تاریخچه جامع اتم

0

نوشته هلن گییمو

ترجمه م.کاشیگر

تاریخ واقعی اتم از زمان شناخت شکافت هسته آغاز می‌شود

می‌توان آغاز تاریخ هستهٔ اتم- و بنابراین شکافت اتم را که از هسته آن جدانشدنی است- را کشف رادیواکتیویته یا پرتوزایی دانست. در ۱۸۹۳، هانری بکرل، استاد فیزیک موزهٔ تاریخ طبیعی، کاملاً تصادفی متوجه می‌شود که اورانیومو پرتوهای شگفت‌انگیزی گسیل می‌کند. یک سال بعد، پی‌یر و ماری کوری متوجه می‌شوند که از توریوم نیز پرتو اسرارآمیزی گسیل می‌شود و دو عنصر تازه را کشف می‌کنند که به تعبیر ماری کوری «رادیواکتیو» ترند و نام این دو عنصر را پولونیوم و رادیوم می‌گذارند. در ۱۹۰۳، جایزه نوبل فیزیک بدین سبب به بکرل و پی‌یر و ماری کوری می‌رسد.

تبلیغ: دوره آموزش الکترونیکی: پداگوژی، ابزارها و تولید محتوای آموزشی

اما راستی این پرتو شگفت‌انگیز چیست که از برخی جسم‌ها گسیل می‌شود؟ این جسم‌ها در آن روزگار عنصرهای پرتویی (radioelement) نام می‌گیرند. فیزیک‌دان جوانی از مردم نیوزیلند به اسم ارنست رادرفورد که در آن زمان در کیمبریج انگلستان کار می‌کرد، نشان می‌دهد که پرتو یک‌دست نیست و در میدان مغناطیسی رفتاری یکسان ندارد و پرتوهای آلفا را که بار مثبت دارند از پرتوهای منفی بتا جدا می‌کند. در ۱۹۰۰، پل ویار فرانسوی پرتوهای گاما را نیز که میدان مغناطیسی تاثیری بر آن‌ها ندارد کشف می‌کند. دیری نمی‌گذرد که سبب این سه رفتار نیز آشکار می‌شود: پرتوهای آلفا در حقیقت هسته هلیوم، پرتوهای بتاالکترون و پرتوهای گاما، فوتون‌هایی با انرژی بسیار بالا هستند.

در ۱۹۰۲ رادرفورد که در این فاصله استاد دانشگاه مک گیل مونرآل شده است، کشفی باورنکردنی می‌کند: جهش تا تبدیل عناصر! تا آن زمان کربن و آهن و اورانیوم و… برای همهٔ فیزیک‌دان‌ها و شیمیدان‌ها کربن و آهن و اورانیوم و… بودند و می‌بایست تا ابدالدهر همین بمانند. رادرفورد و گذشته از او، فردریک سادی، دستیار انگلیسی او نیز بر این باورند، اما نکته‌ای آزاردهنده هست و آن این است که در آن واکنش‌های شیمیایی که این عنصرها در آن‌ها دخالت دارد، پرتوزایی پرنوسان می‌نماید، گاه چهره نشان می‌دهد و گاه چهره می‌زداید. البته سادی توضیحی برای این قضیه پیدا می‌کند، اما کیست جرات کند چنین توضیحی را نشر دهد.

سادی می‌گوید: «حتماً جهش روی می‌دهد و توریوم متلاشی و به عنصر دیگری بدل می‌شود.»

رادرفورد پاسخ می‌دهد: «ترا خدا این حرف را جای دیگر نزنی، وگرنه به ما تهمت کیمیاگری می‌زنند.»

اما انکار واقعیت امکان ندارد و پرتوزایی، جهش خود به خودی عنصرهاست. اتم عنصرهای پرتویی (که امروزه می‌دانیم هسته است) پایدار نیست: متلاشی می‌شود و جهش می‌یابد. مشخصه‌های فیزیکی و شیمیایی اتم‌های تازه‌ای که بدین‌سان به دست می‌آید از مشخصه‌های فیزیکی و شیمیایی اتم‌هایی که خاستگاه‌شان بوده به کلی متفاوت است. رادرفورد به کمک سادی نظریهٔ تبدیل عناصر رادیواکتیو را ارائه می‌دهد و دورهٔ این تبدیلات را تبیین می‌کند و به عنوان سپاس، در ۱۹۰۸ جایزه شیمی نوبل را دریافت می‌دارد.

