هانری بکرل؛ کاشف پرتوزایی

ساختار و ویژگی های بنیادی ماده، همواره یکی از پرسش های اصلی دانشمندان بوده است. از این لحاظ اواخر قرن نوزدهم و اوایل قرن بیستم، سال های غافلگیر کننده و هیجان انگیزی برای فیزیکدانان بود. کشف تصادفی اشعه ایکس توسط رونتگن در سال 1895 باعث شد دانشمندی فرانسوی به تحقیقاتی بپردازد که بطور اتفاقی به کشف بزرگ دیگری منجر شد و دری جدید به سوی جهان ناشناخته درون ماده گشود. این دانشمند پیشتاز در کشف خاصیت رادیواکتیویته یا پرتوزایی، کسی نبود جز هانری بکرل.

زمانی که آنتوان هانری بکرل (Antoine Henri Becquerel) در سال 1852 در پاریس به دنیا آمد، شاید پیش بینی اینکه او یک دانشمند و فیزیکدان خواهد شد، چندان دشوار نبود. زیرا پدربزرگ او، آنتوان سزار بکرل و پدرش، الکساندر ادموند بکرل، هر دو فیزیکدانانی به نام بودند که در زمینه الکتریسیته و نور تحقیق می کردند.

پدربزرگ او از پیشگامان تحقیق در مورد الکتریسیته بود و در سال 1825 یک نوع گالوانومتر را برای اندازه گیری دقیق مقاومت الکتریکی اختراع کرد. او همچنین در سال 1829 نوعی باتری جریان ثابت را ابداع کرد.

این علائق به پسر او نیز منتقل شد. وقتی پدر هانری، 19 سال داشت، در تحقیقی مشترک با پدربزرگ هانری، موادی را کشف کرد که در اثر برخورد با نور خورشید جرقه تولید می کردند. این کشف که به تولید الکتریسیته در اثر تابش نور منجر می شد و به اثر فوتوولتائیک (Photovoltaic Effect) یا اثر بکرل نیز معروف است، مبنای فناوری سلول های خورشیدی فعلی است. ادموند بکرل تحقیقاتی را نیز در مورد مواد فسفرسانس انجام داد که پیگیری آن توسط پسرش به کشف پرتوزایی و دریافت جایزه نوبل منجر شد.

در این مقاله شما می توانید با فعالیت هانری بکرل در زمینه کشف پرتوزایی آشنا شوید.

از مهندسی تا فیزیک

هانری بکرل تحصیلات خود را در پلی تکنیک پاریس و سپس در مدرسه پل ها و راه ها به عنوان مهندس راه و ساختمان ادامه داد. پس از اتمام تحصیلات مهندسی، در سال 1878 به عنوان مهندس در وزارت راه و پل مشغول به کار شد. در سال 1888 دکتری خود را در علوم دریافت کرد و در سال 1892، پس از پدربزرگ و پدر خود، به عنوان سومین فرد از اعضای خانواده بکرل ها، کرسی استادی فیزیک در موزه ملی تاریخ طبیعی پاریس را بدست آورد.

رساله دکتری او در مورد «قطبی سازی نور با پدیده فسفرسانس و جذب نور توسط کریستال ها» انجام شد که تداوم آن تحولی بزرگ را در درک خواص برخی مواد موجب شد.

کشفی تصادفی که توجه بکرل را جلب کرد.

گزارشی که یک فیزیکدان آلمانی به نام ویلهلم رونتگن در 28 دسامبر 1895 در قالب مقاله ای با عنوان «رساله ای مقدماتی درباره نوعی پرتو جدید» منتشر کرد، توجه هانری بکرل را جلب کرد. رونتگن بطور اتفاقی متوجه شد که صفحه عکاسی که در پوشش کاغذ سیاهی پیچیده شده و در کیف چرمی در انتهای کشوی میز آزمایشگاه قرار داشت، بطور اسرارآمیزی در معرض نور قرار گرفته و تصویر شبح گونه یک کلید روی آن نقش بسته است. به این ترتیب او موفق به کشف نوعی پرتو جدید شد.

پرتوهایی که رونتگن کشف کرد و آنها را به دلیل برخی ویژگی های ناشناخته پرتو یا اشعه X نامیده بود، خواصی شبیه نور داشتند. به عبارتی این پرتو در خط مستقیم منتشر می شدند، سایه تولید می کردند و به راحتی بر صفحه عکاسی اثر می گذاشتند. اما خاصیت شگفت انگیز این پرتو جدید این بود که می توانست تقریباً در هر شئی از جمله کاغذ، چوب و اندام انسان نفوذ کند. سایه هایی که این پرتوها از استخوان بندی درون بدن ایجاد می کردند، باعث شور و هیجان زیادی شد.

