A hármas művészet előtt, vagyis a mesterséges radioaktivitás felfedezéséről

A fizika történetében időről időre vannak "csodálatos" évek, amikor sok kutató közös erőfeszítése áttörést jelentő felfedezések sorozatához vezet. Így volt ez 1820-ban is, az elektromosság évével, 1905-tel, Einstein négy tanulmányának csodálatos évével, 1913-mal, az atom szerkezetének tanulmányozásával, és végül 1932-vel, amikor egy sor technikai felfedezés és előrelépés történt. atomenergia jött létre.fizika.

ifjú pár

Ирина, Marie Skłodowska-Curie és Pierre Curie legidősebb lánya, Párizsban született 1897-ben (1). Tizenkét éves koráig otthon nevelkedett, egy kis "iskolában", amelyet neves tudósok hoztak létre gyermekei számára, és amelyben körülbelül tíz diák tanult. A tanárok: Marie Sklodowska-Curie (fizika), Paul Langevin (matematika), Jean Perrin (kémia), a humán tárgyakat pedig főként a tanulók édesanyja tanította. Az órák általában tanári otthonokban zajlottak, míg a gyerekek valódi laboratóriumokban tanultak fizikát és kémiát.

Így a fizika és kémia tanítása gyakorlati cselekvéseken keresztül történő ismeretszerzés volt. Minden sikeres kísérlet lenyűgözte a fiatal kutatókat. Ezek valódi kísérletek voltak, amelyeket meg kellett érteni és gondosan végrehajtani, és a gyerekeknek Marie Curie laboratóriumában példamutató rendben kellett lenniük. Az elméleti ismereteket is meg kellett szerezni. A módszer, mint ennek az iskola diákjainak, későbbi jó és kiváló tudósainak sorsa, bevált.

2. Frederic Joliot (Fotó Harcourt)

Sőt, Irena apai nagyapja, orvos, sok időt szentelt édesapja árván maradt unokájának, szórakozott, természettudományos oktatását kiegészítette. Irene 1914-ben végzett az úttörő Collège Sévigné-ben, és belépett a Sorbonne-i matematika és természettudományi karra. Ez egybeesett az első világháború kezdetével. 1916-ban csatlakozott édesanyjához, és közösen radiológiai szolgálatot szerveztek a Francia Vöröskeresztnél. A háború után főiskolai diplomát szerzett. 1921-ben jelent meg első tudományos munkája. Különböző ásványokból származó klór atomtömegének meghatározásával foglalkozott. További tevékenységében szorosan együttműködött édesanyjával, radioaktivitással foglalkozott. 1925-ben megvédett doktori disszertációjában a polónium által kibocsátott alfa-részecskéket vizsgálta.

Frederic Joliot 1900-ban született Párizsban (2). Nyolc éves korától So-ban járt iskolába, bentlakásos iskolában élt. Akkoriban inkább a sportot részesítette előnyben, mint a tanulást, különösen a futballt. Ezután felváltva járt két középiskolába. Irene Curie-hez hasonlóan ő is korán elvesztette apját. 1919-ben sikeres vizsgát tett az École de Physique et de Chemie Industrielle de la Ville de Paris-ban (Párizs Ipari Fizikai és Ipari Kémiai Iskolája). 1923-ban végzett. Professzora, Paul Langevin megismerte Frederick képességeit és erényeit. 15 hónapos katonai szolgálat után Langevin utasítására a Rockefeller Alapítvány támogatásával Marie Skłodowska-Curie személyi laboratóriumi asszisztensévé nevezték ki a Radium Intézetben. Ott ismerkedett meg Irene Curie-vel, és 1926-ban a fiatalok összeházasodtak.

