Fyrir þrefalda listina, það er að segja um uppgötvun gervi geislavirkni

Af og til í sögu eðlisfræðinnar koma „dásamleg“ ár þegar sameiginleg viðleitni margra vísindamanna leiðir til röð byltingarkenndra uppgötvana. Svo var það með 1820, raforkuárið, 1905, kraftaverkaár hinna fjögurra greina Einsteins, 1913, árið sem tengist rannsóknum á byggingu atómsins, og loks 1932, þegar röð tækniuppgötva og framfara í sköpun kjarnaeðlisfræðinnar.

nýgift

Ирина, elsta dóttir Marie Skłodowska-Curie og Pierre Curie, fæddist í París árið 1897 (1). Fram til tólf ára aldurs var hún alin upp heima, í litlum „skóla“ sem þekktir vísindamenn hafa búið til fyrir börn hennar, þar sem um tíu nemendur voru. Kennararnir voru: Marie Sklodowska-Curie (eðlisfræði), Paul Langevin (stærðfræði), Jean Perrin (efnafræði), og hugvísindin voru aðallega kennd af mæðrum nemenda. Kennsla fór venjulega fram á kennaraheimilum en börn lærðu eðlis- og efnafræði á raunverulegum rannsóknarstofum.

Kennsla í eðlis- og efnafræði var því þekkingaröflun með hagnýtum aðgerðum. Hver árangursrík tilraun gladdi unga vísindamenn. Þetta voru alvöru tilraunir sem þurfti að skilja og framkvæma vandlega og börnin á rannsóknarstofu Marie Curie þurftu að vera í fyrirmyndar röð. Einnig þurfti að afla fræðilegrar þekkingar. Aðferðin, enda hlutskipti nemenda þessa skóla, síðar góðra og framúrskarandi vísindamanna, reyndust vel.

2. Frederic Joliot (mynd eftir Harcourt)

Þar að auki helgaði föðurafi Irenu, læknir, munaðarlausu barnabarni föður síns miklum tíma, skemmti sér og bætti við náttúrufræðimenntun hennar. Árið 1914 útskrifaðist Irene frá frumkvöðlaskólanum Sévigné og fór inn í stærðfræði- og raunvísindadeild Sorbonne. Þetta kom saman við upphaf fyrri heimsstyrjaldarinnar. Árið 1916 gekk hún til liðs við móður sína og saman skipulögðu þau röntgenþjónustu í franska Rauða krossinum. Eftir stríðið fékk hún BS gráðu. Árið 1921 kom fyrsta vísindarit hennar út. Hann var helgaður ákvörðun á atómmassa klórs úr ýmsum steinefnum. Í frekari störfum sínum vann hún náið með móður sinni við geislavirkni. Í doktorsritgerð sinni, sem var varið árið 1925, rannsakaði hún alfaagnirnar sem pólóníum gefur frá sér.

Frederic Joliot fæddur 1900 í París (2). Frá átta ára aldri gekk hann í skóla í So, bjó í heimavistarskóla. Á þeim tíma vildi hann frekar íþróttir en nám, sérstaklega fótbolta. Síðan skiptist hann á að fara í tvo framhaldsskóla. Eins og Irene Curie missti hann föður sinn snemma. Árið 1919 stóðst hann prófið við École de Physique et de Chemie Industrielle de la Ville de Paris (Iðnaðareðlisfræði- og iðnaðarefnafræðiskóla Parísarborgar). Hann útskrifaðist árið 1923. Prófessor hans, Paul Langevin, lærði um hæfileika og dyggðir Frederick. Eftir 15 mánaða herþjónustu, að skipun Langevins, var hann ráðinn persónulegur aðstoðarmaður á rannsóknarstofu Marie Skłodowska-Curie við Radium Institute með styrk frá Rockefeller Foundation. Þar kynntist hann Irene Curie og árið 1926 giftu unga fólkið sig.

Frederick lauk doktorsritgerð sinni um rafefnafræði geislavirkra frumefna árið 1930. Nokkru fyrr hafði hann þegar beint áhugamálum sínum að rannsóknum eiginkonu sinnar og eftir að hafa varið doktorsritgerð Fredericks unnu þau þegar saman. Einn af fyrstu mikilvægu árangri þeirra var undirbúningur pólóníums, sem er sterk uppspretta alfa-agna, þ.e. helíum kjarna.(₂⁴Hann). Þau byrjuðu frá óneitanlega forréttindastöðu, því það var Marie Curie sem útvegaði dóttur sinni stóran skammt af pólóníum. Lew Kowarsky, síðar samstarfsmaður þeirra, lýsti þeim á eftirfarandi hátt: Irena var "frábær tæknimaður", "hún vann mjög fallega og vandlega", "hún skildi vel hvað hún var að gera." Eiginmaður hennar hafði „töfrandi, meira svífa ímyndunarafl“. "Þeir bættu hvort annað fullkomlega upp og vissu það." Frá sjónarhóli vísindasögunnar voru þau áhugaverðust tvö ár: 1932-34.

Þeir fundu næstum nifteindina

„Næstum“ skiptir miklu máli. Þeir fréttu af þessum sorglega sannleika mjög fljótlega. Árið 1930 í Berlín, tveir Þjóðverjar - Walter Bothe i Hubert Becker - Rannsakaði hvernig ljósfrumeindir hegða sér þegar þeim er sprengt með alfaögnum. Beryllium skjöldur (₄⁹Be) þegar sprengjuárás var sprengd með alfa-ögnum sendir hún frá sér afar skarpskyggni og orkuríka geislun. Að sögn tilraunamanna hlýtur þessi geislun að hafa verið sterk rafsegulgeislun.

