సోడీ: “రూథర్ఫర్డ్, ఇది మూలకాల రూపాంతరం!”
రూథర్ఫర్డ్: “అయ్యో సోడీ, ఆ మాట అనకు. మనల్ని ‘రసవాదులు’ అంటూ మన పీకలు కోస్తారు!”
— 1901–02 ప్రాంతంలో మెక్గిల్ ప్రయోగశాలలో జరిగిన సంభాషణగా సోడీ దశాబ్దాల తర్వాత గుర్తుచేసుకున్నది.
2003లో కెనడా లోని మెక్గిల్ విశ్వవిద్యాలయ (McGill University) పట్టభద్రులతో ప్రసంగిస్తూ, ప్రఖ్యాత భౌతిక శాస్త్రవేత్త, స్టీవెన్ వైన్బర్గ్ (Steven Weinberg, 1933–2021), శాస్త్ర పరిశోధనలో ఎదగడానికి నాలుగు అమూల్యమైన సలహాలు (Four golden lessons) ఇచ్చాడు. అందులో మొదటి మూడు పరిశోధనకి సంబంధించినవి. నాలుగోది—శాస్త్ర చరిత్రను తప్పక అధ్యయనం చేయమని:
“శాస్త్రవేత్తలుగా మీరు బహుశా ధనవంతులు కాలేరు. మీ స్నేహితులకు, బంధువులకు మీరు అసలేం చేస్తున్నారో అర్థం కాదు. పైగా ‘ప్రాథమిక కణ భౌతికశాస్త్రం’ (Elementary Particle Physics) లాంటి రంగంలో పనిచేస్తుంటే, సమాజానికి తక్షణమే ఉపయోగపడేది ఏదో చేస్తున్నాననే తృప్తి కూడా ఉండదు. కానీ, సైన్స్లో మీరు చేసే పని చరిత్రలో ఒక భాగమవుతోందని గుర్తించడం ద్వారా గొప్ప సంతృప్తి పొందవచ్చు.
“ఒక్కసారి వందేళ్లు వెనక్కి, అంటే 1903వ సంవత్సరానికి వెళ్లండి. 1903లో బ్రిటన్ ప్రధాని ఎవరు, అమెరికా అధ్యక్షుడు ఎవరు అన్నది ఇప్పుడు ముఖ్యమా? నేటికీ నిజంగా ముఖ్యమైనదిగా నిలిచిన విషయం ఏమిటంటే—మెక్గిల్ విశ్వవిద్యాలయంలో ఎర్నెస్ట్ రూథర్ఫర్డ్, ఫ్రెడరిక్ సోడీలు రేడియోధార్మికత స్వభావాన్ని అర్థం చేసుకునే పనిలో ఉన్నారు.
“ఈ పరిశోధనకు సహజంగానే ఆచరణాత్మక ప్రయోజనాలు ఉన్నాయి. కానీ వాటికంటే ఎంతో ముఖ్యమైనవి దాని సాంస్కృతిక ప్రభావాలు. రేడియోధార్మికతను అర్థం చేసుకోవడంతో, ఎన్నో మిలియన్ల సంవత్సరాలు గడిచినా సూర్యుడూ, భూమి అంతర్భాగమూ ఇంకా ఎందుకు వేడిగా ఉన్నాయో భౌతికశాస్త్రవేత్తలు వివరించగలిగారు. భూమి, సూర్యుడూ ఎంతో పురాతనమైనవని అనేకమంది భూవిజ్ఞానవేత్తలు, శిలాజ శాస్త్రవేత్తలు భావించేవారు. ఆ భావనకు ఉన్న ఆఖరి శాస్త్రీయ అభ్యంతరం రూథర్ఫర్డ్, సోడీల పరిశోధనతో తొలగిపోయింది.
“దీని తరువాత క్రైస్తవులు, యూదులు బైబిల్ అక్షరార్థంగా నిజమన్న నమ్మకాన్ని వదులుకోకపోతే, మేధో ప్రపంచానికి తిలోదకాలు ఇవ్వాల్సిన స్థితి వచ్చింది. గెలీలియో నుంచి న్యూటన్, డార్విన్ మీదుగా నేటివరకు మత ఛాందసవాదపు పట్టును మళ్లీ మళ్లీ బలహీనపరుస్తూ వచ్చిన అడుగుల పరంపరలో ఇది ఒక అడుగు మాత్రమే. ఈ రోజుల్లో ఏ వార్తాపత్రిక చదివినా ఈ పని ఇంకా పూర్తికాలేదని తెలుస్తుంది. కానీ ఇది నాగరికతను పెంపొందించే పని—శాస్త్రవేత్తలు గర్వించదగిన పని.”
న్యూజిలాండ్లో ఒక రైతు కుటుంబంలో పుట్టి పెరిగిన రూథర్ఫర్డ్ అణు భౌతికశాస్త్ర గమనాన్నే మార్చివేశాడు. 1938లో కలకత్తాలో జరిగిన ఇండియన్ సైన్స్ కాంగ్రెస్ రజతోత్సవ సమావేశానికి అతనే అధ్యక్షత వహించాల్సింది; కానీ కొన్ని నెలల ముందే మరణించాడు. అతని స్థానంలో అధ్యక్ష బాధ్యతలు చేపట్టిన జేమ్స్ జీన్స్ (James Jeans), రూథర్ఫర్డ్ సిద్ధం చేసిన అధ్యక్షోపన్యాసంలో కొంత భాగాన్ని చదివి వినిపించాడు. రూథర్ఫర్డ్ కృషికి పరిమాణంలోనూ, నాణ్యతలోనూ సాటి వెతకాలంటే “న్యూటన్ వరకు వెనక్కి వెళ్లాలి” అన్నాడు.
ఆ పోలికలో లోతైన అర్థం ఉంది. న్యూటన్ గ్రహాల చలనాల వెనుక ఉన్న నియమాలను గణితంతో బయటపెట్టినట్లే, రూథర్ఫర్డ్ కంటికి కనిపించని పరమాణు అంతరంగాన్ని ప్రయోగాలతో, కొలతలతో ఛేదించాడు. కానీ పరమాణు కేంద్రకాన్ని కనుగొనకముందే, సోడీతో కలిసి మరో విప్లవాత్మక సత్యాన్ని బయటపెట్టాడు—కొన్ని పరమాణువులు శాశ్వతమైనవి కావనీ, రేడియోధార్మిక మూలకాలు స్వయంగా ఇతర మూలకాలుగా రూపాంతరం చెందుతాయనీ చూపించాడు.
రూథర్ఫర్డ్ తొలి దశలో సాధించిన ఆ విజయాల గురించి, మూలకాల రూపాంతరం వెనుక ఉన్న సైన్స్ గురించి ఈ వ్యాసంలో తెలుసుకుందాం. ముందుగా అప్పటి నేపథ్యం.
కంటికి కనిపించని పరమాణు లోకం
1718లో వెలువడిన తన ఆప్టిక్స్ (Opticks) గ్రంథం రెండవ ఆంగ్ల సంచికలోని 31వ ప్రశ్నలో (Query 31) న్యూటన్ పదార్థ స్వభావం గురించి ఒక మౌలికమైన చిక్కును ప్రస్తావించాడు. గురుత్వాకర్షణ, అయస్కాంత, విద్యుత్ ఆకర్షణలు గుర్తించగల దూరాల వరకు పనిచేస్తాయి కాబట్టి వాటి ప్రభావాలు సాధారణ కంటికే కనిపిస్తాయని అన్నాడు. కానీ పదార్థంలోని అతి చిన్న కణాల మధ్య, మన పరిశీలనకు అందనంత స్వల్ప దూరాల్లో పనిచేసే ఆకర్షణ బలాలు కూడా ఉండవచ్చనీ, అవి అప్పటివరకు మన పరిశీలనకు చిక్కకుండా ఉండిపోయి ఉండవచ్చనీ ఊహించాడు. రసాయన చర్యల్లో కనిపించే అనేక మార్పులకు, పదార్థంలోని అతి చిన్న కణాల మధ్య పనిచేసే అలాంటి ఆకర్షణ బలాలే కారణమై ఉండవచ్చా అని న్యూటన్ ప్రశ్నించాడు.
న్యూటన్ ఊహించిన ఆ సూక్ష్మ ప్రపంచం చాలాకాలం మానవ పరిశీలనకు అందకుండా మిగిలిపోయింది. దాదాపు శతాబ్దం తరువాత, 19వ శతాబ్దం ఆరంభంలో జాన్ డాల్టన్ ప్రతిపాదించిన పరమాణు సిద్ధాంతం రసాయనశాస్త్రానికి బలమైన పునాది వేసింది. డాల్టన్ సిద్ధాంతంలో పరమాణువులు పదార్థపు అవిభాజ్యమైన అంతిమ కణాలు; రసాయన చర్యల్లో అవి పుట్టవు, నశించవు; కేవలం కొత్త కూర్పుల్లో అమరుతాయి. ఒక మూలకపు పరమాణువులు మరో మూలకపు పరమాణువులుగా మారవు.
శతాబ్దాలుగా రసవాదులు సీసం వంటి సామాన్య లోహాలను బంగారంగా మార్చాలని ప్రయత్నించారు. ఆధునిక రసాయనశాస్త్రం ఎదిగిన తరువాత అలాంటి మూలకాల రూపాంతరం రసాయన చర్యలతో సాధ్యం కాదన్న భావన బలపడింది. పదార్థాలు కలవవచ్చు, విడిపోవచ్చు, కొత్త సమ్మేళనాలు ఏర్పడవచ్చు; కానీ వాటిని నిర్మించే పరమాణువుల స్వరూపం మాత్రం మారదన్నది రసాయనశాస్త్రపు మౌలిక భావనగా స్థిరపడింది.
అయితే పరమాణువు అంతరంగంలో ఏముందో తెలుసుకోవడానికి అప్పటికి సూక్ష్మదర్శిని పనికిరాదు; దాన్ని నేరుగా తెరిచి చూడగల సాధనమూ లేదు. ఎలక్ట్రాన్ ఆవిష్కరణతో పరమాణువు అవిభాజ్యమైన ఘనగోళం కాదన్న మొదటి ఊహకు తలుపు తెరుచుకుంది. కానీ దాని లోపల ఇంకా ఏమి జరుగుతోందో చూపించే మరో తాళంచెవిని ప్రకృతే— రేడియోధార్మికత రూపంలో— శాస్త్రవేత్తల చేతికి అందించింది.
సూర్యకాంతినుంచి ఎక్స్-రేలా? – బెకెరెల్ అనూహ్య ఆవిష్కరణ
1895 డిసెంబరు 28న విల్హెల్మ్ రోంట్జెన్ (Wilhelm Rontgen) తను కొత్తగా కనిపెట్టిన ఎక్స్-రేల గురించి తొలి పరిశోధనా పత్రాన్ని ప్రచురించాడు. కొత్త సంవత్సరం మొదటిరోజున ఆ పత్రం ప్రతులతో పాటు తాను తీసిన కొన్ని ఎక్స్-రే చిత్రాలను యూరప్లోని ప్రముఖ శాస్త్రవేత్తలకు పంపించాడు. జనవరి 5కే వియన్నా పత్రిక Die Presse ఈ వార్తను ప్రచురించింది. ఆ తర్వాత ఎక్స్-రేల వార్త యూరప్ అంతటా, అక్కడి నుంచి ప్రపంచమంతటా అసాధారణమైన వేగంతో వ్యాపించింది. శాస్త్రవేత్తలనే కాక సామాన్య ప్రజలనూ ఒకేసారి అంతగా ఆకట్టుకున్న ఆవిష్కరణలు సైన్స్ చరిత్రలో చాలా అరుదు. శరీరాన్ని కోయకుండానే లోపలి ఎముకలను చూడగలగడం అప్పటి ప్రజలకు దాదాపు మాయలాగే అనిపించింది. (వివరాలకు “కంప్యూటర్ చిప్ కథ – 13: జె. జె. థామ్సన్ కనుగొన్న ఎలక్ట్రాన్” చూడండి.)
1896 జనవరి 20న ప్యారిస్లోని ఫ్రెంచ్ అకాడమీ ఆఫ్ సైన్సెస్ సమావేశంలోనూ ఎక్స్-రేలే ప్రధాన ఆకర్షణ. ఇద్దరు ఫ్రెంచ్ వైద్యులు తీసిన చేతి ఎముకల ఎక్స్-రే చిత్రాన్ని ప్రసిద్ధ గణితశాస్త్రజ్ఞుడు హెన్రీ ప్వాంకరే (Henri Poincaré, 1854–1912) సభకు చూపించాడు. రోంట్జెన్ పంపిన పరిశోధనా పత్రం ప్రతి కూడా ప్వాంకరేకు నేరుగా అందింది.
ఆ సమావేశంలో భాస్వర పదార్థాలపై పరిశోధనలు చేస్తున్న ఫ్రెంచ్ భౌతికశాస్త్రవేత్త హెన్రీ బెకెరెల్ (Henri Becquerel, 1852–1908) కూడా ఉన్నాడు. ఆ చర్చలో బెకెరెల్ ఒక ముఖ్యమైన ప్రశ్న అడిగాడు: ఎక్స్-రేలు గాజు గొట్టంలో సరిగ్గా ఎక్కడి నుంచి వస్తున్నాయి? కాథోడ్ కిరణాలు గాజును తాకి భాస్వరంగా మెరిసేప్రాంతం నుంచే వస్తున్నాయని ప్వాంకరే చెప్పాడు. అక్కడే బెకెరెల్కు ఒక కొత్త ఆలోచన వచ్చింది: సూర్యకాంతి తగిలి భాస్వరంగా మెరిసే ఇతర పదార్థాలు కూడా ఇలాంటి అదృశ్య కిరణాలను విడుదల చేస్తాయా?
