Ανδρέας Ιωάννου Κασσέτας

o James Chadwick

ΠΡΕΛΟΥΔΙΟ ΣΕ ΜΙΑ ΑΝΑΚΑΛΥΨΗ

Εμπειρικά δεδομένα του 1920

Ο δρόμος για την οικοδόμηση της πυρηνικής φυσικής που θα οδηγούσε σε πρώτη φάση στην ανακάλυψη του νετρονίου, στη συνέχεια στη διαμόρφωση μιας θεωρίας για τη ραδιενέργεια β και -σε τρίτη φάση- στην πυρηνική σχάση και στην κατασκευή του πυρηνικού αντιδραστήρα δεν ήταν βέβαια ανθόσπαρτος.

Ανάμεσα στα ποικίλα εμπειρικά δεδομένα που είχαν συσσωρευτεί, κατά το τέλος της πρώτης εικοσαετίας του αιώνα μπορούμε να επιλέξουμε δύο. Τα επιλέγουμε διότι έθεσαν δύο αντίστοιχα ερωτήματα, για τα οποία -σήμερα μπορούμε να διακρίνουμε ότι- οι ποικίλες απόπειρες απάντησης άνοιγαν τον δρόμο προς την ανακάλυψη του νετρονίου.

Το ένα από τα δύο αυτά εμπειρικά δεδομένα είναι

α. Το ότι η έρευνα του φαινομένου ‘’ραδιενεργός διάσπαση β’’ κατέληγε στο συμπέρασμα ότι τα εκπεμπόμενα σωματίδια είναι ηλεκτρόνια

και το άλλο είναι

β. Η βελτίωση την οποία παρουσίασε η τεχνική της επίδρασης μαγνητικού πεδίου σε φορτισμένα αόρατα σωματίδια και οδήγησε στους φασματογράφους μάζας με τους οποίους -για πρώτη φορά από τον Aston στο Cambridge το 1919- προσδιορίστηκαν οι μάζες των πυρήνων των ατόμων.

Απέναντι στα εμπειρικά αυτά δεδομένα τα εύλογα ερωτήματα ήταν:

α. Από πού «ξεφύτρωναν» τα ηλεκτρόνια που εκπέμπονταν κατά τη ραδιενεργό διάσπαση β;

β. Η μάζα κάθε πυρήνα ήταν πολύ μεγαλύτερη από τη συνολική μάζα πρωτονίων ισαρίθμων με τα ηλεκτρόνια Ποια ερμηνεία θα μπορούσε να δοθεί στο γεγονός αυτό;

Ο Niels Bohr κατά το 1920 υποστήριζε ότι τα ηλεκτρόνια που εκπέμπονταν κατά τη ραδιενεργό διάσπαση β ήταν ηλεκτρόνια που προϋπήρχαν στον πυρήνα. Διέκρινε δηλαδή τα ηλεκτρόνια σε πυρηνικά και σε ατομικά.

Η κυρίαρχη ιδέα κατά τη δεκαετία του ’20 ήταν ότι ο πυρήνας κάθε ατόμου αποτελείται από πρωτόνια και ηλεκτρόνια. Τα ηλεκτρόνια ήσαν τόσα ώστε να καθορίζουν το φορτίο του και λόγω της συγκριτικά πολύ μικρής μάζας τους δεν επηρέαζαν τη μάζα του πυρήνα, ενώ τα πρωτόνια ήταν αυτά που καθόριζαν τη μάζα του. Στην περίπτωση λόγου χάριν του αζώτου , ο πυρήνας του περιείχε δεκατέσσερα πρωτόνια και επτά ηλεκτρόνια. Το αρκετά βολικό αυτό μοντέλο προσέφερε ένα είδος απάντησης και στα δύο ερωτήματα.

ΤΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΑ ΤΑ ΕΡΩΤΗΜΑΤΑ Η ΚΥΡΙΑΡΧΗ ΙΔΕΑ

ΔΕΔΟΜΕΝΑ

Η ΠΕΡΙΘΩΡΙΑΚΗ ΙΔΕΑ

Η περιθωριακή ιδέα εμπεριείχε την ύπαρξη ενός ουδέτερου άγνωστου σωματιδίου. Ελάχιστοι ήταν εκείνοι που την υιοθέτησαν, εκείνοι που διαισθάνονταν ότι ‘’κάτι άλλο’’ συνέβαινε. Ανάμεσα τους ο Rutherford και ο συνεργάτης του James Chadwick είχαν ήδη από το 1920 υποθέσει ότι «δεν υπάρχουν ηλεκτρόνια στους πυρήνες» και ότι ενδεχομένως στην πυρηνική ενδοχώρα υπάρχουν ουδέτερα σωματίδια τα οποία -μολονότι το επιχείρησαν- δεν κατάφεραν να εντοπίσουν.

Η συγκεκριμένη διαπλοκή εμπειρικών δεδομένων και θεωρητικών ιδεών συνιστά «έδαφος» από το οποίο η προτεινόμενη εργασία επιδιώκει να «εξορύξει» διδακτικό υλικό. Ιδιαίτερο βάρος αποδίδεται στην αναγνώριση του ότι η εξέλιξη της Επιστήμης δεν προωθείται μόνο με συσσώρευση δεδομένων. Αυτό, κατά τη διδασκαλία του μαθήματος, μπορεί να επιτευχθεί με το να σκηνογραφούνται οι δυσκολίες που αντιμετώπισε η «ανάγνωση» των εμπειρικών δεδομένων.

Μετά όμως το 1927 -χρονολογία κατά την οποία άρχισε να γίνεται αποδεκτή γενικώς η Κβαντομηχανική θεώρηση και ειδικώς η Αρχή της Αβεβαιότητας- παρουσιάστηκαν θεωρητικά εμπόδια τα οποία οδηγούσαν το «βολικό» αυτό μοντέλο σε απόρριψη. Ένα από αυτά είναι ότι η Αρχή της Αβεβαιότητας απαιτεί την ύπαρξη ενός φράγματος δυναμικού πολύ μεγάλης τιμής για να εγκλωβίζει ένα σωματίδιο με τόσο μικρή μάζα όπως το ηλεκτρόνιο σε ένα χώρο με τις διαστάσεις του πυρήνα. Ένα ακόμη εμπόδιο ήταν ότι στην περίπτωση του αζώτου τα πειράματα στη μοριακή φασματοσκοπία είχαν δείξει ότι ο πυρήνας του όφειλε να περιέχει οπωσδήποτε άρτιο αριθμό σωματιδίων που να υπακούουν στην κατανομή Φέρμι ενώ σύμφωνα με το προτεινόμενο μοντέλο ο αριθμός των σωματιδίων –14 πρωτόνια και 7 ηλεκτρόνια- ήταν 21. Παρόλα αυτά, κατά το τέλος της δεκαετία, το συγκεκριμένο μοντέλο έχει γίνει ευρέως αποδεκτό όπως προδίδεται και από τη διατύπωση του καθηγητή Mario Corbino σε διάλεξή του το 1929. «Οι πυρήνες των διαφόρων στοιχείων, όπως έχουμε πει, συγκροτούνται από πρωτόνια ή πυρήνες υδρογόνου και από ηλεκτρόνια». Στην τριετία όμως που ακολούθησε ανακαλύφθηκε το νετρόνιο.

Η ΑΝΑΚΑΛΥΨΗ

Βόμβες ΄΄άλφα’’.

Σε αντίθεση με αυτό που είχε συμβεί πριν από 35 χρόνια με τις ακτίνες Χ –ανακαλύφθηκαν μέσα σε μία νύχτα- για την ανακάλυψη του νετρονίου χρειάστηκαν τέσσερα περίπου χρόνια για να συνειδητοποιηθεί ότι υπάρχει νετρόνιο.

Στο επίπεδο της εργαστηριακής εμπειρίας, οι πειραματιστές κινήθηκαν στο δρόμο που είχε χαράξει ο γέρο Rutherford και ο «πατριάρχης της εργαστηριακής έρευνας» είχε διδάξει τους νεώτερους να αξιοποιούν ως «βλήματα» τα αφειδώς προσφερόμενα (φθάνει να διέθετες κάποιο ραδιενεργό παρασκεύασμα) σωματίδια άλφα. Οι βόμβες άλφα έπαιξαν λοιπόν τον ρόλο του πρωταγωνιστή.

