Før trippelkunsten, altså om oppdagelsen av kunstig radioaktivitet

Fra tid til annen i fysikkens historie er det "fantastiske" år når felles innsats fra mange forskere fører til en rekke banebrytende oppdagelser. Slik var det med 1820, elektrisitetens år, 1905, det mirakuløse året for Einsteins fire artikler, 1913, året knyttet til studiet av atomets struktur, og til slutt 1932, da en rekke tekniske oppdagelser og fremskritt i opprettelsen av kjernefysikk.

nygifte

Irene, den eldste datteren til Marie Skłodowska-Curie og Pierre Curie, ble født i Paris i 1897 (1). Frem til hun var tolv år ble hun oppvokst hjemme, på en liten "skole" skapt av eminente vitenskapsmenn for barna hennes, der det var rundt ti elever. Lærerne var: Marie Sklodowska-Curie (fysikk), Paul Langevin (matematikk), Jean Perrin (kjemi), og humaniora ble hovedsakelig undervist av mødrene til elevene. Undervisningen fant vanligvis sted i lærernes hjem, mens barn studerte fysikk og kjemi i ekte laboratorier.

Dermed var undervisningen i fysikk og kjemi tilegnelse av kunnskap gjennom praktiske handlinger. Hvert vellykket eksperiment gledet unge forskere. Dette var virkelige eksperimenter som måtte forstås og nøye gjennomføres, og barna i Marie Curies laboratorium måtte være i eksemplarisk orden. Teoretisk kunnskap måtte også tilegnes. Metoden, som skjebnen til elevene på denne skolen, senere gode og fremragende vitenskapsmenn, viste seg å være effektiv.

2. Frederic Joliot (foto av Harcourt)

Dessuten viet Irenas farfar, en lege, mye tid til farens foreldreløse barnebarn, hadde det gøy og suppleret hennes naturvitenskapelige utdanning. I 1914 ble Irene uteksaminert fra det banebrytende Collège Sévigné og gikk inn på fakultetet for matematikk og naturvitenskap ved Sorbonne. Dette falt sammen med starten av første verdenskrig. I 1916 ble hun sammen med moren sin og sammen organiserte de en radiologisk tjeneste i det franske Røde Kors. Etter krigen fikk hun en bachelorgrad. I 1921 ble hennes første vitenskapelige arbeid publisert. Han var viet til å bestemme atommassen til klor fra forskjellige mineraler. I sine videre aktiviteter jobbet hun tett med moren sin, og arbeidet med radioaktivitet. I sin doktorgradsavhandling, forsvart i 1925, studerte hun alfapartiklene som sendes ut av polonium.

Frederic Joliot født i 1900 i Paris (2). Fra han var åtte år gikk han på skole i So, bodde på internat. På den tiden foretrakk han idrett fremfor studier, spesielt fotball. Deretter gikk han etter tur på to videregående skoler. I likhet med Irene Curie mistet han faren sin tidlig. I 1919 besto han eksamen ved École de Physique et de Chemie Industrielle de la Ville de Paris (skolen for industriell fysikk og industriell kjemi i byen Paris). Han ble uteksaminert i 1923. Professoren hans, Paul Langevin, lærte om Fredericks evner og dyder. Etter 15 måneders militærtjeneste, etter ordre fra Langevin, ble han utnevnt til personlig laboratorieassistent for Marie Skłodowska-Curie ved Radium Institute med et stipend fra Rockefeller Foundation. Der møtte han Irene Curie, og i 1926 giftet de unge seg.

Frederick fullførte sin doktorgradsavhandling om elektrokjemien til radioaktive grunnstoffer i 1930. Litt tidligere hadde han allerede fokusert sine interesser på sin kones forskning, og etter å ha forsvart Fredericks doktoravhandling, jobbet de allerede sammen. En av deres første viktige suksesser var en preparat av polonium, som er en sterk kilde til alfapartikler, dvs. heliumkjerner.(₂⁴Han). De startet fra en unektelig privilegert posisjon, for det var Marie Curie som forsynte datteren med en stor porsjon polonium. Lew Kowarsky, deres senere samarbeidspartner, beskrev dem som følger: Irena var "en utmerket tekniker", "hun jobbet veldig vakkert og forsiktig", "hun forsto dypt hva hun gjorde." Mannen hennes hadde "en mer blendende, mer svevende fantasi." "De utfylte hverandre perfekt og visste det." Fra vitenskapshistoriens synspunkt var det mest interessante for dem to år: 1932-34.

De oppdaget nesten nøytronet

"Nesten" betyr mye. De fikk vite om denne triste sannheten veldig snart. I 1930 i Berlin, to tyskere - Walter Bothe i Hubert Becker - Undersøkte hvordan lette atomer oppfører seg når de bombarderes med alfapartikler. Beryllium Shield (₄⁹Be) når bombardert med alfa-partikler sendes ut ekstremt penetrerende og høyenergisk stråling. Ifølge forsøkslederne skal denne strålingen ha vært sterk elektromagnetisk stråling.