ارتباط فلوئورسانی و پرتوهای ایکس

در اواخر قرن نوزدهم، بسیاری از فیزیکدانان به بررسی پرتوهایی علاقمند شده بودند که یوهان هیتورف آن را در سال 1869 کشف و یوگن گلدشتین نیز هفت سال بعد آن را پرتوهای کاتدی نامگذاری کرد. این پرتو زمانی تولید می شد که برق ولتاژ قوی بین دو الکترود که داخل لوله شیشه ای تقریباً خالی از هوا (لوله کروکس یا لامپ تخلیه) قرار داشت، برقرار می شد. فیزیکدانان در آن زمان از لوله کروکس بسیار استفاده می کردند. لوله کروکس شامل یک حباب شیشه ای بود که تقریباً هوای آن تخلیه کامل شده و دو الکترود به فاصله چند سانتیمتر از یکدیگر در آن قرار داشت. با برقراری اختلاف پتانسیل زیاد در حدود چندین هزار ولت بین الکترودها، پرتو کاتدی از کاتد (قطب منفی) به طرف آنُد (قطب مثبت) جریان می یافت تا به دیواره لوله برخورد کند. خیلی زود معلوم شد که پرتو کاتدی در واقع جریانی از الکترون های با سرعت زیاد و با بار منفی است. پرتوهای ایکس در جایی به وجود می آمد که باریکه پرتو کاتدی با دیواره شیشه ای لوله برخورد می کرد. در همان نقطه برخورد با شیشه نیز یک درخشندگی قوی یا فلوئورسانی ایجاد می شد. این پدیده باعث شد که توجه بکرل به ارتباط میان فلوئورسانی و پرتوهای X جلب شود.

هانری بکرل حدس زد که فلوئورسانی و پرتوهای X احتمالاً با ساز و کار یکسانی تولید می شوند. این ایده باعث شد که بکرل در سال 1896 به جستجوی پرتوهای X با منابع فلوئورسانی و فسفرسانی دیگر برآید. از جمله این مواد، ماده مرکبی شامل اورانیوم به نام سولفات اورانیل پتاسیم بود که قبلاً خاصیت فسفرسانی آن را تحت تاثیر نور خورشید، بررسی کرده بود.

بکرل یک فیلم عکاسی را که کاملاً پوشانده شده بود، در مقابل نور شَدید خورشید و یک بلور فسفرسانس متشکل از پتاسیم سولفات و اورانیوم قرار داد. اگر بلور قادر به تولید اشعه ایکس بود، باید از پوشش کاغذی فیلم عبور و آن را سیاه می کرد. فیلم کاملاً سیاه شد. بکرل برای اطمینان یک سکه را میان بلور و فیلم قرار داد. پرتو ایکس قادر به عبور از سکه نبود. مشاهده تصویر سکه در فیلم، بکرل را مطمئن ساخت که آن بلور اشعه ایکس تولید می کند. در ماه مارس 1896 هوای ابری مانع انجام آزمایش بکرل شد. او فیلمی را که کاملاً پوشانده شده بود با تعدادی از بلورها در کشوی میز خود قرار داد و منتظر ماند تا هوا آفتابی شود. هوا همچنان ابری بود و بکرل از روی بی حوصلگی فیلم ها را ظاهر کرد. اینجا بود که دوباره شانس به سراغ یک ذهن آماده آمد. فیلم کاملاً سیاه شده بود بدون اینکه بلورهای داخل کشو، نوری از آفتاب دریافت کنند.

راهنمایی: فسفرسانس و فلوئورسانس خاصیتی است که برخی از مواد از جمله فسفر از خود نشان می دهند. این مواد پس از قرار گرفتن در برابر منبع نور یا حرارت، انرژی دریافتی را در خود ذخیره کرده و سپس آن را به صورت نور مرئی منتشر می کنند. وقتی که جسم در برابر منبع نور قرار می گیرد، الکترون های ترازهای پایین تر اطراف هسته اتم در اثر دریافت انرژی، به ترازهای بالاتر منتقل می شوند و پس از تابش انرژی خود به صورت فوتون، به تراز اولیه بر می گردند. خاصیت فسفرسانی یا فلوئورسانی وقتی روی می دهد که الکترون برانگیخته مستقیماً به تراز پایه برنگردد، بلکه ابتدا به ترازهای میانی رفته و بعد به تراز پایه برسد که در این صورت الکترون، فوتون هایی با انرژی کمتر یعنی با طول موج بلندتر از خود ساطع می کند که برای چشم انسان قابل رویت است. موج بازگشتی از پدیده فسفرسانس نسبت به موج بازگشتی از پدیده فلوئورسانس، انرژی کمتر و در نتیجه طول موج بلندتری دارد. به همین دلیل دوام تابش مواد فسفرسانی (مثل عقربه های ساعت شب نما) نسبت به مواد فلوئورسانس (مثل لامپ فلوئورسنت)، پس از قطع منبع تغذیه، بیشتر است.

