До триразового мистецтва, тобто про відкриття штучної радіоактивності
Іноді історія фізики бувають «чудесні» роки, коли спільні зусилля багатьох дослідників призводять до низки проривних відкриттів. Так було з 1820 р., роком електрики, 1905 р., чудовим роком чотирьох робіт Ейнштейна, 1913 р., роком, пов'язаним з вивченням будови атома, і, нарешті, 1932 р., коли ряд технічних відкриттів і досягнень була створена ядерна фізика.
молодята
Ірина, старша дочка Марії Склодовської-Кюрі та П'єра Кюрі, народилася в Парижі у 1897 році (1). До дванадцяти років вона виховувалась удома, у невеликій «школі», створеній видатними вченими для її дітей, у якій було близько десяти учнів. Вчителями були: Марія Склодовська-Кюрі (фізика), Поль Ланжевен (математика), Жан Перрен (хімія), а гуманітарні науки переважно викладали матері учнів. Уроки зазвичай проходили у будинках вчителів, а фізику та хімію діти вивчали у справжніх лабораторіях.
Таким чином, викладання фізики та хімії було здобуттям знань за допомогою практичних дій. Кожен успішний експеримент захоплював молодих дослідників. Це були справжні експерименти, які треба було зрозуміти та ретельно провести, а діти у лабораторії Марії Кюрі мали бути в зразковому порядку. Теоретичні знання також мали бути придбані. Метод, як показала доля учнів цієї школи – згодом добрих та видатних учених, виявився дієвим.
2. Фредерік Жоліо (фото Harcourt)
Більше того, дід Ірени по батьківській лінії, лікар, багато часу приділяв осиротілій онучці батька, розважаючись і доповнюючи її природничо освіту. У 1914 році Ірена закінчила новаторську школу Collège Sévigné і вступила на факультет математики та природничих наук у Сорбонні. Це збіглося з початком Першої світової війни. У 1916 році вона приєдналася до своєї матері, і разом вони організували радіологічну службу у французькому Червоному Хресті. Після війни вона здобула ступінь бакалавра. У 1921 р. була опублікована перша наукова робота. Він був присвячений визначенню атомної маси хлору із різних мінералів. Надалі своєї діяльності вона тісно співпрацювала з матір'ю, займаючись радіоактивністю. У докторській дисертації, захищеній у 1925 році, вона вивчала альфа-частинки, що випускаються полонієм.
Фредерік Жоліо народився 1900 року в Парижі (2). З восьми років відвідував школу в Со, жив у інтернаті. У той час він віддавав перевагу спорту навчання, особливо футболу. Потім він по черзі навчався у двох середніх школах. Як і Ірена Кюрі, він рано втратив батька. У 1919 році він склав іспит у École de Physique та de Chemie Industrielle de la Ville de Paris (Вища школа промислової фізики та промислової хімії міста Парижа). Він здобув вищу освіту у 1923 році. Його професор Поль Ланжевен дізнався про здібності та переваги Фредеріка. Після 15 місяців військової служби за наказом Ланжевена його було призначено особистим лаборантом Марії Склодовської-Кюрі в Радієвому інституті за рахунок гранту Фонду Рокфеллера. Там він познайомився з Іреною Кюрі, і в 1926 молоді люди одружилися.
Фредерік захистив докторську дисертацію з електрохімії радіоактивних елементів у 1930 році. Трохи раніше він зосередив свої інтереси на дослідженнях дружини, і після захисту докторської дисертації Фредеріка вони вже працювали разом. Однією з перших важливих успіхів було отримання препарату полония, що є сильним джерелом альфа-частинок, тобто. ядер гелію.(24Він). Вони починали з безперечно привілейованого становища, бо саме Марія Кюрі постачала свою дочку великою порцією полонія. Лью Коварскі, їх пізніший співробітник, охарактеризував їх так: Ірена була «відмінним техніком», «вона працювала дуже красиво і ретельно», «вона глибоко розуміла, що робить». У її чоловіка була «сліпуча, більш ширяюча уява». "Вони чудово доповнювали один одного і знали це". З погляду історії науки найцікавішими для них були два роки: 1932-34 рр.
Вони майже відкрили нейтрон
«Майже» має велике значення. Про цю сумну правду вони дізналися дуже скоро. У 1930 році в Берліні два німці - Вальтер Боте i Губерт Беккер – досліджував, як поводяться легкі атоми під час бомбардування альфа-частинками. Бериллієвий щит (49Ве) при бомбардуванні альфа-частинками випромінювало надзвичайно проникне та високоенергетичне випромінювання. На думку експериментаторів, це випромінювання мало бути сильним електромагнітним випромінюванням.
