علم شیمی در ابتدا از برخی دستاوردهای کیمیاگری بهره برد؛ با وجود این، دگرگونی واقعی وقتی تحقق یافت که این فکر جا افتاد که یک خاصیت شیمیایی را نمی توان پذیرفت مگر آنکه مشاهده ای دقیق و منظم آن را به اثبات رسانیده باشد. تقدم تجربه بر نظریه، اساس علم جدید را تشکیل می دهد. و این امر ایجاب می کند که وسایل اندازه گیری دقیق توسعه پیدا کند. یک نظریه هر اندازه هم که جالب باشد، هنگامی پذیرفتنی است که متکی بر تجربیات باشد و نتایج به دست آمده انتشار بیابد تا در آزمایشگاههای متفاوت مورد رسیدگی قرار گیرد و تأیید گردد.
از قرن هیجدهم، دانشمندان گامهای اول را در جهت زدودن توهمات ظاهری برداشتند، و ثابت کردند که برخی از عناصر، واقعاً بنیادی، و بقیه، ترکیبات عناصر نخستین هستند. عناصر اولیه را که تجزیه ناپذیرند عناصر شیمیایی نامیدند. عناصر بنیادی را نمی توان تعریف کرد مگر به تبع تکمیل فنون تجزیه ی آزمایشگاهی که به دست آمده اند. در 1913 و به یُمن مطالعات موزلی و بور بود که ماهیت یک عنصر شیمیایی، واقعاً فهمیده شد. در عصر نوزایش، تعداد اندکی از این عناصر شناخته شده بودند: سرب، قلع، آهن، مس، نقره، طلا، جیوه (سیماب)، گوگرد، سیانور و کربن. از قرن هیجدهم تعداد کثیری از این عناصر بنیادی کشف و مجزا گردیدند. ثابت شد که این عناصر از تعداد زیادی اتمهای مشابه بسیار کوچک تشکیل شده اند و سرانجام ابعاد آنها نیز تعیین گردید. از اجتماع اتمها با هم ملکولهای عناصر ساده یا مرکب تشکیل می شود. و همان طور که 2500 سال پیشتر، فلاسفه یونانی دموکریتوس (1) و لوسیپوس (2) گفته بودند، پذیرفته شد که این اتمها، ذرات نهایی، تجزیه ناپذیر و نفوذناپذیرند. و این، بزرگ ترین پیروزی شیمیدانان و فیزیکدانان قرن بیستم بود. تجربیات بسیار، از جمله تجربیات ژوزف پروست (3) که جان دالتون (4) معرفی کرده است، سپس تجربیات لوئی گی لوساک (5) امکان بررسی «فرضیه ی اتمی» را فراهم ساخت. سرانجام تأیید شد که در یک گرم گاز هیدروژن 600/000 میلیارد میلیارد اتم وجود دارد.
اینک خواهید دید که از 1896 اکتشافات مهمی صورت می گیرد که ما را به خیلی دورتر از اینها می برند. در پاریس، هانری بِکِرل (6) سپس پی یر کوری (7) و ماری کوری (8) خاصیت شگفتی در اتمهای اورانیوم، آخرین عنصر طبقه بندی تناوبی، کشف کردند. این اتمها «رادیواکتیو» هستند: یعنی خود به خود و به طور مداوم، پرتوهای نفوذکننده پخش می کنند. این پرتوها بر صفحه ی عکاسی اثر می گذارند؛ هوا را الکتریسیته دار می کنند یا به اصطلاح فنی موجب «یونیدگی» (9) آن می شوند. این یونیدگی امکان می دهد که مقدار تابشها را اندازه بگیریم. علاوه بر اورانیوم و توریوم (10) که تا آن وقت شناخته شده بودند، پی یر و ماری کوری عناصر شیمیایی جدیدی را که به مقدار ناچیزی در کانه های اورانیوم وجود دارد از راه تابششان کشف و مجزا کردند. این عناصر رادیواکتیو را پُلونیوم (11) و رادیوم (12) نامیدند.
حالا از ساحل اروپایی اقیانوس اطلس به ساحل آمریکایی آن گذر کنیم و به کانادا و به شهر مونترال برویم، که در آن وقت از مستملکات بریتانیا بود. در وسط این شهر که اکثر جمعیت آن به زبان فرانسه تکلم می کنند، دانشگاه انگلیسی زبان مک ــ گیل (13)، آزمایشگاه مجهز فیزیک مک دونالد (14) را در خود داشت که به برکت بخشایش مردی که از تجارت دخانیات به ثروت کلانی رسیده بود، خیلی خوب مجهز شده بود. یک فیزیکدان جوان 27 ساله اهل زلاند جدید، ارنست راترفورد که با جی. جی تامسون (15) مشهور در آزمایشگاه کاوندیش (16) کمبریچ در انگلستان کار می کرد، در 1898 پذیرفت که در دانشگاه دوردست مک ــ گیل تدریس کند. آنچه او را جلب می کرد حقوق نسبتاً مختصری نبود که به او پیشنهاد شده بود، بلکه وسایل استثنایی آزمایشگاه این دانشگاه بود که به او امکان می داد تحقیقاتش را در عرصه ی جدید رادیواکتیویته پیش ببرد. برای این منظور پیش از ترک انگلستان مقداری نمکهای اورانیوم و توریوم برای ادامه ی تحقیقاتی که شروع کرده بود به کانادا فرستاد. ارنست راترفورد تحقیقاتش را بویژه روی مطالعه ی رادیواکتیویته ی توریوم و مشتقات آن متمرکز کرد. توریوم فلزی است سنگین، سفید، نقره فام، نسبتاً نرم، که نامش را به افتخار «تور» (17) خدای اساطیری اسکاندیناوی توریوم گذاشته اند. محقق جوان، خودش را در میدان رقابت احساس می کند. در نظر او، در این مسابقه ی علمی بهترینها بِکِرل و زوج کوری هستند، او می خواهد نه فقط عقب افتادگیش را جبران کند، بلکه اگر بتواند پیش هم بیفتد.
