Pred trojno umetnostjo, torej o odkritju umetne radioaktivnosti

Od časa do časa v zgodovini fizike pridejo »čudovita« leta, ko skupna prizadevanja številnih raziskovalcev pripeljejo do vrste prelomnih odkritij. Tako je bilo z letom 1820, letom elektrike, letom 1905, čudežnim letom Einsteinovih štirih člankov, letom 1913, letom, povezanim s preučevanjem zgradbe atoma, in nazadnje letom 1932, ko je prišlo do vrste tehničnih odkritij in napredkov v nastala je jedrska energija.fizika.

mladoporočenca

Ирина, najstarejša hči Marie Skłodowske-Curie in Pierra Curieja, se je rodila v Parizu leta 1897 (1). Do dvanajstega leta je bila vzgojena doma, v majhni »šoli«, ki so jo za njene otroke ustvarili ugledni znanstveniki in v kateri je bilo približno deset učencev. Učitelji so bili: Marie Sklodowska-Curie (fizika), Paul Langevin (matematika), Jean Perrin (kemija), humanistične vede pa so poučevale predvsem matere učencev. Pouk je običajno potekal na domu učiteljev, otroci pa so se fizike in kemije učili v pravih laboratorijih.

Tako je bil pouk fizike in kemije pridobivanje znanja s praktičnimi dejanji. Vsak uspešen poskus je mlade raziskovalce navdušil. To so bili pravi poskusi, ki jih je bilo treba razumeti in skrbno izvajati, pri otrocih v laboratoriju Marie Curie pa je moral biti vzoren red. Pridobiti je bilo treba tudi teoretično znanje. Metoda se je, kot je usoda učencev te šole, kasneje dobrih in izjemnih znanstvenikov, izkazala za učinkovito.

2. Frederic Joliot (foto Harcourt)

Še več, Irenin dedek po očetovi strani, zdravnik, je veliko časa posvetil očetovi vnukinji siroti, se zabaval in dopolnjeval njeno naravoslovno izobrazbo. Leta 1914 je Irene diplomirala na pionirskem Collège Sévigné in se vpisala na fakulteto za matematiko in naravoslovje na Sorboni. To je sovpadlo z začetkom prve svetovne vojne. Leta 1916 se je pridružila materi in skupaj sta organizirali radiološko službo pri francoskem Rdečem križu. Po vojni je diplomirala. Leta 1921 je bilo objavljeno njeno prvo znanstveno delo. Posvetil se je določanju atomske mase klora iz različnih mineralov. Pri svojih nadaljnjih dejavnostih je tesno sodelovala z mamo, ki se je ukvarjala z radioaktivnostjo. V svoji doktorski disertaciji, ki jo je obranila leta 1925, je preučevala delce alfa, ki jih oddaja polonij.

Frederic Joliot rojen leta 1900 v Parizu (2). Od osmega leta je obiskoval šolo v Soju, živel v internatu. Takrat je imel raje kot študij šport, predvsem nogomet. Nato je izmenično obiskoval dve srednji šoli. Tako kot Irene Curie je tudi on zgodaj izgubil očeta. Leta 1919 je opravil izpit na École de Physique et de Chemie Industrielle de la Ville de Paris (Šola za industrijsko fiziko in industrijsko kemijo mesta Pariz). Leta 1923 je diplomiral. Njegov profesor Paul Langevin je izvedel za Friderikove sposobnosti in vrline. Po 15 mesecih služenja vojaškega roka je bil po ukazu Langevina imenovan za osebnega laboratorijskega pomočnika Marie Skłodowske-Curie na Inštitutu za radij s štipendijo Rockefellerjeve fundacije. Tam je spoznal Irene Curie in leta 1926 sta se mlada poročila.

Frederick je leta 1930 dokončal svojo doktorsko disertacijo o elektrokemiji radioaktivnih elementov. Malo prej je svoje zanimanje že usmeril v raziskave svoje žene, po zagovoru Frederickove doktorske disertacije pa sta že sodelovala. Eden njihovih prvih pomembnejših uspehov je bil pripravek polonija, ki je močan vir delcev alfa, tj. helijeva jedra.(₂⁴On). Izhajali so iz nedvomno privilegiranega položaja, saj je bila Marie Curie tista, ki je svojo hčer oskrbela z veliko količino polonija. Lew Kowarsky, njun kasnejši sodelavec, ju je opisal takole: Irena je bila »odlična tehnikica«, »delala je zelo lepo in skrbno«, »globoko je razumela, kaj dela«. Njen mož je imel "bolj bleščečo, bolj vzpenjajočo se domišljijo". "Odlično sta se dopolnjevala in to sta vedela." Z vidika zgodovine znanosti sta bili zanje najbolj zanimivi dve leti: 1932–34.

Skoraj so odkrili nevtron

"Skoraj" je zelo pomembno. Za to žalostno resnico so izvedeli zelo kmalu. Leta 1930 sta v Berlinu dva Nemca - Walter Bothe i Hubert Becker - Raziskoval, kako se lahki atomi obnašajo, ko so bombardirani z delci alfa. Berilijev ščit (₄⁹Be) ob bombardiranju z delci alfa oddaja izjemno prodorno in visokoenergijsko sevanje. Po mnenju izvajalcev poskusov je moralo biti to sevanje močno elektromagnetno sevanje.

