Σαν σήμερα... 1919, ο Ράδερφορντ επιτυγχάνει την πρώτη τεχνητή μεταστοιχείωση.

Στην εικόνα φαίνονται οι τροχιές των σωματιδίων μετά
την σύγκρουση α σωματιδίων με πυρήνες αζώτου (Ν).

Σαν σήμερα, στις 3 Ιανουαρίου 1919, ο Ernest Rutherford (Έρνεστ Ράδερφορντ), καθηγητής στο  Πανεπιστήμιο του Manchester τότε και λίγο πριν πάει στο Πανεπιστήμιο του Cambridge, κατάφερε να διασπάσει τεχνητά έναν πυρήνα ατόμου χημικού στοιχείου και για πρώτη φορά να μετατρέψει ένα στοιχείο σε ένα διαφορετικό στοιχείο (τεχνητή μεταστοιχείωση). Πιο συγκεκριμένα, βομβαρδίζοντας πυρήνες αζώτου με σωματίδια άλφα, κατάφερε να δημιουργήσει οξυγόνο με ταυτόχρονη εκπομπή πρωτονίων. Η πυρηνική αντίδραση που συνέβη μπορεί να γραφεί με το παρακάτω σχήμα:      

(Το 1925 θα παρατηρούσαν αυτή την αντίδραση να συμβαίνει κατευθείαν σ' ένα θάλαμο φυσαλίδων). 

Σχηματική αναπαράσταση της πρώτης 
τεχνητής πυρηνικής διάσπασης.

Ας δούμε πώς ο Egon Larsen, στο βιβλίο του "Atomic Energy - A Layman's Guide to the Nuclear Age" ("Ατομική Ενέργεια - Ένας απλοποιημένος οδηγός στην πυρηνική εποχή"), περιγράφει το παραπάνω πείραμα του Ράδερφορντ.

«Τα πειράματα ξεκίνησαν περίπου στις τέσσερις το απόγευμα», θυμάται ένας επιστήμονας τον οποίο ο Ράδερφορντ είχε προσκαλέσει μια μέρα του 1919 για να δει τι έκανε. 

«Πήγαμε στο εργαστήριό του και περάσαμε αρχικά μισή ώρα στο σκοτάδι για να συνηθίσουν τα μάτια μας στην ευαίσθητη κατάσταση που είναι απαραίτητη για τις μετρήσεις. Καθισμένοι εκεί, πίνοντας τσάι, στο αμυδρό φως μιας λεπτής φλόγας αερίου που βρισκόταν στην άλλη άκρη του εργαστηρίου, ακούγαμε τον Ράδερφορντ να μιλάει για όλα τα πράγματα που ήταν στην επικαιρότητα. Η κατάσταση ήταν περίεργα οικεία, αλλά απρόσωπη και όλα αυτά ήταν χρωματισμένα από αυτό το χαρακτηριστικό του Ράδερφορντ να εξετάζει τα λεγόμενα ανεξάρτητα από το πρόσωπο που τα πρότεινε.»

Στη συνέχεια, ο Ράδερφορντ, με το λιτό λευκό παλτό του, έκανε μια τελευταία επιθεώρηση στο εργαστήριό του, που ήταν ένα ψηλό και ευρύχωρο δωμάτιο με τσιμεντένιο πάτωμα.

Σε μια γωνία, υπήρχε η τεράστια στήλη του συμπυκνωτή, η οποία ανέβαινε ψηλά διαπερνώντας την οροφή. Στην άλλη άκρη του δωματίου υπήρχε ένας μεγάλος σωλήνας, στερεωμένος στην κορυφή ενός πάγκου εργασίας, στη μέση μιας μάζας μπλεγμένων ηλεκτρικών καλωδίων. Υπήρχε μια λάμπα τόξου πίσω από το σωλήνα και μπροστά του είχε στηθεί μια οθόνη.

