أشعة إكس والنشاط الإشعاعي والانشطار النووي

(١) اكتشاف أشعة إكس على يد رونتجن

في عام ١٨٩٥، اكتشف الفيزيائي الألماني فيلهلم كونراد رونتجن أشعة إكس بالمصادفة. كان رونتجن يكرِّر تجارب لفيزيائيين آخَرين تمَّ فيها تفريغُ كهرباء بجهدٍ عالٍ عبر الهواء أو بعض الغازات الأخرى في أنبوب زجاجي مفرَّغ جزئيًّا. وفي عام ١٨٥٨، وُجِد أن جدران الأنبوب الزجاجي تصبح ذات وميض فسفوري أثناء التفريغ. في عام ١٨٧٨، وصف السير ويليام كروكس «أشعة الكاثود» التي تسبِّب الوميض الفسفوري بأنها «تيار من الجزيئات الطائرة»، لكننا نعرف الآن أن تلك الأشعة هي في واقع الأمر تيارات من الإلكترونات المنبعثة من الكاثود، وينتج الوميض الفوسفوري عن تأثير تلك الإلكترونات على جدران الأنابيب الزجاجية.

إن اللافتات النيون والصمامات التليفزيونية والمصابيح الفلورية هي تطبيقات حديثة لتلك التجارب. وتكون المصابيح الفلورية مطلية من الداخل بمواد عالية الفلورية لإنتاج ألوان وظلال ضوءٍ مختلفة.

في عام ١٨٩٢، أثبت هاينريش هيرتس أن أشعة الكاثود يمكن أن تخترق ورق الفويل الرفيع. وبعد عامين، صنع فيليب لينارد الأنابيبَ المفرَّغة التي لها جدران رفيعة من الألومنيوم. وكانت تلك الجدران تسمح لأشعة الكاثود بالخروج من الأنبوب المفرَّغ حيث يمكن الكشف عنها من خلال الضوء الذي تنتجه على شاشة مصنوعة من مادة فسفورية (كانت تُستخدَم تلك الشاشات أيضًا للكشف عن الضوء فوق البنفسجي)؛ لكن وُجِد أنها تتحرك فقط لسنتيمترين أو ثلاثة سنتيمترات فقط في الهواء تحت الضغط العادي خارج الأنبوب المفرَّغ.

كرَّرَ رونتجن بعض هذه التجارب حتى يتعرَّف على الأساليب المستخدَمة فيها، ثم قرَّرَ أن يرى إن كان بإمكانه اكتشافُ أشعة الكاثود الصادرة عن أنبوب مفرَّغ زجاجي بالكامل، كالذي استخدمه كروكس؛ أيْ أنبوب بدون جدار رفيع من الألومنيوم. ولم يلاحظ أحدٌ إصدارَ أشعة كاثود في تلك الظروف؛ فاعتقد رونتجن أن سبب الفشل في القيام بهذا ربما يرجع إلى أن الوميض الفوسفوري القوي لأنبوب الكاثود يغطي على الفلورية الضعيفة للشاشة الكاشِفة. ولاختبار تلك النظرية، صنع غطاءً كرتونيًّا أسود لأنبوب الكاثود، ولتحديد مدى فاعلية الغطاء، جعل الغرفة مظلمةً وشغَّلَ ملف الجهد العالي لإمداد الأنبوب بالطاقة. وعندما تأكد من أن الغطاء الأسود الذي استخدمه كان يغطِّي الأنبوب بالفعل ولا يسمح بهروب أي ضوء إشعاعي فوسفوري، همَّ بإغلاق الملف وتشغيل أضواء الغرفة حتى يمكنه وضع الشاشة الفوسفورية على مسافات صغيرة مختلفة من الأنبوب المفرَّغ، لكنه لاحظَ شيئًا غريبًا.

