Før den tredobbelte kunst, altså om opdagelsen af ​​kunstig radioaktivitet

Fra tid til anden i fysikkens historie er der "vidunderlige" år, hvor mange forskeres fælles indsats fører til en række banebrydende opdagelser. Sådan var det med 1820, elektricitetens år, 1905, det mirakuløse år for Einsteins fire artikler, 1913, året forbundet med studiet af atomets struktur, og endelig 1932, da en række tekniske opdagelser og fremskridt i atomkraft blev skabt.fysik.

nygifte

Irene, den ældste datter af Marie Skłodowska-Curie og Pierre Curie, blev født i Paris i 1897 (1). Indtil hun var tolv år blev hun opdraget hjemme i en lille "skole" skabt af fremtrædende videnskabsmænd til hendes børn, hvor der var omkring ti elever. Lærerne var: Marie Sklodowska-Curie (fysik), Paul Langevin (matematik), Jean Perrin (kemi), og humaniora blev hovedsageligt undervist af elevernes mødre. Undervisningen fandt normalt sted i lærernes hjem, mens børn studerede fysik og kemi i rigtige laboratorier.

Undervisningen i fysik og kemi var således tilegnelse af viden gennem praktiske handlinger. Hvert vellykket eksperiment glædede unge forskere. Det var rigtige eksperimenter, der skulle forstås og omhyggeligt udføres, og børnene i Marie Curies laboratorium skulle være i eksemplarisk orden. Der skulle også tilegnes teoretisk viden. Metoden, som skæbnen for eleverne på denne skole, senere gode og fremragende videnskabsmænd, viste sig at være effektiv.

2. Frederic Joliot (foto Harcourt)

Desuden brugte Irenas farfar, en læge, meget tid til sin fars forældreløse barnebarn, havde det sjovt og supplerede hendes naturvidenskabelige uddannelse. I 1914 dimitterede Irene fra det banebrydende Collège Sévigné og kom ind på fakultetet for matematik og naturvidenskab ved Sorbonne. Dette faldt sammen med begyndelsen af ​​Første Verdenskrig. I 1916 sluttede hun sig til sin mor og sammen organiserede de en radiologisk tjeneste i det franske Røde Kors. Efter krigen fik hun en bachelorgrad. I 1921 udkom hendes første videnskabelige arbejde. Han var viet til bestemmelsen af ​​atommassen af ​​klor fra forskellige mineraler. I sine videre aktiviteter arbejdede hun tæt sammen med sin mor, hvor hun beskæftigede sig med radioaktivitet. I sin doktorafhandling, forsvaret i 1925, studerede hun alfapartiklerne udsendt af polonium.

Frederic Joliot født 1900 i Paris (2). Fra en alder af otte gik han i skole i So, boede på en kostskole. På det tidspunkt foretrak han sport frem for studier, især fodbold. Så skiftedes han til at gå på to gymnasier. Ligesom Irene Curie mistede han sin far tidligt. I 1919 bestod han eksamen ved École de Physique et de Chemie Industrielle de la Ville de Paris (Skolen for industriel fysik og industriel kemi i byen Paris). Han dimitterede i 1923. Hans professor, Paul Langevin, lærte om Fredericks evner og dyder. Efter 15 måneders militærtjeneste blev han på ordre fra Langevin udnævnt til personlig laboratorieassistent for Marie Skłodowska-Curie ved Radiuminstituttet med en bevilling fra Rockefeller Foundation. Der mødte han Irene Curie, og i 1926 blev de unge gift.

Frederick afsluttede sin doktorafhandling om radioaktive grundstoffers elektrokemi i 1930. Lidt tidligere havde han allerede fokuseret sine interesser på sin kones forskning, og efter at have forsvaret Frederiks doktorafhandling arbejdede de allerede sammen. En af deres første vigtige succeser var et præparat af polonium, som er en stærk kilde til alfapartikler, dvs. helium kerner.(₂⁴Han). De startede fra en unægtelig privilegeret position, for det var Marie Curie, der forsynede sin datter med en stor portion polonium. Lew Kowarsky, deres senere samarbejdspartner, beskrev dem som følger: Irena var "en fremragende tekniker", "hun arbejdede meget smukt og omhyggeligt", "hun forstod dybt, hvad hun lavede." Hendes mand havde "en mere blændende, mere svævende fantasi." "De supplerede hinanden perfekt og vidste det." Fra videnskabshistoriens synspunkt var de mest interessante for dem to år: 1932-34.

De opdagede næsten neutronen

"Næsten" betyder meget. De lærte meget hurtigt om denne triste sandhed. I 1930 i Berlin, to tyskere - Walter Bothe i Hubert Becker - Undersøgt, hvordan lette atomer opfører sig, når de bliver bombarderet med alfapartikler. Beryllium Shield (₄⁹Be) når bombarderet med alfapartikler udsendes ekstremt gennemtrængende og højenergistråling. Ifølge forsøgslederne skal denne stråling have været stærk elektromagnetisk stråling.