Το εργαστήριο στο Μάντσεστερ, όπου ο Ράδερφορντ
έκανε τα πειράματα για την τεχνητή μεταστοιχείωση. 

«Ξέρετε, μπορεί να ανέβουμε και στην οροφή», προειδοποίησε ο Ράδερφορντ, αλλά το παιδιάστικο χαμόγελο κάτω από το μεγάλο γκριζωπό μουστάκι του διέψευδε τα λεγόμενά του. Οι περσίδες τραβήχτηκαν προς τα κάτω σκεπάζοντας τα μεγάλα παράθυρα από μόλυβδο και τότε γαλαζοπράσινοι σπινθήρες φάνηκαν να αναπηδούν προς και από τον καθοδικό σωλήνα. Η οθόνη άναψε. Στην αρχή δεν υπήρχε τίποτα παρά μόνο μια παχιά γκρίζα ομίχλη. Στη συνέχεια, μερικά μεγάλα αντικείμενα, όπως οι σκιές τεράστιων ψαριών, κινούνταν κατά μήκος της οθόνης σε μια σταθερή ροή.

Ο καθηγητής εξήγησε. Σωματίδια άλφα - πυρήνες ηλίου - εκσφενδονίζονταν μέσω του σωλήνα, στον οποίο είχε δημιουργηθεί τεχνητό νέφος. Ήταν μια προσαρμογή του θαλάμου νεφών Wilson (Ουίλσον), που ήταν γεμάτος με αέριο αζώτου. Ξαφνικά εμφανίστηκε στην οθόνη μια παχιά συνεχόμενη γραμμή, που άλλαζε κατεύθυνση χτυπώντας με τρομερή ταχύτητα. "Αυτό ήταν", είπε ο Ράδερφορντ. «Το άτομο έχει χωριστεί!»

Η παράσταση επαναλήφθηκε – μία φορά, δύο φορές, τρίτη φορά, σε ακανόνιστα διαστήματα. Εκατομμύρια σωματίδια άλφα πέρασαν κατευθείαν μέσα από το αέριο του αζώτου χωρίς να αγγίξουν κανένα από τα άτομα του. Αλλά κάπου κάπου γινόταν ένα άμεσο χτύπημα σε έναν πυρήνα αζώτου, ο οποίος διασπόταν. "Και τώρα τι ακολουθεί μετά από αυτό;" είπε ένας από τους καλεσμένους του Ράδερφορντ. "Ποιος ξέρει;" απάντησε, "Μπαίνουμε σε απάτητα μονοπάτια".»

Το εξώφυλλο του βιβλίου του Egon Larsen,
"Atomic Energy - A Layman's Guide to the Nuclear Age"
(εκδόσεις Hennel Locke, Λονδίνο, 1958).

Βέβαια, το πρωτόνιο δεν ήταν γνωστό τότε. Στην πραγματικότητα ο Ράδερφορντ ταύτιζε την έννοια του πρωτονίου με την έννοια του πυρήνα, στα άτομα υδρογόνου. Ο Ράδερφορντ διαπίστωσε την ύπαρξη πυρήνα υδρογόνου στα προϊόντα της αντίδρασης, επειδή σε προηγούμενα πειράματα που είχε κάνει βομβαρδίζοντας αέριο υδρογόνο με σωματίδια άλφα για να απομονώσει τον πυρήνα από το άτομο του υδρογόνου, είχε παρατηρήσει παρόμοια προϊόντα. Αυτό το αποτέλεσμα έδειξε στον Ράδερφορντ, ότι οι πυρήνες υδρογόνου ήταν μέρος των πυρήνων του αζώτου και πιθανώς μέρος πυρήνων άλλων ατόμων. Μια τέτοια δομή για τους πυρήνες των στοιχείων ο Ράδερφορντ υποπτευόταν από παλιότερα ότι μπορεί να υπάρχει, με βάση τις μετρήσεις των ατομικών βαρών που ήταν ακέραια πολλαπλάσια του ατομικού βάρους του υδρογόνου (υπόθεση Prout). 