۱۹۱۱: رادرفورد هسته را کشف می‌کند

اما جایزهٔ نوبل، این دانشمند را به استراحت نمی‌فرستد و سه سال بعد، رادرفورد با طرح ساختمان تازه‌ای برای اتم و پیش کشیدن مفهوم هستهٔ اتم بار دیگر جهان فیزیک را می‌لرزاند. تا آن زمان تصور بر این بود که اتم همانند کره‌ای است که در آن هب ازای هر بار منفی یک بار مثبت وجود دارد. حتی آنان که قدرت تخیلشان قوی‌تر بود اتم را به نان کشمشی مانند می‌کردند که در آن آرد بار مثبت و کشمش‌ها الکترون (بار منفی) است و جمع بارها خنثی است.

اما از چندین ماه پیش رادرفورد به آزمایش‌هایی از نوعی جدید علاقه‌مند شده است و ماده را با تاباندن ذره‌های آلفا بر ورقه‌هایی از انواع فلزها می‌سنجد. تصور او این بود که ذره‌ها در پی برخورد با اتم‌های ورقهٔ فلز کمی منحرف شوند. چه خطایی! گایگر آلمانی، از همکاران رادرفورد هنگام تاباندن پرتو بر ورقه‌ای از طلا متوجه می‌شود که بیشتر آلفاها اصلاً منحرف نمی‌شوند، برخی شدیداً منحرف می‌شوند و حتی پاره‌ای از آن‌ها اصلاً عقب‌گرد می‌کنند. نکته دیگر نیز آن‌که هر چه وزن اتمی فلز بالاتر باشد، انحراف شدیدتر است.

در این مرحله از کار، رادرفورد به غریزه‌ای نبوغ‌آسا درمی‌یابد که سبب رفتار شگرف آلفا ساختار ورقهٔ طلا یا درست‌تر بگوییم ساختمان اتم‌های طلاست. رادرفورد این فرضیه را طرح می‌کند که همهٔ جرم اتم در حجم بسیار کوچکی تمرکز یافته است به نام «هسته» که بار مثبت دارد و الکترون‌ها دور این هسته می‌چرخند، درست همانند سیاره‌ها که دور خورشید در چرخش هستند (با این تفاوت که در درون اتم، آن‌چه الکترون‌ها را به سوی هسته می‌کشاند نیروی گرانش نیست بلکه نیروی الکتریکی است). در فرضیهٔ رادرفورد البته بار مثبت هسته با بار منفی کل الکترون‌ها برابر است.

یک نتیجهٔ این نظریهٔ رادرفورد این است که بخش اعظم حجم اتم خالی است. دلیل این نیز که بیشتر آلفاها بدون کمترین انحرافی از ورقهٔ فلز می‌گذرند همین خالی بودن بخش اعظم درون اتم است. تنها آن آلفاهایی منحرف می‌شوند که یا به هسته برمی‌خورند یا از نزدیک آن می‌گذرند، زیرا آلفاها و هسته از لحاظ الکتریکی هم‌بار و هر دو مثبت‌اند و بنابراین هسته آلفاها را به شدت پس می‌زند.

  1. بازگشت رادرفورد

با طرح الگوی سیاره‌وار ساختمان اتم از سوی رادرفورد، فیزیک گامی اساسی به جلو برمی‌دارد و افسانهٔ اتم‌های تجزیه‌ناپذیر و دره‌های اولیه ماده برای همیشه فرومی‌پاشد. آزمایش پشت آزمایش می‌شود و نظریه پشت نظریه طرح می‌گردد. در ۱۹۱۳، نیلز بور دانمارکی با دخالت دادن مفهوم کوانتوم ماکس پلانک در نظریه رادرفورد، تصویر کامل‌تری از ساختمان اتم ارائه می‌دهد و نشان می‌دهد که الکترون‌ها به در یک مدار بلکه بسته به تراز انرژیشان در چند مدار دور هسته می‌چرخند و تراز انرژی الکترون‌ها نیز تصادفی توزیع نشده، بلکه ضریبی از بسته انرژی اولیه یا کوانتوم است. الگوی بور از اتم شالودهٔ فیزیکی تازه قرار می‌گیرد که از فیزیک کهن به کلی بریده است و امروزه نیز هنوز استوار و پابرجاست: مکانیک کوانتومی.