På dette tidspunkt håndterede Irena og Frederick problemet. Deres kilde til alfapartikler var den mest kraftfulde nogensinde. De brugte et skykammer til at observere reaktionsprodukterne. I slutningen af ​​januar 1932 annoncerede de offentligt, at det var gammastråler, der slog højenergiske protoner ud fra et stof, der indeholdt brint. De forstod endnu ikke, hvad der var i deres hænder, og hvad der skete.. Efter læsning James Chadwick (3) i Cambridge gik han straks i gang, idet han troede, at det slet ikke var gammastråling, men neutroner forudsagt af Rutherford flere år i forvejen. Efter en række eksperimenter blev han overbevist om observationen af ​​neutronen og fandt ud af, at dens masse svarer til protonens. Den 17. februar 1932 indsendte han et notat til tidsskriftet Nature med titlen "The Possible Existence of the Neutron".

Det var faktisk en neutron, selvom Chadwick mente, at en neutron bestod af en proton og en elektron. Først i 1934 forstod og beviste han, at neutronen er en elementarpartikel. Chadwick blev tildelt Nobelprisen i fysik i 1935. På trods af erkendelsen af, at de havde gået glip af en vigtig opdagelse, fortsatte Joliot-Curies deres forskning på dette område. De indså, at denne reaktion producerede gammastråler ud over neutroner, så de skrev kernereaktionen:

, hvor Ef er energien i gamma-kvanten. Lignende forsøg blev udført med ₉¹⁹F.

Missede åbning igen

Et par måneder før opdagelsen af ​​positronen havde Joliot-Curie fotografier af blandt andet en buet bane, som var det en elektron, men snoede sig i modsat retning af elektronen. Fotografierne er taget i et tågekammer placeret i et magnetfelt. Ud fra dette talte parret om, at elektroner går i to retninger, fra kilden og til kilden. Faktisk var dem, der var forbundet med retningen "mod kilden", positroner eller positive elektroner, der bevægede sig væk fra kilden.

I mellemtiden, i USA i sensommeren 1932, Carl David Andersen (4), søn af svenske immigranter, studerede kosmiske stråler i et skykammer under påvirkning af et magnetfelt. Kosmiske stråler kommer til Jorden udefra. Anderson, for at være sikker på partiklernes retning og bevægelse, førte partiklerne inde i kammeret gennem en metalplade, hvor de mistede noget af energien. Den 2. august så han et spor, som han uden tvivl tolkede som en positiv elektron.

Det er værd at bemærke, at Dirac tidligere havde forudsagt den teoretiske eksistens af en sådan partikel. Anderson fulgte dog ingen teoretiske principper i sine studier af kosmiske stråler. I denne sammenhæng kaldte han sin opdagelse tilfældig.

Igen måtte Joliot-Curie affinde sig med en ubestridelig profession, men foretog yderligere forskning på dette område. De fandt ud af, at gammastrålefotoner kan forsvinde nær en tung kerne og danne et elektron-positron-par, tilsyneladende i overensstemmelse med Einsteins berømte formel E = mc2 og loven om bevarelse af energi og momentum. Senere beviste Frederick selv, at der er en proces med forsvinden af ​​et elektron-positron-par, hvilket giver anledning til to gamma-kvanter. Ud over positroner fra elektron-positron-par havde de positroner fra kernereaktioner.

5. Syvende Solvay-konference, 1933

Siddende på forreste række: Irene Joliot-Curie (anden fra venstre),

Maria Skłodowska-Curie (femte fra venstre), Lise Meitner (anden fra højre).

kunstig radioaktivitet

Opdagelsen af ​​kunstig radioaktivitet var ikke en øjeblikkelig handling. I februar 1933 opnåede Joliot neutroner og ukendte isotoper ved at bombardere aluminium, fluor og derefter natrium med alfapartikler. I juli 1933 meddelte de, at de ved at bestråle aluminium med alfapartikler observerede ikke kun neutroner, men også positroner. Ifølge Irene og Frederick kunne positronerne i denne kernereaktion ikke være dannet som følge af dannelsen af ​​elektron-positron-par, men skulle komme fra atomkernen.

Den syvende Solvay-konference (5) fandt sted i Bruxelles den 22.-29. oktober 1933. Den blev kaldt "Atomkernernes struktur og egenskaber". Det blev overværet af 41 fysikere, inklusive de mest fremtrædende eksperter på dette område i verden. Joliot rapporterede resultaterne af deres eksperimenter, og sagde, at bestråling af bor og aluminium med alfa-stråler producerer enten en neutron med en positron eller en proton.. På denne konference Lisa Meitner Hun fortalte, at hun i de samme forsøg med aluminium og fluor ikke fik det samme resultat. I fortolkningen delte hun ikke parrets mening om den nukleare karakter af positronernes oprindelse. Men da hun vendte tilbage til arbejdet i Berlin, gennemførte hun igen disse eksperimenter, og den 18. november indrømmede hun i et brev til Joliot-Curie, at nu efter hendes mening dukker positroner faktisk frem fra kernen.

