پرتوزایی مصنوعی و شکاف هسته ای

کشف پرتوزایی طبیعی به دست بکرل منجر به عصر جدیدی شد – عصر اتمی و هسته ای – اما نه بی درنگ.

پرتوزایی طبیعی تا سالها بعد به درستی شناخته نشد. پژوهشها و نبوغ راذرفورد، سادی و دیگران لازم بود تا به طبیعت و منشأ تابشی که بکرل و کوری ها کشف کرده بودند پی ببرند، و این نظر را پیش بکشند که از ذرات (آلفا و بتا) گسیل شده از هسته های اتمها و تابش الکترومغناطیسی همراه چنین گسیل هایی تشکیل شده است. لرد راذرفورد در بیان اینکه جرم اتمها عمدتاً (بیش از 9/99%) در مرکزشان قرار گرفته، و از ذرات باردار مثبت و خنثی به نام پروتونها و نوترونها تشکیل شده است، نقش بسزایی داشت. در حوالی سال 1934 بود که به تدریج پرده از راز چگونگی دستیابی به قدرت عظیم انرژی هسته ای برداشته شد.

در سال 1934 ایران کوری، دختر ماری و پی یر، و شوهرش فردریک ژولیو، پرتوزایی مصنوعی را کشف کردند. آنان نشان دادند که می توان از ذرات آلفا، که راذرفورد آنها را به عنوان تکه هایی از هسته ی اتمها که عناصر پرتوزای طبیعی گسیل می کردند شناسایی کرده بود، برای بمباران عناصر غیر پرتوزا و القای پرتوزایی در آنها استفاده کرد. پروفسور آلن لایتمن در ساینس 84 این فرایند زیر اتمی را چنین توصیف کرد: «ظاهراً اگر برخی هسته های اتمی پایدار را که به آرامش ابدی خود رضایت داده بودند، مجبور می کردند تا ذرات زیر اتمی دیگری ببلعند، می شد آنها را ناپایدار ساخت. این هسته های اتمی که به اجبار پر شده بودند، در حالتی ناآرام شروع به پرتاب ذرات کوچکی از خود می کردند، گویی پرتوزایی «طبیعی» صورت گرفته باشد».

انریکو فِرمی که در آن هنگام در رم بود، تصمیم گرفت که به جای ذرات آلفا از نوترونها برای بمباران عناصر پایدار استفاده کند. بدین ترتیب هسته ی اتم سنگین اورانیم (البته ایزوتوپ پایدارآن) را در معرض بارانی از پروتونها قرار داد. وی فرض کرد که احتمالاً این بمباران نوترونی، هسته های ی از عناصر را که وزنشان تقریباً برابر با اورانیم است ایجاد خواهد کرد. اما اتوهان وفریتزاشتراسمن که در انستیتو قیصر ویلهلم در برلین پژوهش می کردند، در محصولات بمباران اورانیم مقداری باریم یافتند، یعنی عنصری که اندازه ی اتمهای آن تقریباً نصف اورانیم است. چون هیچ باریمی در نمونه ی بمباران شده وجود نداشت، ظاهراً بعضی از هسته های اورانیم به دو نیم شده بودند!

در دسامبر سال 1938 ، هان طی نامه ای این نتیجه ی نامنتظره را برای لیزه مایتنر شرح داد.

مایتنر، 30 سال همکار ارزشمند هان بود، اما چون یهودی بود، پنج ماه قبل از آن از آلمان هیتلری گریخته و به سوئد پناه آورده بود. در کریسمس آن سال، خواهر زاده اش اتور.فریش، که او نیز فیزیکدان و در کپنهاگ از همکاران فیزیکدان معروف دانمارکی نیلس بور بود، از او دیدن کرد، و با هم درباره ی هان گفت و گو کردند. پس از تفکر زیاد، در حالی که در برفها قدم می زدند به یاد یکی از نظریات بور افتادند؛ در سال 1936 بور احتمال داده بود که شاید ذرات درون هسته به نحوی دسته جمعی عمل می کنند، که حتی با ضربه ی ذره ی کوچکی همچون نوترون، هسته از حالت کروی خود تغییر شکل می یابد. امکان داشت که نیروهای دافعه ی هسته بر نیروهای جاذبه غلبه کنند، هسته به دو نیم تقسیم شود، و دو نیمه را با سرعتی زیاد و با آزاد کردن مقادیر عظیمی انرژی به دو سو پرتاب کند. بور هر هسته ی سنگین ناپایدار را به قطره ی آبی که در حال شکافتن باشد تشبیه کرد.