في تلك اللحظة تحديدًا، لاحَظَ هيرتس ضوءًا ضعيفًا يُومِض من نقطة في الغرفة المظلمة لأكثر من ياردة من الأنبوب المفرَّغ. في البداية، اعتقَدَ أنه لا بد أن هناك تسرُّبًا ضوئيًّا من الغطاء الأسود الموجود حول الأنبوب، والذي انعكس من مرآة في الغرفة. لكن لم تكن توجد مرآة، وعندما مرَّرَ سلسلةً أخرى من الشحنات عبر أنبوب الكاثود، رأى الضوء يظهر في نفس المكان أيضًا، وكان يبدو مثل سحب خضراء باهتة تتحرك في تناغُمٍ مع الشحنات المتذبذبة لأنبوب الكاثود. أسرع رونتجن لإشعال عقب ثقاب، وما أثار دهشته أن مصدر الضوء الغامض كان الشاشةَ الفلورية الصغيرة التي خطَّطَ لاستخدامها كأداة كاشِفة بالقرب من أنبوب الكاثود المغطَّى، إلا أنها كانت ملقاة على المقعد الموجود على بُعْد أكثر من ياردة من الأنبوب.

أدرك رونتجن على الفور أنه صادَفَ ظاهرة جديدة تمامًا، فلم تكن هذه هي أشعة الكاثود التي أضاءت الشاشة الفلورية لأكثر من ياردة من الأنبوب! في الأسابيع العديدة التالية، خصَّصَ رونتجن كلَّ وقته وجهده وتفكيره لاستكشاف هذا الشكل الجديد من الإشعاع، وذكر النتائج التي توصَّلَ إليها في ورقة بحثية نشرها في فورتسبورغ، بتاريخ ٢٨ ديسمبر من عام ١٨٩٥ بعنوان «نوع جديد من الأشعة، نتائج أولية». ومع أنه وصَفَ بدقةٍ معظمَ الخصائص الكيفية الأساسية للأشعة الجديدة في تلك الورقة، فإن اعترافه بأنه لم يفهمها بعدُ بالكامل ظهَرَ من خلال الاسم الذي أعطاه لها، أشعة إكس (أيْ مجهولة). (وكثيرًا ما يُطلَق عليها أشعة رونتجن.)

كما وجد أيضًا أن بإمكانه تسجيل هذه الصور الخاصة بالهيكل العظمي على فيلم فوتوغرافي. وقد جذبَتْ خاصية أشعة إكس هذه انتباهَ عالم الطب على الفور؛ ففي وقت قصير جدًّا، أصبحت تلك الأشعة تُستخدَم على نحو روتيني في التشخيص في المستشفيات على مستوى العالم.

ثمة أحداث قليلة في تاريخ العلم كان لها تأثير قوي جدًّا مثل اكتشاف رونتجن. ففي خلال عامٍ بعد إعلانه عن اكتشافه لأول مرة، ظهر ٤٩ كتابًا ومطويةً وأكثرُ من ألف مقال عن أشعة إكس، لكن لم يحدث أيُّ تقدُّمٍ ملحوظ في معرفة خصائص أشعة إكس عما توصل إليه رونتجن إلا بعد مضي ٢٠ عامًا تقريبًا.

عندما بدأت الأكاديمية السويدية للعلوم في توزيع جوائز نوبل لأول مرة في عام ١٩٠١، وقع اختيارها في مجال الفيزياء على رونتجن. ولا شك أن الأكاديمية كانت سعيدة للغاية بأنْ توافر لديها إنجاز كبير كهذا كي تكرِّمه بأول جائزة من جوائز نوبل.

(٢) اكتشاف النشاط الإشعاعي على يد بيكريل

تلا اكتشافُ النشاط الإشعاعي الطبيعي على يد هنري بيكريل مباشَرةً اكتشافَ أشعة إكس على يد رونتجن، وذلك لسبب جيد. قرأ بيكريل الورقة البحثية التي وصف فيها رونتجن أشعته المختَرِقة الجديدة على أنها نتاج أشعة كاثود تنتج وميضًا فوسفوريًّا أيضًا في زجاج الأنابيب المفرَّغة؛ ففكَّرَ بيكريل في أن المواد التي تنتج وميضًا فوسفوريًّا من خلال الضوء المرئي ربما تنتج إشعاعًا مخترقًا مماثلًا لأشعة إكس؛ وهي نظرية خاطئة أدَّت — على أية حال — إلى اكتشاف مهم.

