Talohan'ny art triple, izany hoe momba ny fahitana ny radioactivity artifisialy

Время от времени в истории физики бывают «чудесные» годы, когда совместные усилия многих исследователей приводят к череде прорывных открытий. Так было с 1820 г., годом электричества, 1905 г., чудесным годом четырех работ Эйнштейна, 1913 г., годом, связанным с изучением строения атома, и, наконец, 1932 г., когда ряд технических открытий и достижений в была создана ядерная физика.

молодожены

Irene, старшая дочь Марии Склодовской-Кюри и Пьера Кюри, родилась в Париже в 1897 году (1). До двенадцати лет она воспитывалась дома, в небольшой «школе», созданной выдающимися учеными для ее детей, в которой было около десяти учеников. Учителями были: Мария Склодовская-Кюри (физика), Поль Ланжевен (математика), Жан Перрен (химия), а гуманитарные науки в основном преподавали матери учеников. Уроки обычно проходили в домах учителей, а физику и химию дети изучали в настоящих лабораториях.

Таким образом, преподавание физики и химии было получением знаний посредством практических действий. Каждый успешный эксперимент приводил молодых исследователей в восторг. Это были настоящие эксперименты, которые нужно было понять и тщательно провести, а дети в лаборатории Марии Кюри должны были быть в образцовом порядке. Теоретические знания также должны были быть приобретены. Метод, как показала судьба учеников этой школы – впоследствии хороших и выдающихся ученых, оказался действенным.

2. Фредерик Жолио (фото Harcourt)

Более того, дед Ирены по отцовской линии, врач, много времени уделял осиротевшей внучке отца, развлекаясь и дополняя ее естественнонаучное образование. В 1914 году Ирена окончила новаторскую школу Collège Sévigné и поступила на факультет математики и естественных наук в Сорбонне. Это совпало с началом Первой мировой войны. В 1916 году она присоединилась к своей матери, и вместе они организовали радиологическую службу во французском Красном Кресте. После войны она получила степень бакалавра. В 1921 г. была опубликована ее первая научная работа. Он был посвящен определению атомной массы хлора из различных минералов. В дальнейшей своей деятельности она тесно сотрудничала с матерью, занимаясь радиоактивностью. В докторской диссертации, защищенной в 1925 году, она изучала альфа-частицы, испускаемые полонием.

Frederic Joliot родился в 1900 году в Париже (2). С восьми лет посещал школу в Со, жил в интернате. В то время он предпочитал спорт учебе, особенно футболу. Затем он по очереди учился в двух средних школах. Как и Ирена Кюри, он рано потерял отца. В 1919 году он сдал экзамен в École de Physique et de Chemie Industrielle de la Ville de Paris (Высшая школа промышленной физики и промышленной химии города Парижа). Он получил высшее образование в 1923 году. Его профессор Поль Ланжевен узнал о способностях и достоинствах Фредерика. После 15 месяцев военной службы по приказу Ланжевена он был назначен личным лаборантом Марии Склодовской-Кюри в Радиевом институте за счет гранта Фонда Рокфеллера. Там он познакомился с Иреной Кюри, и в 1926 году молодые люди поженились.

Фредерик защитил докторскую диссертацию по электрохимии радиоактивных элементов в 1930 году. Чуть раньше он уже сосредоточил свои интересы на исследованиях жены, и после защиты докторской диссертации Фредерика они уже работали вместе. Одним из их первых важных успехов было получение препарата полония, который является сильным источником альфа-частиц, т.е. ядер гелия.(₂⁴Он). Они начинали с несомненно привилегированного положения, потому что именно Мария Кюри снабжала свою дочь большой порцией полония. Лью Коварски, их более поздний сотрудник, охарактеризовал их так: Ирена была «отличным техником», «она работала очень красиво и тщательно», «она глубоко понимала, что делает». У ее мужа было «более ослепительное, более парящее воображение». «Они прекрасно дополняли друг друга и знали это». С точки зрения истории науки наиболее интересными для них были два года: 1932-34 гг.

Они почти открыли нейтрон

«Почти» имеет большое значение. Об этой печальной правде они узнали очень скоро. В 1930 году в Берлине два немца – Walter Bothe i Хьюберт Беккер – исследовал, как ведут себя легкие атомы при бомбардировке альфа-частицами. Бериллиевый щит (₄⁹Ве) при бомбардировке альфа-частицами испускало чрезвычайно проникающее и высокоэнергетическое излучение. По мнению экспериментаторов, это излучение должно было быть сильным электромагнитным излучением.

