Przed potrójną sztuką, czyli o odkryciu sztucznej promieniotwórczości
Od czasu do czasu w historii fizyki zdarzają się „cudowne” lata, kiedy wspólne wysiłki wielu badaczy prowadzą do serii przełomowych odkryć. Tak było z rokiem 1820, rokiem elektryczności, 1905, cudownym rokiem czterech prac Einsteina, 1913, rokiem związanym z badaniem budowy atomu, i wreszcie 1932, kiedy nastąpiła seria odkryć technicznych i postępów w powstała energia jądrowa fizyka.
nowożeńcy
Irene, najstarsza córka Marii Skłodowskiej-Curie i Piotra Curie, urodziła się w Paryżu w 1897 r. (1). Do dwunastego roku życia wychowywała się w domu, w małej „szkole” stworzonej przez wybitnych naukowców dla jej dzieci, w której było około dziesięciorga uczniów. Nauczycielami byli: Maria Skłodowska-Curie (fizyka), Paul Langevin (matematyka), Jean Perrin (chemia), a przedmiotów humanistycznych uczyły głównie matki uczniów. Lekcje odbywały się zwykle w domach nauczycieli, podczas gdy dzieci uczyły się fizyki i chemii w prawdziwych laboratoriach.
Tak więc nauczanie fizyki i chemii było zdobywaniem wiedzy poprzez praktyczne działania. Każdy udany eksperyment fascynował młodych badaczy. To były prawdziwe eksperymenty, które trzeba było zrozumieć i dokładnie przeprowadzić, a dzieci w laboratorium Marii Curie musiały być we wzorowym porządku. Trzeba było też zdobyć wiedzę teoretyczną. Metoda, jak los uczniów tej szkoły, późniejszych dobrych i wybitnych naukowców, okazała się skuteczna.
2. Frederic Joliot (zdjęcie Harcourt)
Ponadto dziadek Ireny ze strony ojca, lekarz, wiele czasu poświęcał osieroconej wnuczce ojca, bawiąc się i uzupełniając jej edukację przyrodniczą. W 1914 roku Irene ukończyła pionierskie Collège Sévigné i wstąpiła na wydział matematyki i nauk ścisłych na Sorbonie. Zbiegło się to z początkiem I wojny światowej. W 1916 roku dołączyła do matki i razem zorganizowali służbę radiologiczną we Francuskim Czerwonym Krzyżu. Po wojnie uzyskała tytuł licencjata. W 1921 roku ukazała się jej pierwsza praca naukowa. Poświęcił się wyznaczaniu masy atomowej chloru z różnych minerałów. W dalszej działalności ściśle współpracowała z matką, zajmując się radioaktywnością. W swojej rozprawie doktorskiej, obronionej w 1925 r., zajmowała się badaniem cząstek alfa emitowanych przez polon.
Fryderyka Joliota urodzony w 1900 w Paryżu (2). Od ósmego roku życia uczęszczał do szkoły w Soczi, mieszkał w internacie. W tym czasie przedkładał sport nad studia, zwłaszcza piłkę nożną. Następnie na zmianę uczęszczał do dwóch szkół średnich. Podobnie jak Irena Curie wcześnie stracił ojca. W 1919 zdał egzamin w École de Physique et de Chemie Industrielle de la Ville de Paris (Szkoła Fizyki Przemysłowej i Chemii Przemysłowej miasta Paryża). Ukończył w 1923 r. Jego profesor, Paul Langevin, dowiedział się o zdolnościach i zaletach Fryderyka. Po 15 miesiącach służby wojskowej, z rozkazu Langevina, został mianowany osobistym asystentem laboratoryjnym Marii Skłodowskiej-Curie w Instytucie Radowym z grantu Fundacji Rockefellera. Tam poznał Irenę Curie, aw 1926 roku młodzi pobrali się.
