علمی و فناوری

فیزیک هسته‌ای؛ از ماری کوری تا لیزه مایتنر

به قسمت دهم مجموعه مقالات گذری بر فیزیک کوانتوم خوش آمدید. در نه قسمت گذشته، مباحث و اتفاقات بسیاری در جهان فیزیک را نقد و بررسی کرده‌ایم. در این قسمت به سراغ فیزیک هسته‌ای می‌رویم. فیزیک هسته‌ای نیز به مانند مباحث کوانتومی پس از به دنیا آمدن فیزیک مدرن شکل گرفت، اما جنس و ماهیت آن با مباحث کوانتومی کمی تفاوت دارد. در فیزیک کلاسیک هیچگاه نامی از فیزیک هسته‌ای نیامده است و اساسا پدیده‌ای به نام پرتوزایی و ناپایداری معنایی نداشت و تمامی این مفاهیم جدید، پس از شکل‌گیری فیزیک هسته‌ای معنا و مفهوم پیدا کرد.

در این قسمت کمی به تاریخ پیدایش این شاخه از فیزیک می‌پردازیم و به‌صورت متمرکز بر زندگی سه تن از افرادی که بیشترین تأثیر را در رشد و شکوفایی این علم داشتند، می‌پردازیم. در ابتدا به اولین گمان‌هایی که در نهایت به پدیده پرتوزایی منجر شد، می‌پردازیم و سپس به سراغ ماری کوری، رادرفورد و در آخر لیزه مایتنر می‌رویم. این ۳ شخص تأثیر بسیار زیادی بر جریان فیزیک هسته‌ای داشته‌اند. 

لیزه مایتنر، یکی از اولین فیزیکدانان زنان تاریخ بوده است و در طول عمر خویش همواره سختی‌های زیادی را متحمل شده است، اما هیچگاه دست از تلاش نکشید، با این حال نقش شگرف او در جریان هسته‌ای اکثرا نادیده گرفته می‌شد. به همین دلیل، تصمیم گرفتیم تا برای این مقاله از عکس ایشان استفاده کنیم، تا مخاطب فارسی زبان علم دوست، با او بیشتر آشنا شود.

این مقاله نزدیک به ۱۳ هزار کلمه مطلب دارد و برای آن که راحت‌تر مطالعه شود به ۳ قسمت تقسیم شده است.  بدیهی است که این جنس مقالات با اخبار روزانه تفات ساختاری فاحشی دارند و هدف آن‌ها افزایش دانش، بینش و سواد حقیقی شما است. بنابراین اگر تمایل به خواندن آن دارید، حتما آن را ذخیره کنید و در طول مدت زمان حداقل ۳ روز مطالعه کنید. به مانند قسمت‌های قبلی، تمامی سعی نگارنده بر این بوده است، که مطالب به زبانی ساده و گیرا بیان شود و با بررسی، جمع‌آوری و مطالعه‌ی چندین کتاب سعی شده است، تا بر این اصل مهم خود وفادار بمانیم.

کمی تاریخ

اگر بخواهیم به زبان ساده بگوییم، هر اتم شامل یک بخش مرکزی با بار مثبت به نام هسته است. هسته را ساختارهای پوسته مانندی از الکترون‌ها که بار منفی دارند، احاطه کرده‌اند. اندازه‌ی هسته نسبت به سایر اتم بسیار کوچک است (توپ فوتبالی در یک استادیوم ۱۰۰ هزارنفری!) اما از سمت دیگر، همین هسته‌ی کوچک، بسیار سنگین است، به‌طوری که تقریبا می‌توان گفت، تمامی جرم اتم را در بر دارد!

دو کاشف بزرگ در پژوهش رادیواکتیویته، ماری کوری و ارنست رادرفورد بودند، کوری در پاریس و رادرفورد نخست در مونترآل، سپس در منچستر و سرانجام در کمبریج بود. ماری کوری و همسر او پیر کوری ابتدا به جداسازی عنصر رادیواکتیو رادیم اقدام کردند. رادرفورد نیز سه پرتو گسیل یافته از عناصر رادیواکتیو را مشخص کرد و آن‌ها را، آلفا، بتا و گاما نامید. رادرفورد و همکارش فردریک سادی، نشان دادند کیمیاگری، که نام مناسب‌تر برای آن تبدیل هسته‌ای است، دیگر یک افسانه نیست و تحقق یافته است؛ چرا که یک عنصر رادیواکتیو به عنصر دیگر تبدیل می‌شود!

رادرفورد و فردریک سادی، نشان دادند کیمیاگری، دیگر یک افسانه نیست و تحقق یافته است!

رادرفورد، هانس گایگر و ارنست مارسدن با استفاده از ذرات آلفا (که درواقع یون‌های هلیم با دو بار مثبت‌اند، نه یک پرتو) و بمباران کردن ورقه‌های نازک فلزی با آن ذرات، دلیل محکمی برای وجود هسته در یک سری آزمایش‌ها به دست آوردند، که در سال ۱۹۱۳ کامل شد.

ماری کوری / Marie Curie

احتمالا کما بیش با مدل اتمی رادرفورد آشنایی داشته باشید، چرا که در کتاب‌های دوره راهنمایی و دبیرستان خود با آن برخورد کرده‌اید. مدل رادرفورد هسته را فوق‌العاده کوچک، اما با اندازه‌ای محدود و متناهی توصیف می‌کند. این موضوع پرسش دیگری را مطرح کرد؛ اجزای سازنده هسته چه هستند؟

  • یکی از اجزای اولیه آشکارا پروتون بود. چرا که در کوچک‌ترین هسته‌، یعنی هسته‌ی هیدروژن(که از تنها یک پروتون تشکیل شده و نوترون ندارد) شناسایی شده بود. 
  • دیگری نوترون بود، که در سال ۱۹۳۲ به وسیله‌ی جیمز چادویک که معاون رادرفورد در آزمایشگاه کاوندیش در کمبریج بود، کشف شد. نوترون جرم هسته را در حدود پروتون افزایش می‌دهد، اما بار الکتریکی ندارد!

ابزار آزمایشی مطلوب رادرفورد، ذره‌ی آلفا بود. او با این ذره به مفهوم هسته و نخستین نمونه‌ی شیمی هسته‌ای دست یافت. او دریافت که با بمباران گاز نیتروژن به وسیله‌ی ذرات پر انرژی آلفا، نیتروژن را به اکسیژن تبدیل می‌کند. چادویک با بمباران برلیم با ذرات آلفا، نوترون تولید کرد. در پاریس نیز ایرن ژولیو کوری (دختر ماری کوری) و همسرش فردریک  عنصر بور و آلومینیم را با ذرات آلفا بمباران کردند، تا عناصر رادیواکتیو مصنوعی را که در طبیعت یافت نمی‌شود، به دست آورند.

انریکو فرمی نیز با آزمایش‌های متعدد بمباران موفق به یافتن نوترون‌های کند یا در حقیقت نوترون‌های کم انرژی شد. بسیاری از عناصر پس از اکسیژن در جدول تناوبی، نوترون‌های کند را جذب می‌کنند و در این فرایند رادیواکتیو می‌شوند. گیراندازی نوترون، تأثیر ویرانگری بر یکی از سنگین ترین عناصر فراوان زمین یا همان اورانیم دارد و سبب می‌شود هسته‌اش از هم پاشیده یا به دو پاره تقریبا با جرم برابر شکافته شود.

نوترون جرمی به اندازه‌ی پروتون دارد، اما بار الکتریکی ندارد

فرمی و همکارانش نخستین بمباران اورانیم با نوترون را در سال ۱۹۳۵ انجام دادند، اما در تفسیر نتایج آن دچار اشتباه شدند. تا آن که در سال ۱۹۳۸ لیزه مایتنر و اُتو فریش مفهوم شکافت هسته‌ای را مطرح کردند.

فیزیک هسته ای

در یک رویداد شکافت، یک نوترون مصرف شده و دو یا سه نوترون تولید می‌شود. اگر توجه دقیقی به نوترون‌های از دست رفته و نوترون‌های به دست آمده داشته باشیم، نوترون‌های تولید شده در رویدادهای شکافت می‌توانند، سبب شکافت‌های بیشتری شوند، در نتیجه یک واکنش هسته‌ی زنجیری تداوم می‌یابد. هر شکافت مقدار انرژی زیادی آزاد می‌کند. یک واکنش هسته‌ای زنجیره‌ای اگر کنترل شود، منبع انرژی مفیدی خواهد بود و اگر کنترل نشود، ممکن است به‌عنوان یک بمب به کار گرفته شود، که قادر است شهرهایی را با خاک یکسان کند!

در یک آزمایش پیچیده‌ی بی‌سابقه، فرمی در سال ۱۹۴۲ نشان داد، که چگونه واکنش زنجیره‌ای اورانیم کنترل می‌شود. طی سه سال بعد، گروه برجسته و ممتازی از فیزیکدانان، مهندسان، شیمیدانان و ریاضیدانان با کار در لوس آلاموس و نیومکزیکو بمبی را طراحی کردند و ساختند، که وقتی آن را آزمایش کردند، خودشان به وحشت افتادند!

یک واکنش هسته‌ای زنجیره‌ای در عین حال که می‌تواند منبع انرژی مفیدی باشد، می‌تواندبمبی باشد، که قادر است شهرهایی را با خاک یکسان کند!

حال بد نیست کمی در زمان سفر کنیم و با تاریخچه‌ی فیزیک هسته‌ای و افرادی که تأثیر بسزایی در پیشرفت آن داشتند، آشنا شویم.

ماری کوری؛ مایه‌ی فخر جامعه‌ی زنان

ماری کوری

میان نام ماری کوری و فیزیک هسته‌ای پیوندی ناگسستنی برقرار است و تأثیر شگرف او بر پیشرفت این علم انکار ناشدنی است. در یک کلام زندگی او قهرمانانه بود!

ماری کوری هر کاری را که به عهده می گرفت، موانع هرچه که بود، نمی‌توانست مانع پیشروی او شود. وقتی بیست و یک ساله بود، در نامه‌ای به یکی از دوستانش نوشت:

اصل اول: هرگز نگذار کسانی با رویدادهایی تو را مغلوب کنند!

در آن زمان، او زندگی خود را به‌عنوان معلم سرخانه در شهرکی در لهستان می‌گذراند و رویای آموزش دانشگاهی در پاریس را در سر می‌پروراند. سرانجام زندگی دانشجویی در سوربون برای او واقعیت یافت و با وجود تحصیلات نامنظم در مقطع متوسطه در ورشو، او بر تمامی مشکلات پیروز گشت. ابتدا در امتحان علوم، در میان ۱۸۲۵ شاگرد، که ۲۳ نفر از آن‌ها زن بودند، نفر اول و در امتحان ریاضیات نفر دوم شد!

ماری کوری نخستین زنی است، که موفق به کسب جایزه نوبل می‌شود

او برای پایان نامه دکتری خود موضوعی بسیار دشوار و نوین را برگزید. پایان نامه‌ی دکترای او متمرکز بر بررسی پدیده‌های تازه کشف شده رادیواکتیویته بود. او برای این کار جایزه‌ی نوبل دریافت کرد و تبدیل به نخستین زنی شد، که موفق به دریافت این جایزه گشته است. چندی بعد نیز جایزه‌ی نوبل دوم را دریافت کرد؛ او نخستین دانشمندی بود، که به چنین افتخاری دست یافت. او نخستین زنی بود، که در دانشگاه سوربون تدریس می‌کرد، اما با اختلاف دو رأی نتوانست، اولین زن عضو فرهنگستان علوم شود!

زن نابغه

ماری ابتدا می‌خواست پس از گرفتن درجه کارشناسی ارشد، به ورشو بازگردد، تا با پدرش زندگی کند و مانند پدر و مادرش به شغل معلمی بپردازد، اما در سال ۱۸۹۴، هنگامی که پیر کوری وارد زندگی او شد، تمامی این نقشه‌ها برای همیشه به هم خورد!

وقتی آن دو با هم آشنا شدند، پیر کوری سی و پنج ساله بود و موفقیت‌های فراوانش در فیزیک نظری و تجربی، او را به شهرتی در دنیای علم رسانده بود. او و بردارش ژاک در کشف اثر پیزو الکتریک همکاری داشتند. اثری که؛ با اعمال نیرو به دو وجه مقابل بعضی از بلورها به‌ویژه کوارتز، ظرفیت الکتریکی تولید می‌کند، یا به‌عکس با به کار گرفتن یک ظرفیت به بلور، یک نیرو به وجود می‌آورد.

او به‌تنهایی با تمرکز بر آثار تغییرات دما بر مواد مغناطیسی، بررسی تجربی مغناطیس را تکمیل کرده بود. او طراح و سازنده‌ی ماهر وسایل حساس الکتریکی بود، همین توانایی او بعدها در همکاری با ماری در زمینه‌ی رادیواکتیویته اهمیت فوق‌العاده‌ای داشت. 

ماری و پیر در ژوئن سال ۱۸۹۵ در سالن شورای شهرک سوا در حومه‌ی پاریس، جایی که والدین پیر می زیستند، ازدواج کردند و این شروعی برای فتح یکی پس از دیگری سنگرهای علمی بود.

ماری کوری / Marie Curie

پرتوهای بکرل

اکتشافات علمی گاهی به قدری متضاد و شگفت انگیزند، که تنها می‌توان آن‌ها را بر حسب تصادف آشکار کرد. داستان در سال ۱۸۹۵ با گزارشی از یک فیزیکدان تجربی آلمانی با استعداد اما بی سروصدا به نام ویلهلم رونتگن  آغاز می‌شود. او نوع جدیدی از تابش‌ها را کشف کرده بود و آن‌ها را پرتوهای x نامید. پرتوهای جدید رونتگن شیبه نور بودند؛ آن‌ها در خط مستقیم حرکت می‌کردند، سایه ایجاد می‌کردند و به آسانی صفحه‌ی عکاسی را نورانی می‌کردند. این پرتوها توانایی حیرت‌انگیزی داشتند و آن این بود؛ که تقریبا بر هرچه می‌تابیدند، می‌توانستند در آن نفوذ کنند!