Frederick 1930-ban fejezte be doktori disszertációját a radioaktív elemek elektrokémiájáról. Kicsit korábban már felesége kutatására összpontosította érdeklődését, majd Frederick doktori disszertációjának megvédése után már együtt dolgoztak. Egyik első fontos sikerük a polónium készítmény volt, amely erős alfa-részecskék forrás, pl. hélium magok.(₂⁴Ő). Tagadhatatlanul kiváltságos helyzetből indultak ki, mert Marie Curie látta el lányát nagy adag polóniummal. Lew Kowarsky, későbbi munkatársuk így jellemezte őket: Irena „kiváló technikus volt”, „nagyon szépen és gondosan dolgozott”, „mélyen megértette, mit csinál”. Férjének "káprázatosabb, szárnyalóbb képzelőereje volt". "Tökéletesen kiegészítették egymást, és tudták ezt." Tudománytörténeti szempontból két év volt a legérdekesebb számukra: 1932-34.

Majdnem felfedezték a neutront

A "majdnem" sokat számít. Nagyon hamar megtudták ezt a szomorú igazságot. 1930-ban Berlinben két német... Walter Bothe i Hubert Becker - Azt vizsgálta, hogyan viselkednek a könnyű atomok, amikor alfa-részecskékkel bombázzák őket. Berillium pajzs (₄⁹Be) alfa-részecskékkel bombázva rendkívül átható és nagy energiájú sugárzást bocsátott ki. A kísérletezők szerint ez a sugárzás erős elektromágneses sugárzás lehetett.

Ebben a szakaszban Irena és Frederick foglalkozott a problémával. Az alfa-részecskék forrása a valaha volt legerősebb volt. Felhőkamrát használtak a reakciótermékek megfigyelésére. 1932. január végén nyilvánosan bejelentették, hogy a gamma-sugarak ütik ki a nagy energiájú protonokat egy hidrogént tartalmazó anyagból. Még nem értették, mi van a kezükben és mi történik.. Olvasás után James Chadwick (3) Cambridge-ben azonnal munkához látott, azt gondolva, hogy egyáltalán nem gammasugárzásról van szó, hanem Rutherford által több évre előre megjósolt neutronokról. Egy sor kísérlet után meggyőződött a neutron megfigyeléséről, és megállapította, hogy tömege hasonló a proton tömegéhez. 17. február 1932-én feljegyzést nyújtott be a Nature folyóiratba "A neutron lehetséges létezése" címmel.

Valójában egy neutron volt, bár Chadwick úgy gondolta, hogy a neutron egy protonból és egy elektronból áll. Csak 1934-ben értette meg és bizonyította be, hogy a neutron elemi részecske. Chadwick 1935-ben megkapta a fizikai Nobel-díjat. Annak ellenére, hogy felismerték, hogy lemaradtak egy fontos felfedezésről, a Joliot-Curiék folytatták kutatásaikat ezen a területen. Rájöttek, hogy ez a reakció a neutronok mellett gamma-sugarakat is termel, ezért megírták a magreakciót:

, ahol Ef a gamma-kvantum energiája. Hasonló kísérleteket végeztek a ₉¹⁹F.

Megint elmaradt a nyitás

Néhány hónappal a pozitron felfedezése előtt Joliot-Curie-nak fényképei voltak többek között egy ívelt útról, mintha az elektron lenne, de az elektronnal ellenkező irányban csavarodott. A fényképek mágneses térben elhelyezett ködkamrában készültek. Ez alapján a pár arról beszélt, hogy az elektronok két irányba, a forrástól és a forrás felé haladnak. Valójában azok, amelyek a "forrás felé" irányultak, pozitronok, vagyis a forrástól távolodó pozitív elektronok voltak.

Eközben az Egyesült Államokban 1932 nyarának végén Carl David Anderson (4), svéd bevándorlók fia a kozmikus sugarakat tanulmányozta egy felhőkamrában, mágneses tér hatására. A kozmikus sugarak kívülről érkeznek a Földre. Anderson, hogy megbizonyosodjon a részecskék irányáról és mozgásáról, a kamrában egy fémlemezen vezette át a részecskéket, ahol elvesztették az energiájuk egy részét. Augusztus 2-án nyomot látott, amit kétségtelenül pozitív elektronként értelmezett.