از اواخر پاییز 1898، یعنی پس از اعلام کشف پُلونیوم اما قبل از رادیوم، او کارش را در کانادا شروع کرد. وقتی که در کمبریج بود دریافته بود که نیترات توریوم در فضای آزاد به طرزی هوسبازانه پرتوافکنی می کند و نه مداوم. او این مشاهده را در مونترال از سرگرفت تا منشاء پدیده را بفهمد؛ سپس متوجه شد که اندازه ی رادیواکتیویته برحسب باز یا بسته بودن در آزمایشگاه تغییر پیدا می کند... چه بسا اگر کس دیگری جای او بود به این وضعیت ظاهراً تصادفی توجهی نمی کرد، اما راترفورد که به اندازه گیریهایش کاملاً اطمینان داشت معتقد بود هر مشاهده ای سزاوار یک تعریف است. او تجربه ها را هر بار با تغییر دادن شرایط تکرار کرد و بالاخره موفق شد نشان دهد که توریوم مداوماً نوعی «بخار»، گاز رادیواکتیو می پراکند، و بدون آنکه بداند دقیقاً ماهیت آن چیست، آن را گاز (اِماناسیون) توریوم نامید. جریان هوای حاصل از بازبودن در، مقداری از «گاز» را می بُرد و در نتیجه، شدت تابش اندازه گیری شده، کاهش می یافت.
برای مطالعه ی دقیق تر این «گاز»، راتر فورد جریان گاز را از روی نمونه ی اکسید توریوم عبور داد که بلافاصله به محفظه ای که دستگاه اندازه گیری درون آن جا داشت، وارد می شد. او مشاهده کرد که رادیواکتیویته ی «گاز» به مرور زمان کاهش پیدا می کند؛ پس از یک دقیقه تقریباً نصف می شود؛ پس از دقیقه ی دوم، به یک چهارم کاهش می یابد و به همین ترتیب تا به آخر. غافلگیری تازه: هر چیز که با «گاز» تماس داشته باشد پس از مدتی پوششی از رادیواکتیو پیدا می کند که آن هم موقتی است، اما مدت دوام آن طولانی تراست (11 ساعت به جای یک دقیقه). وقتی که پی یر و ماری کوری، در نوامبر 1899، پدیده ی مشابهی یافتند که با نمکهای رادیوم ایجاد می شد، آن را رادیواکتیویته ی القایی نامیدند. راتر فورد بعداً ثابت کرد که منشاء این رادیواکتیویته ی القایی، همان «گاز» است.
این «گاز» و این رسوب اکتیو برای محققان آزمایشگاه مک دونالد مسائلی را مطرح کرد. یکی از همکاران راتر فورد به نام آ. اس. اِو (18) بعدها اظهار داشت، که به یک صنعتگر ساختن ابزاری را سفارش داده موسوم به الکتروسکوپ با صفحه ی طلا برای آنکه بتواند الکتریسته ی آزاد شده از عناصر رادیواکتیو را اندازه بگیرد. وقتی این دستگاه بار الکتریکی پیدا می کرد، صفحه ی طلا که به سوزنی وصل بود، وضعیت معینی پیدا می کرد؛ اثر تابشها تخلیه ی الکتریکی دستگاه بود که باعث جابه جایی صفحه ی طلا می شد. در صورتی که در دستگاهی که ساخته شده بود صفحه ی طلا هیچ گاه در جای خود نمی ماند و پس از اندک زمانی می افتاد. آ. اس. اِو در شبی که بی خوابی به سرش زده بود به این مسئله می اندیشد. به مکاشفه ای رسید؛ از جا برخاست و با جعبه ی فلزی توتون پیپ، یک الکتروسکوپ درست کرد و آن را با لعاب یک پیپ و کمی موم، عایق کرد. این بار در آزمایش، صفحه ی طلا در جای خود قرار گرفت. نتیجه معلوم بود: آزمایشگاه راترفورد به «گاز» و به رسوب اکتیو آن آلوده شده بود. راترفورد مسرور از توجیهی که همکارش یافته بود، از همان روز اقدامات احتیاطی خاصی را برای پیشگیری از بروز این گونه اختلالات به اجرا گذاشت.
از مرور مکاتبات راترفورد با دوستان و همکارانش متوجه می شویم که او در مونترال سخت احساس غربت می کرده است. در نامه ای به تاریخ اواخر مارس 1901 به جی. جی تامسون می نویسد: «احساس غربت، بزرگ ترین ناراحتی مأموریت در مستعمرات است، زیرا اگر نخواهی درجا بزنی، به مراوده های علمی نیاز خواهی داشت». او خودش را از آزمایشگاههای اروپایی که سرشناس ترین فیزیکدانان در آنجا جمع بودند، خیلی دور می دید. با این همه، در کمتر از یک سال همه چیز عوض شد. دیگر غربتی وجود نداشت. حالا دانشمندان جوان و پرتحرک اروپایی بودند که می خواستند به مونترال بروند و با راترفورد کار کنند.
راستی در این فاصله چه اتفاق افتاده بود؟
در همان نامه، راترفورد نوشته بود: «ما فردا در انجمن فیزیکدانان محل مباحثه ای مهمّ خواهیم داشت و امیدواریم که به این مناسبت، شیمیدانها را سرجایشان بنشانیم.» فیزیکدان جوان می خواهد به شیمیدانهایی که با آنها به گفت وگو خواهد نشست ثابت کند که کوچک تر از اتم هم وجود دارد، مثل الکترون که چهار سال پیشتر استادش جی. جی. تامسون کشف کرده بود، و دیگر اینکه یک عنصر شیمیایی ممکن است، نه فقط از راه روشهای شیمی کلاسیک. بلکه به کمک تابش خود عنصر، آشکار و جدا گردد. شیمیدانی که راترفورد با او صحبت خواهد کرد شیمیدان جوان و پراستعدادی است به نام فردریک سادی (19) که پاییز گذشته از آکسفورد به مک ــ گیل آمده است، مناظره را دوست دارد و با زبانی گرم و گیرا مخاطبش را تحت تأثیر قرار می دهد. سادی یادآوری می کند که اتم نفوذناپذیر و تقسیم ناپذیر پایه ی شیمی است و اضافه می کند که تابشها آن سازگاری مادی را که یک عنصر شیمیایی از خود نشان می دهد، ندارند. با این همه، پس از این مناظره ی به یادماندنی، راترفورد به سادی پیشنهاد می کند که بیاید و با او کار کند. زیرا به نظرش همکاری یک فیزیکدان و یک شیمیدان برای روشن کردن ماهیت گاز رادیواکتیو توریوم ضروری است.