På dette stadiet taklet Irena og Frederick problemet. Kilden deres til alfapartikler var den kraftigste noensinne. De brukte et skykammer for å observere reaksjonsproduktene. I slutten av januar 1932 kunngjorde de offentlig at det var gammastråler som slo ut høyenergiprotoner fra et stoff som inneholder hydrogen. De forsto ennå ikke hva de hadde i hendene og hva som skjedde.. Etter lesing James Chadwick (3) ved Cambridge satte han umiddelbart i gang, og tenkte at det ikke var gammastråling i det hele tatt, men nøytroner spådd av Rutherford flere år i forveien. Etter en rekke eksperimenter ble han overbevist om observasjonen av nøytronet og fant ut at massen er lik protonets. Den 17. februar 1932 sendte han inn et notat til tidsskriftet Nature med tittelen «The Possible Existence of the Neutron».

Det var faktisk et nøytron, selv om Chadwick trodde at et nøytron var bygd opp av et proton og et elektron. Først i 1934 forsto og beviste han at nøytronet er en elementær partikkel. Chadwick ble tildelt Nobelprisen i fysikk i 1935. Til tross for erkjennelsen av at de hadde gått glipp av en viktig oppdagelse, fortsatte Joliot-Curies sin forskning på dette området. De innså at denne reaksjonen produserte gammastråler i tillegg til nøytroner, så de skrev kjernereaksjonen:

, hvor Ef er energien til gamma-kvanten. Lignende forsøk ble utført med ₉¹⁹F.

Gikk glipp av åpning igjen

Noen måneder før oppdagelsen av positronet hadde Joliot-Curie fotografier av blant annet en buet bane, som om det var et elektron, men som vrir seg i motsatt retning av elektronet. Bildene er tatt i et tåkekammer plassert i et magnetfelt. På bakgrunn av dette snakket paret om at elektroner går i to retninger, fra kilden og til kilden. Faktisk var de assosiert med retningen "mot kilden" positroner, eller positive elektroner som beveget seg bort fra kilden.

I mellomtiden, i USA på sensommeren 1932, Carl David Anderson (4), sønn av svenske immigranter, studerte kosmiske stråler i et skykammer under påvirkning av et magnetfelt. Kosmiske stråler kommer til jorden utenfra. Anderson, for å være sikker på retningen og bevegelsen til partiklene, førte inne i kammeret partiklene gjennom en metallplate, hvor de mistet noe av energien. 2. august så han et spor, som han utvilsomt tolket som et positivt elektron.

Det er verdt å merke seg at Dirac tidligere hadde spådd den teoretiske eksistensen av en slik partikkel. Anderson fulgte imidlertid ingen teoretiske prinsipper i sine studier av kosmiske stråler. I denne sammenhengen kalte han oppdagelsen tilfeldig.

Igjen måtte Joliot-Curie tåle et ubestridelig yrke, men foretok videre forskning på dette området. De fant at gammastrålefotoner kan forsvinne nær en tung kjerne, og danner et elektron-positron-par, tilsynelatende i samsvar med Einsteins berømte formel E = mc2 og loven om bevaring av energi og momentum. Senere beviste Frederick selv at det er en prosess med forsvinning av et elektron-positron-par, noe som gir opphav til to gamma-kvanter. I tillegg til positroner fra elektron-positron-par, hadde de positroner fra kjernereaksjoner.

5. Syvende Solvay-konferanse, 1933

Sittende på første rad: Irene Joliot-Curie (andre fra venstre),

Maria Skłodowska-Curie (femte fra venstre), Lise Meitner (andre fra høyre).

kunstig radioaktivitet

Oppdagelsen av kunstig radioaktivitet var ikke en øyeblikkelig handling. I februar 1933, ved å bombardere aluminium, fluor og deretter natrium med alfapartikler, oppnådde Joliot nøytroner og ukjente isotoper. I juli 1933 kunngjorde de at de ved å bestråle aluminium med alfapartikler observerte ikke bare nøytroner, men også positroner. Ifølge Irene og Frederick kunne ikke positronene i denne kjernereaksjonen ha blitt dannet som følge av dannelsen av elektron-positron-par, men måtte komme fra atomkjernen.

Den syvende Solvay-konferansen (5) fant sted i Brussel 22.-29. oktober 1933. Den ble kalt "Strukturen og egenskapene til atomkjerner". Det ble deltatt av 41 fysikere, inkludert de mest fremtredende ekspertene på dette feltet i verden. Joliot rapporterte resultatene av eksperimentene deres, og uttalte at bestråling av bor og aluminium med alfastråler produserer enten et nøytron med et positron eller et proton.. På denne konferansen Lisa Meitner Hun fortalte at i de samme forsøkene med aluminium og fluor fikk hun ikke samme resultat. I tolkningen delte hun ikke oppfatningen til paret fra Paris om den nukleære naturen til opprinnelsen til positroner. Men da hun kom tilbake for å jobbe i Berlin, utførte hun igjen disse eksperimentene og 18. november, i et brev til Joliot-Curie, innrømmet hun at nå, etter hennes mening, faktisk dukker positroner opp fra kjernen.