اما برگردیم به هسته، هسته با موج عظیم کوانتوم‌ها کمی پس می‌نشیند و نظریه‌پردازی فیزیک تازه بیشتر به الکترون‌ها علاقه نشان می‌دهند تا به هسته. باز رادرفورد هسته را وارد میدان می‌کند و در ۱۹۱۷، یعنی فقط ۶ سال پس از ورود به دل اتم و کشف هسته، وارد هسته می‌شود- باز به کمک ذره‌های آلفا، رادرفورد متوجه شده است که اگر میان منبع ذره‌های آلفا (رادیوم) و پردهٔ سولفات روی، هوا باشد، تعداد درخشش‌های حاکی از برخورد آلفاها با هسته بیشتر می‌شود. پس از دو سال و تکرار و تکرار این آزمایش، رادرفورد سرانجام به این نتیجه می‌رسد که در پی تابش آلفاها، نیتروژن هوا متلاشی می‌شود و ذره‌هایی با انرژی بالا رها می‌کند. در ۱۹۱۹ رادرفورد در مقالهٔ پرآوازه‌ای چنین می‌نویسد که ذره‌هایی که در پی برخورد آلفاهای سریع با هستهٔ اتم‌های نیتروژن از هسته‌ها کنده می‌شود، هسته هیدروژن است. رادرفورد نام این ذره‌ها را «پروتون» می‌گذارد.

اما اگر می‌شود از دل هستهٔ نیتروژن پروتون درآورد، پس هسته هم یک‌پارچه نیست و خودش جزءجزء است. اما جزءهای هستهٔ اتم کدام‌اند؟ فیزیک‌دان‌ها در این‌باره متفق‌القول نیستند. عده‌ای بر این باورند که در هستهٔ اتم فقط پروتون هست. به آن‌ها ایراد گرفته می‌شود که شرط تعادل بار، برابری تعداد پروتون‌ها و الکترون‌هاست، حال آن‌که همیشه چنین نیست. پاسخ عدهٔ دیگری این است که درون هسته ملغمه‌ای از پروتون‌ها و الکترون‌هاست و کار الکترون‌های درون هسته این است که اضافه بار پروتون‌ها را خنثی کنند. اما این فرضیه هم به چندین و چند دلیل رضایت‌بخش نیست و در این میان تنها کسی که به حقیقت نزدیک است… حدس نمی‌زنید کیست؟ بله رادرفور است که در ۱۹۲۰ احتمال وجود ذره‌ای خنثی با جرمی نزدیک به جرم پروتون را مطرح می‌کند. اما رادرفورد هیچ دلیلی بر صحت ادعای خود ندارد و در حقیقت نیز تا ده سال دیگر، راز هسته هم‌چنان نامکشوف باقی می‌ماند.

۱۹۳۲: چدویک، نوترون را از ژولیوکوری «کش» می‌رود

در آخر سال ۱۹۳۰، دو فیزیک‌دان آلمانی، به نام و. بته و هـ. بکر به بمباران هستهٔ انواع اتم‌های سبک با ذره‌های آلفا منتقل می‌شوند و ناگهان درمی‌یابند که بریلیوم در زیر بمباران، پرتو بسیار نافذی گسیسل می‌کند که قدرت نفوذش از همهٔ پرتوهایی که تا آن زمان شناخته شده بیشتر است. آن دو چنین می‌پندارند که این پرتو باید حتماً پرتو گاما فوق قوی باشد.

فردریک و ایرن ژولیو کوری که از شنیدن این خبر کنجکاو شده‌اند، آزمایش را در دسامبر ۱۹۳۱ از سر می‌گیرند و برای جلوگیری از هرگونه تداخل، از پولونیوم به عنوان منبع پرتوتابانی استفاده می‌کنند. زیرا پولونیوم فقط ذره‌های آلفا گسیل می‌کند. آن دو نیز می‌بینند که زیر بمباران آلفاها، از بریلیوم پرتو فوق‌العاده نیرومندی گسیل می‌شود و برای آن‌که نوع این پرتو را تعیین کنند، انواع موادی را که توانایی برهم‌کنش دارند بر سر راه آن قرار می‌دهند و به نتیجهٔ شگفت‌آوری می‌رسند. پرتو رازانگیز بریلیوم چنان توانمند است که حتی می‌تواند از دل مواد سرشار از هیدروژن، مانند پارافین، پروتون (یعنی هستهٔ هیدروژن) را بکند.