راترفورد مردی بود پرانرژی، پرشور و زودخشم؛ می توانست باورهای جاافتاده را با قدرت استدلالش نابود کند. تیزهوشی او زبانزد بود: در میان انبوهی از داده های متناقض، او آن چه را که معنادار بود می دید، و با پشتکار خستگی ناپذیر، راهی را دنبال می کرد که به هدف می رساند. او به راه حل مسائل، معرفتی شهودی داشت. تجربیاتش همیشه ساده و خالی از پیچیدگیهای بی فایده و دست و پاگیر بود. حکم، حکم تجربه بود: فرضیه ای که بر مشاهدات متکی نبود، در نظرش پشیزی ارزش نداشت. یکی از همکاران دانشگاهیش که استاد ادبیات بود درباره ی او گفته است، تأثیری که راتر فورد بر روی دیگران به جا می گذاشت تنها با یک کلمه می توان بیان کرد: او «رادیواکتیو» بود.
فردریک سادی نیز هوش فوق العاده تیزی داشت. در استدلال، سریع و در نتیجه گیری، درخشان بود و معلومات عمومی وسیعی داشت. او می توانست نتایج تازه ی علمی را خوب بیان کند، خوب بنویسد و توضیح بدهد. گفت و شنود را دوست داشت، در یک کلمه، اهل مناظره بود.
همکاری پربار این دو شخصیت برجسته ی علمی حدود هیجده ماه ادامه یافت؛ سادی وظیفه ی جداسازی شیمیایی را بر عهده داشت و راترفورد به کار اندازه گیریهای فیزیکی می پرداخت. سادگی برای تجزیه ی «گازِ» گسیل شده از توریوم یا برای به دست آوردن ترکیبات شیمیایی با آن، از بهترین واکنشگرهای شیمیایی استفاده می کرد. اما هیچ
(توضیح تصویر): خانواده ی توریوم تا اولین عنصر رادیویی رسوب اکتیو (توریوم A)
(وقتی که راترفورد و سادی توریوم X را کشف کردند، هنوز دو عنصر مزوتوریوم و رادیو توریوم شناخته نشده بود) هر رادیو ایزوتوپ خانواده ی توریوم به نام مخصوصی نامیده شد؛ علامت شیمیایی هر عنصر در بالای تصویر دیده می شود.
اتفاقی نمی افتاد، «گاز» همان بود که بود. این دلیلی بود که «گاز» توریوم مستعد هیچ میل ترکیبی شیمیایی نیست، لذا، یک گاز بی اثر (خنثی) بود و به خانواده ی گاز آرگون تعلق داشت که به تازگی کشف شده بود و بعدها به گازهای کمیاب معروف شدند. گاز رادیواکتیو توریوم را تورون (20) نامیدند.
دو پژوهشگر جوان به بازتاب کشف بزرگ مشترکشان شهود قطعی دارند. توریوم، عنصر جامد، دائماً گاز گسیل می کند؛ آنها مبهوت از درک این معنا، به یکدیگر خیره می شوند. سادی به راترفورد می گوید: «این، یک عمل تبدّل است. توریوم فروپاشیده به عنصری دیگر مبدّل می شود». راترفورد در پاسخ می گوید: «سادی، تو را به خدا ساکت باش، وگرنه خیال می کنند ما کیمیاگریم!»
(توضیح تصویر): تقلیل رادیواکتیویته ی توریوم X و از سرگیری رادیواکتیویته ی نمونه ی توریوم در آزمایشهای راترفورد و سادی. T در اینجا دوره ی توریوم X است (اندکی طولانی تر از مدتی که متعاقباً تعیین شد).
با وجود این، چنین فرضیه ای باید تأیید می شد. آیا توریوم منشاء حقیقی گسیل گاز تورون است؟ یک رشته آزمایشهای جدید شروع می شود. سادی سعی می کند از نو توریوم بسیار ناب را جدا کند، به طوری که هیچ عنصر دیگری در آن نمانده باشد. دو دانشمند با شگفتی تمام می بینند رسوبی که توریوم از آن جدا شده، گاز گسیل می کند و قسمت عمده ی رادیواکتیوی را که تا آن وقت از توریوم می دانستند، با خود دارد. به این نتیجه رسیدند که توریوم خالص، کمتر رادیواکتیو است تا توریوم تصفیه نشده، پس عنصر تازه ای با توریوم همراه است. راترفورد و سادی به قیاس اورانیوم x که یک سال پیشتر ویلیام کروکس (21) از اورانیوم کشف کرده بود، آن را توریوم x نامیدند. این جداسازی توریوم ظاهراً نمی توانست دائمی باشد و لازم بود چند بار تکرار شود. دو پژوهشگر خستگی ناپذیر نیترات توریوم کاملاً خالصی را به آلمان سفارش دادند تا بتوانند مطالعات دقیق تری را انجام بدهند. با رسیدن محموله، کار را جدّی تر از همیشه از سرمی گیرند. هر جداسازی شیمیایی تازه ی سادی، اندازه گیریهای تازه ی راترفورد را روی تابشهای آشکارساز ایجاب می کند.
درست پیش از عید نوئل 1901، سادی می کوشد همه توریم x را از توریوم مبداء جدا کند. در اوایل ژانویه، وقتی که راترفورد کار اندازه گیریها را از سر می گیرد از مشاهده نتایج، سخت شگفت زده می شود. رادیواکتیویته ی توریوم x خیلی تنزل کرده است، در حالی که توریوم فعالیت رادیواکتیو ثابت اوّلیه و قدرتش را در تولید گاز، تقریباً به طور کامل بازیافته است. دو دانشمند، با هیجان، آزمایش را تکرار می کنند، و به این نتیجه می رسند: رادیواکتیویته ی توریوم x، به تدریج که توریوم مبداء، قدرت تابش خود را بازمی یابد، کاهش می پذیرد؛ مجموع دو فرایند ثابت است. واقعیت داده ها جای تردید باقی نمی گذارد: عنصر توریوم به عنصر توریوم x مبدّل می شود. آنان به اثبات واقعیت تبدیل پذیری عناصر رسیده بودند.