Frederick ukończył rozprawę doktorską z elektrochemii pierwiastków promieniotwórczych w 1930 roku. Nieco wcześniej swoje zainteresowania skupił już na badaniach żony, a po obronie pracy doktorskiej Fryderyka pracowali już razem. Jednym z ich pierwszych ważnych sukcesów był preparat polonu, który jest silnym źródłem cząstek alfa, tj. jądra helu.(24On). Startowali z niezaprzeczalnie uprzywilejowanej pozycji, bo to Maria Skłodowska-Curie dostarczyła córce dużą porcję polonu. Lew Kowarsky, ich późniejszy współpracownik, tak ich opisał: Irena była „doskonałym technikiem”, „pracowała bardzo pięknie i starannie”, „dogłębnie rozumiała, co robi”. Jej mąż miał „bardziej olśniewającą, bardziej strzelistą wyobraźnię”. „Doskonale się uzupełniali i wiedzieli o tym”. Z punktu widzenia historii nauki najciekawsze były dla nich dwa lata: 1932-34.
Prawie odkryli neutron
„Prawie” ma duże znaczenie. O tej smutnej prawdzie dowiedzieli się bardzo szybko. W 1930 roku w Berlinie dwóch Niemców - Waltera Bothe i Huberta Beckera - Zbadano, jak zachowują się lekkie atomy bombardowane cząstkami alfa. Tarcza berylu (49Be) bombardowany cząstkami alfa emitował niezwykle przenikliwe i wysokoenergetyczne promieniowanie. Według eksperymentatorów promieniowanie to musiało być silnym promieniowaniem elektromagnetycznym.
Na tym etapie Irena i Fryderyk uporali się z problemem. Ich źródło cząstek alfa było najpotężniejsze w historii. Użyli komory chmurowej do obserwacji produktów reakcji. Pod koniec stycznia 1932 roku ogłosili publicznie, że to promienie gamma wybijają wysokoenergetyczne protony z substancji zawierającej wodór. Nie rozumieli jeszcze, co jest w ich rękach i co się dzieje.. Po odczytaniu Jamesa Chadwicka (3) w Cambridge natychmiast zabrał się do pracy, myśląc, że to wcale nie jest promieniowanie gamma, ale neutrony, które Rutherford przewidział z kilkuletnim wyprzedzeniem. Po serii eksperymentów przekonał się do obserwacji neutronu i stwierdził, że jego masa jest podobna do masy protonu. 17 lutego 1932 r. przesłał do czasopisma Nature notatkę zatytułowaną „Możliwe istnienie neutronu”.
W rzeczywistości był to neutron, chociaż Chadwick uważał, że neutron składa się z protonu i elektronu. Dopiero w 1934 roku zrozumiał i udowodnił, że neutron jest cząstką elementarną. Chadwick otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1935 roku. Pomimo uświadomienia sobie, że przegapili ważne odkrycie, Joliot-Curies kontynuowali badania w tej dziedzinie. Zdali sobie sprawę, że ta reakcja oprócz neutronów wytwarza promienie gamma, więc napisali reakcję jądrową:
, gdzie Ef jest energią gamma-kwantu. Podobne eksperymenty przeprowadzono z 919F.
Znowu przegapiłem otwarcie
Kilka miesięcy przed odkryciem pozytonu Joliot-Curie miał między innymi zdjęcia zakrzywionej ścieżki, jakby to był elektron, ale skręcający się w przeciwnym kierunku niż elektron. Fotografie wykonano w komorze mgłowej umieszczonej w polu magnetycznym. Na tej podstawie para mówiła o elektronach poruszających się w dwóch kierunkach, od źródła i do źródła. W rzeczywistości te związane z kierunkiem „w kierunku źródła” to pozytony, czyli dodatnie elektrony oddalające się od źródła.
