Πριν την τριπλή τέχνη, δηλαδή για την ανακάλυψη της τεχνητής ραδιενέργειας

Κατά καιρούς στην ιστορία της φυσικής υπάρχουν «θαυματουργά» χρόνια που οι κοινές προσπάθειες πολλών ερευνητών οδηγούν σε μια σειρά από καινοτόμες ανακαλύψεις. Αυτό συμβαίνει από το 1820, το έτος του ηλεκτρισμού, το 1905, το θαυματουργό έτος των τεσσάρων εγγράφων του Αϊνστάιν, το 1913, το έτος που σχετίζεται με τη μελέτη της δομής του ατόμου και τέλος το 1932, όταν μια σειρά από τεχνικές ανακαλύψεις και επιτεύγματα οδήγησε στη δημιουργία της πυρηνικής ενέργειας.φυσική.

νεόνυμφους

Ειρήνη, η μεγαλύτερη κόρη της Marie Skłodowska-Curie και του Pierre Curie, γεννήθηκε στο Παρίσι το 1897 (1). Μέχρι τα δώδεκα της, μεγάλωσε στο σπίτι, σε ένα μικρό «σχολείο» που δημιούργησαν εξαιρετικοί επιστήμονες για τα παιδιά της, στο οποίο υπήρχαν περίπου δέκα μαθητές. Οι δάσκαλοι ήταν οι: Marie Sklodowska-Curie (φυσική), Paul Langevin (μαθηματικά), Jean Perrin (χημεία) και οι ανθρωπιστικές επιστήμες διδάσκονταν κυρίως από τις μητέρες των μαθητών. Τα μαθήματα γίνονταν συνήθως στα σπίτια των δασκάλων και τα παιδιά μελετούσαν φυσική και χημεία σε πραγματικά εργαστήρια.

Έτσι, η διδασκαλία της φυσικής και της χημείας ήταν η απόκτηση γνώσεων μέσω πρακτικών ενεργειών. Κάθε επιτυχημένο πείραμα χαροποίησε νέους ερευνητές. Αυτά ήταν πραγματικά πειράματα που έπρεπε να γίνουν κατανοητά και να γίνουν προσεκτικά, και τα παιδιά στο εργαστήριο της Μαρί Κιουρί έπρεπε να είναι σε υποδειγματική τάξη. Έπρεπε να αποκτηθούν και θεωρητικές γνώσεις. Η μέθοδος, ως μοίρα των μαθητών αυτής της σχολής, μετέπειτα καλών και εξαιρετικών επιστημόνων, αποδείχθηκε αποτελεσματική.

2. Frederic Joliot (φωτογραφία Harcourt)

Επιπλέον, ο παππούς της Ιρένα από τον πατέρα, γιατρός, αφιέρωσε πολύ χρόνο στην ορφανή εγγονή του πατέρα του, διασκεδάζοντας και συμπληρώνοντας την εκπαίδευσή της στις φυσικές επιστήμες. Το 1914, η Ειρήνη αποφοίτησε από το καινοτόμο σχολείο Collège Sévigné και εισήλθε στη Σχολή Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών της Σορβόννης. Αυτό συνέπεσε με την έναρξη του Πρώτου Παγκοσμίου Πολέμου. Το 1916, ήρθε με τη μητέρα της και μαζί ίδρυσαν μια ακτινολογική υπηρεσία για τον Γαλλικό Ερυθρό Σταυρό. Μετά τον πόλεμο πήρε το πτυχίο της. Το 1921 δημοσιεύεται η πρώτη της επιστημονική εργασία. Ήταν αφιερωμένο στον προσδιορισμό της ατομικής μάζας του χλωρίου από διάφορα ορυκτά. Στις περαιτέρω δραστηριότητές της, συνεργάστηκε στενά με τη μητέρα της, ασχολούμενη με τη ραδιενέργεια. Στη διδακτορική της διατριβή, που υπερασπίστηκε το 1925, μελέτησε τα σωματίδια άλφα που εκπέμπονται από το πολώνιο.