تعداد اتمهایی که بر حسب واحد زمان مبدل می شود. همیشه همان نسبت عددی را به کل اتمهای موجود دارد. این ضریب تناسب، از خصوصیات هر عنصر رادیواکتیو است. نشان داده شده است که این ضریب تناسب، هم از شرایط فیزیکی ــ دما، فشار و هم از شرایط شیمیایی مستقل است. از آن «قانون نمایی کاهش» (22) یک عنصر رادیواکتیو نتیجه می گردد: به موجب آن در مدت زمانی معین که «دوره» گفته می شود، مقدار رادیواکتیویته ی اوّلیه نصف می شود؛ در پایان دوره ی دوم، فقط یک چهارم باقی می ماند، در پایان دوره ی سوم، فقط یک هشتم باقی می ماند. همان طور که قبلاً نیز اشاره کردیم، رادیواکتیویته ی تورون (گاز گسیل شده از توریوم) در یک دقیقه نصف می شود. مثلاً اگر 1000 عدد اتم تورون مجزا شود: پس از دقیقه ی اول نصف آن فروپاشیده خواهد شد و 500 اتم باقی خواهد ماند، در پایان دقیقه ی دوم، نصف اتمهای مانده فرومی پاشد و فقط 250 اتم باقی خواهد ماند و همین طور تا به آخر. رادیواکتیویته، تبدّل خودبه خود یک عنصر شیمیایی به عنصر دیگر است. توریوم، یک فلز است، به توریوم x مبدّل می شود که فلز دیگری است. توریوم x نیز به نوبه ی خود به تورون که یک گاز رادیواکتیو است، مبدّل می گردد. و این گاز به عنصر جامدی مبدل می شود که خود منشاء رسوب رادیواکتیو است. تبدّل، دگرگونی شیمیایی، همراه و نتیجه ی تابش اتم اولیه است.
خبر این کشف، که مفاهیم مربوط به تغییرناپذیری اتم را زیرورو می کرد، باید هرچه زودتر منتشر می شد. اما در آن عصر معتبرترین مجلات علمی، در اروپا منتشر می شدند، و آزمایشگاههای مهم هم آنجا متمرکز بودند. دستنویس مقاله را باید به اروپا می فرستادند و گفت وگوی مستقیم با مسئولان مجله ها به سبب بُعد مسافت، مقدور نبود. چون نتایج کشفشان انقلابی بود، می باید دقت به خرج می دادند تا بدون سراسیمه کردن، متقاعد کنند. از مقاله ای به مقاله ی دیگر، توضیحات راترفورد و سادی دقیق تر و استوارتر می شد. در آغاز، استادان محافظه کار دانشگاه مک گیل از انتشار خبر خیلی ترسیدند. آنها با خود می گفتند آیا نظریات جدید درباره ی تبدیل پذیری عناصر، به شهرت دانشگاهشان لطمه نخواهد زد و آن را اسباب مضحکه ی خاص و عام نخواهد کرد؟ و به دو دانشمند جوان که البته مدافعانی هم در میان همکارانشان داشتند، توصیه می کردند که جانب احتیاط را از دست ندهد. یکی از قدیمی ترین استادان فیزیک، جان کوکس (23)، در مقام دفاع برآمد که برعکس، «این مفاهیم جدید باعث شهرت دانشگاه ما خواهد شد».
جای آن همه نگرانی نبود، نظریه ی جدید به ضرب اول از سوی جامعه ی علمی پذیرفته شد. تجربیات، قانع کننده بودند، هر مدعی می توانست آن را تکرار کند؛ آنها سرانجام توجیهی عقلایی و منسجم برای پدیده ی رادیواکتیویته ارائه می دادند. تجاهل العارفِ لُرد کِلوین (24) پیر هم چندان نپایید. سرانجام، این نوری بود در تاریکی، روشنایی در ابهام. کشف دگرگونی خود به خود ــ که آن را قانون تبدّل رادیواکتیو نامیدند ــ برای راترفورد و سادی سبب اعتباری جهانی شد.
اگر امروز از یک فیزیکدان هسته ای بپرسند که به نظرش کارهای اصلی راترفورد چه بوده، احتمالاً این قانون تبدّل رادیواکتیوها برایش تداعی نخواهد شد، بلکه فکرش متوجه دو کشفی خواهد شد که این دانشمند بزرگ چند سال بعد در منچستر به آنها دست یافت. در 1911، او وجود هسته ای در مرکز اتم را که منزلگاه همه ی تبدّلات است به اثبات می رساند. سپس در 1919 او نخستین تبدیل مصنوعی را با تبدیل یک اتم ازت به یک اتم اکسیژن که اولین نمونه ی «واکنش هسته ای» است، عملی می سازد. حالا دیگر می توان یک اتم سرب را به یک اتم طلا تبدیل کرد... اما قیمت طلایی که از این راه به دست می آید خیلی گران تر از طلایی است که در طبیعت یافت می شود. مقدار انرژی آزاده شده در رادیواکتیویته که در پرتوها از بین می رود قابل ملاحظه است. این انرژی از فعل و انفعال قدرتهای خیلی بزرگ تر از آنهایی که در واکنشهای شیمیایی عمل می کنند، حاصل می شود؛ این قدرتهای هسته ای اند که عمل می کنند نه قدرتهای الکترومغناطیسی که منشاء تبدّلات شیمیایی را تشکیل می دهند.
حالا می بینید که کیمیاگران، نظیر آنهایی که دوروبر امپراتور رودلف دوم را گرفته بودند، هیچ شانسی برای تبدیل سرب به طلا را نداشتند، زیرا برای این توفیق باید به نیروهای مشابه نیروهای ذخیره شده در هسته ها دسترسی داشت. پژوهش درباره ی رادیواکتیویته موجب شناسایی این نیروها و یافتن راه رهاسازی آنها می شود.
