Enne kolmikkunsti ehk kunstliku radioaktiivsuse avastamisest

Aeg-ajalt tuleb füüsikaajaloos ette "imelisi" aastaid, mil paljude teadlaste ühised jõupingutused viivad rea läbimurdeliste avastusteni. Nii oli ka 1820, elektriaasta, 1905, Einsteini nelja artikli imeline aasta, 1913, mis oli seotud aatomi struktuuri uurimisega, ja lõpuks 1932, mil tehti mitmeid tehnilisi avastusi ja edusamme. tuumafüüsika loomine.

noorpaar

Irene, Marie Skłodowska-Curie ja Pierre Curie vanim tütar, sündis 1897. aastal Pariisis (1). Kuni kaheteistkümnenda eluaastani kasvas ta kodus, väikeses "koolis", mille väljapaistvad teadlased olid oma lastele loonud ja kus õppis kümmekond õpilast. Õpetajateks olid: Marie Sklodowska-Curie (füüsika), Paul Langevin (matemaatika), Jean Perrin (keemia), humanitaaraineid õpetasid peamiselt õpilaste emad. Tunnid toimusid tavaliselt õpetajate kodudes, lapsed õppisid füüsikat ja keemiat pärislaborites.

Seega oli füüsika ja keemia õpetamine teadmiste omandamine praktiliste tegevuste kaudu. Iga õnnestunud katse rõõmustas noori teadlasi. Need olid tõelised katsed, millest tuli aru saada ja hoolikalt läbi viia ning lapsed pidid Marie Curie laboris olema eeskujulikus korras. Samuti tuli omandada teoreetilised teadmised. Meetod selle kooli õpilaste, hilisemate tublide ja silmapaistvate teadlaste saatusena osutus tõhusaks.

2. Frederic Joliot (foto autor Harcourt)

Pealegi pühendas Irena isapoolne arstist vanaisa palju aega isa orvuks jäänud lapselapsele, lõbutsedes ja täiendades oma loodusteaduslikku haridust. 1914. aastal lõpetas Irene teedrajava Collège Sévigné ja astus Sorbonne'i matemaatika- ja loodusteaduste teaduskonda. See langes kokku Esimese maailmasõja algusega. 1916. aastal liitus ta oma emaga ja koos korraldasid nad Prantsuse Punase Risti radioloogiateenistuse. Pärast sõda sai ta bakalaureusekraadi. 1921. aastal avaldati tema esimene teaduslik töö. Ta oli pühendunud kloori aatommassi määramisele erinevatest mineraalidest. Edasises tegevuses tegi ta tihedat koostööd oma emaga, tegeledes radioaktiivsusega. 1925. aastal kaitstud doktoritöös uuris ta polooniumi poolt eralduvaid alfaosakesi.

Frederic Joliot sündinud 1900. aastal Pariisis (2). Alates kaheksandast eluaastast käis ta So koolis, elas internaatkoolis. Sel ajal eelistas ta õpingutele sporti, eriti jalgpalli. Seejärel käis ta kordamööda kahes keskkoolis. Nagu Irene Curie, kaotas ta varakult oma isa. 1919. aastal sooritas ta eksami École de Physique et de Chemie Industrielle de la Ville de Paris (Pariisi linna tööstusfüüsika ja tööstuskeemia kool). Ta lõpetas 1923. aastal. Tema professor Paul Langevin sai teada Fredericki võimetest ja voorustest. Pärast 15-kuulist sõjaväeteenistust määrati ta Langevini korraldusel Rockefelleri fondi toetusel Raadiumi Instituudis Marie Skłodowska-Curie isiklikuks laborandiks. Seal tutvus ta Irene Curie'ga ja 1926. aastal noored abiellusid.