Érdemes megjegyezni, hogy Dirac korábban megjósolta egy ilyen részecske elméleti létezését. Anderson azonban nem követett semmilyen elméleti elvet a kozmikus sugarak tanulmányozása során. Ebben az összefüggésben felfedezését véletlennek nevezte.

Joliot-Curie-nak ismét egy tagadhatatlan szakmát kellett elviselnie, de további kutatásokat végzett ezen a területen. Azt találták, hogy a gammasugárzás fotonjai eltűnhetnek egy nehéz atommag közelében, és elektron-pozitron párt alkotnak, nyilvánvalóan Einstein híres E = mc2 képletével és az energia- és impulzusmegmaradás törvényével összhangban. Később maga Frederick bebizonyította, hogy létezik egy elektron-pozitron pár eltűnésének folyamata, ami két gamma-kvantumot eredményez. Az elektron-pozitron párokból származó pozitronok mellett magreakciókból származó pozitronjaik is voltak.

5. Hetedik Solvay Konferencia, 1933

Az első sorban ül: Irene Joliot-Curie (balról a második),

Maria Skłodowska-Curie (balról az ötödik), Lise Meitner (jobbról a második).

mesterséges radioaktivitás

A mesterséges radioaktivitás felfedezése nem volt azonnali cselekedet. 1933 februárjában alumíniumot, fluort, majd nátriumot alfa-részecskékkel bombázva Joliot neutronokat és ismeretlen izotópokat nyert. 1933 júliusában bejelentették, hogy az alumínium alfa-részecskékkel történő besugárzásával nemcsak neutronokat, hanem pozitronokat is megfigyeltek. Irene és Frederick szerint ebben a magreakcióban a pozitronok nem elektron-pozitron párok keletkezésének eredményeként keletkezhettek, hanem az atommagból kellett származniuk.

A hetedik Solvay-konferenciára (5) 22. október 29-1933-én került sor Brüsszelben, melynek neve "Az atommagok szerkezete és tulajdonságai". A rendezvényen 41 fizikus vett részt, köztük a világ e terület legkiemelkedőbb szakértői. Joliot beszámolt kísérleteik eredményeiről, és kijelentette, hogy a bór és az alumínium alfa-sugárzással történő besugárzása vagy pozitronnal rendelkező neutront vagy protont eredményez.. Ezen a konferencián Lisa Meitner Azt mondta, hogy az alumíniummal és a fluorral végzett ugyanazon kísérletekben nem érte el ugyanazt az eredményt. Az értelmezésben nem osztotta a párizsi házaspár véleményét a pozitronok eredetének nukleáris természetéről. Amikor azonban visszatért Berlinbe dolgozni, ismét elvégezte ezeket a kísérleteket, és november 18-án a Joliot-Curie-nak írt levelében elismerte, hogy szerinte most valóban a pozitronok emelkednek ki a magból.

Ezen kívül ez a konferencia Francis Perrinpárizsi társuk és jó barátjuk a pozitronok témájában szólalt meg. A kísérletekből ismert volt, hogy a pozitronok folytonos spektrumát kapták, hasonlóan a béta részecskék spektrumához a természetes radioaktív bomlás során. A pozitronok és neutronok energiáinak további elemzése Perrin arra a következtetésre jutott, hogy itt két emissziót kell megkülönböztetni: először a neutronok kibocsátását, amelyet egy instabil atommag képződése kísér, majd a pozitronok kibocsátását ebből az atommagból.

A konferencia után Joliot körülbelül két hónapra leállította ezeket a kísérleteket. Aztán 1933 decemberében Perrin közzétette véleményét az ügyről. Ugyanakkor decemberben is Enrico Fermi javasolta a béta-bomlás elméletét. Ez szolgált elméleti alapjául a tapasztalatok értelmezéséhez. 1934 elején a francia fővárosból származó házaspár újrakezdte kísérleteit.