دست‌ها، پاها، ساق‌ها و بازوها از جمله مواردی بودند، که نفوذ پرتو ایکس در آن‌ها و ایجاد سایه‌هایی از آن‌ها، که استخوان‌بندی بدن انسان را نمایان می‌کرد، شور و هیجان عمومی را برانگیخت. پیش از آن هرگز یک پیشرفت علمی با چنین سرعتی گسترش نیافته بود!

پیش از کشف پرتو ایکس، هرگز یک پیشرفت علمی با چنین سرعتی گسترش نیافته بود

پرتوهای x رونتگن در یک لوله‌ی شیشه‌ای تخلیه شده، با ایجاد یک تخلیه الکتریکی متمرکز، باریکه‌ای از پرتوهای کاتودی تولید می‌کرد. پرتوهای x در جایی به وجود می‌آمد، که باریکه‌ی پرتو کاتدی به جدار شیشه‌ای لوله برخورد می‌کرد. در همان نقطه‌ی برخورد با شیشه نیز یک درخشندگی قوی، یا فلوئورسانی ایجاد می‌شد. بنابراین این ایده به ذهن بکرل و دیگران رسید، که فلوئورسانی و پرتوهای x باید با سازوکار یکسانی تولید شوند. در سال ۱۸۹۶ این حدس بکرل را به جستجوی پرتوهای x به همراه‌ با منابع شناخته شده‌ی دیگر فلوئورسانی کشانید. او به تحقیق در رابطه با ماده‌ی مرکبی شامل اورانیم به نام سولفات اورانیل پتاسیم پرداخت، که پیش‌تر خاصیت فلوئورسانی آن را تحت تأثیر نور خورشید بررسی کرده بود. بنابراین این نمک اورانیم باید در معرض نور خورشید تابشی نافذ گسیل می‌کرد، اما در طی یه حادثه‌ی اتفاقی بکرل دریافت که نمک اورانیوم منبع ثابتی از پرتوهای نافذ است، حتی بدون آن که در معرض نور خورشید باشد.

فلوئورسانس

پرتوهای بکرل منبع انرژی آشکاری نداشتند؛ و این اتفاق نقض آشکار قانون اول ترمودینامیک بود. این خبر نگران کننده‌ای بود، اما در آن زمان چنان توجهی به آن نشد، چرا که اکثریت جامعه‌ی علمی مشغول به کندوکاو در دنیای هیجان‌انگیز و ناشناخته‌ی پرتوهای ایکس بودند. 

عنصری به نام یک کشور

بکرل گزارش کرده بود؛ که پرتوهای اورانیم می‌توانند اجسام الکتریسیته دار شده را تخلیه کنند. یعنی اگر یک نمک اورانیم میان صفحات یک خازن باردار شده جای داده می‌شد، یک جریان ضعیف الکتریکی تولید می‌شد، که به آهستگی خازن را تخلیه می‌کرد. یکی از اختراعات برادران کوری، الکتریسیته سنج حساسی بود، که برای اندازه‌گیری چنین جریان‌هایی بسیار مطلوب بود.

ماری کوری کارش را با ارزیابی فهرستی از مواد مرکب خالص و کانی‌ها آغاز کرد. او هر ماده را روی یکی از صفحه‌های خازن که تا ۱۰۰ ولت باردار شده بود، می‌پاشید و سپس جریان تخلیه را به وسیبه‌ی الکتریسیته‌ سنج کوری اندازه‌گیری می‌کرد. همان گونه که انتظار می‌رفت، ثابت شد که ترکیبات اورانیم در این طرح فعال‌اند و در مورد ترکیبات عنصر توریم نیز این امر صادق است. کلیدی‌ترین مشاهده‌ی ماری کوری، که به مهم‌ترین پژوهش کوری‌ها نیز منجر شد این بود که؛ کانی‌های اورانیم، به‌ویژه پیچ‌بِلند، پس از جداسازی فعال‌تر از اورانیوم خالص بود. این موضوع وجود مقادیر اندکی از یک عنصر ناشناخته با فعالیت بیشتر از اورانیم را نشان می‌دهد، شگفت آن که پژوهش به سرعت در جهتی پیش رفت، که فیزیکدانان و شیمیدانان را امیدوار به کشف یک عنصر جدید کرده بود!

فیزیک هسته ای

ماری در یادداشت‌های زندگینامه خود می‌نویسد:

در آغاز ما هیچ یک از خواص شیمیایی مواد ناشناخته را نمی‌دانستیم و پژوهش‌های ما فقط براساس همین پرتوها بود.

کوری‌ها با استفاده از فنون تجزیه شیمیایی پیچ‌بِلند، اجزای شامل عناصر موجود در آن را که می‌شناختند از هم جدا کردند و سپس فعالیت این اجزای جدا شده را اندازه‌گیری کردند. این رهیافت مبتکرانه به سرعت موفقیت‌آمیز شد؛ چرا که اجزای غنی از بیسموت بسیار فعال‌تر، یا به‌گفته‌ی کوری‌ها رادیواکتیوتر از نمونه پردازش نشده بودند.

کوری‌ها در مقاله‌ای در سال ۱۸۹۸ مدعی موفقیت کار خود شدند و ماری با افتخار مهر خود را بر یک عنصر جدید کوبید:

ما باور داریم، ماده‌ی استخراج شده از پیچ‌بِلند حاوی فلزی است، که تاکنون شناخته نشده و خواص شیمیایی آن ارتباط نزدیکی با بیسموت دارد. اگر وجود این فلز جدید تأیید شود، پیشنهاد می‌کنیم آن را به نام کشور مبدا یکی از ما پولونیم نام‌گذاری کنید!

در حدود شش ماه بعد، کوری‌ها با همراهی گوستاو بمون، یکی از همکاران در مدرسه‌ی فیزیک و شیمی، مدعی کشف عنصر بسیار رادیواکتیو دیگری شدند. این عنصر از لحاظ شیمیایی به باریم مربوط می‌شد و آن را رادیم نامیدند.

زوج کوری

طرح پژوهشی رادیم پُرزحمت و طاقت‌فرسا بود. اما وقتی موضوع پژوهش رادیم منتشر شد، خواه ناخواه توجه جامعه‌ی علمی جهان به سوی ماری و پیر کوری جلب شد. نمونه های غنی شده از رادیم فراتر از همه انتظارات رادیواکتیو بودند، نمونه‌ها برای آن که توانمندی خود را نشان دهند، در تاریکی می‌درخشیدند. ارنست رادرفورد در ژوئن سال ۱۹۰۳، روزی که ماری به‌طور موفقیت آمیزی از پایان نامه دکترای خود دفاع می‌کرد، به ملاقات وی رفت. او در مهمانی شامی که پل لانژون به افتخار ماری برپا کرده بود، شرکت کرد. رادرفورد یادآور می‌شود؛

پس از یک عصر هیجان‌انگیز، در حدود ساعت ۱۱ به باغ رفتیم و در آنجا پروفسور ماری کوری در لوله‌ای را باز کرد، که بخشی از آن لوله با سولفید روی (ZnS) پوشیده بود و درون آن مقداری زیاد محلولی حاوی رادیم بود. درخشش آن در تاریکی تابناک بود و این پایان یک روز باشکوه و عالی فراموش نشدنی بود!

پیر سخنرانی بسیار مقبولی در رابطه با کارشان در انجمن سلطنتی لندن ایراد کرد و اندکی بعد به خاطر مهم‌ترین کشف سال در شیمی، مدال همفری دیوی به ماری و پیر اهدا شد. پذیرفتن مدال بازتاب تغییری در موضع قدیمی پیر بود، که پیش‌تر، هرگونه نشان و مدال را تحقیر می‌کرد. سپس در سال ۱۹۰۳، کور‌ی‌ها به‌طور مشترک با بکرل جایزه نوبل را دریافت کردند. گزارش کمیته نوبل این به شرح زیر بود؛

اکنون حوزه‌ی کاملا جدیدی با بیشترین اعتبار، منزلت و علاقه برای پژوهش در جهان فیزیک گشوده شده است. اعتبار این اکتشاف‌ها بدون تردید در نخستین مرحله متعلق به هانری بکرل و آقا و خانم کوری است! کشف بکرل درباره‌ی رادیواکتیویته خود به خود اورانیم، الهام بخش پژوهش جدی مداوم برای یافتن عناصر بیشتر با کیفیت‌های چشمگیر شد. عالی‌ترین پژوهش قاعده‌مند و تلاش مستمر در این زمینه به وسیله‌ی آقا و خانم کوری به عمل آمد.

جایزه‌ی نوبل، مقامی عالی رتبه را برای پیر در سوربون به ارمغان آورد و سیلی از شهرت و تبلیغات را که کوری‌ها برای آن به‌طور کلی آمادگی نداشتند، را روانه‌ی این زوج دانشمند کرد. 

روزنامه‌ نگارها شیفته‌ی زوج کوری و سادگی آزمایشگاه فیزیک آنان بودند. توجه آنان به‌ویژه معطوف به ماری بود، در یکی از زندگینامه‌های منتسب به ماری کوری چنین نوشته شده است؛

ماری بسیار متفاوت از یک زن و همسر متعارف یک دانشمند بود و این بیش از هر چیز دیگر کنجکاوی مطبوعات و عامه‌ی مردم را جلب می‌کرد. این موضوع که یک مرد و یک زن بتوانند، رابطه‌ای عاشقانه و در عین حال کاری داشته باشند، برای بعضی از مردم هیجان‌آور و برای بعضی دیگر تهدید آمیز بود!

ساعات مرگبار

رادیواکتیویته جنبه‌ی منفی و تاریک خاص خود را نیز دارد. پرتوهای گسیل یافته از رادیم و عناصر رادیواکتیو دیگر فوق‌العاده پر انرژی‌اند. آن‌ها می‌توانند سلول‌های زنده را تخریب کنند، سبب سوختگی‌های عمیق شوند و به اندام‌های درونی ما آسیب برسانند. کوری‌ها و همکارانشان در پژوهش‌های رادیواکتیویته از بعضی از این آثار زیست شناختی آگاه بودند، اما آسیب را سطحی می‌پنداشتند و تهدیدهای فراگیر بر سلامتی‌شان را جدا دست کم می‌گرفتند.

پرتوهای گسیل یافته از رادیم و عناصر می‌توانند سلول‌های زنده را تخریب کنند و به اندام‌های درونی ما آسیب برسانند

با مروری بر تاریخ‌های معاینه‌های پزشکی کوری‌ها، می‌توان حدس زد که آنان از شکل‌های گوناگون آن چه امروزه بیماری‌های تابشی می‌نامیم، رنج می برده‌اند، طی سال‌های پس از کشف رادیم، هم ماری و هم پیر به‌طور فزاینده‌ای از خستگی مفرط در عذاب بودند. ماری کم خونی و کمبود وزن داشت و پیر از حمله‌ی دردهای حاد رنج می‌برد.

فیزیک هسته ای

مشکل سلامتی پیر ابتدا روماتیسم و سپس نوعی ضعف اعصاب تشخیص داده شد. این بیماری درد استخوانی بود، که او در ساق‌ها و پشتش احساس می‌کرد. می‌توان حدس زد که پیر کوری نخستین قربانی بیماری ناشی از تابش باشد. اما خوب یا بد، پیر با چنین تهدیدی مواجه نشد و در ۱۹ آوریل سال ۱۹۰۶، درحالی‌که می‌کوشید، پیاده از یک تقاطع شلوغ در پاریس بگذرد، یک اسب عصبی او را نقش زمین کرد و سرش زیر چرخ‌های یک درشکه، خرد شد. او در آن زمان تنها چهل و هفت ساله بود.

پس از مرگ پیر، ماری مدتی طولانی درگیر افسردگی و نومیدی بود، اما پس از مدتی توانست بار دیگر روحیه‌ی خود را بازگرداند و فعالیت‌های علمی خود را از سر گیرد. پنج سال پس از مرگ پیر، ماری با ادامه دادن پژوهش‌های خود در رابطه با مواد رادیواکتیویته موفق به کسب دومین جایزه‌ی نوبل شد. نوبل دوم او در رشته‌ی شیمی و به پاس زحمات او در زمینه‌ی پیشرفت این علم، که به کشف عناصر رادیم و پلونیوم منتهی شده بود، به وی داده شد. 

ماری کوری

سال‌های پایانی

هنگامی که کرسی تدریس ماری، در سوربون ایجاد شد، قرار بود یک آزمایشگاه برای مطالعات رادیواکتیویته تأسیس شود، اما تا زمان مرگ او این وعده تحقق نیافت. در خلال این سال‌ها مدالی به او اهدا شد و او در پاسخ گفت؛

من از شما درخواست می‌کنم که از وزیر تشکر کنید و به اطلاع ایشان برسانید، من کمترین نیازی به مدال ندارم، اما بیشترین نیاز را برای داشتن یک آزمایشگاه احساس می‌کنم!

در سال ۱۹۱۵ هنگامی که آزمایشگاه جدید آماده و ماری وارد آن شد، هنوز دوران جنگ بود. ماری در یادداشت‌های زندگینامه خود، یادآور می‌شود؛

این یک تلاش و تجربه‌ای پیچیده ای بود، که بار دیگر برای آن، من نه پولی داشتم و نه کمکی! بنابراین فقط میان سفرهایم بود که می توانستم، تجهیزات آزمایشگاهی‌ام را در ماشین‌های رادیولوژیکی خودم، منتقل کنم.

ماری همواره به فضای سبز و گل و گیاه، عشق می‌ورزید و اصرار داشت، که محوطه میان دو ساختمان مؤسسه پر از درخت و گل باشد. او بدون ترس از گلوله باران آلمان‌ها خودش گل‌کاری می‌کرد و می‌گفت؛

احساس می‌کنم، که برای استراحت چشم نگاه کردن به برگ‌های تازه‌ی بهار و تابستان ضروری باشد. بنابراین سعی می‌کنم چیزها، برای کسانی که در این ساختمان‌های جدید کار می‌کنند، خوشایند باشد. ما تا جایی که توانستیم درخت‌های چنار و لیمو کاشتیم و گل‌کاری را نیز فراموش نکردیم. من به خوبی به یاد دارم، که در نخستین روز گلوله باران پاریس به وسیله‌ی توپخانه‌ی سنگین آلمان، صبح زود به بازار گل فروشی رفته بودیم و تمام روز را، درحالی‌که گلوله‌ها نزدیک ما می‌افتاد، سرگرم گل‌کاری بودیم.