Frederick lõpetas 1930. aastal doktoritöö radioaktiivsete elementide elektrokeemiast. Veidi varem oli ta oma huvid juba suunanud oma naise teadustööle ja pärast Fredericki doktoritöö kaitsmist töötasid nad juba koos. Üks nende esimesi olulisi õnnestumisi oli polooniumi preparaat, mis on tugev alfaosakeste allikas, st. heeliumi tuumad.(₂⁴Ta). Nad alustasid vaieldamatult privilegeeritud positsioonist, sest just Marie Curie varustas oma tütart suure portsu polooniumiga. Lew Kowarsky, nende hilisem kaastöötaja, kirjeldas neid järgmiselt: Irena oli "suurepärane tehnik", "ta töötas väga kaunilt ja hoolikalt", "ta mõistis sügavalt, mida ta teeb." Tema abikaasal oli "pimestavam ja hüppelisem kujutlusvõime". "Nad täiendasid üksteist suurepäraselt ja teadsid seda." Teadusajaloo seisukohalt olid nende jaoks huvitavaimad kaks aastat: 1932-34.

Nad avastasid peaaegu neutroni

"Peaaegu" loeb palju. Nad said sellest kurvast tõest teada väga kiiresti. 1930. aastal Berliinis kaks sakslast - Walter Bothe i Hubert Becker - Uuris, kuidas käituvad valgusaatomid alfaosakestega pommitamisel. Berülliumkilp (₄⁹Be) kiirgas alfaosakestega pommitades äärmiselt läbitungivat ja suure energiaga kiirgust. Eksperimenteerijate arvates pidi see kiirgus olema tugev elektromagnetkiirgus.

Selles etapis tegelesid probleemiga Irena ja Frederick. Nende alfaosakeste allikas oli kõigi aegade võimsaim. Nad kasutasid reaktsiooniproduktide jälgimiseks pilvekambrit. 1932. aasta jaanuari lõpus teatasid nad avalikult, et just gammakiired löövad vesinikku sisaldavast ainest välja suure energiaga prootoneid. Nad ei saanud veel aru, mis nende käes on ja mis toimub.. Pärast lugemist James Chadwick (3) Cambridge'is asus ta kohe tööle, arvates, et see pole üldse gammakiirgus, vaid Rutherfordi poolt mitu aastat ette ennustatud neutronid. Pärast mitmeid katseid veendus ta neutroni vaatluses ja leidis, et selle mass on prootoni omaga sarnane. 17. veebruaril 1932 esitas ta ajakirjale Nature märkuse pealkirjaga "Neutroni võimalik olemasolu".

See oli tegelikult neutron, kuigi Chadwick uskus, et neutron koosneb prootonist ja elektronist. Alles 1934. aastal sai ta aru ja tõestas, et neutron on elementaarosake. Chadwick pälvis 1935. aastal Nobeli füüsikaauhinna. Vaatamata arusaamale, et neil oli oluline avastus vahele jätnud, jätkasid Joliot-Curies oma uurimistööd selles valdkonnas. Nad mõistsid, et see reaktsioon tekitas lisaks neutronitele ka gammakiirgust, mistõttu nad kirjutasid tuumareaktsiooni:

, kus Ef on gamma-kvanti energia. Sarnased katsed viidi läbi ka ₉¹⁹F.

Jälle avamine vahele

Paar kuud enne positroni avastamist olid Joliot-Curie käsutuses fotod muuhulgas kõverast teest, justkui oleks see elektron, kuid väänduks elektronile vastupidises suunas. Fotod on tehtud magnetväljas paiknevas udukambris. Selle põhjal rääkis paar elektronide liikumisest kahes suunas, allikast ja allikasse. Tegelikult olid need, mis olid seotud suunaga "allika poole", positronid ehk positiivsed elektronid, mis liikusid allikast eemale.

Samal ajal Ameerika Ühendriikides 1932. aasta hilissuvel Carl David Anderson (4), Rootsi immigrantide poeg, uuris magnetvälja mõjul pilvekambris kosmilisi kiiri. Kosmilised kiired tulevad Maale väljastpoolt. Anderson, et olla kindel osakeste suunas ja liikumises, lasi kambri sees osakesed läbi metallplaadi, kus nad kaotasid osa energiast. 2. augustil nägi ta jälge, mida ta kahtlemata tõlgendas positiivse elektronina.