ఈ విషయాన్ని పరీక్షించడానికి బెకెరెల్కు కావలసిన పదార్థం చేతిలోనే ఉంది. భాస్వర పదార్థాల అధ్యయనం అతనికి కొత్త కాదు. అతని తండ్రి ఎడ్మండ్ బెకెరెల్ వాటిని విస్తృతంగా పరిశోధించాడు; ముఖ్యంగా యురేనియం సమ్మేళనాల భాస్వర కాంతిని అధ్యయనం చేశాడు. హెన్రీ కూడా అదే రంగంలో పనిచేశాడు. తన దగ్గర ఉన్న పొటాషియం యురానిల్ సల్ఫేట్ స్ఫటికాలను ఈ కొత్త ప్రయోగానికి ఎంచుకున్నాడు. ఈ స్ఫటికాలు కాంతి తగిలినప్పుడు ప్రకాశంగా మెరుస్తాయి.
ప్రయోగం సులభమైనదే. వెలుతురు లోపలికి పోకుండా ఫొటోగ్రాఫిక్ ప్లేటును రెండు పొరల మందపాటి నల్ల కాగితంతో చుట్టాడు. దానిపైన యురేనియం లవణపు స్ఫటికాలను ఉంచి కొన్ని గంటలు ఎండలో పెట్టాడు. ప్లేటును డెవలప్ చేసినప్పుడు స్ఫటికాలు ఉన్న ప్రాంతంలో గాఢమైన ముద్ర పడింది. కొన్ని ప్రయోగాల్లో స్ఫటికాలకూ ప్లేటుకూ మధ్య పలుచటి లోహపు ఆకారాన్ని ఉంచాడు; కిరణాలను అడ్డుకున్న ఆ లోహపు వస్తువు ఆకారం నీడలా కనిపించింది. కనిపించే సూర్యకాంతి నల్ల కాగితాన్ని దాటలేదు. కాబట్టి యురేనియం స్ఫటికాల నుంచి మరేదో అదృశ్య కిరణం బయలుదేరి కాగితాన్ని దాటి ఫొటోగ్రాఫిక్ ప్లేటును ప్రభావితం చేసిందని బెకెరెల్ భావించాడు. ఫిబ్రవరి 24న అకాడమీ సమావేశంలో ఈ ఫలితాన్ని నివేదించాడు.
దాన్ని మరింత నిర్ధారించడానికి ఫిబ్రవరి 26, 27 తేదీల్లో మరోసారి ప్రయోగాలు సిద్ధం చేశాడు. కానీ ప్యారిస్లో ఎండ సరిగా రాలేదు. యురేనియం స్ఫటికాలను ఫొటోగ్రాఫిక్ ప్లేట్లపై అలాగే ఉంచి, మొత్తం అమరికను తన బల్ల సొరుగులో చీకట్లో పెట్టేశాడు. తరువాతి రోజుల్లోనూ ఎండ రాకపోవడంతో మార్చి 1న—ప్లేటుపై చాలా బలహీనమైన ముద్ర మాత్రమే ఉంటుందని ఊహిస్తూ—వాటిని డెవలప్ చేశాడు.
కానీ కనిపించింది బలహీనమైన ముద్ర కాదు. ప్లేటును డెవలప్ చేసినప్పుడు యురేనియం కిరణాలు తాకిన ప్రాంతం గాఢంగా నల్లబడింది; మధ్యలో పెట్టిన లోహపు క్రాస్ కిరణాలను చాలావరకు అడ్డుకోవడంతో, ఆ నల్లటి ప్రాంతంలో క్రాస్ ఆకారం స్పష్టమైన నీడలా కనిపించింది. సూర్యకాంతి తగలకుండానే, కొన్ని రోజులుగా చీకటి సొరుగులో ఉన్న యురేనియం స్ఫటికాలు ఫొటోగ్రాఫిక్ ప్లేటును బలంగా ప్రభావితం చేశాయి. మార్చి 2న అకాడమీకి ఈ ఫలితాన్ని నివేదించాడు.
బెకెరెల్ ప్రయోగం
మార్చి 9న మూడో నివేదికతో ఈ కొత్త కిరణాల లక్షణాలను మరింత పరిశీలించాడు. ఆ తర్వాత కూడా వారాల తరబడి వివిధ యురేనియం సమ్మేళనాలతో ప్రయోగాలు సాగించాడు. చివరకు మే నెలలో, భాస్వరంగా మెరవని లోహ యురేనియం కూడా అదే అదృశ్య కిరణాలను విడుదల చేస్తుందని చూపించాడు. అప్పుడు మూలం భాస్వరతలో లేదనీ, యురేనియంలోనే ఏదో ప్రత్యేక లక్షణం ఉందనీ మరింత స్పష్టమైంది. మనం ఇప్పుడు రేడియోధార్మికత అని పిలిచే దృగ్విషయానికి అసలు ద్వారం అక్కడ తెరుచుకుంది.
అయినా రోంట్జెన్ ఎక్స్-రేలు కలిగించినంత సంచలనం ఈ “యురేనియం కిరణాలు” వెంటనే కలిగించలేదు. ఎక్స్-రేల వైద్య ప్రయోజనం కళ్లముందే కనిపించింది; కానీ బెకెరెల్ కిరణాల అసలు స్వభావం ఏమిటో, వాటి ప్రాముఖ్యత ఏమిటో అప్పటికి ఎవరికీ అర్థం కాలేదు. శాస్త్రవేత్తల దృష్టి అంతా ఎక్స్-రేలపైనే నిలిచిపోయింది.
1897 నాటికి బెకెరెల్ తన పరిశోధనలని వేరే సమస్యల వైపు మళ్లించాడు. కానీ శాస్త్ర ప్రపంచం పెద్దగా పట్టించుకోని బెకెరెల్ కిరణాలని ఒక గొప్ప అవకాశంగా మార్చుకోవడానికి ఇద్దరు యువ పరిశోధకులు త్వరలోనే రంగంలోకి వచ్చారు.
మేరీ క్యూరీ
“ప్రఖ్యాతులందరిలోనూ, కీర్తి తలకెక్కని ఏకైక వ్యక్తి మేరీ క్యూరీ.” — ఐన్స్టైన్
అలాంటి సమయంలో, ప్యారిస్లో తన డాక్టరేట్ పరిశోధనకు అంశం వెతుకుతున్న పోలిష్ యువ శాస్త్రవేత్త మేరీ క్యూరీ (Marie Curie, 1867–1934) బెకెరెల్ కిరణాలను ఎంచుకుంది. అప్పటికి ఈ కొత్త రంగంలో చదవాల్సిన పరిశోధనా పత్రాలు చాలా తక్కువ; నేరుగా ప్రయోగాల్లోకి దిగవచ్చన్నది కూడా ఆమెను ఆకర్షించింది.
మేరీ అసలు పేరు మార్యా స్క్వోడోవ్స్కా (Maria Skłodowska). ఆమె 1867 నవంబరు 7న, అప్పట్లో రష్యన్ సామ్రాజ్య అధీనంలో ఉన్న పోలాండ్లోని వార్సాలో పుట్టింది. తండ్రి వ్లాడిస్లావ్ గణితం, భౌతికశాస్త్రం బోధించేవాడు. తల్లి బ్రోనిస్వా బాలికల పాఠశాలకు ప్రధానోపాధ్యాయురాలిగా పనిచేసింది. మేరీకి ఎనిమిదేళ్ల వయసులో పెద్దక్క జోఫియా టైఫాయిడ్తో చనిపోయింది; పదేళ్ల వయసులో తల్లి క్షయవ్యాధితో మరణించింది. ఇంట్లో ఆర్థిక ఇబ్బందులు ఉన్నా, తండ్రి పిల్లల్లో చదువు పట్ల, ముఖ్యంగా సైన్స్ పట్ల ఆసక్తిని పెంచాడు.
అప్పటి వార్సా విశ్వవిద్యాలయం మహిళలను చేర్చుకునేది కాదు. అందుకే మేరీ రహస్యంగా నడిచే ‘ఫ్లయింగ్ యూనివర్సిటీ’లో చదువుకుంది. ఉన్నత విద్య కోసం ప్యారిస్ వెళ్లడానికి డబ్బు లేక, ఆమె తన అక్క బ్రోనిస్వాతో ఒక ఒప్పందం చేసుకుంది: ముందుగా మేరీ పోలాండ్లో పని చేసి అక్క వైద్య విద్యకు సహాయం చేయాలి; బ్రోనిస్వా డాక్టర్ అయిన తర్వాత మేరీ చదువుకు తోడ్పడాలి.
ఆ ఒప్పందం ప్రకారం మేరీ మొదట ప్రైవేట్ ట్యూటర్గా, తరువాత కొన్నేళ్లు గవర్నెస్గా పనిచేస్తూ, ఖాళీ సమయంలో గణితం, భౌతికశాస్త్రం, రసాయనశాస్త్రం చదువుకుంది. చివరకు 1891లో, 24 ఏళ్ల వయసులో, ప్యారిస్ చేరి ప్యారిస్ విశ్వవిద్యాలయంలో—సోర్బోన్లో—చేరింది. తీవ్రమైన ఆర్థిక ఇబ్బందుల మధ్య చదువుతూ 1893లో భౌతికశాస్త్రంలో మొదటి స్థానం, 1894లో గణితశాస్త్రంలో రెండో స్థానం సాధించింది.
ఉక్కు అయస్కాంత ధర్మాలను పరిశీలించే పనిలో ఉండగా ప్రయోగశాల స్థలం కోసం వెతుకుతుండగా భౌతికశాస్త్రవేత్త పియేర్ క్యూరీ (Pierre Curie, 1859–1906) పరిచయమయాడు. అప్పటికే పియేర్ అయస్కాంతత్వం, స్ఫటికాలపై ముఖ్యమైన పరిశోధనలు చేశాడు; తన అన్న జాక్వెస్తో కలిసి పైజోఎలక్ట్రిసిటీని (Piezoelectricity) కనుగొన్నాడు. శాస్త్రం పట్ల ఇద్దరికీ ఉన్న మక్కువ వారిని దగ్గర చేసింది. 1895 జూలైలో వివాహం చేసుకున్నారు.
1897 సెప్టెంబరు 12న వారి మొదటి కుమార్తె ఇరేన్ (Irène Curie, తరువాత Irène Joliot-Curie, 1897–1956) పుట్టింది. పసిపాప సంరక్షణతో పాటు మేరీ తన పరిశోధనను కొనసాగించింది. ఇరేన్ ఎదుగుదలను కూడా ప్రయోగశాల నోట్సుల్లాగే జాగ్రత్తగా నమోదు చేసేది. ఇరేన్ పుట్టిన కొద్దివారాలకే పియేర్ తండ్రి వారితో కలిసి ఉండటం మొదలుపెట్టాడు. పాపను చూసుకోవడంలో ఆయన ఎంతో సహాయం చేయడంతో మేరీకి పరిశోధన కొనసాగించడం కొంత సులభమైంది.
బెకెరెల్ కిరణాలను ‘కొలిచిన’ మేరీ క్యూరీ
బెకెరెల్ ప్రధానంగా ఫొటోగ్రాఫిక్ ప్లేట్లపై పడే ముద్రల ద్వారా యురేనియం కిరణాలను గుర్తించాడు. మేరీ సమస్యను మరో విధంగా చూసింది. కిరణాలు ఉన్నాయా లేదా అని చూడటం మాత్రమే కాదు—వాటి తీవ్రతను సంఖ్యల్లో కొలవాలి అనుకుంది.
రేడియేషన్ తగిలినప్పుడు గాలి అయనీకరణం చెంది కొద్దిగా విద్యుత్తును ప్రవహింపజేస్తుంది. మేరీ రెండు సమాంతర లోహపు పలకలను అమర్చి, ఒక పలకపై పరీక్షించాల్సిన పదార్థాన్ని పలుచగా పరిచింది. పలకల మధ్య విద్యుత్ వోల్టేజి పెట్టి, అయనీకృతమైన గాలిలో ప్రవహించే అతి తక్కువ విద్యుత్తుని ఎలక్ట్రోమీటరుతో, పీర్–జాక్వెస్ క్యూరీలు రూపొందించిన పైజోఎలక్ట్రిక్ క్వార్ట్జ్ పరికరంతో కొలిచింది. విద్యుత్తు ఎంత ఎక్కువైతే కిరణాల ప్రభావం అంత ఎక్కువ. దీనితో బెకెరెల్ చూసిన దృగ్విషయం పరిమాణాత్మక శాస్త్రంగా మారింది.
బెకెరెల్ కిరణాలను చూశాడు. మేరీ వాటిని కొలిచింది.
మేరీ క్యూరీ రేడియోధార్మికత కొలత
ఇరేన్కు ఏడు నెలల వయసున్నప్పుడు, 1898 ఏప్రిల్ 12న, మేరీ తనమొట్టమొదటి, ముఖ్యమైన పరిశోధనా పత్రాన్ని ఫ్రెంచ్ అకాడమీ ఆఫ్ సైన్సెస్కు పంపింది. ఆమె అకాడమీ సభ్యురాలు కాకపోవడంతో మాజీ గురువు గాబ్రియేల్ లిప్మన్ ఆ పత్రాన్ని సభలో సమర్పించాడు. అందులో మూడు ముఖ్యమైన ఫలితాలు ఉన్నాయి.
- రేడియో ధార్మికత యురేనియానికే పరిమితం కాదు.
యురేనియం కాకుండా థోరియం సమ్మేళనాలు కూడా ఇలాంటి కిరణాలను విడుదల చేస్తున్నాయని మేరీ స్వతంత్రంగా గుర్తించింది. జర్మన్ శాస్త్రవేత్త కార్ల్ ష్మిట్ (Carl Schmidt) కూడా స్వతంత్రంగా ఇదే విషయాన్ని మేరీ కన్నా కొన్ని వారాల ముందరే కనుగొన్నాడు. - రేడియోధార్మికత రసాయన రూపంపై ఆధారపడటం లేదు.
