Преди тройното изкуство, тоест за откриването на изкуствена радиоактивност
От време на време в историята на физиката има „прекрасни“ години, когато съвместните усилия на много изследователи водят до поредица от пробивни открития. Така беше и с 1820 г., годината на електричеството, 1905 г., чудотворната година на четирите доклада на Айнщайн, 1913 г., годината, свързана с изучаването на структурата на атома, и накрая 1932 г., когато серия от технически открития и напредък в създаване на ядрената физика.
младоженци
Irene, най-голямата дъщеря на Мария Склодовска-Кюри и Пиер Кюри, е родена в Париж през 1897 г. (1). До дванадесетгодишна възраст тя се отглежда у дома, в малко „училище“, създадено от изтъкнати учени за нейните деца, в което имаше около десет ученици. Преподаватели бяха: Мария Склодовска-Кюри (физика), Пол Ланжевен (математика), Жан Перен (химия), а хуманитарните науки се преподават основно от майките на учениците. Уроците обикновено се провеждаха в домовете на учителите, докато децата изучаваха физика и химия в реални лаборатории.
Така обучението по физика и химия беше придобиване на знания чрез практически действия. Всеки успешен експеримент зарадва младите изследователи. Това бяха истински експерименти, които трябваше да бъдат разбрани и внимателно проведени, а децата в лабораторията на Мария Кюри трябваше да бъдат в образцов ред. Трябваше да се придобият и теоретични знания. Методът, както и съдбата на учениците от това училище, по-късно добри и изтъкнати учени, се оказва ефективен.
2. Фредерик Жолио (Снимка на Harcourt)
Още повече, че дядото на Ирена по бащина линия, лекар, посвещава много време на осиротялата внучка на баща си, забавлявайки се и допълвайки естественото й образование. През 1914 г. Ирен завършва пионерския Collège Sévigné и постъпва във факултета по математика и естествени науки в Сорбоната. Това съвпада с началото на Първата световна война. През 1916 г. тя се присъединява към майка си и заедно организират радиологична служба във Френския Червен кръст. След войната тя получава бакалавърска степен. През 1921 г. излиза първата й научна работа. Той беше посветен на определянето на атомната маса на хлора от различни минерали. В по-нататъшната си дейност тя работи в тясно сътрудничество с майка си, занимавайки се с радиоактивност. В докторската си дисертация, защитена през 1925 г., тя изследва алфа-частиците, излъчвани от полония.
Фредерик Жолио роден през 1900 г. в Париж (2). От осемгодишна възраст посещава училище в Со, живее в интернат. По това време той предпочиташе спорта пред обучението, особено футбола. След това той се редува в две гимназии. Подобно на Ирен Кюри, той губи баща си рано. През 1919 г. полага изпита в École de Physique et de Chemie Industrielle de la Ville de Paris (Училището по индустриална физика и индустриална химия на град Париж). Завършва през 1923г. Неговият професор Пол Ланжевен научил за способностите и добродетелите на Фредерик. След 15 месеца военна служба, по заповед на Ланжевен, той е назначен за личен лаборант на Мария Склодовска-Кюри в Радиевия институт с грант от Фондация Рокфелер. Там се запознава с Ирен Кюри, а през 1926 г. младите се женят.
Фредерик завършва докторската си дисертация по електрохимията на радиоактивните елементи през 1930 г. Малко по-рано той вече беше насочил интересите си към изследванията на съпругата си и след като защити докторска дисертация на Фредерик, те вече работят заедно. Един от първите им важни успехи е получаването на полоний, който е силен източник на алфа частици, т.е. хелиеви ядра.(24Той). Те започнаха от безспорно привилегирована позиция, защото именно Мария Кюри снабди дъщеря си с голяма порция полоний. Лю Коварски, техният по-късен сътрудник, ги описва по следния начин: Ирена беше „отличен техник“, „тя работеше много красиво и внимателно“, „тя дълбоко разбираше какво прави“. Съпругът й имаше „по-ослепително, по-висящо въображение“. "Те се допълваха перфектно и го знаеха." От гледна точка на историята на науката, най-интересни за тях бяха две години: 1932-34.
Те почти откриха неутрона
„Почти“ има голямо значение. Те научиха за тази тъжна истина много скоро. През 1930 г. в Берлин двама германци - Уолтър Боте i Хуберт Бекер - Изследва как се държат леките атоми, когато са бомбардирани с алфа частици. Берилиев щит (49Be) при бомбардиране с алфа частици излъчва изключително проникваща и високоенергийна радиация. Според експериментаторите това излъчване трябва да е било силно електромагнитно излъчване.
