کشف اشعهی ایکس و رادیواکتیو
در اولین سالهای پس از ازدواج کوریها، دانش تغییری فرای شناسایی میکرد: فیزیک قرن بیستم داشت متولد میشد. اولین علایم آن به طور گمراهکنندهای ناچیز بودند.
نویسنده: پل استراترن
ترجمهی دکتر محمدرضا توکلی صابری
ترجمهی دکتر محمدرضا توکلی صابری
در اولین سالهای پس از ازدواج کوریها، دانش تغییری فرای شناسایی میکرد: فیزیک قرن بیستم داشت متولد میشد. اولین علایم آن به طور گمراهکنندهای ناچیز بودند. در پاییز سال 1895 فیزیکدان آلمانی ویلهلم رونتگن (1) روی آزمایشهای پیشین خود در مورد پدیده لومینسانس کار میکرد. او یک جریان الکتریکی را از درون یک لولهی شیشهای گذراند که تا حدودی تخلیه شده بود (لولهی اشعهی کاتودی شبیه همان چیزی که صفحه تلویزیون را میسازد).
رونتگن در آزمایشگاه تاریک خود در دانشگاه ورتسبورگ شروع به پژوهش در مورد لومینسانسی کرد که اشعهی کاتودی در بعضی از مواد شیمیایی ایجاد میکند. رونتگن برای این که این لومینسانس ضعیف را بهتر ببیند، لوله اشعه کاتودی را در یک جعبه مقوایی سیاهرنگ گذاشت. هنگامی که جریان الکتریکی را برقرار ساخت، لومینسانس ضعیفی در انتهای این جعبه تاریک توجه او را جلب کرد. معلوم شد که یک ورقه کاغذ است که پوششی از پلاتینوسیانید باریم (یکی از مواد شیمیایی که او آنها را آزمایش میکرد) دارد. چگونه ممکن بود هنگامی که لوله اشعه کاتودی را در جعبه میگذاشت این ماده لومینسانت شود؟ اشعهی کاتودی میباید توسط جعبهی سیاهرنگ متوقف میشد. او لولهی اشعه کاتودی را خاموش کرد و لومینسانس از بین رفت که به طور قطعی در اثر چیزی مربوط به اشعهی کاتودی ایجاد میشد.
رونتگن کاغذی را که پوشش پلاتوسیانید باریم داشت به اطاق مجاور برد و پردهها را پایین کشید و در را بست. هنگامی که لولهی اشعهی کاتودی را دوباره به جریان انداخت، کاغذ دوباره درخشید. نوعی اشعهی ناشناخته از لولهی اشعهی کاتودی بیرون میآمد. این اشعه نه تنها قابل دیدن نبود، بلکه از درون جعبهی مقوایی و مواد دیگر نیز عبور میکرد. این چه نوع اشعهای میتوانست باشد؟ آزمایشهای بعدی نشان داد که به نظر نمیرسید این اشعه یک نوع نور نامریی باشد. اشعه پس از برخورد با یک سطح منعکس نمیشد، و هنگامی که از محیطی به محیط دیگر میرفت مانند امواج نوری که هنگام عبور از هوا به درون یک مایع خم میشد، هیچگاه نمیشکست. (او در این جا اشتباه میکرد) رونتگن که در مورد ماهیت این اشعه در شگفت مانده بود علامت مجهول در ریاضیات یعنی x را به آن داد و آن را اشعهی x نامید.
رونتگن اهمیت این اشعهی جنجالبرانگیز را فوراً تشخیص داد. این اشعهی x میتوانست درون چیزها را نمایان سازد؛ حتی ژول ورن هم چنین چیزی را تصور نکرده بود! با این حال او میدانست که این کشف برای مدت زیادی مختص او نخواهد ماند. پژوهشهای زیادی در مورد لومینسانس انجام میشد و دیر یا زود کس دیگری حتماً اشعهی x را کشف میکرد.
رونتگن که میخواست اولویتهای کار خود را تعیین کند، به پژوهشهای سریع و دامنهداری در مورد خواص اشعهی جدید پرداخت. او متوجه شد که این اشعه از کاغذ، چوب و حتی ورقه فلزی عبور میکند. خواص دیگر آن شامل یونیزاسیون گازها بود، و با این حال میدان الکتریکی یا مغناطیسی تأثیری بر آن داشت. با این که اشعه نامریی بود، اما بر صفحه عکاسی اثر میگذاشت-که به این معنی بود که عبور اشعه را میشد با شیوه عکاسی ثبت کرد.
پس از هفت هفته رونتگن آماده بود تا یافتههای خود را آشکار سازد. در ژانویه 1896 کشف خود را در یک سخنرانی عمومی اعلام داشت. اوج این سخنرانی هنگامی بود که رونتگن استاد تشریح سوئیسی رودلف فون کولیکر را از میان حاضرین فرا خواند. رونتگن از دست این مرد هشتاد ساله با اشعهی x عکسبرداری کرد. هنگامی که معلوم شد تمامی ساختمان استخوانهای انگشتان و مچ فون کولیکر نمایان است، تمام حاضرین ایستادند و برایش دست زدند.
خبر کشف هیجانانگیز رونتگن به سرعت در سراسر اروپا و آمریکا پخش شد. ایجاد اشعهی x آن قدر آسان بود که به زودی کاربرد عملی پیدا کرد. فقط چهار روز پس از رسیدن خبر کشف رونتگن به آمریکا، با اشعهی x توانستند محل یک گلوله را در پای مجروحی پیدا کنند.
داستانهای شگفتی در مورد خواص عجیب این اشعه در مطبوعات انتشار مییافت. ایالت نیوجرسی حتی در نظر داشت تا قانونی را تصویب کند و استفاده از آن را در دوربینهای اپرا منع کند تا عفت زنانی را که به اپرا میروند حفظ کند. شگفت آن که هیچ کس دیگری به فکر حفظ جامعه از اشعهی x نبود. چندین سال دیگر گذشت تا معلوم شد که تماس بیش از حد با اشعهی x سبب سرطان خون (لوسمی) میشود.
کشف اتفاقی اشعهی x توسط رونتگن در 5 نوامبر 1895 اکنون توسط بعضیها آغاز دومین انقلاب علمی محسوب میشود (اولین انقلاب علمی با کوپرنیکوس و کشف او از گردش زمین به دور خورشید آغاز شد و با روش علمی گالیله پای گرفت). کشف رونتگن به معنی پایان عصر فیزیک کلاسیک (دینای مکانیک گالیله و نیوتون) بود، اگر چه رونتگن در آن زمان هنوز از این موضوع آگاه نبود.