اختار بيكريل مركب اليورانيوم ذا الوميض الفوسفوري. ولاختبار نظريته، لفَّ صفيحة فوتوغرافية في ورق أسود، ووضع بلورة من مركب اليورانيوم على الصفيحة الملفوفة في الورق، ثم وضع الكل في ضوء الشمس الساطع. وعندما تم تحميض الصفيحة الفوتوغرافية، وجد عليها صورةً لبلورة اليورانيوم، ولأن بيكريل كان عالمًا تجريبيًّا حَذِرًا، فإنه كان يعرف مسبقًا أن الورق الأسود سيحمي الصفيحة الفوتوغرافية من ضوء الشمس، ومن ثَمَّ كان متأكِّدًا من أن ضوء الشمس لم يكن وحده هو الذي أدَّى إلى تعرُّض الصفيحة للضوء، وقد اعتبر التجربةَ تأكيدًا على صحة نظريته.

ثم حدثت مصادفة أو على الأقل تدخُّل من حدثٍ طبيعي، لم يؤدِّ إلى بدء حقبة جديدة في الكيمياء والفيزياء فقط، ولكن أيضًا حقبة جديدة في حياة كل مَن على كوكب الأرض: العصر الذري والنووي. لم تسطع الشمس في باريس لعدة أيام (وهو أمر متكرِّر هناك). ولأن بيكريل كان يعتبر ضوءَ الشمس ضروريًّا لتنشيط الوميض الفوسفوري لبلورة اليورانيوم، أجَّلَ تجارَبَه ووضع البلورة بعيدًا في أحد الأدراج بأعلى صفيحة فوتوغرافية ملفوفة بإحكام.

بعد عدة أيام، قام بيكريل بتحميض الصفيحة التي كانت في الدرج مع بلورة اليورانيوم. وتوقَّعَ أن يجد فقط صورةً ضعيفة للبلورة نتيجةً لكمية الوميض الفوسفوري القليلة المتبقية في بلورة اليورانيوم، لكن بدلًا من ذلك — ويا لدهشته حينها! — كانت الصورة الموجودة على الفيلم قوية كحالها عندما تم تعريض البلورة والفيلم الملفوف لضوء الشمس! وعندئذٍ، توصَّلَ بيكريل إلى الاستنتاج الصحيح: ليس لتأثير ضوء الشمس في إنتاج الوميض الفوسفوري لبلورة اليورانيوم أيَّة علاقة بتعريض الصفيحة الفوتوغرافية المغطَّاة للضوء تحتها، لكن هذا التعرُّض نتج عن بلورة اليورانيوم نفسها، حتى في الظلام.

بدأ بيكريل في اختبار كل العينات المحتوية على اليورانيوم التي كان يستطيع إيجادها للأشعة التي عرَّضت الصفيحة الفوتوغرافية للضوء على الورق الأسود؛ الأشعة التي كان من الواضح أنها ليست أشعة ضوئية عادية. ووجد أنَّ كلَّ مركبِ يورانيوم نقي أو حتى خام اليورانيوم غير النقي له تلك الخاصية. واستطاع قياس الإشعاعات التي تصدر عن تلك المواد باستخدام مكشاف كهربائي؛ لأن الإشعاعات أدت إلى تأيين الهواء الذي مرت عبره. وتقوم فكرة عمل هذا المكشاف على حقيقة أن الشحنات المتشابهة تتنافر. وتُلاحَظ قوة التنافر من خلال انحراف موصل مَرِن يعمل في مقابل قوة إرجاع ميكانيكية.

حدَّدَ بيكريل أن درجة الإشعاع في كل العينات ما عدا عينة واحدة متناسِبة على نحو مباشِر مع نسبة اليورانيوم الموجودة في المركب أو الخام. والاستثناء الوحيد كان في خام يُسمَّى البيتشبليند، الذي أظهر إشعاعًا أكبر عدة مرات من ذلك الخاص باليورانيوم النقي. وأدَّى هذا الاكتشاف إلى استنتاج بيكريل أن هذا الخام يحتوي على شيء إلى جانب اليورانيوم، شيء له نشاط إشعاعي أعلى بكثير من اليورانيوم.

