Prije trostruke umjetnosti, odnosno o otkriću umjetne radioaktivnosti
S vremena na vrijeme u historiji fizike ima "divnih" godina kada zajednički napori mnogih istraživača dovedu do niza revolucionarnih otkrića. Tako je bilo i sa 1820, godinom elektriciteta, 1905, čudesnom godinom Ajnštajnova četiri rada, 1913, godinom povezanom sa proučavanjem strukture atoma, i konačno 1932, kada je niz tehničkih otkrića i napredaka u stvaranje nuklearne fizike.
mladenci
Irina, najstarija ćerka Marie Skłodowske-Curie i Pierre Curie, rođena je u Parizu 1897. (1). Do dvanaeste godine odgajala se kod kuće, u maloj "školi" koju su za njenu decu napravili eminentni naučnici, u kojoj je bilo desetak učenika. Predavači su bili: Marie Sklodowska-Curie (fizika), Paul Langevin (matematika), Jean Perrin (hemija), a humanističke nauke su uglavnom predavale majke učenika. Nastava se obično odvijala u nastavničkim domovima, dok su djeca učila fiziku i hemiju u pravim laboratorijama.
Dakle, nastava fizike i hemije je bila sticanje znanja kroz praktične radnje. Svaki uspješan eksperiment oduševio je mlade istraživače. To su bili pravi eksperimenti koje je trebalo razumjeti i pažljivo izvesti, a djeca u laboratoriju Marie Curie morala su biti u uzornom redu. Moralo se steći i teorijsko znanje. Metoda se, kao sudbina učenika ove škole, kasnije dobrih i izvanrednih naučnika, pokazala efikasnom.
2. Frederic Joliot (foto Harcourt)
Štaviše, Irenin djed po ocu, doktor, mnogo je vremena posvetio očevoj unuci siročetu, zabavljajući se i dopunjujući njeno prirodno-naučno obrazovanje. Godine 1914. Irene je diplomirala na pionirskom Collège Sévignéu i upisala fakultet matematike i nauke na Sorboni. To se poklopilo s početkom Prvog svjetskog rata. Godine 1916. pridružila se majci i zajedno su organizovali radiološku službu u francuskom Crvenom krstu. Nakon rata je diplomirala. Godine 1921. objavljen je njen prvi naučni rad. Bio je posvećen određivanju atomske mase hlora iz različitih minerala. U svojim daljim aktivnostima blisko je sarađivala sa svojom majkom, baveći se radioaktivnošću. U svojoj doktorskoj disertaciji, odbranjenoj 1925. godine, proučavala je alfa čestice koje emituje polonijum.
Frederic Joliot rođen 1900. u Parizu (2). Od osme godine je pohađao školu u So, živio u internatu. U to vrijeme više je volio sport od studija, posebno fudbal. Zatim je naizmjence pohađao dvije srednje škole. Poput Irene Curie, rano je ostao bez oca. Godine 1919. položio je ispit na École de Physique et de Chemie Industrielle de la Ville de Paris (Škola za industrijsku fiziku i industrijsku hemiju grada Pariza). Diplomirao je 1923. Njegov profesor, Paul Langevin, saznao je za Frederickove sposobnosti i vrline. Nakon 15 mjeseci služenja vojnog roka, po naređenju Langevina, imenovan je za ličnog laboratorijskog asistenta Marie Skłodowske-Curie na Institutu za radijum uz stipendiju Rockefeller fondacije. Tamo je upoznao Irene Curie, a 1926. godine mladi su se vjenčali.
Frederik je završio svoju doktorsku disertaciju o elektrohemiji radioaktivnih elemenata 1930. godine. Nešto ranije, već je svoja interesovanja usmjerio na istraživanja svoje supruge, a nakon odbrane Frederickove doktorske disertacije već su radili zajedno. Jedan od njihovih prvih važnih uspjeha bio je preparat polonijuma, koji je snažan izvor alfa čestica, tj. jezgra helijuma.(24On). Krenuli su sa neosporno privilegovane pozicije, jer je Marie Curie snabdijevala svoju kćer velikom porcijom polonijuma. Lew Kowarsky, njihov kasniji saradnik, opisao ih je ovako: Irena je bila „odličan tehničar“, „radila je veoma lepo i pažljivo“, „duboko je razumela šta radi“. Njen muž je imao „zaslepljujuću, bučniju maštu“. "Savršeno su se nadopunjavali i znali su to." Sa stanovišta istorije nauke, za njih su bile najzanimljivije dve godine: 1932-34.
Skoro su otkrili neutron
"Skoro" je mnogo bitno. Vrlo brzo su saznali za ovu tužnu istinu. 1930. u Berlinu dva Nemca - Walter Bothe i Hubert Becker - Istraživali kako se svjetlosni atomi ponašaju kada su bombardirani alfa česticama. Berilijumski štit (49Be) kada je bombardovan alfa česticama emituje izuzetno prodorno i visokoenergetsko zračenje. Prema eksperimentatorima, ovo zračenje je moralo biti jako elektromagnetno zračenje.