از ابتدا سعی شد تا این اشعهی جدید را اشعهی رونتگن بنامند. اما در مورد تلفظ صحیح و نوشتن نام رونتگن سردرگمی پیدا شد (هنوز هم این سردرگمی وجود دارد و در فرهنگهای مربوط به زندگینامهها نام او به شیوههای مختلف نوشته میشود). علاوه بر آن، مطبوعات اشعهی x را نام هیجانانگیزی یافتند. در هر حال رونتگن شهرت وسیعی پیدا کرد و اولین جایزه نوبل را در سال 1901 دریافت کرد. با این حال بعضی منتقدان سرسخت فرانسوی و انگلیسی رونتگن اعتقاد داشتند که او یک آزمایشگر ساده است که به طور اتفاقی شانس آورده است. در حالی که عدهای دیگر، بیشتر در آلمان، اعتقاد داشتند که او یکی از بزرگترین آزمایشگران عصر خویش است. در هر حال بیشک او یک خصلت استثنایی داشت. رونتگن از به ثبت رساندن هر چیزی که مربوط به تولید یا استفاده از اشعهی x بود خودداری کرد، زیرا اعتقاد داشت که این اشعه باید برای استفادهی بشریت به کار رود. کشف او میتوانست سود مالی عظیمی را برای او به همراه بیاورد. با این حال او در سال 1923، پس از این که پسانداز زندگیاش در تورم عظیم آلمان از میان رفت، در فقر و پیری در گذشت. (در آن زمان یک تکه نان میلیونها مارک ارزش داشت.)
گام بعدی در انقلاب جدید علمی، در نتیجهی مستقیم کشف رونتگن حاصل شد. این امر توسط شیمیدان فرانسوی هنری بکرل،(2) که از یک خانواده لمی مشهور بود، انجام شد. پدربزرگ او در جنگ واترلو جنگیده و یکی از پیشگامان الکتروشیمی بود. پدر او همین رشته را ادامه داده بود و بر روی فلوئورسانس(3) و فسفرسانس تحقیق کرده بود. اینها پدیدههایی هستند که هنگامی به وجود میآیند که مادهای نور را در طول موجی جذب میکند و سپس در طول موج دیگر آن را بیرون میدهد. (شاید بهترین مثال در این مورد وقتی است که نور نامریی ماوراء بنفش بر روی مواد معدنی مختلف تابانده میشود و باعث میشود که به رنگهای مختلفی بدرخشند).
هنگامی که بکرل از کشف رونتگن آگاه شد به یاد آزمایشهای پدرش در مورد فلوئورسانس افتاد. رونتگن با مشاهده اثر فلوئورسانت اشعهی x بر روی پلاتینو سیانید پتاسیم این اشعه را کشف کرده بود. این موضوع باعث شد که بکرل به این فکر بیفتد که آیا مواد فلوئورسانت هم خودشان اشعهی x تولید میکنند؟
در اوایل سال 1896 بکرل به آزمایش با نمک دوگانه اورانیوم (پتاسیم اورانیل سولفات) پرداخت، که از پژوهشهای پیشین خود میدانست که میتواند فلوئورسانس شدیدی ایجاد کند. او بلوری از این نمک را که در کاغذ سیاهی پیچیده شده بود، روی صفحهی عکاسی گذاشت و سپس آن را در آفتاب قرار داد. او میدانست که نور خورشید فلوئورسانس ایجاد میکند، و اگر این فلوئورسانس حاوی اشعهی x میبود، پس در کاغذ سیاه نفوذ کرده و روی صفحهی عکاسی ثبت میشد. دقیقاً همین جریان اتفاق افتاد. هنگامی که بکرل صفحهی عکاسی را بیرون آورد و آن را ظاهر کرد لکههای سفید کمرنگی را در محلی که بلور را گذاشته بود یافت. فقط یک نتیجه میشد گرفت: فلوئورسانس تولید اشعهی x میکند!
پاریس، زمستانی ابری داشت و روزهای آفتابی که او آزمایشهایش را انجام دهد بسیار کم و بافاصله بودند. بکرل بیصبرانه صفحههای عکاسی بیشتری را در کاغذ سیاه پیچیده و بلور را روی آن گذاشت. سپس آنها را به دقت در یک کشوی تاریک گذاشت. اما هنوز هم آفتاب نبود.
بکرل که دیگر نمیتوانست بیشتر از این صبر کند، تصمیم گرفت نگاهی به چند تا از صفحات عکاسی بیاندازد و ببیند که آیا بلورها لومینسانس ضعیفی داشتهاند، که در این هنگام دچار شوک شد. وقتی که اولین صفحهی عکاسی را ظاهر کرد، لکه سفید رنگ شدیدی را دید که از محلی که بلور را آن جا گذاشته بود، پخش شده بود. معنی این پدیده این بود که هر نوع اشعهای که از این بلور میتابد بدون دخالت نور خورشید است؛ و شامل هیچ نوع فلوئورسانس مرئی نیز نبود، چون بلور در تاریکی نمیدرخشید.
بکرل بیدرنگ به پژوهش در مورد این اشعهی غیرمنتظره پرداخت. او با کمال تعجب متوجه شد که این اشعه کاملاً شبیه اشعهی x نیست. ممکن بود که این یک نوع اشعهی کاملاً جدید باشد؟ این اشعه مانند اشعهی x نامرئی بود و میتوانست گازها را یونیزه کند (هنگام عبور از هوا بار الکتریکی ایجاد میکرد). ولی با قدرت بیشتری از اشعهی x میتوانست از ماده عبور کند. او اثر بسیار عجیبتری را نیز مشاهده کرد. این بلور پتاسیم اورانیل سولفات پیوسته این اشعه را میتاباند؛ و به نظر نمیرسید نور و یا تاریکی تأثیری در این مورد داشته باشد. بلور پیوسته در تمام جهات تشعشع میکرد.