کشف پرتوزایی

هانری بکرل کشف کرد که نمک اورانیوم منبع نافذی از پرتوهایی ثابت هستند، حتی بدون اینکه در معرض نور خورشید قرار داشته باشند. این پرتوها پدیده مستقلی بودند که مستقیماً با فلوئورسانی ارتباطی نداشتند. حال اگر پدیده فلوئورسانی که همواره در اثر یک انرژی ورودی روی می داد، در تولید این پرتوها دخیل نبود، آنها چگونه تولید می شدند؟ پرتوهای بکرل منبع انرژی مشخصی نداشتند و این موضوع در ظاهر ناقض قانون اول ترمودینامیک بود. بکرل با بررسی بلورهای مختلف موجود در کشوی آزمایشگاه خود کشف کرد که «پیچبلاند» که نوعی سنگ اورانیوم است، قوی ترین تولید کننده پرتوهای یاد شده است. او دریافت که نیازی نیست این ماده در برابر نور خورشید قرار گیرد تا از خود پرتو ساطع کند. او کشف کرد که این پرتوها بطور خودبخودی از آن ساطع می شود و خاصیتی مربوط به اتم اورانیوم است.

کشف بکرل تحت شعاع جنجال کشف پرتو ایکس قرار گرفت و توجه افراد زیادی را جلب نکرد. یکی از معدود افرادی که نظرش به کشف بکرل جلب شد، یکی از شاگردان بکرل، بانوی پژوهشگر جوان و بلند پروازی به نام ماری کوری بود. ماری کوری (Marie Curie) به اتفاق همسرش پیر کوری، فهرستی از مواد مرکب خالص و کانی ها را ارزیابی کردند.

همانطور که انتظار می رفت، ثابت شد که ترکیبات اورانیوم می توانند چنین پرتوهایی را تولید کنند. ماری کوری این خاصیت را رادیواکتیویته (پرتوزایی) نامید. آنها پی بردند که این خاصیت در مورد توریم (Thorium) هم صادق است. مشاهده بسیار مهم ماری کوری این بود که کانی های اورانیوم، به ویژه پیچبلاند، فعال تر از اورانیوم خالص بودند. این موضوع باعث شد که ماری کوری حدس بزند که عنصری ناشناخته با فعالیتی بیشتر از اورانیوم باید در این کانی ها وجود داشته باشد. چنین بود که کوری ها پس از انجام فرآیند طاقت فرسای تجزیه و استخراج، عنصر پرتوزای جدید را در سال 1889 کشف کردند که به افتخار زادگاه ماری کوری (لهستان یا Poland)، پلونیوم (Polonium) نامگذاری شد. شش ماه بعد، آنها عنصر رادیواکتیو دیگری را کشف کردند که رادیم (Radium) نام گرفت.

راهنمایی: رادیواکتیویته یا پرتوزایی به فرآیندی گفته می شود که طی آن هسته های ناپایدار دچار واپاشی یا شکافت هسته ای می شوند. این فرآیند معمولاً یک پرتو با مقدار زیادی انرژی به وجود می آورد. در اثر واپاشی هسته ای پس از یک زمان تصادفی، هسته های بزرگ به هسته های کوچکتر و معمولاً پایدارتر تجزیه می شوند و ماده اولیه به تدریج از بین می رود. واپاشی هسته ای شامل سه نوع آلفا، بتا و گاما است که به ترتیب یک ذره آلفا (شامل هسته هلیوم شامل دو پروتون و دو نوترون)، یک ذره بتا (الکترون یا پوزیترون) و یک ذره گاما (فوتون) گسیل می کند. شکافت هسته ای در صورت کنترل می تواند منبعی برای تولید مقدار بسیار هنگفتی از انرژی باشد و در صورت عدم کنترل، به صورت بمبی مخرب عمل می کند و پرتوهای آلاینده آن، حیات جانوران و گیاهان را با خطرات جدی مواجه می سازد.

چنین بود که جایزه نوبل فیزیک سال 1903 بطور مشترک به هانری بکرل و ماری اسکلودوفسکا کوری و پیر کوری تعلق گرفت. کشفی که همانطور که در گزارش کمیته نوبل آمده: «حوزه کاملاً جدید با بیشترین اعتبار، منزلت و علاقه برای پژوهش در فیزیک را گشود» و «کشف بکرل درباره پرتوزایی خودبخود اورانیوم، الهام بخش پژوهش جدی و مداوم برای یافتن عنصر بیشتر با کیفیت های چشمگیر شد» و در نهایت به توسعه فیزیک هسته ای و درک عمیق تر ساختار ماده انجامید.

هانری آنتوان بکرل در 55 سالگی در 25 اوت (سوم شهریور) 1908 در فرانسه درگذشت.

منابع

مقاله علمی و آموزشی «هانری بکرل؛ کاشف پرتوزایی»، نتیجه ی تحقیق و پژوهش، گردآوری و نگارش هیئت تحریریه علمی پورتال یو سی (شما می توانید) می باشد. در این راستا گزارش موسی توماج ایری در مجله دانشمند، به عنوان منبع اصلی مورد استفاده قرار گرفته است.