Το 1928 ο Walther Bothe βομβαρδίζοντας βηρύλλιο με σωματίδιο άλφα –προερχόμενα από Πολώνιο- διέκρινε την ύπαρξη μιας πολύ διεισδυτικής δέσμης, την οποία ανίχνευσε με τις καινούριες μεθόδους ηλεκτρικής απαρίθμησης, ενώ ο δάσκαλος Rutherford χρησιμοποιούσε τη μέθοδο των σπινθηρισμών. Η δέσμη ήταν ιδιαίτερα διεισδυτική και η πρώτη ανάγνωση του Μπότε για τη φύση της «έβλεπε» την αόρατη δέσμη ως ακτίνες γ. Αυτό όμως δεν ήταν παρά μία ανάγνωση για την οποία ο Bothe δεν ήταν σίγουρος. Όπως και κάθε στοχαζόμενος πειραματιστής είχε συνείδηση ότι ΣΤΟ ΒΛΕΜΜΑ ΤΗΣ ΑΝΘΡΩΠΙΝΗΣ ΣΚΕΨΗΣ ΥΠΑΡΧΟΥΝ ΠΑΝΤΑ ΚΑΠΟΙΕΣ ΘΕΩΡΗΤΙΚΕΣ ΔΟΜΕΣ. Τι ήταν άραγε η διεισδυτική αυτή ακτινοβολία; Ήταν ακτίνες γάμα ή κάτι άλλο;

αλφα + Βe προκύπτει C + ακτινοβολία (;) (γ ή κάτι άλλο;)

Οι βομβαρδισμοί συνεχίζονται

Τρία περίπου χρόνια αργότερα η Irène Curie και ο Frédéric Joliot επανέλαβαν τους «βομβαρδισμούς» με τη διαφορά ότι οι βόμβες άλφα προέρχονταν από ένα εξαιρετικά ισχυρό παρασκεύασμα Πολωνίου το οποίο συνέβη να διαθέτουν. Ο σκοπός τους ήταν να ερευνήσουν την ίδια διεισδυτική ακτινοβολία, την οποία η κυρίαρχη υποψία την έβλεπε ως ακτίνες γάμα. Στις 18 Ιανουαρίου 1932 ανακοίνωσαν μία καταπληκτική παρατήρηση. Η ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΜΠΟΡΟΥΣΕ ΝΑ ΠΡΟΚΑΛΕΣΕΙ ΕΚΠΟΜΠΗ ΠΡΩΤΟΝΙΩΝ από ένα στρώμα παραφίνης.

άλφα + Βe προκύπτει C + ακτινοβολία (;)

ακτινοβολία (;) + παραφίνη προκύπτει p (ΠΡΩΤΟΝΙΑ)

Στην «ανάγνωση» ωστόσο την οποία επεχείρησαν φανέρωσε απέδειξαν την εμμονή τους στο να αποδείξουν -ντε και καλά- ότι η ακτινοβολία ήταν ακτίνες γάμα. Απεφάνθησαν τελικώς ότι πρόκειται για ακτίνες γ.

Όταν ο James Chadwick στο Cavendish lab, ανέφερε στον Rutherford τη δημοσίευση των Joliot - Curie της 18^ης Ιανουαρίου, λέγεται ότι ο “πατριάρχης” με μία ασυνήθιστη βιαιότητα είπε «δεν το πιστεύω».

Ο Frédéric Joliot και η Irène Curie είχαν ανακαλύψει το «ουδετερόνιο» αλλά δεν μπόρεσαν να κάνουν την ανάγνωση του γεγονότος.

Νετρόνιο του Chadwick

Με το βλέμμα της Σκέψης, ο Chadwick –όπως και ο γέρο Rutherford - είχε δει μέσα στην αόρατη ακτινοβολία αυτό που είχε υποψιαζόταν ως ύπαρξη σε όλη σχεδόν τη δεκαετία : τα ουδέτερα πρωτόνια, τα ουδετερόνια. Το βασικό πρόβλημα που είχε να αντιμετωπίσει ήταν δεν είχε τρόπο να επιδράσει στα χωρίς φορτίο αυτά σωματίδια ώστε να μετρήσει τη μάζα τους με τις μεθόδους ενός φασματογράφου μάζας –επίδραση μαγνητικού πεδίου σε φορτισμένα σωματίδια- με τις οποίες οι Άγγλοι κυρίως πειραματιστές είχαν ήδη μετρήσει τις μάζες των φορτισμένων πυρήνων. Για τη μέτρηση της μάζας των υποτιθέμενων ουδετερονίων χρειαζόταν μία ιδέα διαφορετική. Η καινούρια ιδέα ήταν να προκαλέσει «συγκρούσεις» των ουδετερονίων με πυρήνες γνωστών μαζών των οποίων τις (μετά τη σύγκρουση) ταχύτητες θα μπορούσε να μετρήσει και βάσει των τιμών αυτών να οδηγηθεί σε συμπεράσματα για τη μάζα

