Sebelum seni tiga kali ganda, iaitu, tentang penemuan radioaktiviti buatan

Dari semasa ke semasa dalam sejarah fizik terdapat tahun-tahun yang "indah" apabila usaha bersama ramai penyelidik membawa kepada satu siri penemuan penemuan. Begitu juga dengan 1820, tahun elektrik, 1905, tahun ajaib empat kertas kerja Einstein, 1913, tahun yang dikaitkan dengan kajian struktur atom, dan akhirnya 1932, apabila satu siri penemuan teknikal dan kemajuan dalam penciptaan fizik nuklear.

pengantin baru

Irene, anak perempuan sulung Marie Skłodowska-Curie dan Pierre Curie, dilahirkan di Paris pada tahun 1897 (1). Sehingga umur dua belas tahun, dia dibesarkan di rumah, di sebuah "sekolah" kecil yang dicipta oleh saintis terkemuka untuk anak-anaknya, di mana terdapat kira-kira sepuluh pelajar. Guru-gurunya ialah: Marie Sklodowska-Curie (fizik), Paul Langevin (matematik), Jean Perrin (kimia), dan ilmu kemanusiaan terutamanya diajar oleh ibu pelajar. Pelajaran biasanya berlaku di rumah guru, manakala kanak-kanak belajar fizik dan kimia di makmal sebenar.

Oleh itu, pengajaran fizik dan kimia adalah pemerolehan pengetahuan melalui tindakan praktikal. Setiap percubaan yang berjaya menggembirakan penyelidik muda. Ini adalah eksperimen sebenar yang perlu difahami dan dijalankan dengan teliti, dan kanak-kanak di makmal Marie Curie harus berada dalam susunan yang boleh dicontohi. Pengetahuan teori juga perlu diperolehi. Kaedah itu, sebagaimana nasib pelajar sekolah ini, kemudiannya saintis yang baik dan cemerlang, terbukti berkesan.

2. Frederic Joliot (Foto oleh Harcourt)

Lebih-lebih lagi, datuk sebelah bapa Irena, seorang doktor, menumpukan banyak masa kepada cucu perempuan yatim bapanya, berseronok dan menambah pendidikan sains semula jadinya. Pada tahun 1914, Irene lulus dari Collège Sévigné perintis dan memasuki fakulti matematik dan sains di Sorbonne. Ini bertepatan dengan permulaan Perang Dunia Pertama. Pada tahun 1916 dia menyertai ibunya dan bersama-sama mereka menganjurkan perkhidmatan radiologi untuk Palang Merah Perancis. Selepas perang, dia menerima ijazah sarjana muda. Pada tahun 1921, karya saintifik pertamanya diterbitkan. Dia menumpukan kepada penentuan jisim atom klorin daripada pelbagai mineral. Dalam aktiviti selanjutnya, dia bekerja rapat dengan ibunya, menangani radioaktiviti. Dalam disertasi kedoktorannya, dipertahankan pada tahun 1925, dia mengkaji zarah alfa yang dipancarkan oleh polonium.

Frederic Joliot dilahirkan pada tahun 1900 di Paris (2). Sejak umur lapan tahun dia bersekolah di So, tinggal di sekolah berasrama penuh. Pada masa itu, dia lebih mengutamakan sukan berbanding belajar terutamanya bola sepak. Dia kemudian bergilir-gilir menghadiri dua sekolah menengah. Seperti Irene Curie, dia kehilangan bapanya lebih awal. Pada tahun 1919 beliau lulus peperiksaan di École de Physique et de Chemie Industrielle de la Ville de Paris (Sekolah Fizik Industri dan Kimia Industri di bandar Paris). Beliau menamatkan pengajian pada tahun 1923. Profesornya, Paul Langevin, belajar tentang kebolehan dan kebaikan Frederick. Selepas 15 bulan perkhidmatan tentera, atas arahan Langevin, beliau dilantik sebagai pembantu makmal peribadi kepada Marie Skłodowska-Curie di Institut Radium dengan geran daripada Yayasan Rockefeller. Di sana dia bertemu Irene Curie, dan pada tahun 1926 orang muda berkahwin.