Na tej stopnji sta se s težavo ukvarjala Irena in Frederick. Njihov vir alfa delcev je bil najmočnejši doslej. Za opazovanje reakcijskih produktov so uporabili komoro z oblaki. Konec januarja 1932 so javno objavili, da so žarki gama tisti, ki iz snovi, ki vsebuje vodik, izbijejo visokoenergijske protone. Niso še razumeli, kaj je v njihovih rokah in kaj se dogaja.. Po branju James Chadwick (3) v Cambridgeu se je takoj lotil dela, saj je mislil, da sploh ne gre za sevanje gama, ampak za nevtrone, ki jih je nekaj let vnaprej napovedal Rutherford. Po vrsti poskusov se je prepričal o opazovanju nevtrona in ugotovil, da je njegova masa podobna protonski. 17. februarja 1932 je v reviji Nature oddal opombo z naslovom "Možni obstoj nevtrona".

Pravzaprav je bil nevtron, čeprav je Chadwick verjel, da je nevtron sestavljen iz protona in elektrona. Šele leta 1934 je razumel in dokazal, da je nevtron osnovni delec. Chadwick je leta 1935 prejel Nobelovo nagrado za fiziko. Kljub spoznanju, da sta zamudila pomembno odkritje, sta zakonca Joliot-Curies nadaljevala raziskave na tem področju. Ugotovili so, da ta reakcija poleg nevtronov proizvaja tudi žarke gama, zato so jedrsko reakcijo zapisali:

, kjer je Ef energija kvanta gama. Podobni poskusi so bili izvedeni z ₉¹⁹F.

Spet zamudil odprtje

Nekaj ​​mesecev pred odkritjem pozitrona je Joliot-Curie med drugim imel fotografije ukrivljene poti, kot bi šlo za elektron, vendar se zasuka v nasprotni smeri elektrona. Fotografije so bile posnete v megleni komori, ki se nahaja v magnetnem polju. Na podlagi tega sta zakonca govorila o tem, da gredo elektroni v dve smeri, od vira in do vira. Pravzaprav so bili tisti, povezani s smerjo "proti viru", pozitroni ali pozitivni elektroni, ki so se oddaljevali od vira.

Medtem so v ZDA pozno poleti 1932. Carl David Anderson (4), sin švedskih priseljencev, je proučeval kozmične žarke v oblačni komori pod vplivom magnetnega polja. Kozmični žarki prihajajo na Zemljo od zunaj. Anderson, da bi bil prepričan o smeri in gibanju delcev, je znotraj komore delce spustil skozi kovinsko ploščo, kjer so izgubili nekaj energije. 2. avgusta je zagledal sled, ki si jo je nedvomno razlagal kot pozitivni elektron.

Omeniti velja, da je Dirac že prej napovedal teoretični obstoj takšnega delca. Vendar Anderson pri svojih študijah kozmičnih žarkov ni sledil nobenim teoretičnim načelom. V tem kontekstu je svoje odkritje označil za naključje.

Joliot-Curie se je spet moral sprijazniti z nespornim poklicem, a se je lotil nadaljnjih raziskav na tem področju. Ugotovili so, da lahko fotoni žarkov gama izginejo v bližini težkega jedra in tvorijo par elektron-pozitron, očitno v skladu z znamenito Einsteinovo formulo E = mc2 ter zakonom o ohranitvi energije in gibalne količine. Kasneje je sam Frederick dokazal, da obstaja proces izginotja para elektron-pozitron, ki povzroči nastanek dveh kvantov gama. Poleg pozitronov iz parov elektron-pozitron so imeli pozitrone iz jedrskih reakcij.

5. Sedma konferenca Solvay, 1933

V prvi vrsti sedijo: Irene Joliot-Curie (druga z leve),

Maria Skłodowska-Curie (peta z leve), Lise Meitner (druga z desne).

Umetna radioaktivnost

Odkritje umetne radioaktivnosti ni bilo hipno dejanje. Joliot je februarja 1933 z obstreljevanjem aluminija, fluora in nato natrija z alfa delci dobil nevtrone in neznane izotope. Julija 1933 so objavili, da so z obsevanjem aluminija z alfa delci opazili ne le nevtrone, ampak tudi pozitrone. Po mnenju Irene in Fredericka pozitroni v tej jedrski reakciji niso mogli nastati kot posledica tvorbe parov elektron-pozitron, ampak so morali izhajati iz atomskega jedra.

