Före trippelkonsten, det vill säga om upptäckten av konstgjord radioaktivitet

Från tid till annan i fysikens historia finns det "mirakel"-år då de gemensamma ansträngningarna från många forskare leder till en rad genombrottsupptäckter. Detta har varit fallet sedan 1820, elektricitetens år, 1905, det mirakulösa året för Einsteins fyra tidningar, 1913, året förknippat med studiet av atomens struktur, och slutligen 1932, då en serie tekniska upptäckter och landvinningar ledde till skapandet av kärnkraft.fysik.

nygifta

Irene, äldsta dotter till Marie Skłodowska-Curie och Pierre Curie, föddes i Paris 1897 (1). Fram till tolv års ålder växte hon upp hemma, i en liten "skola" skapad av framstående vetenskapsmän för sina barn, där det fanns ett tiotal elever. Lärarna var: Marie Sklodowska-Curie (fysik), Paul Langevin (matematik), Jean Perrin (kemi), och humaniora undervisades huvudsakligen av elevernas mammor. Lektionerna ägde vanligtvis rum i lärarhemmen och barn studerade fysik och kemi i riktiga laboratorier.

Undervisningen i fysik och kemi var alltså inhämtande av kunskap genom praktiska handlingar. Varje framgångsrikt experiment gladde unga forskare. Det var riktiga experiment som måste förstås och noggrant genomföras, och barnen i Marie Curies laboratorium måste vara i exemplarisk ordning. Teoretiska kunskaper måste också inhämtas. Metoden, som ödet för eleverna i denna skola, senare bra och framstående vetenskapsmän, visade sig vara effektiv.

2. Frédéric Joliot (foto av Harcourt)

Dessutom ägnade Irenas farfar, en läkare, mycket tid åt sin fars föräldralösa barnbarn, hade roligt och kompletterade hennes naturvetenskapliga utbildning. 1914 tog Irene examen från den innovativa skolan Collège Sévigné och gick in på fakulteten för matematik och naturvetenskap vid Sorbonne. Detta sammanföll med början av första världskriget. 1916 anslöt hon sig till sin mamma och tillsammans etablerade de en radiologisk tjänst för Franska Röda Korset. Efter kriget tog hon en kandidatexamen. 1921 publicerades hennes första vetenskapliga arbete. Det ägnades åt att bestämma atommassan av klor från olika mineraler. I sin fortsatta verksamhet arbetade hon nära sin mamma och arbetade med radioaktivitet. I sin doktorsavhandling, som försvarades 1925, studerade hon alfapartiklar som emitteras av polonium.

Frederic Joliot född 1900 i Paris (2). Från åtta års ålder gick han i skolan i So och bodde på en internatskola. På den tiden föredrog han sport framför studier, särskilt fotboll. Han gick sedan två gymnasieskolor i tur och ordning. Liksom Irene Curie förlorade han sin far tidigt. 1919 klarade han examen vid École de Physique et de Chemie Industrielle de la Ville de Paris (Överlärarskolan för industriell fysik och industriell kemi i staden Paris). Han tog examen 1923. Hans professor Paul Langevin lärde sig om Fredriks förmågor och dygder. Efter 15 månaders militärtjänstgöring, på order från Langevin, utnämndes han till personlig laboratorieassistent åt Marie Skłodowska-Curie vid Radiuminstitutet, finansierat av ett anslag från Rockefeller Foundation. Där träffade han Irene Curie, och 1926 gifte sig de unga.

Frederick avslutade sin doktorsexamen i elektrokemi av radioaktiva grundämnen 1930. Lite tidigare hade han redan fokuserat sina intressen på sin frus forskning, och efter att Frederick disputerade på sin doktorsavhandling arbetade de redan tillsammans. En av deras första viktiga framgångar var framställningen av polonium, som är en stark källa till alfapartiklar, d.v.s. heliumkärnor.(₂⁴Han). De utgick från en onekligen privilegierad position, eftersom det var Marie Curie som försåg sin dotter med ett stort utbud av polonium. Lew Kowarsky, deras senare anställde, beskrev dem så här: Irena var "en utmärkt tekniker", "hon arbetade mycket trevligt och noggrant", "hon förstod djupt vad hon gjorde." Hennes man hade "en mer bländande, mer svävande fantasi." "De kompletterade varandra perfekt och de visste det." Ur vetenskapshistoriens synvinkel var de mest intressanta två åren för dem: 1932-34.