На данном этапе проблемой занимались Ирэна и Фредерик. Их источник альфа-частиц был самым мощным из когда-либо существовавших. Они использовали камеру Вильсона для наблюдения за продуктами реакции. В конце января 1932 года они публично объявили, что именно гамма-лучи выбили высокоэнергетические протоны из вещества, содержащего водород. Они еще не понимали, что у них в руках и что происходит. После прочтения James Chadwick (3) в Кембридже он сразу принялся за работу, думая, что дело вовсе не в гамма-излучении, а в нейтронах, предсказанных Резерфордом за несколько лет. После ряда экспериментов он убедился в наблюдении за нейтроном и обнаружил, что его масса подобна массе протона. 17 февраля 1932 года он отправил в журнал Nature заметку «Возможное существование нейтрона».

На самом деле это был нейтрон, хотя Чедвик считал, что нейтрон состоит из протона и электрона. Только в 1934 году он понял и доказал, что нейтрон — это элементарная частица. Чедвик был удостоен Нобелевской премии по физике в 1935 году. Несмотря на осознание того, что они упустили важное открытие, супруги Жолио-Кюри продолжали свои исследования в этой области. Они поняли, что эта реакция производит гамма-лучи в дополнение к нейтронам, поэтому они написали ядерную реакцию:

, где Ef — энергия гамма-кванта. Подобные эксперименты они проводили с ₉¹⁹F.

Опять пропустили открытие

За несколько месяцев до открытия позитрона у Жолио-Кюри были фотографии, среди прочего, изогнутый путь, как если бы это был электрон, но закручивающийся в направлении, противоположном направлению электрона. Фотографии были сделаны в туманной камере, расположенной в магнитном поле. Исходя из этого, супруги говорили об электронах, идущих в двух направлениях, от источника и к источнику. На самом деле те, кто ассоциировался с направлением «к источнику», были позитронами, или положительными электронами, движущимися от источника.

Тем временем в США в конце лета 1932 г. Карл Дэвид Андерсон (4), сын шведских иммигрантов, изучал космические лучи в камере Вильсона под действием магнитного поля. Космические лучи приходят на Землю извне. Андерсон, чтобы быть уверенным в направлении и движении частиц, внутри камеры пропускал частицы через металлическую пластину, где они теряли часть энергии. 2 августа он увидел след, который, несомненно, интерпретировал как положительный электрон.

Стоит отметить, что ранее Дирак предсказал теоретическое существование такой частицы. Однако в своих исследованиях космических лучей Андерсон не следовал никаким теоретическим установкам. В этом контексте он назвал свое открытие случайным.

Опять же, Жолио-Кюри пришлось смириться с несомненной профессией, но предпринял дальнейшие исследования в этой области. Они обнаружили, что гамма-фотоны могут исчезать вблизи тяжелого ядра, образуя пару электрон-позитрон, очевидно, в соответствии со знаменитой формулой Эйнштейна E = mc2 и законом сохранения энергии и импульса. Позже сам Фредерик доказал, что существует процесс исчезновения электрон-позитронной пары, дающий начало двум гамма-квантам. Помимо позитронов от электрон-позитронных пар, у них были позитроны от ядерных реакций.

5. Седьмая Сольвеевская конференция, 1933 г.

В первом ряду сидят: Ирен Жолио-Кюри (вторая слева),

Мария Склодовская-Кюри (пятая слева), Лиза Мейтнер (вторая справа).

Искусственная радиоактивность

Открытие искусственной радиоактивности не было мгновенным актом. В феврале 1933 года, бомбардируя альфа-частицами алюминий, фтор, а затем натрий, Жолио получили нейтроны и неизвестные изотопы. В июле 1933 года они объявили, что, облучая альфа-частицами алюминия, они наблюдали не только нейтроны, но и позитроны. Согласно Ирене и Фредерику, позитроны в этой ядерной реакции не могли образовываться в результате образования электрон-позитронных пар, а должны были исходить из атомного ядра.

Седьмая Сольвеевская конференция (5) в Брюсселе состоялась 22—29 октября 1933 г. Она называлась «Структура и свойства атомных ядер». В нем принял участие 41 физик, в том числе самые видные специалисты в этой области в мире. Жолио сообщили о результатах своих экспериментов, заявив, что облучение бора и алюминия альфа-лучами производит либо нейтрон с позитроном, либо протон.. На этой конференции Lisa Meitner Она сказала, что в тех же экспериментах с алюминием и фтором она не получила такого результата. В интерпретации она не разделяла мнение пары из Парижа о ядерной природе происхождения позитронов. Однако, вернувшись на работу в Берлин, она снова провела эти опыты и 18 ноября в письме к Жолио-Кюри призналась, что теперь, по ее мнению, позитроны действительно появляются из ядра.