عند هذه النقطة، دخل آل كوري قصة النشاط الإشعاعي (وهو الاسم الذي اختارته ماري كوري لهذه الظاهرة). اقترح بيكريل على ماري سكلودوفسكا كوري أن يكون موضوعُ رسالة الدكتوراه الخاصة بها هو تحديد الشوائب غير المعروفة للنشاط الإشعاعي في خام اليورانيوم المتمثل في البيتشبليند. وبدأت كوري، بمساعدة زوجها الفيزيائي بيير، بحوالي ٥٠ قدمًا مكعبًا من خام البيتشبليند، وعملت على كميات حجمها يصل إلى ٤٠ رطلًا في المرة الواحدة، وقامت بتقليب المزيج المغلي في أحواض من الحديد الزهر ذات قضبان حديدية. ومن خلال هذا الجهد الجبَّار، نجحت في عزل عنصرين جديدين من البيتشبليند، كانَا ذَوَيْ نشاط إشعاعي أكبر من اليورانيوم. وأطلقَا على العنصر الأول اسم البولونيوم، وهو مقتبسٌ من اسم بلد ماري الأصلي وهو بولندا، بينما أطلقَا على العنصر الثاني اسم الراديوم لأسباب واضحة. كان البولونيوم والراديوم ذَوَيْ نشاط إشعاعي أكبر من اليورانيوم بستين وأربعمائة مرة على التوالي. وكان النتاج الكيميائي حوالي جزء واحد من الراديوم من عشرة ملايين جزء من الخام. وأعلن آل كوري عن اكتشافهما لعنصرَي الراديوم والبولونيوم في عام ١٨٩٨، بعد عامين فقط من اكتشاف بيكريل للنشاط الإشعاعي الطبيعي.

تقاسَم ماري وبيير كوري جائزة نوبل في الفيزياء مع بيكريل في عام ١٩٠٣؛ إذ مُنِح بيكريل نصفَ الجائزة نتيجة «اكتشافه النشاط الإشعاع الطبيعي»، وآل كوري النصفَ الآخَر نتيجة «أبحاثهما المشتركة حول الظواهر الإشعاعية المكتشَفة على يد البروفيسور هنري بيكريل».

(٣) النشاط الإشعاعي الصناعي والانشطار النووي

أدَّى اكتشاف بيكريل للنشاط الإشعاعي الطبيعي إلى بدء حقبة جديدة تُعرَف بالعصر الذري والنووي، لكن لم يحدث ذلك مباشَرةً.

لم يكن النشاط الإشعاعي الطبيعي مفهومًا لعدة سنوات؛ فقد احتاج الأمرُ إلى أبحاثِ راذرفورد وسودي وآخَرين ورؤيتهم لاستنتاج طبيعة ومصدر الإشعاع الذي اكتشفه بيكريل وآل كوري، ولاقتراح أنه يتكوَّن من جسيمات (ألفا وبيتا) تنبعث عن نوى الذرات والإشعاع الكهربائي المغناطيسي العالي الطاقة المرتبط بتلك الانبعاثات. وكان اللورد راذرفورد مسئولًا إلى حدٍّ كبير عن إثبات أن كتلة الذرات تتركز بصورة أساسية (أكثر من ٩٩٫٩٪) في مراكزها، وتتكوَّن من جسيمات موجبة وسالبة تُسمَّى البروتونات والنيوترونات. وبدأت أسرار القوة الهائلة للطاقة النووية تتكشف في عام ١٩٣٤ تقريبًا.

في عام ١٩٣٤، اكتشفَتْ إيرين كوري ابنة ماري وبيير، وزوجها فريدريك جوليو، النشاطَ الإشعاعي الصناعي، وأوضَحَا أن جسيمات الألفا، التي اكتشفها راذرفورد كأجزاء من النوى الذرية التي تنتجها العناصر المشعَّة طبيعيًّا، يمكن استخدامها لقذف العناصر غير المشعة وجعلها مشعةً. ووصف البروفيسور آلان لايتمان في مجلة «ساينس ٨٤» العملية دون الذرية قائلًا: «يبدو أن نوًى ذرية مستقرة معينة كان يمكن أن تصبح غير مستقرة إذا أُجبِرت على أخذ جسيمات دون ذرية إضافية. وبدأت هذه النوى الذرية تضطرب، فأطلقت أجزاءً صغيرة منها، تمامًا كما يحدث في النشاط الإشعاع الطبيعي.»