U ovoj fazi, Irena i Frederick su se pozabavili problemom. Njihov izvor alfa čestica bio je najmoćniji ikada. Koristili su komoru za oblake da posmatraju produkte reakcije. Krajem januara 1932. javno su objavili da su upravo gama zraci izbacili visokoenergetske protone iz supstance koja sadrži vodonik. Još nisu shvatili šta je u njihovim rukama i šta se dešava.. Poslije čitanja James Chadwick (3) u Kembridžu je odmah prionuo na posao, misleći da uopšte nije u pitanju gama zračenje, već neutroni koje je Rutherford predvideo nekoliko godina unapred. Nakon niza eksperimenata, uvjerio se u promatranje neutrona i otkrio da je njegova masa slična masi protona. On je 17. februara 1932. dostavio bilješku časopisu Nature pod naslovom "Moguće postojanje neutrona".
To je zapravo bio neutron, iako je Chadwick vjerovao da se neutron sastoji od protona i elektrona. Tek 1934. je shvatio i dokazao da je neutron elementarna čestica. Chadwick je dobio Nobelovu nagradu za fiziku 1935. Unatoč spoznaji da su propustili važno otkriće, Joliot-Curies su nastavili svoja istraživanja u ovoj oblasti. Shvatili su da ova reakcija osim neutrona proizvodi gama zrake, pa su napisali nuklearnu reakciju:
, gdje je Ef energija gama-kvanta. Slični eksperimenti su izvedeni sa 919F.
Opet promašeno otvaranje
Nekoliko mjeseci prije otkrića pozitrona, Joliot-Curie je imao fotografije, između ostalog, zakrivljene putanje, kao da je elektron, ali koji se uvija u suprotnom smjeru od elektrona. Fotografije su snimljene u komori za maglu koja se nalazi u magnetnom polju. Na osnovu toga, par je razgovarao o tome da elektroni idu u dva smjera, od izvora i do izvora. U stvari, oni povezani sa smjerom "prema izvoru" bili su pozitroni, ili pozitivni elektroni koji se udaljavaju od izvora.
U međuvremenu, u Sjedinjenim Državama u kasno ljeto 1932. Carl David Anderson (4), sin švedskih imigranata, proučavao je kosmičke zrake u komori oblaka pod uticajem magnetnog polja. Kosmički zraci dolaze na Zemlju izvana. Anderson je, da bi bio siguran u smjer i kretanje čestica, unutar komore propuštao čestice kroz metalnu ploču, gdje su gubile dio energije. 2. avgusta ugledao je trag, koji je nesumnjivo protumačio kao pozitivan elektron.
Vrijedi napomenuti da je Dirac ranije predvidio teorijsko postojanje takve čestice. Međutim, Anderson nije slijedio nikakve teorijske principe u svojim proučavanjima kosmičkih zraka. U tom kontekstu je svoje otkriće nazvao slučajnim.
Opet, Joliot-Curie je morao da trpi neospornu profesiju, ali je poduzeo dalja istraživanja u ovoj oblasti. Otkrili su da fotoni gama zraka mogu nestati u blizini teškog jezgra, formirajući par elektron-pozitron, očigledno u skladu sa Ajnštajnovom poznatom formulom E = mc2 i zakonom održanja energije i impulsa. Kasnije je i sam Frederick dokazao da postoji proces nestanka para elektron-pozitron, što dovodi do dva gama kvanta. Osim pozitrona iz elektron-pozitronskih parova, imali su pozitrone iz nuklearnih reakcija.
5. Sedma Solvejeva konferencija, 1933
Sjede u prvom redu: Irene Joliot-Curie (druga slijeva),
Maria Skłodowska-Curie (peta slijeva), Lise Meitner (druga s desna).
umjetna radioaktivnost
Otkriće umjetne radioaktivnosti nije bio trenutni čin. U februaru 1933. bombardiranjem aluminijuma, fluora, a zatim i natrijuma alfa česticama, Joliot je dobio neutrone i nepoznate izotope. U julu 1933. objavili su da, zračenjem aluminijuma alfa česticama, posmatraju ne samo neutrone, već i pozitrone. Prema Irene i Fredericku, pozitroni u ovoj nuklearnoj reakciji nisu mogli nastati kao rezultat formiranja elektron-pozitronskih parova, već su morali doći iz atomskog jezgra.
Sedma Solvejeva konferencija (5) održana je u Briselu od 22. do 29. oktobra 1933. godine. Nazvana je "Struktura i svojstva atomskih jezgara". Na njemu je učestvovao 41 fizičar, među kojima su i najistaknutiji stručnjaci iz ove oblasti u svijetu. Joliot je izvijestio o rezultatima svojih eksperimenata, navodeći da zračenje bora i aluminija alfa zrakama proizvodi ili neutron s pozitronom ili proton.. Na ovoj konferenciji Lisa Meitner Rekla je da u istim eksperimentima sa aluminijumom i fluorom nije dobila isti rezultat. U tumačenju, nije dijelila mišljenje para iz Pariza o nuklearnoj prirodi porijekla pozitrona. Međutim, kada se vratila na posao u Berlin, ponovo je izvela ove eksperimente, a 18. novembra je u pismu Joliot-Curieju priznala da sada, po njenom mišljenju, pozitroni zaista izlaze iz jezgra.
