Ennen kolminkertaista taidetta, eli keinotekoisen radioaktiivisuuden löytämisestä

Ajoittain fysiikan historiassa on "ihania" vuosia, jolloin monien tutkijoiden yhteiset ponnistelut johtavat sarjaan läpimurtolöytöjä. Niin oli vuonna 1820, sähkön vuosi, 1905, Einsteinin neljän artikkelin ihmeellinen vuosi, 1913, joka liittyy atomin rakenteen tutkimukseen, ja lopulta vuonna 1932, jolloin tehtiin useita teknisiä löytöjä ja edistysaskeleita ydinfysiikan luomiseen.

vastaparit

Irene, Marie Skłodowska-Curien ja Pierre Curien vanhin tytär, syntyi Pariisissa vuonna 1897 (1). Hänet kasvatettiin XNUMX-vuotiaaksi asti kotona, pienessä "koulussa", jonka tunnustetut tiedemiehet loivat lapsilleen ja jossa oli noin kymmenen opiskelijaa. Opettajat olivat: Marie Sklodowska-Curie (fysiikka), Paul Langevin (matematiikka), Jean Perrin (kemia), ja humanistisia tieteitä opettivat pääasiassa oppilaiden äidit. Oppitunnit pidettiin yleensä opettajien kodeissa, kun taas lapset opiskelivat fysiikkaa ja kemiaa oikeissa laboratorioissa.

Fysiikan ja kemian opetus oli siis tiedon hankkimista käytännön toimien kautta. Jokainen onnistunut kokeilu ilahdutti nuoria tutkijoita. Nämä olivat todellisia kokeita, jotka piti ymmärtää ja suorittaa huolellisesti, ja Marie Curien laboratorion lasten oli oltava esimerkillisissä järjestyksessä. Myös teoreettista tietoa piti hankkia. Menetelmä, kuten tämän koulun opiskelijoiden, myöhemmin hyvien ja erinomaisten tiedemiesten kohtalo, osoittautui tehokkaaksi.

2. Frederic Joliot (kuva: Harcourt)

Lisäksi Irenan isänpuoleinen isoisä, lääkäri, omisti paljon aikaa isänsä orvoksi jääneelle tyttärentyttärelle, pitää hauskaa ja täydentää hänen luonnontieteellistä koulutustaan. Vuonna 1914 Irene valmistui uraauurtavasta Collège Sévignéstä ja astui matematiikan ja luonnontieteiden tiedekuntaan Sorbonnessa. Tämä osui samaan aikaan ensimmäisen maailmansodan alkamisen kanssa. Vuonna 1916 hän liittyi äitinsä luo ja he järjestivät yhdessä radiologisen palvelun Ranskan Punaisessa Ristissä. Sodan jälkeen hän suoritti kandidaatin tutkinnon. Vuonna 1921 julkaistiin hänen ensimmäinen tieteellinen teoksensa. Hän oli omistautunut kloorin atomimassan määrittämiseen eri mineraaleista. Jatkotoiminnassaan hän työskenteli läheisessä yhteistyössä äitinsä kanssa radioaktiivisuuden kanssa. Vuonna 1925 puolustamassaan väitöskirjassaan hän tutki poloniumin lähettämiä alfahiukkasia.

Frederic Joliot syntynyt vuonna 1900 Pariisissa (2). Kahdeksanvuotiaasta lähtien hän kävi koulua So, asui sisäoppilaitoksessa. Tuolloin hän piti enemmän urheilusta kuin opinnoista, erityisesti jalkapallosta. Sitten hän kävi vuorotellen kahta lukiota. Kuten Irene Curie, hän menetti isänsä varhain. Vuonna 1919 hän suoritti kokeen École de Physique et de Chemie Industrielle de la Ville de Parisissa (Pariisin kaupungin teollisuusfysiikan ja teollisuuskemian koulu). Hän valmistui vuonna 1923. Hänen professorinsa Paul Langevin sai tietää Frederickin kyvyistä ja hyveistä. 15 kuukauden asepalveluksen jälkeen hänet nimitettiin Langevinin käskystä Marie Skłodowska-Curien henkilökohtaiseksi laboratorioassistentiksi Radium-instituuttiin Rockefeller-säätiön apurahalla. Siellä hän tapasi Irene Curien, ja vuonna 1926 nuoret menivät naimisiin.