Κάθε πειραματική έρευνα είναι ένα σαφάρι στην ενδοχώρα της Πραγματικότητας κατά το οποίο οι αισθήσεις συνεργάζονται με το βλέμμα της ανθρώπινης Σκέψης, είναι μία περιπέτεια στο άγνωστο κατά την οποία τόσο οι προκαταλήψεις του ερευνητή όσο και τα μηνύματα των συσκευών θα τον οδηγήσουν σε μία συγκεκριμένη ανάγνωση.

του υποτιθέμενου ουδετερονίου.

Γι αυτό και επανέλαβε τα πειράματα με το βηρύλλιο κάνοντας, όμως, κάτι παραπάνω από τους γάλλους ερευνητές. Με την αόρατη ακτινοβολία «βομβάρδισε» αρχικά Υδρογόνο. Με το βλέμμα της Σκέψης του «έβλεπε» ‘’κάποιο’’ από τα υποτιθέμενα ουδετερόνια να συγκρούεται με πυρήνα Υδρογόνου και να τον ενεργοποιεί. Επανέλαβε το πείραμα χρησιμοποιώντας -αντί για Υδρογόνο- Ήλιο και στη συνέχεια Άζωτο. Μετρώντας κάθε φορά τις ταχύτητες μετά την σύγκρουση και με βάσει τους νόμους διατήρησης της ορμής και της ενέργειας υπολόγισε τη μάζα του υποτιθέμενου ουδετερονίου. Το αποτέλεσμα τον δικαίωσε. Ήταν σχεδόν ίση με τη μάζα του πρωτονίου. Το «νετρόνιο του Τσάντγουικ» είχε ανακαλυφθεί. Ονομάστηκε ’’νετρόνιο’’.

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

Brown, Ronald A., Humanizing Physics Through Its History στο School Science and Mathematics Vol. 91, No 8 p. 133-140

Galison, Peter. 1997. Image and Logic: A Material Culture of Microphysics. Chicago: Univercity of Chicago Press

Holton, Gerald. .1978. Fermi ’s group and the recapture of Italy ’s place in The scientific Imagination: Case Studies. Cambridge: Cambridge University Press

Holton, Gerald.. 1985. Introduction to Concepts and Theories in Physical Sciences . Princeton, New Jersey: Princeton University Press

Kragh, Helge. 1999. ‘’QUANTUM GENERATIONS ”A Hiistory of Physics in the Twenty Century’’ Princeton, New Jersey, Princeton University Press

Mathhews, Michael R. 1994 Science Teaching: The Role of History and Philosophy of Science, London, Routledge

Miller, Arthur I. 1996. Insights of Genius:. Imagery and Creativity in Science and Art . New York, Springer-Verlag.

Nersessian, Nancy J, 1994. Εννοιολογική δόμηση και διδασκαλία : Ένας ρόλος για την Ιστορία στη Διδακτική των Φυσικών Επιστημών. στο επ. (Β. Κουλαϊδή) Αναπαραστάσεις του φυσικού κόσμου, Αθήνα, Gutemberg

Newman, Harvey and Thomas Ypsilantis, eds. 1996. History of Original Ideas and Basic Discoveries in Particle Physics. New York: Plenum Press

Segré, Emilio.1970. Enrico Fermi:Physicist . Chicago: Chicago University Press

Segré, Emilio.1980. From X-rays to Quarks: Modern Physicists and their Discoveries. San Francisco: W. H. Freeman and Co.

Whitaker, Andrew. 1996. Einstein, Bohr and the Quantum Dilemma. Cambrdge: Cambridge University Press