مؤسسه‌ی رادیم به سرعت، مرکز تحقیق پر رونقی شد. ماری هر کاری را که سبب پیشرفت آزمایشگاه می‌شد، انجام می داد و حتی تن به انجام کارهایی نظیر مسافرت و کسب شهرت که همواره از آن بیزار بود، می‌داد. او با همکاری گسترده با روزنامه‌نگاران، سفر به آمریکا و تبلیغات گسترده توانست مبلغ قابل توجهی را برای آزمایشگاهش به‌عنوان هدیه جمع‌آوری کند.

نوبل دوم کوری در رشته‌ی شیمی و به‌علت زحماتی که به کشف عناصر رادیم و پلونیوم منتهی شده بود، به او داده شد

طی سال‌های ۱۹۲۰ و ۱۹۳۰ مؤسسه رادیم رونق گرفت، اما سلامت ماری به آهستگی رو به افول می‌رفت. سرانجام، تشخیص پزشکی کم خونی مهلک در شکل حاد آن بود و  او در ژوئیه سال ۱۹۳۴ درگذشت. تابوت او روی تابوت پیر در گورستان کوچک سو قرار گرفت. ژان پرن درباره‌ی این زن توانمند چنین می‌گوید؛

مادام کوری نه‌تنها یک فیزیکدان مشهور، که بزرگ‌ترین مدیر آزمایشگاهی است، که من تاکنون دیده‌ام.

پایان قسمت اول

پیشنهاد می‌کنیم پس از گذشت ۲۴ ساعت از مطالعه‌ی این بخش، بخش دوم این مقاله را مطالعه کنید.

ارنست رادرفورد؛ مردی از تبار زلاندنو

رادرفورد

در قسمت‌های قبلی و به‌خصوص در بخش مدل‌های اتمی اندکی با ارنست رادرفورد و مدل اتمی انحصاری او آشنا شدیم. اما در این قسمت به شکل جامع و کامل‌تری با او و پژوهش‌های علمی‌اش که تأثیر شگرفی بر پیشرفت دانش فیزیک هسته‌ای داشت، آشنا می‌شویم.

انرژی و بلندپروازی رادرفورد به‌حدی زیاد بود، که می‌توان او را به مانند کوهی آتشفشانی توصیف کرد. او طی ۹ سال حضور در مک‌گیل که نخستین مقام دانشگاهی‌اش بود، توانست در حدود هفتاد مقاله منتشر کند، عضو انجمن سلطنتی شود، یک مکتب پژوهشی مهم را ایجاد و تکمیل کند، که درنهایت برای او یک جایزه‌ی نوبل را به ارمغان آورد. او تمامی این کارهای عظیم درحالی انجام داد، که تجربه اندکی داشت، چرا که هنگامی که به کانادا می‌رفت، تنها ۲۷ سال داشت.

رادرفورد از نعمت شهود علمی غیرعادی برخوردار بود. از نظر چارلز الیس که در دوره نهایی کار رادرفورد در آزمایشگاه کاوندیش در کمبریج شاگرد او بود، مرد نیوزلندی احساسی چنان حساس و دقیق درباره‌ی هنرمندی طبیعت داشت، که تقریبا آنچه را که انتظار می‌رفت، می‌دانست. در سال ۱۹۲۰، او وجود نوترون را پیش‌بینی کرد، یعنی حدود دوازده سال پیش از آنکه جیمز چادویک، نفر دوم در آزمایشگاه کاوندیش نوترون‌ها را به‌طور تجربی مشاهده کند. او می‌توانست به سرعت کُنه یک مسئله‌ی تجربی را ببیند. طرح‌های تجربی رادرفورد، به‌طور معمول با کمترین تجهیزات انجام می‌شد و همین امر او را در میان فیزیکدانان به شهرت رسانده بود.

ورود به جهان علم

ارنست شاگردی ممتاز در یک مدرسه‌ی متوسطه خوب بود و از همان ابتدا استعداد فوق‌العاده‌اش را در انجام علوم تجربی در کالج نشان داد. در آنجا او به مطالعه‌ی اثر امواج الکترومغناطیسی بر عقربه‌های فولادی مغناطیده که هاینریش هرتز اخیر آن را مشاهده کرده بود، پرداخت. این کار به سرعت او را به توسعه‌ی یک دستگاه حساس برای آشکارساز امواج هرتزی در فاصله‌های دور هدایت کرد. اختراع آشکارساز، رادرفورد را در سن بیست و چهار سالگی، پیش‌گام حوزه‌ی پژوهشی کرد، که بعدها زمینه‌ی ساخت تلگراف را فراهم آورد. 

طرح‌های تجربی رادرفورد، به‌طور معمول با کمترین تجهیزات انجام می‌شد و همین امر او را در میان فیزیکدانان به شهرت رسانده بود

رادرفورد تصمیم گرفته بود، تا دانشجوی پژوهشی در آزمایشگاه کاوندیش شود، نخستین مدیر کاوندیش جیمز کلارک ماکسول بود. در طول پنج سال تصدی ماکسول به‌عنوان استاد کاوندیش، او برای دانشجویان کارشناسی ارشد، آزمایشگاهی شکوفا و پررونق درجه یکی را در انگلستان سازماندهی کرد. جانشین او لرد ریلی بود، که تا حدی به هزینه خودش، آزمایشگاه را گسترش داد و همواره تأکیدی خاص بر اندازه‌گیری‌های ظریف و دقیق الکتریکی داشت. سومین استاد کاوندیش ج.ج تامسون بود. 

تامسون بیش از ده سال موجودات فیزیکی گریز پایی، به نام یون‌ها را دنبال می‌کرد. این نام‌گذاری به وسیله مایکل فارادی به این علت بود، که موجودات مذکور در میدان‌های الکتریکی به‌طور دسته جمعی حرکت می‌کردند. یون‌ها وقتی در یک گاز به وجود می‌آیند، که ولتاژی زیاد میان دو صفحه‌ی فلزی با گازی در میان آن‌ها، اعمال شود و به این فرایند یونش گفته می‌شود.

ارنست رادرفورد / Ernest Rutherford

تامسون در آزمایش‌های بعدی به دلایلی مطرح کرده بود؛ که ولتاژ اعمال شده موجب باردار شدن مولکول‌های گاز می‌شود، به طوری که بعضی حامل بارهای منفی و دیگران حامل بار مثبت می‌شوند. بنابراین می‌توان گفت که یون‌ها مولکول‌هایی باردار هستند. آزمایش‌های اولیه تامسون با یونش گازی ناامید کننده بود، چرا که یا یونش به یک جرقه یا تابش پیچیده غیرقابل کنترل منجر شده بود، یا اثر الکتریکی یونش به قدری ناچیز بود، که امکان اندازه‌گیری آن وجود نداشت. سپس در سال ۱۸۹۵، هنگامی که رادرفورد به کمبریج رفت، رونتگن نتیجه کارش درباره پرتوهای ایکس را منتشر کرد.

تامسون، علاوه‌بر خواص هیجان انگیزتر پرتوهای x، به قابلیتی از آن‌ها توجه داشت؛ که با به کار گرفتن ولتاژهایی بسیار کمتر از آن چه برای تولید جرقه لازم بود، گازها اندکی رسانای جریان‌های الکتریکی می‌شدند. تامسون آزمایش‌های رونتگن را تکرار کرد و دریافت که جریان‌های کمی که با پرتوهای ایکس به وجود می‌آورد،‌ بسیار شبیه جریان‌های یونش به نظر می‌رسند، شاید این روشی برای ایجاد و بررسی یون‌ها تحت شرایط کنترل شده‌ای بود، که مدت‌ها در جست و جوی آن بودند.

آزمایش‌های رادرفورد با جزئیات فراوان، فرض یونش تامسون را تأیید کرد، که نشان می‌داد چگونه یون‌ها تولید می‌شوند، با چه سرعتی حرکت می‌کنند و چگونه می‌توانند یکدیگر را نابود کنند، یون‌ها به قدری برای رادرفورد آشکار بودند، که او به دوست صمیمی‌اش گفته بود، «تقریبا می‌تواند این پدرسوخته‌های کوچک سرحال را ببیند»

ارنست رادرفورد / Ernest Rutherford

هنگامی که رادرفورد کار پرتو x مورد نظرش را تکمیل کرد، برایش دشوار نبود تا طرحی برای آزمایش‌های بعدی بریزد. اگر آثار الکتریکی پرتوهای x آن قدر جالب بود، بدون شک آثار مشابه حاصل از تابش اورانیم و عناصر رادیواکتیو دیگری که بکرل و کوری‌ها به‌تازگی مطرح کرده بودند، موضوع ارزشمندی برای کار تحقیقی او بود. او بدون تردید خط مشی پژوهشی را آغاز کرد، که او را به بنیادی‌ترین اکتشافاتش رهنمون می‌ساخت. درحالی‌ که ماری کوری روش‌هایی را برای جداسازی اورانیم کشف می‌کرد، رادرفورد فنونی فیزیکی را برای مشخص کردن تابش پرتوزای همراه آن ابداع می‌کرد. نخستین کشف مهم او این بود؛ که تابش اورانیم دست کم دو جزء دارد؛

یک جزء با ورقه‌هایی از آلومینیم که در مسیر آن قرار می‌گرفت، متوقف می‌شد و جزء دیگر قدرت نفوذ بسیار بیشتری داشت. از لحاظ سهولت آن جزئی را که نفوذ نمی‌کرد؛ پرتوهای آلفا و جزئی را که نفوذ می‌کرد؛ پرتوهای بتا نامید. معلوم شد که این یک مشخصه‌ی تقریبا کلی گسیل‌های پرتوزاست. بعدها او یک جزء دیگر، به نام پرتوهای گاما را کشف کرد.

رادرفورد هنگام تکمیل این کار، به آینده‌ای می‌اندیشید، که در کمبریج برای او امیدبخش به نظر نمی‌رسید. اما چشم اندازهای دیگری وجود داشت و برای نمایش استعدادش به دیگر اساتید، توصیه نامه‌ای پرشور و شوقی از تامسون داشت به این مضمون که؛

من هرگز برای پژوهش بدیع، دانشجویی مشتاق‌تر و تواناتر از آقای رادرفورد نداشته‌ام.

هیجان‌انگیزترین کار برای او استادی در دانشگاه مک‌گیل در مونترال بود. رادرفورد با وجود جوانی و فقدان تجربه‌ی آموزشی به کادر آموزشی مک‌گیل پیوست. رادرفورد بیش از هرچیزی به یک آزمایشگاه مجهز نیاز داشت و خیلی زود به آرزوی خود رسید و مسئول یکی از بهترین آزمایشگاه‌های جهان شد، که بودجه‌ی آن را یک تاجر میلیونر توتون تأمین کرده بود.

حال کمی با پرتوهای آلفا، بتا و گاما آشنا می‌شویم؛

ذرات آلفا

ذرات آلفا ساختاری شبیه به هسته‌ی هلیم دارند، چرا که از پیوند دو پروتون و دو نوترون تشکیل شده است. ساختمان این ذره‌ی پرانرژی معمولا از هسته‌های سنگین ناپایدار خارج می‌شود. جرم آن کمی بیش از چهار واحد جرم اتمی و حامل دو بار الکتریکی مثبت است. هسته‌ی ناپایداری که از خود پرتوی آلفا ساطع می‌کند، تبدیل به هسته دختری می‌شود، که عدد اتمی آن ۲ و عدد جرمی آن ۴ عدد کمتر از اعداد اتمی و جرمی هسته مادر است.

پرتوی آلفا ضمن عبور از درون اتم‌ها آن‌ها را یونیزه یا تحریک می‌کند و در این عمل هر بار مقداری از انرژی خودش را از دست می‌دهد. به‌دلیل سنگین و پر انرژی بودن، ذره آلفا مجبور است، که در حین طی کردن مسیر کوتاهش تمامی انرژی خود را از دست بدهد. این سخن بدین معنی است که؛ شدت یون‌سازی آن خیلی زیاد است. برای بیان کمیت شدت یون‌سازی، یون‌سازی ویژه تعریف شده‌است، که در حقیقت آن تعداد از یون‌هایی است، که در هر سانتی‌متر از طول مسیر پرتو به وجود می‌آید.

به‌دلیل سنگین و پر انرژی بودن، ذره آلفا مجبور است، که در حین طی کردن مسیر کوتاهش تمامی انرژی خود را از دست بدهد

مقدار یون‌سازی ویژه هر پرتو، تابع درجه حرارت محیط و انرژی و سرعت پرتوها است. چون در طول مسیر به مرور از سرعت و انرژی پرتو کاسته می‌شود، بنابراین میزان یون‌سازی ویژه آن در ابتدا و در انتهای مسیر تفاوت زیادی دارد. در حقیقت علت رخ دادن این امر احتمال برخورد کمتر در سرعت‌های زیاد و احتمال بیشتر در سرعت‌های کمتر است.

قدرت نفوذ پرتوهای آلفا بسیار کم است. به‌طوری‌که طول پرتابه‌ی (بُرد) پرانرژی‌ترین آن‌ها در هوا از چندین سانتی‌متر تجاوز نمی‌کند. به‌طور مثال؛ مقدار آن در آب تنها حدود چند میکرون است. اگر منبع رادیواکتیو پخش‌کننده پرتوهای آلفا در نقطه‌ای قرار داده شود و در مقابل آن آشکار ساز مناسبی که به دستگاه شمارنده‌ای وصل است، قرار داده شود، ملاحظه می‌شود که تا مدتی با افزایش فاصله میان منبع تشعشع و آشکارساز، تعداد پرتوهایی که در فاصله زمانی مشخص به بعد، از این تعداد به سرعت کاسته می‌شود و درنهایت به صفر می‌رسد.