Frederick valmistui vuonna 1930 väitöskirjansa radioaktiivisten elementtien sähkökemiasta. Hieman aikaisemmin hän oli jo keskittänyt kiinnostuksensa vaimonsa tutkimukseen, ja Frederickin väitöskirjan puolustamisen jälkeen he työskentelivät jo yhdessä. Yksi heidän ensimmäisistä merkittävistä saavutuksistaan ​​oli poloniumin valmistus, joka on vahva alfahiukkasten lähde, ts. heliumytimiä.(₂⁴Hän). He aloittivat kiistatta etuoikeutetusta asemasta, koska Marie Curie toimitti tyttärelleen suuren annoksen poloniumia. Lew Kowarsky, heidän myöhempi yhteistyökumppaninsa, kuvaili heitä seuraavasti: Irena oli "erinomainen teknikko", "hän työskenteli erittäin kauniisti ja huolellisesti", "hän ymmärsi syvästi mitä oli tekemässä." Hänen miehellään oli "häikäisevämpi, huipuvampi mielikuvitus". "He täydensivät toisiaan täydellisesti ja tiesivät sen." Tieteen historian kannalta kiinnostavimmat olivat heille kaksi vuotta: 1932-34.

He melkein löysivät neutronin

"Melkein" merkitsee paljon. He oppivat tämän surullisen totuuden hyvin pian. Vuonna 1930 Berliinissä kaksi saksalaista - Walter Bothe i Hubert Becker - Tutki kuinka valoatomit käyttäytyvät, kun niitä pommitetaan alfahiukkasilla. Beryllium Shield (₄⁹Be) kun niitä pommitettiin alfahiukkasilla, se säteili erittäin läpäisevää ja korkeaenergistä säteilyä. Kokeilijoiden mukaan tämän säteilyn on täytynyt olla voimakasta sähkömagneettista säteilyä.

Tässä vaiheessa Irena ja Frederick käsittelivät ongelmaa. Niiden alfahiukkasten lähde oli kaikkien aikojen tehokkain. He käyttivät pilvikammioita tarkkailemaan reaktiotuotteita. Tammikuun lopussa 1932 he ilmoittivat julkisesti, että gammasäteet syrjäyttivät korkeaenergiset protonit vetyä sisältävästä aineesta. He eivät vielä ymmärtäneet, mitä heidän käsissään oli ja mitä tapahtui.. Lukemisen jälkeen James Chadwick (3) Cambridgessa hän ryhtyi heti töihin, luullen, että kyseessä ei ollut ollenkaan gammasäteily, vaan Rutherfordin useita vuosia etukäteen ennustamia neutroneja. Useiden kokeiden jälkeen hän vakuuttui neutronin havainnosta ja havaitsi, että sen massa on samanlainen kuin protonin massa. Helmikuun 17. päivänä 1932 hän lähetti Nature-lehteen muistiinpanon nimeltä "Neutronin mahdollinen olemassaolo".

Se oli itse asiassa neutroni, vaikka Chadwick uskoi, että neutroni koostui protonista ja elektronista. Vasta vuonna 1934 hän ymmärsi ja osoitti, että neutroni on alkuainehiukkanen. Chadwickille myönnettiin fysiikan Nobel-palkinto vuonna 1935. Huolimatta ymmärryksestä, että he olivat menettäneet tärkeän löydön, Joliot-Curiet jatkoivat tutkimustaan ​​tällä alueella. He ymmärsivät, että tämä reaktio tuotti gammasäteitä neutronien lisäksi, joten he kirjoittivat ydinreaktion:

, jossa Ef on gamma-kvantin energia. Samanlaisia ​​kokeita suoritettiin kanssa ₉¹⁹F.

Avaus jäi taas kesken

Muutama kuukausi ennen positronin löytämistä Joliot-Curiella oli valokuvia muun muassa kaarevasta polusta, ikään kuin se olisi elektroni, mutta kiertyi elektronin vastakkaiseen suuntaan. Valokuvat on otettu magneettikentässä sijaitsevassa sumukammiossa. Tämän perusteella pariskunta puhui elektronien kulkemisesta kahteen suuntaan, lähteestä ja lähteeseen. Itse asiassa ne, jotka liittyvät suuntaan "lähdettä kohti", olivat positroneja tai positiivisia elektroneja, jotka liikkuivat pois lähteestä.