Ο Frederick Soddy περίπου το 1902.
(Emilio Segrè Visual Archives - AIP)

Το "ανώμαλο φαινόμενο" που παρατήρησε ο Ράδερφορντ ήταν η παραγωγή σωματιδίων που μπορούσαν να ταξιδέψουν μέσω του αζώτου πιο γρήγορα από τα ίδια τα σωματίδια άλφα και οι σπινθηρισμοί στην οθόνη που έγιναν από αυτά τα σωματίδια έμοιαζαν ίδιοι με εκείνους που δημιουργούνταν από ιόντα υδρογόνου.

Ο ίδιος ο Ράδερφορντ είχε γράψει: "Αν συμβαίνει αυτό, πρέπει να συμπεράνουμε ότι το άτομο του αζώτου αποσυντίθεται κάτω από τις έντονες δυνάμεις που αναπτύσσονται κατά τη σύγκρουση με ένα ταχύ σωματίδιο άλφα και ότι το άτομο του υδρογόνου που απελευθερώνεται αποτελεί ένα συστατικό μέρος του πυρήνα αζώτου."

Αναμνηστικό γραμματόσημο των 7c της Ν. Ζηλανδίας για την
πρώτη μεταστοιχείωση και τον Ράδεφορντ.

Μετά από αυτές τις παρατηρήσεις ο Ράδερφορντ έφτασε στο συμπέρασμα ότι ένας πυρήνας υδρογόνου ήταν πιθανώς ένα θεμελιώδες δομικό στοιχείο όλων των πυρήνων και ενδεχομένως, ένα νέο θεμελιώδες σωματίδιο, καθώς κανένας άλλος από τους μέχρι τότε γνωστούς πυρήνες δεν ήταν ελαφρύτερος από τον πυρήνα του υδρογόνου. Έτσι, ο Ράδερφορντ αξιωματικά δέχτηκε ότι ο πυρήνας υδρογόνου πρέπει να είναι ένα νέο σωματίδιο, το οποίο ονόμασε proton (πρωτόνιο).

Να επισημάνω ότι αρχικά ο Ράδερφορντ νόμιζε ότι γινόταν η παρακάτω αντίδραση:

Χρειάστηκε να περάσει κάμποσος καιρός και αφού πλέον είχε πάρει τη θέση του επικεφαλής του Εργαστηρίου Κάβεντις στο Κέμπριτζ για να καταλήξει σε πιο σωστά αποτελέσματα.

Βέβαια, το φαινόμενο της φυσικής μεταστοιχείωσης είχε ήδη παρατηρηθεί από το 1901, όταν ο Frederick Soddy με τον Ράδερφορντ ανακάλυψαν ότι το ραδιενεργό στοιχείο θόριο μετατρεπόταν από μόνο του σε ράδιο. Λέγεται, ότι τη στιγμή αυτής της διαπίστωσης ο Soddy φώναξε: "Ράδερφορντ, αυτή είναι μια μεταστοιχείωση (transmutation)!"

Τότε ο Ράδερφορντ γύρισε και του είπε: "Για όνομα του Θεού Soddy, μη το λες  μεταστοιχείωση. Θα μας πάρουν τα κεφάλια σαν αλχημιστές."

Πειραματική συσκευή που χρησιμοποίησαν το 1902
ο Ράδερφορντ και ο Soddy για να μετρήσουν τον ρυθμό
της εκπομπής ακτινοβολίας από το φθόριο.