در ژانویهٔ ۱۹۳۲، فردریک و ایرن ژولیو کوری مقاله‌ای در شرح آزمایش‌های خود در روزنامهٔ گزارش‌های آکادمی علوم چاپ می‌کنند. آن‌ها از بس در گزارش پدیدهٔ مشاهده شده شتاب دارند، صبر نمی‌کنند اول ماهیت این پرتو نو را بیابند و بدین‌ترتیب، افتخار کشف نوترون را از دست می‌دهند و این افتخار نصیب جیمز چدویک، یکی از همکاران رادرفورد در آزمایشگاه کاوندیش کیمبریج می‌شود. چدویک که در همین زمینه کار می‌کند و گوشش هنوز از حرف‌های دوازده سال پیش رادرفورد راجع به وجود یک یا چند ذرهٔ خنثی در درون هسته پر است، به محض خواندن مقاله فوری متوجه موضوع می‌شود و بدین‌سان نوترون را از ژولیو کوری «کش» می‌رود.

راستی هم که تردید مجاز نیست. چدویک یقین دارد که پرتو بریلیوم نوترون است. چدویک یقین دارد که پرتو بریلیوم نوترون است. نوترون است که با بار خنثای خود می‌تواند تا دل ماده فرو رود بی‌آن‌که نیروهای الکترومغناطیسی آن را ترمز کنند یا منحرف سازند. جرمش هم که حتماً باید هم‌ردیف جرم پروتون باشد، وگرنه چطور می‌تواند پروتون‌های پارافین را از جا بکند. چدویک بی‌درنگ نام این ذرهٔ نو را نوترون می‌گذارد.

دیگر می‌توان تصور دقیقی از ساختمان اتم داشت. در مرکز، هستهٔ کوچکی است که پروتون‌ها (با بار مثبت) و نوترون‌ها (با بار صفر) را در برمی‌گیرد. جرم اتمی نیز تقریباً برابر است با تعداد کل نوکلئون‌ها (پروتون‌ها+ نوترون‌ها). در گرد هسته نیز الکترون‌ها (با بار منفی) و به تعداد برابر با تعداد پزوتون‌ها در گردش‌اند. گذشته از این‌ها، نوترون معمای دیرینهٔ دیگری را هم حل می‌کند. بیش از بیست سال است دانشمندان متوجه شده‌اند که برخی اجسام که از دیدگاه شیمیایی مشابه‌اند، جرمی اندک نابرابر دارند. اینک آشکار شده است که شمار پروتون‌های این اتم‌ها برابر اما شمار نوترون‌هایشان متفاوت است. این اجسام ایزوتوپ نام می‌گیرند.

در اتم‌های پایدار، نسبت نوترون‌ها به پروتون‌ها در بطن هسته بین ۱ (برای اتم‌های سبک: هلیوم ۴= پروتون ۲+ نوترون ۲، کربن ۱۲= پروتون ۶+ نوترون ۶) تا ۵/۱ است (برای اتم‌های سنگمین (سرب ۲۰۸= نوترون ۱۲۶+ پروتون ۸۲). اگر در عنصریف نسبت نوترون‌ها به پروتون‌ها از نسبت آن‌ها در اتم پایدار متفاوت باشد، با یک ایزوتوپ رادیواکتیو روبه‌رو می‌شویم. کربن ۱۴ ایزوتوپ رادیواکتیو کربن ۱۲ است و برای ۶ پروتون، به جای ۶ نوترون، ۸ نوترون دارد. پتاسیوم ۴۰ نیز ایزوتوپ رادیواکتیو پتاسیوم ۳۹ است (با یک نوترون اضافی). پس از بیسموت ۲۰۹ نیز همهٔ عناصر رادیواکتیو می‌شوند زیرا در هسته‌شان شمار نوکلئون‌ها بیش از آن است که انسجام هسته پایدار بماند.