యురేనియం లోహంగా ఉన్నా, వివిధ సమ్మేళనాల్లో ఉన్నా—కిరణాల తీవ్రత ప్రధానంగా అందులో ఎంత యురేనియం ఉందన్న దానినే అనుసరించింది. అంటే ఈ లక్షణం పరమాణువులు ఒకదానితో ఒకటి ఎలా బంధించుకున్నాయన్న రసాయన నిర్మాణంపై ఆధారపడటం లేదు. ఈ కొలతల నుంచే కిరణాలు వెలువడటం యురేనియం పరమాణువుకే చెందిన లక్షణమని మేరీ నిర్ణయించింది. ఆ లక్షణం నిజానికి పరమాణు కేంద్రకానికి సంబంధించినదని చాలా తరువాత తెలిసింది. - ఈ కొలతే తెలియని మూలకాలను వెతికే సాధనమైంది.
మేరీ కొలిచిన ఒక పిచ్బ్లెండ్ (Pitchblende) నమూనా యురేనియం కంటే మూడింతలకు పైగా చురుకుగా ఉంది. ఇంకా బలమైన ఆధారం చాల్కొలైట్ నుంచి వచ్చింది. ప్రకృతిలో దొరికిన చాల్కొలైట్ చాలా చురుకుగా ఉండగా, అదే సమ్మేళనాన్ని స్వచ్ఛ పదార్థాలతో ప్రయోగశాలలో తయారుచేసినప్పుడు చురుకుదనం చాలా తక్కువగా ఉంది. అంటే సహజ ఖనిజంలోని అదనపు రేడియోధార్మికత చాల్కొలైట్ సమ్మేళనం వల్ల కాదు; అందులో అతి స్వల్పంగా కలిసివున్న మరో పదార్థం వల్ల రావాలి. అది యురేనియం కంటే ఎంతో ఎక్కువ రేడియోధార్మికత కలిగిన, అప్పటివరకు తెలియని మూలకం కావచ్చని మేరీ ఊహించింది.
ఈ తార్కిక అడుగు మేరీ పరిశోధనలో అత్యంత అందమైన భాగం. ఆ తెలియని మూలకం ఎలా ఉంటుందో ఆమెకు తెలియదు; దాని రంగు తెలియదు, రసాయన ధర్మాలు తెలియవు, కంటికి కనిపించేంత పరిమాణంలోనూ లేదు. ఆమె చేతిలో ఉన్న ఒకే జాడ—దాని రేడియోధార్మికత. ఖనిజాన్ని రసాయనికంగా భాగాలుగా విడదీసి, ప్రతి భాగం రేడియోధార్మికతను కొలుస్తూ, ఎక్కువ చురుకుదనం ఉన్న భాగాన్ని మళ్లీ మళ్లీ అనుసరించవచ్చు. అలా రేడియోధార్మికతనే దారి చూపే జాడగా ఉపయోగించి కనిపించని కొత్త మూలకాన్ని వెతికే పద్ధతిని మేరీ రూపొందించింది.
మేరీ సాధించిన కీలకమైన విషయం—ఈ కిరణాలు వెలువడటం పదార్థం ఏ రసాయన సమ్మేళనంలో ఉందన్నదానిపై ఆధారపడదు; అది మూలకపు పరమాణువుకే చెందిన లక్షణమని చూపించడం.
పొలోనియం, రేడియం
మేరీ ప్రయోగ ఫలితాలు పియేర్ క్యూరీని ఎంతగా ఆకర్షించాయంటే, తన స్ఫటికాల పరిశోధనను పక్కనబెట్టి ఆమెతో కలిసి ఆ తెలియని మూలకాన్ని వెతకడం మొదలుపెట్టాడు. యురేనియం అధికంగా ఉండి, ఊహించినదానికంటే ఎంతో ఎక్కువ రేడియోధార్మికత చూపిన పిచ్బ్లెండ్ ఖనిజాన్ని రసాయనికంగా భాగాలుగా విడదీసి, ప్రతి భాగం రేడియోధార్మికతను కొలుస్తూ వారు ముందుకు సాగారు. బిస్మత్తో కలిసి వచ్చే ఒక భాగం అసాధారణంగా చురుకుగా ఉంది. 1898 జూలైలో అందులో కొత్త మూలకం ఉందని ప్రకటించారు. అప్పటికి పోలాండ్ స్వతంత్ర దేశంగా లేదు; రష్యా, జర్మనీ, ఆస్ట్రియా-హంగేరీలు దానిని మూడు భాగాలుగా పంచుకుని పాలించేవి. తన జన్మభూమి పోలాండ్ను ప్రపంచానికి గుర్తుచేయడానికి మేరీ ఆ కొత్త మూలకానికి పొలోనియం (Polonium) అని పేరు పెట్టింది.
అదే ఏడాది డిసెంబరులో బేరియంతో కలిసి వచ్చే మరో భాగంలో ఇంకా బలమైన రేడియోధార్మికత కనిపించింది. పీర్, మేరీ క్యూరీలతో పాటు రసాయనశాస్త్రవేత్త గుస్తావ్ బేమోం (Gustave Bémont) చేసిన పరిశోధనలో కొత్త మూలకానికి ఆధారాలు లభించాయి; డిసెంబరు 26న ముగ్గురూ దాని ఉనికిని ప్రకటించి రేడియం (Radium) అని పేరు పెట్టారు. ఈ పరిశోధనలలోనే మేరీ ఈ దృగ్విషయానికి రేడియోధార్మికత (Radioactivity) అనే పేరు పెట్టింది.
రేడియం ఆవిష్కరణకు త్వరలోనే అసాధారణ ప్రాముఖ్యత వచ్చింది. యురేనియంతో పోలిస్తే అది ఎంతో బలమైన రేడియోధార్మిక పదార్థం కావడంతో, కొత్తగా పుట్టుకొస్తున్న రేడియోధార్మికత పరిశోధనలకు శక్తిమంతమైన కిరణ మూలం దొరికింది. తరువాతి కాలంలో రేడియం, దాని క్షయోత్పత్తుల నుంచి వెలువడే కిరణాలు పరమాణువు అంతరంగాన్ని పరిశీలించే ప్రధాన సాధనాలయ్యాయి—రూథర్ఫర్డ్ పరిశోధనల్లోనూ అవి కీలక పాత్ర పోషించాయి.
రేడియం లవణాన్ని తగినంత శుద్ధంగా వేరు చేసి, అది నిజంగా కొత్త మూలకమేనని రసాయనికంగా నిర్ధారించడం మరో పెద్ద సవాలు. పిచ్బ్లెండ్లో అది అతి స్వల్ప పరిమాణంలోనే ఉండటంతో, యురేనియం తీసేసిన తర్వాత మిగిలే అవశేషాలను టన్నుల కొద్దీ తెప్పించాల్సి వచ్చింది. ఆ పదార్థాన్ని పాత షెడ్లో పెద్ద పాత్రల్లో మరిగిస్తూ, కలుపుతూ, మళ్లీ మళ్లీ రసాయనికంగా విడదీస్తూ మేరీ, పియేర్ కొన్నేళ్ళపాటు శ్రమించారు.
ఈ అసాధారణ పరిశోధన ఒకవైపు సాగుతుండగా, మేరీ జీవితంలో మరో ప్రపంచమూ సమాంతరంగా సాగేది. తన నోట్సులో ఇరేన్ ఎదుగుదల గురించి చిన్నచిన్న వివరాలు రాసుకునేది: 1898 అక్టోబరు 17న, “ఇరేన్ ఇక నాలుగు కాళ్లపై పాకకుండా నడుస్తోంది”; 1899 జనవరి 5న, “ఇరేన్కు పదిహేను పళ్లు!” కొత్త మూలకాల అన్వేషణ ఒకవైపు, పసిపాప మొదటి అడుగులు మరోవైపు—మేరీ జీవితంలో రెండూ ఒకేసారి సాగాయి. ఈ వివరాలను చిన్న కుమార్తె ఈవ్ క్యూరీ తర్వాత రాసిన Madame Curie జీవితచరిత్రలో పొందుపరిచింది.
పరిశోధన, కుటుంబం, బోధన
పరిశోధనతో పాటు కుటుంబానికి ఆదాయం కూడా కావాలి. 1900లో మేరీ ప్యారిస్ సమీపంలోని సెవ్రెస్లో మహిళా ఉపాధ్యాయులకు శిక్షణ ఇచ్చే ప్రతిష్ఠాత్మక ఎకోల్ నార్మాల్ సుపీరియర్ దె జ్యున్ ఫియ్ (École normale supérieure de jeunes filles)లో భౌతికశాస్త్ర అధ్యాపకురాలిగా చేరింది. అక్కడ నియమితురాలైన తొలి మహిళా లెక్చరర్ ఆమె; భౌతికశాస్త్ర పాఠ్యక్రమంలో విద్యార్థినుల చేత స్వయంగా ప్రయోగాలు చేయించే ప్రయోగశాల పనిని ప్రవేశపెట్టిన తొలి అధ్యాపకురాలు కూడా మేరీనే. బోధనకు సమయం వెచ్చిస్తూనే తన డాక్టరేట్ పరిశోధన కొనసాగించింది.
రేడియం వేర్పాటు పద్ధతికి క్యూరీ దంపతులు పేటెంట్ తీసుకోలేదు. ఆ పద్ధతిని వివరంగా ప్రచురించి, ఇతర పరిశోధకులు కూడా స్వేచ్ఛగా ఉపయోగించుకునేలా చేశారు.
1903 జూన్ 25న మేరీ తన Recherches sur les substances radioactives — రేడియోధార్మిక పదార్థాలపై పరిశోధనలు — అనే డాక్టరేట్ థీసిస్ను సోర్బోన్లో సమర్థించింది. ఆ థీసిస్లో అప్పటివరకు రేడియోధార్మికతపై జరిగిన పరిశోధనను ఒక క్రమబద్ధమైన కొత్త శాస్త్రంగా సమీకరించింది.
ఆ రోజు సాయంత్రం తోటి శాస్త్రవేత్త పాల్ లాంజెవిన్ మేరీ డాక్టరేట్ విజయాన్ని పురస్కరించుకుని విందు ఏర్పాటు చేశాడు. అప్పటికి మెక్గిల్లో పనిచేస్తూ ప్యారిస్కు వచ్చిన రూథర్ఫర్డ్ కూడా హాజరయ్యాడు. ఆ రోజు అంతకుముందే అతను క్యూరీల పాత షెడ్ ప్రయోగశాలను చూసి, ఇలాంటి చోట మీరు ఎలా పని చేస్తున్నారని మేరీని ఆశ్చర్యంగా అడిగాడు.
ఆ విందు గురించి రూథర్ఫర్డ్ జ్ఞాపకాల్లో మరో మరపురాని దృశ్యం ఉంది. రాత్రి పదకొండు గంటల ప్రాంతంలో అందరూ తోటలోకి వెళ్లినప్పుడు పియేర్ క్యూరీ ఒక చిన్న గొట్టాన్ని బయటకు తీశాడు. అందులో రేడియం లవణ ద్రావణం ఉంది; గొట్టంలో కొంతభాగానికి జింక్ సల్ఫైడ్ పూత ఉంది. రేడియం నుంచి వచ్చే కిరణాలు జింక్ సల్ఫైడ్ను ప్రకాశింపజేయడంతో, చీకట్లో ఆ గొట్టం వెలిగిపోయింది. అప్పుడే పియేర్ చేతులు ఎర్రబడి, గాయాలతో ఉండటాన్ని రూథర్ఫర్డ్ గమనించాడు. రేడియం కిరణాలు చర్మాన్ని దెబ్బతీస్తాయని అప్పటికే వారికి తెలుసు; కానీ దీర్ఘకాలం ఆ కిరణాలకు గురికావడం ఎంత ప్రమాదకరమో అప్పటికి ఇంకా పూర్తిగా తెలియదు.
పలు నోబెల్ బహుమతుల కుటుంబం
అదే 1903లో జరిగిన మరో సంఘటన అప్పటి శాస్త్ర సంస్థల్లో మహిళల స్థానం ఎంత సంక్లిష్టంగా ఉండేదో చూపిస్తుంది.
1903 నోబెల్ భౌతికశాస్త్ర బహుమతిని బెకెరెల్, పియేర్ క్యూరీలకు పంచి ఇవ్వాలని ప్వాంకరేతో సహా ఇరవైమంది ఫ్రెంచ్ శాస్త్రవేత్తలు నోబెల్ కమిటీకి పంపిన ప్రతిపాదనలో మేరీ పేరు లేదు.
ఈ విషయం తెలిసిన వెంటనే పియేర్ ప్వాంకరే కు రాసి, మేరీని తనతో సమానంగా పరిగణించాలని కోరాడు. యురేనియం, థోరియం, ఖనిజాల రేడియోధార్మికతను అధ్యయనం చేసింది మేరీయేననీ, కొత్త మూలకాల కోసం రసాయనిక అన్వేషణకు శ్రీకారం చుట్టింది ఆమేననీ, రేడియం వేర్పాటులోని క్లిష్టమైన పనిని కూడా ఆమే చేసిందనీ వివరించాడు. ఆమెను తనతో సమానంగా పరిగణించకపోతే, ఆమె కేవలం తన సహాయకురాలే అన్న తప్పుడు భావన కలుగుతుందని రాశాడు. ఆగస్టులో స్వీడిష్ గణితశాస్త్రవేత్త గ్యోస్టా మిట్టాగ్-లెఫ్లర్ (Gösta Mittag-Leffler)కు కూడా ఇదే విషయాన్ని చెప్పి, మేరీ తొలి పరిశోధనే కొత్త పదార్థాల ఆవిష్కరణకు దారి తీసిందనీ, ఆమె వాటా తనదానికంటే తక్కువ కాదనీ స్పష్టం చేశాడు.
చివరకు 1903 నోబెల్ భౌతికశాస్త్ర బహుమతిలో సగం బెకెరెల్కు, మిగిలిన సగం పియేర్, మేరీ క్యూరీలకు సంయుక్తంగా లభించింది. 35 ఏళ్ల వయసులో డాక్టరేట్ పూర్తి చేసిన మేరీ, ఆరు నెలలు కూడా గడవకముందే నోబెల్ విజేతగా నిలిచింది.