در این مرحله پژوهشهای بکرل کاملاً متوقف شد. این پدیدهها بسیار جالب بودند، ولی به نظر نمیآمد که به جایی برسند. بکرل، یک آزمایشگر بود و در فکر تئوریسازی نبود. جالب اینجا است که درک او از این نوع اشعهی جدید به طور مهلکی در اثر پیشداوریهای تئوریکی که از پدرش آموخته بود، مختل شد. اگر چه به نظر نمیرسید که تشعشع در اثر خورشید یا روشنایی ایجاد شده باشد، او متقاعد شده بود که این اشعه باید «یک نوع فلوئورسانس نامریی» باشد؛ در غیر این صورت چه چیز دیگری میتوانست باشد؟ اشعه بدون منبع ورودی، نمیتوانست به طور مداوم از بلور ساطع شود. شاید این منبع ورودی میتوانست به نحوی درون بلور برای مدتی حفظ شود.
بکرل دیدگاه درستی داشت. همان گونه که قوانین فیزیک کلاسیک عمل میکرد. به مدت 2000 هزار سال پس از یونانیان باستان، متفکران علمی هنوز نفسیر ظاهری گفتهی منسوب به اپیکوروس را باور داشتند که میگفت چیزی از عدم به وجود نمیآید. بکرل کشف بسیار مهمی کرده بود، اما شکل جدیدی از فلوئورسانس نبود. پس این اشعه چه بود؟
ماری کوری اکتشافات رونتگن و بکرل را با علاقه زیادی دنبال کرده بود و مانند همیشه درباره آنها با پییر گفتگو میکرد. اکنون او پژوهش خود را بر روی مغناطیس تمام کرده بود و به دنبال موضوع مناسبی برای تز دکترایش میگشت. بنبست بکرل در آزمایشهایش، اکنون چالش جالبی را برای او فراهم میآورد. ماری تصمیم گرفت تا این نوع اشعهی جدید را بررسی کند.
ماری کوری اکنون کارش را به عنوان عضو گروه پژوهشی لیپمن تمام کرده بود، که به معنای آن بود که دیگر به آزمایشگاههای جدید سوربن با همه تجهیزات جدید آن دسترسی نخواهد داشت. در عوض پییر اجازه گرفت تا ماری از انباری قدیمی در آزمایشگاهش در دانشکده فیزیک و شیمی صنعتی استفاده کند. انباری متروک و سرد که او میبایست آن را از ابتدا مجهز کند. اما در این جا ماری کوری چیزی را داشت که هیچ گاه قادر نبود در آزمایشگاههای سوربن به دست آورد: استقلال کامل. او میتوانست پژوهشهای خود را آن چنان که میخواست و به هر نتیجهای که میرسید دنبال کند.
طبق دفتر یادداشتهای آزمایشگاهی ماری کوری، در 16 دسامبر 1897 آزمایشهای خود را شروع کرد. او به مطالعهی اشعهی حاصل از پتاسیم اورانیل سولفات پرداخت که تکرار آزمایش بکرل بود. ماری با اشاره به این اشعه در دفتر آزمایشگاهیاش اصطلاح «رادیواکتیویته» را به کار برد. کوری هم مانند بکرل تأیید کرد که رادیواکتیویته وقتی از هوا میگذرد آن را «برقزده» میکند. هوا یونیزه شده و میتوانست الکتریسته را هدایت کند. همچنان که رادیواکتیویته شدیدتر میشد، یونیزاسیون افزایش مییافت. با این حال مقدار یونیزاسیون بسیار جزیی و در حدود 12-10×50 آمپر بود. این مقدار به دستگاه اندازهگیری بسیار دقیقی نیاز داشت.
ماری کوری توانست از اثر پیزوالکتریکی که توسط پییر کوری و برادرش ژاک درست یک دهه پیش از آن کشف شده بود استفاده کند. با استفاده از این پدیده که یک بلور تحت فشار، مقدار کمی بار الکتریکی ایجاد میکند، توانست بار جزیی مخالف را که توسط عبور مواد رادیواکتیو ایجاد شده بود با آن خنثی کند؛ و بدین ترتیب مقدار بارالکتریکی به صفر برسد؛ بنابراین هر چه که برای خنثی کردن اثر الکتریکی به صفر برسد؛ بنابراین هر چه که برای خنثی کردن اثر الکتریکی رادیواکتیو فشار بیشتری بر کریستال لازم میشد، دلیل بر این بود که رادیواکتیویتهی بیشتری وجود دارد.
اکنون ماری کوری شروع به بررسی ترکیبات مختلف اورانیوم کرده بود که از اورانینیت تا بعضی نمکهای اورانیوم متفاوت بود. اورانینیت سیاهرنگ، یک نوع سنگ معدن اکسید اورانیوم، بسیار رادیواکتیو بود و 12-10×83 آمپر الکتریسته ایجاد میکرد. از طرف دیگر بعضی از نمکهای اورانیوم فقط 12-10×0/3 آمپر الکتریسته ایجاد میکردند. اما ماری کوری در جریان این آزمایشها یک کشف مهم کرد. اگر ترکیب گرم میشد، یا به حالت محلول یا پودر بود، مقدار رادیواکتیویته تفاوتی نمیکرد. تنها یک چیز بر روی مقداررادیواکتیویته تأثیر داشت، و آن مقدار رادیواکتیویتهی موجود بود. منشأ رادیواکتیویته، ترکیب اورانیوم نبود، بلکه این خاصیت خود اتمهای اورانیوم بود.
اما آیا خاصیت فقط منحصر به اورانیوم بود؟ ماری کوری شروع کرد به آزمایشهایی با اتمهایی که وزن اتمی مشابهی داشتند. اکسید توریم یونیزاسیونی ایجاد میکرد که برای خنثی کردن آن، بار پیزوالکتریکی برابر 12-10×53 آمپر لازم بود. فقط اورانیوم نبود که این خاصیت را داشت: توریم نیز رادیواکتیو بود. اما اینها تنها اکتشافاتی نبودند که ماری کوری انجام داده بود. او در گزارش خود نوشت که «دو سنگ معدنی اورانیوم، بیشتر از خود اورانیوم رادیواکتیو هستند که باعث میشود شخص فکر کند که این کانیها ممکن است حاوی عنصری حتی رادیواکتیوتر از اورانیوم باشد. مثلاً اورانیوم سنگ اورانینیت رادیواکتیویتهای چهار برابر بیشتر از مقدار رادیواکتیویتهی اورانیوم موجود در آن داشت. بدین ترتیب هیچ راهی برای توضیح این مسأله نبود، مگر آن که اورانینیت حاوی یک عنصر رادیواکتیو دیگر باشد. این عنصر باید به مقادیر بسیار ناچیزی موجود میبود، وگرنه وجود آن را تا به حال تشخیص داده بودند. به علاوه باید بینهایت رادیواکتیو باشد تا عامل تمامی رادیواکتیویتهی بالای این سنگ باشد. به علت این که تا آن وقت عنصر دیگری کشف نشده بود که به این مقدار رادیواکتیو باشد، احتمال میرفت که عنصر ناشناختهی دیگری در میان باشد.