Väärib märkimist, et Dirac oli varem ennustanud sellise osakese teoreetilise olemasolu. Kuid Anderson ei järginud kosmiliste kiirte uurimisel mingeid teoreetilisi põhimõtteid. Selles kontekstis nimetas ta oma avastust juhuslikuks.

Jällegi pidi Joliot-Curie leppima vaieldamatu elukutsega, kuid asus selles valdkonnas edasi uurima. Nad leidsid, et gammakiirguse footonid võivad kaduda raske tuuma lähedal, moodustades elektron-positroni paari, ilmselt kooskõlas Einsteini kuulsa valemiga E = mc2 ning energia ja impulsi jäävuse seadusega. Hiljem tõestas Frederick ise, et toimub elektron-positroni paari kadumise protsess, mille tulemusena tekib kaks gammakvanti. Lisaks elektron-positroni paaridest pärit positronitele olid neil tuumareaktsioonide positronid.

5. Seitsmes Solvay konverents, 1933

Esireas istuvad: Irene Joliot-Curie (vasakult teine),

Maria Skłodowska-Curie (vasakult viies), Lise Meitner (paremalt teine).

kunstlik radioaktiivsus

Kunstliku radioaktiivsuse avastamine ei toimunud hetkega. 1933. aasta veebruaris pommitades alumiiniumi, fluori ja seejärel naatriumi alfaosakestega, sai Joliot neutroneid ja tundmatuid isotoope. 1933. aasta juulis teatasid nad, et kiiritades alumiiniumi alfaosakestega, ei täheldanud nad mitte ainult neutroneid, vaid ka positroneid. Irene ja Fredericki arvates ei saanud selle tuumareaktsiooni positronid tekkida elektron-positroni paaride moodustumise tulemusena, vaid pidid tulema aatomituumast.

Seitsmes Solvay konverents (5) toimus Brüsselis 22.-29.oktoobril 1933. See kandis nime "Aatomituumade struktuur ja omadused". Sellel osales 41 füüsikut, sealhulgas selle valdkonna silmapaistvaimad eksperdid maailmas. Joliot teatas oma katsete tulemustest, väites, et boori ja alumiiniumi kiiritamine alfakiirtega tekitab kas positroniga neutroni või prootoni.. Sellel konverentsil Lisa Meitner Ta ütles, et samades katsetes alumiiniumi ja fluoriga ei saanud ta sama tulemust. Tõlgenduses ei jaganud ta Pariisist pärit paari arvamust positronite päritolu tuumaloomuse kohta. Berliini tööle naastes tegi ta aga need katsed uuesti läbi ja tunnistas 18. novembril kirjas Joliot-Curie'le, et nüüd ilmuvad tema arvates tuumast positronid tõepoolest.

Lisaks see konverents Francis Perrin, nende eakaaslane ja hea sõber Pariisist, võttis sõna positronide teemal. Katsete põhjal oli teada, et nad said pideva positronite spektri, mis sarnaneb beetaosakeste spektriga looduslikul radioaktiivsel lagunemisel. Positronite ja neutronite energiate edasine analüüs jõudis Perrin järeldusele, et siin tuleks eristada kahte emissiooni: esiteks neutronite emissioon, millega kaasneb ebastabiilse tuuma moodustumine, ja seejärel positronite emissioon sellest tuumast.

Pärast konverentsi lõpetas Joliot need katsed umbes kaheks kuuks. Ja siis, detsembris 1933, avaldas Perrin oma arvamuse selles küsimuses. Samas ka detsembris Enrico Fermi pakkus välja beeta-lagunemise teooria. See oli teoreetiliseks aluseks kogemuste tõlgendamisel. 1934. aasta alguses jätkas Prantsusmaa pealinnast pärit paar oma katseid.