از قرن هیجدهم، دانشمندان گامهای اول را در جهت زدودن توهمات ظاهری برداشتند، و ثابت کردند که برخی از عناصر، واقعاً بنیادی، و بقیه، ترکیبات عناصر نخستین هستند. عناصر اولیه را که تجزیه ناپذیرند عناصر شیمیایی نامیدند. عناصر بنیادی را نمی توان تعریف کرد مگر به تبع تکمیل فنون تجزیه ی آزمایشگاهی که به دست آمده اند. در 1913 و به یُمن مطالعات موزلی و بور بود که ماهیت یک عنصر شیمیایی، واقعاً فهمیده شد. در عصر نوزایش، تعداد اندکی از این عناصر شناخته شده بودند: سرب، قلع، آهن، مس، نقره، طلا، جیوه (سیماب)، گوگرد، سیانور و کربن. از قرن هیجدهم تعداد کثیری از این عناصر بنیادی کشف و مجزا گردیدند. ثابت شد که این عناصر از تعداد زیادی اتمهای مشابه بسیار کوچک تشکیل شده اند و سرانجام ابعاد آنها نیز تعیین گردید. از اجتماع اتمها با هم ملکولهای عناصر ساده یا مرکب تشکیل می شود. و همان طور که 2500 سال پیشتر، فلاسفه یونانی دموکریتوس (1) و لوسیپوس (2) گفته بودند، پذیرفته شد که این اتمها، ذرات نهایی، تجزیه ناپذیر و نفوذناپذیرند. و این، بزرگ ترین پیروزی شیمیدانان و فیزیکدانان قرن بیستم بود. تجربیات بسیار، از جمله تجربیات ژوزف پروست (3) که جان دالتون (4) معرفی کرده است، سپس تجربیات لوئی گی لوساک (5) امکان بررسی «فرضیه ی اتمی» را فراهم ساخت. سرانجام تأیید شد که در یک گرم گاز هیدروژن 600/000 میلیارد میلیارد اتم وجود دارد.
اینک خواهید دید که از 1896 اکتشافات مهمی صورت می گیرد که ما را به خیلی دورتر از اینها می برند. در پاریس، هانری بِکِرل (6) سپس پی یر کوری (7) و ماری کوری (8) خاصیت شگفتی در اتمهای اورانیوم، آخرین عنصر طبقه بندی تناوبی، کشف کردند. این اتمها «رادیواکتیو» هستند: یعنی خود به خود و به طور مداوم، پرتوهای نفوذکننده پخش می کنند. این پرتوها بر صفحه ی عکاسی اثر می گذارند؛ هوا را الکتریسیته دار می کنند یا به اصطلاح فنی موجب «یونیدگی» (9) آن می شوند. این یونیدگی امکان می دهد که مقدار تابشها را اندازه بگیریم. علاوه بر اورانیوم و توریوم (10) که تا آن وقت شناخته شده بودند، پی یر و ماری کوری عناصر شیمیایی جدیدی را که به مقدار ناچیزی در کانه های اورانیوم وجود دارد از راه تابششان کشف و مجزا کردند. این عناصر رادیواکتیو را پُلونیوم (11) و رادیوم (12) نامیدند.
حالا از ساحل اروپایی اقیانوس اطلس به ساحل آمریکایی آن گذر کنیم و به کانادا و به شهر مونترال برویم، که در آن وقت از مستملکات بریتانیا بود. در وسط این شهر که اکثر جمعیت آن به زبان فرانسه تکلم می کنند، دانشگاه انگلیسی زبان مک ــ گیل (13)، آزمایشگاه مجهز فیزیک مک دونالد (14) را در خود داشت که به برکت بخشایش مردی که از تجارت دخانیات به ثروت کلانی رسیده بود، خیلی خوب مجهز شده بود. یک فیزیکدان جوان 27 ساله اهل زلاند جدید، ارنست راترفورد که با جی. جی تامسون (15) مشهور در آزمایشگاه کاوندیش (16) کمبریچ در انگلستان کار می کرد، در 1898 پذیرفت که در دانشگاه دوردست مک ــ گیل تدریس کند. آنچه او را جلب می کرد حقوق نسبتاً مختصری نبود که به او پیشنهاد شده بود، بلکه وسایل استثنایی آزمایشگاه این دانشگاه بود که به او امکان می داد تحقیقاتش را در عرصه ی جدید رادیواکتیویته پیش ببرد. برای این منظور پیش از ترک انگلستان مقداری نمکهای اورانیوم و توریوم برای ادامه ی تحقیقاتی که شروع کرده بود به کانادا فرستاد. ارنست راترفورد تحقیقاتش را بویژه روی مطالعه ی رادیواکتیویته ی توریوم و مشتقات آن متمرکز کرد. توریوم فلزی است سنگین، سفید، نقره فام، نسبتاً نرم، که نامش را به افتخار «تور» (17) خدای اساطیری اسکاندیناوی توریوم گذاشته اند. محقق جوان، خودش را در میدان رقابت احساس می کند. در نظر او، در این مسابقه ی علمی بهترینها بِکِرل و زوج کوری هستند، او می خواهد نه فقط عقب افتادگیش را جبران کند، بلکه اگر بتواند پیش هم بیفتد.
از اواخر پاییز 1898، یعنی پس از اعلام کشف پُلونیوم اما قبل از رادیوم، او کارش را در کانادا شروع کرد. وقتی که در کمبریج بود دریافته بود که نیترات توریوم در فضای آزاد به طرزی هوسبازانه پرتوافکنی می کند و نه مداوم. او این مشاهده را در مونترال از سرگرفت تا منشاء پدیده را بفهمد؛ سپس متوجه شد که اندازه ی رادیواکتیویته برحسب باز یا بسته بودن در آزمایشگاه تغییر پیدا می کند... چه بسا اگر کس دیگری جای او بود به این وضعیت ظاهراً تصادفی توجهی نمی کرد، اما راترفورد که به اندازه گیریهایش کاملاً اطمینان داشت معتقد بود هر مشاهده ای سزاوار یک تعریف است. او تجربه ها را هر بار با تغییر دادن شرایط تکرار کرد و بالاخره موفق شد نشان دهد که توریوم مداوماً نوعی «بخار»، گاز رادیواکتیو می پراکند، و بدون آنکه بداند دقیقاً ماهیت آن چیست، آن را گاز (اِماناسیون) توریوم نامید. جریان هوای حاصل از بازبودن در، مقداری از «گاز» را می بُرد و در نتیجه، شدت تابش اندازه گیری شده، کاهش می یافت.