Derudover denne konference Francis Perrin, deres jævnaldrende og gode ven fra Paris, talte om emnet positroner. Fra eksperimenter var det kendt, at de opnåede et kontinuerligt spektrum af positroner, svarende til spektret af beta-partikler i naturligt radioaktivt henfald. Yderligere analyse af energierne af positroner og neutroner Perrin kom til den konklusion, at der her skal skelnes mellem to emissioner: for det første emissionen af ​​neutroner, ledsaget af dannelsen af ​​en ustabil kerne, og derefter emissionen af ​​positroner fra denne kerne.

Efter konferencen stoppede Joliot disse eksperimenter i omkring to måneder. Og så, i december 1933, offentliggjorde Perrin sin mening om sagen. Samtidig også i december Enrico Fermi foreslået teorien om beta-henfald. Dette fungerede som et teoretisk grundlag for fortolkning af erfaringer. I begyndelsen af ​​1934 genoptog parret fra den franske hovedstad deres eksperimenter.

Præcis den 11. januar, torsdag eftermiddag, tog Frédéric Joliot aluminiumsfolie og bombarderede den med alfapartikler i 10 minutter. For første gang brugte han en Geiger-Muller-tæller til detektion og ikke tågekammeret som før. Han var overrasket over at bemærke, at da han fjernede kilden til alfapartikler fra folien, stoppede tællingen af ​​positroner ikke, tællerne fortsatte med at vise dem, kun deres antal faldt eksponentielt. Han bestemte, at halveringstiden var 3 minutter og 15 sekunder. Derefter reducerede han energien af ​​alfapartiklerne, der faldt på folien, ved at placere en blybremse i deres vej. Og den fik færre positroner, men halveringstiden ændrede sig ikke.

Derefter udsatte han bor og magnesium for de samme forsøg, og opnåede halveringstider i disse forsøg på henholdsvis 14 minutter og 2,5 minutter. Efterfølgende blev sådanne forsøg udført med brint, lithium, kulstof, beryllium, nitrogen, oxygen, fluor, natrium, calcium, nikkel og sølv - men han observerede ikke et lignende fænomen som for aluminium, bor og magnesium. Geiger-Muller-tælleren skelner ikke mellem positivt og negativt ladede partikler, så Frédéric Joliot bekræftede også, at den faktisk beskæftiger sig med positive elektroner. Det tekniske aspekt var også vigtigt i dette eksperiment, dvs. tilstedeværelsen af ​​en stærk kilde til alfapartikler og brugen af ​​en følsom ladet partikeltæller, såsom en Geiger-Muller-tæller.

Som tidligere forklaret af Joliot-Curie-parret frigives positroner og neutroner samtidigt i den observerede nukleare transformation. Nu, efter Francis Perrins forslag og læser Fermis overvejelser, konkluderede parret, at den første kernereaktion producerede en ustabil kerne og en neutron, efterfulgt af beta plus henfald af den ustabile kerne. Så de kunne skrive følgende reaktioner:

Jolioterne bemærkede, at de resulterende radioaktive isotoper havde for korte halveringstider til at eksistere i naturen. De annoncerede deres resultater den 15. januar 1934 i en artikel med titlen "En ny type radioaktivitet". I begyndelsen af ​​februar lykkedes det at identificere fosfor og kvælstof fra de to første reaktioner fra de indsamlede små mængder. Snart kom der en profeti om, at flere radioaktive isotoper kunne produceres i atombombardementreaktioner, også ved hjælp af protoner, deuteroner og neutroner. I marts satsede Enrico Fermi på, at sådanne reaktioner snart ville blive udført ved hjælp af neutroner. Han vandt snart selv væddemålet.

Irena og Frederik fik Nobelprisen i kemi i 1935 for "syntesen af ​​nye radioaktive grundstoffer". Denne opdagelse banede vejen for produktionen af ​​kunstigt radioaktive isotoper, som har fundet mange vigtige og værdifulde anvendelser inden for grundforskning, medicin og industri.

Endelig er det værd at nævne fysikere fra USA, Ernest Lawrence med kolleger fra Berkeley og forskere fra Pasadena, blandt dem var en polak, der var i praktik Andrzej Soltan. Tællernes optælling af impulser blev observeret, selvom speederen allerede var holdt op med at virke. De kunne ikke lide denne optælling. Men de var ikke klar over, at de havde at gøre med et vigtigt nyt fænomen, og at de simpelthen manglede opdagelsen af ​​kunstig radioaktivitet ...