Tymczasem w Stanach Zjednoczonych późnym latem 1932 r. Carla Davida Andersona (4), syn szwedzkich imigrantów, badał promienie kosmiczne w komorze chmurowej pod wpływem pola magnetycznego. Promienie kosmiczne docierają do Ziemi z zewnątrz. Anderson, aby mieć pewność co do kierunku i ruchu cząstek, wewnątrz komory przepuszczał cząsteczki przez metalową płytkę, gdzie traciły część energii. 2 sierpnia zobaczył ślad, który niewątpliwie zinterpretował jako dodatni elektron.
Warto zauważyć, że Dirac przewidział wcześniej teoretyczne istnienie takiej cząstki. Jednak Anderson nie kierował się żadnymi teoretycznymi zasadami w swoich badaniach nad promieniami kosmicznymi. W tym kontekście nazwał swoje odkrycie przypadkowym.
Ponownie Joliot-Curie musiała pogodzić się z niezaprzeczalnym zawodem, ale podjęła dalsze badania w tej dziedzinie. Odkryli, że fotony promieniowania gamma mogą zniknąć w pobliżu ciężkiego jądra, tworząc parę elektron-pozyton, najwyraźniej zgodnie ze słynnym wzorem Einsteina E = mc2 oraz prawem zachowania energii i pędu. Później sam Frederick udowodnił, że zachodzi proces zanikania pary elektron-pozyton, w wyniku którego powstają dwa kwanty gamma. Oprócz pozytonów z par elektron-pozyton mieli pozytony z reakcji jądrowych.
5. Siódma Konferencja Solvaya, 1933
Siedzą w pierwszym rzędzie: Irene Joliot-Curie (druga od lewej),
Maria Skłodowska-Curie (piąta od lewej), Lise Meitner (druga od prawej).
Sztuczna radioaktywność
Odkrycie sztucznej radioaktywności nie było aktem natychmiastowym. W lutym 1933 roku, bombardując aluminium, fluor, a następnie sód cząstkami alfa, Joliot uzyskał neutrony i nieznane izotopy. W lipcu 1933 roku ogłosili, że naświetlając aluminium cząstkami alfa, zaobserwowali nie tylko neutrony, ale także pozytony. Według Irene i Fredericka pozytony w tej reakcji jądrowej nie mogły powstać w wyniku tworzenia się par elektron-pozyton, ale musiały pochodzić z jądra atomowego.
Siódma Konferencja Solvaya (5) odbyła się w Brukseli w dniach 22-29 października 1933 r. Nazywała się „Struktura i właściwości jąder atomowych”. Wzięło w nim udział 41 fizyków, w tym najwybitniejsi znawcy tej dziedziny na świecie. Joliot przedstawił wyniki swoich eksperymentów, stwierdzając, że napromieniowanie boru i aluminium promieniami alfa wytwarza albo neutron z pozytonem, albo proton.. Na tej konferencji Lisa Meitner Powiedziała, że w tych samych eksperymentach z aluminium i fluorem nie uzyskała takiego samego wyniku. W interpretacji nie podzielała opinii paryskiej pary o nuklearnym charakterze pochodzenia pozytonów. Kiedy jednak wróciła do pracy w Berlinie, ponownie przeprowadziła te eksperymenty i 18 listopada w liście do Joliot-Curie przyznała, że teraz jej zdaniem pozytony naprawdę wyłaniają się z jądra.
Do tego ta konferencja Franciszka Perrina, ich rówieśnik i dobry przyjaciel z Paryża, wypowiedział się na temat pozytonów. Z eksperymentów wiadomo było, że uzyskali ciągłe widmo pozytonów, podobne do widma cząstek beta w naturalnym rozpadzie promieniotwórczym. Dalsza analiza energii pozytonów i neutronów Perrin doszła do wniosku, że należy tu rozróżnić dwie emisje: pierwszą emisję neutronów, której towarzyszy powstawanie niestabilnego jądra, a następnie emisję pozytonów z tego jądra.
Po konferencji Joliot przerwał te eksperymenty na około dwa miesiące. A potem, w grudniu 1933 roku, Perrin opublikował swoją opinię w tej sprawie. W tym samym czasie również w grudniu Enrico Fermi zaproponował teorię rozpadu beta. Stanowiło to teoretyczną podstawę interpretacji doświadczeń. Na początku 1934 roku para ze stolicy Francji wznowiła swoje eksperymenty.