Кроме того, на этой конференции Фрэнсис Перрен, их ровесник и хороший друг из Парижа, высказался по вопросу о позитронах. Из экспериментов было известно, что они получили непрерывный спектр позитронов, подобный спектру бета-частиц при естественном радиоактивном распаде. Дальнейший анализ энергий позитронов и нейтронов Перрен пришел к выводу, что здесь следует различать два испускания: сначала испускание нейтронов, сопровождающееся образованием нестабильного ядра, а затем испускание позитронов из этого ядра.

После конференции Жолио прекратили эти эксперименты примерно на два месяца. А затем, в декабре 1933 года, Перрин опубликовал свое мнение по этому поводу. В то же время, также в декабре Enrico Fermi выдвинул теорию бета-распада. Это послужило теоретической основой для интерпретации переживаний. В начале 1934 года супруги из французской столицы возобновили свои эксперименты.

Ровно 11 января, в четверг днем, Фредерик Жолио взял алюминиевую фольгу и в течение 10 минут бомбардировал ее альфа-частицами. Он впервые использовал для обнаружения счетчик Гейгера-Мюллера, а не туманную камеру, как раньше. Он с удивлением заметил, что по мере того, как он удалял источник альфа-частиц от фольги, отсчет позитронов не прекращался, счетчики продолжали их показывать, только их количество уменьшалось в геометрической прогрессии. Он определил период полувыведения равным 3 минутам и 15 секундам. Затем он уменьшал энергию падающих на фольгу альфа-частиц, устанавливая на их пути свинцовый тормоз. И он получил меньшее количество позитронов, но период полураспада не изменился.

Затем он подверг таким же опытам бор и магний, получил периоды полураспада в этих опытах 14 минут и 2,5 минуты соответственно. В дальнейшем такие опыты проводились с водородом, литием, углеродом, бериллием, азотом, кислородом, фтором, натрием, кальцием, никелем и серебром — но подобного явления, как для алюминия, бора и магния, он не наблюдал. Счетчик Гейгера-Мюллера не различает положительно и отрицательно заряженные частицы, поэтому Фредерик Жолио также проверил, что на самом деле он имеет дело с положительными электронами. В этом эксперименте важен был и технический аспект, т. е. наличие сильного источника альфа-частиц и использование чувствительного счетчика заряженных частиц, такого как счетчик Гейгера-Мюллера.

Как ранее объяснялось парой Жолио-Кюри, позитроны и нейтроны высвобождаются одновременно при наблюдаемом ядерном превращении. Теперь, следуя предложениям Фрэнсиса Перрена и прочитав соображения Ферми, супруги пришли к выводу, что первая ядерная реакция дает нестабильное ядро ​​и нейтрон, за которым следует бета-плюс-распад этого нестабильного ядра. Таким образом, они могли написать следующие реакции:

Джолиоты заметили, что у образовавшихся радиоактивных изотопов слишком короткий период полураспада, чтобы существовать в природе. Они объявили о своих результатах 15 января 1934 г. в статье, озаглавленной «Новый тип радиоактивности». В начале февраля им удалось идентифицировать фосфор и азот из первых двух реакций из собранных небольших количеств. Вскоре появилось пророчество о том, что в реакциях ядерной бомбардировки может быть произведено больше радиоактивных изотопов, также с помощью протонов, дейтронов и нейтронов. В марте Энрико Ферми сделал ставку на то, что такие реакции скоро будут осуществляться с помощью нейтронов. Вскоре он сам выиграл пари.

Ирена и Фредерик были удостоены Нобелевской премии по химии в 1935 году за «синтез новых радиоактивных элементов». Это открытие открыло путь к производству искусственно радиоактивных изотопов, которые нашли множество важных и ценных применений в фундаментальных исследованиях, медицине и промышленности.

Наконец, стоит упомянуть физиков из США, Эрнеста Лоуренс’а с коллегами из Беркли и исследователями из Пасадены, среди которых был поляк, находившийся на стажировке Andrzej Soltan. Наблюдали за подсчетом импульсов счетчиками, хотя ускоритель уже перестал работать. Им не нравился этот подсчет. Однако они не осознавали, что имеют дело с важным новым явлением и что им просто не хватает открытия искусственной радиоактивности…