فیزیک هسته ای

قابلیت نفوذی اشعه‌ی آلفا بسیار کم است و یک ورقه‌ی آلومینیوم به قطر چند صدم میلی‌متر یا تنها چند ورقه‌ی نازک کاغذ برای اینکه آن‌ها را به‌طور کامل متوقف کند، کافی است، زیرا انرژی تمام ذرات آلفای یک عنصر معین ثابت است و این انرژی پس از طی شدن مسافت ثابتی در هوا در اثر برخورد با مولکو‌‌ل‌های هوا تلف می‌شود. به‌طور مثال؛ در فشارعادی طول پرتابه‌ی اشعه‌ی آلفای پولونیوم در هوا ۳.۵ سانتی‌متر است و طول پرتابه‌ی هوایی اشعه‌ی آلفای سایر عناصر رادیو اکتیو نیز به‌طور نسبی بسیار کم است و بیشتر به جنس عنصری که ذرات آلفا را منتشر می‌کنند، بستگی دارد.

قابلیت نفوذی اشعه‌ی آلفا بسیار کم است و یک ورقه‌ی آلومینیوم به قطر چند صدم میلی‌متر یا تنها چند ورقه‌ی نازک کاغذ برای اینکه آن‌ها را به‌طور کامل متوقف کند، کافی است

دلیل این رخداد این است، که پرتوهای آلفای ناشی از یک نوع منبع هم انرژی بوده و جرم آن‌ها زیاد است. بنابراین طول مسیرشان یکسان و به‌طور مستقیم است. اما به‌دلیل اینکه هر ذره به‌طور مستقل انرژی خودش را از دست می‌دهند، پس انرژی همه آن‌ها در آخر مسیر یکسان نیست.

آشکار ساز ذرات آلفا بسیار کوچک است، بنابراین شمارنده‌ها باید دارای دریچه خیلی نازک باشند. انرژی ذرات آلفای چشمه‌های رادیو میان ۴ تا ۱۰ مگا الکترون ولت است. بنابراین ضخامت دریچه اگر کمی کوچک‌تر از طول پرتابه‌ی ذرات آلفا با انرژی‌های ۴ مگا الکترون ولت باشد، برای آشکارسازی ذرات آلفا مناسب خواهد بود. اگر اشعه بتواند وارد حجم حساس آشکارساز گایگر مولر شود، شمرده خواهد شود. بدین ترتیب شمارنده‌های گایگر تقریبا دارای کارایی یا بازده ۱۰۰ درصد برای انرژی‌های معمول‌اند. به هر حال این کارایی هنگامی بدست می‌آید، که چشمه بتواند در داخل شمارنده قرار داده می‌شود. به‌علت کم بودن، قدرت نفوذی اشعه‌ی آلفا، از آن در علم پزشکی استفاده چندانی نمی‌شود!

ذرات بتا

ذرات بتا گونه‌ای از الکترون یا پوزیترون‌های پرانرژی و پرسرعت هستند، که توسط برخی هسته‌های واپاشی شونده مانند پتاسیم ۴۰ (ایزوتوپی از پتاسیم که مجموع تعداد پرتون(۱۹) و نوترون(۲۱) آن ۴۰ است) انتشار می‌یابند. ذرات بتا گونه‌ای از پرتوهای تابش یونی هستند، که همچنین پرتوهای بتا هم خوانده می‌شوند. فرایند تولید ذرات بتا واپاشی بتا نامیده می‌شود. این ذرات با حرف β در الفبای یونانی نامیده شده‌اند. دو گونه واپاشی برای بتا وجود دارد؛ -β و+β که به ترتیب مربوط‌به الکترون و پوزیترون می‌شوند. اشعه‌ی بتای عناصر رادیواکتیو از الکترون‌هایی تشکیل می‌شوند، که با سرعت اولیه ۶۰ تا ۲۸۵ هزار کیلومتر بر ثانیه از هسته‌ی اتم به خارج ساطع می‌شوند .

قابلیت نفوذی ذرات بتا از آلفا زیادتر است. اشعه‌ی بتای یک عنصر معین بر عکس اشعه‌ی آلفای آن، که همه با یک سرعت معین و ثابت از هسته‌ی اتم خارج می‌شوند، سرعت اولیه متفاوت دارند.

قابلیت نفوذی ذرات بتا از آلفا زیادتر است

به همین دلیل در موقع تجزیه اشعه‌ی رادیواکتیو، هنگام عبور از میان صفحات الکتریکی یا قطب‌های مغناطیسیته، ذرات آلفا به یک مقدار انحراف پیدا می‌کنند این سخن بدین معنی است که؛ در هنگام انحراف تمامی ذرات همگرا می‌شوند، این در حالی است که اشعه‌ی بتا ضمن انحراف واگرایی حاصل می‌کند، چرا که انحراف برای ذرات بتا، باسرعت های مختلف متفاوت است!

فیزیک هسته ای

طول پرتابه‌ی ذرات بتا در هوا نیز متفاوت است و برای سخت ترین اشعه‌ی بتا (اشعه‌ی رادیوم) چیزی حدود ۳ سانتی‌متر است و قدرت یونیزاسیون ذرات بتا، از قدرت یونیزاسیون ذرات آلفا کمتر است، چرا که هر چند که سرعت ذرات بتا، از سرعت ذرات آلفا خیلی بیشتر است، اما کوچکی جرم ذرات بتا سبب آن می‌شود که؛ انرژی سینیتیک آن‌ها از انرژی سینیتیک ذرات آلفا بسیار کمتر باشد. لازم به ذکر است، که جرم اتم هیدروژن ۱۸۴۰ برابر جرم یک الکترون در حال سکون است و هنگامی که الکترون با سرعت زیاد به حرکت در بیاید، جرم آن نیز افزایشی نسبی می‌یابد، به طوری‌که جرم الکترونی با سرعت ۲۸۵ هزار کیلومتر بر ثانیه، بیش از ۳ برابر جرم الکترون در حال سکون است.

از اشعه‌ی قوی‌شده‌ی بتا در در مان برخی از انواع سرطان‌های سطحی نظیر؛ سرطان زبان، سرطان لب، سرطان پستان و… استفاده می‌شود .

اشعه گاما

اولین نکته‌ی متمایز کننده این اشعه‌ی با اشعه‌ی آلفا و بتا این است، که اشعه‌ی گاما ذره‌ای نیست و بنابراین بار الکتریکی ندارد، ازاین‌رو در میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی انحراف پیدا نمی‌کند و ماهیت آن‌ها مانند اشعه‌ی ایکس و نور مرئی از جنس امواج الکترومغناطیسی است. فرکانس اشعه‌ی گاما از اشعه‌ی ایکس و نور مرئی به شکل چشم‌گیری بیشتر است، بنابراین فوتون‌های اشعه‌ی گاما انرژی بسیار بیشتری دارد.

پرتو گاما به‌طور معمول در نتیجه‌ی فروپاشی حالت‌های انرژی بالای هسته‌های اتم تولید می‌شود، اما روش‌های دیگری نیز برای تولید آن وجود دارد. پل ویلارد دانشمند فرانسوی در سال ۱۹۰۰ در هنگام مطالعه‌ی رادیوم موفق به کشف اشعه‌ی گاما شد.

فیزیک هسته ای

قابلیت نفوذ اشعه‌ی گاما بسیار زیاد است و برای جلوگیری از نفوذ آن ضخامت‌های نسبتا زیاد عناصر سنگین، نظیر سرب لازم است. اگر انرژی فوتون‌های گاما از ۱.۰۲۲ مگا الکترون‌ولت فزونی یابد، ممکن است، این انرژی به ماده؛ یعنی یک جفت الکترون و پوزیترون تبدیل شود، که به آن فرایند تولید جفت گفته می‌شود. مازاد انرژی فوتون نیز برای سرعت دادن به ذرات ذکر شده مصرف می‌شود.

از پرتو گاما در درمان سرطان و رادیوتراپی استفاده فراوانی می‌شود. پرتو گاما و پرتو ایکس از خطرناک‌ترین پرتوها هستند. همچنین از پرتو گاما در تشخیص ترکیدگی لوله و بررسی چاه‌های نفت استفاده می‌شود. کاربرد پرتو ایکس از گاما بیشتر است.

کاربرد پرتو ایکس از گاما بیشتر است

باید تا جای ممکن از پرتو گاما دوری کرد، چرا ممکن است به سرطان منجر شود. درصورت اجبار باید از لباس مخصوص استفاده کرد. پرتوی گاما از دیوار و سنگ نیز عبور می‌کند. هر ۹ میلی‌متر سرب یا هر ۲۵ متر هوا شدت تابش آن را نصف می‌کند. همان‌طور که گفته شد؛ این پرتو با توجه به فرکانس بسیار بالا، انرژی زیادی دارد که اگر به بدن انسان برخورد کند از ساختار سلولی آن عبور کرده و در مسیر حرکت خود باعث تخریب DNA شده و سرانجام زمینه را برای پیدایش انواع سرطان‌ها، سندرم‌ها و نقایص غیرقابل درمان دیگر فراهم می‌کند و حتی این نقایص به نسل‌های آینده نیز منتقل خواهد شد. برای جلوگیری از نفوذ تابش گاما به حدود ۱۰ سانتی‌متر دیواره‌ی سربی نیاز است. قدرت نفوذ و تخریب این پرتو به‌حدی زیاد است، که یک لایه ۱۵ سانتی‌متری بتن یا یک لایه ۲۰ سانتی‌متری خاک فقط نیمی از شدت این اشعه را می‌گیرد و نیمی دیگر اثرات زیان‌بار خود را بر جای می‌گذارد!

ماجرای نوترون

رادرفورد در سال ۱۹۲۰ سخنرانی معتبری را برای دومین بار در انجمن سلطنتی ایراد کرد. در نخستین سخنرانی او، در سال ۱۹۰۴، موضوع سخنرانی او بیشتر حول توضیحی درباره‌ی تبدیل‌ها همراه‌با پرتوزایی بود. سخنرانی دوم درباره‌ی تبدیل‌های مصنوعی بود که او به کمک ذرات آلفا به وجود آورده بود. یکی از مهم‌ترین نقاط دومین سخنرانی او پیش‌بینی‌های متعدد او درباره‌ی آینده دنیای ذرات بود. از جمله مهم‌ترین پیش‌بینی‌های او جمله او آشنا کردن مخاطبانش با نوعی ذره‌ی به لحاظ الکتریکی خنثی بود، او درباره‌ی این پدیده چنین گفت:

در شرایطی، ممکن است یک الکترون با یک پروتون پیوندی بسیار نزدیک‌تر از مورد اتم هیدروژن داشته باشد و نوعی دوتایی خنثی ایجاد کنند. چنین اتمی خواص بدیعی خواهد داشت و میدان خارجی آن عملا صفر خواهد بود. مگر آن‌که بسیار نزدیک به هسته باشد و در نتیجه این اتم باید بتواند به‌طور آزادانه در ماده حرکت کند. وجود چنین اتم‌هایی ممکن است، برای توضیح ساختار عناصر سنگین لازم باشد.

از نظر رادرفورد دوتایی خنثی که بعدها نوترون نامیده شد، به‌عنوان جزء بنیادی ساختار هسته به پروتون‌ها پیوست. تعداد پروتون‌ها در یک هسته بار مثبت آن و تعداد پروتون‌ها به اضافه نوترون‌ها وزن اتمی آن را معین می‌کنند. به‌طور مثال ایزوتوپ 7N۱۴ بارهسته‌ای برای +۷ و وزن اتمی آن ۱۴ است، که شامل ۷ پروتون و ۷ نوترون است. 

جیمز چادویک

مسیر جیمز چادویک برای کشف نوترون طولانی و پر پیچ و خم بود، چرا که نوترون‌ها بار الکتریکی ندارند و به هنگام عبور از ماده ردپایی مشاهده پذیر از یون‌ها به‌جای نمی‌گذارند و در اتاقک ابر ویلسون خط سیر آن‌ها دیده نمی‌شود. آن‌ها برای آزمایشگر نامرئی و غیرقابل مشاهده بودند. در همان هنگام که چادویک مسیری پر پیج و خم را برای یافتن نوترون می‌گذارند و با آزمون خطا مسیرهای مختلف به‌دنبال یافتن مسیر صحیح بود، مصاحبه‌ای انجام داد و چنین گفت:

آزمایش‌های بسیاری انجام داده‌ام، که درباره‌ی آن‌ها هرگز چیزی نگفته‌ام. بسیاری از آن‌ها کاملا احمقانه بود. گمان می‌کنم این عادت یا تمایل یا هرچه که آن را نام‌گذاری کنیم را از رادرفورد یاد گرفته‌ام. او نیز گاهی آزمایش‌های بسیار احمقانه‌ای انجام می‌داد و بعضی از آن‌ها را با همکاری هم انجام می‌دادیم!

آن‌ها واقعا احمقانه بودند، اما او هرگز تردید نمی‌کرد. ارنست گاهی درباره چیزی حرف می‌زد، که ابلهانه به نظر می‌رسید، او از چیزهایی حرف می‌زد، که اگر روی کاغذ نوشته می‌شد، ابلهانه بود، یا در اصل ابلهانه بود. اما با اندکی تفکر درباره‌ی آن‌ها کم کم معلوم می‌شد، که کلمات او برای بیان آن‌چه او در سر دارد و در ذهن او می‌گذرد، کافی نیست! اما آنچه در پشت آن بود، ارزش فکر کردن را داشت، به از نظر من تکرار همان روند برای بعضی از این آزمایش‌های نوترونی، که گفتم احمقانه بوده است، لازم بوده است و در نهایت به کار می‌آید.

سرنخ‌هایی که چادویک برای اکتشافش لازم داشت، ناگهان سر از پاریس درآورد. در سال ۱۹۳۱، ایرن ژولیو-کوری، دختر ماری کوری به همراه فردریک ژولیو همسرش، تابش تولید شده از بمباران یک هدف بریلیم با ذرات آلفای حاصل از چشمه پولونیم را توصیف کردند. وقتی آنان کوشیدند، تا این تابش را با لایه‌هایی از پارافین تضعیف کنند، تابش به‌جای کمتر شدن، بیشتر شد و این تابش از پروتون‌ها تشکیل شده بود. توجیه آنان برای حضور پروتون‌ها این بود؛ که آن‌ها از پارافین شامل هیدروژن به وسیله پرتوهای گاما آزاد می‌شوند، اثری که آرتور کامپتون در سال‌های ۱۹۲۰ کشف کرده بود. آنان متوجه شدند، برای اینکه پرتوهای گاما این کار را انجام دهند، باید فوق‌العاده پر انرژی باشند، این درحالی که بود، که افرادی نظیر رادرفورد این استدلال را باور نداشتند. 

