Voor die driedubbele kuns, dit wil sê oor die ontdekking van kunsmatige radioaktiwiteit

Van tyd tot tyd in die geskiedenis van fisika is daar "wonderlike" jare wanneer die gesamentlike pogings van baie navorsers lei tot 'n reeks deurbraak-ontdekkings. So was dit met 1820, die jaar van elektrisiteit, 1905, die wonderbaarlike jaar van Einstein se vier referate, 1913, die jaar wat verband hou met die studie van die struktuur van die atoom, en uiteindelik 1932, toe 'n reeks tegniese ontdekkings en vooruitgang in die skepping van die kernfisika.

pasgetroudes

Irene, die oudste dogter van Marie Skłodowska-Curie en Pierre Curie, is in 1897 in Parys gebore (1). Tot op twaalfjarige ouderdom is sy by die huis grootgemaak, in 'n klein "skooltjie" wat deur vooraanstaande wetenskaplikes vir haar kinders geskep is, waarin daar ongeveer tien studente was. Die onderwysers was: Marie Sklodowska-Curie (fisika), Paul Langevin (wiskunde), Jean Perrin (chemie), en die geesteswetenskappe is hoofsaaklik deur die moeders van die studente onderrig. Lesse het gewoonlik in onderwysers se huise plaasgevind, terwyl kinders fisika en chemie in regte laboratoriums studeer het.

Dus was die onderrig van fisika en chemie die verkryging van kennis deur praktiese handelinge. Elke suksesvolle eksperiment het die jong navorsers betower. Dit was ware eksperimente wat verstaan ​​en sorgvuldig uitgevoer moes word, en die kinders in Marie Curie se laboratorium moes in voorbeeldige orde wees. Teoretiese kennis moes ook opgedoen word. Die metode, as die lot van die studente van hierdie skool, later goeie en uitstaande wetenskaplikes, het geblyk doeltreffend te wees.

2. Frederic Joliot (foto deur Harcourt)

Boonop het Irena se oupa aan vaderskant, 'n dokter, baie tyd aan sy pa se weeskind-kleindogter gewy, pret gehad en haar natuurwetenskaplike opleiding aangevul. In 1914 het Irene aan die baanbreker Collège Sévigné gegradueer en die fakulteit wiskunde en wetenskap aan die Sorbonne betree. Dit het saamgeval met die begin van die Eerste Wêreldoorlog. In 1916 het sy by haar ma aangesluit en saam het hulle 'n radiologiese diens in die Franse Rooi Kruis georganiseer. Ná die oorlog het sy 'n baccalaureusgraad ontvang. In 1921 is haar eerste wetenskaplike werk gepubliseer. Hy was gewy aan die bepaling van die atoommassa van chloor uit verskeie minerale. In haar verdere aktiwiteite het sy nou saam met haar ma gewerk en met radioaktiwiteit te doen gehad. In haar doktorale proefskrif, wat in 1925 verdedig is, het sy die alfa-deeltjies bestudeer wat deur polonium uitgestraal word.

Frederic Joliot gebore in 1900 in Parys (2). Vanaf agtjarige ouderdom het hy in So skoolgegaan, in 'n kosskool gewoon. Destyds het hy sport verkies bo studies, veral sokker. Hy het toe om die beurt twee hoërskole bygewoon. Soos Irene Curie het hy sy pa vroeg verloor. In 1919 het hy die eksamen aan die École de Physique et de Chemie Industrielle de la Ville de Paris (Skool vir Bedryfsfisika en Industriële Chemie van die Stad Parys) geslaag. Hy studeer in 1923. Sy professor, Paul Langevin, het van Frederick se vermoëns en deugde geleer. Na 15 maande van militêre diensplig, in opdrag van Langevin, is hy aangestel as persoonlike laboratoriumassistent van Marie Skłodowska-Curie by die Radium Instituut met 'n toekenning van die Rockefeller-stigting. Daar het hy vir Irene Curie ontmoet, en in 1926 het die jongmense getrou.