На този етап Ирена и Фредерик се справиха с проблема. Техният източник на алфа частици беше най-мощният досега. Те използваха облачна камера, за да наблюдават продуктите на реакцията. В края на януари 1932 г. те публично обявиха, че именно гама лъчите избиват високоенергийни протони от вещество, съдържащо водород. Те още не разбираха какво е в ръцете им и какво се случва.. След четене Джеймс Чадуик (3) в Кеймбридж той веднага се захваща за работа, мислейки, че изобщо не е гама-лъчение, а неутрони, предсказани от Ръдърфорд няколко години предварително. След поредица от експерименти той се убедил в наблюдението на неутрона и установил, че масата му е подобна на тази на протона. На 17 февруари 1932 г. той изпраща бележка в списание Nature, озаглавена „Възможното съществуване на неутрона“.
Всъщност това беше неутрон, въпреки че Чадуик вярваше, че неутронът се състои от протон и електрон. Едва през 1934 г. той разбира и доказва, че неутронът е елементарна частица. Чадуик е удостоен с Нобелова награда по физика през 1935 г. Въпреки осъзнаването, че са пропуснали важно откритие, Жолио-Кюри продължават изследванията си в тази област. Те осъзнаха, че тази реакция произвежда гама лъчи в допълнение към неутроните, така че написаха ядрената реакция:
, където Ef е енергията на гама-кванта. Подобни експерименти бяха проведени с 919F.
Отново пропуснато отваряне
Няколко месеца преди откриването на позитрона Жолио-Кюри разполагаше със снимки, наред с други неща, на извита пътека, сякаш е електрон, но усукваща се в посока, обратна на електрона. Снимките са направени в камера за мъгла, разположена в магнитно поле. Въз основа на това двойката говори за електроните, които вървят в две посоки, от източника и към източника. Всъщност тези, свързани с посоката "към източника", са позитрони или положителни електрони, които се отдалечават от източника.
Междувременно в Съединените щати в края на лятото на 1932 г. Карл Дейвид Андерсън (4), синът на шведски имигранти, изучава космическите лъчи в облачна камера под въздействието на магнитно поле. Космическите лъчи идват на Земята отвън. Андерсън, за да е сигурен в посоката и движението на частиците, вътре в камерата прекарва частиците през метална плоча, където губят част от енергията. На 2 август той вижда следа, която несъмнено интерпретира като положителен електрон.
Струва си да се отбележи, че Дирак преди това е предсказал теоретичното съществуване на такава частица. Въпреки това, Андерсън не следва никакви теоретични принципи в своите изследвания на космическите лъчи. В този контекст той нарече откритието си случайно.
Отново Жолио-Кюри трябваше да се примири с една неоспорима професия, но предприе по-нататъшни изследвания в тази област. Те открили, че фотоните на гама-лъчите могат да изчезнат близо до тежко ядро, образувайки двойка електрон-позитрон, очевидно в съответствие с известната формула на Айнщайн E = mc2 и закона за запазване на енергията и импулса. По-късно самият Фредерик доказа, че има процес на изчезване на двойка електрон-позитрон, което води до два гама кванта. Освен позитрони от двойки електрон-позитрон, те имаха позитрони от ядрени реакции.
5. Седмата конференция на Солвей, 1933г
Седнали на първия ред: Ирен Жолио-Кюри (втора отляво),
Мария Склодовска-Кюри (пета отляво), Лизе Майтнер (втора отдясно).
изкуствена радиоактивност
Откриването на изкуствена радиоактивност не беше моментално действие. През февруари 1933 г., бомбардирайки алуминий, флуор и след това натрий с алфа частици, Жолио получава неутрони и неизвестни изотопи. През юли 1933 г. те обявяват, че чрез облъчване на алуминия с алфа-частици наблюдават не само неутрони, но и позитрони. Според Ирен и Фредерик позитроните в тази ядрена реакция не биха могли да се образуват в резултат на образуването на двойки електрон-позитрон, а трябвало да дойдат от атомното ядро.