Τελικά, το 1932, μια πλήρως τεχνητή πυρηνική αντίδραση και μεταστοιχείωση επιτεύχθηκε από τους συναδέλφους του Ράδερφορντ, John Cockcroft και Ernest Walton. Αυτοί βομβάρδισαν πυρήνες  λιθίου με επιταχυνόμενα πρωτόνια καταφέρνοντας την παραγωγή δύο σωματιδίων άλφα, σύμφωνα με την αντίδραση

Ο άθλος έγινε γνωστός ως "διάσπαση του ατόμου", αν και δεν ήταν η σύγχρονη αντίδραση πυρηνικής σχάσης που ανακαλύφθηκε το 1938 από τον Otto Hahn, την Lise Meitner και τον βοηθό τους Fritz Strassmann σε βαριά στοιχεία.

Ο Έρνεστ Ράδερφορντ (μέσον) με τους John Cockcroft (αρ.)
και Ernest Walton (δεξ.) το 1932, λίγο μετά την τεχνητή
μεταστοιχείωση που αυτοί πραγματοποίησαν. (NZ Herald Archive) 

Ας δούμε πώς ο Egon Larsen σχολιάζει το πείραμα του Ράδερφορντ στο ίδιο βιβλίο:

«Αυτό που ενδιέφερε τον Ράδερφορντ σε αυτά τα πειράματα ήταν η μετατροπή ενός στοιχείου σ’ ένα άλλο – κάτι που παρείχε την απόδειξη ότι η θεωρία του για το πώς έμοιαζε το άτομο ήταν σωστή.

Όταν ένα άλφα σωματίδιο χτύπησε έναν πυρήνα αζώτου, έβγαλε μερικά από τα επτά πρωτόνια του. Και κάθε ένα από αυτά τα φευγάτα πρωτόνια έγινε ο πυρήνας ενός ατόμου υδρογόνου, το οποίο έχει μόνο ένα πρωτόνιο με ένα ηλεκτρόνιο που περιστρέφεται γύρω του. Έτσι το άζωτο μετατράπηκε σε υδρογόνο!

Αλλά ο Ράδερφορντ απέδειξε μια ακόμη θεωρία, η οποία συνδέθηκε στενά με τον έντονα αμφισβητούμενο ισχυρισμό του Αϊνστάιν - ότι δεν υπάρχει πραγματική διαφορά μεταξύ μάζας και ενέργειας και ότι η καταστροφή της ύλης θα απελευθέρωνε την κρυμμένη ενέργειά της. 

Ήδη το 1905, ο Άλμπερτ Αϊνστάιν είχε τρομάξει τον επιστημονικό κόσμο με την "Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας", με την οποία έδωσε στο φαινόμενο της ραδιοδραστηριότητας μια σημαντική θέση, στο πλαίσιο της νέας εικόνας που παρουσίαζε για το σύμπαν. Εξήγησε ότι, εάν η ύλη μετατραπεί σε ενέργεια με τη διάσπαση των ατόμων, αυτή η διαδικασία θα αντιπροσωπεύεται από την απλή εξίσωση: E = mc² .

Αυτό ακούστηκε εντελώς φανταστικό. Ακόμα και αν η ύλη μπορούσε ποτέ να μετατραπεί σε ενέργεια, σίγουρα η ενέργεια που απελευθερώνεται σε αυτή τη διαδικασία δεν θα ήταν τόσο αδιανόητα μεγάλη! Δεν υπήρχε, φυσικά, τρόπος να αποδείξουμε ή να διαψεύσουμε την εξίσωση του Αϊνστάιν μέχρι που ο Ράδερφορντ έδειξε πώς να χωρίσει το άτομο. Το 1905 κανείς δεν πίστευε πραγματικά ότι η εξίσωση του Αϊνστάιν θα μπορούσε ποτέ να δοκιμαστεί, ότι ο άνθρωπος θα μπορούσε ποτέ να απελευθερώσει τις απίστευτες δυνάμεις που είναι κλειδωμένες στα άτομα της ύλης.

Το Εργαστήριο Φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ, το 1908.