На даному етапі проблемою займалися Ірена та Фредерік. Їхнє джерело альфа-частинок було найпотужнішим із будь-коли існуючих. Вони використовували камеру Вільсон для спостереження за продуктами реакції. Наприкінці січня 1932 року вони публічно оголосили, що саме гамма-промені вибили високоенергетичні протони з речовини, що містить водень. Вони ще не розуміли, що у них у руках і що відбувається. Після прочитання Джеймс Чедвік (3) У Кембриджі він одразу взявся за роботу, думаючи, що справа зовсім не в гамма-випромінюванні, а в нейтронах, передбачених Резерфордом за кілька років. Після низки експериментів він переконався у спостереженні за нейтроном і виявив, що його маса подібна до маси протона. 17 лютого 1932 року він відправив до журналу Nature нотатку «Можливе існування нейтрона».
Насправді це був нейтрон, хоча Чедвік вважав, що нейтрон складається з протона та електрона. Тільки в 1934 він зрозумів і довів, що нейтрон - це елементарна частка. Чедвік був удостоєний Нобелівської премії з фізики у 1935 році. Незважаючи на усвідомлення того, що вони упустили важливе відкриття, подружжя Жоліо-Кюрі продовжувало свої дослідження в цій галузі. Вони зрозуміли, що ця реакція виробляє гамма-промені на додаток до нейтронів, тому вони написали ядерну реакцію:
, де Ef – енергія гамма-кванту. Подібні експерименти вони проводили з 919F.
Знову пропустили відкриття
За кілька місяців до відкриття позитрона у Жоліо-Кюрі були фотографії, серед іншого, вигнутий шлях, ніби це був електрон, але закручується в напрямку, протилежному напрямку електрона. Фотографії були зроблені в туманній камері, розташованій у магнітному полі. Виходячи з цього, подружжя говорило про електрони, що йдуть у двох напрямках, від джерела та до джерела. Насправді, ті, хто асоціювався з напрямком «до джерела», були позитронами, або позитивними електронами, що рухаються від джерела.
Тим часом США наприкінці літа 1932 р. Карл Девід Андерсон (4), син шведських іммігрантів, вивчав космічні промені у камері Вільсона під дією магнітного поля. Космічні промені приходять Землю ззовні. Андерсон, щоб бути впевненим у напрямку та русі частинок, усередині камери пропускав частинки через металеву пластину, де вони втрачали частину енергії. 2 серпня він побачив слід, який, безперечно, інтерпретував як позитивний електрон.
Варто зазначити, що раніше Дірак передбачив теоретичне існування такої частки. Однак у своїх дослідженнях космічних променів Андерсон не дотримувався жодних теоретичних установок. У цьому контексті він назвав своє відкриття випадковим.
Знову ж таки, Жоліо-Кюрі довелося змиритися з безперечною професією, але зробив подальші дослідження в цій галузі. Вони виявили, що гамма-фотони можуть зникати поблизу важкого ядра, утворюючи пару електрон-позитрон, очевидно, відповідно до знаменитої формули Ейнштейна E = mc2 та закону збереження енергії та імпульсу. Пізніше Фредерік довів, що існує процес зникнення електрон-позитронної пари, що дає початок двом гамма-квантам. Крім позитронів від електрон-позитронних пар, вони були позитрони від ядерних реакцій.
5. Сьома Сольвіївська конференція, 1933 р.
У першому ряду сидять: Ірен Жоліо-Кюрі (друга ліворуч),
Марія Склодовська-Кюрі (п'ята ліворуч), Ліза Мейтнер (друга справа).
Штучна радіоактивність
Відкриття штучної радіоактивності був миттєвим актом. У лютому 1933 року, бомбардуючи альфа-частинками алюміній, фтор, а потім натрій, Жоліо отримали нейтрони та невідомі ізотопи. У липні 1933 року вони оголосили, що, опромінюючи альфа-частинками алюмінію, вони спостерігали як нейтрони, а й позитрони. Згідно з Іреною та Фредеріком, позитрони в цій ядерній реакції не могли утворюватися в результаті утворення електрон-позитронних пар, а мали виходити з атомного ядра.
Сьома Сольвіївська конференція (5) у Брюсселі відбулася 22—29 жовтня 1933 р. Вона називалася «Структура та властивості атомних ядер». У ньому взяв участь 41 фізик, у тому числі найпомітніші фахівці у цій галузі у світі. Жоліо повідомили про результати своїх експериментів, заявивши, що опромінення бору та алюмінію альфа-променями виробляє або нейтрон із позитроном, або протон.. На цій конференції Ліза Мейтнер Вона сказала, що в тих же експериментах з алюмінієм та фтором вона не отримала такого результату. В інтерпретації вона не поділяла думки пари з Парижа про ядерну природу походження позитронів. Проте, повернувшись на роботу до Берліна, вона знову провела ці досліди і 18 листопада в листі до Жоліо-Кюрі зізналася, що тепер, на її думку, позитрони справді з'являються з ядра.