1906 ఏప్రిల్ 19న, 46 ఏళ్ల పియేర్ క్యూరీ ప్యారిస్లో వర్షంలో వీధి దాటుతుండగా జారి గుర్రపు బండి కిందపడి అక్కడికక్కడే మరణించాడు. అప్పటికి మేరీకి 38 ఏళ్లు; ఇరేన్కు ఎనిమిదేళ్లు, ఈవ్కు పదహారు నెలలు మాత్రమే. పియేర్ మరణించిన పదకొండు రోజుల తర్వాత మేరీ ఒక డైరీ మొదలుపెట్టి, ఇంకా అతనితోనే మాట్లాడుతున్నట్టుగా తన దుఃఖాన్ని అందులో రాసుకుంది.
ఆ తీవ్ర నష్టంలోనూ మేరీ పరిశోధనను ఆపలేదు. అదే ఏడాది నవంబరు 5న పియేర్ బోధించిన కోర్సును చేపట్టి, సోర్బోన్లో (Sorbonne) బోధించిన తొలి మహిళగా నిలిచింది. జనంతో కిక్కిరిసిన ఆ తొలి తరగతిలో పియేర్కు నివాళి అర్పించే ప్రసంగం చేయకుండా, నేరుగా భౌతికశాస్త్ర పాఠంలోకి వెళ్లింది. 1908లో సోర్బోన్లో తొలి మహిళా ప్రొఫెసర్ అయింది.
1911లో రేడియం, పొలోనియం ఆవిష్కరణకు, రేడియంను వేరు చేసి దాని లక్షణాలను అధ్యయనం చేసినందుకు మేరీ రసాయనశాస్త్రంలో రెండో నోబెల్ బహుమతి పొందింది. రెండు వేర్వేరు శాస్త్ర విభాగాల్లో నోబెల్ పొందిన ఏకైక వ్యక్తిగా ఆమె ఇప్పటికీ నిలిచింది.
ఆ శాస్త్రీయ వారసత్వం మరో తరానికీ చేరింది. కుమార్తె ఇరేన్, అల్లుడు ఫ్రెడెరిక్ జోలియో-క్యూరీ (Frédéric Joliot-Curie) 1934లో కృత్రిమ రేడియోధార్మికతను కనుగొన్నారు. మేరీ ఆ ఆవిష్కరణను చూడగలిగింది. అదే ఏడాది జూలై 4న, 66 ఏళ్ల వయసులో, దీర్ఘకాల రేడియేషన్ ప్రభావంతో వచ్చినదిగా భావించే అప్లాస్టిక్ అనీమియాతో మరణించింది. మరుసటి ఏడాది ఇరేన్, ఫ్రెడెరిక్లకు ఆ ఆవిష్కరణకే రసాయనశాస్త్రంలో నోబెల్ లభించింది.
బెకెరెల్ ఒక కొత్త రకమైన కిరణాన్ని కనుగొన్నాడు. మేరీ క్యూరీ దాన్ని కొలిచింది; అది పరమాణువుకే చెందిన లక్షణమని గుర్తించింది; ఆ కొలతనే కనిపించని కొత్త మూలకాలను వెతికే సాధనంగా మార్చింది. అయినా కొన్ని మౌలిక ప్రశ్నలు మిగిలిపోయాయి: ఈ కిరణాలు అసలు ఏమిటి? ఒక పరమాణువు నుంచి అవి ఎలా బయటకు వస్తున్నాయి?
ఆ ప్రశ్నలను పట్టుకుని ముందుకు వెళ్లిన యువ శాస్త్రవేత్త—ఎర్నెస్ట్ రూథర్ఫర్డ్.
న్యూజిలాండ్ పంట పొలాల నుంచి కేవెండిష్ ప్రయోగశాలకు: ఎర్నెస్ట్ రూథర్ఫర్డ్
ఎర్నెస్ట్ రూథర్ఫర్డ్ (Ernest Rutherford, 1871–1937) కథను అర్థం చేసుకోవాలంటే, అతను పుట్టిన న్యూజిలాండ్ను కొంచెం తెలుసుకోవాలి. 1840లో బ్రిటిష్ ప్రభుత్వ ప్రతినిధులు, న్యూజిలాండ్ స్థానిక పాలినీషియన్ ప్రజలైన మావోరీ (Māori) నాయకులు వైటాంగి ఒప్పందం (Treaty of Waitangi) చేసుకున్నారు. అదే ఏడాది బ్రిటన్ న్యూజిలాండ్పై తన సార్వభౌమాధికారాన్ని ప్రకటించింది; 1841లో న్యూజిలాండ్ ప్రత్యేక బ్రిటిష్ కాలనీ అయింది. ఆ తర్వాత బ్రిటన్ నుంచి వచ్చి స్థిరపడేవారి సంఖ్య వేగంగా పెరిగింది. మావోరీలకు 1867 నుంచే పార్లమెంటులో ప్రత్యేక స్థానాలు కల్పించారు. అయినా వలస పాలన శాంతియుతంగా సాగలేదు. భూమి, సార్వభౌమాధికారం మీద మావోరీలకూ వలస ప్రభుత్వానికీ యుద్ధాలు జరిగాయి; విస్తారమైన మావోరీ భూములను ప్రభుత్వం స్వాధీనం చేసుకుంది.
రూథర్ఫర్డ్ కుటుంబమూ ఈ వలస చరిత్రలో భాగమే. తండ్రి జేమ్స్ కుటుంబం స్కాట్లండ్ నుంచి, తల్లి మార్తా థాంప్సన్ కుటుంబం ఇంగ్లండ్ నుంచి వచ్చాయి. 1871 ఆగస్టు 30న నెల్సన్ సమీపంలోని స్ప్రింగ్ గ్రోవ్—ఇప్పటి బ్రైట్వాటర్—లో ఎర్నెస్ట్ పుట్టాడు. పన్నెండు మంది పిల్లల్లో నాలుగోవాడు. తండ్రి యంత్రాల పనిలో నైపుణ్యమున్నవాడు; తరువాత రైతుగా, అవిసె నార మిల్లు నడిపేవాడిగా జీవించాడు. తల్లి పెళ్లికి ముందు స్కూల్ టీచర్. పిల్లలు చదువుతో పాటు పొలం, ఇంటి, మిల్లు పనుల్లో సాయం చేసేవారు. పనిముట్లు వాడటం, అవసరమైనది తానే తయారుచేసుకోవడం రూథర్ఫర్డ్కు చిన్నప్పటినుంచే అలవాటైంది—తరువాత ప్రయోగశాలలో పరికరాలను తానే తయారుచేసుకునే అతని నైపుణ్యానికి ఈ గ్రామీణ జీవితం పునాది వేసింది.
అతని ఎదుగుదల వరుస విజయాల కథ కాదు. పైచదువులకు స్కాలర్షిప్లే ప్రధాన ఆధారం; నెల్సన్ కాలేజీ, యూనివర్సిటీ స్కాలర్షిప్లు రెండూ రెండో ప్రయత్నంలోనే వచ్చాయి. 1890లో కాంటర్బరీ కాలేజీలో చేరి, 1894 నాటికి బి.ఏ., ఎం.ఏ., బి.ఎస్సి. పూర్తి చేశాడు. డిగ్రీలకన్నా ముఖ్యంగా, అప్పటికే స్వతంత్రంగా ప్రయోగాలు చేసే శాస్త్రవేత్తగా తయారవుతున్నాడు.
కాంటర్బరీలో ప్రత్యేకమైన ఫిజిక్స్ ల్యాబ్ లేదు. మొదట దొరికిన చోటల్లా ప్రయోగాలు చేసేవాడు. అతని గాల్వనోమీటర్లు చిన్న కంపనాలకే కదిలిపోవడంతో, చివరకు లెక్చర్ గదుల కింద రాతి పునాది ఉన్న చిన్న cloakroom అతనికి ఇచ్చారు. అదే తరువాత ప్రసిద్ధమైన Rutherford’s Den.
1894 చివరికి చదువు ముగుస్తోంది; కానీ భవిష్యత్తు స్పష్టంగా లేదు. తాత్కాలికంగా బోధించాడు; శాశ్వత ఉపాధ్యాయ ఉద్యోగాల కోసం చేసిన ప్రయత్నాలు ఫలించలేదు. న్యూజిలాండ్లో ఉన్నత స్థాయి ప్రయోగ పరిశోధనకు అవకాశాలు పరిమితం. విదేశాలకు వెళ్లడమే ముందున్న దారి.
అప్పుడే అతని జీవితాన్ని మార్చిన 1851 Exhibition Science Research Scholarship వచ్చింది. 1851 లండన్ Great Exhibition మిగులు నిధులతో ఏర్పడిన Royal Commission, 1891 నుంచి యువ శాస్త్రవేత్తలకు పరిశోధన చేయడానికి స్కాలర్షిప్లు ఇస్తోంది. 1895లో University of New Zealand ముందుగా ఆక్లండ్ రసాయనశాస్త్రవేత్త జేమ్స్ స్కాట్ మెక్లారిన్ను ఎంపిక చేసింది. కానీ తన ఉద్యోగాన్ని వదులుకోవాల్సి రావడంతో మెక్లారిన్ స్కాలర్షిప్ను తిరస్కరించాడు. అవకాశం రూథర్ఫర్డ్కు వచ్చింది.
(తరువాత హోమీ భాభా కూడా 1851 Commission సహాయం పొందిన శాస్త్రవేత్తల్లో ఒకడు.)
ఈ వార్త వచ్చిన సందర్భం గురించి ప్రసిద్ధమైన కుటుంబ కథ ఉంది. రూథర్ఫర్డ్ తండ్రితో కలిసి పొలంలో బంగాళాదుంపలు తవ్వుతుండగా, తల్లి మార్తా స్కాలర్షిప్ వచ్చిందన్న టెలిగ్రాం తీసుకొచ్చిందట. రూథర్ఫర్డ్ పారను పక్కన పడేసి, “నేను తవ్వే ఆఖరి బంగాళాదుంప ఇదే!” అన్నాడట.
క్రైస్ట్చర్చ్లో చదువుతున్నప్పుడు రూథర్ఫర్డ్ మేరీ జార్జినా న్యూటన్ కుటుంబం ఇంట్లో అద్దెకు ఉండేవాడు. ఇద్దరూ ప్రేమించుకొని, రూథర్ఫర్డ్ ఇంగ్లాండ్కు బయల్దేరేలోపు నిశ్చితార్థం చేసుకున్నారు. స్థిరమైన ఉద్యోగం వచ్చేవరకు పెళ్లి చేసుకోకూడదని నిర్ణయించుకున్నారు.
అదే 1895లో కేంబ్రిడ్జ్ కూడా ఒక ముఖ్యమైన మార్పు చేసింది. అంతకుముందు అక్కడ పరిశోధన చేయడానికి సాధారణంగా కేంబ్రిడ్జ్ పట్టభద్రుడై ఉండాలి. ఇప్పుడు ఇతర విశ్వవిద్యాలయాల పట్టభద్రులనూ పరిశోధన విద్యార్థులుగా చేర్చుకోవడం మొదలుపెట్టింది. ఆ కొత్త వ్యవస్థలో చేరిన తొలి బయటి విద్యార్థుల్లో రూథర్ఫర్డ్ ఒకడు.
1895 ఆగస్టులో 23 ఏళ్ల రూథర్ఫర్డ్ న్యూజిలాండ్ నుంచి బయల్దేరాడు; ప్రయాణంలోనే 24 ఏళ్లు నిండాయి. ప్రత్యేక ఫిజిక్స్ ల్యాబ్ కూడా లేని కాలేజీలో, పరికరాలు తానే తయారుచేసుకుంటూ పరిశోధన నేర్చుకున్న ఆ యువకుడు అక్టోబరులో కేవెండిష్ ప్రయోగశాల తలుపు తట్టాడు.
అక్కడ అతనికి గురువుగా దొరికినవాడు జె. జె. థామ్సన్.
కేంబ్రిడ్జ్ రోజులు: రేడియో తరంగాల నుంచి రేడియోధార్మికత వైపు
1895 అక్టోబరులో కేంబ్రిడ్జ్ చేరుకున్న రూథర్ఫర్డ్, కేవెండిష్ ప్రయోగశాలలో జె. జె. థామ్సన్ పర్యవేక్షణలో పరిశోధన మొదలుపెట్టాడు. న్యూజిలాండ్లో తాను తయారుచేసుకున్న వేగమైన విద్యుత్ స్పందనలను గుర్తించే అయస్కాంత పరికరాన్ని కూడా వెంట తెచ్చుకున్నాడు. కేంబ్రిడ్జ్లో దాన్ని మెరుగుపరచి, హెర్ట్జ్ విద్యుదయస్కాంత తరంగాలను చాలా దూరం నుంచి గుర్తించగల సున్నితమైన డిటెక్టర్గా మార్చాడు. వైర్లెస్ సంకేతాలకు ఆచరణాత్మక ఉపయోగాలున్నాయని అతనికి కనిపించింది.
అప్పటికి న్యూజిలాండ్లో మేరీ అతని కోసం ఎదురుచూస్తోంది. స్థిరమైన ఆదాయం వచ్చేవరకు పెళ్లి చేసుకోకూడదని ఇద్దరూ నిర్ణయించుకున్నారు. కాబట్టి పరిశోధకుడిగా పేరు సంపాదించడం రూథర్ఫర్డ్కు వృత్తిపరమైన ఆశయం మాత్రమే కాదు; అతని వ్యక్తిగత జీవితంతోనూ ముడిపడి ఉంది. 1896 ఫిబ్రవరిలో మేరీకి రాసిన లేఖలో, కొత్త పరిశోధనా విద్యార్థుల్లో తాను పేరు తెచ్చుకుంటే భవిష్యత్తు మెరుగవుతుందని చెబుతూ, “నా అదృష్టమే నీ అదృష్టం” అన్నాడు.