Frederick menyelesaikan disertasi kedoktorannya mengenai elektrokimia unsur radioaktif pada tahun 1930. Sedikit lebih awal, dia telah memfokuskan minatnya pada penyelidikan isterinya, dan selepas mempertahankan disertasi kedoktoran Frederick, mereka sudah bekerjasama. Salah satu kejayaan penting pertama mereka ialah penyediaan polonium, yang merupakan sumber zarah alfa yang kuat, i.e. nukleus helium.(₂⁴Dia). Mereka bermula dari kedudukan istimewa yang tidak dapat dinafikan, kerana Marie Curie yang membekalkan anak perempuannya dengan sebahagian besar polonium. Lew Kowarsky, rakan kongsi mereka yang kemudiannya, menggambarkan mereka seperti berikut: Irena adalah "juruteknik yang sangat baik", "dia bekerja dengan sangat cantik dan berhati-hati", "dia sangat memahami apa yang dia lakukan." Suaminya mempunyai "imaginasi yang lebih mempesonakan, lebih melonjak". "Mereka saling melengkapi dengan sempurna dan mengetahuinya." Dari sudut pandangan sejarah sains, yang paling menarik bagi mereka adalah dua tahun: 1932-34.

Mereka hampir menemui neutron

"Hampir" sangat penting. Mereka mengetahui tentang kebenaran yang menyedihkan ini tidak lama lagi. Pada tahun 1930 di Berlin, dua orang Jerman - Walter Bothe i Hubert Becker - Menyiasat bagaimana atom cahaya berkelakuan apabila dihujani dengan zarah alfa. Perisai Berilium (₄⁹Be) apabila dihujani dengan zarah alfa yang dipancarkan sangat menembusi dan sinaran tenaga tinggi. Menurut penguji, sinaran ini mestilah sinaran elektromagnet yang kuat.

Pada peringkat ini, Irena dan Frederick menangani masalah itu. Sumber zarah alfa mereka adalah yang paling berkuasa. Mereka menggunakan ruang awan untuk memerhati produk tindak balas. Pada penghujung Januari 1932, mereka mengumumkan secara terbuka bahawa ia adalah sinar gamma yang mengetuk keluar proton tenaga tinggi daripada bahan yang mengandungi hidrogen. Mereka masih belum memahami apa yang ada di tangan mereka dan apa yang sedang berlaku.. Selepas membaca James Chadwick (3) di Cambridge dia segera mula bekerja, memikirkan bahawa ia bukan sinaran gamma sama sekali, tetapi neutron yang diramalkan oleh Rutherford beberapa tahun lebih awal. Selepas beberapa siri eksperimen, dia menjadi yakin dengan pemerhatian neutron dan mendapati bahawa jisimnya adalah serupa dengan jisim proton. Pada 17 Februari 1932, beliau menyerahkan nota kepada jurnal Nature bertajuk "The Possible Existence of the Neutron."

Ia sebenarnya adalah neutron, walaupun Chadwick percaya bahawa neutron itu terdiri daripada proton dan elektron. Hanya pada tahun 1934 dia memahami dan membuktikan bahawa neutron adalah zarah asas. Chadwick telah dianugerahkan Hadiah Nobel dalam Fizik pada tahun 1935. Walaupun menyedari bahawa mereka telah terlepas satu penemuan penting, Joliot-Curies meneruskan penyelidikan mereka di kawasan ini. Mereka menyedari bahawa tindak balas ini menghasilkan sinar gamma sebagai tambahan kepada neutron, jadi mereka menulis tindak balas nuklear:

, di mana Ef ialah tenaga bagi kuantum gamma. Eksperimen serupa telah dijalankan dengan ₉¹⁹F.

Terlepas buka lagi

Beberapa bulan sebelum penemuan positron, Joliot-Curie mempunyai gambar, antara lain, laluan melengkung, seolah-olah ia adalah elektron, tetapi berpusing ke arah yang bertentangan dengan elektron. Gambar-gambar itu diambil dalam ruang kabus yang terletak di medan magnet. Berdasarkan ini, pasangan itu bercakap tentang elektron pergi ke dua arah, dari sumber dan ke sumber. Malah, yang dikaitkan dengan arah "ke arah sumber" ialah positron, atau elektron positif yang bergerak menjauhi sumber.