۱۹۳۴: خانواده ژولیو کوری با پرتوتابانی مصنوعی تلافی می‌کند

خانواده ژولیو کوری که کشف نوترون را از دست داده است، اندکی بعد تلافی می‌کند. در دسامبر ۱۹۳۳، ایرن و فردریک ژولیو کوری در صدد این برمی‌آیند که سطح انرژی لازم ذره‌های آلفا برای کندن نوترون را به دست آورند. آنان این بار نیز از پولونیوم معروف به عنوان منبع آلفاها استفاده می‌کنند، فقط جلو آن ورقه‌ای آلومینیوم می‌گذارند و برای آن‌که انرژی آلفاها قابل تغییر باشد، هم منبع و هم هدف بمباران را در درون محفظهٔ بسته‌ای جای می‌دهند و کم‌کم گاز کربنیک وارد محفظه می‌کنند. وقتی محفظه خالی است، آلفاها با بیشترین انرژی بر آلومینیوم می‌کوبند و هر چه CO2 در محفظه بیشتر می‌شود، انرژی آلفاها کاهش می‌یابد.

۱۱ فوریه ۱۹۳۴. فردریک ژولیو در آزمایشگاه انستیتیو رادیوم تنهاست و برای بار n ام از نو اندازه‌گیری می‌کند. اول با محفظهٔ خالی: آلومینیوم زیرا بمباران ذره‌های آلفای بسیار پرانرژی، نوترون و پوزیترون گسیل می‌کند (پوزیترون که آن را دو سال پیش کارل اندرسن امریکایی کشف کرده، ذره‌ای نو یافت و در حقیقت الکترون با بار مثبت است). سپس فردریک ژولیو فشار CO2 را کم‌کم زیاد می‌کند تا سرانجام راه آلفاها کاملاً بسته می-شود: گسیل نوترون متوقف می‌شود، اما- و این نکته‌ای شگفت‌آور است- گسیل پوزیترون ادامه دارد! ژولیو با تعجب آزمایش را این بار در هوای آزاد از سر می‌گیرد و ورقهٔ آلومینیوم را برای چند دقیقه روی پولونیوم می‌گذارد و برمی‌دارد. باز گسیل پوزیترون دنبال می‌شود و سپس هم‌چنان که در پرتوزایی طبیعی دیده می‌شود به مرور زمان کاهش می‌یابد. آن‌چه ژولیو می‌بیند نیز اسمی جز رادیواکتیویته ندارد، اما رادیواکتیویتهٔ مصنوعی. آلومینیوم زیر تابش آلفاها رادیواکتیو شده است.

فردریک و ایرن ژولیو کوری به تجزیهٔ این پدیده می‌پردازند و متوجه می‌شوند که اتفاق در دو مرحله روی می‌دهد: در مرحله اول، هستهٔ آلومینیوم با بلعیدن یک ذرهٔ آلفا، یک نوترون رها می‌کند و به هستهٔ فسفر ۳۰ بدل می‌شود. در مرحلهٔ دوم، فسفر ۳۰ که رادیواکتیو است پس از سه دقیقه به نوبهٔ خود به سیلیسیوم پایدار بدل می‌شود و بدین منظور یک پوزیترون و یک نوترینو، یعنی ذره‌ای را گسیل می‌کند که ولفگانگ پائولی سویسی در ۱۹۳۱ برای درست درآمدن قانون بقای انرژی در پرتوزایی بتا به فکر آن افتاده بود.

در ۱۹۳۵، جایزهٔ نوبل شیمی به دلیل «سنتر عناصر جدید رادیواکتیو» به فردریک و این ژولیو کوری و جایزه نوبل فیزیک به دلیل کشف نوترون به چدویک می‌رسد و بدین‌سان رقیبان دیروز بر کرسی افتخار کنار یکدیگر جای می‌گیرند!

۱۹۳۴- ۱۹۳۸: همه می‌شکافند، اما…

دیری نمی‌گذرد که خبر کشف رادیواکتیویتهٔ مصنوعی در همهٔ آزمایشگاه‌های پژوهشی بزرگ دنیا می‌پیچد. در انستیتو فیزیک رم، انریکو فرمی، فوری متوجه سود رادیواکتیویتهٔ مصنوعی می‌شود: ساخته شدن عنصرهای تازه از راه پرتوتابانی. فرمی بی‌درنگ مشغول کار می‌شود اما به جای ذره‌های آلفا، از نوترون بهره می‌گیرد زیرا در این فکر است که نوترون به دلیل داشتن بار خنثی از سوی هسته پس رانده نمی‌شود و بنابراین کارآمدتر است.