برای مطالعه ی دقیق تر این «گاز»، راتر فورد جریان گاز را از روی نمونه ی اکسید توریوم عبور داد که بلافاصله به محفظه ای که دستگاه اندازه گیری درون آن جا داشت، وارد می شد. او مشاهده کرد که رادیواکتیویته ی «گاز» به مرور زمان کاهش پیدا می کند؛ پس از یک دقیقه تقریباً نصف می شود؛ پس از دقیقه ی دوم، به یک چهارم کاهش می یابد و به همین ترتیب تا به آخر. غافلگیری تازه: هر چیز که با «گاز» تماس داشته باشد پس از مدتی پوششی از رادیواکتیو پیدا می کند که آن هم موقتی است، اما مدت دوام آن طولانی تراست (11 ساعت به جای یک دقیقه). وقتی که پی یر و ماری کوری، در نوامبر 1899، پدیده ی مشابهی یافتند که با نمکهای رادیوم ایجاد می شد، آن را رادیواکتیویته ی القایی نامیدند. راتر فورد بعداً ثابت کرد که منشاء این رادیواکتیویته ی القایی، همان «گاز» است.
این «گاز» و این رسوب اکتیو برای محققان آزمایشگاه مک دونالد مسائلی را مطرح کرد. یکی از همکاران راتر فورد به نام آ. اس. اِو (18) بعدها اظهار داشت، که به یک صنعتگر ساختن ابزاری را سفارش داده موسوم به الکتروسکوپ با صفحه ی طلا برای آنکه بتواند الکتریسته ی آزاد شده از عناصر رادیواکتیو را اندازه بگیرد. وقتی این دستگاه بار الکتریکی پیدا می کرد، صفحه ی طلا که به سوزنی وصل بود، وضعیت معینی پیدا می کرد؛ اثر تابشها تخلیه ی الکتریکی دستگاه بود که باعث جابه جایی صفحه ی طلا می شد. در صورتی که در دستگاهی که ساخته شده بود صفحه ی طلا هیچ گاه در جای خود نمی ماند و پس از اندک زمانی می افتاد. آ. اس. اِو در شبی که بی خوابی به سرش زده بود به این مسئله می اندیشد. به مکاشفه ای رسید؛ از جا برخاست و با جعبه ی فلزی توتون پیپ، یک الکتروسکوپ درست کرد و آن را با لعاب یک پیپ و کمی موم، عایق کرد. این بار در آزمایش، صفحه ی طلا در جای خود قرار گرفت. نتیجه معلوم بود: آزمایشگاه راترفورد به «گاز» و به رسوب اکتیو آن آلوده شده بود. راترفورد مسرور از توجیهی که همکارش یافته بود، از همان روز اقدامات احتیاطی خاصی را برای پیشگیری از بروز این گونه اختلالات به اجرا گذاشت.
از مرور مکاتبات راترفورد با دوستان و همکارانش متوجه می شویم که او در مونترال سخت احساس غربت می کرده است. در نامه ای به تاریخ اواخر مارس 1901 به جی. جی تامسون می نویسد: «احساس غربت، بزرگ ترین ناراحتی مأموریت در مستعمرات است، زیرا اگر نخواهی درجا بزنی، به مراوده های علمی نیاز خواهی داشت». او خودش را از آزمایشگاههای اروپایی که سرشناس ترین فیزیکدانان در آنجا جمع بودند، خیلی دور می دید. با این همه، در کمتر از یک سال همه چیز عوض شد. دیگر غربتی وجود نداشت. حالا دانشمندان جوان و پرتحرک اروپایی بودند که می خواستند به مونترال بروند و با راترفورد کار کنند.
راستی در این فاصله چه اتفاق افتاده بود؟
راترفورد مردی بود پرانرژی، پرشور و زودخشم؛ می توانست باورهای جاافتاده را با قدرت استدلالش نابود کند. تیزهوشی او زبانزد بود: در میان انبوهی از داده های متناقض، او آن چه را که معنادار بود می دید، و با پشتکار خستگی ناپذیر، راهی را دنبال می کرد که به هدف می رساند. او به راه حل مسائل، معرفتی شهودی داشت. تجربیاتش همیشه ساده و خالی از پیچیدگیهای بی فایده و دست و پاگیر بود. حکم، حکم تجربه بود: فرضیه ای که بر مشاهدات متکی نبود، در نظرش پشیزی ارزش نداشت. یکی از همکاران دانشگاهیش که استاد ادبیات بود درباره ی او گفته است، تأثیری که راتر فورد بر روی دیگران به جا می گذاشت تنها با یک کلمه می توان بیان کرد: او «رادیواکتیو» بود.
فردریک سادی نیز هوش فوق العاده تیزی داشت. در استدلال، سریع و در نتیجه گیری، درخشان بود و معلومات عمومی وسیعی داشت. او می توانست نتایج تازه ی علمی را خوب بیان کند، خوب بنویسد و توضیح بدهد. گفت و شنود را دوست داشت، در یک کلمه، اهل مناظره بود.
همکاری پربار این دو شخصیت برجسته ی علمی حدود هیجده ماه ادامه یافت؛ سادی وظیفه ی جداسازی شیمیایی را بر عهده داشت و راترفورد به کار اندازه گیریهای فیزیکی می پرداخت. سادگی برای تجزیه ی «گازِ» گسیل شده از توریوم یا برای به دست آوردن ترکیبات شیمیایی با آن، از بهترین واکنشگرهای شیمیایی استفاده می کرد. اما هیچ
(توضیح تصویر): خانواده ی توریوم تا اولین عنصر رادیویی رسوب اکتیو (توریوم A)
اتفاقی نمی افتاد، «گاز» همان بود که بود. این دلیلی بود که «گاز» توریوم مستعد هیچ میل ترکیبی شیمیایی نیست، لذا، یک گاز بی اثر (خنثی) بود و به خانواده ی گاز آرگون تعلق داشت که به تازگی کشف شده بود و بعدها به گازهای کمیاب معروف شدند. گاز رادیواکتیو توریوم را تورون (20) نامیدند.
دو پژوهشگر جوان به بازتاب کشف بزرگ مشترکشان شهود قطعی دارند. توریوم، عنصر جامد، دائماً گاز گسیل می کند؛ آنها مبهوت از درک این معنا، به یکدیگر خیره می شوند. سادی به راترفورد می گوید: «این، یک عمل تبدّل است. توریوم فروپاشیده به عنصری دیگر مبدّل می شود». راترفورد در پاسخ می گوید: «سادی، تو را به خدا ساکت باش، وگرنه خیال می کنند ما کیمیاگریم!»
(توضیح تصویر): تقلیل رادیواکتیویته ی توریوم X و از سرگیری رادیواکتیویته ی نمونه ی توریوم در آزمایشهای راترفورد و سادی. T در اینجا دوره ی توریوم X است (اندکی طولانی تر از مدتی که متعاقباً تعیین شد).