De upptäckte nästan neutronen

"Nästan" betyder mycket. De fick veta om denna sorgliga sanning mycket snart. 1930 i Berlin, två tyskar - Walter Bothe i Hubert Becker - Undersökte hur lätta atomer beter sig när de bombarderas med alfapartiklar. Beryllium Shield (₄⁹Be) när den bombarderas med alfapartiklar, sänds ut extremt penetrerande och högenergistrålning. Enligt försöksledarna ska denna strålning ha varit stark elektromagnetisk strålning.

I det här skedet tog Irena och Frederic hand om problemet. Deras källa till alfapartiklar var den mest kraftfulla någonsin. De använde en grumlingskammare för att observera reaktionsprodukterna. I slutet av januari 1932 tillkännagav de offentligt att det var gammastrålar som slog ut högenergiprotoner från ett ämne som innehåller väte. De förstod fortfarande inte vad de hade i sina händer och vad som hände. Efter läsning James Chadwick (3) i Cambridge satte han omedelbart igång arbetet, och tänkte att det inte var en fråga om gammastrålning alls, utan om neutroner, förutspått av Rutherford för flera år sedan. Efter en serie experiment blev han övertygad om observationen av neutronen och fann att dess massa liknade protonens massa. Den 17 februari 1932 skickade han en anteckning till tidskriften Nature, "The Possible Existence of the Neutron."

Det var faktiskt en neutron, även om Chadwick trodde att en neutron bestod av en proton och en elektron. Först 1934 förstod och bevisade han att neutronen är en elementarpartikel. Chadwick tilldelades Nobelpriset i fysik 1935. Trots insikten att de hade missat en viktig upptäckt fortsatte Joliot-Curies sin forskning inom detta område. De insåg att denna reaktion producerar gammastrålar förutom neutroner, så de skrev kärnreaktionen:

, där Ef är energin för gammakvantumet. De genomförde liknande experiment med ₉¹⁹F.

Missade öppningen igen

Flera månader före upptäckten av positronen hade Joliot-Curie fotografier av bland annat en krökt bana, som om det vore en elektron, men som vrider sig i motsatt riktning mot elektronens. Fotografierna togs i en dimkammare belägen i ett magnetfält. Utifrån detta pratade paret om att elektroner går i två riktningar, från källan och till källan. Faktum är att de som förknippas med riktningen "mot källan" var positroner, eller positiva elektroner som rörde sig bort från källan.

Under tiden i USA i slutet av sommaren 1932. Carl David Andersson (4), son till svenska invandrare, studerade kosmiska strålar i en molnkammare under påverkan av ett magnetfält. Kosmiska strålar kommer till jorden utifrån. Anderson, för att vara säker på partiklarnas riktning och rörelse, passerade partiklarna inuti kammaren genom en metallplatta, där de förlorade en del av sin energi. Den 2 augusti såg han ett spår som han utan tvekan tolkade som en positiv elektron.

Det är värt att notera att Dirac tidigare hade förutspått den teoretiska existensen av en sådan partikel. Anderson följde dock inga teoretiska principer i sina studier av kosmiska strålar. I detta sammanhang kallade han sin upptäckt tillfällig.

Återigen var Joliot-Curie tvungen att förlika sig med sitt otvivelaktiga yrke, men åtog sig ytterligare forskning inom detta område. De upptäckte att gammastrålningsfotoner kan försvinna nära en tung kärna och bilda ett elektron-positronpar, uppenbarligen i enlighet med Einsteins berömda formel E = mc2 och lagen om bevarande av energi och momentum. Senare bevisade Frederick själv att det finns en process där elektron-positronparet försvinner, vilket ger upphov till två gammakvanta. Förutom positroner från elektron-positron-par hade de positroner från kärnreaktioner.

5. Sjunde Solvay-konferensen, 1933

Sittande på första raden: Irène Joliot-Curie (andra från vänster),

Marie Skłodowska-Curie (femte från vänster), Lise Meitner (andra från höger).

Konstgjord radioaktivitet

Upptäckten av artificiell radioaktivitet var inte en handling över en natt. I februari 1933, genom att bombardera aluminium, fluor och sedan natrium med alfapartiklar, fick Joliot neutroner och okända isotoper. I juli 1933 meddelade de att de genom att bestråla aluminium med alfapartiklar observerade inte bara neutroner utan även positroner. Enligt Irene och Frederic kunde positronerna i denna kärnreaktion inte framställas genom bildandet av elektron-positronpar, utan måste ha kommit från atomkärnan.