Frederick het sy doktorale proefskrif oor die elektrochemie van radioaktiewe elemente in 1930 voltooi. ’n Bietjie vroeër het hy reeds sy belangstellings op sy vrou se navorsing gefokus, en nadat hulle Frederick se doktorale proefskrif verdedig het, het hulle reeds saamgewerk. Een van hul eerste belangrike suksesse was 'n voorbereiding van polonium, wat 'n sterk bron van alfa-deeltjies is, m.a.w. helium kerne.(₂⁴Hy). Hulle het uit 'n onteenseglik bevoorregte posisie begin, want dit was Marie Curie wat haar dogter van 'n groot porsie polonium voorsien het. Lew Kowarsky, hul latere medewerker, het hulle soos volg beskryf: Irena was "'n uitstekende tegnikus", "sy het baie mooi en versigtig gewerk", "sy het diep verstaan ​​wat sy doen." Haar man het "'n meer skitterende, meer stygende verbeelding." “Hulle het mekaar perfek aangevul en dit geweet.” Uit die oogpunt van die geskiedenis van die wetenskap was die interessantste vir hulle twee jaar: 1932-34.

Hulle het amper die neutron ontdek

"Amper" maak baie saak. Hulle het baie gou van hierdie hartseer waarheid geleer. In 1930 in Berlyn het twee Duitsers - Walter Bothe i Hubert Becker - Ondersoek hoe ligatome optree wanneer hulle met alfa-deeltjies gebombardeer word. Berillium skild (₄⁹Be) wanneer gebombardeer met alfa-deeltjies uiters deurdringende en hoë-energie straling uitgestraal. Volgens die eksperimenteerders moes hierdie straling sterk elektromagnetiese straling gewees het.

Op hierdie stadium het Irena en Frederick die probleem hanteer. Hul bron van alfa-deeltjies was die kragtigste ooit. Hulle het 'n wolkkamer gebruik om die reaksieprodukte waar te neem. Aan die einde van Januarie 1932 het hulle in die openbaar aangekondig dat dit gammastrale was wat hoë-energie-protone uit 'n stof wat waterstof bevat uitgeslaan het. Hulle het nog nie verstaan ​​wat in hul hande was en wat besig was om te gebeur nie.. Na gelees James Chadwick (3) by Cambridge het hy dadelik aan die werk gegaan en gedink dat dit glad nie gammastraling was nie, maar neutrone wat 'n paar jaar vooruit deur Rutherford voorspel is. Ná ’n reeks eksperimente het hy oortuig geraak van die waarneming van die neutron en gevind dat sy massa soortgelyk is aan dié van die proton. Op 17 Februarie 1932 het hy 'n nota by die tydskrif Nature ingedien met die titel "The Possible Existence of the Neutron."

Dit was eintlik 'n neutron, hoewel Chadwick geglo het dat 'n neutron uit 'n proton en 'n elektron bestaan. Eers in 1934 het hy verstaan ​​en bewys dat die neutron 'n elementêre deeltjie is. Chadwick is in 1935 met die Nobelprys in Fisika bekroon. Ten spyte van die besef dat hulle 'n belangrike ontdekking gemis het, het die Joliot-Curies hul navorsing op hierdie gebied voortgesit. Hulle het besef dat hierdie reaksie bykomend tot neutrone gammastrale produseer, en daarom het hulle die kernreaksie geskryf:

, waar Ef die energie van die gamma-kwantum is. Soortgelyke eksperimente is uitgevoer met ₉¹⁹F.

Het weer opening gemis

'n Paar maande voor die ontdekking van die positron het Joliot-Curie foto's gehad van onder meer 'n geboë pad, asof dit 'n elektron is, maar wat in die teenoorgestelde rigting van die elektron draai. Die foto's is geneem in 'n miskamer wat in 'n magneetveld geleë is. Op grond hiervan het die egpaar gepraat oor elektrone wat in twee rigtings gaan, van die bron en na die bron. Trouens, diegene wat verband hou met die rigting "na die bron" was positrone, of positiewe elektrone wat wegbeweeg van die bron.