به نظر میرسید شیوهی علمی گستاخانهی ماری کوری، او را به سوی کشف عمدهای راهنمایی میکند. طبق معمول ماری و پییر پیشرفت علمی خود را شبها در خانه با همدیگر در میان میگذاشتند. به این ترتیب هر دو به پیشرفت پژوهشهای یکدیگر کمک میکردند. اما اکنون پییر تشخیص داد که کارهای همسرش دارد اهمیت زیادی پیدا میکند. در نتیجه او تصمیم گرفت تا پژوهشهایش را به کلی رها کند و به ماری و پژوهشهایش بپیوندد. بنا به روایتی، پییر کوری میدانست که خودش دانشمند برجستهای است، اما اکنون تشخیص داده بود که همسرش در آغاز تبدیل شدن به یکی از بزرگترین دانشمندان همه زمانها است. واضح بود که بازیگر عمده در این همکاری کوریها چه کسی بود. همانطور که خواهیم دید، این گزارشهای یکسویه بسیار قابل بحث است. در واقع دو دانشمند بزرگ در این جا با هم کار میکردند. آنها رابطهی قابلملاحظهای را در زندگی حرفهای و عاطفی خود برقرار کرده بودند (دو حوزهای که بیش از حد دور از همدیگرند)، بنابراین تصمیم پییر برای ترک پژوهشهایش و پیوستن به ماری آن طور که در ابتدا به نظر میآید آنقدرها هم عجیب نبود.
نکتهی دیگری را که باید در نظر داشت این است که ماری کوری طی این مرحله از کارهای آزمایشگاهی شدیدش، داشت از دخترش ایرن مراقبت میکرد که درست سه ماه پیش از نوشتن اولین یادداشتهایش در دفترچه آزمایشگاه پییر به دنیا آمده بود. ماری برای کمک به مراقبت از ایرن خدمتکاری را استخدام کرد، ولی گفته میشود که هیچگاه شستشوی شبانهی ایرن را ترک نکرد. از سوی دیگر اکنون میدانیم که ماری و ایرن کوری بزرگترین همکاری مادر و فرزندی را در تاریخ علم داشتهاند. بنیاد روانی این رابطه، میبایست طی پنج سال زندگی ایرن گذاشته شده باشد که دوران شدیدترین تحقیقات ماری کوری بوده است. همهی اینها دستاوردهای ماری کوری را حتی قابلملاحظهتر میسازند. ممکن است که او یک شخصیت بسیار جدی و بسیار متمرکز بوده باشد، اما توانست تعادل قابلملاحظهای را برقرار سازد. او نابغهای نبود که در دنیای خودش غرق شده باشد، بلکه ذهنی بود که در محیط پوشک و شیونهای صبحگاهی در سطح بسیار عالی کار میکرد. (جالب این که چند سال بعد اینشتین نیز بهترین پژوهشهایش را در شرایط مشابهی انجام داد؛ اگر چه مردی متعلق به زمان خودش بود و همانند ماری کوری آنقدرها با مدفوع و گریهی بچه سرو کار نداشت ... ).
اکنون ماری و پییر کوری شروع کردند به کار مشکل کشف این عنصر ناشناخته در اورانینیت. نخست میباید این عنصر ناشناخته را جدا کنند که به مقادیر بسیار جزیی وجود داشت. این کار، شامل خالص کردن این کانی با روشهای شیمیایی و تقطیر مکرر بود تا این که نمونهای از خود عنصر را به دست آورند. اما جدا کردن این عنصر از بیسموت که بسیار شبیه آن بود، ناممکن مینمود. در جولای 1898 مقدار ناچیزی پودر بیسموت به دست آمده از تلاششان، حاوی عنصر جدیدی بود که برحسب گزارش مشترک کوریها این پودر حاوی «فلز ناشناختهای شبیه به بیسموت بود». آنها میافزایند: «پیشنهاد میکنیم آن را پولونیوم بنامند که از نام وطن یکی از ما گرفته شده است. » پولونیا نام لاتین لهستان است. انسانها، سیارات، و حتی یک سگ، همگی عنصری به نامشان نامیده شده است (اینشتینیم، اورانیوم، پولوتونیوم). لهستان یکی از معدود کشورهایی است که چنین افتخاری را به دست آورده است. این کار در یک زمان بسیار ضروری انجام گرفت، یعنی هنگامی که نام لهستان در خطر محو از روی نقشه بود. درست است که ماری کوری به فرانسه مهاجرت کرده و با یک فرانسوی ازدواج کرده بود، ولی در سراسر دوران زندگی خود یک میهنپرست لهستانی مانده بود. مثلاً اگر چه به فرانسه روان صحبت میکرد، اما همیشه لهجهی مشخص لهستانی داشت.
کشف پولونیوم توسط کوری در یک مقالهی مشترک تحت عنوان «دربارهی یک مادهی رادیواکتیو جدید درون اورانینیت» به چاپ رسید (این اولین باری بود که واژهی «رادیواکتیو» مطرح میشد). سپس آنها متوجه شدند که پولونیوم 400 بار رادیواکتیوتر از اورانیوم است. حتی با وجود این مقدار زیاد رادیواکتیویته، مقدار رادیواکتیویتهی موجود در اورانینیت قابل توجیه نبود. به نظر میرسید که یک عنصر بسیار رادیواکتیو دیگر در این کانی وجود دارد. بار دیگر آنها جستجوی سوزن را در میان انبوهی کاه شروع کردند. این بار موفق شدند تا عنصر ناشناختهای را در پودر باریوم پیدا کنند و اعلام داشتند: «ما دومین مادهی رادیواکتیو را پیدا کردهایم که از لحاظ خواص شیمیایی به کلی با عنصر اولی متفاوت است.» این عنصر را فقط به خاطر رادیو اکتیویتهی زیاد آن میشد از باریوم تشخیص داد.
