فردریک سادی و چه کارهای بزرگی در زمینه دانش کرد؟

فردریک سادی در سال ۱۸۹۸ از دانشکده مرتون آکسفورد با عالی‌ترین درجه در شیمی فارغ التحصیل شد. در فاصله سال‌های ۱۹۰۱ تا ۱۹۰۳ به همراه ارنست رادرفورد پدیده فروپاشی اتمی را کشف کرد. در سال‌های ۱۹۰۴ تا ۱۹۱۴ استادیار شیمی فیزیک در دانشگاه گلاسکو بود. در سال ۱۹۱۹ به سمت استادی کرسی دکتر لی شیمی در دانشگاه آکسفورد منصوب شد.

در حالی که فردریک سادی شاید مانند ارنست رادرفورد همروز گارش شاخص و برجسته نباشد، اما در درک رفتار و کاربردهای پرتوزایی، بخصوص واپاشی پرتوزا، تأثیر به سزایی داشت. پیشرفت اولیه این شیمیدان انگلیسی پس از کار با رادرفورد طی سال‌های ۱۹۰۱ تا ۱۹۰۳ هنگامی که در دانشگاه مک‌گیل در مونترال بودند، شکل گرفت. به علاوه، کار انفرادی بعدی که سادی بعداً به آن پرداخت به دانشمندان کمک کرد تا جنبه مهمی از طرح اتمی عناصر را درک کنند.

واپاشی اتم‌ها

کاری که سادی به همراه رادرفورد انجام داد در زمان کوتاهی پس از این که سمت دستیاری آزمایشگاه شیمی را در مونترال بر عهده گرفت، صورت پذیرفت. همکاری آن‌ها نتایجی اساسی به دنبال داشت که از همه چشم‌گیرتر ایده تحول برانگیزی بود مبنی بر این که عناصر می‌توانند ناگهان به واسطه گاز پرتوزای اتم‌ها خودبخود به حالت «نیمه عمر» فرو پاشند. در فرایند این واپاشی ماده می‌تواند به عناصر گوناگون دیگری تبدیل شود که نتیجه‌ای حیرت انگیز بود.

این یافته‌ها به نوبه خود برای سادی شهرتی به بار آورد ولی نتایج بعدی او نیز در این زمینه مهم بود. او توجه خود را به آرایهٔ عناصر ظاهراً «جدیدی» معطوف کرد که در هنگام تبدیل کشف شدند که بر اثر واپاشی پرتوزا ایجاد شده بود.

مشکلی که دانشمندان با آن مواجه بودند این بود که اخیراً کشفیات بسیاری صورت گرفته بود که در جدول تناوبی به وضوح فضای کافی برای قرارگیری آن‌ها وجود نداشت. هنوز هر عنصری قطعاً پیش از این که به حالت نیمه عمر خود برسد، دارای یک وزن اتمی مجزا و یک دوره زمانی خاص منسوب به خودش بود. در این ضمن دانشمندان دیگری در اثر تجزیه کردن عناصری که ارتباط نزدیکی با این عناصر داشتند در تلاش برای تولید مصنوعی این عناصر جدید بودند ولی به طور غیر قابل توضیحی شکست می‌خوردند.

ایزوتوپ‌ها

راه‌حل سال ۱۹۱۳ سادی ساده و در عین حال باور نکردنی بود. او عقیده داشت که گر چه وزن اتمی و نیمه عمر این عناصر جدید متفاوت است، اما در خواص شیمیایی مشابهی با عناصر موجود و شناخته شده مشترک‌اند و بنابراین انواعی از همین عناصر به شمار می‌آیند. بنابراین، مثلا عناصر «جدید» توریم C و رادیم D که وزن اتمی و نیمه عمر متفاوتی نسبت به هم و در مقایسه با عنصر سرب دارند همه از نظر شیمیایی یکسان و در نتیجه جملگی صرفا سرب هستند. این امر این موضوع را نیز توضیح داد که چرا دانشمندان، مطابق انتظار، قادر به تجزیه مصنوعی عناصری که با آن‌ها ارتباط نزدیکی دارند، نشده بودند زیرا موادی که در موردشان شروع به کار نمودند و برای تولیدشان تلاش کردند از نظر شیمیایی مشابه بودند! سادی این انواع را «ایزوتوپ» نامید و با یک ضربه این سردرگمی را که قبلاً این عناصر جدید را احاطه کرده بود، برطرف کرد. از کشف بعدی نوترون خنثی ولی دارای وزن که توسط جیمز چدویک صورت گرفت، این توضیح را که چگونه احتمال وجود تفاوت‌هایی در وزن اتمی وجود دارد در حالی که هنوز عدد اتمی ثابت باقی مانده، به طور کامل امکان پذیر کرد ولی توضیح سادی، مطالب کافی را برای دنیای علم ارائه کرد تا درک بسیاری از این نظم جدید در این فاصله زمانی فراهم آید.

جابجایی پرتوزا

سادی در همان سالی که توضیح ایزوتوپی خود را ارائه کرد قانون جابجایی پرتوزای خودش را نیز اعلام کرد. بنابر این قانون، وقتی یک ذره آلفا از ماده‌ای در حال واپاشی گسیل می‌شود عدد اتمی آن دو واحد و وزن اتمی آن چهار واحد کاهش می‌یابد (توضیح این امر آن است که ذره آلفا صرفاً هسته هلیم با اعداد اتمی متناظر است). به همین ترتیب، وقتی یک ذره بتا (الکترونی با بار منفی) گسیل می‌شود، عدد اتمی یک واحد افزایش می‌یابد.

به سادی جایزه نوبل شیمی در سال ۱۹۲۱ به واسطهٔ کارش در زمینه ایزوتوپ‌ها اعطا شد و پس از آن علاقه او به سمت‌های دانشگاهی دیگر جلب شد و از درگیری مستقیم در تحقیقات شیمیایی دست کشید.

میراث سادی

بین سال‌های ۱۹۰۴ تا ۱۹۱۴ که سادی در گلاسکو بود، بسیاری از مهم‌ترین کارهایش را در زمینه علم شیمی انجام داد؛ از جمله تدوین قانون جابجایی پرتوزا» که بنابر آن انتشار یک ذره آلفا از یک عنصر سبب می‌شود تا آن عنصر در خانه در جدول تناوبی به عقب حرکت کند. ضمناً مفهوم ایزوتوپ‌ها را طی این زمان تدوین کرد، با این تشخیص که عناصر می‌توانند در حالی که از نظر شیمیایی مشابه‌اند در دو موقعیت متفاوت با وزن‌های اتمی مختلف وجود داشته باشند. سادی بسیاری از بقیهٔ وقت خود را به حوزه‌هایی غیر از علم شیمی و تکمیل نظریه‌هایی که هرگز به طور گسترده مورد قبول قرار نگرفتند اختصاص داد.

کشف ایزوتوپ‌ها توسط سادی بسیاری از سردرگمی‌های علم شیمی را برطرف کرد.