داستان پرتوهای ناشناس

اشعه ایکس

در سال 1895 میلادی، فیزیک‌دان آلمانی، ویلهلم کونرات رونتگن، پرتوهای ایکس را بر حسب تصادف کشف کرد. رونتگن مشغول تکرار آزمایش‌های فیزیک‌دانان دیگری بود که در آن آزمایش‌ها، الکتریسیته با ولتاژ زیاد به هوا یا گازهای دیگری که در لامپ شیشه‌ای نیمه خلأی قرار داشتند تخلیه می‌شد. از سال 1858 میلادی می‌دانستند که دیواره‌های لامپ شیشه‌ای در مدت تخلیه‌ی الکتریسیته به صورت فسفرسان می‌درخشد. در سال 1878 میلادی سِر ویلیام کروکس، پرتوهای کاتُدیِ ایجاد کننده‌ی این فسفرسانی را به عنوان جریانی از مولکول‌های در حال پرواز توصیف کرد، اما اکنون می‌دانیم که پرتوهای کاتدی در واقع جریان الکترون‌هایی هستند که از کاتد گسیل می‌شوند، و ضربه‌ی برخورد این الکترون‌ها با دیواره‌های لامپ شیشه‌ای است که ایجاد فسفرسانی می‌کند. تابلوهای نئون، لامپ‌های تلویزیون و چراغ‌های مهتابی، همه از کاربردهای این آزمایش‌ها هستند. درون چراغ‌های مهتابی از مواد بسیار فلوئورسان پوشیده می‌شود تا رنگ‌ها و روشنایی‌های متنوع به وجود آیند.
در سال 1892 میلادی، هاینریش هرتز نشان داد که پرتوهای کاتدی از صفحه‌های نازک فلزی عبور می‌کنند. دو سال بعد، فیلیپ لنارد لامپ‌های تخلیه‌ای ساخت که منافذ آلومینیمی نازکی داشتند. این منافذ، پرتوهای کاتدی را از خود به بیرون لامپ عبور می‌دادند، و در آن جا می‌شد این پرتوها را بر اساس نوری که بر صفحه‌ای از ماده‌ی فلوئورسان ایجاد می‌کردند تشخیص داد (از چنین صفحه‌هایی برای آشکار سازی نور فرابنفش هم استفاده می‌شد). اما معلوم شد که در فشارهای معمولی بیرون از لامپ خلأ، پرتوهای کاتدی تنها دو یا سه سانتیمتر در هوا نفوذ یا سیر می‌کنند. رونتگن برخی از این آزمایش‌ها را تکرار کرد تا با روش‌های انجام آن‌ها آشنا شود. سپس تصمیم گرفت ببیند آیا می‌تواند پرتوهای کاتدی ساطع شده از یک لامپ خلأ تمام شیشه‌ای را، نظیر آن‌چه کروکس استفاده کرده بود – یعنی لامپی که هیچ منفذ آلومینیمی نداشت – تشخیص دهد یا نه. هیچ کس در چنین وضعیتی پرتوهای کاتدی را مشاهده نکرده بود. رونتگن با خود فکر کرد که امکان دارد علت این توانایی این باشد که فسفرسانی شدید لامپ کاتدی ، فلوئورسانی ضعیف صفحه‌ی آشکارساز را تحت الشعاع قرار می‌داد. برای امتحان این نظریه، پوشش مقوایی سیاه رنگی برای لامپ کاتدی درست کرد. آن گاه برای آن که مؤثر بودن این پوشش را بیازماید اتاق را تاریک و سیم پیچ پرولتاژ را روشن کرد تا لامپ به کار افتد. وقتی مطمئن شد که پوشش سیاهی که ساخته بود واقعاً لامپ را می‌پوشاند و به هیچ نور فسفرسانی اجازه‌ی عبور نمی‌دهد، رفت که سیم پیچ را خاموش و چراغ‌های اتاق را روشن کند تا صفحه‌ی فلوئورسان را به فواصل مختلف از لامپ خلأ قرار دهد. اما در همان لحظه متوجه نور ضعیفی شد که از نقطه‌ای در آن اتاق تاریک که حدود یک متر با لامپ خلأ فاصله داشت، می‌درخشید. در ابتدا فکر کرد شاید در پوشش سیاه رنگ اطراف لامپ سوراخ کوچکی وجود داشته باشد که نور آن در آینه‌ای منعکس شده است. اما هیچ آینه‌ای در اتاق نبود. وقتی بار دیگر مقداری الکتریسیته را به لامپ کاتدی تخلیه کرد دید باز نوری که هم‌چون ابرهای سبز محوی هم‌گام با افت و خیزهای تخلیه‌های الکتریکی لامپ کاتدی حرکت می‌کرد در همان نقطه ظاهر شد. رونتگن با عجله کبریتی روشن کرد و با شگفتی دید که منشأ آن نورِ مرموز صفحه‌ی فلوئورسان کوچکی بود که قصد داشت از آن به عنوان آشکار ساز در مجاورت لامپ کاتدی پوشش دارش استفاده کند – اما صفحه در یک متری لامپ بر میزی قرار داشت.