فرمی از ۱۹۳۴ به کمک دستیارانش به بمباران یک‌یک عنصرهای شناخته شده به ترتیب شماره‌شان در جدول تناوبی مشغول می‌شود، بدین امید که از هر یک از آن‌ها یک عنصر پرتویی تازه به دست آورد. موفق هم می‌شود و در ژوئن همان سال اعلام می‌کند که توانسته برای ۴۷ عنصر از ۶۸ عنصر مطالعه شده ایزوتوپ رادیواکتیو «خلق» کند.

در پایان ژوئن، نوبت به اورانیوم، یعنی سنگین‌ترین عنصر شناخته شدهٔ آن زمان می‌رسد. رفتار هستهٔ اورانیوم با ۹۲ پروتون، بر او بسیار جالب است، زیرا فرمی در این فکر است که حتماً با جذب یک نوترون، اورانیوم ناپایدار خواهد شد و آن وقت است که شاید یکی از نوترون‌ها در پی رادیواکتیویتهٔ بتا به پروتون بدل شود و هسته‌ای تازه با ۸۳ پروتون پیدا شود!

اما پس از بمباران اورانیوم با نوترون، فرمی با چندین جسم رادیواکتیو با دورهٔ مختلف مواجه می‌شود. با خود می‌گوید: «چه باک!» و فکر می‌کند که موفق شده است و به جای یک عنصر سنگین‌تر از اورانیوم، چندین عنصر سنگین‌تر به دست آورده است!

اما ایزا نوداک، بانوی شیمیدان آلمانی، در شادی او شریک نمی‌شود و در مقاله‌ای در مجله شیمی کاربردی به فرمی ایراد می‌گیرد که چرا تحقیق نکرده است: شاید عناصر رادیواکتیو به دست آمده از بمباران اورانیوم، با نوترون، عناصری سبک‌تر باشند. «می‌توان فکر کرد که شاید هستهٔ اورانیوم شکافته و چند تکه شده باشد.»

حق با نوداک است، اما حرفش و ادعایش با هیچ دلیلی همراه نیست و بنابراین کسی هم او را جدی نمی‌گیرد.

در ۱۹۳۵ وضع سیاسی ایتالیا آن‌چنان می‌شود که فرمی ناچار به ایالات متحده آمریکا مهاجرت می‌کند، اما پس از رفتن او کارش را دو گروه در اروپا، دنبال می‌کنند. گروه ژولیو کوری در پاریس و گروه اوتوهان، لیزه مایتنر و فریتس استراتسمان در برلین.

ایرن ژولیو در انستیتو رادیوم می‌کوشد عناصر رادیواکتیو به دست آمده از بمباران اورانیوم را شناسایی کند و این کاری بسیار مشکل است زیرا مقدار این ایزوتوپ‌های رادیواکتیو بسیار کم و عمرشان بسیار کوتاه است و گاه جهش می‌یابند و به عناصر رادیواکتیو دیگری بدل می‌شوند.

اما خانوادهٔ ژولیو کوری شیوه‌ای برای دست‌کاری مقدارهای کم پیدا کرده که عبارت است از کاربرد یک عنصر حامل، یعنی عنصری که از لحاظ شیمیایی به مادهٔ رادیواکتیوی که باید شناسایی شود بسیار نزدیک است و از این‌رو به آن می‌چسبد. ایرن متوجه می‌شود که یک عنصر حامل خیلی خوب برای برخی از هسته‌های به دست آمده لانتان است، یعنی عنصری دوخانه سبک‌تر از اورانیوم. وی البته از مشاهدهٔ این امر متعجب می‌شود، اما نتیجهٔ خاصی نمی‌گیرد.