Den sjunde Solvaykonferensen (5) i Bryssel ägde rum den 22–29 oktober 1933. Den kallades ”Atomkärnornas struktur och egenskaper”. Det deltog 41 fysiker, inklusive de mest framstående specialisterna på detta område i världen. Joliot rapporterade resultaten av sina experiment och påstod att bestrålning av bor och aluminium med alfastrålar producerade antingen en neutron med en positron eller en proton.. På denna konferens Lisa Meitner Hon sa att i samma experiment med aluminium och fluor fick hon inte samma resultat. I sin tolkning delade hon inte paret från Paris om den nukleära naturen hos positronernas ursprung. Men efter att ha återvänt till arbetet i Berlin genomförde hon dessa experiment igen och den 18 november, i ett brev till Joliot-Curie, erkände hon att nu, enligt hennes åsikt, verkligen dyker upp positroner från kärnan.

Dessutom på denna konferens Francis Perrin, deras jämnåriga och goda vän från Paris, talade ut i frågan om positroner. Från experiment var det känt att de erhöll ett kontinuerligt spektrum av positroner, liknande spektrumet av beta-partiklar under naturligt radioaktivt sönderfall. Ytterligare analys av energierna hos positroner och neutroner Perrin kom till slutsatsen att två utsläpp bör särskiljas här: först utsläppet av neutroner, åtföljt av bildandet av en instabil kärna, och sedan utsläppet av positroner från denna kärna.

Efter Joliot-konferensen stoppades dessa experiment i cirka två månader. Och sedan, i december 1933, publicerade Perrin sin åsikt om saken. Samtidigt också i december Enrico Fermi lägga fram teorin om beta-förfall. Detta gav en teoretisk grund för att tolka erfarenheterna. I början av 1934 återupptog paret från den franska huvudstaden sina experiment.

Exakt på torsdagseftermiddagen den 11 januari tog Frédéric Joliot aluminiumfolie och bombarderade den med alfapartiklar i 10 minuter. För första gången använde han en Geiger-Muller-räknare för upptäckt, snarare än en dimkammare som tidigare. Han blev förvånad över att märka att när han flyttade källan till alfapartiklar bort från folien, slutade inte räkningen av positroner, räknarna fortsatte att visa dem, bara deras antal minskade exponentiellt. Han bestämde att halveringstiden var 3 minuter och 15 sekunder. Han minskade sedan energin hos alfapartiklarna som faller på folien genom att placera en blybroms i deras väg. Och han fick färre positroner, men halveringstiden förändrades inte.

Sedan utsatte han bor och magnesium för samma experiment och fick halveringstider i dessa experiment på 14 minuter respektive 2,5 minuter. Därefter utfördes sådana experiment med väte, litium, kol, beryllium, kväve, syre, fluor, natrium, kalcium, nickel och silver - men han observerade inte något liknande fenomen som för aluminium, bor och magnesium. Geiger-Muller-räknaren skiljer inte mellan positivt och negativt laddade partiklar, så Frédéric Joliot verifierade också att den faktiskt handlade om positiva elektroner. Den tekniska aspekten var också viktig i detta experiment, dvs närvaron av en stark källa av alfapartiklar och användningen av en känslig laddad partikelräknare som en Geiger-Mullerräknare.

Som tidigare förklarats av Joliot-Curie-paret frigörs positroner och neutroner samtidigt under en observerad nukleär transformation. Nu, efter Francis Perrins förslag och läste Fermis överväganden, drog paret slutsatsen att den första kärnreaktionen producerar en instabil kärna och en neutron, följt av beta-plus-sönderfallet av den instabila kärnan. Så de kunde skriva följande reaktioner:

Jolioterna märkte att de resulterande radioaktiva isotoperna hade för kort halveringstid för att existera i naturen. De tillkännagav sina resultat den 15 januari 1934 i en tidning med titeln "En ny typ av radioaktivitet". I början av februari kunde de identifiera fosfor och kväve från de två första reaktionerna från de små insamlade mängderna. Snart dök det upp en profetia om att kärnvapenbombardementsreaktioner skulle kunna producera fler radioaktiva isotoper, även med hjälp av protoner, deuteroner och neutroner. I mars satsade Enrico Fermi på att sådana reaktioner snart skulle utföras med hjälp av neutroner. Snart vann han själv vadet.

Irena och Frederic tilldelades Nobelpriset i kemi 1935 för "syntesen av nya radioaktiva grundämnen." Denna upptäckt banade väg för produktion av artificiellt radioaktiva isotoper, som har funnit många viktiga och värdefulla tillämpningar inom grundforskning, medicin och industri.

Slutligen är det värt att nämna fysiker från USA, Ernest Lawrence med kollegor från Berkeley och forskare från Pasadena, bland vilka var en polack som var på praktik Andrzej Soltan. Vi tittade på räknarna som räknade pulser, även om gaspedalen redan hade slutat fungera. De gillade inte den här beräkningen. De insåg dock inte att de hade att göra med ett nytt viktigt fenomen och att de helt enkelt saknade upptäckten av artificiell radioaktivitet...