هنری بکرل و کشف رادیواکتیویته – تصادف بی‌سبب یا تلاش پیگیر؟

هنری بکرل

هنری بکرل، ۹۲ سال پیش، رادیواکتیویته را برحسب تصادف کشف کرد. ولی آیا شایسته است که چنین کشف بزرگی را اتفاقی بدانیم؟ چنین کشفهایی، همواره حاصل سختکوشی و آگاهی وسیع علمی بوده است.

در سال ۱۸۶۷ یک فرانسوی به نام آبل نیپه دو سن ویکتور، پرتوزایی را کشف کرد. سه دهه بعد، دانشمند دیگر فرانسوی، هنری بکرل، همان کشف را به جهانیان عرضه داشت، اما این بکرل بود که همه اعتبار کشف را از آن خود ساخت و حق هم همین است. زیرا بکرل این پدیده را بیشتر بررسی و مطالعه کرد و دری به روی حوزه جدیدی از پژوهش علمی گشود.

بیشتر کتابهای تاریخ، کشف بکرل را نتیجه تصادف و اتفاق دانسته‌اند که قضاوتی غیرعادلانه است. در علوم تجربی، کاشفان معمولاً دانشمندانی هستند که مشاهدات، ژرف‌نگری‌ها و پژوهشهای دقیق را انجام می‌دهند و می‌دانند که چه موقع به دنبال چه اثر و پدیدهٔ غیرعادی بروند.

طبیعت نیز با آشکار سازی رازهایی نهفته خود، به آنان پاداش می‌دهد. در علوم تجربی، چنین اکتشافهای اتفاقی زیاد به چشم می‌خورد. ما، به جای ارائه فهرستی ازآنها، در اینجا فقط بر روی دو مورد تکیه می‌کنیم؛ نخست کشف رادیو اکتیویته به توسط بکرل را بررسی می‌کنیم و سپس نمونه جدیدتری را در فیزیک ذرات زیر اتمی مطرح می‌سازیم. شاید مرور دقیق کشفیاتی که درگذشته به طور تصادفی حاصل آمده‌اند، راهنمایی برای تکرار آنها در آینده باشد.


خرید کتاب با ۱۵٪ تخفیف(همه کتاب‌ها)

نیپه دوسن ویکتور یکی از پیشگامان علم عکاسی در نیمه سده نوزدهم میلادی بود. او در سال ۱۸۴۷ نخستین امولسیون پدیده نقره را ساخت و آن را در ماده زمینه آلبومین (سفیدهٔ تخم مرغ) و نشانه نگهداری کرد.

نیپه در سال ۱۸۶۷ مشاهده کرد که نمکهای اورانیوم صفحه حساس عکاسی را کدر می‌کند. حتی حایل کردن ورقه‌های کاغذ در میان نمک و صفحهٔ حساس عکاسی نیز مانع از آن نشد که لکه‌ها روی صفحه عکاسی ظاهر نشوند. نیپه معتقد بود که پرتوافشانی نمک اورانیوم سبب پدید آمدن این لکه‌ها شده است، اما چندان نیندیشید که دریابد چرا و چگونه نور از میان لایه‌های کاغذ عبور کرده است.

بکرل در سال ۱۸۹۶ همین اثر را تجربه کرد. او دربارهٔ پدیدهٔ جالی تحقیق می‌کرد که یک سال پیش کشف شده بود.

از پیش نمی‌توان گفت که کدام تجربه و آزمایش به کشف می‌انجامد، پس باید بیشتر تلاش کرد

در نوامبر سال ۱۸۹۵، ویلیام کُنراد رونتگن، فیزیکدان برجسته آلمانی پرتویی را کشف کرده بود که از میان مواد گوناگون می‌گذشت و حتی تصویرهای مشخصی از آنچه در درون بدن انسان است به دست می‌داد. پرتو رونتنگن یا پرتوایکس در لامپهای پرتو کاتودی تولید می‌شدند. رونتگن، زمانی این پرتو را کشف کرد که دید پرتویی که در لامپ پرتو کاتودی پدید می‌آید می‌تواند کمی دورتر یک صفحهٔ شبنما ایجاد کند. او بی‌درنگ به این نتیجه رسید که این پرتو کاتودی با پرتوی که در طول لوله از سوی کاتود حرکت می‌کند و در سر دیگر لامپ نقطهٔ نورانی می‌سازد، تفاوت دارد. رونتگن، این تابش جدید را “پرتو ایکس” نامید.