رونتگن بلافاصله متوجه شد که پدیده‌ی کاملاً جدیدی را مشاهده کرده است. این پرتوهای کاتدی نبودند که صفحه را از فاصله‌ی یک متری روشن کرده بودند. رونتگن در چندین هفته پس از آن واقعه، با سخت کوشی، خود را وقف بررسی این شکل جدید تابش کرد و یافته‌های خود را در مقاله‌ای که به تاریخ 28 دسامبر سال 1895 میلادی در وورتزبرگ منتشر شد شرح داد. عنوان مقاله چنین بود: «مکتوبی اولیه در باره‌ی نوعی پرتو جدید». گرچه رونتگن اکثر ویژگی‌های کیفی و بنیادین این پرتوهای جدید را در مقاله‌ی خود به دقت شرح داد، اما نامی که برای آن‌ها انتخاب کرد نشان می‌داد که هنوز به ماهیت دقیقشان پی نبرده است. او آن‌ها را پرتوهای ایکس یا مجهول نامید. (بسیاری از اوقات آن‌ها را پرتوهای رونتگن خوانده‌اند.) او گزارش داد که این پرتوهای جدید، بر خلاف آن چه در مورد پرتوهای کاتدی مشاهده شده بود، تحت تأثیر آهن‌ربا قرار نمی‌گیرند. نه تنها بر خلاف پرتوهای کاتدی، که تنها پنج تا هفت سانتیمتر در هوا سیر می‌کردند، تا بیش از یک متر در هوا نفوذ می‌کردند، بلکه (آن طور که در مقاله‌اش آمد): همه‌ی اجسام در مقابل این عامل، شفافند، گرچه شفافیت آن‌ها با یک دیگر بسیار فرق می‌کند ... کاغذ بسیار شفاف است؛ دیدم صفحه‌ی فلورسان از پشت کتابِ مجلدی که در حدود هزار صفحه داشت به روشنی می‌درخشید ... به همین ترتیب فلوئورسانی از پشت دو دسته ورق نیز ظاهر می‌شد ... تکه‌های ضخیم چوب نیز شفافند، و تخته‌های چوب کاج که دو یا سه سانتیمتر ضخامت داشته باشند تنها اندکی آن را جذب می‌کنند. گرچه صفحه‌ای آلومینیمی به ضخامت حدود پانزده میلیمتر اثر پرتو را تا حد زیادی کاهش می‌داد، اما باعث قطع کامل فلوئورسانی نمی‌شد. اگر دستی در میان لامپ تخلیه و صفحه قرار گیرد، سایه‌ی تیره‌ترِ استخوان‌ها در تصویر شبح گونه و نیمه تاریکِ خود دست دیده می‌شود.