Φρεντερίκ Ζολιό γεννήθηκε το 1900 στο Παρίσι (2). Από τα οκτώ του χρόνια φοίτησε στο Σο και έζησε σε οικοτροφείο. Εκείνη την εποχή προτιμούσε τον αθλητισμό από τις σπουδές και κυρίως το ποδόσφαιρο. Στη συνέχεια φοίτησε με τη σειρά του σε δύο λύκεια. Όπως η Αϊρίν Κιουρί, έχασε νωρίς τον πατέρα του. Το 1919 έδωσε εξετάσεις στην École de Physique et de Chemie Industrielle de la Ville de Paris (Ανώτερη Σχολή Βιομηχανικής Φυσικής και Βιομηχανικής Χημείας της πόλης του Παρισιού). Αποφοίτησε το 1923. Ο καθηγητής του Paul Langevin έμαθε για τις ικανότητες και τις αρετές του Frederick. Μετά από 15 μήνες στρατιωτικής θητείας, κατόπιν εντολής του Langevin, διορίστηκε προσωπικός εργαστηριακός βοηθός της Marie Skłodowska-Curie στο Ινστιτούτο Radium, με χρηματοδότηση από το Ίδρυμα Rockefeller. Εκεί γνώρισε την Αϊρίν Κιουρί και το 1926 οι νέοι παντρεύτηκαν.

Ο Φρειδερίκος ολοκλήρωσε το διδακτορικό του στην ηλεκτροχημεία των ραδιενεργών στοιχείων το 1930. Λίγο νωρίτερα, είχε ήδη επικεντρώσει τα ενδιαφέροντά του στην έρευνα της συζύγου του και αφού ο Φρειδερίκος υπερασπίστηκε τη διδακτορική του διατριβή, συνεργάστηκαν ήδη. Μία από τις πρώτες σημαντικές επιτυχίες τους ήταν η παρασκευή του πολωνίου, που είναι μια ισχυρή πηγή σωματιδίων άλφα, δηλ. πυρήνες ηλίου.(₂⁴Αυτός). Ξεκίνησαν από μια αναμφισβήτητα προνομιακή θέση, γιατί ήταν η Μαρί Κιουρί που προμήθευε την κόρη της με μεγάλη προμήθεια πολώνιου. Ο Lew Kowarsky, ο μετέπειτα υπάλληλος τους, τους περιέγραψε ως εξής: η Irena ήταν «μια εξαιρετική τεχνικός», «δούλευε πολύ όμορφα και προσεκτικά», «καταλάβαινε βαθιά τι έκανε». Ο σύζυγός της είχε «μια πιο εκθαμβωτική, πιο εκρηκτική φαντασία». «Συμπλήρωσαν ο ένας τον άλλον τέλεια και το ήξεραν». Από την άποψη της ιστορίας της επιστήμης, τα πιο ενδιαφέροντα δύο χρόνια για αυτούς ήταν: 1932-34.

Σχεδόν ανακάλυψαν το νετρόνιο

Το «σχεδόν» έχει μεγάλη σημασία. Πολύ σύντομα έμαθαν για αυτή τη θλιβερή αλήθεια. Το 1930 στο Βερολίνο, δύο Γερμανοί - Walter Bothe i Hubert Becker - Διερεύνησε πώς συμπεριφέρονται τα ελαφρά άτομα όταν βομβαρδίζονται με σωματίδια άλφα. ασπίδα βηρυλλίου (₄⁹Be) όταν βομβαρδίζεται με σωματίδια άλφα, εκπέμπεται εξαιρετικά διεισδυτική και υψηλής ενέργειας ακτινοβολία. Σύμφωνα με τους πειραματιστές, αυτή η ακτινοβολία πρέπει να ήταν ισχυρή ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία.