هانری بکرل در خانواده‌ای دانشمند به دنیا آمده بود. پدرش الکساندر، به ویژه به پرتوافشانی و شیمی عکاسی علاقه‌مند بود. از این رو جای تعجب نبود که هانری هم دربارهٔ رابطهٔ میان ایجاد لکه نورانی در انتهای لوله پرتو کاتودی و تولید پرتو ایکس بررسی کند. بکرل بعدها گفته بود: «از همان روزی که به کشف پرتو ایکس توسط پروفسور رونتگن واقف شدم، به این فکر افتادم که ببینم آیا خاصیت این پرتو گسیل شونده منحصراً به پرتو افشانی محدود می‌شود یا نه».

به هنگام کشف رونتگن، بکرل مقداری نمک اورانیوم به شکل یک ورقه نازک شفاف در اختیار داشت. نمک پرتو افشان بود: پس از آنکه در معرض تابش نورخورشید قرار می‌گرفت، از خود نورگسیل می‌کرد. بکر دریافت که اگر صفحهٔ حساس عکاسی را در لای کاغذ ضخیم سیاهرنگ بپیچد و بعد آن را در معرض تابش نور خورشید قرار دهد، هیچ اتفاقی برای صفهٔ حساس نمی‌افتد، اما اگر یک ورقه از نمک اورانیوم را روی صفحهٔ حساس عکاسی قرار دهد و مجموعه را در معرض نور خورشید قرار دهد، سایهٔ ورقه نمک روی صفحه عکاسی ظاهر می‌شود. در این مرحله، بکرل چیری را کشف کرده بود که نیپه سی سال پیش بدان دست یافته بود. اما آنچه بعداً اتفاق افتاد، اهمیت کار بکرل را به ثبوت رسانید.

همهٔ اکتشافات، بر روی شالوده‌ای از دانش گذشتگان و کشفهای پیشین شکل می‌گیرند و بنا می‌شوند.

بکرل چندین صفحه حساس عکاسی را با ورقه‌های نمک اورانیوم پیچید و آنها را در روزهای چهارشنبه و پنجشنبه ۲۶ و ۲۷ فوریه در معرض نورخورشید قرار داد. اما آن روزها و روزهای بعد اصلاً آفتابی نبود و هوا همچنان ابری باقی ماند. بکرل سرانجام در روز اول ماه مارس تصمیم گرفت با اینکه صفحه‌های عکاسی در معرض نور خورشید قرار نگرفته‌اند، آنها را ظاهر کند. او با شگفتی مشاهده کرد که درست مانند حالتی که صفحه‌ها در معرض نور خورشید قرار گرفته باشند، سایهٔ ورقهٔ نمک درعکسها ظاهر شده است و واضح و روشن دیده می‌شود. بکرل نتیجه گرفت که آنچه موجب این پدیده شد و در نبود تابش نور خورشید بر صفحهٔ عکاسی اثر گذاشته است، ارتباطی به آن پدیده ندارد که در آن نور خورشید سبب پرتوافشانی نمک اورانیوم می‌شود. یعنی، این نمک، حتی اگر در معرض نور خورشید هم قرار نگیرد، پرتوهایی گسیل می‌کند.