وی دریافت که حتی می‌تواند چنین تصاویری از استخوان‌ها را بر صفحه‌ی عکاسی ثبت کند. این ویژگی پرتوهای ایکس توجه جامعه‌ی پزشکی را به خود جلب کرد. در مدت بسیار کوتاهی، در بیمارستان‌های سراسر دنیا به طور معمول از پرتوهای ایکس برای تشخیص استفاده می‌شد. در تاریخ علم کم‌تر واقعه‌ای روی داده است که به اندازه‌ی کشف رونتگن چنین تأثیر شگرفی داشته باشد. هنوز یک سال از انتشار مقاله‌ی اولیه‌اش نگذشته بود که چهل و نُه کتاب و رساله و بیش از هزار مقاله در باره‌ی پرتوهای ایکس منتشر شد. اما بیست سال طول کشید تا پیش‌رفت چشم گیری ورای آن‌چه رونتگن در زمینه‌ی ویژگی‌های تابش ایکس عرضه کرده بود حاصل شود. وقتی فرهنگستان علوم سوئد جوایز نوبل را برای نخستین بار در سال 1901 میلادی توزیع می‌کرد، کسی که برای دریافت جایزه‌ی فیزیک انتخاب شد رونتگن بود. مسلماً برای فرهنگستان جای بسی خوش‌وقتی بود که نخستین جایزه را به افتخار چنین موفقیت عظیمی اعطا کند.

ویلهلم کونرات رونتگن در سال 1845 میلادی در لنپ، پروس، به دنیا آمد. پس از آن که در سه سالگی به همراه خانواده‌اش به هلند نقل مکان کرد، تحصیلات ابتدایی خود را در آن جا گذراند. رونتگن پس از پشت سر گذاشتنِ دوره‌ی کوتاهی در دانشکده‌ی فنی و دانشگاه اوترخت، به دانشکده‌ی پلی تکنیک زوریخ راه یافت و در آن جا دانش‌نامه‌ای در مهندسی مکانیک گرفت. اما به تدریج به علوم محض بیش از مهندسی علاقه‌مند شد، و مطالعات خود را در زمینه‌ی ریاضیات و فیزیک آغاز کرد. پس از تحصیل زیر نظر آگوست کانت، و ارئه‌ی پایان نامه‌ای با عنوان بررسی گازها، از دانشگاه زوریخ دکترا گرفت. یک سال بعد به دنبال کانت به وورتزبرگ و سپس استراسبورگ رفت که در آن‌جا برای نخستین باربه مقام استادی رسید. در سال 1888 میلادی مقام استادی فیزیک و سرپرستی مؤسسه‌ی فیزیک دانشگاه وورتزبرگ را بر عهده گرفت. او دوازده سال عهده دار این مقام بود، و در همین جا بود که پرتوهای ایکس را کشف کرد. در سال 1900 میلادی دولت باواریا از او دعوت کرد تا سرپرستی مؤسسه‌ی فیزیک مونیخ را بپذیرد، و رونتگن باقی مانده‌ی عمرش را در همان جا گذراند. وی در سال 1923 میلادی در سن هفتاد و هشت سالگی در گذشت. شاید اگر رونتگن در بخش عمده‌ای از آزمایش‌هایش از معرض پرتوهای ایکس محافظت نمی‌شد عمر بسیار کوتاه‌تری می‌کرد. اما او در آزمایشگاهش اتاقکی را نه برای حفاظت در برابر اشعه، بلکه برای سهولت ظهور صفحه‌های عکاسی در روز، ساخته بود. بدین ترتیب، رونتگن در طی عمر خود تا حدی از آثار مرگ‌بار قرار گیری در معرض پرتوهای ایکس مصون ماند.

پرتوزایی طبیعی

کشف پرتوزایی طبیعی توسط آنری بکرل، اندکی پس از کشف پرتوهای ایکس به دست رونتگن انجام گرفت و بی‌دلیل و بدون ارتباط هم نبود. بکرل مقاله‌ای را که رونتگن در آن پرتوهای نافذ جدید خود را ناشی از پرتوهای کاتدی می‌دانست خوانده بود. خودِ این پرتوهای کاتدی در شیشه‌ی لامپ‌های کاتدی موجب فسفرسانی می‌شدند. بنا بر این بکرل استدلال کرد شاید برخی از موادی که تحت تأثیر نور مرئی فسفرسان می‌شوند از خود پرتو نافذی شبیه به پرتوهای ایکس ساطع می‌کنند. این البته نظریه‌ی نادرستی بود اما به هر حال نظریه‌ای بود که منجر به کشف ارزشمندی شد.