Osim toga, ova konferencija Francis Perrin, njihov vršnjak i dobar prijatelj iz Pariza, progovorio je na temu pozitrona. Iz eksperimenata se znalo da su dobili kontinuirani spektar pozitrona, sličan spektru beta čestica u prirodnom radioaktivnom raspadu. Daljnjom analizom energija pozitrona i neutrona Perrin je došao do zaključka da ovdje treba razlikovati dvije emisije: prvo, emisiju neutrona, praćeno stvaranjem nestabilnog jezgra, a zatim emisiju pozitrona iz ovog jezgra.
Nakon konferencije Joliot je prekinuo ove eksperimente na oko dva mjeseca. A onda, u decembru 1933., Perrin je objavio svoje mišljenje o tome. Istovremeno, takođe u decembru Enrico Fermi predložio teoriju beta raspada. Ovo je poslužilo kao teorijska osnova za tumačenje iskustava. Početkom 1934. godine, par iz francuske prestonice nastavio je eksperimente.
Tačno 11. januara, u četvrtak popodne, Frédéric Joliot je uzeo aluminijumsku foliju i bombardovao je alfa česticama 10 minuta. Po prvi put je za detekciju koristio Geiger-Muller brojač, a ne komoru za maglu, kao prije. Sa iznenađenjem je primijetio da kako je uklonio izvor alfa čestica iz folije, brojanje pozitrona nije prestalo, brojači su ih i dalje pokazivali, samo se njihov broj eksponencijalno smanjivao. Odredio je poluživot na 3 minute i 15 sekundi. Zatim je smanjio energiju alfa čestica koje su padale na foliju tako što je postavio olovnu kočnicu na njihovu putanju. I dobio je manje pozitrona, ali se vrijeme poluraspada nije promijenilo.
Zatim je podvrgao bor i magnezijum istim eksperimentima i dobio poluživot u ovim eksperimentima od 14 minuta i 2,5 minuta, respektivno. Kasnije su takvi eksperimenti izvedeni sa vodonikom, litijumom, ugljenikom, berilijumom, azotom, kiseonikom, fluorom, natrijumom, kalcijumom, niklom i srebrom - ali nije primetio sličan fenomen kao kod aluminijuma, bora i magnezijuma. Geiger-Muller brojač ne pravi razliku između pozitivnih i negativnih nabijenih čestica, pa je Frédéric Joliot također potvrdio da se zapravo bavi pozitivnim elektronima. Tehnički aspekt je također bio važan u ovom eksperimentu, odnosno prisustvo jakog izvora alfa čestica i korištenje osjetljivog brojača nabijenih čestica, kao što je Geiger-Muller brojač.
Kao što je prethodno objašnjeno Joliot-Curie parom, pozitroni i neutroni se oslobađaju istovremeno u posmatranoj nuklearnoj transformaciji. Sada, slijedeći sugestije Francisa Perrina i čitajući Fermijeva razmatranja, par je zaključio da je prva nuklearna reakcija proizvela nestabilno jezgro i neutron, nakon čega slijedi beta plus raspad tog nestabilnog jezgra. Tako bi mogli napisati sljedeće reakcije:
Joliotovi su primijetili da nastali radioaktivni izotopi imaju prekratko vrijeme poluraspada da bi postojali u prirodi. Svoje rezultate objavili su 15. januara 1934. u članku pod naslovom "Nova vrsta radioaktivnosti". Početkom februara uspjeli su identificirati fosfor i dušik iz prve dvije reakcije iz prikupljenih malih količina. Ubrzo se pojavilo proročanstvo da bi se u reakcijama nuklearnog bombardiranja moglo proizvesti više radioaktivnih izotopa, također uz pomoć protona, deuterona i neutrona. Enrico Fermi se u martu kladio da će se takve reakcije uskoro izvoditi uz pomoć neutrona. Ubrzo je i sam dobio opkladu.
Irena i Frederick dobili su Nobelovu nagradu za hemiju 1935. za "sintezu novih radioaktivnih elemenata". Ovo otkriće otvorilo je put proizvodnji umjetno radioaktivnih izotopa, koji su našli mnoge važne i vrijedne primjene u osnovnim istraživanjima, medicini i industriji.
Na kraju, vrijedi spomenuti fizičare iz SAD-a, Ernest Lawrence sa kolegama sa Berklija i istraživačima iz Pasadene, među kojima je bio i Poljak koji je bio na stažiranju Andrzej Soltan. Primijećeno je brojanje impulsa brojačima, iako je akcelerator već prestao raditi. Nije im se svidio ovaj broj. Međutim, nisu shvatili da imaju posla s važnom novom pojavom i da im je jednostavno nedostajalo otkriće umjetne radioaktivnosti...