استراترن، پل؛ (1389) شش نظریهای که جهان را تغییر داد، ترجمهی دکتر محمدرضا توکلی صابری و بهرام معلمی، تهران، انتشارات مازیار، چاپ چهارم.
رونتگن در آزمایشگاه تاریک خود در دانشگاه ورتسبورگ شروع به پژوهش در مورد لومینسانسی کرد که اشعهی کاتودی در بعضی از مواد شیمیایی ایجاد میکند. رونتگن برای این که این لومینسانس ضعیف را بهتر ببیند، لوله اشعه کاتودی را در یک جعبه مقوایی سیاهرنگ گذاشت. هنگامی که جریان الکتریکی را برقرار ساخت، لومینسانس ضعیفی در انتهای این جعبه تاریک توجه او را جلب کرد. معلوم شد که یک ورقه کاغذ است که پوششی از پلاتینوسیانید باریم (یکی از مواد شیمیایی که او آنها را آزمایش میکرد) دارد. چگونه ممکن بود هنگامی که لوله اشعه کاتودی را در جعبه میگذاشت این ماده لومینسانت شود؟ اشعهی کاتودی میباید توسط جعبهی سیاهرنگ متوقف میشد. او لولهی اشعه کاتودی را خاموش کرد و لومینسانس از بین رفت که به طور قطعی در اثر چیزی مربوط به اشعهی کاتودی ایجاد میشد.
رونتگن کاغذی را که پوشش پلاتوسیانید باریم داشت به اطاق مجاور برد و پردهها را پایین کشید و در را بست. هنگامی که لولهی اشعهی کاتودی را دوباره به جریان انداخت، کاغذ دوباره درخشید. نوعی اشعهی ناشناخته از لولهی اشعهی کاتودی بیرون میآمد. این اشعه نه تنها قابل دیدن نبود، بلکه از درون جعبهی مقوایی و مواد دیگر نیز عبور میکرد. این چه نوع اشعهای میتوانست باشد؟ آزمایشهای بعدی نشان داد که به نظر نمیرسید این اشعه یک نوع نور نامریی باشد. اشعه پس از برخورد با یک سطح منعکس نمیشد، و هنگامی که از محیطی به محیط دیگر میرفت مانند امواج نوری که هنگام عبور از هوا به درون یک مایع خم میشد، هیچگاه نمیشکست. (او در این جا اشتباه میکرد) رونتگن که در مورد ماهیت این اشعه در شگفت مانده بود علامت مجهول در ریاضیات یعنی x را به آن داد و آن را اشعهی x نامید.
رونتگن اهمیت این اشعهی جنجالبرانگیز را فوراً تشخیص داد. این اشعهی x میتوانست درون چیزها را نمایان سازد؛ حتی ژول ورن هم چنین چیزی را تصور نکرده بود! با این حال او میدانست که این کشف برای مدت زیادی مختص او نخواهد ماند. پژوهشهای زیادی در مورد لومینسانس انجام میشد و دیر یا زود کس دیگری حتماً اشعهی x را کشف میکرد.
رونتگن که میخواست اولویتهای کار خود را تعیین کند، به پژوهشهای سریع و دامنهداری در مورد خواص اشعهی جدید پرداخت. او متوجه شد که این اشعه از کاغذ، چوب و حتی ورقه فلزی عبور میکند. خواص دیگر آن شامل یونیزاسیون گازها بود، و با این حال میدان الکتریکی یا مغناطیسی تأثیری بر آن داشت. با این که اشعه نامریی بود، اما بر صفحه عکاسی اثر میگذاشت-که به این معنی بود که عبور اشعه را میشد با شیوه عکاسی ثبت کرد.
پس از هفت هفته رونتگن آماده بود تا یافتههای خود را آشکار سازد. در ژانویه 1896 کشف خود را در یک سخنرانی عمومی اعلام داشت. اوج این سخنرانی هنگامی بود که رونتگن استاد تشریح سوئیسی رودلف فون کولیکر را از میان حاضرین فرا خواند. رونتگن از دست این مرد هشتاد ساله با اشعهی x عکسبرداری کرد. هنگامی که معلوم شد تمامی ساختمان استخوانهای انگشتان و مچ فون کولیکر نمایان است، تمام حاضرین ایستادند و برایش دست زدند.
خبر کشف هیجانانگیز رونتگن به سرعت در سراسر اروپا و آمریکا پخش شد. ایجاد اشعهی x آن قدر آسان بود که به زودی کاربرد عملی پیدا کرد. فقط چهار روز پس از رسیدن خبر کشف رونتگن به آمریکا، با اشعهی x توانستند محل یک گلوله را در پای مجروحی پیدا کنند.
داستانهای شگفتی در مورد خواص عجیب این اشعه در مطبوعات انتشار مییافت. ایالت نیوجرسی حتی در نظر داشت تا قانونی را تصویب کند و استفاده از آن را در دوربینهای اپرا منع کند تا عفت زنانی را که به اپرا میروند حفظ کند. شگفت آن که هیچ کس دیگری به فکر حفظ جامعه از اشعهی x نبود. چندین سال دیگر گذشت تا معلوم شد که تماس بیش از حد با اشعهی x سبب سرطان خون (لوسمی) میشود.
کشف اتفاقی اشعهی x توسط رونتگن در 5 نوامبر 1895 اکنون توسط بعضیها آغاز دومین انقلاب علمی محسوب میشود (اولین انقلاب علمی با کوپرنیکوس و کشف او از گردش زمین به دور خورشید آغاز شد و با روش علمی گالیله پای گرفت). کشف رونتگن به معنی پایان عصر فیزیک کلاسیک (دینای مکانیک گالیله و نیوتون) بود، اگر چه رونتگن در آن زمان هنوز از این موضوع آگاه نبود.