در همان زمان، اوتوهان و لیزه مایتنر که سال‌هاست با هم در انستیتو کایزر ویلهلم برلین به کار بر روی هستهٔ اتم مشغول‌اند نیز می‌کشوند تا به کمک فریتس استراسمان، سازندهای «شلم شوربا» ی رادیواکتیو ناشی از بمباران اروانیوم را شناسایی کنند. اما آنان هم همانند انریکو فرمی وفردریک و ایرن ژولیو کوری در جستجوی عناصر سنگین‌اند و هیچ کدام حاضر نیست قبول کند که ممکن است نتیجهٔ بمباران این باشد که هستهٔ بمباران شده بیش از چند نوکلئون از دست بدهد.

بدین‌سان نخبهٔ فیزیک‌دان‌ها تا چهار سال شکافت را نمی‌بینند. البته به شکافت هسته مشغول‌اند، اما نمی‌دانند که کاری که می‌کنند، شکافتن است.

کریسمس ۱۹۳۸: عیدی لیزه مایتنر و اوتوهان

در ۱۹۳۸، لیزه مایتنر که یهودی است ناگزیر می‌شود با سرعت از آلمان نازی بگریزد و به سوئد پناهنده شود، اما ارتباط را با نامه با همکارانش در برلین حفظ می‌کند که پس از طرح انواع فرضیه‌ها تصمیم می‌گیرند به روش ایرن ژولیو کوری از عناصر حامل استفاده کنند. بهترین عنصرهای حامل هم به نظرشان لانتان و باریوم است. کمی بعد آنان نیز می‌بینند که برخی از این ایزوتوپ‌های رازانگیز رادیواکتیو دقیقاً همان خواص شیمیایی عنصرهای حامل انتخاب شده را دارند.

یک گام دیگر و یک نتیجه چشم را کور خواهد کرد: این ایزوتوپ‌های مرمروز بجز لانتان و باریوم نیست. اما کو جسارت برداشتن این گام؟ هان و استراسمان در ۲۲ دسامبر ۱۹۳۸ در مجلهٔ ناتور ویسنشافتن می‌نویسند: «به عنوان شیمیدان هسته‌ای نمی‌توانایم چنین گامی را برداریم زیرا این امر به منزلهٔ نفی کلیهٔ تجربه‌های گذشتهٔ فیزیک هسته‌ای است. چه بسا بروز تصادف پشت تصادف ما را به خطا می‌اندازد.»

اما لیزه مایتنر این گام را برمی‌دارد. در روز کریسمس ۱۹۳۸، اوتوفریش، خواهرزادهٔ او که فیزیک‌دان است و همانند وی به سوئد پناهنده شده، برای دیدنش به مهمان‌سرای کوچک او در نزدیکی گوتبورگ می‌آید و خاله را گرم مطالعهٔ نامهٔ اوتوهان و مقاله‌ای که با استراسمان به مجله فرستاده‌اند می‌بیند. خاله و خواهرزاده به گردش طولانی و پیاده‌روی در برف می‌روند و می‌کوشند علت همانندی‌های شگرفت میان ایزوتوپ‌های رادیواکتیو به دست آمده از پرتوتابانی اورانیوم و عناصری مانند لانتان و باریوم را بیابند و ناگهان تصویر روشنی در ذهنشان نقش می‌بندد: رفتار هستهٔ اورانیوم، رفتار قطرهٔ درشتی از یک مایع است. وقتی یک نوترون وارد آن می‌شود، تغییر شکل می‌دهد و دراز می‌شود، آنقدر دراز که در غایت نیروی دفع الکتریکی میان پروتون‌ها (که فراموش نکنیم همه مثبت‌اند) بر نیروی جذبی که نوکلئون‌ها را در هسته نگه می‌دارد پیروز می‌شود و هسته می‌شکافد. دو تکه می‌شود و انرژی فوق‌العاده‌ای رها می‌سازد.

شکاف پذیرفته می‌شود. لیزه مایتنر و اوتوفریش نتیجه‌گیری‌های خود را برای مجله نیچر می‌فرستند و نیچر نوشتهٔ ایشان را در ۱۱ فوریه ۱۹۳۹ چاپ می‌کند.