وقتی فریش چند روز بعد به کپنهاگ بازگشت، توانست درست قبل از سوار شدن بور بر کشتی سوئدی – امریکاییام اس دروتنینگهولم که به نیویورک می رفت با او صحبت کند. بور بی درنگ به اهمیت آزمایش شکافت هسته ای – واژه ای که فریش براساس نام تقسیم یاخته ای در زیست شناسی وضع کرده بود – که هان مشاهده کرده بود، پی ببرد. بور راهی کنفرانسی در واشنگتن دی. سی. در زمینه فیزیک نظری بود، و تفسیر مایتنر و فریش را در کنفرانس مطرح کرد. بور متعاقباً نامه ی کوتاهی به سردبیر مجله ی فیزیکال ریویو نوشت که در آن نظریه ی قطره ی مایع برای شکافت هسته ای را به اختصار شرح داد.

چندی نگذشت که لئوزیلارد در دانشگاه کلمبیا شکافت هسته ای را در واکنشهای زنجیره ای مشاهده کرد. بور که در آن هنگام در دانشگاه پرینستون بود، حساب کرد که فقط شکل نادری از اورانیم، یعنی ایزوتوپ 235-U آن که در طبیعت تنها 1% اورانیم طبیعی را تشکیل می دهد، موجب واکنشی زنجیره ای می شود. برای ساخت یک رآکتور زنجیره ای باید 235-U تغلیظ می شد. این کار عملی بود، و بالاخره انجام شد .ایالات متحده موفق شد گوی سبقت را در این زمینه از آلمان برباید.

پسنوشت

در دوم اوت 1030، آلبرت آینشتاین نامه ی هشدار دهنده ای برای فرانکلین د.روزولت رئیس جمهور امریکا فرستاد که در آن گفته بود: «پژوهشهای اخیر ا.فرمی ول. زیلارد مرا متقاعد ساخته است که شاید بتوان در آینده ی نزدیک عنصر اورانیم را به منبع انرژی نوین و با اهمیتی تبدیل کرد و به نظر می رسد که بدین ترتیب بتوان انواع جدیدی از بمبهای بسیار قدرتمند تولید کرد».

بقیه ی برنامه ی انرژی اتمی ماجرایی شناخته شده است: بمبهای اتمی در جنگ جهانی دوم تولید و به کارگرفته شدند و همجوشی هسته ای که شکل قدرتمندتری از انرژی هسته ای بود کشف و تکمیل شد. نیروگاههای انرژی اتمی برای مصارف صلحجویانه نیز ساخته شده اند، اما انرژی اتمی هنوز انتظارات بشر را برآورده نکرده است. دفع ضایعات هسته ای هنوز مشکلی جدی به شمار می رود و زغال و نفت همچنان عمده ترین منبع انرژی در قرن بیستم هستند.

آنچه انرژی هسته ای به طور ناگهانی و برگشت ناپذیری عوض کرده، مفهوم جنگ است. هر سلاح جدید که در طول تاریخ عرضه شده، نسبت به گذشتگانش پیشرفت بزرگی به شمار آمده است – منجنیق رومیان، کمان دستی انگلیسیان، کمان زنبوری سویسیها، باروت و نیترو گلیسرین، اما این پیشرفتها در مقایسه با جهشی که از سلاحهای متعارف امروزی تا بمبها و موشکهای هسته ای طی شد، حتی به حساب هم نمی آمدند. فدراسیون دانشمندان علوم اتمی، که سازمانی است متشکل از دانشمندانی که طی جنگ جهانی دوم روی بمب اتمی کار کردند، بعدها نام خود را کمی تغییر داد و به فدراسیون دانشمندان امریکایی موسوم شد. در حال حاضر هدف اصلی این سازمان خلع سلاح هسته ای است، چون اعضای آن معتقدند که سلاحهای هسته ای، جنگ را غیر قابل تصور ساخته اند. انسان به یاد پاسخ آلفرد نوبل به برتافون ساتنر درباره ی کنفرانسهای صلح او می افتد: «شاید کارخانه های من زودتر از کنگره های شما به جنگ خاتمه دهند».

به امید آنکه نسل ما با به کارگیری درست انرژی هسته ای، در تحریم جنگ موفقتر از نوبل و جانشیناش باشد.

منبع : سرگذشت اكتشافات تصادفی در علم

نوشته : رویستون رابرتس - مترجم: محی الدین غفرانی