گام بعدی در آزمایش بکر این بود که آیا همهٔ نمکهای اورانیوم، اعم از اینکه پرتوافشان باشند یا نباشند، همین نتایج را دارند یا نه. بکرل با اجرای آزمایشهای دقیق و مکرر، این امر را به اثبات رساند و نتیجه‌گیری کرد که اورانیوم چیزی از خود گسیل می‌کند که خواص مخصوص به خود را دارد. پرتویی که می‌تواند به درون اجسام نفوذ کند و به هوا بارالکتریکی بدهد؛ خواصی که تا حدودی همانند خواص پرتوایکس است اما با این تفاوت که اورانیوم حتی در تاریکی نیز پیوسته این تابشها را از خود گسیل می‌کند. اکنون می‌دانیم همان طور که رادر فورد و دیگر دانشمندان نشان دادند، آنچه اورانیوم از خود گسیل می‌کند ذرات آلفاست؛ ذرات با بارالکتریکی که امولسیون صفحه حساس عکاسی را یونیزه می‌کنند و تاثیری مشابه اثر عبور نور برجای می‌گذارند. آیا کشف بکرل تصادفی نبود؟ یقیناً شانس با او بود که آسمان پاریس در روزهای آخرماه فوریه ۹۰ سال پیش ابری باقی بماند. ولی چرا بکرل به خود زحمت داد و صفحه‌ها را ظاهر کرد؟ آیا او انتظار داشت که تصویرها را ضعیف ببیند؟ یا بر این فرض آنها را ظاهر کرد که اصولاً تصویری در این صفحه‌ها نخواهد بود؟ اما هیچ کدام از اینها نبوده است. بکرل هوشیارانه و با برنامه‌ای منظم، اندیشه‌های خود را دنبال کرده است. نیپه دوسن و یکتور، شک و حدس خود را با آزمایشهای بعدی دنبال نکرد، اما بکرل چنین کرد و رادیواکتیویته را به جهانیان شناساند.

بکرل دانشمند برجسته‌ای بود، رونتگن هم چنین بود که دربارهٔ او نیز گفته می‌شود که پرتو ایکس را تصادفی کشف کرد. مردم غالباً تصادف را با بی‌دقتی همراه می‌دانند. اما چنین تصوری در مورد هیچ یک از این دو دانشمند، رونتنگن و بکرل درست نیست؛ درکار این دو و راهی که در علم پیش گرفته بودند چنین بی‌دقتی وجود نداشت. آنها پژوهشهای خود را با سماجت و دقت دنبال کردند و ابزارها و مواد خوب به کار بردند. محتملاً رونتگن از آن جهت جدار مقابل لامپ پرتوکاتودی را نور افشان دید که این جدار را با مادهٔ بسیار حساسی به نام پلاتینوسیانید باریوم اندود کرده بود. بکرل نیز مواد عکاسی با کیفیت عالی را به کار می‌برد. هر دو دانشمند درکار خود دقیق، سمج و بردبار بوده‌اند.

گفتن این حرف شاید ساده باشد که: «من دیگر زحمت تکرار این آزمایش را به خود نمی‌دهم، چون می‌دانم چه اتفاقی خواهد افتاد». اما شکیبایی و حوصله زیاد لازم است تا آزمایشی که آزمایش کننده تصور می‌کند پاسخ آن را می‌داند دنبال شود. برای پژوهشهای علمی، بردباری جنبه حیاتی داردو غالباً نتایج اعجاب‌انگیز به بار می‌آورد.

برای مثال، تلاشهایی راکه به دریافت جایزه نوبل سال ۱۹۷۶ در رشته فیزیک انجامید مطرح می‌سازیم. دو سال پیش ازآن، دو گروه بزرگ از دانشمندان فیزیک ذرات، مستقلاً ذره‌ای زیراتمی کشف کرده بودند که اینک Psi /J نامیده می‌شود (این عنوان از آن رودوگانه است که هرگروه نام جداگانه‌ای به این ذره داده بود). این کشف جدید درآنروزها فیزیک ذرات بنیادی را تکان داد و به آن، تحرک تازه‌ای بخشید.

J/Psi، کلید نظریه‌ای است‌که الکترومغناطیس رابه برهم کنش‌های هسته‌ای ضعیف رادیواکتیویته پیوند می‌دهد. (چون پرتو ایکس نوعی‌تابش الکترومغناطیسی است، این نظریه پدیده‌هایی را که رونتگن و بکرل ۸۰ سال پیش کشف کرده بودند، به هم پیوند می‌دهد).