కానీ రూథర్ఫర్డ్ జీవితాన్ని మార్చిన దారి వైర్లెస్ నుంచి రాలేదు. అదే సమయంలో కేవెండిష్లో మరో కొత్త దృగ్విషయం అతని దృష్టిని ఆకర్షించింది—ఎక్స్-రేలు. ఎక్స్-రేలు తగిలినప్పుడు సాధారణంగా విద్యుత్తును ప్రవహింపజేయని గాలి ఎలా వాహకంగా మారుతుందన్న ప్రశ్న జె. జె. థామ్సన్ను ఆకర్షించింది. రూథర్ఫర్డ్ను తనతో కలిసి ఆ సమస్యపై పనిచేయమన్నాడు.
ఇప్పటి భాషలో చెప్పాలంటే, వారి ప్రయోగాలు ఎక్స్-రేలు గాలిని అయనీకరిస్తాయని చూపించాయి: తటస్థ వాయువులో ధన, రుణ విద్యుత్ వాహకాలు—అయాన్లు—ఏర్పడి, విద్యుత్ క్షేత్రంలో వ్యతిరేక దిశల్లో కదలడంతో విద్యుత్తు ప్రవహిస్తుంది. వాటిలో కొన్ని మధ్యలోనే తిరిగి కలిసిపోతాయి. వోల్టేజిని పెంచితే మరిన్ని అయాన్లు ఎలక్ట్రోడ్లకు చేరి విద్యుత్ ప్రవాహం పెరుగుతుంది; ఒక స్థాయి దాటాక దాదాపు అన్నీ చేరడంతో అది ఇక పెరగదు. దీన్నే సంతృప్త విద్యుత్ ప్రవాహం (saturation current) అంటారు. అదే అమరికలో ఈ ప్రవాహం ఎంత ఎక్కువైతే, గాలిలో కిరణాలు కలిగిస్తున్న అయనీకరణ అంత ఎక్కువ. అలా రూథర్ఫర్డ్ కంటికి కనిపించని కిరణాల ప్రభావాన్ని అతి తక్కువ విద్యుత్ ప్రవాహంగా కొలవడంలో నైపుణ్యం సంపాదించాడు.
దాదాపు అదే కాలంలో, మనం ముందే చూసినట్టు, మేరీ క్యూరీ, బెకెరెల్ కిరణాలు గాలిలో కలిగించే అయనీకరణ వల్ల ప్రవహించే విద్యుత్తును కొలతగా ఉపయోగించింది. ఆమె ప్రశ్న—ఏ పదార్థం ఎంత బలంగా కిరణాలను విడుదల చేస్తోంది? ఒకే అమరికలో వేర్వేరు పదార్థాలను పెట్టి విద్యుత్ ప్రవాహాన్ని పోల్చింది. ఆ పరిమాణాత్మక కొలతల్లో థోరియం కూడా ఇలాంటి కిరణాలను విడుదల చేస్తుందని కనిపించింది; పిచ్బ్లెండ్ అసాధారణ చురుకుదనాన్ని గుర్తించడానికి కూడా అదే పద్ధతి ఆమెకు దారి చూపింది.
రూథర్ఫర్డ్కు ఈ కొలత వెనుక ఉన్న భౌతికశాస్త్రం అప్పటికే బాగా తెలుసు—ఎక్స్-రేలతో చేసిన పరిశోధనలో అయనీకృత వాయువుల ప్రవర్తననే అతను అధ్యయనం చేశాడు. 1898లో అదే అయనీకరణ ఆధారిత కొలత పద్ధతిని యురేనియం కిరణాలపై ఉపయోగించాడు. కానీ మేరీ, “ఏ పదార్థం ఎంత బలంగా కిరణాలను విడుదల చేస్తోంది?” అని అడిగితే, రూథర్ఫర్డ్ “ఒకే యురేనియం నమూనా నుంచి వచ్చే కిరణాలన్నీ ఒకే రకమైనవా?” అని ప్రశ్నించాడు.
దాన్ని తెలుసుకోవడానికి అతను చేసిన ప్రయోగం చాలా సూటిగా ఉంది:
యురేనియం కిరణాల ముందు ఒక్కొక్కటిగా పలుచని లోహపు రేకులు పెడుతూ పోతే, ఆ కిరణాల వల్ల విద్యుత్ ప్రవాహం ఎలా తగ్గుతుంది?
రెండు రకాల కిరణాలు – ఆల్ఫా, బీటా
రూథర్ఫర్డ్ రెండు చదరపు జింక్ పలకలను ఒకదానికొకటి సమాంతరంగా, నాలుగు సెంటీమీటర్ల దూరంలో అమర్చాడు. ఒక్కో పలక 20 × 20 సెంటీమీటర్లు. కింది పలక మధ్యలో యురేనియం లేదా దాని సమ్మేళనం (compound) పొడిని పలుచగా పరిచాడు. ఆ పలకను 50 వోల్టుల బ్యాటరీకి కలిపి, పై పలకను సున్నితమైన ఎలక్ట్రోమీటరుకు కలిపాడు.
యురేనియం నుంచి వచ్చే కిరణాలు రెండు పలకల మధ్య గాలిని అయనీకరించడంతో, ఆ గాలి ద్వారా కొద్దిపాటి విద్యుత్ ప్రవాహం ఏర్పడుతుంది. ఎలక్ట్రోమీటరు సూది ఎంత వేగంగా కదులుతోందో చూసి ఆ ప్రవాహాన్ని కొలిచాడు.
ఇప్పుడు యురేనియం మీద అతి పలుచని లోహపు రేకులను ఒక్కొక్కటిగా పెట్టడం మొదలుపెట్టాడు. మొదట డచ్ మెటల్—రాగి, జింక్ మిశ్రమంతో చేసిన అతి పలుచని రేకు—తో ప్రయోగించాడు. తర్వాత ఒక్కొక్కటి 0.0005 సెంటీమీటరు మందం ఉన్న అల్యూమినియం రేకులు వాడినప్పుడు అసలు విషయం మరింత స్పష్టంగా బయటపడింది.
యురేనియం కిరణాల కొలత
అల్యూమినియం రేకు ఏదీ లేనప్పుడు ఎలక్ట్రోమీటరు చూపిన లీకేజీ వేగం నిమిషానికి 182 స్కేలు విభాగాలు. ఒక రేకు పెట్టగానే అది 77కు పడిపోయింది. రెండో రేకుతో 33, మూడోదానితో 14.6, నాలుగోదానితో 9.4 మాత్రమే మిగిలింది.
అంటే మొత్తం 0.002 సెంటీమీటర్ల అల్యూమినియం పెట్టేసరికి విద్యుత్ లీకేజీ 182 నుంచి 9.4కు—దాదాపు 95 శాతం—తగ్గిపోయింది. కానీ అక్కడే ఆశ్చర్యకరమైన విషయం బయటపడసాగింది..
నాలుగు రేకుల తర్వాత ఇంకో ఎనిమిది రేకులు పెట్టినా, లీకేజీ 9.4 నుంచి 7కు మాత్రమే తగ్గింది. అంటే మొదటి కొన్ని రేకులకే దాదాపు పూర్తిగా ఆగిపోయే కిరణాలతోపాటు, అల్యూమినియాన్ని మరింత సులభంగా దాటగల మరో రకం కిరణాలు కూడా ఉన్నాయన్నమాట.
వస్తున్న కిరణాలన్నీ ఒకే స్వభావం గలవైతే, అల్యూమినియం మందం పెరిగే కొద్దీ వాటి తీవ్రత ఒకే శోషణ ధోరణిలో తగ్గాలి. మొదటి మూడు రేకుల వరకు జరిగింది అదే. ప్రతి రేకు పెట్టినప్పుడూ మిగిలిన తీవ్రత సుమారు 42–44 శాతానికి పడిపోయింది. కానీ ఆ తర్వాత ఆ ధోరణి అకస్మాత్తుగా మారింది. నాలుగో రేకు తర్వాత మరిన్ని రేకులు పెట్టినా లీకేజీ చాలా నెమ్మదిగా మాత్రమే తగ్గింది.
రూథర్ఫర్డ్కు దాని అర్థం స్పష్టమైంది. యురేనియం నుంచి వస్తున్నది ఒకే రకమైన కిరణం కాదు. కనీసం రెండు వేర్వేరు రకాల వికిరణాలు కలిసివస్తున్నాయి.
ఆల్ఫా, బీటా కిరణాలు
వాటి అసలు స్వరూపం అప్పటికి తెలియదు. సౌలభ్యం కోసం రూథర్ఫర్డ్ వాటికి గ్రీకు అక్షరాలతో పేర్లు పెట్టాడు:
సులభంగా ఆగిపోయేవి — ఆల్ఫా (α) కిరణాలు.
బాగా చొచ్చుకుపోయేవి — బీటా (β) కిరణాలు.
కేంబ్రిడ్జ్కు వచ్చినప్పుడు రూథర్ఫర్డ్ ప్రధానంగా రేడియో తరంగాలను పట్టుకునే అయస్కాంత డిటెక్టర్తో ప్రయోగాలు చేస్తున్నాడు. మూడేళ్ల తర్వాత అక్కడి నుంచి బయల్దేరేటప్పుడు అతను సాధించింది మరింత ముఖ్యమైనది—యురేనియం నుంచి వెలువడే కిరణాలు కనీసం రెండు వేర్వేరు రకాలవని గుర్తించే పద్ధతి.
1896 అక్టోబరులో మేరీకి రాసిన ఒక లేఖలో, ఏదో ఒక రోజు తాను “అరడజను కొత్త మూలకాలు కనుగొన్నాను” అన్న వార్త విన్నా ఆశ్చర్యపడవద్దని సరదాగా రాశాడు. కొత్త మూలకాలను కనుగొనడం కన్నా ఎంతో మౌలికమైన ప్రశ్నల వైపు తన ప్రయోగాలు తీసుకెళ్తున్నాయని అతనికే అప్పటికి తెలియదు.
ఆల్ఫా కిరణాల అసలు స్వరూపం ఏమిటి? యురేనియం, థోరియంల నుంచి అవి ఎందుకు బయటకు వస్తున్నాయి? ఈ ప్రశ్నలను వెంటబెట్టుకునే రూథర్ఫర్డ్ అట్లాంటిక్ మహాసముద్రాన్ని దాటి కెనడాలోని మెక్గిల్ విశ్వవిద్యాలయానికి చేరుకున్నాడు.
ఈ ఆల్ఫా–బీటా కిరణాల ప్రయోగాలు రూథర్ఫర్డ్ కేంబ్రిడ్జ్లో 1898లోనే చేశాడు; వాటి ఫలితాలు మాత్రం 1899లో ప్రచురితమయ్యాయి.
మెక్గిల్ రోజులు: మూలకాల రూపాంతరం, అర్ధాయుష్షు
1898 సెప్టెంబరులో రూథర్ఫర్డ్ అట్లాంటిక్ మహాసముద్రాన్ని దాటి కెనడాలోని మాంట్రియల్ నగరానికి చేరుకున్నాడు. మెక్గిల్ విశ్వవిద్యాలయం అతణ్ణి మెక్డొనాల్డ్ ప్రొఫెసర్ ఆఫ్ ఎక్స్పెరిమెంటల్ ఫిజిక్స్గా నియమించింది. అప్పుడతని వయసు కేవలం 27 ఏళ్లు.
మెక్గిల్ విశ్వవిద్యాలయ ప్రయోగశాలలో రూథర్ఫర్డ్
కేంబ్రిడ్జ్ను వదిలి యూరప్లోని ప్రధాన శాస్త్రకేంద్రాలకు దూరంగా ఉన్న కెనడాకు వెళ్లాలా అని మొదట రూథర్ఫర్డ్ సందేహించాడు. కానీ మెక్గిల్లో అతనికి దొరికిన సదుపాయాలు అసాధారణమైనవి. పొగాకు వ్యాపారి విలియం మెక్డొనాల్డ్ విరాళంతో 1893లో నిర్మించిన కొత్త ఫిజిక్స్ భవనం అప్పట్లో ప్రపంచంలోనే అత్యుత్తమంగా అమర్చిన శాస్త్ర భవనాల్లో ఒకటిగా పేరుపొందింది. న్యూజిలాండ్లో కోట్లు వేలాడదీసే నేలమాళిగ గదిలో తన పరికరాలు తానే తయారుచేసుకుని పరిశోధన మొదలుపెట్టిన రూథర్ఫర్డ్కు ఇప్పుడు తనదైన ప్రయోగశాల, మంచి పరికరాలు, పరిశోధనకు స్వేచ్ఛ దొరికాయి.
స్థిరమైన ఉద్యోగం రావడంతో తన వ్యక్తిగత జీవితంలోనూ ఎన్నాళ్లుగానో ఎదురుచూస్తున్న నిర్ణయం తీసుకోగలిగాడు. 1900 వేసవిలో న్యూజిలాండ్ తిరిగి వెళ్లి మేరీని వివాహం చేసుకుని, జంటగా మాంట్రియల్కు వచ్చాడు.
గాలి వీచితే మారిపోయే రేడియోధార్మికత
మెక్గిల్ చేరిన వెంటనే రూథర్ఫర్డ్ తనకు కేంబ్రిడ్జ్ నుంచే పరిచయమైన రేడియోధార్మికత పరిశోధనను కొనసాగించాడు. అతని దృష్టి ముఖ్యంగా థోరియం మీద పడింది.
థోరియం ఆక్సైడ్ నుంచి వచ్చే రేడియేషన్ను కొలుస్తున్నప్పుడు ఒక విచిత్రమైన సమస్య ఎదురైంది. యురేనియం రేడియేషన్ స్థిరంగా ఉండేది; కానీ థోరియం కొలతలు మాత్రం ఎప్పటికప్పుడు మారిపోతున్నాయి. ప్రయోగశాల తలుపు తెరిచినా, గాలి వీచినా కొలత తగ్గిపోతుంది. రాబర్ట్ బౌయీ ఓవెన్స్ చేసిన పరిశీలనలు ఈ వింతను రూథర్ఫర్డ్ దృష్టికి తెచ్చాయి.
గాలి రేడియేషన్ను నాశనం చేస్తోందా?