Στη συνέχεια, ο «διαχωρισμός των ατόμων» έγινε σχεδόν μόδα στα εργαστήρια Φυσικής στην Ευρώπη και στην Αμερική. Στη δεκαετία του 1920 οι περισσότεροι από τους ελαφρύτερους πυρήνες διασπόνταν βομβαρδίζοντάς τους με σωματίδια άλφα. Μόνο το Βηρύλλιο, το τέταρτο ελαφρύτερο από τα στοιχεία, αντιστάθηκε σε όλες τις προσπάθειες να διασπαστεί ο πυρήνας του. Αντί να απελευθερώσει ένα από τα τέσσερα πρωτόνια του όταν βομβαρδίστηκε, έδωσε μια έκρηξη ακτινοβολίας πιο διεισδυτική ακόμη και από τις πιο σκληρές ακτίνες γάμμα. 

Ο Σερ Τζέιμς Τσάντγουικ, πάλι στο Εργαστήριο Κάβεντις στο Κέμπριτζ, απέδειξε ότι αυτή η ακτινοβολία πρέπει να αποτελείται από σωματίδια τόσο βαριά όσο τα πρωτόνια, αλλά χωρίς ηλεκτρικό φορτίο. «Εάν υπάρχει ένα τέτοιο ουδέτερο σωματίδιο», είχε πει ο Ράδερφορντ το 1920, «θα πρέπει να είναι σε θέση να κινείται ελεύθερα μέσω της ύλης και μπορεί να είναι αδύνατο να περιοριστεί σε ένα σφραγισμένο σκάφος».

Ήξερε ότι αυτή η ανακάλυψη θα είχε μεγάλη σημασία, γιατί ένα ηλεκτρικά ουδέτερο σωματίδιο θα μπορούσε να εκτοξευθεί σε οποιοδήποτε στόχο χωρίς να προσελκύσει ή να απωθηθεί από πρωτόνια ή ηλεκτρόνια.

1933, το προσωπικό του Εργαστηρίου Κάβεντις στο Κέμπριτζ.
Από αρ. (1η σειρά): Miss Sparshott, J.A. Ratcliffe, G. Stead, J. Chadwick,
G.F.C Searle, Prof. Sir J.J. Thomson, Prof. Lord Rutherford,
Prof C.T.R Wilson, C.D Ellis, Prof. P. Kapitza, P.M.S Blackett, Miss Davies.
(2η σειρά: J.K. Roberts, P. Harteck, R.C. Evans, E.C. Childs, R.A. Smith,
G.P.T Tarrant, L.H. Gray, J.P. Gott, M.L. Oliphant, P.I. Dee,
J.L. Pawsey, C.E. Wynn-Willians.
(3η σειρά:) B.B. Kinsey, F.W. Nicholl, G. Occhialini, E.C. Allberry,
B.M Crowther, B.V. Bowden, W.B. Lewis, P.C. Ho,
E.T.S Walton, P.W. Burbidge, F. Bitter.
(4η σειρά:) C.B.O. Mohr, N. Feather, C.W. Gilbert, D. Shoenberg,
D.E. Lea, R. Witty, Halliday, H.S.W. Massey, E.S. Shire.
(5η σειρά): W.J. Henderson, W.E. Duncanson, P. Wright, G.E. Pringle, H. Miller.
(Από: The Neutron's Discovery - 80 Years on, John D. Rogers)

Το 1932 οι Joliot-Curies μετέτρεψαν το Βηρύλλιο, που είναι μη ραδιενεργό μέταλλο, σε ραδιενεργό, βομβαρδίζοντάς το με ακτίνες. Το αποτέλεσμα ήταν ότι το Βηρύλλιο έγινε ραδιενεργό, ακόμη περισσότερο από την αρχική πηγή των ακτίνων. 

Η εξήγηση του Σερ Τζέιμς Τσάντγουικ ήταν ότι οι πυρήνες του Βηρυλλίου είχαν απελευθερώσει τα μη ηλεκτρισμένα σωματίδια τους, τα οποία ονόμασε νετρόνια. Αργότερα, τα νετρόνια βρέθηκαν να έχουν ελαφρώς μεγαλύτερη μάζα από τα πρωτόνια, αλλά επίσης μπορούσαν να μετατραπούν σε πρωτόνια αποκτώντας ένα θετικό ηλεκτρικό φορτίο.

