كيف اكتُشف في ثلاثة أسابيع؟
في أيار 1898، كان ويليام رامزي وموريس ترافرز يعملان في كلية لندن الجامعية بالهواء المسال. وكان رامزي قد عزل الأرغون عام 1894 مع اللورد رايلي، وارتاب في وجود غازات أخرى من النوع نفسه.
وكان الأسلوب التقطير التجزيئي: إسالة الهواء وتركه يتبخر شيئًا فشيئًا، وجمع الأجزاء كلما غلى كل منها عند حرارة مختلفة. وكان كل جزء يُفحص بمطياف.
وفي 30 أيار حصلا على الكريبتون من الجزء الأقل تطايرًا. وفي الأسابيع التالية، عند فحص الجزء الأشد تطايرًا — الذي يغلي قبل الأرغون — وجدا غازًا أظهر طيفه وهجًا أحمر شديدًا وصفه ترافرز بأنه مستحيل النسيان. وسمّياه نيون، من اليونانية نيوس، أي جديد.
وفي تموز عزلا الزينون من جزء وسيط. ثلاثة عناصر في ما يزيد قليلًا على شهرين، كلها بالطريقة نفسها وكلها من عمود في الجدول الدوري لم يكن موجودًا قبل أربع سنوات.
ونال رامزي جائزة نوبل في الكيمياء عام 1904.
ماذا يعني التوزيع [He] 2s² 2p⁶؟
الغلاف الثاني كاملًا: إلكترونان في المدار 2s وستة موزعة على مدارات 2p الثلاثة. ثمانية إلكترونات تكافؤ، وهي الثمانية التي أعطت القاعدة اسمها.
وهذا التوزيع هو الغاية التي تنحو إليها كيمياء الدورة الثانية كلها. فالصوديوم يمنح إلكترونًا فيبلغ بنية النيون؛ والفلور يلتقط واحدًا فيبلغ الغاية نفسها؛ والأكسجين يلتقط اثنين. واستقرار النيون هو المرجع الذي يفسّر سلوك جيرانه.
وطاقة تأيّنه، 2081 كيلوجول/مول، ثاني أعلى قيمة في الجدول بعد الهيليوم. أما ألفته الإلكترونية فمعدومة عمليًّا: فإضافة إلكترون إليه ستقتضي بدء الغلاف n=3، وهو بعيد عن النواة وبلا فائدة طاقية.
فلا سبيل من السبيلين إلى رابطة مفتوح، ومن هنا كان النيون أخمل عنصر معروف. أما الزينون، وهو أكبر كثيرًا، فيمسك بإلكتروناته الخارجية بقوة أقل ويكوّن مركّبات مع الفلور والأكسجين منذ 1962. ومع النيون لم ينجح أحد.
لماذا تضيء الأنابيب وبأي لون؟
يحوي أنبوب النيون الغاز عند ضغط منخفض، نحو 10 ميلي بار، مع قطب عند كل طرف. وعند تطبيق بضعة آلاف من الفولتات تصطدم الإلكترونات المتسارعة بالذرات فتنقل إليها طاقة.
فيرتفع إلكترون الذرة المثار إلى مستوى أعلى ويعود فورًا تقريبًا إلى الهبوط، باعثًا فوتونًا طاقته هي بالضبط الفرق بين المستويين. ولمّا كانت تلك المستويات ثابتة وخاصة بكل عنصر، كان اللون كذلك.
ويبعث النيون مجموعة خطوط متركزة في الأحمر والبرتقالي، بين 585 و703 نانومتر. والنتيجة الأحمر البرتقالي الذي لا يخطئه أحد في اللافتات القديمة.
وهذا اللون هو الوحيد الذي ينتجه النيون. فاللافتة الزرقاء تحوي أرغونًا مع قطرة زئبق؛ والزئبق يبعث في فوق البنفسجي وفي الأزرق. واللافتة الخضراء عادةً أرغون وزئبق داخل أنبوب مطلي بالفوسفور الذي يحوّل فوق البنفسجي إلى اللون المطلوب.
وقد عرض جورج كلود أول أنبوب نيون في معرض باريس للسيارات في كانون الأول 1910، وهيمنت شركته على السوق عقودًا.
ما دوره في صناعة الرقائق؟
دور لا يكاد أحد يربطه بالنيون، ويستهلك معظم ما يُنتج من الغاز عالي النقاء.
تستعمل الطباعة الحجرية لأشباه الموصلات ليزرات إكسيمر. فليزر فلوريد الأرغون يبعث عند 193 نانومتر، في فوق البنفسجي العميق، وذلك الطول الموجي هو ما يحدد أصغر تفصيل يمكن نقشه على رقاقة سيليكون.
وخليط الغاز في تلك الليزرات نيون بأكثر من 95 %، وهو يعمل غازًا حاجزًا: لا يشارك في الانبعاث لكنه يضبط الضغط وانتقال الطاقة داخل التجويف. ويستهلك ماسح طباعة واحد مئات اللترات سنويًّا، والنقاء المطلوب بالغ الشدة.
وكانت سلسلة التوريد متركزة تركّزًا خطرًا. فالنيون الخام كان يُستحصل كناتج ثانوي لمصانع الصلب الروسية ويُنقّى في أوكرانيا، التي بلغت إمداد نحو نصف نيون العالم من درجة أشباه الموصلات. وقد قطعت الحرب التي بدأت عام 2022 ذلك الإنتاج وضاعفت الأسعار، فاضطرت الصناعة إلى البحث عن مصادر بديلة.
لماذا هو نادر هنا ووفير هناك؟
النيون خامس أوفر العناصر في الكون كتلةً، بعد الهيدروجين والهيليوم والأكسجين والكربون. ويتكوّن في باطن النجوم الضخمة بالتقاط جسيمات ألفا على الأكسجين 16.
وفي القشرة الأرضية يكاد لا يوجد، وفي الغلاف الجوي يمثّل 18 جزءًا في المليون.
والسبب خموله. فخلال تكوّن المجموعة الشمسية احتُجزت العناصر القادرة على الاتحاد في معادن صلبة: الأكسجين في السيليكات، والكربون في الكربونات، والحديد في اللبّ. أما النيون فلم يرتبط بشيء وبقي غازًا حرًّا، معرَّضًا للرياح الشمسية وللاضطراب الحراري لأرض فتية حارّة.
وبكتلة ذرية تبلغ 20، تفلت ذرة النيون بصعوبة أكبر من الهيدروجين أو الهيليوم، لكن الفقد حدث قبل أن يبرد الكوكب في معظمه.
والطريف أن النسبة النظائرية لنيون الغلاف الجوي تختلف عن نيون الشمس، وهذا الفارق يُستعمل لدراسة كيف فقدت الأرض غلافها البدئي.