రూథర్ఫర్డ్కు మరో ఆలోచన వచ్చింది. థోరియం దగ్గరే ఉండే ఏదో రేడియోధార్మిక పదార్థాన్ని గాలి అక్కడి నుంచి తీసుకుపోతోందేమో! అలా అయితే ఆ పదార్థం గాలితో దూరంగా వెళ్లినప్పుడు, కొలిచే పరికరం దగ్గర అయనీకరణ తగ్గిపోవాలి; అందుకే విద్యుత్ ప్రవాహం కూడా తగ్గుతుంది.
ప్రయోగాలు చేస్తూ 1900లో అతను ఒక ఆశ్చర్యకరమైన నిర్ణయానికి వచ్చాడు. థోరియం సమ్మేళనాలు కేవలం కిరణాలను మాత్రమే విడుదల చేయడం లేదు; వాటి నుంచి ఒక రేడియోధార్మిక వాయువు కూడా బయటకు వస్తోంది. దానికి అతను ఇమనేషన్ (emanation) అని పేరు పెట్టాడు. గాలి వీచినప్పుడు ఈ వాయువు అక్కడి నుంచి కొట్టుకుపోవడం వల్ల కొలత తగ్గుతోంది.
ఆ ఇమనేషన్ను గాలితో గొట్టంలోకి పంపి, దాని రేడియోధార్మికత కాలంతో ఎలా తగ్గుతోందో కొలిచాడు. సుమారు ఒక నిమిషంలో అది సగానికి పడిపోయింది. ఆ తగ్గుదల ఘాతాంక (exponential) పద్ధతిలో జరుగుతోందని కూడా చూపించాడు. ఈ ఘాతాంక క్షీణత అలాగే కొనసాగితే, ఇరవై నిమిషాల్లో మొదలు పెట్టినప్పటి రేడియోధార్మికతలో దాదాపు పది లక్షల వంతు మాత్రమే మిగులుతుంది.
నేడు ఆ థోరియం ఇమనేషన్ను రాడాన్-220 (²²⁰Rn), లేదా చారిత్రకంగా థోరాన్, అని పిలుస్తాం.
ఒక రేడియోధార్మిక పదార్థంలో క్షీణించకుండా మిగిలిన పరమాణువుల సంఖ్య సగానికి తగ్గడానికి పట్టే కాలాన్నే ఇప్పుడు అర్ధాయుష్షు (Half-life)అంటాం. మరో అర్ధాయుష్షు గడిస్తే మిగిలిన వాటిలో సగం—అంటే మొదటివాటిలో నాలుగో వంతు—మిగులుతుంది.
ఫ్రెడరిక్ సోడీ ప్రవేశం
ఇప్పుడు రూథర్ఫర్డ్ ముందున్న ప్రశ్న భౌతికశాస్త్రానికే పరిమితం కాలేదు. ఈ ఇమనేషన్ అసలు ఏ పదార్థం? థోరియం నుంచి అది ఎలా పుడుతోంది? ఇది తెలుసుకోవడానికి రసాయనశాస్త్ర నైపుణ్యం అవసరం.
మెక్గిల్ కెమిస్ట్రీ విభాగంలో 1900లో ప్రయోగ బోధకుడిగా (demonstrator) చేరిన యువ ఆక్స్ఫర్డ్ రసాయనశాస్త్రవేత్త ఫ్రెడరిక్ సోడీ (Frederick Soddy, 1877–1956) 1901 చివర్లో రూథర్ఫర్డ్తో కలిసి పనిచేయడం మొదలుపెట్టాడు. వారి సన్నిహిత సహకారం కేవలం పద్దెనిమిది నెలలే సాగింది; కానీ ఆ కొద్ది కాలంలోనే తొమ్మిది ముఖ్యమైన పరిశోధనా పత్రాలు వెలువడ్డాయి.
రూథర్ఫర్డ్కు అతి చిన్న విద్యుత్ ప్రవాహాలను కొలిచే అసాధారణ ప్రయోగ నైపుణ్యం ఉంది. సోడీకి పదార్థాలను రసాయనికంగా విడదీసి గుర్తించే నేర్పు ఉంది. ఈ రెండు నైపుణ్యాలు కలవడంతో రేడియోధార్మికత అసలు రహస్యం బయటపడటం మొదలైంది.
వారు థోరియం ఇమనేషన్ రసాయనికంగా ఎలా ప్రవర్తిస్తుందో తెలుసుకోవడానికి దాన్ని అనేక పదార్థాలతో చర్యకు గురిచేశారు. ఎర్రగా వేడిచేసిన ప్లాటినం బ్లాక్, పల్లాడియం బ్లాక్, జింక్ పొడి, మాగ్నీషియం పొడి వంటి పదార్థాల మీదుగా పంపారు. ఇమనేషన్ వాటితో రసాయన చర్య జరిపినా, వాటిలో చిక్కుకుపోయినా, అవతలి వైపు వచ్చే ఇమనేషన్ తగ్గాలి. కానీ అలా జరగలేదు—దాని సహజ రేడియోధార్మిక క్షయం వల్ల వచ్చే తగ్గుదల తప్ప, దాదాపు అంతే ఇమనేషన్ అవతలి వైపు వచ్చింది. ఈ అసాధారణ రసాయన జడత్వం అప్పుడే కొత్తగా కనుగొన్న ఆర్గాన్ కుటుంబానికి చెందిన వాయువులను గుర్తుచేసింది. రూథర్ఫర్డ్–సోడీ చివరకు ఇమనేషన్ రసాయనికంగా జడమైన వాయువని తేల్చారు.
కానీ అంతకంటే పెద్ద ఆశ్చర్యం ఇంకా ముందుంది.
థోరియం-X: 1902 జనవరిలో కనిపించిన ఆశ్చర్యం
థోరియం నైట్రేట్ ద్రావణానికి అమ్మోనియా కలిపితే థోరియం హైడ్రాక్సైడ్గా కింద అవక్షేపమవుతుంది. దాన్ని వడగట్టిన తర్వాత మిగిలిన ద్రావణంలో థోరియం దాదాపు లేకపోయినా, ఆ ద్రావణాన్ని ఆవిరి చేసి పొందిన అతి స్వల్ప అవశేషం అసాధారణంగా ఎక్కువ రేడియోధార్మికత చూపించింది. సమాన బరువున్న థోరియం ఆక్సైడ్తో పోలిస్తే అది కొన్ని సందర్భాల్లో వెయ్యి రెట్లకు పైగా చురుకుగా ఉంది.
దాని అసలు స్వరూపం తెలియక, క్రూక్స్ అంతకుముందు యురేనియం నుంచి వేరుచేసిన పదార్థానికి Uranium-X అని పేరు పెట్టినట్టే, రూథర్ఫర్డ్–సోడీలు దీనికి Thorium-X (ThX) అని పేరు పెట్టారు.
1901 క్రిస్మస్కు కొద్దిరోజుల ముందు సోడీ ThXను థోరియం నుంచి వీలైనంత పూర్తిగా వేరుచేశాడు. ఒక ప్రయోగంలో ThXను తీసేసిన తర్వాత మిగిలిన థోరియం హైడ్రాక్సైడ్ రేడియోధార్మికత సాధారణ విలువలో సుమారు 36 శాతానికి పడిపోయింది; వేరుచేసిన ThX మాత్రం అత్యంత చురుకుగా ఉంది.
ఆ నమూనాలను క్రిస్మస్ సెలవులంతా అలాగే వదిలేశారు. దాదాపు మూడు వారాల తర్వాత, 1902 జనవరిలో, మళ్లీ కొలిచేసరికి పరిస్థితి తలకిందులైంది.
వేరుచేసిన ThXలో రేడియోధార్మికత దాదాపు అంతా పోయింది.
కానీ—రేడియోధార్మికత కోల్పోయిన అసలు థోరియం మళ్లీ దాదాపు తన పాత స్థాయికి చేరుకుంది.
అది ఎలా సాధ్యం? ThXను వేరుచేసిన తర్వాత థోరియం తన రేడియోధార్మికతను తిరిగి ఎలా సంపాదించింది?
ఒకటే సమాధానం కనిపించింది: థోరియం నుంచి నిరంతరం కొత్త ThX పుడుతూ ఉండాలి.
ఈ అనుమానాన్ని పరీక్షించడానికి వారు వరుసగా కొలతలు చేశారు. వేరుచేసిన ThX రేడియోధార్మికత కాలంతో తగ్గుతుంటే, దాన్ని తీసేసిన థోరియం చురుకుదనం మళ్లీ పెరుగుతోంది. మొదటి రెండు రోజుల కొలతల్లో కొంత అసమానత కనిపించినా, ఆ తర్వాత రెండు మార్పులూ దాదాపు ఒకదానికొకటి సరిపోయాయి. ThX రేడియోధార్మికత సుమారు నాలుగు రోజుల్లో సగానికి పడిపోయింది; అదే నాలుగు రోజుల్లో థోరియం తాను కోల్పోయిన చురుకుదనంలో సుమారు సగాన్ని తిరిగి సంపాదించింది.
మరింత సమర్థంగా ThXను వేరు చేసిన కొలతల్లో థోరియం చురుకుదనం కనిష్ఠంగా దాదాపు 25 శాతానికి పడిపోయింది. క్రింది గ్రాఫ్లో చూపింది రూథర్ఫర్డ్ తరువాత ఉపయోగించిన ఆ 25 శాతం స్థాయినే.
థోరియం నుంచి నిరంతరం కొత్త థోరియం-X
థోరియం నుంచి కొత్త రేడియోధార్మిక పదార్థం నిరంతరం పుడుతోంది; అది కొంతకాలం తర్వాత స్వయంగా మారిపోతోంది.
నేడు Thorium-X అనేది రేడియం-224 (²²⁴Ra) అని మనకు తెలుసు.
పరమాణువూ రూపాంతరం చెందగలదు
ఇక్కడ రూథర్ఫర్డ్, సోడీలు వేసిన తార్కికమైన అడుగు వారి ప్రయోగాలకన్నా గొప్పది.
మేరీ క్యూరీ అప్పటికే రేడియోధార్మికత పదార్థం ఏ రసాయన సమ్మేళనంలో ఉన్నా మారని, పరమాణువుకే చెందిన లక్షణమని చూపించింది. ఇప్పుడు రూథర్ఫర్డ్–సోడీల ప్రయోగాల్లో ఆ రేడియోధార్మికతతో పాటు కొత్త రకం పదార్థం కూడా పుడుతోంది అని తెలిసింది.
అయితే మార్పు ఎక్కడ జరుగుతోంది?
వారి 1902 పత్రంలో రూథర్ఫర్డ్–సోడీలు స్పష్టంగా తేల్చారు: రేడియోధార్మికత పరమాణువుకే చెందిన లక్షణం; దానితో పాటు కొత్త పదార్థాలు పుడుతున్నాయి కాబట్టి, ఈ మార్పు పరమాణువు లోపలే జరుగుతూ ఉండాలి. రేడియోధార్మిక మూలకాలు స్వయంగా రూపాంతరం చెందుతున్నాయి.
ఇది అప్పటి రసాయనశాస్త్రంలోని ఒక మూల భావనను కూల్చేసింది. రసాయన చర్యల్లో పరమాణువులు ఒకదానితో ఒకటి కలుస్తాయి, విడిపోతాయి; కానీ ఒక మూలకపు పరమాణువు మరో మూలకపు పరమాణువుగా మారదని భావించేవారు. థామ్సన్ ఎలక్ట్రాన్ను కనుగొనడంతో పరమాణువు అవిభాజ్యమన్న పాత భావన అప్పటికే దెబ్బతింది. ఇప్పుడు రూథర్ఫర్డ్–సోడీలు అంతకంటే మరో పెద్ద మార్పును సూచిస్తున్నారు: పరమాణువు లోపల మార్పు జరిగి, మూలకమే రూపాంతరం చెందగలదు.
కొన్ని రేడియోధార్మిక పరమాణువులు ఎప్పటికీ అదే మూలకంగా ఉండవు. అవి స్వయంగా రూపాంతరం చెంది మరో మూలకంగా మారగలవు.
శతాబ్దాలుగా రసవాదులు రసాయనిక పద్ధతులతో సాధించాలని కలలు కన్న మూలకాల రూపాంతరం (transmutation) ప్రకృతిలో నిజంగానే జరుగుతోంది—కానీ వారు ఊహించిన విధంగా కాదు.
వ్యాసం మొదట్లో ఉటంకించిన సోడీ జ్ఞాపకం ఈ సందర్భానికే చెందింది. అయితే అతను ఈ సంఘటనను దాదాపు అర్ధశతాబ్దం తర్వాత గుర్తుచేసుకున్నాడు. కాబట్టి ఆ మాటలను అక్షరాలా నమోదైన సంభాషణగా కాక, ఆ కాలంలో “transmutation” అన్న పదం ఎంత సంచలనంగా వినిపించేదో చూపించే జ్ఞాపకంగా తీసుకోవాలి.
రూథర్ఫర్డ్–సోడీల ప్రయోగాల నుంచి ఒక కొత్త చిత్రం రూపుదిద్దుకుంది: రేడియోధార్మిక రూపాంతరం ఒక్క దశతోనే ముగియకపోవచ్చు; ఒక రూపం నుంచి మరొక రూపానికి వరుసగా మారుతూ పోవచ్చు. 1905లో వెలువడిన తన Radio-Activity రెండో ప్రచురణలో, అప్పటికి తెలిసిన థోరియం రూపాంతర శ్రేణిని రూథర్ఫర్డ్ ఇలా చూపించాడు:
థోరియం రూపాంతర శ్రేణి
యురేనియం, థోరియం వంటి సహజ భారీ రేడియోధార్మిక మూలకాల క్షయ శ్రేణుల్లో వరుసగా ఆల్ఫా, బీటా క్షయాలు జరుగుతూ, చివరకు స్థిరమైన సీసం ఐసోటోపులు ఏర్పడతాయి. ఉదాహరణకు, థోరియం-232 శ్రేణి చివరకు స్థిరమైన సీసం-208 (²⁰⁸Pb)గా ముగుస్తుంది.