بکرل ترکیب فسفرسان اورانیم را انتخاب کرد. او برای این که نظریه‌ی خود را بیازماید، یک صفحه‌ی عکاسی را در کاغذ سیاهی پیچید، بلوری از ترکیب اورانیم را بر صفحه‌ی کاغذ پیچی شده گذاشت، و مجموعه را در معرض آفتاب قرار داد. وقتی صفحه‌ی عکاسی را ظاهر کرد تصویری از بلور اورانیوم بر آن نقش بسته بود. بکرل که آزماش‌گر دقیقی بود قبلاً پیش بینی کرده بود که کاغذ سیاه، صفحه‌ی عکاسی را از پرتو آفتاب حفظ خواهد کرد. بنا بر این اطمینان داشت که علت تأثیر پذیرفتن صفحه، چیزی غیر از آفتاب است. او این آزمایش را تأییدی بر نظریه‌ی خود دانست. بعد، تصادفی روی داد، یا دست کم حادثه‌ای طبیعی اتفاق افتاد که نه تنها در فیزیک و شیمی، بلکه در حیات همه‌ی ساکنان این سیاره، سرآغاز عصر جدیدی شد: عصر اتمی و هسته‌ای. آفتاب، چندین روز در پاریس نتابید (که اتفاق نادری نبود). چون بکرل وجود آفتاب را برای ایجاد فسفرسانی اورانیم ضروری می‌دانست آزمایش‌هایش را موقتاً رها کرد و بلور اورانیم را در کشویی روی صفحه‌ی عکاسی کاغذ پیچ شده گذاشت. بکرل پس از چندین روز، صفحه‌ی عکاسی را که در کنار بلور اورانیم در کشو بود ظاهر کرد. انتظار داشت تنها تصویر محوی از بلور که نتیجه‌ی اندک فسفرسانی باقی مانده‌ی بلور اورانیم بود بر صفحه ببیند. اما در کمال شگفتی دید که وضوح تصویر مثل موقعی بود که بلور اورانیم و فیلم کاغذ پیچ شده در نور آفتاب قرار گرفته باشند! در این موقع بکرل نتیجه‌ی درستی از مشاهده‌ی خود گرفت: اثر آفتاب در ایجاد فسفرسانی بلور اورانیم، هیچ ربطی به تأثیر پذیرفتنِ صفحه‌ی عکاسی پوشیده‌ی زیرش نداشت، بلکه این تأثیر ناشی از خود بلور اورانیم بود که حتی در تاریکی هم صفحه‌ی عکاسی را متأثر می‌ساخت.
بکرل شروع کرد به آزمایشِ تمام نمونه‌های اورانیمی که توانست به آن‌ها دسترسی پیدا کند تا پرتوهایی که از ورای کاغذ سیاه موجب تأثیر گذاشتن بر فیلم عکاسی شده بودند را بیابد – مسلماً این پرتوها، پرتوهای نور طبیعی نبودند. او دریافت که هر ترکیب خالص اورانیم یا حتی سنگ معدن ناخالص اورانیم هم این ویژگی را دارد. وی توانست میزان تابش این مواد را با استفاده از برق‌نما (الکتروسکوپ) بسنجد، و علت امکان این سنجش این بود که این پرتوها در هوایی که از آن عبور می‌کردند باعث ایجاد یون‌های باردار می‌شدند. طرز کار برق‌نما بر این واقعیت استوار است که بارهای هم‌نام یک دیگر را دفع می‌کنند. نیروی دافعه را می‌توان با مشاهده‌ی حرکت یک رسانای انعطاف پذیر در خلاف جهت یک نیروی بازگرداننده‌ی مکانیکی، آشکار کرد. بکرل متوجه شد که جز یک مورد، در تمام نمونه‌ها، میزان تابش با درصد اورانیم موجود در ترکیب یا سنگ معدن نسبت مستقیم دارد. آن یک مورد استثنایی، سنگ معدنی به نام پیچبلند بود که میزان تابش آن چندین برابر بیش‌تر از اورانیم خالص بود. این یافته باعث شد که بکرل این نتیجه را بگیرد که در این سنگ معدن، ماده‌ای غیر از اورانیم وجود دارد که پرتو زایی آن بسیار بیش‌تر از اورانیم است.