توجیه چادویک و رادرفورد این بود که؛ ذرات آلفا و نوترون‌ها با هسته‌ی بریلیم ترکیب می‌شوند و هسته‌های کربن و نوترون‌هایی تولید می‌کنند. (نوترون ذره‌ای بدون بار است، یعنی بار الکتریکی آن صفر است)

نوترون‌های پرجرم گزینه‌ی بسیار محتمل‌تری از پرتوهای گاما تقریبا بی‌جرم به‌عنوان پرتابه‌هایی هستند، که در برخورد با پارافین، پروتون‌ها را از آن جدا کنند. رادرفورد و چادویک دوازده سال را در جست و جوی نوترون گذراندند. چادویک پس از یک ماه آزمایش پرجوش و خروش که مقاله‌ی ژولیو-کوری انگیزه‌ی آن بود، کشف نهایی را انجام داد و از آن رونمایی کرد. 

کمی خصوصی‌تر با رادرفورد

اصل و نسب رادرفورد در نیوزیلند افرادی ساده و معمولی بودند؛ او حتی با شهرت و نفوذی که بعدها به‌دست آورد، مردی ساده باقی ماند. او هرگز ثروتمند نشد و خانه‌هایی که با همسرش ماری ترتیب می‌داد بی‌تکلف و ساده بودند. رادرفورد، به‌عنوان یک فیزیکدان همواره صریح و بی‌پیرایه بود و این ویژگی را در تمامی نقاط زندگی‌اش حفظ می‌کرد و قطعا این خصلت یکی از رموز موفقیت بود. یکی از جملات معروف او که همواره به آن تأکید داشت، این است؛

من همیشه به‌سادگی معتقد بودم و خودم نیز مرد ساده‌ای بودم. اگر نتوانیم اصلی از فیزیک را برای بقال توضیح دهیم، گرفتاری مربوط‌به آن اصل است، نه بقال!

رادرفورد صدای پرقدرتی داشت، به‌طوری که وقتی یکی از دوستانش شنید، که سخنرانی رادرفورد به وسیله رادیو از این طرف به آن طرف اقیانوس اطلس پخش می‌شود، به شوخی پرسید؛ که چرا از رادیو استفاده می‌کنید، بدون استفاده از رادیو هم می‌توان صدای او را شنید!

رادرفورد همواره سعی می‌کرد با انسان‌ها تعامل داشته باشد و به‌دنبال دشمن تراشی نبود. البته که، مردی با شهرت و نفوذ رادرفورد به ناچار دشمنانی هم داشت.

رادرفورد به‌عنوان یک فیزیکدان همواره صریح و بی‌پیرایه بود و این ویژگی را در تمامی نقاط زندگی‌اش حفظ می‌کرد

اما یافتن حتی یک نفر از دوستان بی‌شمار او، که به او پشت کرده باشد، دشوار است. او از مشاجره‌ی علمی پرهیز و از بحث‌های سیاسی و مذهبی اجتناب می‌کرد. هنگامی که، موضوعات مورد اختلاف و جنجالی، گاه و بیگاه مطرح می‌شد، او راه‌هایی می‌یافت، تا ماجرا را دوستانه برای همه افراد درگیر بحث فرونشاند و فضای مباحثه را آرام کند. همین خصلت باعث می‌شد، تا اکثر افراد او را دوست داشته باشند.

رادرفورد مانند تمامی مشاهیر فیزیک تاریخ نظیر؛ نیوتون، فارادی، ماکسول، گیبس، اینشتین و بور  این توانایی را در خود پرورش داده بود، که مدتی طولانی روی یک مسئله‌ی دشوار و ناامیدکننده متمرکز شود و بدون از دست دادن اشتیاق خود، با پشتکاری فراوان به‌دنبال راهی برای یافتن حل مسئله باشد. به نظر می‌رسید او هیچ‌گاه خسته نمی‌شود، سال‌ها حضور مستمر در آزمایشگاه حتی در بدترین شرایط نشان‌دهنده‌ی این ویژگی است!برای حسن ختامی بر فهرست اسرار موفقیت‌های رادرفورد، شاید بد نباشد یک رمز دیگر اضافه کنیم و آن شانس است!

البته که این سخن به هیچ‌وجه از ارزش کارهای ارزشمند و برجسته او نمی کاهد اما به هرحال شانس در برجسته شدن شخصیت رادرفورد تأثیرگذار بوده است، چرا که او دوره کاری‌اش را دقیقا هنگامی آغاز کرد، که پرتوزایی کشف شده بود و این اتفاق، حال و هوای آن زمان را به سمت پژوهشی تجربی‌گرا و آزمایش‌های متعدد سوق داده بود و این دقیقا همان چیزی بود، که مناسب شخصیت کاری او بود!

به‌طور مثال اگر او سی سال بعد به دنیا می‌آمد، آیا به همان خوبی این کارها را انجام می‌داد؟ احتمالا پاسخ منفی باشد، اما نباید توان شگفت‌انگیز رادرفورد برای استفاده از شانس را دست کم بگیریم! گذشته از تمامی این‌ها، هنگامی که او پژوهش پرتوزایی را آغاز کرد، دونده‌های دیگری در مسیر این تحقیق و پژوهش بودند، اما تلاش تمامی آنان کمتر از رادرفورد بود. آرتور ایو یک بار به او گفت؛

رادرفورد تو آدم خوشبختی هستی، چرا که بر قله‌ی موج حرکت می‌کنی!

و رادرفورد در پاسخ گفت؛

درست است! اما این موج را من به وجود آورده‌ام، این طور نیست؟

و بدین ترتیب اکنون از نام رادرفورد به‌عنوان یکی از بزرگ‌ترین فیزیکدانان تمام تاریخ یاد می‌شود.

پایان قسمت دوم

پیشنهاد می‌شود که پس از گذشت ۲۴ ساعت از مطالعه این بخش، اقدام به مطالعه‌ی بخش سوم این مقاله کنید.

لیزه مایتنر؛ بانوی آهنین

لیزه مایتنر

در خلال سال‌های طلایی عصر فیزیک هسته‌ای، دانشمند زن دیگری پا به این عرصه گذاشت، که اغلب نامش در میان بزرگان به فراموشی سپرده می‌شود. لیزه مایتنر فیزیک‌دان سوئدی-اتریشی بود، که باتمرکز بر حوزه‌های رادیواکتیویته و فیزیک هسته‌ای فعالیت می‌کرد. مایتنر درکنار اوتو هان و اوتو رابرت فریش گروهی بودند، که برای اولین‌بار شکافت هسته‌ای اورانیوم را درصورت دریافت نوترون اضافه کشف کردند. نتایج تحقیقات آن‌ها در سال ۱۹۳۹ منتشر شد و باوجود اهمیت بالای کشف، مایتنر هیچ‌گاه موفق‌به دریافت جایزه‌ی نوبل نشد. البته جایزه‌ی نوبل شیمی به همکار همیشگی او، اوتو هان اهدا شد. از آن‌جایی که بیشتر افراد چندان اطلاعاتی درباره‌ی زندگی مایتنر ندارند، در این بخش علاوه بر مباحث علمی کمی بیشتر به زندگی مایتنر خواهیم پرداخت، تا با این فیزیکدان، که مایه‌ی فخر جامعه‌ی زنان است، بیشتر آشنا شویم؛

جنگ برای موفقیت

لیزه مایتنر سال ۱۸۷۸ در وین، در خانواده‌‌ای آزادی‌خواه چشم به جهان گشود. او سومین فرزند از هشت فرزند خانواده بود. پدرش حقوقدان و مردی با علایق گوناگون بود. 

خانواده‌ی مایتنر همگی با استعداد بودند؛ خواهر بزرگتر لیزه، آگوسته نابغه‌ی موسیقی بود، او آهنگ‌ساز و پیانو نواز کنسرت شد. لیزه نیز، موسیقی را دوست می‌داشت، اما فاقد طبع آهنگ‌سازی بود. او از همان کودکی علاقه‌ی پیشرفته‌ای به ریاضیات و فیزیک داشت و هدف او تحصیل در دانشگاه بود. اما در اتریش قرن نوزدهم، تحصیل در مدرسه دخترانه‌ی دولتی تنها تا سن چهارده سالگی بود، که آمادگی لازم برای ورود به دانشگاه را ایجاد نمی‌کرد. اما او تسلیم نشد و به کمک یک معلم خصوصی، تلاش بی‌وقفه‌ و مطالعه‌ی شبانه روزی، توانست از امتحان ورودی دانشگاه با موفقیت عبور کند.

لیزه مایتنر / Lise Meitner

مایتنر، در دانشگاه وین فرصتی فوق‌العاده خوب را پیدا کرد، تا در آخرین دوره‌ی درس‌های فیزیک نظری که لودویگ بولتزمن تدریس می‌کرد، حاضر شود. بولتزمن خرسند بود، که بانوان در جلسات درس او حضور داشته باشند. اوتو فریش خواهرزاده‌ی مایتنر، که بعدها در مهم‌ترین پژوهش مایتنر با او همکاری داشت، می نویسد؛

بولتزمن بینش فیزیکی لازم را برای پیکار در دست یافتن به حقیقت غایی به او داد، بصیرتی که او هرگز از دست نداد!

بولتزمن در زمان خود بهترین معلم فیزیک در جهان بود. او همواره در اولین جلسه‌ی کلاسش به دانشجویانش می‌گفت؛

اگر امروز همه چیزهایی را که شامل قضایا، مفاهیم بسیار ظریف و اثبات‌های پیچیده است، به انجام نرساندم، پوزش می‌طلبم، چرا که فکر می‌کنم، لزوم وجود بسیاری از آن‌ها بعدا در حین انجام کار آشکار خواهد شد. امروز تنها می‌خواستم چیزهای کاملا معمولی را ارائه کنم و اذعان می‌کنم همه آن چیزی است که من دارم، از خودم است و در حقیقت روش کلی تفکر و احساس من است. همین طور در طول درس از شما انتظارهایی دارم، که آن؛ توجه کامل، پشتکار جدی و اراده‌ی خستگی ناپذیر است. اما مرا ببخشید، اگر پیش از آن که پیش‌تر برویم، چیزی را بخواهم که برایم بیشترین اهمیت را دارد و آن اعتماد شما، هم‌نوایی شما و عشق شما است و تمامی این‌ها در یک کلام بزرگ‌ترین چیزی است، که می‌توانید بدهید؛ یعنی خودتان!

مایتنر مسحور شده بود. او هر آنچه را که بولتزمن درخواست کرده بود و به ازای آن یک پایه‌ی بسیار قوی برای فیزیک نظری خود ساخته بود. یادداشت‌های دقیق او از درس‌های بولتزمن توجه پل ارنفست، دیگر شاگرد بولتزمن را که بعدها تبدیل به یک نظریه‌پرداز برجسته شد، را جلب کرد. این دو با هم مطالعه می‌کردند و مایتنر همان قدر از آموزش خلاق ارنفست بهره‌مند می‌شد، که از بولتزمن!

مایتنر بعدها نوشت؛

او یک معلم عالی و جالب بود، اطمینان دارم که کار کردن با او کمک بزرگی به توسعه‌ی علمی من کرد!

او برای پایان نامه‌ی خود تصمیم گرفت کاری را انجام دهد، که او را در قامت یک نظریه‌پرداز به جلوه در می‌آورد و با بهره‌گیری از مطالبی بود، که پیش‌تر آموخته بود. پایان نامه‌ی دکتری او شامل؛ آزمون تجربی یکی از معادلات ماکسول می‌شد. او در سال ۱۹۰۵ امتحانات شفاهی‌اش را با بهترین درجه ممکن گذراند؛ او دومین زنی بود، که از دانشگاه وین درجه دکتری گرفت!

در پاییز سال ۱۹۰۶ جامعه‌ی فیزیک از شنیدن خبر خودکشی بولتزمن، مات و مبهوت شد. درک کار بولتزمن برای مایتنر دشوار بود؛ او تنها می توانست، آن را ناپایداری ذهنی تشخیص دهد. اما این اتفاق او را به حرفه‌ای‌تر شدن در فیزیک نزدیک‌تر کرد. روت سایم می نویسد؛

مرگ بولتزمن عزم او را برای ماندن در دنیای فیزیک تقویت کرد، تا جرقه‌ای که بولتزمن در وجود او روشن کرده بود، زنده بماند!

ناگهان و به شکلی غیرمنتظره، مایتنر مسیر تحقیقی را یافت، که باقی دوره کاری‌اش آن را دنبال کرد. استفان مایر، که یک پیش‌گام در پژوهش پرتوزایی به شمار می‌رفت، زمام امور مؤسسه‌ی بولتزمن را به دست گرفت و از مایتنر دعوت کرد، که درباره‌ی رفتار تابش آلفا و بتا در گذر از فلزات مطالعه کند. 

برای مایتنر، فیزیک همیشه همان قدر که یک تلاش فنی به شمار می‌رفت، یک تلاش انسانی به شمار می‌رفت. او مشاوران و همکارانش را برای خصلت‌های انسانی‌شان انتخاب و با آنان به‌عنوان دوستان نزدیک رفتار می‌کرد. در سال ۱۹۰۷ مایتنر، پس از یک سال پژوهش موفقیت‌آمیز با استفان مایر، تصمیم گرفت به برلین برود، تا با ماکس پلانک کار کند.

جامعه‌ای علیه زنان 

لیزه در همان نخستین لحظات حضور در برلین، گرمای دوستی پلانک و برخورد تلخ آلمانی‌ها با حضور زنان در دانشگاه‌ها را تجربه کرد. در سراسر قرن نوزدهم، زنان تنها می‌توانستند، به‌صورت ثبت‌نام نکرده و به شکل مستمع آزاد در کلاس‌های دانشگاه‌های آلمان حاضر شوند. بنابراین مایتنر مجبور بود، از پلانک اجازه‌ی حضور در کلاس‌های درس او را درخواست کند. 

مایتنر دومین زنی بود، که از دانشگاه وین درجه دکتری گرفت!