Intussen, in die Verenigde State in die laat somer van 1932, Carl David Anderson (4), die seun van Sweedse immigrante, het kosmiese strale in 'n wolkkamer onder die invloed van 'n magneetveld bestudeer. Kosmiese strale kom van buite na die aarde. Anderson, om seker te wees van die rigting en beweging van die deeltjies, het binne die kamer die deeltjies deur 'n metaalplaat gevoer, waar hulle van die energie verloor het. Op 2 Augustus het hy 'n spoor gesien, wat hy ongetwyfeld as 'n positiewe elektron geïnterpreteer het.

Dit is opmerklik dat Dirac voorheen die teoretiese bestaan ​​van so 'n deeltjie voorspel het. Anderson het egter geen teoretiese beginsels in sy studies van kosmiese strale gevolg nie. In hierdie konteks het hy sy ontdekking toevallig genoem.

Weereens moes Joliot-Curie 'n onbetwisbare beroep verdra, maar het verdere navorsing op hierdie gebied onderneem. Hulle het gevind dat gammastraalfotone naby 'n swaar kern kan verdwyn, wat 'n elektron-positronpaar vorm, blykbaar in ooreenstemming met Einstein se bekende formule E = mc2 en die wet van behoud van energie en momentum. Later het Frederick self bewys dat daar 'n proses van verdwyning van 'n elektron-positronpaar is, wat aanleiding gee tot twee gamma kwanta. Benewens positrone van elektron-positron-pare, het hulle positrone van kernreaksies gehad.

5. Sewende Solvay-konferensie, 1933

Sit in die voorste ry: Irene Joliot-Curie (tweede van links),

Maria Skłodowska-Curie (vyfde van links), Lise Meitner (tweede van regs).

Kunsmatige radioaktiwiteit

Die ontdekking van kunsmatige radioaktiwiteit was nie 'n oombliklike daad nie. In Februarie 1933 het Joliot neutrone en onbekende isotope verkry deur aluminium, fluoor en dan natrium met alfa-deeltjies te bombardeer. In Julie 1933 het hulle aangekondig dat hulle, deur aluminium met alfa-deeltjies te bestraal, nie net neutrone waargeneem het nie, maar ook positrone. Volgens Irene en Frederick kon die positrone in hierdie kernreaksie nie gevorm word as gevolg van die vorming van elektron-positronpare nie, maar moes uit die atoomkern kom.

Die Sewende Solvay-konferensie (5) het op 22-29 Oktober 1933 in Brussel plaasgevind. Dit is "Die Struktuur en Eienskappe van Atoomkerne" genoem. Dit is deur 41 fisici bygewoon, insluitend die mees prominente kenners op hierdie gebied ter wêreld. Joliot het die resultate van hul eksperimente gerapporteer en gesê dat die bestraling van boor en aluminium met alfa-strale óf 'n neutron met 'n positron óf 'n proton produseer.. By hierdie konferensie Lisa Meitner Sy het gesê in dieselfde eksperimente met aluminium en fluoor het sy nie dieselfde resultaat gekry nie. In interpretasie het sy nie die mening van die egpaar van Parys oor die kernaard van die oorsprong van positrone gedeel nie. Toe sy egter terugkom werk toe in Berlyn, het sy weer hierdie eksperimente uitgevoer en op 18 November het sy in 'n brief aan Joliot-Curie erken dat daar nou na haar mening wel positrone uit die kern verskyn.

Daarbenewens het hierdie konferensie Francis Perrin, hul eweknie en goeie vriend van Parys, het uitgespreek oor die onderwerp van positrone. Uit eksperimente was dit bekend dat hulle 'n aaneenlopende spektrum van positrone verkry het, soortgelyk aan die spektrum van beta-deeltjies in natuurlike radioaktiewe verval. Verdere ontleding van die energieë van positrone en neutrone Perrin het tot die gevolgtrekking gekom dat twee emissies hier onderskei moet word: eerstens die emissie van neutrone, gepaardgaande met die vorming van 'n onstabiele kern, en dan die emissie van positrone uit hierdie kern.

Na die konferensie het Joliot hierdie eksperimente vir ongeveer twee maande gestaak. En toe, in Desember 1933, publiseer Perrin sy mening oor die saak. Terselfdertyd, ook in Desember Enrico Fermi die teorie van beta-verval voorgestel. Dit het gedien as 'n teoretiese basis vir die interpretasie van ervarings. Vroeg in 1934 het die egpaar van die Franse hoofstad hul eksperimente hervat.