Sedma Solvayeva konferenca (5) je potekala v Bruslju od 22. do 29. oktobra 1933. Imenovala se je "Struktura in lastnosti atomskih jeder". Udeležilo se ga je 41 fizikov, med njimi najuglednejši strokovnjaki s tega področja v svetu. Joliot je poročal o rezultatih svojih poskusov in navedel, da obsevanje bora in aluminija z alfa žarki povzroči nevtron s pozitronom ali proton.. Na tej konferenci Lisa Meitner Povedala je, da pri istih poskusih z aluminijem in fluorom ni dobila enakega rezultata. V interpretaciji ni delila mnenja para iz Pariza o jedrski naravi izvora pozitronov. Ko pa se je vrnila na delo v Berlin, je spet izvajala te poskuse in 18. novembra v pismu Joliot-Curieju priznala, da zdaj po njenem mnenju pozitroni res izhajajo iz jedra.

Poleg tega ta konferenca Frančiška Perrina, njun vrstnik in dober prijatelj iz Pariza, se je oglasil na temo pozitronov. Iz poskusov je bilo znano, da so dobili zvezen spekter pozitronov, podoben spektru delcev beta pri naravnem radioaktivnem razpadu. Z nadaljnjo analizo energij pozitronov in nevtronov je Perrin prišel do zaključka, da je tu treba razlikovati med dvema emisijama: najprej emisijo nevtronov, ki jo spremlja tvorba nestabilnega jedra, nato pa emisijo pozitronov iz tega jedra.

Po konferenci je Joliot za približno dva meseca prekinil te poskuse. In potem je decembra 1933 Perrin objavil svoje mnenje o tej zadevi. Hkrati tudi decembra Enrico Fermi predlagal teorijo beta razpada. To je služilo kot teoretična podlaga za interpretacijo izkušenj. V začetku leta 1934 sta zakonca iz francoske prestolnice nadaljevala s poskusi.

Točno 11. januarja, v četrtek popoldne, je Frédéric Joliot vzel aluminijasto folijo in jo 10 minut obstreljeval z alfa delci. Za detekcijo je prvič uporabil Geiger-Mullerjev števec in ne megleno komoro kot prej. Presenečen je opazil, da ko je iz folije odstranil vir alfa delcev, se štetje pozitronov ni ustavilo, števci so jih kazali še naprej, le njihovo število se je eksponentno zmanjševalo. Določil je, da je razpolovna doba 3 minute in 15 sekund. Nato je zmanjšal energijo alfa delcev, ki padajo na folijo, tako da jim je na pot postavil svinčeno zavoro. In dobil je manj pozitronov, vendar se razpolovna doba ni spremenila.

Nato je enakim poskusom podvrgel bor in magnezij in v teh poskusih dobil razpolovni čas 14 minut oziroma 2,5 minute. Kasneje so bili taki poskusi izvedeni z vodikom, litijem, ogljikom, berilijem, dušikom, kisikom, fluorom, natrijem, kalcijem, nikljem in srebrom – vendar ni opazil podobnega pojava kot pri aluminiju, boru in magneziju. Geiger-Mullerjev števec ne loči med pozitivno in negativno nabitimi delci, zato je tudi Frédéric Joliot preveril, da dejansko obravnava pozitivne elektrone. Pri tem poskusu je bil pomemben tudi tehnični vidik, to je prisotnost močnega vira alfa delcev in uporaba občutljivega števca nabitih delcev, kot je Geiger-Mullerjev števec.

Kot je bilo predhodno pojasnjeno s parom Joliot-Curie, se pozitroni in nevtroni sproščajo hkrati pri opazovani jedrski transformaciji. Po predlogih Francisa Perrina in branju Fermijevih razmišljanj sta zakonca ugotovila, da je prva jedrska reakcija proizvedla nestabilno jedro in nevtron, čemur je sledil beta plus razpad tega nestabilnega jedra. Tako so lahko zapisali naslednje reakcije:

Joliotovi so opazili, da imajo nastali radioaktivni izotopi prekratko razpolovno dobo, da bi obstajali v naravi. Svoje rezultate so objavili 15. januarja 1934 v članku z naslovom "Nova vrsta radioaktivnosti". V začetku februarja jim je iz zbranih majhnih količin uspelo identificirati fosfor in dušik iz prvih dveh reakcij. Kmalu se je pojavila prerokba, da bi lahko v reakcijah jedrskega obstreljevanja nastalo več radioaktivnih izotopov, tudi s pomočjo protonov, devteronov in nevtronov. Marca je Enrico Fermi stavil, da bodo takšne reakcije kmalu potekale z uporabo nevtronov. Kmalu je stavo dobil tudi sam.

Irena in Frederick sta leta 1935 prejela Nobelovo nagrado za kemijo za "sintezo novih radioaktivnih elementov". To odkritje je utrlo pot proizvodnji umetnih radioaktivnih izotopov, ki so našli veliko pomembnih in dragocenih aplikacij v osnovnih raziskavah, medicini in industriji.

Na koncu velja omeniti še fizike iz ZDA, Ernest Lawrence s kolegi iz Berkeleyja in raziskovalci iz Pasadene, med katerimi je bil tudi Poljak, ki je bil na praksi Andrej Sultan. Opazovali smo štetje impulzov s števci, čeprav je pospeševalnik že prenehal delovati. To štetje jim ni bilo všeč. Vendar se niso zavedali, da imajo opravka s pomembnim novim pojavom in da jim preprosto manjka odkritje umetne radioaktivnosti ...