Σε αυτό το στάδιο, η Irena και ο Frederic αντιμετώπιζαν το πρόβλημα. Η πηγή των σωματιδίων άλφα τους ήταν η πιο ισχυρή ποτέ. Χρησιμοποίησαν έναν θάλαμο νέφους για να παρατηρήσουν τα προϊόντα αντίδρασης. Στα τέλη Ιανουαρίου 1932, ανακοίνωσαν δημόσια ότι ήταν οι ακτίνες γάμμα που εκτόξευσαν πρωτόνια υψηλής ενέργειας από μια ουσία που περιείχε υδρογόνο. Ακόμα δεν καταλάβαιναν τι είχαν στα χέρια τους και τι γινόταν. Μετά το διάβασμα Τζέιμς Τσάντγουικ (3) στο Κέιμπριτζ, άρχισε αμέσως τη δουλειά, νομίζοντας ότι δεν επρόκειτο καθόλου για ακτινοβολία γάμμα, αλλά για νετρόνια, που είχε προβλέψει ο Ράδερφορντ πριν από αρκετά χρόνια. Μετά από μια σειρά πειραμάτων, πείστηκε για την παρατήρηση του νετρονίου και διαπίστωσε ότι η μάζα του ήταν παρόμοια με τη μάζα του πρωτονίου. Στις 17 Φεβρουαρίου 1932, έστειλε ένα σημείωμα στο περιοδικό Nature, «The Possible Existence of the Neutron».

Στην πραγματικότητα ήταν ένα νετρόνιο, αν και ο Chadwick πίστευε ότι ένα νετρόνιο αποτελείται από ένα πρωτόνιο και ένα ηλεκτρόνιο. Μόλις το 1934 κατάλαβε και απέδειξε ότι το νετρόνιο είναι στοιχειώδες σωματίδιο. Ο Τσάντγουικ τιμήθηκε με το Νόμπελ Φυσικής το 1935. Παρά τη συνειδητοποίηση ότι είχαν χάσει μια σημαντική ανακάλυψη, οι Joliot-Curies συνέχισαν την έρευνά τους σε αυτόν τον τομέα. Συνειδητοποίησαν ότι αυτή η αντίδραση παράγει ακτίνες γάμμα εκτός από τα νετρόνια, έτσι έγραψαν την πυρηνική αντίδραση:

, όπου Ef είναι η ενέργεια του κβαντικού γάμμα. Πραγματοποίησαν παρόμοια πειράματα με ₉¹⁹F.

Έχασε ξανά το άνοιγμα

Αρκετούς μήνες πριν από την ανακάλυψη του ποζιτρονίου, ο Joliot-Curie είχε φωτογραφίες, μεταξύ άλλων, μιας καμπύλης διαδρομής, σαν να ήταν ηλεκτρόνιο, αλλά να στρίβει προς την αντίθετη κατεύθυνση από αυτή του ηλεκτρονίου. Οι φωτογραφίες τραβήχτηκαν σε θάλαμο ομίχλης που βρίσκεται σε μαγνητικό πεδίο. Με βάση αυτό, το ζευγάρι μίλησε για τα ηλεκτρόνια που πηγαίνουν προς δύο κατευθύνσεις, από την πηγή και προς την πηγή. Στην πραγματικότητα, αυτά που σχετίζονται με την κατεύθυνση «προς την πηγή» ήταν ποζιτρόνια, ή θετικά ηλεκτρόνια που απομακρύνονταν από την πηγή.

Εν τω μεταξύ, στις ΗΠΑ στα τέλη του καλοκαιριού του 1932. Καρλ Ντέιβιντ Άντερσον (4), γιος Σουηδών μεταναστών, μελέτησε τις κοσμικές ακτίνες σε έναν θάλαμο σύννεφων υπό την επίδραση ενός μαγνητικού πεδίου. Οι κοσμικές ακτίνες έρχονται στη Γη από έξω. Ο Άντερσον, για να είναι σίγουρος για την κατεύθυνση και την κίνηση των σωματιδίων, πέρασε τα σωματίδια μέσα στον θάλαμο μέσα από μια μεταλλική πλάκα, όπου έχασαν μέρος της ενέργειάς τους. Στις 2 Αυγούστου είδε ένα ίχνος που αναμφίβολα ερμήνευσε ως θετικό ηλεκτρόνιο.