جایزه نوبل به سرپرستان دو گروه اعطا شد: برتن ریچتر و ساموئل تینگ. همانند کشفیات رونتنگن وبکرل حاصل کار این دو گروه نیز غیر منتظره بود؛ هیچ یک از آنها که در میدان دشوار پژوهشها گام می‌نهادند، نشانی از جایزهٔ نوبل در مقابل خود نمی‌دیدند. اما سرانجام، ثمرهٔ چندین سال تلاش و دقت خود را به شکل جایزه نوبل به دست آوردند.

ریچتر علاقه وافری به پژوهش دربارهٔ رفتار نیروی الکترومغناطیسی در مسافتهای بسیار کوتاه داشت. او می‌دانست که یک شیوهٔ بررسی برهم کنش الکترومغناطیسی در مسافتهای کوتاه، مطالعه پراکندگی یک دسته الکترون از الکترونهای دیگر است. هرچه انرژی اعمال شده بیشتر باشدف فاصله کوتاهتری را می‌توان بررسی کرد. متشابهاً می‌تواند برخورد الکترونها را با ضد الکترونها (پوزیترونها) مطالعه کرد. روش دوم از نظر فنی مطلوبتر است، چرا که می‌توان ابزاری ساخت که بتواند دو دسته ذره و ضد ذره را شتابدار کند و آنها را با همدیگر برخورد دهد.

ریچتر، طراحی و ساخت دستگاه برخورد دهندهٔ الکترون- پوزیترون را در مرکز شتابدهندهٔ خطی استانفورد (SLAC) در سال ۱۹۷۳ به پایان رسانید و بر آن شد تا ببیند که چگونه برخورد الکترونها و پوزیترونها، به تولید هادرونها می‌انجامد.

گروهی ریچتر از SLAC و آزمایشگاه لاورنس برکلی، از سال ۱۹۷۳ به جمع آوری داده‌ها درمورد تولید هادرونهای حاصل از برخورد الکترونها پوزیترونها در انرژیهای مختلف پرداختند. جان کادیک، از آزمایشگاه برکلی، در بررسی داده‌ها یک نقطه مهم و عجیب یافت: هگامی که کل انرژی اعمال شده از ۶/۲ گیگا الکترون ولت به ۸/۴ گیگا الکترون ولت افزایش می‌یافت، این نقطهٔ در انرژی ۲/۳ گیگا الکترون ولت خود را نشان می‌داد. داده‌های بیشتری که در محدودهٔ همین مقدار انرژی جمع‌آوری شد حاکی از آن بود که پدیدهٔ واقعاً غیرعادی روی می‌دهد. شش‌آزمایش که در انرژی ۱/۳ گیگا الکترون ولت اجراشد، همه وضعیت را عادی نشان دادند، اما در دو تا از این آزمایشها، هادرونهای زیادی تولید شده بود. آیا دستگاه نقصی پیدا کرده است؟ آیا انرژی دستگاه تغییر کرده است؟ جرسون گُلدها برف پژوهشگر آزمایشگاه برکلی از ریچتر خواست که دستگاه را یک بار دیگر در همین تراز انرژی به کار بیندازد و نتیجه را ببیند.

کنترل داده‌ها از این طریق اصلاً کارساده‌ای نبود، در پایان روزهای نهم ودهم نوامبر ۱۹۷۴ نتایج شگفت‌انگیز به دست آمد. احتمال تولید هادرون، از برخورد الکترون – پوزیترون، در انرژی ۱/۳ گیگا الکترون، با ضریب حدود ۱۰۰ افزایش می‌یافت. بی‌درنگ پژوهشگران دریافتند که این پدیده حاصل تولید و فروپاشی ذره‌ای است که جرم آن دقیقاً معادل ۱/۳ گیگا الکترون ولت است و همین ذره بود که بعداً Psi/J نام گرفت. در گوشه‌ای دیگر از امریکا، در آزمایشگاه بروکهاون نیویورک، گروه تینگ هم دقیقاً همین ذره را کشف کرده بود، اما با تجربه‌ای کاملاً متفاوت و در حقیقت عکس آزمایش ریچتر، در سال ۱۹۶۶ که تینگ سی‌ساله بود، به طور پیگیر، شناخت ذره‌های بنیادی را در پیش گرفت. آنچه فکر و حواس او را به خود مشغول ساخته بود، مطالعهٔ زوج «لپتون» هایی بودکه در برهم کنش‌های ذره‌ای تولید می‌شدند. لپتونها شامل خانواده‌ای از ذرات، از جمله الکترونها و موئونها هستند. تیک علاقه داشت که تولید زوج لپتونها – مثلاً یک الکترون و یک پوزیترون، یا یک موئون مثبت و یک موئون منفی- را مطالعه کند. او معتقد بود که فیزیک ذراتی که
می‌توانند درحالت فروپاشی چنین زوجهایی را تولیدکنند، بسیار جالب است، شیوهٔ تینگ کاملاً عکس فرایندی بود که ریچتر را مجذوب خودساخته بود، زیرا او نابودی زوج لیپتونها را مطالعه می‌کرد.