با وجود این، چنین فرضیه ای باید تأیید می شد. آیا توریوم منشاء حقیقی گسیل گاز تورون است؟ یک رشته آزمایشهای جدید شروع می شود. سادی سعی می کند از نو توریوم بسیار ناب را جدا کند، به طوری که هیچ عنصر دیگری در آن نمانده باشد. دو دانشمند با شگفتی تمام می بینند رسوبی که توریوم از آن جدا شده، گاز گسیل می کند و قسمت عمده ی رادیواکتیوی را که تا آن وقت از توریوم می دانستند، با خود دارد. به این نتیجه رسیدند که توریوم خالص، کمتر رادیواکتیو است تا توریوم تصفیه نشده، پس عنصر تازه ای با توریوم همراه است. راترفورد و سادی به قیاس اورانیوم x که یک سال پیشتر ویلیام کروکس (21) از اورانیوم کشف کرده بود، آن را توریوم x نامیدند. این جداسازی توریوم ظاهراً نمی توانست دائمی باشد و لازم بود چند بار تکرار شود. دو پژوهشگر خستگی ناپذیر نیترات توریوم کاملاً خالصی را به آلمان سفارش دادند تا بتوانند مطالعات دقیق تری را انجام بدهند. با رسیدن محموله، کار را جدّی تر از همیشه از سرمی گیرند. هر جداسازی شیمیایی تازه ی سادی، اندازه گیریهای تازه ی راترفورد را روی تابشهای آشکارساز ایجاب می کند.
درست پیش از عید نوئل 1901، سادی می کوشد همه توریم x را از توریوم مبداء جدا کند. در اوایل ژانویه، وقتی که راترفورد کار اندازه گیریها را از سر می گیرد از مشاهده نتایج، سخت شگفت زده می شود. رادیواکتیویته ی توریوم x خیلی تنزل کرده است، در حالی که توریوم فعالیت رادیواکتیو ثابت اوّلیه و قدرتش را در تولید گاز، تقریباً به طور کامل بازیافته است. دو دانشمند، با هیجان، آزمایش را تکرار می کنند، و به این نتیجه می رسند: رادیواکتیویته ی توریوم x، به تدریج که توریوم مبداء، قدرت تابش خود را بازمی یابد، کاهش می پذیرد؛ مجموع دو فرایند ثابت است. واقعیت داده ها جای تردید باقی نمی گذارد: عنصر توریوم به عنصر توریوم x مبدّل می شود. آنان به اثبات واقعیت تبدیل پذیری عناصر رسیده بودند.
قانونمندی تبدّلات رادیواکتیو
گسیل گاز از توریوم x، همچنین پدید آمدن رسوب رادیواکتیو از گاز گسیل شده، از عمل تبدّل مشابهی نتیجه می شد. در هر لحظه تعدادی اتمهای عنصر مادر فرومی پاشد و خودبه خود به عنصر دیگری مبدل می شود که این عنصر اخیر نیز ممکن است رادیواکتیو باشد. آهنگ این تبدّلات بر حسب عناصر، بسیار متفاوت است، مثلاً توریوم عمری بسیار طولانی به مقیاس دوره های زمین شناختی دارد، رادیواکتیویته ی خاص خودش تغییرناپذیر به نظر می رسد. توریوم x که از آن نتیجه می گردد، نصف رادیواکتیویته اش را در 3/6 روز از دست می دهد. وقتی آن را مجزا می کنند، می بینیم که کم کم از بین می رود. در توریوم مبداء از طریق فرایند تبدل، منظماً اتمهای تازه ی توریوم x ظاهر می شود. تعداد اتمهایی که بازسازی می شود با تعداد اتمهایی که فروپاشیده می شود مساوی است، به قسمی که مجموعشان پیوسته ثابت می ماند. این وضعیت، تعادل رادیواکتیو موجود در کانه های طبیعی را تشکیل می دهد.تعداد اتمهایی که بر حسب واحد زمان مبدل می شود. همیشه همان نسبت عددی را به کل اتمهای موجود دارد. این ضریب تناسب، از خصوصیات هر عنصر رادیواکتیو است. نشان داده شده است که این ضریب تناسب، هم از شرایط فیزیکی ــ دما، فشار و هم از شرایط شیمیایی مستقل است. از آن «قانون نمایی کاهش» (22) یک عنصر رادیواکتیو نتیجه می گردد: به موجب آن در مدت زمانی معین که «دوره» گفته می شود، مقدار رادیواکتیویته ی اوّلیه نصف می شود؛ در پایان دوره ی دوم، فقط یک چهارم باقی می ماند، در پایان دوره ی سوم، فقط یک هشتم باقی می ماند. همان طور که قبلاً نیز اشاره کردیم، رادیواکتیویته ی تورون (گاز گسیل شده از توریوم) در یک دقیقه نصف می شود. مثلاً اگر 1000 عدد اتم تورون مجزا شود: پس از دقیقه ی اول نصف آن فروپاشیده خواهد شد و 500 اتم باقی خواهد ماند، در پایان دقیقه ی دوم، نصف اتمهای مانده فرومی پاشد و فقط 250 اتم باقی خواهد ماند و همین طور تا به آخر. رادیواکتیویته، تبدّل خودبه خود یک عنصر شیمیایی به عنصر دیگر است. توریوم، یک فلز است، به توریوم x مبدّل می شود که فلز دیگری است. توریوم x نیز به نوبه ی خود به تورون که یک گاز رادیواکتیو است، مبدّل می گردد. و این گاز به عنصر جامدی مبدل می شود که خود منشاء رسوب رادیواکتیو است. تبدّل، دگرگونی شیمیایی، همراه و نتیجه ی تابش اتم اولیه است.