Крім того, на цій конференції Френсіс Перрен, їх ровесник і добрий друг з Парижа, висловився щодо позитронів. З експериментів було відомо, що вони отримали безперервний спектр позитронів, подібний до спектра бета-частинок при природному розпаді. Подальший аналіз енергій позитронів і нейтронів Перрен дійшов висновку, що тут слід розрізняти два випромінювання: спочатку випромінювання нейтронів, що супроводжується утворенням нестабільного ядра, а потім випромінювання позитронів з цього ядра.
Після конференції Жоліо припинили ці експерименти приблизно на два місяці. А потім, у грудні 1933 року, Перрін опублікував свою думку щодо цього. У той же час, також у грудні Енріко Фермі висунув теорію бета-розпаду. Це стало теоретичною основою для інтерпретації переживань. На початку 1934 року подружжя із французької столиці відновило свої експерименти.
Рівно 11 січня, у четвер вдень, Фредерік Жоліо взяв алюмінієву фольгу та протягом 10 хвилин бомбардував її альфа-частинками. Він уперше використав для виявлення лічильник Гейгера-Мюллера, а не туманну камеру, як раніше. Він з подивом помітив, що в міру того, як він видаляв джерело альфа-часток від фольги, відлік позитронів не припинявся, лічильники продовжували їх показувати, тільки їхня кількість зменшувалася в геометричній прогресії. Він визначив період напіввиведення рівним 3 хвилин і 15 секунд. Потім він зменшував енергію падаючих на фольгу альфа-частинок, встановлюючи на їхньому шляху свинцеве гальмо. І він отримав менше позитронів, але період напіврозпаду не змінився.
Потім він піддав таким же дослідам бор і магній, отримав періоди напіврозпаду в цих дослідах 14 хвилин та 2,5 хвилин відповідно. Надалі такі досліди проводилися з воднем, літієм, вуглецем, бериллієм, азотом, киснем, фтором, натрієм, кальцієм, нікелем та сріблом — але такого явища, як для алюмінію, бору та магнію, він не спостерігав. Лічильник Гейгера-Мюллера не розрізняє позитивно та негативно заряджені частинки, тому Фредерік Жоліо також перевірив, що насправді має справу з позитивними електронами. У цьому експерименті важливим був і технічний аспект, тобто наявність сильного джерела альфа-часток та використання чутливого лічильника заряджених частинок, такого як лічильник Гейгера-Мюллера.
Як раніше пояснювалося парою Жоліо-Кюрі, позитрони і нейтрони вивільняються одночасно при ядерному перетворенні. Тепер, слідуючи пропозиціям Френсіса Перрена і прочитавши міркування Фермі, подружжя дійшли висновку, що перша ядерна реакція дає нестабільне ядро і нейтрон, за яким слідує бета-плюс-розпад цього нестабільного ядра. Таким чином, вони могли написати такі реакції:
Джоліоти помітили, що у радіоактивних ізотопів, що утворилися, занадто короткий період напіврозпаду, щоб існувати в природі. Вони оголосили свої результати 15 січня 1934 р. у статті, під назвою «Новий тип радіоактивності». На початку лютого їм вдалося ідентифікувати фосфор та азот із перших двох реакцій із зібраних невеликих кількостей. Незабаром з'явилося пророцтво у тому, що у реакціях ядерної бомбардування може бути вироблено більше радіоактивних ізотопів, і навіть з допомогою протонів, дейтронів і нейтронів. У березні Енріко Фермі зробив ставку на те, що такі реакції будуть здійснюватися за допомогою нейтронів. Незабаром він сам переміг.
Ірена та Фредерік були удостоєні Нобелівської премії з хімії у 1935 році за «синтез нових радіоактивних елементів». Це відкриття відкрило шлях до виробництва штучно радіоактивних ізотопів, які знайшли безліч важливих та цінних застосувань у фундаментальних дослідженнях, медицині та промисловості.
Нарешті, варто згадати фізиків із США, Ернеста Лоуренс'а з колегами з Берклі та дослідниками з Пасадени, серед яких був поляк, який перебував на стажуванні Андрій Султан. Спостерігали за підрахунком імпульсів лічильниками, хоч прискорювач уже перестав працювати. Їм не подобався цей підрахунок. Однак вони не усвідомлювали, що мають справу з важливим новим явищем і що їм просто не вистачає відкриття штучної радіоактивності.