تینگ آزمایش خود را در آزمایشگاه دسی هامبورگ آغاز کرد و سپس به بروکهاون رفت. او در آزمایشی که در بهار سال ۱۹۷۴ انجام داد، توانست زوج الکترون – پوزیترون تولید شده از برخورد پروتونهای پرانرژی با یک هدف بریلیوم را آشکار و اندازه‌گیری کند. جستجوی زوج الکترون – پوزیترون در میان آثار چنین برخوردی مانند جستجو برای یافتن سوزن در یک انبارگاه است. اما تینگ درماه اوت ۱۹۷۴ دریافت که در این بین، چیزی غیرعادی وجود دارد: زوجهای الکترون – پوزیترون در انرژی کل ۱/۳ گیگا الکترون ولت بسار زیاد بود! تینگ به‌خاطر نحوهٔ کار و پژوهش شهرت دارد. در گروه او، هریک از پژوهشگران، مستقلاً داده‌ها را تجزیه و تحلیل و ابزارها را کنترل می‌کردند تا از صحت کار آن مطمئن شوند. آنها آزمایش را دوباره در همان انرژی ۱/۳ گیگا الکترون ولت تکرار کردند و به همان نتیجه رسیدند. شاید از تینگ انتقاد شود که اگر سماجت نمی‌کرد و آزمایش را دوباره تکرار نمی‌کرد، همه افتخار کشف زودتر نصب گروه او می‌شد. اما آنچه که در علم افتخار بیشتر را نصیب پژوهشگر می‌کند دقت، بردباری و رسیدن به نتایج متقن است. ازآنچه در بالا آمد، چه درسی می‌توان فرا گرفت؟ نخست آنکه پیروزی و موفقیت را نمی‌توان با حدس و گمان پیشگویی کرد و دقیقاً گفت که کدام تجربه و آزمایش به کشف یک پدیده جدید یا اسرار نهفته منتهی می‌شود. دوم آنکه تلاش دسته جمعی و حتی بین‌المللی می‌تواند بهتر از تلاش انفرادی به نتیجه برسد. همان‌طور که رونتگن و بکرل نشان دادند، موفقیتهای غیرمنتظره، تصادفی حاصل نمی‌شوند، بلکه در پژوهشهای دقیق برنامه‌ریزی شده و کاربرد بهترین ابزار کار و مصالح عالی نهفته‌اند. هیچ کس نمی‌تواند موفقیتهای علمی غیرمنتظره را پیشگویی کند، اما می‌توان وسایل تحقیقاتی مناسب در اختیار دانشمندان گذاشت تا به رازهای نهانی طبیعت پی ببرند. عاقلانه نیست که تصور کنیم طبیعت رازهای دیگری در دل خود پنهان ندارد که بشر به طور اتفاقی آنها را کشف کند.

نوشتهٔ کریستین ساتن ترجمهٔ علی محمد عبادی

منبع: مجله دانشمند دهه شصت خورشیدی

دیدگاه خود را با ما اشتراک بگذارید:

ایمیل شما نزد ما محفوظ است و از آن تنها برای پاسخگویی احتمالی استفاده می‌شود و در سایت درج نخواهد شد.
نوشتن نام و ایمیل ضروری است. اما لازم نیست که کادر نشانی وب‌سایت پر شود.
لطفا تنها در مورد همین نوشته اظهار نظر بفرمایید و اگر درخواست و فرمایش دیگری دارید، از طریق فرم تماس مطرح کنید.