I tillegg denne konferansen Francis Perrin, deres jevnaldrende og gode venn fra Paris, uttalte seg om emnet positroner. Det var kjent fra eksperimenter at de oppnådde et kontinuerlig spekter av positroner, lik spekteret av beta-partikler i naturlig radioaktivt forfall. Ytterligere analyse av energiene til positroner og nøytroner Perrin kom til den konklusjon at to utslipp bør skilles her: først utslipp av nøytroner, ledsaget av dannelsen av en ustabil kjerne, og deretter utslipp av positroner fra denne kjernen.

Etter konferansen stoppet Joliot disse eksperimentene i omtrent to måneder. Og så, i desember 1933, publiserte Perrin sin mening om saken. Samtidig også i desember Enrico Fermi foreslått teorien om beta-forfall. Dette fungerte som et teoretisk grunnlag for tolkningen av erfaringer. Tidlig i 1934 gjenopptok ekteparet fra den franske hovedstaden sine eksperimenter.

Nøyaktig 11. januar, torsdag ettermiddag, tok Frédéric Joliot aluminiumsfolie og bombarderte den med alfapartikler i 10 minutter. For første gang brukte han en Geiger-Muller-teller for deteksjon, og ikke tåkekammeret, som før. Han la merke til med overraskelse at når han fjernet kilden til alfapartikler fra folien, stoppet ikke tellingen av positroner, tellerne fortsatte å vise dem, bare antallet sank eksponentielt. Han bestemte halveringstiden til 3 minutter og 15 sekunder. Deretter reduserte han energien til alfapartiklene som falt på folien ved å plassere en blybrems i deres vei. Og den fikk færre positroner, men halveringstiden endret seg ikke.

Deretter utsatte han bor og magnesium for de samme forsøkene, og oppnådde halveringstider i disse forsøkene på henholdsvis 14 minutter og 2,5 minutter. Deretter ble slike forsøk utført med hydrogen, litium, karbon, beryllium, nitrogen, oksygen, fluor, natrium, kalsium, nikkel og sølv – men han observerte ikke et lignende fenomen som for aluminium, bor og magnesium. Geiger-Muller-telleren skiller ikke mellom positive og negativt ladede partikler, så Frédéric Joliot bekreftet også at den faktisk omhandler positive elektroner. Det tekniske aspektet var også viktig i dette eksperimentet, dvs. tilstedeværelsen av en sterk kilde til alfapartikler og bruken av en sensitiv ladet partikkelteller, som en Geiger-Muller-teller.

Som tidligere forklart av Joliot-Curie-paret, frigjøres positroner og nøytroner samtidig i den observerte kjernefysiske transformasjonen. Nå, etter Francis Perrins forslag og leste Fermis betraktninger, konkluderte paret med at den første kjernefysiske reaksjonen ga en ustabil kjerne og et nøytron, etterfulgt av beta pluss forfall av den ustabile kjernen. Så de kunne skrive følgende reaksjoner:

Joliotene la merke til at de resulterende radioaktive isotopene hadde for korte halveringstider til å eksistere i naturen. De kunngjorde resultatene sine 15. januar 1934, i en artikkel med tittelen "A New Type of Radioactivity". I begynnelsen av februar lyktes de med å identifisere fosfor og nitrogen fra de to første reaksjonene fra de innsamlede små mengdene. Snart kom det en profeti om at flere radioaktive isotoper kunne produseres i kjernefysiske bombardementreaksjoner, også ved hjelp av protoner, deuteroner og nøytroner. I mars satset Enrico Fermi på at slike reaksjoner snart vil bli utført ved bruk av nøytroner. Han vant snart veddemålet selv.

Irena og Frederick ble tildelt Nobelprisen i kjemi i 1935 for "syntesen av nye radioaktive grunnstoffer". Denne oppdagelsen banet vei for produksjon av kunstig radioaktive isotoper, som har funnet mange viktige og verdifulle anvendelser innen grunnforskning, medisin og industri.

Til slutt er det verdt å nevne fysikere fra USA, Ernest Lawrence med kolleger fra Berkeley og forskere fra Pasadena, blant dem var en polak som var på praksisplass Andrei Sultan. Tellingen av pulser av tellerne ble observert, selv om gasspedalen allerede hadde sluttet å virke. De likte ikke denne tellingen. Imidlertid skjønte de ikke at de hadde å gjøre med et viktig nytt fenomen og at de rett og slett manglet oppdagelsen av kunstig radioaktivitet ...