Înainte de tripla artă, adică despre descoperirea radioactivității artificiale

Din când în când în istoria fizicii sunt ani „minunați” în care eforturile comune ale multor cercetători duc la o serie de descoperiri inovatoare. Așa a fost cu 1820, anul electricității, 1905, anul miraculos al celor patru lucrări ale lui Einstein, 1913, anul asociat studiului structurii atomului și, în sfârșit, 1932, când o serie de descoperiri și progrese tehnice în s-a creat energia nucleara.fizica.

tineri casatoriti

Irene, fiica cea mare a lui Marie Skłodowska-Curie și Pierre Curie, s-a născut la Paris în 1897 (1). Până la vârsta de doisprezece ani, a fost crescută acasă, într-o mică „școală” creată de eminenti oameni de știință pentru copiii ei, în care erau vreo zece elevi. Profesorii au fost: Marie Sklodowska-Curie (fizică), Paul Langevin (matematică), Jean Perrin (chimie), iar ştiinţele umaniste au fost predate în principal de mamele elevilor. De obicei, lecțiile aveau loc în casele profesorilor, în timp ce copiii studiau fizica și chimia în laboratoare reale.

Astfel, predarea fizicii și chimiei a fost dobândirea de cunoștințe prin acțiuni practice. Fiecare experiment de succes i-a încântat pe tinerii cercetători. Erau adevărate experimente care trebuiau înțelese și realizate cu atenție, iar copiii din laboratorul Mariei Curie trebuiau să fie într-o ordine exemplară. De asemenea, trebuiau dobândite cunoștințe teoretice. Metoda, ca soarta elevilor acestei școli, mai târziu oameni de știință buni și remarcabili, s-a dovedit a fi eficientă.

2. Frederic Joliot (foto Harcourt)

Mai mult, bunicul patern al Irenei, medic, a dedicat mult timp nepoatei orfane a tatălui său, distrându-se și suplimentând educația ei în științe naturale. În 1914, Irene a absolvit Pionierul Collège Sévigné și a intrat la facultatea de matematică și știință de la Sorbona. Aceasta a coincis cu începutul Primului Război Mondial. În 1916 s-a alăturat mamei sale și împreună au organizat un serviciu radiologic în Crucea Roșie Franceză. După război, a primit o diplomă de licență. În 1921, a fost publicată prima ei lucrare științifică. El a fost dedicat determinării masei atomice a clorului din diferite minerale. În activitățile sale ulterioare, a lucrat îndeaproape cu mama ei, ocupându-se de radioactivitate. În teza sa de doctorat, susținută în 1925, ea a studiat particulele alfa emise de poloniu.

Frederic Joliot născut în 1900 la Paris (2). De la vârsta de opt ani a urmat școala în So, a locuit într-un internat. Pe vremea aceea, prefera sportul studiilor, mai ales fotbalul. Apoi a urmat pe rând două licee. La fel ca Irene Curie, și-a pierdut tatăl devreme. În 1919 a promovat examenul la École de Physique et de Chemie Industrielle de la Ville de Paris (Școala de Fizică Industrială și Chimie Industrială a orașului Paris). A absolvit în 1923. Profesorul său, Paul Langevin, a aflat despre abilitățile și virtuțile lui Frederick. După 15 luni de serviciu militar, la ordinul lui Langevin, a fost numit asistent personal de laborator al Mariei Skłodowska-Curie la Institutul Radium cu o bursă de la Fundația Rockefeller. Acolo a cunoscut-o pe Irene Curie, iar în 1926 tinerii s-au căsătorit.

Frederick și-a finalizat teza de doctorat despre electrochimia elementelor radioactive în 1930. Puțin mai devreme, își concentrase deja interesele pe cercetările soției sale, iar după ce susținea teza de doctorat a lui Frederick, deja lucrau împreună. Unul dintre primele lor succese importante a fost o preparare de poloniu, care este o sursă puternică de particule alfa, de exemplu. nuclee de heliu.(₂⁴El). Au plecat dintr-o poziție incontestabilă privilegiată, pentru că Marie Curie a fost cea care a furnizat fiicei sale o mare porție de poloniu. Lew Kowarsky, colaboratorul lor de mai târziu, i-a descris astfel: Irena a fost „un tehnician excelent”, „a lucrat foarte frumos și cu grijă”, „a înțeles profund ce face”. Soțul ei avea „o imaginație mai orbitoare, mai avântătoare”. „S-au completat perfect și știau asta”. Din punct de vedere al istoriei științei, cei mai interesanți pentru ei au fost doi ani: 1932-34.

Aproape că au descoperit neutronul

„Aproape” contează foarte mult. Ei au aflat despre acest trist adevăr foarte curând. În 1930, la Berlin, doi germani - Walter Bothe i Hubert Becker - S-a investigat cum se comportă atomii de lumină atunci când sunt bombardați cu particule alfa. Scut de beriliu (₄⁹Fi) atunci când este bombardat cu particule alfa emise radiații extrem de penetrante și de înaltă energie. Potrivit experimentatorilor, această radiație trebuie să fi fost o radiație electromagnetică puternică.