Αξίζει να σημειωθεί ότι ο Dirac είχε προβλέψει παλαιότερα τη θεωρητική ύπαρξη ενός τέτοιου σωματιδίου. Ωστόσο, ο Άντερσον δεν ακολούθησε καμία θεωρητική αρχή στις μελέτες του για τις κοσμικές ακτίνες. Στο πλαίσιο αυτό, χαρακτήρισε την ανακάλυψή του τυχαία.

Και πάλι, ο Joliot-Curie έπρεπε να συμβιβαστεί με το αναμφισβήτητο επάγγελμά του, αλλά ανέλαβε περαιτέρω έρευνα σε αυτόν τον τομέα. Ανακάλυψαν ότι τα φωτόνια ακτίνων γάμμα μπορούν να εξαφανιστούν κοντά σε έναν βαρύ πυρήνα, σχηματίζοντας ένα ζεύγος ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων, προφανώς σύμφωνα με τον διάσημο τύπο του Αϊνστάιν E = mc2 και το νόμο της διατήρησης της ενέργειας και της ορμής. Αργότερα, ο ίδιος ο Φρειδερίκος απέδειξε ότι υπάρχει μια διαδικασία εξαφάνισης του ζεύγους ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων, προκαλώντας δύο κβάντα γάμμα. Εκτός από τα ποζιτρόνια από ζεύγη ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων, είχαν ποζιτρόνια από πυρηνικές αντιδράσεις.

5. Έβδομη Διάσκεψη Solvay, 1933

Καθισμένη στην πρώτη σειρά: Irène Joliot-Curie (δεύτερη από αριστερά),

Marie Skłodowska-Curie (πέμπτη από αριστερά), Lise Meitner (δεύτερη από δεξιά).

Τεχνητή ραδιενέργεια

Η ανακάλυψη της τεχνητής ραδιενέργειας δεν ήταν μια πράξη εν μία νυκτί. Τον Φεβρουάριο του 1933, βομβαρδίζοντας αλουμίνιο, φθόριο και στη συνέχεια νάτριο με σωματίδια άλφα, ο Joliot απέκτησε νετρόνια και άγνωστα ισότοπα. Τον Ιούλιο του 1933, ανακοίνωσαν ότι ακτινοβολώντας το αλουμίνιο με σωματίδια άλφα, παρατήρησαν όχι μόνο νετρόνια, αλλά και ποζιτρόνια. Σύμφωνα με την Irene και τον Frederic, τα ποζιτρόνια σε αυτή την πυρηνική αντίδραση δεν θα μπορούσαν να παραχθούν με το σχηματισμό ζευγών ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων, αλλά πρέπει να προέρχονται από τον ατομικό πυρήνα.

Η Έβδομη Διάσκεψη Solvay (5) στις Βρυξέλλες πραγματοποιήθηκε στις 22–29 Οκτωβρίου 1933. Ονομάστηκε «Η δομή και οι ιδιότητες των ατομικών πυρήνων». Την παρακολούθησαν 41 φυσικοί, μεταξύ των οποίων οι πιο επιφανείς ειδικοί σε αυτόν τον τομέα στον κόσμο. Ο Joliot ανέφερε τα αποτελέσματα των πειραμάτων του, δηλώνοντας ότι η ακτινοβολία βορίου και αλουμινίου με ακτίνες άλφα παρήγαγε είτε ένα νετρόνιο με ένα ποζιτρόνιο είτε ένα πρωτόνιο.. Σε αυτό το συνέδριο Λίζα Μάιτνερ Είπε ότι στα ίδια πειράματα με αλουμίνιο και φθόριο, δεν είχε το ίδιο αποτέλεσμα. Στην ερμηνεία της, δεν συμμεριζόταν την άποψη του ζευγαριού από το Παρίσι για την πυρηνική φύση της προέλευσης των ποζιτρονίων. Ωστόσο, έχοντας επιστρέψει στη δουλειά στο Βερολίνο, πραγματοποίησε και πάλι αυτά τα πειράματα και στις 18 Νοεμβρίου, σε μια επιστολή προς τον Joliot-Curie, παραδέχτηκε ότι τώρα, κατά τη γνώμη της, τα ποζιτρόνια εμφανίζονται πραγματικά από τον πυρήνα.