Samaan aikaan Yhdysvalloissa loppukesällä 1932 Carl David Anderson (4), ruotsalaisten maahanmuuttajien poika, tutki kosmisia säteitä pilvikammiossa magneettikentän vaikutuksesta. Kosmiset säteet tulevat Maahan ulkopuolelta. Anderson, varmistaakseen hiukkasten suunnan ja liikkeen, kuljetti kammion sisällä hiukkaset metallilevyn läpi, jossa ne menettivät osan energiasta. Elokuun 2. päivänä hän näki jäljen, jonka hän epäilemättä tulkitsi positiiviseksi elektroniksi.

On syytä huomata, että Dirac oli aiemmin ennustanut tällaisen hiukkasen teoreettisen olemassaolon. Anderson ei kuitenkaan noudattanut mitään teoreettisia periaatteita tutkiessaan kosmisia säteitä. Tässä yhteydessä hän kutsui löytöään sattumanvaraiseksi.

Joliot-Curie joutui jälleen sietämään kiistatonta ammattia, mutta ryhtyi lisätutkimuksiin tällä alalla. He havaitsivat, että gammasäteilyfotonit voivat kadota lähelle raskasta ydintä muodostaen elektroni-positroniparin, ilmeisesti Einsteinin kuuluisan kaavan E = mc2 sekä energian ja liikemäärän säilymislain mukaisesti. Myöhemmin Frederick itse osoitti, että elektroni-positronipari katoaa, jolloin syntyy kaksi gamma-kvanttia. Elektroni-positroniparien positronien lisäksi heillä oli ydinreaktioista peräisin olevia positroneja.

5. Seitsemäs Solvayn konferenssi, 1933

Eturivissä istuu: Irene Joliot-Curie (toinen vasemmalta),

Maria Skłodowska-Curie (viides vasemmalta), Lise Meitner (toinen oikealta).

Keinotekoinen radioaktiivisuus

Keinotekoisen radioaktiivisuuden löytäminen ei ollut välitön teko. Helmikuussa 1933 pommittamalla alumiinia, fluoria ja sitten natriumia alfahiukkasilla Joliot sai neutroneja ja tuntemattomia isotooppeja. Heinäkuussa 1933 he ilmoittivat, että säteilyttämällä alumiinia alfahiukkasilla he havaitsivat neutronien lisäksi myös positroneja. Irenen ja Frederickin mukaan positronit tässä ydinreaktiossa eivät voineet muodostua elektroni-positroniparien muodostumisen seurauksena, vaan niiden piti tulla atomin ytimestä.

Seitsemäs Solvay-konferenssi (5) pidettiin Brysselissä 22. - 29. lokakuuta 1933. Sen nimi oli "Atomic Nuclei Structure and Properties". Siihen osallistui 41 fyysikkoa, mukaan lukien maailman merkittävimmät alan asiantuntijat. Joliot kertoi kokeidensa tuloksista ja totesi, että boorin ja alumiinin säteilyttäminen alfasäteillä tuottaa joko neutronin positronin kanssa tai protonin.. Tässä konferenssissa Lisa Meitner Hän sanoi, että samoissa kokeissa alumiinin ja fluorin kanssa hän ei saanut samaa tulosta. Tulkinnassa hän ei jakanut pariisilaisen pariskunnan mielipidettä positronien alkuperän ydinluonteesta. Palattuaan töihin Berliiniin hän kuitenkin suoritti nämä kokeet uudelleen ja 18. marraskuuta kirjeessään Joliot-Curielle hän myönsi, että nyt hänen mielestään positroneja todellakin ilmestyy ytimestä.

Lisäksi tämä konferenssi Francis Perrin, heidän ikätoverinsa ja hyvä ystävänsä Pariisista, puhui positroneista. Kokeista tiedettiin, että he saivat jatkuvan positronispektrin, joka oli samanlainen kuin beetahiukkasten spektri luonnollisessa radioaktiivisessa hajoamisessa. Positronien ja neutronien energioiden lisäanalyysi Perrin tuli siihen tulokseen, että tässä pitäisi erottaa kaksi emissiota: ensinnäkin neutronien emissio, johon liittyy epästabiilin ytimen muodostuminen, ja sitten positronien emissio tästä ytimestä.

Konferenssin jälkeen Joliot keskeytti nämä kokeet noin kahdeksi kuukaudeksi. Ja sitten joulukuussa 1933 Perrin julkaisi mielipiteensä asiasta. Samaan aikaan myös joulukuussa Enrico Fermi ehdotti beetahajoamisen teoriaa. Tämä toimi teoreettisena perustana kokemusten tulkinnalle. Vuoden 1934 alussa pariskunta Ranskan pääkaupungista aloitti uudelleen kokeilunsa.