రేడియోధార్మిక క్షయ నియమం: అర్ధాయుష్షు
ఈ రూపాంతరాలు ఎంత వేగంగా జరుగుతాయో కొలవడం రూథర్ఫర్డ్–సోడీల మరో ముఖ్యమైన అడుగు.
సాధారణంగా మనం రోజుకు వంద రూపాయల చొప్పున ఒకే మొత్తాన్ని ఖర్చు చేయవచ్చు. రేడియోధార్మిక క్షయం అలా జరగదు. చాలా పెద్ద సంఖ్యలో పరమాణువులున్న నమూనాలో, ప్రతి సమాన కాలవ్యవధిలో అప్పటికి మిగిలి ఉన్న పరమాణువుల్లో సుమారు ఒకే నిష్పత్తి క్షయిస్తుంది.
అందువల్ల, ప్రతి అర్ధాయుష్షు గడిచిన తర్వాత మిగిలే పరమాణువుల సంఖ్య:
100% → 50% → 25% → 12.5% → …
అంటే ప్రతి అర్ధాయుష్షులో అదే సంఖ్య క్షయించదు; అప్పటికి మిగిలి ఉన్న పరమాణువుల్లో సగం క్షయిస్తుంది. మిగిలి ఉన్న పరమాణువుల సంఖ్య సగానికి తగ్గడానికి పట్టే కాలాన్నే అర్ధాయుష్షు (Half-life, T₁/₂) అంటారు.
రూథర్ఫర్డ్ 1900లోనే థోరియం విడుదల చేసే ఇమనేషన్ తీవ్రత సుమారు ఒక నిమిషంలో సగానికి పడిపోతుందని కొలిచాడు. తరువాత రూథర్ఫర్డ్–సోడీల పరిశోధనల్లో ప్రతి రేడియోధార్మిక పదార్థానికి తనదైన క్షయ వేగం ఉంటుందని స్పష్టమైంది.
రేడియోధార్మిక క్షయం ఒక సరళమైన నియమంపై ఆధారపడి ఉంటుంది: ఏ క్షణంలోనైనా క్షయమయ్యే వేగం, ఆ క్షణంలో మిగిలి ఉన్న పరమాణువుల సంఖ్య \(N\) కు అనులోమానుపాతంలో ఉంటుంది. అతి స్వల్ప కాల వ్యవధి \(dt\) లో జరిగే పరమాణువుల సంఖ్యలోని మార్పు \(dN\) ను అవకలన సమీకరణంగా (differential equation) ఇలా రాస్తాం:
$$\frac{dN}{dt}=-\lambda N$$
(ఇక్కడ రుణ గుర్తు కాలం గడిచేకొద్దీ పరమాణువుల సంఖ్య తగ్గుతోందని సూచిస్తుంది; \(\lambda\) ఆ మూలకపు క్షయ స్థిరాంకం).
ఈ సమీకరణాన్ని ప్రారంభ సమయం \(t = 0, N = N_0\) నుంచి \(t\) కాలం వరకు సమాకలనం (integrate) చేస్తే తుది క్షయ నియమం వస్తుంది:
$$N(t)=N_0e^{-\lambda t}=N_0\left(\frac{1}{2}\right)^{t/T_{1/2}}$$
రేడియోధార్మిక క్షయ నియమం
ప్రకృతిలో ఎన్నో రకాల గడియారాలు
వేర్వేరు రేడియోధార్మిక ఐసోటోపుల అర్ధాయుష్షులు ఎంత భిన్నంగా ఉంటాయో చూస్తే ప్రకృతిలోని వైవిధ్యం ఆశ్చర్యం కలిగిస్తుంది:
- పొలోనియం-212: సెకనులో పది లక్షల వంతు కన్నా తక్కువ (సుమారు 0.3 మైక్రోసెకన్లు).
- రాడాన్-220: సుమారు 56 సెకన్లు (నాడు రూథర్ఫర్డ్ కొలిచిన థోరియం ఇమనేషన్ ఇదే).
- రేడియం-226: సుమారు 1,600 సంవత్సరాలు.
- యురేనియం-238: సుమారు 447 కోట్ల సంవత్సరాలు (ఇది దాదాపు మన భూమి వయస్సుతో సమానం).
ఈ అర్ధాయుష్షులే ప్రకృతి మనకు అందించిన సహజమైన గడియారాలు. ఒక వస్తువు వయస్సును కొలవాలంటే, దానికి తగిన అర్ధాయుష్షు ఉన్న ఐసోటోపును ఎంచుకోవాలి. ఒక నిమిషపు గడియారంతో కోట్ల సంవత్సరాలను కొలవలేనట్టే, వందల కోట్ల సంవత్సరాల గడియారంతో కొన్ని రోజుల మార్పును కొలవలేం.
రూథర్ఫర్డ్–సోడీల రేడియోధార్మిక క్షయ నియమం శిలల వయస్సును నిర్ణయించే రేడియోధార్మిక వయోనిర్ణయ పద్ధతులకు (radiometric dating) భౌతిక పునాది వేసింది. రూథర్ఫర్డ్ రేడియోధార్మిక క్షయాన్ని శిలల వయస్సును కొలిచే గడియారంగా ఉపయోగించవచ్చని సూచించాడు. 1907లో అమెరికన్ రసాయనశాస్త్రవేత్త బెర్ట్రం బోల్ట్వుడ్ (Bertram Boltwood) యురేనియం–సీసం నిష్పత్తి ఆధారంగా పురాతన శిలల వయస్సులను లెక్కగట్టి ప్రచురించాడు. అతని లెక్కల్లో కొన్ని శిలల వయస్సు 200 కోట్ల సంవత్సరాలకు పైగా వచ్చింది—అప్పటి అంచనాలతో పోలిస్తే ఆశ్చర్యకరంగా పెద్ద సంఖ్య.
ఇక్కడ మన వ్యాసం మొదట్లో వైన్బర్గ్ చెప్పిన విషయానికి తిరిగి వద్దాం. 19వ శతాబ్దంలో భూమి వయస్సు గురించి పెద్ద వివాదం ఉండేది. భూమి మొదట వేడిగా ఏర్పడి, అప్పటినుంచి కేవలం ఉష్ణవాహకత ద్వారా చల్లబడుతోందని భావించి లార్డ్ కెల్విన్ (Lord Kelvin) దాని వయస్సును లెక్కగట్టాడు. 1862లో అతను సుమారు 2 కోట్ల నుంచి 40 కోట్ల సంవత్సరాల మధ్య విస్తృతమైన అంచనా ఇచ్చాడు; తరువాత తన లెక్కలను సవరించుకుంటూ, 19వ శతాబ్దం చివరికి దాన్ని సుమారు 2–4 కోట్ల సంవత్సరాలకు కుదించాడు. భూవిజ్ఞానవేత్తలు ఊహించిన కాలంతోనూ, జీవపరిణామానికి అవసరమైన కాలంతోనూ పోలిస్తే అది చాలా తక్కువ.
రేడియోధార్మికత కనుగొనడంతో కెల్విన్కు తెలియని మరో విషయం బయటపడింది: భూమి లోపల రేడియోధార్మిక క్షయం నిరంతరం వేడిని ఉత్పత్తి చేస్తోంది. భూమి కేవలం మొదట దాచుకున్న వేడిని కోల్పోతూ చల్లబడే వస్తువు కాదన్నమాట. ఈ కొత్త వేడి వనరు కెల్విన్ అంచనాలకు మరో పెద్ద సవాలు తెచ్చింది.
అయితే కెల్విన్ అంచనా తక్కువ రావడానికి రేడియోధార్మిక వేడి తెలియకపోవడం ఒక్కటే కారణం కాదు. 1895లోనే జాన్ పెరీ (John Perry) కెల్విన్ నమూనాలో మరో ముఖ్యమైన సమస్యను చూపించాడు. కెల్విన్ భూమి లోపలి వేడి ప్రధానంగా ఉష్ణవాహకత (conduction) ద్వారా బయటకు వస్తుందని లెక్కగట్టాడు. కానీ భూమి అంతర్భాగంలో ఉష్ణసంవహనం (convection) కూడా జరిగితే, లోపలి వేడి చాలా కాలం పాటు ఉపరితలం వైపు చేరుతూనే ఉంటుంది; అప్పుడు భూమి కెల్విన్ లెక్కకన్నా ఎంతో పురాతనమైనదై ఉండవచ్చు.
అయినా రేడియోధార్మిక క్షయం భూమి లోపల ఒక దీర్ఘకాలిక వేడి వనరని తెలియడం అప్పటి చర్చలో కీలకమైన మలుపు. 1904లో రూథర్ఫర్డ్ ఈ కొత్త వేడి వనరును భూమి వయస్సు సమస్యతో నేరుగా ముడిపెట్టాడు.
(భూమి అంతర్గత వేడికి రేడియోధార్మిక క్షయం ఒక ముఖ్యమైన మూలం; సూర్యుడి శక్తికి ప్రధాన మూలం కేంద్రక సంలీనం—nuclear fusion—అని తరువాత తెలిసింది.)
లార్డ్ కెల్విన్ సమక్షంలో రూథర్ఫర్డ్ ఉపన్యాసం
ఈ వివాదానికి సంబంధించి 1904 మే 20 నాటి ఒక చారిత్రక సంఘటన రూథర్ఫర్డ్ వ్యక్తిత్వాన్ని—అతని ఆత్మవిశ్వాసాన్ని, కొద్దిపాటి దూకుడును, సమయస్ఫూర్తిని, గంభీరమైన విషయాన్నైనా చమత్కారంగా చెప్పగల నేర్పును—కళ్లకు కడుతుంది. లండన్లోని రాయల్ ఇన్స్టిట్యూషన్లో రూథర్ఫర్డ్ రేడియోధార్మికతపై ఉపన్యాసం ఇవ్వడానికి వేదికనెక్కాడు. ఉపన్యాసం చివరి భాగంలో భూమి వయస్సు గురించి మాట్లాడబోతున్నాడు. సభికుల్లో దాదాపు ఎనభై ఏళ్ల లార్డ్ కెల్విన్ కూడా ఉండటాన్ని రూథర్ఫర్డ్ గమనించాడు. ఆ సందర్భాన్ని చాలా సంవత్సరాల తర్వాత రూథర్ఫర్డ్ ఇలా గుర్తుచేసుకున్నాడు:
“నేను ఉపన్యాసం ఇచ్చే హాల్లోకి వెళ్లగానే సభికుల్లో లార్డ్ కెల్విన్ కనిపించాడు. భూమి వయస్సు గురించి మాట్లాడే చివరి భాగానికి వచ్చేసరికి నా అభిప్రాయాలు అతని అభిప్రాయాలకు విరుద్ధంగా ఉంటాయని తెలిసి, చిక్కుల్లో పడతాననుకున్నాను. నా అదృష్టంకొద్దీ కొద్దిసేపటికే కెల్విన్ నిద్రలోకి జారుకున్నాడు! కానీ నేను అసలు విషయానికి వచ్చేసరికి ఆ వృద్ధుడు ఒక్కసారిగా కళ్ళు తెరిచి నన్ను తీక్షణంగా చూడటం మొదలుపెట్టాడు. అప్పుడే నాకు ఒక ఆలోచన మెరుపులా తట్టింది. ‘కొత్త వేడి వనరు ఏదీ దొరకకపోతేనే భూమి వయస్సుకు ఆ పరిమితి వర్తిస్తుందని లార్డ్ కెల్విన్ చెప్పాడు. ఇప్పుడు మనం మాట్లాడుతున్న రేడియమే ఆ కొత్త వేడి వనరు!’ అన్నాను. అంతే—ఆ పెద్దాయన ముఖం వికసించింది.”
రేడియోధార్మికత భూమి వయస్సును నిర్ణయించే చర్చను మార్చింది. కానీ అదే క్షయ నియమం మరో లోతైన ప్రశ్నను ముందుకు తెచ్చింది. కోట్లాది పరమాణువులు ఎంత వేగంగా క్షయిస్తాయో లెక్కకట్టగలం. మరి ఒక్క పరమాణువు ఎప్పుడు క్షయిస్తుందో ముందే చెప్పగలమా?
కార్య-కారణ భావనకి భంగమా?
రూథర్ఫర్డ్–సోడీల క్షయ నియమం ఒక విచిత్రమైన, సరికొత్త ప్రకృతి నియమాన్ని వెలుగులోకి తెచ్చింది.
న్యూటన్ భౌతికశాస్త్రం సాధించిన గొప్ప విజయాల్లో ఒకటి—ముందు ఏమి జరుగుతుందో కచ్చితంగా చెప్పగలగడం. ఒక వస్తువు ఇప్పుడు ఎక్కడ ఉంది, ఎంత వేగంతో కదులుతోంది, దానిపై ఏ బలాలు పనిచేస్తున్నాయి అన్నవి తెలిస్తే, కొంతకాలం తరువాత అది ఎక్కడ ఉంటుందో లెక్కగట్టవచ్చు. ఆకాశంలో గ్రహాల కదలికల నుంచి యుద్ధభూమిలో ఫిరంగి గుండు ప్రయాణం వరకు ఇదే పద్ధతి.
ఈ భావనను ఫ్రెంచ్ గణితశాస్త్రవేత్త పియేర్-సిమోన్ లాప్లాస్ (Pierre-Simon Laplace) పరాకాష్ఠకు తీసుకెళ్లాడు. విశ్వంలోని ప్రతి కణం స్థానం, వేగం, వాటిపై పనిచేసే బలాలు ఒక మహామేధస్సుకు పూర్తిగా తెలిస్తే, గతమూ భవిష్యత్తూ వర్తమానంలాగే దాని కళ్లముందు కనిపిస్తాయని అతను అన్నాడు. అంటే, ప్రకృతి నియమాలు, ప్రారంభ పరిస్థితులు పూర్తిగా తెలిస్తే తరువాత జరిగేదంతా ముందుగానే నిర్ణయించబడి ఉంటుంది. ఇదే నిర్ణీతత్వం (Determinism).