Επιπλέον, σε αυτό το συνέδριο Φράνσις Περέν, συνομήλικος και καλός τους φίλος από το Παρίσι, μίλησε για το θέμα των ποζιτρονίων. Από πειράματα ήταν γνωστό ότι έλαβαν ένα συνεχές φάσμα ποζιτρονίων, παρόμοιο με το φάσμα των σωματιδίων βήτα κατά τη διάρκεια της φυσικής ραδιενεργής διάσπασης. Περαιτέρω ανάλυση των ενεργειών των ποζιτρονίων και των νετρονίων Ο Perrin κατέληξε στο συμπέρασμα ότι δύο εκπομπές πρέπει να διακρίνονται εδώ: πρώτα, η εκπομπή νετρονίων, που συνοδεύεται από το σχηματισμό ενός ασταθούς πυρήνα, και στη συνέχεια η εκπομπή ποζιτρονίων από αυτόν τον πυρήνα.

Μετά τη διάσκεψη Joliot, αυτά τα πειράματα σταμάτησαν για περίπου δύο μήνες. Και τότε, τον Δεκέμβριο του 1933, ο Perrin δημοσίευσε τη γνώμη του για το θέμα. Παράλληλα, και τον Δεκέμβριο Ένρικο Φέρμι πρότεινε τη θεωρία της διάσπασης βήτα. Αυτό παρείχε μια θεωρητική βάση για την ερμηνεία των εμπειριών. Στις αρχές του 1934, το ζευγάρι από τη γαλλική πρωτεύουσα ξανάρχισε τα πειράματά του.

Ακριβώς το απόγευμα της Πέμπτης, 11 Ιανουαρίου, ο Frédéric Joliot πήρε αλουμινόχαρτο και το βομβάρδισε με σωματίδια άλφα για 10 λεπτά. Για πρώτη φορά, χρησιμοποίησε έναν μετρητή Geiger-Muller για ανίχνευση, αντί για έναν θάλαμο ομίχλης όπως πριν. Με έκπληξη παρατήρησε ότι καθώς απομάκρυνε την πηγή των σωματιδίων άλφα από το φύλλο, η μέτρηση των ποζιτρονίων δεν σταμάτησε, οι μετρητές συνέχισαν να τα δείχνουν, μόνο που ο αριθμός τους μειώθηκε εκθετικά. Προσδιόρισε τον χρόνο ημιζωής σε 3 λεπτά και 15 δευτερόλεπτα. Στη συνέχεια μείωσε την ενέργεια των σωματιδίων άλφα που πέφτουν στο φύλλο αλουμινίου τοποθετώντας ένα φρένο μολύβδου στην πορεία τους. Και έλαβε λιγότερα ποζιτρόνια, αλλά ο χρόνος ημιζωής δεν άλλαξε.