از ابتدا سعی شد تا این اشعهی جدید را اشعهی رونتگن بنامند. اما در مورد تلفظ صحیح و نوشتن نام رونتگن سردرگمی پیدا شد (هنوز هم این سردرگمی وجود دارد و در فرهنگهای مربوط به زندگینامهها نام او به شیوههای مختلف نوشته میشود). علاوه بر آن، مطبوعات اشعهی x را نام هیجانانگیزی یافتند. در هر حال رونتگن شهرت وسیعی پیدا کرد و اولین جایزه نوبل را در سال 1901 دریافت کرد. با این حال بعضی منتقدان سرسخت فرانسوی و انگلیسی رونتگن اعتقاد داشتند که او یک آزمایشگر ساده است که به طور اتفاقی شانس آورده است. در حالی که عدهای دیگر، بیشتر در آلمان، اعتقاد داشتند که او یکی از بزرگترین آزمایشگران عصر خویش است. در هر حال بیشک او یک خصلت استثنایی داشت. رونتگن از به ثبت رساندن هر چیزی که مربوط به تولید یا استفاده از اشعهی x بود خودداری کرد، زیرا اعتقاد داشت که این اشعه باید برای استفادهی بشریت به کار رود. کشف او میتوانست سود مالی عظیمی را برای او به همراه بیاورد. با این حال او در سال 1923، پس از این که پسانداز زندگیاش در تورم عظیم آلمان از میان رفت، در فقر و پیری در گذشت. (در آن زمان یک تکه نان میلیونها مارک ارزش داشت.)
گام بعدی در انقلاب جدید علمی، در نتیجهی مستقیم کشف رونتگن حاصل شد. این امر توسط شیمیدان فرانسوی هنری بکرل،(2) که از یک خانواده لمی مشهور بود، انجام شد. پدربزرگ او در جنگ واترلو جنگیده و یکی از پیشگامان الکتروشیمی بود. پدر او همین رشته را ادامه داده بود و بر روی فلوئورسانس(3) و فسفرسانس تحقیق کرده بود. اینها پدیدههایی هستند که هنگامی به وجود میآیند که مادهای نور را در طول موجی جذب میکند و سپس در طول موج دیگر آن را بیرون میدهد. (شاید بهترین مثال در این مورد وقتی است که نور نامریی ماوراء بنفش بر روی مواد معدنی مختلف تابانده میشود و باعث میشود که به رنگهای مختلفی بدرخشند).
هنگامی که بکرل از کشف رونتگن آگاه شد به یاد آزمایشهای پدرش در مورد فلوئورسانس افتاد. رونتگن با مشاهده اثر فلوئورسانت اشعهی x بر روی پلاتینو سیانید پتاسیم این اشعه را کشف کرده بود. این موضوع باعث شد که بکرل به این فکر بیفتد که آیا مواد فلوئورسانت هم خودشان اشعهی x تولید میکنند؟
در اوایل سال 1896 بکرل به آزمایش با نمک دوگانه اورانیوم (پتاسیم اورانیل سولفات) پرداخت، که از پژوهشهای پیشین خود میدانست که میتواند فلوئورسانس شدیدی ایجاد کند. او بلوری از این نمک را که در کاغذ سیاهی پیچیده شده بود، روی صفحهی عکاسی گذاشت و سپس آن را در آفتاب قرار داد. او میدانست که نور خورشید فلوئورسانس ایجاد میکند، و اگر این فلوئورسانس حاوی اشعهی x میبود، پس در کاغذ سیاه نفوذ کرده و روی صفحهی عکاسی ثبت میشد. دقیقاً همین جریان اتفاق افتاد. هنگامی که بکرل صفحهی عکاسی را بیرون آورد و آن را ظاهر کرد لکههای سفید کمرنگی را در محلی که بلور را گذاشته بود یافت. فقط یک نتیجه میشد گرفت: فلوئورسانس تولید اشعهی x میکند!
پاریس، زمستانی ابری داشت و روزهای آفتابی که او آزمایشهایش را انجام دهد بسیار کم و بافاصله بودند. بکرل بیصبرانه صفحههای عکاسی بیشتری را در کاغذ سیاه پیچیده و بلور را روی آن گذاشت. سپس آنها را به دقت در یک کشوی تاریک گذاشت. اما هنوز هم آفتاب نبود.
بکرل که دیگر نمیتوانست بیشتر از این صبر کند، تصمیم گرفت نگاهی به چند تا از صفحات عکاسی بیاندازد و ببیند که آیا بلورها لومینسانس ضعیفی داشتهاند، که در این هنگام دچار شوک شد. وقتی که اولین صفحهی عکاسی را ظاهر کرد، لکه سفید رنگ شدیدی را دید که از محلی که بلور را آن جا گذاشته بود، پخش شده بود. معنی این پدیده این بود که هر نوع اشعهای که از این بلور میتابد بدون دخالت نور خورشید است؛ و شامل هیچ نوع فلوئورسانس مرئی نیز نبود، چون بلور در تاریکی نمیدرخشید.
بکرل بیدرنگ به پژوهش در مورد این اشعهی غیرمنتظره پرداخت. او با کمال تعجب متوجه شد که این اشعه کاملاً شبیه اشعهی x نیست. ممکن بود که این یک نوع اشعهی کاملاً جدید باشد؟ این اشعه مانند اشعهی x نامرئی بود و میتوانست گازها را یونیزه کند (هنگام عبور از هوا بار الکتریکی ایجاد میکرد). ولی با قدرت بیشتری از اشعهی x میتوانست از ماده عبور کند. او اثر بسیار عجیبتری را نیز مشاهده کرد. این بلور پتاسیم اورانیل سولفات پیوسته این اشعه را میتاباند؛ و به نظر نمیرسید نور و یا تاریکی تأثیری در این مورد داشته باشد. بلور پیوسته در تمام جهات تشعشع میکرد.
در این مرحله پژوهشهای بکرل کاملاً متوقف شد. این پدیدهها بسیار جالب بودند، ولی به نظر نمیآمد که به جایی برسند. بکرل، یک آزمایشگر بود و در فکر تئوریسازی نبود. جالب اینجا است که درک او از این نوع اشعهی جدید به طور مهلکی در اثر پیشداوریهای تئوریکی که از پدرش آموخته بود، مختل شد. اگر چه به نظر نمیرسید که تشعشع در اثر خورشید یا روشنایی ایجاد شده باشد، او متقاعد شده بود که این اشعه باید «یک نوع فلوئورسانس نامریی» باشد؛ در غیر این صورت چه چیز دیگری میتوانست باشد؟ اشعه بدون منبع ورودی، نمیتوانست به طور مداوم از بلور ساطع شود. شاید این منبع ورودی میتوانست به نحوی درون بلور برای مدتی حفظ شود.