Σχέδιο της συσκευής που χρησιμοποίησε ο Ράδερφορντ 
για το πείραμα που πέτυχε την πρώτη τεχνητή μεταστοιχείωση.
Διακρίνουμε την πηγή των σωματιδίων α (D) που θα μπορούσε να  
ολισθήσει κατά μήκος του άξονα Β, την σπινθηρίζουσα οθόνη ZnS (F).
(Από Philos. Mag. 37 543)

Η ανακάλυψη του νετρονίου όχι μόνο έλυσε αρκετά προβλήματα που μέχρι τότε είχαν εμποδίσει τις προσπάθειες των επιστημόνων, αλλά έδωσε επίσης ακόμη μεγαλύτερη ώθηση στον διαχωρισμό των ατόμων. Οι Αμερικανοί, ως συνήθως, μπήκαν σ’ αυτή την προσπάθεια με δυναμικό τρόπο. Το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια κατασκεύασε μια τεράστια μηχανή, το κύκλοτρο, για τον επικεφαλής του Εργαστηρίου Ακτινοβολίας, τον καθηγητή Ernest Lawrence, ο οποίος πρόσφατα (τότε) είχε καταλήξει στο συμπέρασμα ότι το βαρύ άτομο του υδρογόνου, που αποτελείται από ένα πρωτόνιο συν ένα νετρόνιο, θα ήταν μια ιδανική βολίδα για να κτυπήσει άλλους πυρήνες-στόχους.»

Το 2019, το Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ για να σηματοδοτήσει την εκατονταετηρίδα της σημαντικής ανακάλυψης του Ράδερφορντ, για πρώτη φορά στην ιστορία του πανεπιστημίου, άνοιξε στο κοινό το ιδιωτικό ερευνητικό εργαστήριο του Ράδερφορντ. Αυτό έγινε στο πλαίσιο μιας ειδικής έκθεσης που ονομάστηκε "Rutherford's Manchester: the birthplace of nuclear physics" ("Το Μάντσεστερ του Ράδερφορντ: η γενέτειρα της πυρηνικής φυσικής").

Τιμητική πλακέτα στο Κολέγιο Canterbury,
του Πανεπιστημίου της Ν. Ζηλανδίας.

• Ένα σύντομο κείμενο "Splitting the Atom" με λεπτομέρειες για το γεγονός της πρώτης τεχνητής μεταστοιχείωσης, από το βιβλίο του E. Larsen  "From Atomic Energy - A Layman's Guide to the Nuclear Age".

• Rutherford's Nuclear World (Ο Πυρηνικός Κόσμος του Ράδερφορντ) - Ένα αφιέρωμα στον Έρνεστ Ράδερφορντ από την American Institute of Physics (AIP).

• Βίντεο "How We Split the Atom" ("Πώς διασπάσπασαμε το άτομο") (αγγλικά, 1:24) από την ιστοσελίδα Complete Unauthorised History of New Zealand.

• Μία από τις 4 σχετικές δημοσιεύσεις του Έρνεστ Ράδερφορντ με τίτλο "LIV. Collision of α particles with light atoms. IV. An anomalous effect in nitrogen", στο περιοδικό "The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science" (Series 6, Volume 37, 1919 - Issue 222).

• "Rutherford, transmutation and the proton" (''Ο Ράδερφορντ, η μετατροπή και το πρωτόνιο"), ένα δημοσίευμα από το cern για το πώς φτάσαμε στην ανακάλυψη του πρωτονίου.

• Ανάρτηση του ερευνητή Paul Coxon στο twitter για την πρώτη τεχνητή μεταστοιχείωση από τον Ράδερφορντ.

Πηγή: Today in Science History