Täpselt 11. jaanuaril, neljapäeva pärastlõunal, võttis Frédéric Joliot alumiiniumfooliumi ja pommitas seda 10 minutit alfaosakestega. Esimest korda kasutas ta tuvastamiseks Geigeri-Mülleri loendurit, mitte udukambrit, nagu varem. Ta märkas üllatusega, et alfaosakeste allika fooliumilt eemaldades ei peatunud positronite loendamine, loendurid jätkasid nende näitamist, ainult nende arv vähenes hüppeliselt. Ta määras poolväärtusajaks 3 minutit ja 15 sekundit. Seejärel vähendas ta fooliumile langevate alfaosakeste energiat, pannes nende teele pliipiduri. Ja see sai vähem positroneid, kuid poolestusaeg ei muutunud.

Seejärel tegi ta samadele katsetele boori ja magneesiumi ning sai nendes katsetes poolestusajaks vastavalt 14 minutit ja 2,5 minutit. Seejärel viidi sellised katsed läbi vesiniku, liitiumi, süsiniku, berülliumi, lämmastiku, hapniku, fluori, naatriumi, kaltsiumi, nikli ja hõbedaga – kuid ta ei täheldanud sarnast nähtust nagu alumiiniumi, boori ja magneesiumi puhul. Geigeri-Mülleri loendur ei tee vahet positiivsete ja negatiivsete laetud osakeste vahel, nii et Frédéric Joliot kontrollis ka, et see tegelikult tegeleb positiivsete elektronidega. Selles katses oli oluline ka tehniline aspekt, st tugeva alfaosakeste allika olemasolu ja tundliku laetud osakeste loenduri, näiteks Geigeri-Mülleri loenduri kasutamine.

Nagu Joliot-Curie paar varem selgitas, vabanevad vaadeldud tuumatransformatsioonis samaaegselt positronid ja neutronid. Nüüd, järgides Francis Perrini soovitusi ja lugedes Fermi kaalutlusi, jõudis paar järeldusele, et esimene tuumareaktsioon tekitas ebastabiilse tuuma ja neutroni, millele järgnes selle ebastabiilse tuuma beeta- ja lagunemine. Seega võiksid nad kirjutada järgmised reaktsioonid:

Joliotsid märkasid, et saadud radioaktiivsete isotoopide poolestusaeg on looduses eksisteerimiseks liiga lühike. Nad teatasid oma tulemustest 15. jaanuaril 1934 artiklis pealkirjaga "Uus radioaktiivsuse tüüp". Veebruari alguses õnnestus neil kogutud väikestest kogustest tuvastada kahe esimese reaktsiooni käigus saadud fosfor ja lämmastik. Peagi levis ennustus, et tuumapommitamisreaktsioonides võidakse toota rohkem radioaktiivseid isotoope, seda ka prootonite, deuteronite ja neutronite abil. Märtsis vedas Enrico Fermi kihla, et sellised reaktsioonid viiakse peagi läbi neutronite abil. Peagi võitis ta kihlveo ise.

Irena ja Frederick said 1935. aastal Nobeli keemiaauhinna "uute radioaktiivsete elementide sünteesi eest". See avastus sillutas teed kunstlikult radioaktiivsete isotoopide tootmisele, mis on leidnud palju olulisi ja väärtuslikke rakendusi alusuuringutes, meditsiinis ja tööstuses.

Lõpetuseks tasub mainida USA füüsikuid, Ernest Lawrence kolleegidega Berkeleyst ja teadlastega Pasadenast, kelle hulgas oli ka praktikal olnud poolakas Andrei Sultan. Täheldati impulsside loendamist loendurite poolt, kuigi gaasipedaal oli juba lakanud töötamast. See arv neile ei meeldinud. Kuid nad ei mõistnud, et nad tegelevad olulise uue nähtusega ja et neil lihtsalt puudus kunstliku radioaktiivsuse avastamine ...