Dokładnie 11 stycznia, w czwartkowe popołudnie, Frédéric Joliot wziął folię aluminiową i bombardował ją cząstkami alfa przez 10 minut. Po raz pierwszy do wykrywania użył licznika Geigera-Mullera, a nie jak poprzednio komory mgłowej. Ze zdziwieniem zauważył, że w miarę jak usuwał z folii źródło cząstek alfa, liczenie pozytonów nie ustało, liczniki nadal je pokazywały, tylko ich liczba spadała wykładniczo. Określił okres półtrwania na 3 minuty i 15 sekund. Następnie zredukował energię cząstek alfa spadających na folię, umieszczając na ich drodze ołowiany hamulec. I ma mniej pozytonów, ale okres półtrwania się nie zmienił.
Następnie poddał bor i magnez tym samym eksperymentom i uzyskał w tych eksperymentach okresy półtrwania odpowiednio 14 minut i 2,5 minuty. Następnie takie eksperymenty przeprowadzano z wodorem, litem, węglem, berylem, azotem, tlenem, fluorem, sodem, wapniem, niklem i srebrem – nie zaobserwował jednak podobnego zjawiska jak w przypadku glinu, boru i magnezu. Licznik Geigera-Mullera nie rozróżnia cząstek naładowanych dodatnio i ujemnie, więc Frédéric Joliot również potwierdził, że faktycznie zajmuje się dodatnimi elektronami. Ważny w tym eksperymencie był również aspekt techniczny, tj. obecność silnego źródła cząstek alfa oraz zastosowanie czułego licznika cząstek naładowanych, takiego jak licznik Geigera-Mullera.
Jak wcześniej wyjaśniono za pomocą pary Joliot-Curie, pozytony i neutrony są uwalniane jednocześnie w obserwowanej przemianie jądrowej. Teraz, podążając za sugestiami Francisa Perrina i czytając rozważania Fermiego, para doszła do wniosku, że pierwsza reakcja jądrowa wytworzyła niestabilne jądro i neutron, po czym nastąpił rozpad beta plus tego niestabilnego jądra. Mogli więc napisać następujące reakcje:
Joliotowie zauważyli, że powstałe izotopy promieniotwórcze miały zbyt krótki okres półtrwania, aby mogły istnieć w naturze. Ogłosili swoje wyniki 15 stycznia 1934 roku w artykule zatytułowanym „Nowy typ radioaktywności”. Na początku lutego udało im się zidentyfikować fosfor i azot z pierwszych dwóch reakcji z zebranych niewielkich ilości. Wkrótce pojawiła się przepowiednia, że w reakcjach bombardowania jądrowego może powstać więcej izotopów promieniotwórczych, także przy pomocy protonów, deuteronów i neutronów. W marcu Enrico Fermi założył się, że wkrótce takie reakcje będą przeprowadzane przy użyciu neutronów. Wkrótce sam wygrał zakład.
Irena i Frederik otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii w 1935 roku za „syntezę nowych pierwiastków promieniotwórczych”. Odkrycie to utorowało drogę do produkcji sztucznie radioaktywnych izotopów, które znalazły wiele ważnych i cennych zastosowań w badaniach podstawowych, medycynie i przemyśle.
Na koniec warto wspomnieć o fizykach z USA, Ernesta Lawrence'a z kolegami z Berkeley i naukowcami z Pasadeny, wśród których był Polak przebywający na stażu Andrzej Sołtan. Zaobserwowano zliczanie impulsów przez liczniki, mimo że akcelerator już przestał działać. Nie podobało im się to liczenie. Nie zdawali sobie jednak sprawy, że mają do czynienia z ważnym nowym zjawiskiem i że po prostu zabrakło im odkrycia sztucznej radioaktywności…