În acest stadiu, Irena și Frederick s-au ocupat de problemă. Sursa lor de particule alfa a fost cea mai puternică vreodată. Au folosit o cameră cu nori pentru a observa produșii de reacție. La sfârșitul lui ianuarie 1932, ei au anunțat public că razele gamma sunt cele care eliminau protonii de înaltă energie dintr-o substanță care conținea hidrogen. Nu au înțeles încă ce era în mâinile lor și ce se întâmplă.. Dupa citit James Chadwick (3) la Cambridge s-a pus imediat pe treabă, crezând că nu era vorba deloc de radiații gamma, ci de neutroni prezis de Rutherford cu câțiva ani înainte. După o serie de experimente, s-a convins de observarea neutronului și a descoperit că masa acestuia este similară cu cea a protonului. La 17 februarie 1932, a trimis o notă revistei Nature intitulată „The Possible Existence of the Neutron”.

Era de fapt un neutron, deși Chadwick credea că un neutron este format dintr-un proton și un electron. Abia în 1934 a înțeles și a dovedit că neutronul este o particulă elementară. Chadwick a primit Premiul Nobel pentru Fizică în 1935. În ciuda faptului că au ratat o descoperire importantă, soții Joliot-Curies și-au continuat cercetările în acest domeniu. Ei și-au dat seama că această reacție a produs raze gamma pe lângă neutroni, așa că au scris reacția nucleară:

, unde Ef este energia cuantumului gamma. Experimente similare au fost efectuate cu ₉¹⁹F.

A ratat deschiderea din nou

Cu câteva luni înainte de descoperirea pozitronului, Joliot-Curie avea fotografii cu, printre altele, un traseu curbat, ca și cum ar fi un electron, dar răsucindu-se în direcția opusă electronului. Fotografiile au fost făcute într-o cameră de ceață situată într-un câmp magnetic. Pe baza acestui fapt, cuplul a vorbit despre electronii care merg în două direcții, de la sursă și la sursă. De fapt, cei asociați cu direcția „spre sursă” erau pozitroni, sau electroni pozitivi care se îndepărtau de sursă.

Între timp, în Statele Unite, la sfârșitul verii anului 1932, Carl David Anderson (4), fiul imigranților suedezi, a studiat razele cosmice într-o cameră cu nori sub influența unui câmp magnetic. Razele cosmice vin pe Pământ din exterior. Anderson, pentru a fi sigur de direcția și mișcarea particulelor, în interiorul camerei a trecut particulele printr-o placă de metal, unde au pierdut o parte din energie. Pe 2 august, a văzut o urmă, pe care, fără îndoială, a interpretat-o ​​ca un electron pozitiv.

Este de remarcat faptul că Dirac a prezis anterior existența teoretică a unei astfel de particule. Cu toate acestea, Anderson nu a urmat niciun principiu teoretic în studiile sale despre razele cosmice. În acest context, el a numit descoperirea lui accidentală.

Din nou, Joliot-Curie a trebuit să suporte o profesie incontestabilă, dar a întreprins cercetări suplimentare în acest domeniu. Ei au descoperit că fotonii cu raze gamma pot dispărea în apropierea unui nucleu greu, formând o pereche electron-pozitron, aparent în conformitate cu celebra formulă a lui Einstein E = mc2 și cu legea conservării energiei și a impulsului. Mai târziu, Frederick însuși a dovedit că există un proces de dispariție a unei perechi electron-pozitron, dând naștere la două cuante gamma. Pe lângă pozitronii din perechile electron-pozitron, ei aveau pozitroni din reacțiile nucleare.

5. A șaptea conferință Solvay, 1933

Așezată în primul rând: Irene Joliot-Curie (a doua de la stânga),

Maria Skłodowska-Curie (a cincea de la stânga), Lise Meitner (a doua de la dreapta).

radioactivitate artificială

Descoperirea radioactivității artificiale nu a fost un act instantaneu. În februarie 1933, bombardând aluminiu, fluor și apoi sodiu cu particule alfa, Joliot a obținut neutroni și izotopi necunoscuți. În iulie 1933, ei au anunțat că, prin iradierea aluminiului cu particule alfa, au observat nu numai neutroni, ci și pozitroni. Potrivit lui Irene și Frederick, pozitronii din această reacție nucleară nu s-ar fi putut forma ca urmare a formării perechilor electron-pozitron, ci trebuiau să provină din nucleul atomic.

A șaptea Conferință Solvay (5) a avut loc la Bruxelles în perioada 22-29 octombrie 1933. A fost numită „Structura și proprietățile nucleelor ​​atomice”. La ea au participat 41 de fizicieni, inclusiv cei mai importanți experți în acest domeniu din lume. Joliot a raportat rezultatele experimentelor lor, afirmând că iradierea borului și aluminiului cu raze alfa produce fie un neutron cu un pozitron, fie un proton.. La aceasta conferinta Lisa Meitner Ea a spus că în aceleași experimente cu aluminiu și fluor, nu a obținut același rezultat. În interpretare, ea nu a împărtășit opinia cuplului din Paris despre natura nucleară a originii pozitronilor. Cu toate acestea, când s-a întors la muncă la Berlin, a efectuat din nou aceste experimente, iar pe 18 noiembrie, într-o scrisoare către Joliot-Curie, a recunoscut că acum, în opinia ei, pozitronii chiar ies din nucleu.