Στη συνέχεια, υπέβαλε βόριο και μαγνήσιο στα ίδια πειράματα και έλαβε χρόνο ημιζωής σε αυτά τα πειράματα 14 λεπτών και 2,5 λεπτών, αντίστοιχα. Στη συνέχεια, τέτοια πειράματα πραγματοποιήθηκαν με υδρογόνο, λίθιο, άνθρακα, βηρύλλιο, άζωτο, οξυγόνο, φθόριο, νάτριο, ασβέστιο, νικέλιο και άργυρο - αλλά δεν παρατήρησε παρόμοιο φαινόμενο όπως για το αλουμίνιο, το βόριο και το μαγνήσιο. Ο μετρητής Geiger-Muller δεν κάνει διάκριση μεταξύ θετικά και αρνητικά φορτισμένων σωματιδίων, έτσι ο Frédéric Joliot επαλήθευσε επίσης ότι στην πραγματικότητα είχε να κάνει με θετικά ηλεκτρόνια. Η τεχνική πτυχή ήταν επίσης σημαντική σε αυτό το πείραμα, δηλαδή η παρουσία μιας ισχυρής πηγής σωματιδίων άλφα και η χρήση ενός ευαίσθητου μετρητή φορτισμένων σωματιδίων όπως ένας μετρητής Geiger-Muller.

Όπως εξηγήθηκε προηγουμένως από το ζεύγος Joliot-Curie, ποζιτρόνια και νετρόνια απελευθερώνονται ταυτόχρονα κατά τη διάρκεια ενός παρατηρούμενου πυρηνικού μετασχηματισμού. Τώρα, ακολουθώντας τις προτάσεις του Francis Perrin και διαβάζοντας τις σκέψεις του Fermi, το ζευγάρι κατέληξε στο συμπέρασμα ότι η πρώτη πυρηνική αντίδραση παράγει έναν ασταθή πυρήνα και ένα νετρόνιο, ακολουθούμενο από τη διάσπαση βήτα-συν αυτού του ασταθούς πυρήνα. Έτσι θα μπορούσαν να γράψουν τις ακόλουθες αντιδράσεις:

Οι Joliots παρατήρησαν ότι τα ραδιενεργά ισότοπα που προέκυψαν είχαν πολύ μικρό χρόνο ημιζωής για να υπάρχουν στη φύση. Ανακοίνωσαν τα αποτελέσματά τους στις 15 Ιανουαρίου 1934, σε μια εργασία με τίτλο «Ένας νέος τύπος ραδιενέργειας». Στις αρχές Φεβρουαρίου, κατάφεραν να αναγνωρίσουν φώσφορο και άζωτο από τις δύο πρώτες αντιδράσεις από τις μικρές ποσότητες που συλλέχθηκαν. Σύντομα εμφανίστηκε μια προφητεία ότι οι αντιδράσεις πυρηνικού βομβαρδισμού θα μπορούσαν να παράγουν περισσότερα ραδιενεργά ισότοπα, επίσης με τη βοήθεια πρωτονίων, δευτερονίων και νετρονίων. Τον Μάρτιο, ο Enrico Fermi πόνταρε ότι τέτοιες αντιδράσεις σύντομα θα πραγματοποιούνταν με χρήση νετρονίων. Σύντομα κέρδισε ο ίδιος το στοίχημα.

Η Irena και ο Frederic τιμήθηκαν με το Νόμπελ Χημείας το 1935 για τη «σύνθεση νέων ραδιενεργών στοιχείων». Αυτή η ανακάλυψη άνοιξε το δρόμο για την παραγωγή τεχνητά ραδιενεργών ισοτόπων, τα οποία έχουν βρει πολλές σημαντικές και πολύτιμες εφαρμογές στη βασική έρευνα, την ιατρική και τη βιομηχανία.

Τέλος, αξίζει να αναφέρουμε φυσικούς από τις Η.Π.Α. Έρνεστ Λόρενς με συναδέλφους από το Berkeley και ερευνητές από την Pasadena, μεταξύ των οποίων ήταν ένας Πολωνός που ήταν σε πρακτική άσκηση Αντρέι Σολτάν. Παρακολουθήσαμε τους μετρητές να μετρούν παλμούς, αν και το γκάζι είχε ήδη σταματήσει να λειτουργεί. Δεν τους άρεσε αυτός ο υπολογισμός. Ωστόσο, δεν συνειδητοποίησαν ότι είχαν να κάνουν με ένα σημαντικό νέο φαινόμενο και ότι απλώς τους έλειπε η ανακάλυψη της τεχνητής ραδιενέργειας...