาตุที่ 120 เพราะจะมีสมบัติแบบธาตุหมู่ 2 (แอลคาไลน์ เอิร์ท) ซึ่งปัจจุบัน นักวิทยาศาสตร์ก็ยังคงรอคอยการพิสูจน์ทฤษฎีนี้อย่างใจจดใจจ่อกันเลยทีเดียว

ในปี 2010 นักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซียและอเมริกาได้ร่วมมือกันนำเสนอการสังเคราะห์และตรวจสอบถึงการมีอยู่ของธาตุชนิดใหม่ที่มีเลขอะตอม 117 และมีชื่อชั่วคราวว่า อุนอุนเซพเทียม http://www.vcharkarn.com/vnews/448724 ต่อมาเมื่อต้นปี 2014 นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมันสามารถสังเคราะห์ธาตุชนิดใหม่นี้ได้อีกครั้งรวมทั้งตรวจสอบสมบัติของธาตุชนิดนี้ด้วย ธาตุนี้หนักเป็นอันดับสอง รองจากอุนอุนออกเทียม ที่มีเลขอะตอมเท่ากับ 118 และเพิ่งค้นพบก่อนหน้าไม่นาน โดยธาตุอุนอุนเซพเทียมได้สังเคราะห์ขึ้นจากแคลเซีม (เลขอะตอม 20) และเบอร์เคลเลียม (เลขอะตอม 97) ขณะนี้อยู่ระหว่างการตั้งชื่ออย่างเป็นทางการจาก International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC)

อย่างไรก็ตามการค้นพบธาตุตัวที่ 117 ซึ่งเป็นธาตุตัวใหม่ล่าสุด ก็ทำให้ตารางธาตุถูกเติมเต็มในแถวที่ 7 โดยครบสมบูรณ์ และช่วยสนับสนุนแนวความคิด Island of stability ด้วย จากนั้นเราก็ต้องมารอธาตุตัวต่อไปที่จะถูกค้นพบ และมาเริ่มต้นแถวที่ 8 รวมทั้งการพิสูจน์แนวความคิด Island of stability ว่าถูกต้อง เป็นจริงหรือไม่ และต้องรอติดตามกันต่อไปว่าธาตุในตารางธาตุจะถูกค้นพบไปเรื่อยๆ หรือจะหยุดเพียงแค่ธาตุตัวใดตัวหนึ่ง

ขอบคุณที่มา

http://www.vcharkarn.com/varticle/500208