بکرل دیدگاه درستی داشت. همان گونه که قوانین فیزیک کلاسیک عمل میکرد. به مدت 2000 هزار سال پس از یونانیان باستان، متفکران علمی هنوز نفسیر ظاهری گفتهی منسوب به اپیکوروس را باور داشتند که میگفت چیزی از عدم به وجود نمیآید. بکرل کشف بسیار مهمی کرده بود، اما شکل جدیدی از فلوئورسانس نبود. پس این اشعه چه بود؟
ماری کوری اکتشافات رونتگن و بکرل را با علاقه زیادی دنبال کرده بود و مانند همیشه درباره آنها با پییر گفتگو میکرد. اکنون او پژوهش خود را بر روی مغناطیس تمام کرده بود و به دنبال موضوع مناسبی برای تز دکترایش میگشت. بنبست بکرل در آزمایشهایش، اکنون چالش جالبی را برای او فراهم میآورد. ماری تصمیم گرفت تا این نوع اشعهی جدید را بررسی کند.
ماری کوری اکنون کارش را به عنوان عضو گروه پژوهشی لیپمن تمام کرده بود، که به معنای آن بود که دیگر به آزمایشگاههای جدید سوربن با همه تجهیزات جدید آن دسترسی نخواهد داشت. در عوض پییر اجازه گرفت تا ماری از انباری قدیمی در آزمایشگاهش در دانشکده فیزیک و شیمی صنعتی استفاده کند. انباری متروک و سرد که او میبایست آن را از ابتدا مجهز کند. اما در این جا ماری کوری چیزی را داشت که هیچ گاه قادر نبود در آزمایشگاههای سوربن به دست آورد: استقلال کامل. او میتوانست پژوهشهای خود را آن چنان که میخواست و به هر نتیجهای که میرسید دنبال کند.
طبق دفتر یادداشتهای آزمایشگاهی ماری کوری، در 16 دسامبر 1897 آزمایشهای خود را شروع کرد. او به مطالعهی اشعهی حاصل از پتاسیم اورانیل سولفات پرداخت که تکرار آزمایش بکرل بود. ماری با اشاره به این اشعه در دفتر آزمایشگاهیاش اصطلاح «رادیواکتیویته» را به کار برد. کوری هم مانند بکرل تأیید کرد که رادیواکتیویته وقتی از هوا میگذرد آن را «برقزده» میکند. هوا یونیزه شده و میتوانست الکتریسته را هدایت کند. همچنان که رادیواکتیویته شدیدتر میشد، یونیزاسیون افزایش مییافت. با این حال مقدار یونیزاسیون بسیار جزیی و در حدود 12-10×50 آمپر بود. این مقدار به دستگاه اندازهگیری بسیار دقیقی نیاز داشت.
ماری کوری توانست از اثر پیزوالکتریکی که توسط پییر کوری و برادرش ژاک درست یک دهه پیش از آن کشف شده بود استفاده کند. با استفاده از این پدیده که یک بلور تحت فشار، مقدار کمی بار الکتریکی ایجاد میکند، توانست بار جزیی مخالف را که توسط عبور مواد رادیواکتیو ایجاد شده بود با آن خنثی کند؛ و بدین ترتیب مقدار بارالکتریکی به صفر برسد؛ بنابراین هر چه که برای خنثی کردن اثر الکتریکی به صفر برسد؛ بنابراین هر چه که برای خنثی کردن اثر الکتریکی رادیواکتیو فشار بیشتری بر کریستال لازم میشد، دلیل بر این بود که رادیواکتیویتهی بیشتری وجود دارد.
اکنون ماری کوری شروع به بررسی ترکیبات مختلف اورانیوم کرده بود که از اورانینیت تا بعضی نمکهای اورانیوم متفاوت بود. اورانینیت سیاهرنگ، یک نوع سنگ معدن اکسید اورانیوم، بسیار رادیواکتیو بود و 12-10×83 آمپر الکتریسته ایجاد میکرد. از طرف دیگر بعضی از نمکهای اورانیوم فقط 12-10×0/3 آمپر الکتریسته ایجاد میکردند. اما ماری کوری در جریان این آزمایشها یک کشف مهم کرد. اگر ترکیب گرم میشد، یا به حالت محلول یا پودر بود، مقدار رادیواکتیویته تفاوتی نمیکرد. تنها یک چیز بر روی مقداررادیواکتیویته تأثیر داشت، و آن مقدار رادیواکتیویتهی موجود بود. منشأ رادیواکتیویته، ترکیب اورانیوم نبود، بلکه این خاصیت خود اتمهای اورانیوم بود.
اما آیا خاصیت فقط منحصر به اورانیوم بود؟ ماری کوری شروع کرد به آزمایشهایی با اتمهایی که وزن اتمی مشابهی داشتند. اکسید توریم یونیزاسیونی ایجاد میکرد که برای خنثی کردن آن، بار پیزوالکتریکی برابر 12-10×53 آمپر لازم بود. فقط اورانیوم نبود که این خاصیت را داشت: توریم نیز رادیواکتیو بود. اما اینها تنها اکتشافاتی نبودند که ماری کوری انجام داده بود. او در گزارش خود نوشت که «دو سنگ معدنی اورانیوم، بیشتر از خود اورانیوم رادیواکتیو هستند که باعث میشود شخص فکر کند که این کانیها ممکن است حاوی عنصری حتی رادیواکتیوتر از اورانیوم باشد. مثلاً اورانیوم سنگ اورانینیت رادیواکتیویتهای چهار برابر بیشتر از مقدار رادیواکتیویتهی اورانیوم موجود در آن داشت. بدین ترتیب هیچ راهی برای توضیح این مسأله نبود، مگر آن که اورانینیت حاوی یک عنصر رادیواکتیو دیگر باشد. این عنصر باید به مقادیر بسیار ناچیزی موجود میبود، وگرنه وجود آن را تا به حال تشخیص داده بودند. به علاوه باید بینهایت رادیواکتیو باشد تا عامل تمامی رادیواکتیویتهی بالای این سنگ باشد. به علت این که تا آن وقت عنصر دیگری کشف نشده بود که به این مقدار رادیواکتیو باشد، احتمال میرفت که عنصر ناشناختهی دیگری در میان باشد.