در این جاست که کوری‌ها وارد ماجرای پرتوزایی می‌شوند (اتفاقاً لفظ پرتوزایی از ابداعات ماری کوری بود). پروفسور بکرل پیشنهاد کرد ماری اسکلودوسکا کوری شناسایی ناخالصی پرتوزای ناشناخته در سنگ معدن اورانیم، پیچبلند، را موضوع طرح پژوهشی دکترای خود قرار دهد. ماری با کمک همسر فیزیک‌دانش پی‌یر، از حدود یک و نیم متر مکعب سنگ معدن پیچبلند شروع کرد. هر بار روی حدود بیست کیلوگرم به پژوهش می‌پرداخت، و مخلوط مذاب آن را با میله‌های آهنی در ظروف یک‌پارچه‌ی آهنی به هم می‌زد. آن دو با این سخت کوشی خود موفق به جداسازی دو عنصر جدید از پیچبلند شدند که از اورانیم پرتوزاتر بودند. اولی را به احترام زادگاه ماری، لهستان (یا به زبان همان کشور، پولسکا)، پولونیم نامیدند، و دومی را بر اساس معادل واژه‌ی تابش (یا رادیاسیون)، رادیم خواندند. پولونیم شصت برابر و رادیم چهار صد برابر پرتوزاتر از اورانیم هستند. میزان بهره‌وری حدودِ یک جزء رادیم، به ازای هر ده میلیون جزء سنگ معدن بود. کوری‌ها کشف رادیم و پولونیم را در سال 1898 میلادی، تنها دو سال پس از کشف پرتوزایی طبیعی به دست بکرل، اعلام کردند.
ماری و پی‌یر کوری جایزه‌ی نوبل فیزیک را در سال 1903 میلادی با بکرل مشترکاً برنده شدند. نیمی از این جایزه به بکرل به سبب کشف پرتوزایی خود به خودی، و نیم دیگر به کوری‌ها به سبب تحقیقات مشترک آن دو در زمینه‌ی پدیده‌ی تابش که پروفسور آنری بکرل کشف کرده بود اعطا شد.
آنتوان آنری بکرل از اخلافِ مشهورِ شخصیت‌هایی معروف بود. هم پدرش و هم پدر بزرگش دانشمندان معتبری بودند: هر دو صاحب کرسی فیزیک در موزه‌ی تاریخ طبیعی پاریس بودند. آنری که در سال 1852 میلادی زاده شد پس از گذراندن تحصیلات مقدماتیِ رسمی به دانشکده‌ی پُلی تکنیک رفت و از آن جا دکترای علوم گرفت. در وزارت راه و پل سازی به عنوان مهندس به خدمت دولت فرانسه در آمد، اما در عین حال در موزه‌ای که پدر و پدر بزرگش تدریس می‌کردند درسِ فیزیک می‌گفت. هنگامی که پدرش در سال 1892 در گذشت عهده دار کرسی تدریسی شد که پدر و پدر بزرگش در موزه داشتند. در سالِ 1895 در دانشکده‌ی پلی تکنیک به سِمَت استادی فیزیک منصوب شد. یک سال بعد کشفی کرد که موجب شهرتش گردید. وی تا هنگام مرگش در سال 1908 میلادی، به تحقیقات خود در رشته‌ی جدید و پر اهمیت پرتوزایی ادامه داد.

هم‌چنین در سال 1911 میلادی جایزه‌ی نوبل شیمی به ماری کوری اعطا شد. پی‌یر کوری در سال 1906 در یک تصادف با کالسکه کشته شده بود وگرنه او نیز در این جایزه سهیم می‌شد: ماری به عنوان استاد دانشگاه سوربُن جانشین وی شد. در تقدیر نامه‌ی ماری آمده بود: «تقدیم به پروفسور ماری کوری، به یادبود خدمات ایشان در پیش‌بردِ شیمی با کشف عناصر رادیم و پولونیم، از طریق جدا سازی رادیم و تحقیق در زمینه‌ی ماهیت و ترکیبات این عنصر شگفت انگیز.» ماری کوری در سال 1934 میلادی بر اثر ابتلا به سرطان خون درگذشت، و این سرطان بی‌تردید نتیجه‌ی قرار گیری در معرض تابشی بود که خطر آن تا مدت‌ها بعد شناخته نشد.