۱۹۳۹-۱۹۴۵: از واکنش زنجیری تا بمب اتمی

به محض انتشار مقالهٔ هان و استراسمان و سپس مقاله مایتنر و فریش، جهان فیزیک هسته‌ای یکپارچه هیجان زده می‌شود و در هر گوشهٔ جهان آزمایشگاه‌ها در صدد آزمایش‌ها و ارزیابی نتایج و پیش‌برد باز هم بیشتر پژوهش برمی‌آیند. در پاریس، فردریک ژولیو کوری از هر کاری دست می‌کشد و به یک شکافت هسته می‌پردازد.

یکی از نخستین پرسش‌هایی که برای ژولیو کوری مطرح است این است که آیا می‌شود از راه شکافت هسته نوترون گسیل کرد؟ استدلال او بسیار ساده است: از آن‌جا که در هسته‌های سنگین مانند اورانیوم شمار نوترون‌ها بیش از شمار پروتون‌هاست، وقتی که هنگام شکافت عنصرهای سبک‌تر با تعداد تقریباً برابر نوترون و پروتون پدید می‌آیند، حتماً مقداری نوترون اضافی نیز آزاد می‌شود. بنابراین اگر این نوترون‌ها از انرژی کافی برای شکافت مجدد هسته برخوردار باشند، واکنش زنجیری روی می‌دهد …

ژولیو کوری برای عملی ساختن این طرح، دو فیزیک‌دان پناهنده به فرانسه را به همکاری می‌خواند: لوکووارسکی روسی و هانس فون هالبان آلمانی. این سه در مارس ۱۹۳۹ در تجربه نشان می‌دهند که نتیجهٔ شکافت رها شدن نوترون است و در مارس همان سال تعداد نوترون‌های رها شده در هر شکافت را به طور متوسط ۵/۳ ارزیابی می‌کنند. در ایالات متحده، فرمی که به آزمایش‌های مشابهی اشتغال دارد به عددی زیر ۲ می‌رسد. امروزه معلوم شده است که ژولیو کوری و همکارانش بیش از اندازه خوشبین و فرمی فوق‌العاده بدبین بوده و عدد حقیقی دقیقاً ۴۷/۲ نوترون است.

فرمی و نیلز بور گذشته از این به درستی به یک نتیجه می‌رسند و آن این است که توان شکافت نوترون‌های کند خیلی بیشتر از نوترون‌های سریع است. از آن‌جا که ژولیو کوری و هالبان و کووارسکی نیز نشان دادند که سرعت نوترون-های رها شده بسیار بالاست باید راهی برای کاستن از سرعت آن‌ها پیدا شود.

در مه ۱۹۳۹، یعنی چهار ماه پس از کشف شکافت، سه درخواست ثبت از سوی ژولیو کوری و همکارانش دربارهٔ اصول تولید انرژی از راه شکافت اورانیوم تسلیم ادارهٔ ثبت اختراعات و اکتشافات می‌شود. اما جنگ فرصت کار به آنان نمی‌دهد و هنوز کار ساختمان اولین راکتور تجربی آن‌ها به آخر نرسیده، هجوم ارتش آلمان به فرانسه، کووارسکی و هالبان را ناچار می‌سازد به انگلستان بگریزند.

بقیه ماجرا را هم که همه می‌دانند. صحنهٔ اصلی به ایالات متحده انتقال می‌یابد و در پایان سال ۱۹۴۱، روزولت در پی درخواست دانشمندان و در راس ایشان اینشتین اعتبار لازم را برای ادامهٔ پژوهش دربارهٔ شکافت هسته و کاربردهای نظامی احتمالی آن می‌دهد، مبادا آلمان هیتلری در این راستا از امریکا جلو بزند. در ۲ دسامبر ۱۹۴۲، گروه فرمی نخستین آزمایش واکنش هسته‌ای کنترل شده را در یک راکتور اتمی در زیر جایگاه تماشاگران زمین ورزش دانشگاه شیکاگو انجام می‌دهند. در ۱۹۴۳ آزمایشگاه عظیمی در لوس آلاموس در نیومکزیکو ساخته می‌شود و در آن‌جا نخستین بمب‌های اتمی با مدیریت رابرت اپنهایمر پدید می‌آیند. پنج سال پس از کشف شکافت هسته، قدرت ویران‌گر اتم بر هیروشیما و ناگاساکی فرو می‌بارد.

ممکن است شما دوست داشته باشید

ارسال یک پاسخ

آدرس ایمیل شما منتشر نخواهد شد.