در جلساتی که مایتنر با پلانک داشت، با اتو هان که از شاگردان سابق رادرفورد در مونترال بود، آشنا شد. هان خونگرم، معاشرتی و خودمانی بود، او بدون معطلی پیشنهاد کرد، که مایتنر در پژوهش پرتوزایی به او ملحق شود. مایتنر که خجالتی و در محیط پر جنب و جوش برلین احساس امنیت نمی‌کرد، به سرعت هان را یک دوست و یک همکار ارزشمند تشخیص داد. مایتنر در نگاهی به گذشته یادآور می‌شود؛

هان، هم‌سن خود من بود و رفتاری بسیار خودمانی داشت و من این احساس را داشتم، که بدون تردید می‌توانم هر چیزی را که می خواهم بدانم، از او بپرسم. علاوه‌بر این، او اعتبار و شهرت بسیار خوبی در پرتوزایی داشت، بنابراین متقاعد شد، که می‌توانم چیزهای زیادی از او بیاموزم.

بدین ترتیب، یک همکاری علمی بی‌نظیر آغاز شد. هان شیمی‌دان، ماهر در فنون جداسازی شیمیایی و مجرب در رادیوشیمی بود و مایتنر فیزیک‌دانی بود، که به سرعت هم به‌عنوان نظریه‌پرداز و هم آزمایشگر پیشرفت می‌کرد. آنان با یکدیگر می‌توانستند، نیازهای میان رشته‌ای پژوهش پرتوزایی را برآورده کنند. آنان از سال ۱۹۰۷ تا سال ۱۹۳۸، به طول بیش از ۳ دهه با یکدیگر همکاری داشتند، تا زمانی‌که مایتنر مجبور شد، به دلیل قوانین نژادپرستانه حزب نازی آلمان را ترک کند.

در تمامی این سال‌ها مایتنر در مقابل تمامی محدودیت‌ها و موانعی که به دلیل زن بودن، مقابل پای او قرار داده می‌شد، صبر و بردباری کرد و در برابر تمام توهین‌هایی که در جامعه‌ی علمی نسبت به زنان روا داشته می‌شد، مقاومت کرد و هیچ‌گاه مقهور جبر شرایط نشد!

به تدریج و به‌طوری فزاینده موانع علیه زنان در دانشگاه‌ها کاهش می‌یافت. در سال ۱۹۰۹ ، تحصیل دانشگاهی برای زنان رسما تصویب شده و بدین ترتیب ماینتر امکان دسترسی بیشتری به آزمایشگاه‌های مؤسسه شیمی پیدا کرد. اما هنوز حقوقی به او پرداخت نمی‌شد و او با دریافت مستمری از والدینش با قناعت زندگی می‌کرد. با وجود شرایط کاری نامساعد، مایتنر و هان سه مقاله‌ی مهم در سال ۱۹۰۸ و شش مقاله در سال ۱۹۰۹ منتشر کردند، تمرکز اصلی آنان بر گسیل کننده‌های پرتو بتا بود. نظریه‌ی گیج‌کننده‌ حیرت‌انگیز واپاشی بتا بیش از یک دهه موضوع مورد علاقه‌ی مایتنر بود.

لیزه مایتنر / Lise Meitner

کار اساسی رادیوشیمی، جداسازی یک عنصر از عناصر دیگر است، که می‌توان آن را به روش‌های شیمیایی انجام داد. به‌طور مثال؛ می‌توان روی یک مخلوط، اعمالی شیمیایی انجام داد، به طوری که ترکیباتی از عناصر معین رسوب کنند و عناصر دیگر در محلول باقی بمانند، روش‌های شیمیایی کارهای متعددی انجام می‌دهند، اما به ندرت کامل‌اند، یعنی به ندرت توانایی تولید محصول کاملا خالص را دارند.

هان و ماینتر روشی را ابداع کردند، که کارآمدتر بود. آنان کشف کردند، که یک اتم «دختر» تشکیل شده از یک فروپاشی پرتوزا ممکن است، به قدری پرانرژی باشد، که از سطح جامدی که روی آن تشکیل شده است، دور شود و بتوان آن را به‌صورت خالص بر سطح دیگری جمع آوری کرد. دقیقا شبیه دانه‌ی ذرتی که در برخورد با صفحه داغ بیرون می‌جهد و در جای دیگری فرود می‌آید.

سرانجام، در سال ۱۹۱۲ مایتنر این فرصت را یافت، تا از کارگاه نجاری که تبدیل به آزمایشگاه‌ او شده بود، خارج شود و به نخستین پله‌های مراتب دانشگاهی دست یابد. مؤسسه‌هایی برای شیمی و شیمی‌فیزیک با حمایت مالی قیصر ویلهلم در دالم؛ حومه‌ی برلین گشوده شد. هان به‌عنوان دانشیار علمی منصوب شد و مسئولیت بخش پرتوزایی در مؤسسه‌ی شیمی قیصر ویلهلم به او واگذار شد. ماینتر نیز به‌عنوان فیزیکدان مهمان بدون حقوق، به او پیوست.

در حدود همان زمان، پلانک، مایتنر را به‌عنوان دستیارش منصوب کرد. گرچه کار مایتنر بی‌اهمیت بود؛ او اوراق شاگردان را تصحیح می‌کرد و نمره می‌داد. اما او پلانک را دوست داشت و این نخستین مقام دانشگاهی او بود، که از آن حقوق دریافت می‌کرد. چند سال بعد فیشر، که بدگمانی‌اش در باره‌ی کار زنان در آزمایشگاه را از دست داده بود، ترتیبی داد که به ماینتر همان عنوان اتو هان یعنی دانشیاری علمی داده شود، اما حقوق دریافتی او به‌طور قابل ملاحظه‌ای کمتر از حقوق هان بود.

بدین ترتیب بخش پرتوزایی، تبدیل به آزمایشگاه پژوهشی هان ـ مایتنر شده بود. با وجود تفاوت حقوق میان هان و مایتنر، مایتنر به هیچ‌عنوان احساس ناراحتی نداشت و تصور می‌کرد که اکنون کامیاب شده است.او به یکی از دوستانش چنین نوشته بود؛

من با تمام وجود و از ته قلب فیزیک را دوست می‌دارم. نمی توانم تصور کنم که فیزیک بخشی از زندگی من نباشد. این نوعی عشق شخصی است، عشقی که شخصی نسبت به کسی دارد، که از جهات بسیاری برای او خوشایند و دل انگیز است و من که گرایش به عذاب وجدان دارم، بدون کم‌ترین عذاب وجدانی فیزیکدان هستم!

پیشرفت‌های مایتنر در دنیای دانشگاهی برلین ادامه یافت و در سال ۱۹۱۷ بخش فیزیک مربوط‌ به خودش به او واگذار شد و حقوق او تا چهار هزار مارک افزایش یافت و آزمایشگاه پژوهشی هان ـ مایتنر به دو قسمت تبدیل شد و اکنون هرکدام از آن‌ها یک آزمایشگاه پژوهشی مستقل داشتند. دو سال بعد، مایتنر به مقام استادی رسید و احتمالا نخستین زنی بود که در آلمان دارای عنوان استادی می‌شد!

واپاشی بتا

مایتنر و هان از همان آغاز همکاری‌شان به عناصر پرتوزایی که با تولید ذرات بتا دچار فروپاشی می‌شدند، علاقه‌مند بودند. معمای عجیبی درباره‌ی واپاشی بتا در مقابا واپاشی آلفا وجود داشت، که مایتنر مصمم به حل آن بود.

همان‌طور که اشاره شد؛ ذرات آلفای حاصل از یک عنصر پرتوزای معین، همیشه با حدود انرژی یکسانی ظاهر می‌شوند. از سوی دیگر ذرات بتا با انرژی‌هایی گسیل شدند، که گستره‌ی پیوسته وسیعی، عملا از صفر تا یک مقدار ماکسیمم معین را می‌پوشاند. مهم‌ترین سؤال این بود؛ که این الکترون‌ها از کجا می‌آیند؟ مایتنر معتقد بود، که آن‌ها تا حدی منشاء ثانویه دارند، منشاءهایی که آن‌ها به‌صورت الکترون‌های اولیه از هسته گسیل می‌شدند و سپس در فرایندهای ثانویه انرژی را به‌صورت پرتو ایکس در میدان الکتریکی قوی هسته‌ها، از دست می‌داند.

یکی از همکاران رادرفورد در آزمایشگاه کاوندیش، به نام چارلز الیس با این نظر مخالف بود. او تقریبا مطمئن بود، که آثار ثانویه‌ی پیشنهادی مایتنر بسیار کوچک‌تر از آن بود، که طیف پیوسته‌ی ذرات بتا مشاهده شده را توجیه کنند. الیس در نامه‌ای که در سال ۱۹۲۵ نوشته شده، نکات مورد توافق و عدم توافق آنان را چنین خلاصه کرد؛

ما هر دو موافقیم که وقتی ذرات بتا خارج از «اتم مادر» هستند، از لحاظ سرعت ناهمگن‌اند، یعنی گستره‌ی پیوسته‌ای از انرژی‌ها را می‌پوشانند. ما هر دو موافقیم، که هسته‌ی کوانتیده باید، ذرات بتا را با انرژی معینی بدهد. درحالی‌که شما فکر می‌کنید، آثار جنبی گوناگون به قدر کافی بزرگ‌اند، تا ناهمگنی مشاهده شده را تولید کنند، من فکر می‌کنم آن‌ها بسیار بسیار کوچک و ناچیز اند!

الیس و ویلیام ووستر درصدد آن برآمدند، که با انجام آزمایشی درستی دیدگاه خود را نشان دهند. مایتنر آزمایش آنان را تکرار کرد و به الیس نوشت؛

ما نتایج شما را به‌طور کامل تأیید می‌کنیم، اکنون به نظر می‌رسد، که از نظر شما که تابش‌های بتا در اصل ناهمگن است و طیف وسیعی را در بر می‌گیرد، که این سخن کاملا درست است. اما من این نتیجه را به هیچ وجه نمی‌فهمم!

بدین ترتیب مناظره‌ی طولانی مایتنر – الیس به پایان رسید. اما ماهیت بنیادی واپاشی بتا همچنان مرموز باقی ماند، مسئله این بود، که دو طرف مناظره معتقد بودند، انرژی کل فرایند واپاشی بتا ثابت است. مقداری از این انرژی به ذرات بتا و مقداری به یک هسته‌ی جدید داده می‌شود، اما اگر انرژی بتا کم بود، همان‌طور که در طیفی که الیس قبلا و اکنون مایتنر از آن جانبداری می‌کردند چنین بود، پس چرا مجموع این دو انرژی با انرژی کل جور درنمی‌آمد، سایر انرژی چه می‌شد؟

لیزه مایتنر / Lise Meitner

نظریه‌پردازان دچار بحرانی عمیق شده بودند، به‌طوری که مدتی بور درصدد آن برآمده بود تا اصل پایستگی انرژی را در مقیاس اتمی نادیده بگیرد!

دراین‌میان ولفگانگ پائولی اندیشه‌ای متفاوتی داشت. او به مانند همیشه برخلاف عرف چکیده‌ای از نظریه‌اش را در نامه‌ی سرگشاده‌ای، در سال ۱۹۳۰، برای لیزه مایتنر و هانس گایگر و دیگر کسانی که در کنفرانس توبینگن حضور داشته‌اند، ارسال کرد. او سخن از ذره‌ای جدید، که آن  را که نوترون می‌نامید، به زبان آورد. اما این ذره آن نوترونی نبود، که دو سال بعد چادویک، همراه‌با پرتون در هسته مشاهده کرد!

نوترونی که پائولی معرفی کرد، با آن نوترونی که دوسال بعد چادویک معرفی کرد، تفاوت داشت!

مضمون نامه‌ی پائولی به شرح زیر بود؛

طیف پیوسته‌ی بتا به‌شدت نیازمند درمان است، به این معنی که احتمالا در هسته، ذراتی به لحاظ الکتریکی خنثی وجود دارد، که من آن‌ها را نوترون می‌نامم، این ذرات اسپین یک دوم دارند و از اصل طرد تبعیت می‌کنند(به قسمت پنجم مجموعه مقالات مراجعه کنید) و علاوه‌بر آن، تفاوت آن‌ها با کوانتوم‌های نور این است، که با سرعت نور حرکت نمی‌کنند. جرم این نوترون باید در همان حدود جرم الکترون باشد و در هرحال نباید بزرگ‌تر از یک صدم جرم پروتون باشد. در این صورت طیف پیوسته‌ی بتا قابل فهم می‌شود، با این فرض که در واپاشی بتا یک نوترون همراه‌ با الکترون گسیل می‌شود، به طوری که مجموع انرژی‌های نوترون و الکترون ثابت می ماند!

در این لحظه اطمینان کافی ندارم، که چیز زیادی درباره‌ی این ایده منتشر کنم و با اطمینان به شما عزیزان دست‌اندرکار پرتوزایی متوسل می‌شوم، با این پرسش که چگونه می‌توانیم ازطریق آزمایش وجود چنین نوترونی را ثابت کنیم، اگر قابلیت نفوذ آن برابر یا در حدود ۱۰ برابر نفوذ تابش گاما باشد، من می‌پذیرم که شاید راه علاج پیشنهادی من در ابتدا فقط اندکی محتمل باشد، زیرا اگر نوترون‌ها وجود داشتند، باید مدت‌ها پیش مشاهده شده باشند، اما نابرده رنج گنج میسر نمی‌شود، اهمیت و جدی بودن وضع و حال طیف پیوسته با گفته‌ای از پیتر دبای پیش‌گام محترم من در این‌باره روشن می‌شود. آقای دبای اخیرا در بروکسل به من پیشنهاد کرد که در این رابطه چندان فکر نکنم و خود را بی‌دلیل درگیر این موضوع نکنم، از این‌رو باید درباره‌ی هر وسیله‌ی نجاتی بحث کنیم. بنابراین متخصصان پرتوزایی گرامی لطفت امتحان کنید و تصمیم بگیرید! متاسفانه من نمی‌توانم شخصا در کنفرانس توبینگن باشم. با درود فراوان به همگی شما، حقیرترین و خدمت‌گزار مطاع شما؛ ولفگانگ پائولی!