Sementara itu, di Amerika Syarikat pada akhir musim panas 1932, Carl David Anderson (4), anak kepada pendatang Sweden, mengkaji sinar kosmik dalam ruang awan di bawah pengaruh medan magnet. Sinar kosmik datang ke Bumi dari luar. Anderson, untuk memastikan arah dan pergerakan zarah, di dalam ruang melepasi zarah melalui plat logam, di mana ia kehilangan sedikit tenaga. Pada 2 Ogos, dia melihat jejak, yang sudah pasti dia tafsirkan sebagai elektron positif.

Perlu diingat bahawa Dirac sebelum ini telah meramalkan kewujudan teori zarah sedemikian. Walau bagaimanapun, Anderson tidak mengikuti sebarang prinsip teori dalam kajiannya tentang sinar kosmik. Dalam konteks ini, dia memanggil penemuannya secara tidak sengaja.

Sekali lagi, Joliot-Curie terpaksa bersabar dengan profesion yang tidak dapat dinafikan, tetapi menjalankan penyelidikan lanjut dalam bidang ini. Mereka mendapati bahawa foton sinar gamma boleh hilang berhampiran nukleus berat, membentuk pasangan elektron-positron, nampaknya mengikut formula terkenal Einstein E = mc2 dan undang-undang pemuliharaan tenaga dan momentum. Kemudian, Frederick sendiri membuktikan bahawa terdapat proses kehilangan pasangan elektron-positron, menimbulkan dua gamma quanta. Sebagai tambahan kepada positron daripada pasangan elektron-positron, mereka mempunyai positron daripada tindak balas nuklear.

5. Persidangan Solvay Ketujuh, 1933

Duduk di barisan hadapan: Irene Joliot-Curie (dua dari kiri),

Maria Skłodowska-Curie (kelima dari kiri), Lise Meitner (dua dari kanan).

radioaktiviti buatan

Penemuan radioaktiviti buatan bukanlah satu tindakan serta-merta. Pada Februari 1933, dengan mengebom aluminium, fluorin, dan kemudian natrium dengan zarah alfa, Joliot memperoleh neutron dan isotop yang tidak diketahui. Pada Julai 1933, mereka mengumumkan bahawa, dengan menyinari aluminium dengan zarah alfa, mereka memerhati bukan sahaja neutron, tetapi juga positron. Menurut Irene dan Frederick, positron dalam tindak balas nuklear ini tidak mungkin terbentuk hasil daripada pembentukan pasangan elektron-positron, tetapi harus datang dari nukleus atom.

Persidangan Solvay Ketujuh (5) berlangsung di Brussels pada 22-29 Oktober 1933. Ia dipanggil "Struktur dan Sifat Nukleus Atom". Ia dihadiri oleh 41 ahli fizik, termasuk pakar paling terkemuka dalam bidang ini di dunia. Joliot melaporkan hasil eksperimen mereka, menyatakan bahawa penyinaran boron dan aluminium dengan sinar alfa menghasilkan sama ada neutron dengan positron atau proton.. Pada persidangan ini Lisa Meitner Dia berkata bahawa dalam eksperimen yang sama dengan aluminium dan fluorin, dia tidak mendapat hasil yang sama. Dalam tafsiran, dia tidak berkongsi pendapat pasangan dari Paris tentang sifat nuklear asal usul positron. Walau bagaimanapun, apabila dia kembali bekerja di Berlin, dia sekali lagi menjalankan eksperimen ini dan pada 18 November, dalam surat kepada Joliot-Curie, dia mengakui bahawa sekarang, pada pendapatnya, positron memang muncul dari nukleus.

Selain itu, persidangan ini Francis Perrin, rakan sebaya dan kawan baik mereka dari Paris, bercakap mengenai subjek positron. Telah diketahui daripada eksperimen bahawa mereka memperoleh spektrum positron yang berterusan, serupa dengan spektrum zarah beta dalam pereputan radioaktif semula jadi. Analisis lanjut mengenai tenaga positron dan neutron Perrin membuat kesimpulan bahawa dua pelepasan harus dibezakan di sini: pertama, pelepasan neutron, disertai dengan pembentukan nukleus yang tidak stabil, dan kemudian pelepasan positron dari nukleus ini.

Selepas persidangan itu Joliot menghentikan eksperimen ini selama kira-kira dua bulan. Dan kemudian, pada Disember 1933, Perrin menerbitkan pendapatnya mengenai perkara itu. Pada masa yang sama, juga pada bulan Disember Enrico Fermi mencadangkan teori pereputan beta. Ini berfungsi sebagai asas teori untuk tafsiran pengalaman. Pada awal tahun 1934, pasangan dari ibu kota Perancis itu meneruskan eksperimen mereka.