خبر این کشف، که مفاهیم مربوط به تغییرناپذیری اتم را زیرورو می کرد، باید هرچه زودتر منتشر می شد. اما در آن عصر معتبرترین مجلات علمی، در اروپا منتشر می شدند، و آزمایشگاههای مهم هم آنجا متمرکز بودند. دستنویس مقاله را باید به اروپا می فرستادند و گفت وگوی مستقیم با مسئولان مجله ها به سبب بُعد مسافت، مقدور نبود. چون نتایج کشفشان انقلابی بود، می باید دقت به خرج می دادند تا بدون سراسیمه کردن، متقاعد کنند. از مقاله ای به مقاله ی دیگر، توضیحات راترفورد و سادی دقیق تر و استوارتر می شد. در آغاز، استادان محافظه کار دانشگاه مک گیل از انتشار خبر خیلی ترسیدند. آنها با خود می گفتند آیا نظریات جدید درباره ی تبدیل پذیری عناصر، به شهرت دانشگاهشان لطمه نخواهد زد و آن را اسباب مضحکه ی خاص و عام نخواهد کرد؟ و به دو دانشمند جوان که البته مدافعانی هم در میان همکارانشان داشتند، توصیه می کردند که جانب احتیاط را از دست ندهد. یکی از قدیمی ترین استادان فیزیک، جان کوکس (23)، در مقام دفاع برآمد که برعکس، «این مفاهیم جدید باعث شهرت دانشگاه ما خواهد شد».
جای آن همه نگرانی نبود، نظریه ی جدید به ضرب اول از سوی جامعه ی علمی پذیرفته شد. تجربیات، قانع کننده بودند، هر مدعی می توانست آن را تکرار کند؛ آنها سرانجام توجیهی عقلایی و منسجم برای پدیده ی رادیواکتیویته ارائه می دادند. تجاهل العارفِ لُرد کِلوین (24) پیر هم چندان نپایید. سرانجام، این نوری بود در تاریکی، روشنایی در ابهام. کشف دگرگونی خود به خود ــ که آن را قانون تبدّل رادیواکتیو نامیدند ــ برای راترفورد و سادی سبب اعتباری جهانی شد.
فردریک سادی به انگلستان بازگشت، اما راترفورد چند سالی به تحقیقاتش در کانادا ادامه داد. یکی از پرتوهای گسیل شده در فرایند تبدّل، اختصاصاً توجه راترفورد را جلب کرد. منشاء این پرتوها نه الکترونها بودند و نه ذرّات نور. این پرتوها که یک صفحه ی کاغذ معمولی می توانست آن را جذب کند، از ذرات مادی نسبتاً سنیگینی با بارالکتریکی مثبت تشکیل می شد، که آنها را ذرات آلفا نامید. بعدها ثابت کرد که این ذرات، اتمهای هلیوم بودند که دو الکترون خود را از دست داده اند. بدین ترتیب او ثابت کرد که مثلاً یک اتم توریوم x به یک اتم گاز تورون به اضافه یک اتم هلیوم (ذره ی آلفا) مبدل می شود و انرژی زیادی آزاد می کند.
در 1908 راترفورد جایزه ی نوبل در شیمی را به خاطر مطالعاتش درباره ی تبدّل عناصر رادیواکتیو دریافت کرد. کمیته ی اعطاکننده جایزه، انتخابش را چنین توضیح داد: «نظریه ی فروپاشی و نتایج تجربیی که این نظریه بر آنها استوار است ما را به تفسیر نوین و خیلی گسترده تر مفاهیم بنیادی شیمی هدایت می کند. در طول قرن نوزدهم، اتم و عنصر شیمیایی، کوچک ترین واحدهایی را تشکیل می داد که می شد از راه تجزیه ی شیمیایی به آنها رسید، این، مرحله ی نهایی تحقیق تجربی بود. دانش ما از آن چه که در ماورای این حد می توانست وجود داشته باشد، جز خیالبافی کم وبیش مبهم و سترون نبود. این مرز که دیرزمانی عبورناپذیر بود، اکنون از میان برداشته شده است... قانون نفوذناپذیری عناصر، دیگر قابل دفاع نیست، همان طور که قانون مولکولها پیش از آن چنین شد. ساختار اتمها و قوانینی را که بر آن حاکم است، می توان با روشهای علمی مبتنی بر اندازه گیریهای دقیق مطالعه کرد».اگر امروز از یک فیزیکدان هسته ای بپرسند که به نظرش کارهای اصلی راترفورد چه بوده، احتمالاً این قانون تبدّل رادیواکتیوها برایش تداعی نخواهد شد، بلکه فکرش متوجه دو کشفی خواهد شد که این دانشمند بزرگ چند سال بعد در منچستر به آنها دست یافت. در 1911، او وجود هسته ای در مرکز اتم را که منزلگاه همه ی تبدّلات است به اثبات می رساند. سپس در 1919 او نخستین تبدیل مصنوعی را با تبدیل یک اتم ازت به یک اتم اکسیژن که اولین نمونه ی «واکنش هسته ای» است، عملی می سازد. حالا دیگر می توان یک اتم سرب را به یک اتم طلا تبدیل کرد... اما قیمت طلایی که از این راه به دست می آید خیلی گران تر از طلایی است که در طبیعت یافت می شود. مقدار انرژی آزاده شده در رادیواکتیویته که در پرتوها از بین می رود قابل ملاحظه است. این انرژی از فعل و انفعال قدرتهای خیلی بزرگ تر از آنهایی که در واکنشهای شیمیایی عمل می کنند، حاصل می شود؛ این قدرتهای هسته ای اند که عمل می کنند نه قدرتهای الکترومغناطیسی که منشاء تبدّلات شیمیایی را تشکیل می دهند.
حالا می بینید که کیمیاگران، نظیر آنهایی که دوروبر امپراتور رودلف دوم را گرفته بودند، هیچ شانسی برای تبدیل سرب به طلا را نداشتند، زیرا برای این توفیق باید به نیروهای مشابه نیروهای ذخیره شده در هسته ها دسترسی داشت. پژوهش درباره ی رادیواکتیویته موجب شناسایی این نیروها و یافتن راه رهاسازی آنها می شود.
پی نوشت ها :
1.Democritus.
2. Leucippus.
3. Joseph Proust.
4. John Dalton.
5. Gay- Lussac.
6. H. Becquerel.
7. Pierre Curie.
8. Marie Curie.
9. ionization.
10. Thorium.
11. Polonium.
12. radium.
13.Mc Gill.
14. Mac Donald.
15. J. J. Thomson.
16. Cavendish.
17. Thor.
18. A. S. Eve.
19. Frederick Soddy.
20. Thoron.
21. W.Crookes.
22. Exponential diminishing law.
23. John Cox.
24. Lord Kelvin.
منبع: سرگذشت اتم، شماره 2034