În plus, această conferință Francis Perrin, egalul și bunul lor prieten de la Paris, a vorbit pe tema pozitronilor. Din experimente se știa că au obținut un spectru continuu de pozitroni, similar cu spectrul particulelor beta în dezintegrarea radioactivă naturală. Analiza ulterioară a energiilor pozitronilor și neutronilor Perrin a ajuns la concluzia că aici ar trebui să se distingă două emisii: în primul rând, emisia de neutroni, însoțită de formarea unui nucleu instabil, și apoi emisia de pozitroni din acest nucleu.

După conferință, Joliot a oprit aceste experimente timp de aproximativ două luni. Și apoi, în decembrie 1933, Perrin și-a publicat opinia asupra acestei chestiuni. Totodată, tot în decembrie Enrico Fermi a propus teoria dezintegrarii beta. Aceasta a servit ca bază teoretică pentru interpretarea experiențelor. La începutul anului 1934, cuplul din capitala Franței și-a reluat experimentele.

Exact pe 11 ianuarie, joi după-amiază, Frédéric Joliot a luat folie de aluminiu și a bombardat-o cu particule alfa timp de 10 minute. Pentru prima dată, a folosit un contor Geiger-Muller pentru detectare, și nu camera de ceață, ca înainte. A fost surprins să observe că, pe măsură ce a îndepărtat sursa particulelor alfa din folie, numărarea pozitronilor nu s-a oprit, contoarele au continuat să le arate, doar numărul lor a scăzut exponențial. El a determinat timpul de înjumătățire să fie de 3 minute și 15 secunde. Apoi a redus energia particulelor alfa care cădeau pe folie punând o frână de plumb în calea lor. Și a primit mai puțini pozitroni, dar timpul de înjumătățire nu s-a schimbat.

Apoi a supus bor și magneziu la aceleași experimente și a obținut timpi de înjumătățire în aceste experimente de 14 minute și, respectiv, 2,5 minute. Ulterior, astfel de experimente au fost efectuate cu hidrogen, litiu, carbon, beriliu, azot, oxigen, fluor, sodiu, calciu, nichel și argint - dar nu a observat un fenomen similar ca pentru aluminiu, bor și magneziu. Contorul Geiger-Muller nu face distincție între particulele încărcate pozitive și negative, așa că Frédéric Joliot a verificat, de asemenea, că se ocupă de fapt cu electroni pozitivi. Aspectul tehnic a fost, de asemenea, important în acest experiment, adică prezența unei surse puternice de particule alfa și utilizarea unui contor sensibil de particule încărcate, cum ar fi un contor Geiger-Muller.

După cum sa explicat anterior de perechea Joliot-Curie, pozitronii și neutronii sunt eliberați simultan în transformarea nucleară observată. Acum, urmând sugestiile lui Francis Perrin și citind considerațiile lui Fermi, cuplul a ajuns la concluzia că prima reacție nucleară a produs un nucleu instabil și un neutron, urmate de dezintegrarea beta plus a acelui nucleu instabil. Deci ar putea scrie următoarele reacții:

Soții Jolioți au observat că izotopii radioactivi rezultați aveau timpi de înjumătățire prea scurt pentru a exista în natură. Ei și-au anunțat rezultatele pe 15 ianuarie 1934, într-un articol intitulat „Un nou tip de radioactivitate”. La începutul lunii februarie, ei au reușit să identifice fosforul și azotul din primele două reacții din cantitățile mici colectate. Curând a existat o profeție conform căreia mai mulți izotopi radioactivi ar putea fi produși în reacțiile de bombardament nuclear, tot cu ajutorul protonilor, deuteronilor și neutronilor. În martie, Enrico Fermi a pariat că astfel de reacții vor fi efectuate în curând folosind neutroni. El a câștigat în curând pariul.

Irena și Frederick au primit Premiul Nobel pentru Chimie în 1935 pentru „sinteza de noi elemente radioactive”. Această descoperire a deschis calea pentru producerea de izotopi radioactivi artificial, care au găsit multe aplicații importante și valoroase în cercetarea de bază, medicină și industrie.

În sfârșit, merită menționat fizicienii din SUA, Ernest Lawrence cu colegi din Berkeley și cercetători din Pasadena, printre care și un polonez care era în stagiu Andrei Sultan. S-a observat numărarea impulsurilor de către contoare, deși acceleratorul nu mai funcționase deja. Nu le-a plăcut acest număr. Cu toate acestea, nu și-au dat seama că au de-a face cu un nou fenomen important și că pur și simplu le lipsea descoperirea radioactivității artificiale...