پیشنهاد پائولی در حقیقت علاجی از روی ناچاری بود و تنها اندکی خفیف‌تر از تمایل بور به کنار گذاشتن اصل پایستگی انرژی در مورد ذرات بنیادی بود. نوترون پائولی جرم اندکی داشت و بدون بار الکتریکی بود. او از همکاران خود درخواست کرده بود، تا با آزمایش کردن، به نوعی بر ادعای او صحه بگذارند، اما در آن زمان هیچ‌گونه تجهیزات آزمایشگاهی که بتواند، به‌طور مستقیم یا غیرمستقیم، چنین ذره‌ای را آشکارسازی کند، موجود نبود و بدین ترتیب ناچاری و استیصال، اعتماد به نظریه‌های عجیب و غریب را به بار می آورد.

انریکو فرمی، در سال ۱۹۳۴ نظریه‌ی کاملتری از واپاشی بتا را پیشنهاد کرد، که در آن نوترون‌های چادویک (مشاهده شده در سال ۱۹۳۲) ساکنان اولیه‌ی هسته بودند، در واپاشی بتا، نوترون‌ها به یک الکترون (یک ذره‌ی بتا)، یک پروتون و یکی از نوترون‌های پائولی، که فرمی آن‌ها نوترینو می‌نامید، تبدیل می شدند. نظریه‌ی فرمی نکته‌های مهم وپاشی بتا و همچنین برخی مسائل مربوط‌به آمار هسته‌ای را روشن کرد. نوترینوها به‌عنوان انواع جدیدی از ذرات بنیادی به الکترون‌ها، پروتون‌ها، نوترون‌ها و پوزیترون‌های جدیدا کشف شده (که در حقیقت الکترون با بار مثبت بودند) پیوستند. گرچه تا ۲۲ سال بعد، هیچ نوترینویی به‌طور تجربی آشکارسازی نشد. جرم نوترینوی فرمی همچنان یک مسئله‌ی حل نشده و مورد بحث است!

علم ستیزی

در ۳۰ ژانویه ۱۹۳۰، آدولف هیتلر به‌عنوان صدراعظم رایش آلمان سوگند یاد کرد. هیتلر از همان ابتدا موضع سرسختی درمقابل یهودیان و هرکسی معترض بود داشت و سطحی‌ترین انتقادات را به شدیدترین شکل ممکن سرکوب می‌کرد. این وضعیت آشفته جامعه‌ی علمی را به‌شدت تحت تأثیر قرار داده بود. به‌زودی سیاست تحریم کار یهودیان در سراسر کشور اعلام شد و یک مبارزه‌ی عمومی برای اخراج یهودیان از همه نوع کارهای دولتی، پزشکی، قضایی فرهنگی، آموزشی و هنری آغاز شد.

بدین ترتیب مهاجرت بعضی از عالی‌ترین دانشمندان و روشنفکران آلمانی آغاز شد. آلبرت اینشتین یکی از کسانی بود، که به‌شدت با حذب نازی مشکل داشت و پیش از آن که ماموران نازی بتوانند، اقدامی علیه او کنند، از کشور خارج شد و اعلام کرد که آلمانی باز نمی‌گردد؛ که در آن آزادی مدنی، بردباری و برابری برای همه شهروندان دربرابر قانون وجود ندارد و گروهی اراذل خشک مغز حذب نازی بر آن حکومت می‌کنند.

لیزه مایتنر / Lise Meitner

جیمز فرانک مدیر دومین مؤسسه فیزیک در گوتینگن، یکی از نخستین استعفا دهندگان بود. به‌دنبال او ماکس بورن رئیس مؤسسه‌ی فیزیک نظری در گوتینگن و ریچارد کورانت یک ریاضیدان برجسته استعفا کردند.روایت شده است؛ که وزیر جدید علوم از دیوید هیلبرت بزرگ‌ترین ریاضیدان گوتینگن می‌پرسد، که آیا مؤسسه‌ها از عزیمت و خروج یهودیان و دوستانشان آسیب دیده‌اند؟

و هیلبرت در پاسخ می‌گوید؛

آقای وزیر آسیب ندیده‌اند: اکنون دیگر وجود ندارند!

دراین‌میان لیزه مایتنر در یکی از بزرگ‌ترین بلاتکلیفی‌های زندگی خود قرار داشت، از طرفی او جایگاه استادی خود را در برلین متزلزل یافته‌بود و از سوی دیگر هیچ‌جای مناسب دیگری برای او وجود نداشت. معدود جاهایی نیز که به او پیشنهاد می‌شد؛ چندان قابل‌توجه و اتکا نبودند.

از طرفی مهاجرت دشوار بود؛ جهان دچار بحران و رکود شده بود و لیزه نمی‌توانست به ناشناخته‌ها روی آورد و بار دیگر روزهای اولیه‌اش در برلین را از سر بگذراند، از طرفی او به مؤسسه‌ی فیزیک برلین دلبسته بود، چرا که سنگ اولش را او بنا کرده بود و به‌گفته‌ی خودش آنجا تمام زندگی او بود و جدایی به هیچ‌عنوان برایش آسان نبود او بورس یک ساله اقامت در مؤسسه‌ی بور در کپنهاگ را از دست داد و امکان سمت گرفتن در کالج سوارتمور در ایالات متحده را رد کرد، چرا که سوارتمور نمی‌توانست نیازهای او را از لحاظ فضای کارکنان و تجهیزات آزمایشگاهی تأمین کند.

مایتنر کار خود را ترک نکرد، تا در نهایت همه‌چیز از دست رفت و اخراج شد! او ابتدا از دانشگاه برلین اخراج شد و به او اجازه‌ی کار داده نشد، تا در ملاقات‌ها و مباحثه‌ها حضور پیدا کند. دوستان او نظیر؛ پلانک، لائو و هان همگی ضدنازی بودند و سعی می‌کردند تا به هرشکل ممکن از مایتنر حمایت کنند، اما در نهایت کار چندانی نیز از دست آنان بر نمی‌آمد.

با روی کار آمدن نازی‌ها، مایتنر از سمت استاد دانشگاهی اخراج شد

در نهایت به کمک بسیاری از فیزیکدانان مایتنر از آلمان خارج شد. فیزیکدان هلندی؛ درک کوستر به برلین رفت و با مراقبت دقیق، که موجب سوءظن نشود، به همراه مایتنر لوازم معدودی را جمع آوری کرد. لیزه مایتنر همراه‌با کوستر به مرز هلند گریخت. جایی که کوستر قرار و مدارهای پنهانی را با گارد مرزی گذاشته بود. هنگامی که هان با مایتنر در برلین خداحافظی می‌کرد، یک حلقه‌ی الماس نشان موروثی به مایتنر داد، تا در مواقع ضرورت مجهز باشد.

دوران استکهلم

کارل مان سیگبان، حامی مایتنر در استکهلم، مردی بود با یک برنامه‌ی کاری که برای لیزه مایتنر چندان باعث تشویق و دلگرمی نبود. او آزمایشگری بود، که برای کار در رابطه با طیف نمایی پرتوی ایکس به دریافت جایزه نویل ۱۹۲۴ نائل آمده بود. او در سال ۱۹۳۷، با ساختن یک سیکلوترون برنامه‌ی پژوهش هسته‌ای را آغاز کرد، سیگبان و مایتنر از دو نسل متفاوت بودند، به‌گونه‌ای که شاید سیگبان مایتنر را قدیمی‌تر از خود می‌دانست، چرا که مایتنر هشت سال از او بزرگ‌تر بود و بسیار زودتر به فیزیک هسته‌ای رسیده بود و با وسایلی ساده اکتشافات مهمی به عمل آورده بود.

سیگبان همواره آزمایش‌هایش را به پیشرفت وسایل‌اش پیوند می‌داد. مایتنر با خود می‌اندیشید؛ که شاید سیگبان از همکاری با او خرسند خواهد شد؛ چرا که احتمالا فکر می‌کرد، که مایتنر تنها به فضای آزمایشی نیاز خواهد داشت، نه چیزی بیشتر!

مایتنر حقوق یک دستیار جزء را از فرهنگستان سوئد دریافت می‌کرد. حساب بانکی او در برلین بسته بود و او امکان دریافت پول بازنشستگی‌اش را نداشت، او با پول قرضی در اتاق هتل کوچکی زندگی می‌کرد و در نامه‌هایی که به هان نوشته بود، عاجزانه از او درخواست می‌کرد، که ترتیبی برای آزاد کردن دارایی‌ها و حساب بانکی او بیابد، این درحالی بود که وضعیت هان نیز تعریف چندانی نداشت، او و مؤسسه‌اش تحت آماج حملات نازی‌ها قرار داشتند.

آنچه بیشتر باعث نارضایتی مایتنر می‌شد، وضعیت او در مؤسسه‌ی سیگبان بود، او در نامه‌ای به هان چنین نوشته است؛

مؤسسه‌ی سیگبان به‌طور غیرقابل تصوری خالی است، ساختمانی بسیار ظریف و عالی که در آن یک سیکلوترون و یک دستگاه طیف‌نمایی پرتو ایکس آماده است، اما به ندرت کار تجربی یا فکری صورت می‌گیرد، از پمپ‌ها، رئوستاها، خازن‌ها و آمپرسنج‌ها خبری نیست. چیزی نیست که با آن آزمایشی انجام شود و در کل این بنای بزرگ چهار فیزیکدان جوان و یک سازمان کاری بسیار مرتب وجود دارد.

به نظر می رسید، که مایتنر در آن سازمان جایی نداشته باشد، چرا که نه از او دعوت می‌شد، تا به گروه سیگبان ملحق شود و نه امکاناتی به او داده می‌شد، که خودش کاری انجام دهد، او فضای آزمایشی داشت، اما نه همکارانی، نه تجهیزاتی، نه کمک‌های فنی، نه حتی دسته کلیدهایی برای کارگاه‌ها و آزمایشگاه‌ها!

با وجود این شرایط غم‌انگیز، لیزه مایتنر، با همکاری خواهرزاده‌اش، اوتو فریش، یکی از مهم‌ترین اکتشافات فیزیک قرن بیستم را به عمل آورد. که مطمئنا هم‌تراز کشف هسته‌ای رادرفورد است!

کشف بزرگ

در سال ۱۹۳۵ انریکو فرمی، که در رُم، بمباران اورانیوم با نوترون را آزمایش می‌کرد، عناصر پرتوزای جدیدی را مشاهده کرد. فرض محافظه کارانه‌ی او این بود، که وقتی اورانیم نوترون جذب کند، هم سنگین‌تر می‌شود و هم گسیل می‌کند. گسیل ذره‌ی بتا عدد اتمی اورانیم را از ۹۲ بالاتر می‌برد و آن را به قلمرو عناصر مصنوعی فرا اورانیوم که در طبیعت وجود ندارند، تبدیل می‌کند. هان و مایتنر به مطالعه‌ی این عناصر فرا اورانیوم پرداخته‌اند.

ایرن-ژولیو کوری و پاول ساویچ در پاریس نیز در جستجوی فرا اورانیوم‌های فعال بودند. مایتنر درست پیش از فرار مخاطره‌آمیز از برلین که در بخش قبلی به آن اشاره کردیم، با هان و فریتس اشتراسمان، جوانی متخصص شیمی تجزیه، درباره‌ی یافته‌ی عجیب ژولیو-کوری-ساویچ مباحثه‌ای در رابطه به اینکه یکی از عناصر پرتوزای ناشی از بمباران نوترونی رفتاری شبیه به لانتانم دارد، که وزن اتمی آن دقیقا نصف وزن اتمی اورانیوم است، داشت.

لیزه مایتنر / Lise Meitner

اگر بخواهیم این فرضیه را به شکلی افراطی تفسیر کنیم، بدین معنی خواهد بود؛ که بمباران اورانیوم با نوترون باعث شکافته شدن هسته‌ی اورانیوم به دو هسته‌ی کوچک‌تر، هریک با وزن اتمی در حدود نصف وزن اتمی اورانیوم، شده است.

هیچکس این موضوع را پیش‌بینی نکرده بود، اما هان و اشتراسمان آزمایش ژولیو-کوری-ساویچ را تکرار و این کشف شگفت‌انگیز را انجام دادند، که در میان محصولات بمباران اورانیوم- نوترون، عناصر پرتوزایی بودند، که رفتاری مانند رادیم داشتند، جز آن که نیمه عمرشان بسیار کوتاه‌تر از نیمه عمر رادیم بود. اشتراسمان با تجزیه‌ی دقیق نشان داد، که آن‌ها ایزوتوپ‌هایی از باریم، که عنصری با تقریبا نصف وزن اتمی اوانیوم ا‌ند. اکنون شواهد بیشتری در دست بود، که نشان می‌داد، اورانیم با بمباران نوترون شکافته می‌شود. هان همچنان مشکوک بود و نتیجه را باور نداشت. او در اواخر سال ۱۹۳۸، به مایتنر نوشت؛

خودمان می‌دانیم، که اورانیم واقعا نمی‌تواند به چیزی مانند باریم شکسته شود. اگر می‌توانید کاری انجام دهید، که بتوان آن را منتشر کرد، در این صورت این مقاله به نوعی کار هر سه نفر ما خواهد بود (به دلیل وضع قوانین جدید، هان دیگر نمی توانست مقاله‌ای را با همکار یهودی‌اش منتشر کند)

او چند روز بعد، در نامه‌ی دیگری نوشت؛

چه قدر زیبا و مهیج می‌بود، اگر می‌توانستیم مانند گذشته با یکدیگر کار کنیم. ما نمی‌توانیم نتایج کارمان را پنهان کنم، حتی اگر آن‌ها احتمالا از لحاظ فیزیکی بی‌معنی باشند. می دانی، اگر می‌توانستی راه دیگری جز این بیابی، چه قدر کار خوبی می‌شد.

هایتنر نیز در پاسخ به هان چنین نوشت؛

در فیزیک هسته‌ای شگفتی‌های بسیاری را تجربه کرده‌ایم، به طوری که نمی توان بدون قید و شرط گفت؛ این غیر ممکن است!