Седмата конференция на Солвей (5) се провежда в Брюксел на 22-29 октомври 1933 г. Тя се нарича "Структурата и свойствата на атомните ядра". В него взеха участие 41 физици, сред които и най-изтъкнатите експерти в тази област в света. Джолио докладва резултатите от своите експерименти, като заявява, че облъчването на бор и алуминий с алфа лъчи произвежда или неутрон с позитрон, или протон.. На тази конференция Лиза Майтнер Тя каза, че при същите експерименти с алуминий и флуор не е получила същия резултат. В тълкуване тя не споделя мнението на двойката от Париж за ядрената природа на произхода на позитроните. Въпреки това, когато се върна на работа в Берлин, тя отново проведе тези експерименти и на 18 ноември в писмо до Жолио-Кюри призна, че сега, според нея, позитроните наистина излизат от ядрото.
Освен това тази конференция Франсис Перин, техен връстник и добър приятел от Париж, се изказа по темата за позитроните. От експерименти беше известно, че те са получили непрекъснат спектър от позитрони, подобен на спектъра на бета частиците при естествен радиоактивен разпад. По-нататъшен анализ на енергиите на позитроните и неутроните Перин стигна до заключението, че тук трябва да се разграничат две емисии: първо, емисия на неутрони, придружена от образуване на нестабилно ядро, и след това емисия на позитрони от това ядро.
След конференцията Жолио спря тези експерименти за около два месеца. И тогава, през декември 1933 г., Перин публикува мнението си по въпроса. В същото време и през декември Енрико Ферми предложи теорията за бета разпада. Това послужи като теоретична основа за тълкуването на преживяванията. В началото на 1934 г. двойката от френската столица поднови експериментите си.
Точно на 11 януари, четвъртък следобед, Фредерик Жолио взе алуминиево фолио и го бомбардира с алфа частици в продължение на 10 минути. За първи път той използва брояч на Гайгер-Мюлер за откриване, а не камерата за мъгла, както преди. Той с изненада забеляза, че докато отстранява източника на алфа частици от фолиото, броенето на позитроните не спира, броячите продължават да ги показват, само броят им намалява експоненциално. Той определи полуживота на 3 минути и 15 секунди. След това той намали енергията на алфа частиците, падащи върху фолиото, като постави оловна спирачка по пътя им. И получи по-малко позитрони, но полуживотът не се промени.
След това той подлага бор и магнезий на същите експерименти и получава полуживот в тези експерименти от съответно 14 минути и 2,5 минути. Впоследствие такива експерименти са проведени с водород, литий, въглерод, берилий, азот, кислород, флуор, натрий, калций, никел и сребро - но той не наблюдава подобен феномен като при алуминий, бор и магнезий. Броячът на Гайгер-Мюлер не прави разлика между положително и отрицателно заредени частици, така че Фредерик Жолио също потвърди, че всъщност се занимава с положителни електрони. Техническият аспект също беше важен в този експеримент, т.е. наличието на силен източник на алфа частици и използването на чувствителен брояч на заредени частици, като брояч на Гайгер-Мюлер.
Както беше обяснено по-рано от двойката Жолио-Кюри, позитрони и неутрони се освобождават едновременно при наблюдаваната ядрена трансформация. Сега, следвайки предложенията на Франсис Перин и четейки съображенията на Ферми, двойката стигна до заключението, че първата ядрена реакция произвежда нестабилно ядро и неутрон, последвано от бета плюс разпад на това нестабилно ядро. Така че те биха могли да напишат следните реакции:
Семейство Джолиот забелязали, че получените радиоактивни изотопи имат твърде кратък период на полуразпад, за да съществуват в природата. Те обявяват резултатите си на 15 януари 1934 г. в статия, озаглавена "Нов вид радиоактивност". В началото на февруари те успяха да идентифицират фосфор и азот от първите две реакции от събраните малки количества. Скоро имаше пророчество, че повече радиоактивни изотопи могат да бъдат произведени в реакции на ядрено бомбардиране, също с помощта на протони, дейтрони и неутрони. През март Енрико Ферми направи залог, че подобни реакции скоро ще се извършват с помощта на неутрони. Скоро той сам спечели залога.
Ирена и Фредерик са удостоени с Нобелова награда по химия през 1935 г. за "синтеза на нови радиоактивни елементи". Това откритие проправи пътя за производството на изкуствено радиоактивни изотопи, които са намерили много важни и ценни приложения в фундаменталните изследвания, медицината и индустрията.
И накрая, заслужава да се спомене физици от САЩ, Ърнест Лорънс с колеги от Бъркли и изследователи от Пасадена, сред които беше поляк, който беше на стаж Анджей Солтан. Наблюдава се броенето на импулси от броячите, въпреки че ускорителят вече беше спрял да работи. Не им хареса това преброяване. Те обаче не осъзнаваха, че се занимават с важно ново явление и че просто им липсва откриването на изкуствена радиоактивност...