Täsmälleen tammikuun 11. päivänä, torstai-iltapäivänä, Frédéric Joliot otti alumiinifolion ja pommitti sitä alfahiukkasilla 10 minuutin ajan. Ensimmäistä kertaa hän käytti havaitsemiseen Geiger-Muller-laskuria, ei sumukammiota, kuten ennen. Hän huomasi hämmästyneenä, että kun hän poisti alfahiukkasten lähteen kalvosta, positronien laskenta ei pysähtynyt, laskurit jatkoivat niiden näyttämistä, vain niiden määrä väheni eksponentiaalisesti. Hän määritti puoliintumisajan olevan 3 minuuttia ja 15 sekuntia. Sitten hän vähensi kalvolle putoavien alfahiukkasten energiaa asettamalla lyijyjarrun niiden tielle. Ja se sai vähemmän positroneja, mutta puoliintumisaika ei muuttunut.

Sitten hän suoritti boorin ja magnesiumin samoihin kokeisiin ja sai näissä kokeissa puoliintumisajat 14 minuuttia ja 2,5 minuuttia. Myöhemmin tällaisia ​​kokeita suoritettiin vedyllä, litiumilla, hiilellä, berylliumilla, typellä, hapella, fluorilla, natriumilla, kalsiumilla, nikkelillä ja hopealla - mutta hän ei havainnut samanlaista ilmiötä kuin alumiinilla, boorilla ja magnesiumilla. Geiger-Muller-laskuri ei tee eroa positiivisten ja negatiivisten varautuneiden hiukkasten välillä, joten Frédéric Joliot varmisti myös, että se todella käsittelee positiivisia elektroneja. Myös tekninen puoli oli tärkeä tässä kokeessa, eli vahvan alfahiukkasten lähteen läsnäolo ja herkän varautuneiden hiukkasten laskurin, kuten Geiger-Muller-laskurin, käyttö.

Kuten Joliot-Curie-pari on aiemmin selittänyt, positroneja ja neutroneja vapautuu samanaikaisesti havaitussa ydinmuunnuksessa. Nyt, seuraten Francis Perrinin ehdotuksia ja lukemalla Fermin pohdintoja, pariskunta päätteli, että ensimmäinen ydinreaktio tuotti epävakaan ytimen ja neutronin, jota seurasi tuon epävakaan ytimen beeta ja hajoaminen. Joten he voisivat kirjoittaa seuraavat reaktiot:

Joliotit huomasivat, että syntyneiden radioaktiivisten isotooppien puoliintumisajat olivat liian lyhyet ollakseen luonnossa. He ilmoittivat tuloksensa 15. tammikuuta 1934 artikkelissa "Uusi radioaktiivisuuden tyyppi". Helmikuun alussa he onnistuivat tunnistamaan fosforin ja typen kahdesta ensimmäisestä reaktiosta kerätyistä pienistä määristä. Pian ennustettiin, että ydinpommitusreaktioissa voitaisiin tuottaa lisää radioaktiivisia isotooppeja, myös protonien, deuteronien ja neutronien avulla. Maaliskuussa Enrico Fermi lysti vetoa, että tällaiset reaktiot toteutettaisiin pian neutroneilla. Pian hän voitti vedon itse.

Irena ja Frederick saivat Nobelin kemian palkinnon vuonna 1935 "uusien radioaktiivisten alkuaineiden synteesistä". Tämä löytö tasoitti tietä keinotekoisesti radioaktiivisten isotooppien tuotannolle, jotka ovat löytäneet monia tärkeitä ja arvokkaita sovelluksia perustutkimuksessa, lääketieteessä ja teollisuudessa.

Lopuksi on syytä mainita yhdysvaltalaiset fyysikot, Ernest Lawrence Berkeleyn kollegoiden ja Pasadenan tutkijoiden kanssa, joiden joukossa oli puolalainen, joka oli työharjoittelussa Andrei Sultan. Pulssien laskentaa laskureilla havaittiin, vaikka kiihdytin oli jo lakannut toimimasta. He eivät pitäneet tästä laskennasta. He eivät kuitenkaan ymmärtäneet, että he olivat tekemisissä tärkeän uuden ilmiön kanssa ja että heiltä yksinkertaisesti puuttui keinotekoisen radioaktiivisuuden löytö...