قرَّرَ إنريكو فيرمي، الذي كان حينها في روما، استخدامَ النيوترونات بدلًا من جسيمات الألفا، لقذف العناصر المستقرة، فقذف نواةَ ذرة يورانيوم كبيرة (وهي الشكل النظائري المستقر للعنصر) بتلك الطريقة. وافترض أن القذف بالنيوترونات سينشئ نوًى لعناصر قريبة في الوزن لليورانيوم. ولكن أوتو هان وفريتس شتراسمان، من معهد كايزر فيلهلم في برلين، وجَدَا أنه من بين نواتج قذف اليورانيوم بعض الباريوم، وهو عنصرٌ يبلغ حجم ذراته نصفَ حجم ذرات اليورانيوم. ولأنه لم يكن يوجد باريوم في العينة المقذوفة، فمن الواضح أن بعض نوى اليورانيوم قد انشطر نصفين!

في ديسمبر من عام ١٩٣٨، كتب هان إلى ليزا مايتنر يصف النتيجة غير المتوقَّعة التي توصَّلَ إليها. وكانت مايتنر إحدى الزميلات المقدرات من جانب هان التي عملت معه لمدة ٣٠ عامًا، لكن نظرًا لأنها كانت يهودية، فقد هربت من ألمانيا إبَّان عصر هتلر، إلى السويد قبل ذلك بخمسة أشهر. وفي الكريسماس، زارها ابن عمها أوتو آر فريش، الذي كان أيضًا فيزيائيًّا وزميلًا للفيزيائي الدنماركي الشهير نيلس بور في كوبنهاجن، وناقَش معها خطابَ هان. وبعد بعض الحيرة التي أصابَتْهما أثناء سيرهما في الجليد، تذكَّرَا نظريةَ بور؛ ففي عام ١٩٣٦، أشار بور إلى أن جسيماتِ أيةِ نواة ذرية قد تتصرَّف على نحوٍ جماعيٍّ بحيث قد تتشوَّه النواة ولا تصبح ذات شكل كروي بسبب تصادم من جسيم ما، ولو كان صغيرًا مثل النيوترون. وقد تتغلَّب قوى التنافر في النواة على قوى التجاذب وتنقسم النواة شطرين، مُرسِلة الشطرين وهما يتحركان بسرعة كبيرة مع إصدار قدر هائل من الطاقة. وقد شبَّه النواة الذرية الثقيلة غير المستقرة بقطرة الماء المنهمرة.

عندما عاد فريش إلى كوبنهاجن بعد عدة أيام، استطاع الحديث مع بور بينما كان يستقل إحدى سفن الخط الملاحي السويدي الأمريكي والتي تُسمَّى «إم إس دروتنينجهولم»، متوجِّهًا إلى نيويورك. وأدرك بور على الفور أهميةَ «الانشطار» النووي، وهو مصطلح ابتكَرَه فريش قياسًا على انقسام الخلية في علم الأحياء، والتجربة التي قام بها هان وتفسير مايتنر/فريش لها، بما في ذلك التشبيه الخاص بقطرة الماء. وكان بور في طريقه لحضور مؤتمر في واشنطن العاصمة عن الفيزياء النظرية وحمل إلى هذا المؤتمر تفسيرَ مايتنر وفريش. وبعد ذلك، كتب بور خطابًا قصيرًا إلى محرِّر مجلة «فيزيكال ريفيو»، أشار فيه إلى نظرية القطرة السائلة للانشطار النووي.

سرعان ما تمَّ إدراك الانشطار النووي في التفاعلات المتسلسلة على يد ليو سيلارد في كولومبيا. قدَّرَ بور، الذي كان حينها في برينستن، أن ثمة شكلًا نادرًا واحدًا فقط من اليورانيوم — وهو النظير الذي يُسمَّى يو-٢٣٥، الذي يوجد في الطبيعة بنسبة ١٪ فقط من اليورانيوم الطبيعي — يمكن أن يقوم بالتفاعل المتسلسل. وكان الأمر يتطلب تركيز هذا النظير لبناء مفاعِل متسلسل، وكان بالإمكان فعل هذا وقد تم بالفعل. (سنعرض استخدام التيفلون في إحدى العمليتين المستخدمتين من قِبل الحكومة الأمريكية لتركيز هذا النظير من خلال عرضنا لقصة التيفلون في الفصل السابع والعشرين.) ولحسن الحظ، تمَّتْ هذه العملية في الولايات المتحدة قبل أن تتم في ألمانيا.