Presies op 11 Januarie, Donderdagmiddag, het Frédéric Joliot aluminiumfoelie geneem en dit vir 10 minute met alfa-deeltjies gebombardeer. Vir die eerste keer het hy 'n Geiger-Muller-teller vir opsporing gebruik, en nie die miskamer soos voorheen nie. Hy het met verbasing opgemerk dat terwyl hy die bron van alfa-deeltjies uit die foelie verwyder het, die telling van positrone nie opgehou het nie, die tellers het aangehou om dit te wys, net hul getal het eksponensieel afgeneem. Hy het bepaal dat die halfleeftyd 3 minute en 15 sekondes is. Toe het hy die energie van die alfa-deeltjies wat op die foelie val, verminder deur 'n loodrem in hul pad te plaas. En dit het minder positrone gekry, maar die halfleeftyd het nie verander nie.

Daarna het hy boor en magnesium aan dieselfde eksperimente onderwerp, en halfleeftye in hierdie eksperimente van onderskeidelik 14 minute en 2,5 minute verkry. Daarna is sulke eksperimente uitgevoer met waterstof, litium, koolstof, berillium, stikstof, suurstof, fluoor, natrium, kalsium, nikkel en silwer - maar hy het nie 'n soortgelyke verskynsel as vir aluminium, boor en magnesium waargeneem nie. Die Geiger-Muller-teller onderskei nie tussen positief en negatief gelaaide deeltjies nie, daarom het Frédéric Joliot ook geverifieer dat dit eintlik met positiewe elektrone handel. Die tegniese aspek was ook belangrik in hierdie eksperiment, dit wil sê die teenwoordigheid van 'n sterk bron van alfa-deeltjies en die gebruik van 'n sensitiewe gelaaide deeltjie-teller, soos 'n Geiger-Muller-teller.

Soos voorheen verduidelik deur die Joliot-Curie-paar, word positrone en neutrone gelyktydig vrygestel in die waargenome kerntransformasie. Nou, na aanleiding van Francis Perrin se voorstelle en die lees van Fermi se oorwegings, het die egpaar tot die gevolgtrekking gekom dat die eerste kernreaksie 'n onstabiele kern en 'n neutron opgelewer het, gevolg deur beta plus verval van daardie onstabiele kern. Hulle kan dus die volgende reaksies skryf:

Die Joliots het opgemerk dat die gevolglike radioaktiewe isotope te kort halfleeftye het om in die natuur te bestaan. Hulle het hul resultate op 15 Januarie 1934 aangekondig in 'n artikel getiteld "A New Type of Radioactivity". Vroeg in Februarie het hulle daarin geslaag om fosfor en stikstof uit die eerste twee reaksies uit die versamelde klein hoeveelhede te identifiseer. Gou was daar 'n profesie dat meer radioaktiewe isotope in kernbombardementreaksies geproduseer kon word, ook met behulp van protone, deuterone en neutrone. In Maart het Enrico Fermi 'n weddenskap gemaak dat sulke reaksies binnekort met behulp van neutrone uitgevoer sal word. Hy het gou self die weddenskap gewen.

Irena en Frederick is in 1935 met die Nobelprys in Chemie bekroon vir "die sintese van nuwe radioaktiewe elemente". Hierdie ontdekking het die weg gebaan vir die produksie van kunsmatig radioaktiewe isotope, wat baie belangrike en waardevolle toepassings in basiese navorsing, medisyne en industrie gevind het.

Ten slotte is dit die moeite werd om fisici van die VSA te noem, Ernest Lawrence saam met kollegas van Berkeley en navorsers van Pasadena, onder wie 'n Pool wat op 'n internskap was Andrei Sultan. Die tel van pulse deur die tellers is waargeneem, hoewel die versneller reeds opgehou werk het. Hulle het nie van hierdie telling gehou nie. Hulle het egter nie besef dat hulle met 'n belangrike nuwe verskynsel te doen het nie en dat hulle bloot die ontdekking van kunsmatige radioaktiwiteit ontbreek het ...