Tepat pada 11 Januari, petang Khamis, Frédéric Joliot mengambil kerajang aluminium dan membedilnya dengan zarah alfa selama 10 minit. Buat pertama kalinya, dia menggunakan kaunter Geiger-Muller untuk pengesanan, dan bukannya ruang kabus, seperti sebelum ini. Dia perasan dengan terkejut bahawa semasa dia mengeluarkan sumber zarah alfa dari kerajang, pengiraan positron tidak berhenti, pembilang terus menunjukkannya, hanya bilangannya berkurangan secara eksponen. Dia menentukan separuh hayat ialah 3 minit dan 15 saat. Kemudian dia mengurangkan tenaga zarah alfa yang jatuh pada kerajang dengan meletakkan brek plumbum di laluan mereka. Dan ia mendapat lebih sedikit positron, tetapi separuh hayat tidak berubah.

Kemudian dia mengenakan boron dan magnesium kepada eksperimen yang sama, dan memperoleh separuh hayat dalam eksperimen ini masing-masing 14 minit dan 2,5 minit. Selepas itu, eksperimen sedemikian telah dijalankan dengan hidrogen, litium, karbon, berilium, nitrogen, oksigen, fluorin, natrium, kalsium, nikel dan perak - tetapi dia tidak melihat fenomena yang sama seperti aluminium, boron dan magnesium. Kaunter Geiger-Muller tidak membezakan antara zarah bercas positif dan negatif, jadi Frédéric Joliot juga mengesahkan bahawa ia sebenarnya berkaitan dengan elektron positif. Aspek teknikal juga penting dalam eksperimen ini, iaitu, kehadiran sumber zarah alfa yang kuat dan penggunaan pembilang zarah bercas yang sensitif, seperti pembilang Geiger-Muller.

Seperti yang dijelaskan sebelum ini oleh pasangan Joliot-Curie, positron dan neutron dibebaskan secara serentak dalam transformasi nuklear yang diperhatikan. Sekarang, berikutan cadangan Francis Perrin dan membaca pertimbangan Fermi, pasangan itu membuat kesimpulan bahawa tindak balas nuklear pertama menghasilkan nukleus yang tidak stabil dan neutron, diikuti oleh pereputan beta ditambah nukleus yang tidak stabil itu. Jadi mereka boleh menulis reaksi berikut:

Joliots menyedari bahawa isotop radioaktif yang terhasil mempunyai separuh hayat yang terlalu pendek untuk wujud di alam semula jadi. Mereka mengumumkan keputusan mereka pada 15 Januari 1934, dalam artikel bertajuk "A New Type of Radioactivity". Pada awal Februari, mereka berjaya mengenal pasti fosforus dan nitrogen daripada dua tindak balas pertama daripada kuantiti kecil yang dikumpul. Tidak lama kemudian terdapat ramalan bahawa lebih banyak isotop radioaktif boleh dihasilkan dalam tindak balas pengeboman nuklear, juga dengan bantuan proton, deuteron dan neutron. Pada bulan Mac, Enrico Fermi membuat pertaruhan bahawa tindak balas sedemikian tidak lama lagi akan dilakukan menggunakan neutron. Dia tidak lama kemudian memenangi pertaruhan itu sendiri.

Irena dan Frederick telah dianugerahkan Hadiah Nobel dalam Kimia pada tahun 1935 untuk "sintesis unsur radioaktif baru". Penemuan ini membuka jalan kepada penghasilan isotop radioaktif buatan, yang telah menemui banyak aplikasi penting dan berharga dalam penyelidikan asas, perubatan dan industri.

Akhir sekali, patut disebut ahli fizik dari Amerika Syarikat, Ernest Lawrence dengan rakan sekerja dari Berkeley dan penyelidik dari Pasadena, antaranya ialah seorang warga Poland yang sedang menjalani latihan magang Andrei Sultan. Pengiraan nadi oleh pembilang diperhatikan, walaupun pemecut telah berhenti berfungsi. Mereka tidak menyukai kiraan ini. Walau bagaimanapun, mereka tidak menyedari bahawa mereka sedang berhadapan dengan fenomena baru yang penting dan mereka hanya kekurangan penemuan radioaktiviti buatan ...