లాప్లాస్కు ఆపాదించే ఒక ప్రసిద్ధ కథలో—తన ఖగోళ సిద్ధాంతంలో దేవుడి ప్రస్తావన ఎందుకు లేదని నెపోలియన్ అడిగితే, “నాకా ఊహ అవసరం రాలేదు” అన్నాడట. ఆ కథ నిజంగా జరిగిందో లేదో పక్కన పెడితే, అప్పటి శాస్త్రీయ దృక్పథాన్ని అది చక్కగా ప్రతిబింబిస్తుంది: ప్రకృతిలో జరిగే ప్రతి మార్పునూ ఒక స్పష్టమైన ‘కారణం’తో వివరించగలమన్న విశ్వాసం.
కానీ రేడియోధార్మిక క్షయం ఈ నిర్ణీతత్వపు చిత్రంలో బీటలు వారేలా చేసింది.
రేడియోధార్మిక పదార్థాన్ని వేడిచేసినా, చల్లబరిచినా, రసాయన సమ్మేళనాలని మార్చినా దాని క్షయవేగంలో ఏ మార్పూ రాలేదు. ఒక పరమాణువు క్షయించడానికి ఒక్క క్షణం ముందు, దాన్ని క్షయింపజేసే ప్రత్యేక కారణం లేదా ప్రేరణ ఏదీ కనిపించలేదు.
అయినా ఈ క్షయ నియమం పెద్ద సమూహాల విషయంలో అద్భుతమైన కచ్చితత్వంతో పనిచేసింది. అర్ధాయుష్షు నాలుగు రోజులున్న పదార్థంలో కోట్లాది పరమాణువులు ఉంటే, నాలుగు రోజుల తరువాత సుమారు సగం మిగులుతాయి. మరో నాలుగు రోజుల తరువాత మిగిలిన వాటిలో మళ్లీ సుమారు సగం మిగులుతాయి.
కానీ చిక్కంతా ఇక్కడే వచ్చింది.
ఏ పరమాణువు క్షయిస్తుంది? అది ఏ క్షణంలో క్షయిస్తుంది?
ఈ ప్రశ్నలకు ఆ నియమం సమాధానం చెప్పదు. పక్కపక్కనే ఉన్న ఒకే రకమైన రెండు పరమాణువుల్లో ఒకటి ఇప్పుడే క్షయించవచ్చు; మరొకటి చాలా కాలం తరువాత క్షయించవచ్చు. ముందుగా వాటిని చూసి, “ఇది ఇప్పుడు క్షయిస్తుంది; అది తరువాత క్షయిస్తుంది” అని చెప్పడానికి వాటి మధ్య కనిపించే తేడా ఏమీ లేదు.
సాధారణంగా మనం విజ్ఞానశాస్త్రంలో ‘సంభావ్యత’ (Probability) గురించి మాట్లాడుతున్నామంటే, దానికి కారణం మనకు ఆ వ్యవస్థపై పూర్తి సమాచారం లేకపోవడమే. ఉదాహరణకు, నాణెం ఎగరేసినప్పుడు బొమ్మ పడుతుందో బొరుసు పడుతుందో ముందే చెప్పలేం. కానీ నాణెం ఎగరేసిన వేగం, కోణం, గాలి ప్రభావం, నేలను తాకే తీరు—ఇవన్నీ పూర్తిగా తెలిస్తే సాంప్రదాయ భౌతికశాస్త్రం ప్రకారం ఫలితాన్ని సూత్రప్రాయంగా ముందే లెక్కగట్టవచ్చు. అంటే, మన అజ్ఞానం వల్లనే అక్కడ సంభావ్యత అవసరమవుతోంది.
కానీ రేడియోధార్మిక క్షయం విషయంలో పరిస్థితి వేరు. ఇక్కడ ఒక పెద్ద సమూహానికి వర్తించే నియమం కచ్చితంగా ఉంది; కానీ ఒక్కో పరమాణువు విషయంలో మాత్రం ఆ నియమం ‘ఎప్పుడు జరుగుతుందో’ చెప్పలేకపోయింది. ఇక్కడ సంభావ్యత మన అజ్ఞానం వల్ల రాలేదు, అది ఆ ప్రక్రియ అంతర్గత లక్షణంగానే కనిపించింది.
జేమ్స్ జీన్స్కు ఇందులోనే అసలైన విప్లవం కనిపించింది. రేడియోధార్మిక క్షయం, అతని మాటల్లో, “కారణం లేని ఫలితం (effect without cause).” ఈ వింతను అతను సరదాగా ఇలా వర్ణించాడు: ఒక కంగారూల మందలో నిర్ణీత కాలవ్యవధిలో కొన్ని కంగారూలు తప్పకుండా గెంతుతాయి. కానీ గెంతడానికి ముందు, ఏ కంగారూ గెంతబోతోందో చెప్పే సూచన ఏదీ వాటిలో కనిపించదు!
అయితే ఇక్కడో ముఖ్యమైన జాగ్రత్త అవసరం. “ఒక్క పరమాణువు ఎప్పుడు క్షయిస్తుందో చెప్పలేం” అంటే “దానికి శాస్త్రీయ వివరణ లేదు” అని కాదు. తరువాతి క్వాంటం సిద్ధాంతం రేడియోధార్మిక క్షయాన్ని భౌతిక నియమాల పరిధిలోనే వివరించింది. కానీ ఆ నియమాలు సాంప్రదాయ భౌతికశాస్త్రంలా ఒక సంఘటన కచ్చితంగా ‘ఫలానా క్షణంలోనే’ జరుగుతుందని నిర్ణయించవు; ఆ సంఘటన జరిగే ‘సంభావ్యతను’ మాత్రమే చెబుతాయి.
అంటే ప్రకృతి తన నియమాలను కోల్పోయిందని కాదు. శాస్త్రీయ వివరణకు తలుపులు మూసుకుపోయాయని కూడా కాదు. మారింది మన దృక్పథం మాత్రమే: ప్రస్తుత పరిస్థితులు పూర్తిగా తెలిస్తే, ప్రతి భవిష్యత్ సంఘటననూ కచ్చితంగా ముందే చెప్పగలమన్న ‘లాప్లాస్ నిర్ణీతత్వం (Laplacian Determinism)’ క్వాంటం ప్రపంచంలో చెల్లదు.
కుటుంబం, కీర్తి – తిరిగి బ్రిటన్ వైపు
మెక్గిల్లో ప్రొఫెసర్ పదవి దొరకడంతో రూథర్ఫర్డ్ వ్యక్తిగత జీవితమూ ఒక కొలిక్కి వచ్చింది. మేరీతో కుటుంబ జీవితం మొదలైంది; 1901 మార్చి 30న వారికి ఎలీన్ మేరీ అనే కుమార్తె పుట్టింది—ఆమె వారి ఏకైక సంతానం.
కుటుంబ జీవితం ఒకవైపు స్థిరపడుతుండగా, రూథర్ఫర్డ్ శాస్త్ర రంగలో కీర్తి వేగంగా పెరుగుతోంది. సోడీతో కలిసి రూపొందించిన మూలకాల రూపాంతర సిద్ధాంతం, రేడియోధార్మిక క్షయంపై చేసిన విస్తృత పరిశోధనలు అతణ్ణి అంతర్జాతీయ శాస్త్ర ప్రపంచంలో అగ్రశ్రేణి ప్రయోగ భౌతికశాస్త్రవేత్తగా నిలబెట్టాయి. 1903లో లండన్ రాయల్ సొసైటీ ఫెలోగా ఎన్నికయ్యాడు; 1904లో Radio-Activity అనే గ్రంథాన్ని ప్రచురించాడు. యేల్ విశ్వవిద్యాలయం, స్మిత్సోనియన్ సంస్థ వంటి అమెరికన్ సంస్థలు అతణ్ణి తమవైపు రప్పించడానికి ప్రయత్నించాయి; వాటి ఫలితంగా మెక్గిల్ అతని జీతాన్ని పలుమార్లు పెంచింది.
అయినా రూథర్ఫర్డ్ మనసులో మరో కోరిక ఉంది. మాంట్రియల్లో మంచి ప్రయోగశాల, స్వేచ్ఛ, పేరు—అన్నీ ఉన్నాయి. కానీ భౌతికశాస్త్రంలో జరుగుతున్న వేగవంతమైన మార్పుల మధ్య, బ్రిటన్కు తిరిగి వెళ్లి శాస్త్ర ప్రపంచపు ప్రధాన కేంద్రాలకు దగ్గరగా ఉండాలని, మరింత మంది ప్రతిభావంతులైన పరిశోధకులను తన చుట్టూ సమీకరించుకోవాలని అతను కోరుకున్నాడు. అమెరికన్ సంస్థల ఆహ్వానాలకన్నా ఆ అవకాశం అతణ్ణి ఎక్కువగా ఆకర్షించింది.
అలాంటి అవకాశం 1907లో వచ్చింది.
మాంచెస్టర్ విశ్వవిద్యాలయంలో భౌతికశాస్త్రాన్ని ఒక శక్తివంతమైన పరిశోధనా కేంద్రంగా తీర్చిదిద్దిన ఆర్థర్ షూస్టర్ (Arthur Schuster) అప్పటికి కేవలం 56 ఏళ్లవాడు. తన స్థానంలో రూథర్ఫర్డ్ను నియమిస్తే, లాంగ్వర్తీ ప్రొఫెసర్ ఆఫ్ ఫిజిక్స్ పదవి నుంచి ముందుగానే తప్పుకోవడానికి షూస్టర్ సిద్ధపడ్డాడు. షూస్టర్ నిర్మించిన ఆధునిక ప్రయోగశాల, పరిశోధనా వాతావరణం, ప్రతిభావంతులైన యువ పరిశోధకులు—రూథర్ఫర్డ్ కోరుకున్నవన్నీ అక్కడ ఉన్నాయి.
రూథర్ఫర్డ్ ఆ అవకాశాన్ని స్వీకరించాడు. 1907 వేసవిలో మేరీ, ఆరేళ్ల ఎలీన్తో కలిసి మాంట్రియల్ను వదిలి ఇంగ్లాండ్కు వెళ్లాడు.
1908 నోబెల్ బహుమతి
ప్రధానంగా మెక్గిల్లో చేసిన రేడియోధార్మిక పరిశోధనలకు గుర్తింపుగా 1908లో రూథర్ఫర్డ్కు నోబెల్ బహుమతి లభించింది. ఆశ్చర్యకరంగా అది భౌతికశాస్త్రంలో కాదు—“మూలకాల విచ్ఛిన్నంపై, రేడియోధార్మిక పదార్థాల రసాయనశాస్త్రంపై చేసిన పరిశోధనలకు” గుర్తింపుగా రసాయనశాస్త్రంలో వచ్చింది.
“సైన్స్ అంటే భౌతికశాస్త్రమే, మిగతాదంతా తపాలా బిళ్ళలు సేకరించడం లాంటిదే,” అని రూథర్ఫర్డ్ తరచుగా అనేవాడని ప్రతీతి. 1908లో రసాయనశాస్త్ర నోబెల్ బహుమతి లభించినప్పుడు, నోబెల్ విందులో ప్రసంగిస్తూ రూథర్ఫర్డ్ ఇలా చమత్కరించాడు: “నా పరిశోధనల్లో నేను ఎన్నో రకాల రేడియోధార్మిక రూపాంతరాలు చూశాను. కానీ వాటన్నిటికన్నా వేగంగా జరిగిన రూపాంతరం మాత్రం—నేను ఒక్క క్షణంలో భౌతికశాస్త్రవేత్త నుంచి రసాయనశాస్త్రవేత్తగా మారిపోవడమే!”
ఈ కథలో ఫ్రెడరిక్ సోడీ పాత్రను మరిచిపోకూడదు. రేడియోధార్మిక మూలకాలు స్వయంగా రూపాంతరం చెందుతాయన్న విప్లవాత్మక సిద్ధాంతాన్ని రూథర్ఫర్డ్తో కలిసి రూపొందించినవాడు అతనే. 1908 నోబెల్ బహుమతికి రూథర్ఫర్డ్తో పాటు సోడీ పేరును కూడా ఒక ప్రతిపాదనలో సూచించారు; అయితే బహుమతి రూథర్ఫర్డ్కే లభించింది. సోడీకి తరువాత, రేడియోధార్మిక పదార్థాల రసాయనశాస్త్రంపై చేసిన పరిశోధనలకు, ఐసోటోపుల పుట్టుక, స్వభావాన్ని వివరించిన కృషికి 1921 రసాయనశాస్త్ర నోబెల్ బహుమతి లభించింది.
న్యూజిలాండ్ నుంచి కేంబ్రిడ్జ్కు వచ్చినప్పుడు రూథర్ఫర్డ్ తన భవిష్యత్తు వెతుక్కుంటున్న యువ పరిశోధకుడు. మెక్గిల్ను వదిలేటప్పటికి ప్రపంచం తనను వెతుక్కుంటూ వచ్చే శాస్త్రవేత్తగా ఎదిగాడు.
కానీ అతను ఇంకా పరమాణువు లోపల ఏముందో కనుగొనలేదు.
ఆ రహస్యాన్ని ఛేదించడానికి అతని చేతిలో అప్పటికే ఉన్న అసాధారణమైన సాధనం—ఆల్ఫా కణజాలం.
ఆ కథ వచ్చే సంచికలో.
మూలాలు:
- Pais, Abraham. Inward Bound: Of Matter and Forces in the Physical World. Oxford: Oxford University Press, 1986.
- Curie, Ève. Madame Curie: A Biography. Translated by Vincent Sheean. Garden City, NY: Doubleday, Doran & Company, 1937. (దీనిని నేను మొదటిసారి 1985లో UMass Amherst లో ఉండగా చదివాను. అప్పుడు ఎంతగా ఆకట్టుకుందో, ఇప్పటికీ అంతే స్ఫూర్తిదాయకంగా, ఆర్ద్రంగా అనిపిస్తుంది.)