به نظر میرسید شیوهی علمی گستاخانهی ماری کوری، او را به سوی کشف عمدهای راهنمایی میکند. طبق معمول ماری و پییر پیشرفت علمی خود را شبها در خانه با همدیگر در میان میگذاشتند. به این ترتیب هر دو به پیشرفت پژوهشهای یکدیگر کمک میکردند. اما اکنون پییر تشخیص داد که کارهای همسرش دارد اهمیت زیادی پیدا میکند. در نتیجه او تصمیم گرفت تا پژوهشهایش را به کلی رها کند و به ماری و پژوهشهایش بپیوندد. بنا به روایتی، پییر کوری میدانست که خودش دانشمند برجستهای است، اما اکنون تشخیص داده بود که همسرش در آغاز تبدیل شدن به یکی از بزرگترین دانشمندان همه زمانها است. واضح بود که بازیگر عمده در این همکاری کوریها چه کسی بود. همانطور که خواهیم دید، این گزارشهای یکسویه بسیار قابل بحث است. در واقع دو دانشمند بزرگ در این جا با هم کار میکردند. آنها رابطهی قابلملاحظهای را در زندگی حرفهای و عاطفی خود برقرار کرده بودند (دو حوزهای که بیش از حد دور از همدیگرند)، بنابراین تصمیم پییر برای ترک پژوهشهایش و پیوستن به ماری آن طور که در ابتدا به نظر میآید آنقدرها هم عجیب نبود.
نکتهی دیگری را که باید در نظر داشت این است که ماری کوری طی این مرحله از کارهای آزمایشگاهی شدیدش، داشت از دخترش ایرن مراقبت میکرد که درست سه ماه پیش از نوشتن اولین یادداشتهایش در دفترچه آزمایشگاه پییر به دنیا آمده بود. ماری برای کمک به مراقبت از ایرن خدمتکاری را استخدام کرد، ولی گفته میشود که هیچگاه شستشوی شبانهی ایرن را ترک نکرد. از سوی دیگر اکنون میدانیم که ماری و ایرن کوری بزرگترین همکاری مادر و فرزندی را در تاریخ علم داشتهاند. بنیاد روانی این رابطه، میبایست طی پنج سال زندگی ایرن گذاشته شده باشد که دوران شدیدترین تحقیقات ماری کوری بوده است. همهی اینها دستاوردهای ماری کوری را حتی قابلملاحظهتر میسازند. ممکن است که او یک شخصیت بسیار جدی و بسیار متمرکز بوده باشد، اما توانست تعادل قابلملاحظهای را برقرار سازد. او نابغهای نبود که در دنیای خودش غرق شده باشد، بلکه ذهنی بود که در محیط پوشک و شیونهای صبحگاهی در سطح بسیار عالی کار میکرد. (جالب این که چند سال بعد اینشتین نیز بهترین پژوهشهایش را در شرایط مشابهی انجام داد؛ اگر چه مردی متعلق به زمان خودش بود و همانند ماری کوری آنقدرها با مدفوع و گریهی بچه سرو کار نداشت ... ).
اکنون ماری و پییر کوری شروع کردند به کار مشکل کشف این عنصر ناشناخته در اورانینیت. نخست میباید این عنصر ناشناخته را جدا کنند که به مقادیر بسیار جزیی وجود داشت. این کار، شامل خالص کردن این کانی با روشهای شیمیایی و تقطیر مکرر بود تا این که نمونهای از خود عنصر را به دست آورند. اما جدا کردن این عنصر از بیسموت که بسیار شبیه آن بود، ناممکن مینمود. در جولای 1898 مقدار ناچیزی پودر بیسموت به دست آمده از تلاششان، حاوی عنصر جدیدی بود که برحسب گزارش مشترک کوریها این پودر حاوی «فلز ناشناختهای شبیه به بیسموت بود». آنها میافزایند: «پیشنهاد میکنیم آن را پولونیوم بنامند که از نام وطن یکی از ما گرفته شده است. » پولونیا نام لاتین لهستان است. انسانها، سیارات، و حتی یک سگ، همگی عنصری به نامشان نامیده شده است (اینشتینیم، اورانیوم، پولوتونیوم). لهستان یکی از معدود کشورهایی است که چنین افتخاری را به دست آورده است. این کار در یک زمان بسیار ضروری انجام گرفت، یعنی هنگامی که نام لهستان در خطر محو از روی نقشه بود. درست است که ماری کوری به فرانسه مهاجرت کرده و با یک فرانسوی ازدواج کرده بود، ولی در سراسر دوران زندگی خود یک میهنپرست لهستانی مانده بود. مثلاً اگر چه به فرانسه روان صحبت میکرد، اما همیشه لهجهی مشخص لهستانی داشت.
کشف پولونیوم توسط کوری در یک مقالهی مشترک تحت عنوان «دربارهی یک مادهی رادیواکتیو جدید درون اورانینیت» به چاپ رسید (این اولین باری بود که واژهی «رادیواکتیو» مطرح میشد). سپس آنها متوجه شدند که پولونیوم 400 بار رادیواکتیوتر از اورانیوم است. حتی با وجود این مقدار زیاد رادیواکتیویته، مقدار رادیواکتیویتهی موجود در اورانینیت قابل توجیه نبود. به نظر میرسید که یک عنصر بسیار رادیواکتیو دیگر در این کانی وجود دارد. بار دیگر آنها جستجوی سوزن را در میان انبوهی کاه شروع کردند. این بار موفق شدند تا عنصر ناشناختهای را در پودر باریوم پیدا کنند و اعلام داشتند: «ما دومین مادهی رادیواکتیو را پیدا کردهایم که از لحاظ خواص شیمیایی به کلی با عنصر اولی متفاوت است.» این عنصر را فقط به خاطر رادیو اکتیویتهی زیاد آن میشد از باریوم تشخیص داد.
پینوشتها:
1- Wilhelm Conrad Röntgen (1845 –1923)
2- Antoine Henri Becquerel (1852 –1908)
3- Fluorescence
استراترن، پل؛ (1389) شش نظریهای که جهان را تغییر داد، ترجمهی دکتر محمدرضا توکلی صابری و بهرام معلمی، تهران، انتشارات مازیار، چاپ چهارم.
/ج
تازه های مقالات
ارسال نظر
در ارسال نظر شما خطایی رخ داده است
کاربر گرامی، ضمن تشکر از شما نظر شما با موفقیت ثبت گردید. و پس از تائید در فهرست نظرات نمایش داده می شود
نام :
ایمیل :
نظرات کاربران
{{Fullname}} {{Creationdate}}
{{Body}}