Pontosan január 11-én, csütörtök délután Frédéric Joliot alumíniumfóliát vett és 10 percig alfa-részecskékkel bombázta. Először Geiger-Muller számlálót használt az észleléshez, és nem a ködkamrát, mint korábban. Meglepetten vette észre, hogy ahogy eltávolította a fóliáról az alfa-részecskék forrását, a pozitronok számlálása nem állt le, a számlálók továbbra is mutatták őket, csak a számuk exponenciálisan csökkent. A felezési időt 3 perc 15 másodpercben határozta meg. Majd a fóliára hulló alfa-részecskék energiáját úgy csökkentette, hogy útjukba ólomféket helyezett. És kevesebb pozitront kapott, de a felezési idő nem változott.

Ezután a bórt és a magnéziumot ugyanazoknak a kísérleteknek vetette alá, és ezekben a kísérletekben 14 perces, illetve 2,5 perces felezési időt kapott. Ezt követően hidrogénnel, lítiummal, szénnel, berilliummal, nitrogénnel, oxigénnel, fluorral, nátriummal, kalciummal, nikkellel és ezüsttel végeztek ilyen kísérleteket – de nem észlelt hasonló jelenséget, mint az alumíniumnál, bórnál és magnéziumnál. A Geiger-Muller számláló nem tesz különbséget pozitív és negatív töltésű részecskék között, így Frédéric Joliot is ellenőrizte, hogy valóban pozitív elektronokkal foglalkozik. Ebben a kísérletben a technikai szempont is fontos volt, vagyis az erős alfa-részecskeforrás jelenléte és egy érzékeny töltött részecskeszámláló, például Geiger-Muller számláló használata.

Amint azt a Joliot-Curie pár korábban kifejtette, a megfigyelt nukleáris átalakulás során pozitronok és neutronok egyszerre szabadulnak fel. Most, Francis Perrin javaslatait követve és Fermi megfontolásait olvasva, a házaspár arra a következtetésre jutott, hogy az első nukleáris reakció egy instabil atommagot és egy neutront eredményezett, majd ennek az instabil atommagnak a béta-bomlását követte. Tehát a következő reakciókat írhatták le:

A Jolioták észrevették, hogy a keletkező radioaktív izotópok felezési ideje túl rövid ahhoz, hogy a természetben létezzenek. Eredményeiket 15. január 1934-én jelentették be "A radioaktivitás új típusa" című cikkben. Február elején az összegyűjtött kis mennyiségekből az első két reakcióból sikerült foszfort és nitrogént azonosítani. Hamarosan egy jóslat hangzott el, miszerint több radioaktív izotóp keletkezhet nukleáris bombázási reakciókban, protonok, deuteronok és neutronok segítségével is. Márciusban Enrico Fermi fogadást tett, hogy hamarosan ilyen reakciókat hajtanak végre neutronok felhasználásával. Hamarosan maga nyerte meg a fogadást.

Irena és Frederick 1935-ben kémiai Nobel-díjat kapott "új radioaktív elemek szintéziséért". Ez a felfedezés megnyitotta az utat a mesterségesen radioaktív izotópok előállításához, amelyek számos fontos és értékes alkalmazást találtak az alapkutatásban, az orvostudományban és az iparban.

Végül érdemes megemlíteni az USA fizikusait, Ernest Lawrence a berkeley-i kollégákkal és a pasadenai kutatókkal, akik között volt egy lengyel, aki gyakorlaton volt Andrzej Soltan. Megfigyelték a számlálók impulzusok számlálását, bár a gázpedál már leállt. Nem tetszett nekik ez a számvetés. Azt azonban nem vették észre, hogy egy fontos új jelenséggel van dolguk, és egyszerűen hiányzik belőlük a mesterséges radioaktivitás felfedezése...