در همان زمان، درست پیش از کریسمس ۱۹۳۸، اُتو فریش، خواهرزاده‌ی محبوب مایتنر به سوئد رفت، تا تعطیلاتش را با خاله‌ی محبوبش در شهر کونگالو در ساحل شرقی سوئد بگذراند. او از کپنهاگ، که در آنجا در مؤسسه‌ی بور کار می‌کرد، می‌آمد. او در زندگینامه‌ی شخصی‌اش با عنوان «اندکی که به یاد می‌آورم» می‌نویسد؛

وقتی من پس از نخستین شب در کونگالو از اتاق هتلم خارج شدم، لیزه ماینتر را در حال مطالعه‌ی نامه‌ای از هان که ظاهرا نگران‌کننده بود، یافتم. من می‌خواستم درباره‌ی کارم در کپنهاگ چیزی بگویم، اما لیزه گوش نمی‌داد و می‌گفت؛ که باید این نامه را بخواند! 

در آن نامه، هان یافته‌ی خود و اشتراسمان را گزارش کرده بود، که در پرتو دهی اورانیوم با نوترون، باریم حاصل شده است و از مایتنر درخواست کرده بود، که این معما را حل کند.

هان یک پرتو-شیمیدان ورزیده و ماهر بود و مایتنر فکر نمی‌کرد، که درباره‌ی باریم اشتباه کرده باشد. بنابراین به اجبار این نتیجه‌گیری حاصل می‌شد، که هسته‌ی اورانیم واقعا شکافته شده است، اما چگونه؟

اکنون مایتنر و فریش می‌توانستند، فرایند شکافت-اورانیم را مجسم کنند، اما آنان باید با مسئله‌ی دیگری دست‌وپنجه نرم می‌کردند. دو پاره‌ی باردار مثبت هسته، با دافعه‌ی متقابلشان، با انرژی عظیم در حدود ۲۰۰ میلیون الکترون ولت، یعنی انرژی که الکترون در عبور از اختلاف پتاسیل ۲۰۰ میلیون ولت می‌گیرد، از هم دور می‌شوند! این انرژی در حدود ۱۰ برابر انرژی بود، که قبلا در یک فرایند هسته‌ای مشاهده شده بود.

فیزیک هسته ای

سؤال مهمی که ایجاد می‌شد؛ این بود که منشاء این انرژی کجاست؟ با درنظرگرفتن تفاوت میان جرم اورانیوم و جرم کل پاره‌ها و تبدیل کردن این تفاوت به انٰرژی بر طبق معادله‌ی معروف اینشتین  آنان توانستند، به‌طور کامل ۲۰۰ مگا الکترون ولتی که از شکافت اورانیوم حاصل می‌شود، را توجیه کنند. بنابراین آنان نظریه‌ای را طراحی کردند، که شکافت هسته‌ی اورانیوم با بمباران نوترون توجیه می‌کرد.

مایتنر و فریش مقاله‌ی تاریخی خود را، از طریق چند مکالمه‌ی تلفنی طولانی از فاصله‌ی دور تنظیم و تالیف کردند. آنان تصمیم گرفتند که از واژه‌ی شکافت  که در اصل ریشه در زیست‌شناسی داشت، استفاده کنند. زیست‌شناسان از این واژه برای تقسیم سلولی استفاده می‌کنند. بدین ترتیب مایتنر-فریش نام فرایند را شکافت هسته‌ای نامیدند!

بور در راه آمریکا، فرایند مایتنر-فریش را با همکارش لئون روزنفلد، مورد بحث قرار داد و از اهمیت و اعتبار آن بیشتر آگاه شد، اما وقتی در نیویورک فرود آمدند، بور فراموش کرد به روزنفلد بگوید، که موضوع را پیش خود نگهدارد، تا هنگامی که مایتنر و فریش آن را منتشر کنند، تا حق تقدم آنان تضمین شود. هنگامی که بور چند روزی در نیویورک بود، روزنفلد به پرینستون رفت و در سمیناری حضور یافت و همه چیز را درباره‌ی شکافت هسته‌ای برای حضار حیرت زده بیان کرد.

این خبر هیجانی را در جامعه‌ی علمی ایجاد کرد. آزمایشگران به آزمایشگاه‌هایشان هجوم بردند، تا آزمایش فریش را تکرار کنند. بسیاری موفق شدند، اما خوشبختانه، حق تقدم مایتنر و فریش برای طرح نظریه و فریش برای آشکارسازی پاره‌های شکافت، محفوظ ماند. با پذیرفتن شکافت هسته‌ای اورانیم، گروه اولیه‌ی عناصر فرا اورانیمی، از میان رفت و تنها دو عنصر باقی ماند. این دو عنصر نیز اکتشاف مایتنر محسوب می‌شد.

فیزیکدان اخلاق‌مدار

دو جنبه‌ی دیگر از شکافت هسته‌ای در نخستین ماه‌های ۱۹۳۹ ظاهر شد؛

  • بور و جان ویلر یک نظریه‌پرداز در پرینستون، نشان دادند، که شکافت حاصل از بمباران اورانیم طبیعی با نوترون‌های کند(کم انرژی) به‌طور عمده ناشی از ایزوتوپ کمیاب اورانیوم ۲۳۵ است، نه از ایزوتوپ‌های فراوان‌تر آن یعنی اورانیوم ۲۳۸!
  • علاوه بر آن، آزمایش‌ها در پاریس و دانشگاه کلمبیا نشان دادند، که هر شکافت اورانیم نه‌تنها یک نوترون مصرف می‌کند، بلکه دو یا سه نوترون بیشتر آزاد می‌کند. این امر امکان هیجان‌انگیزی را به وجود آورد، که نوترون‌های تولید شده در یک شکافت بتوانند، موجب یک یا چند شکافت بیشتر شوند و این شکافت‌ها باز هم نوترون‌های بیشتر و بیشتری تولید کنند. چنین تکثیر سریع نوترون ممکن است، به‌صورت یک واکنش زنجیره‌ای هسته‌ای ادامه یابد و با آهنگ شگفت‌انگیزی انرژی تولید کند، به‌خصوص اگر این فرایند کنترل شده نباشد!

در آن زمان، ارتش‌های آلمان، اروپا را در نوردیده بودند و تولید یک بمب شکافت اورانیم برای استفاده در مسائل نظامی برای تمامی فیزیکدانان یک اتفاق آشکار و قابل پیش‌بینی بود. تلاش آلمان توسط گروهی شامل ورنر هایزنبرگ، اتو هان، همکار سابق و قدیمی مایتنر به عدم موفقیتی شرم‌آور منجر شد، اما در ایالات متحده، پس از شروعی دیرهنگام، تلاشی عظیم در چند جا، در نهایت به تولید دو بمب ویران کننده انجامید، که در ژاپن انداخته شد!

شکافت هسته‌ای کنترل نشده در ساخت بمب‌ با قدرتی بی‌نهایت مخرب مورد استفاده قرار می‌گیرد

لیزه مایتنر کاملا مخالف سلاح‌های هسته‌ای بود. از او دعوت به عمل آمد، تا به گروهی از فیزیکدانان و مهندسان بریتانیایی و مهاجر ملحق شود، که مقرر شده بود، در آزمایشگاه در حال رشد لوس‌آلاموس در نیومکزیکو که در آن بمب‌ها طراحی می شدند، کار کند، اما مایتنر با صراحت از انجام این کار امتناع کرد. او تنها فیزیکدان هسته‌ای سرشناس از جانب متفقین بود، که چنین کاری کرد. خدمت در لوس‌آلاموس برای مایتنر به‌معنی فرار از فضای بی‌روح و سرد استکهلم و همکاری مجدد با دوستانش بود، اما هیچ وسوسه‌ای عقیده‌ی او را تغییر نمی داد. او اعلام کرد؛

من هیچ‌کاری با بمب ندارم!

هنگامی که اخبار وحشتناک از هیروشیما و ناکازاکی رسید، گزارشگران از هر سو به سمت مایتنر هجوم بردند، تا با او مصاحبه‌ای ترتیب دهند، چرا که در آن زمان او تنها فیزیکدان هسته‌ای قابل دسترس بود. بسیاری از رسانه‌ها ادعا کردند، مایتنر راز بمب اتمی را از دانشمندان هیتلر دزدیده و در دسترس دوستان بریتانیایی‌اش گذاشته است. یک گزارشگر علمی معتبر نیویورک تایمز می گفت؛ مایتنر راز هسته‌ای را به اُتو فریش در کپنهاگ تلگراف زده و سپس او آن راز را به نیلس بور، پدر زنش رسانده است.

مایتنر تنها فیزیکدان در جناح متفقین بود، که در ساخت بمب هسته‌ای همکاری نکرد

شهرت ناشی از بمب ناخواسته، برای مایتنر شدید ناراحت کننده بود، چرا که او به‌طور کامل با تمام فعالیت‌های جنگ‌طلبانه مخالف بود، این در حالی که او هیچ‌گاه آن شهرتی را که سزاوارش بود و از هر نظر انتظارش را داشت، کسب نکرد و همواره نادیده گرفته می‌شد.

باز هم بی‌عدالتی!

نیلز بور، تلاش‌های متعددی انجام داد، تا نقش مایتنر در کشف شکافت هسته‌ای به‌خوبی دیده شود، اما داوران جایزه‌ی نوبل در سال ۱۹۴۴، نوبل شیمی را به اوتو هان اهدا کردند. لیزه از رخداد پیش‌آمده بسیار ناراحت شد و دانشمندان همکار او نیز همین حس را داشتند. او از هان نیز دلخور بود، چراکه دانشمند آلمانی از ترس نازی‌ها و به‌خاطر همکاری در فرار غیرقانونی لیزه، صحبتی از همکاری با او نکرد. البته این اقدام هان پس از جنگ هم ادامه داشت، که ناراحتی مایتنر را بیشتر کرد!

با وجود ناراحتی و اختلافی که میان هان و مایتنر پیش آمد، دانشمند آلمانی بخشی از جایزه‌ی نقدی نوبل را به همکار قدیمی‌اش بخشید. مایتنر نیز بدون معطلی پول دریافت‌شده را به انجمن دانشمندان اتمی اهدا کرد، که به‌نام Albert Einstein’s Emergency Committee of Atomic Scientists فعالیت می‌کردند. هدف فعالیت این انجمن، کشف کاربردهای صلح‌آمیز برای انرژی هسته‌ای بود.

آزمایش‌های پرتو شیمیایی هان و اشتراسمان عاملی اساسی برای اکتشاف بود، اما آن‌ها تا حد زیادی مفاهیمی فیزیکی بودند، که به وسیله‌ی ماینتر و فریش تثبیت شده بود. در بررسی مجدد این موضوع، می‌توان فهمید که یک اکتشاف به اهمیت شکافت هسته‌ای، قطعا شایسته دو جایزه است!

و در حقیقت باید جایزه‌ی نوبل شیمی به هان و اشتراسمان و نوبل فیزیک به مایتنر و فریش تعلق می‌گرفت، اما کمیته‌ی نوبل چنین نظری نداشت. گرچه مایتنر از کسب جایزه‌ی نوبل محروم ماند، اما کار او نادیده گرفته نشد. در سال ۱۹۴۶، هنگامی که برای نخستین بار به آمریکا سفر کرد، در آنجا پذیرایی مفصلی از وی شد و سیلی از جایزه‌ها، مدارج افتخاری و نامه‌های تبریک او را فرا گرفت. حتی هالیوود آمریکا درصدد ساخت فیلمی براساس زندگی‌نامه‌ی مایتنر برآمد، اما هنگامی که لیزه فیلنامه‌ را خواند، به هیچ‌عنوان موردپسندش واقع نشد و آن را مزخرفی محض نامید. تمرکز اصلی این فیلم بر داستانی علمی تخیلی در رابطه با بمب اتمی و ارتباط دادن آن به مایتنر بود و توجه چندانی به زحمات شبانه‌روزی و تلاش‌های پایان ناپذیر لیزه نشده بود!

لیزه مایتنر / Lise Meitner

اندکی پس از جنگ، در سال ۱۹۴۷، مایتنر از مؤسسه‌ی سیگبان بازنشسته شد و در یک آزمایشگاه کوچک، که کمیسیون انرژی اتمی سوئد در مؤسسه‌ی فناوری سلطنتی، برای او ایجاد کرده بود، آغاز به کار کرد. سپس به آزمایشگاه فرهنگستان سلطنتی علوم مهندسی رفت، تا در مورد یک راکتور هسته‌ای گرمایشی، تحقیق کند. سرانجام، در سال ۱۹۶۰، پس از حدود بیست سال حضور در سوئد، مایتنر به کمبریج در انگلستان رفت، تا در کنار اتو فریش و خانواده‌اش باشد، او به زندگی فعال همراه‌با مسافرت و سخنرانی ادامه داد.

لیزه مایتنر به‌نوعی زندگی خود را وقف علم کرده بود. او هیچ‌گاه ازدواج نکرد و فرزندی هم نداشت. پیاده‌روی، تفریح دلخواه‌ این دانشمند هسته‌ای بود و او زمان‌های زیادی را به این تفریح اختصاص می‌داد. موسیقی و حضور در سالن‌های کنسرت هم جزو علایق مایتنر عنوان شده‌اند.  مایتنر چند روز پیش از نودمین سال تولدش در گذشت. او در گورستان یک کلیسای روستایی در انگلستان دفن شد. در کتیبه‌ی سنگ گور او، که فریش آماده کرده بود، چنین نوشته است؛

لیزه مایتنر؛ فیزیکدانی که هرگز انسانیت را فراموش نکرد!

دوران کاری مایتنر سرشار از دوستی، صداقت و انسان دوستی بود. او هیچ‌گاه در مقابل محدودیت‌ها متوقف نشد و با تلاشی شبانه‌روزی با وجود تمامی مشکلات به موفقیت‌های متعددی دست پیدا کرد.

پایان قسمت سوم

در قسمت آینده به فعالیت‌های انریکو فرمی و تلاش‌هایی که به ساخت بمب هسته‌ای منجر شد، می‌پردازیم. تمرکز اصلی در قسمت بعدی به حواشی و اتفاقاتی می‌پردازیم که بشریت در ۱۰۰ سال اخیر پس از آشنایی با فیزیک هسته‌ای، درگیر آن بوده است.

Source link

همچنین بخوانید:  این لامپ ها و دستگاه های لمسی خود را با این معاملات TP-Link قاتل هوشمندانه تر کنید

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

CAPTCHA ImageChange Image