Á þessu stigi tókust Irena og Frederick á vandamálið. Uppspretta alfa-agna þeirra var sú öflugasta frá upphafi. Þeir notuðu skýjaklefa til að fylgjast með hvarfafurðunum. Í lok janúar 1932 tilkynntu þeir opinberlega að það væru gammageislar sem slógu út orkuríkar róteindir úr efni sem innihélt vetni. Þeir skildu ekki enn hvað var í höndum þeirra og hvað var að gerast.. Eftir lestur James Chadwick (3) í Cambridge tók hann strax til starfa og hélt að þetta væri alls ekki gammageislun, heldur nifteindir sem Rutherford spáði nokkrum árum fram í tímann. Eftir nokkrar tilraunir sannfærðist hann um athugun á nifteindinni og komst að því að massi hennar er svipaður og róteindarinnar. Þann 17. febrúar 1932 sendi hann greinargerð í tímaritið Nature sem ber yfirskriftina „The Possible Existence of the Neutron“.

Það var í raun nifteind, þó Chadwick hafi trúað því að nifteind væri gerð úr róteind og rafeind. Aðeins árið 1934 skildi hann og sannaði að nifteindin væri frumefnisögn. Chadwick hlaut Nóbelsverðlaunin í eðlisfræði árið 1935. Þrátt fyrir að hafa áttað sig á því að þeir hefðu misst af mikilvægri uppgötvun héldu Joliot-Curies áfram rannsóknum sínum á þessu svæði. Þeir komust að því að þessi viðbrögð mynduðu gammageisla auk nifteinda, svo þeir skrifuðu kjarnahvarfið:

, þar sem Ef er orka gamma-skammta. Svipaðar tilraunir voru gerðar með ₉¹⁹F.

Missti af opnun aftur

Nokkrum mánuðum fyrir uppgötvun positronsins átti Joliot-Curie ljósmyndir af meðal annars bogadregnum slóð, eins og um rafeind væri að ræða, en snúist í gagnstæða átt við rafeindina. Myndirnar voru teknar í þokuklefa sem staðsettur er í segulsviði. Út frá þessu töluðu hjónin um að rafeindir færu í tvær áttir, frá upptökum og að upptökum. Reyndar voru þær sem tengdust stefnunni "í átt að upprunanum" positrónur, eða jákvæðar rafeindir sem fluttust frá upptökum.

Á sama tíma, í Bandaríkjunum síðsumars 1932, Carl David Anderson (4), sonur sænskra innflytjenda, rannsakaði geimgeisla í skýjaklefa undir áhrifum segulsviðs. Geimgeislar koma til jarðar utan frá. Anderson, til að vera viss um stefnu og hreyfingu agnanna, inni í hólfinu fór agnirnar í gegnum málmplötu, þar sem þær misstu hluta af orkunni. Þann 2. ágúst sá hann slóð sem hann túlkaði án efa sem jákvæða rafeind.

Þess má geta að Dirac hafði áður spáð fyrir um fræðilega tilvist slíkrar ögn. Hins vegar fylgdi Anderson engum fræðilegum meginreglum í rannsóknum sínum á geimgeislum. Í þessu samhengi kallaði hann uppgötvun sína tilviljun.

Aftur varð Joliot-Curie að sætta sig við óneitanlega starfsgrein, en tók að sér frekari rannsóknir á þessu sviði. Þeir komust að því að gammageislaljóseindir geta horfið nálægt þungum kjarna og myndað rafeinda-póstrónupar, að því er virðist í samræmi við hina frægu formúlu Einsteins E = mc2 og lögmálið um varðveislu orku og skriðþunga. Seinna sannaði Frederick sjálfur að það er ferli að hverfa rafeinda-póstrónupar, sem leiðir til tveggja gamma skammta. Auk positróna úr rafeinda-positron pörum, höfðu þeir positrós frá kjarnahvörfum.

5. Sjöunda Solvay ráðstefnan, 1933

Sitjandi í fremstu röð: Irene Joliot-Curie (annar frá vinstri),

Maria Skłodowska-Curie (fimmta frá vinstri), Lise Meitner (næst frá hægri).

Gervi geislavirkni

Uppgötvun gervi geislavirkni var ekki tafarlaus athöfn. Í febrúar 1933, með því að sprengja ál, flúor og síðan natríum með alfa-ögnum, fékk Joliot nifteindir og óþekktar samsætur. Í júlí 1933 tilkynntu þeir að með því að geisla ál með alfa-ögnum hefðu þeir ekki aðeins fylgst með nifteindum, heldur einnig positronum. Samkvæmt Irene og Frederick gætu positrónirnar í þessu kjarnahvarfi ekki hafa myndast vegna myndun rafeinda-póstrónupara heldur þurftu þær að koma frá atómkjarnanum.

Sjöunda Solvay ráðstefnan (5) fór fram í Brussel dagana 22.-29. október 1933. Hún var kölluð "Strúktúr og eiginleikar atómkjarna". Það var sótt af 41 eðlisfræðingi, þar á meðal þekktustu sérfræðingar á þessu sviði í heiminum. Joliot greindi frá niðurstöðum tilrauna sinna, þar sem fram kom að geislun bórs og áls með alfageislum myndar annað hvort nifteind með positeind eða róteind.. Á þessari ráðstefnu Lisa Meitner Hún sagði að í sömu tilraunum með ál og flúor hafi hún ekki fengið sömu niðurstöðu. Í túlkun deildi hún ekki skoðun parsins frá París um kjarnaeðli uppruna pótróna. En þegar hún sneri aftur til starfa í Berlín gerði hún þessar tilraunir aftur og 18. nóvember, í bréfi til Joliot-Curie, viðurkenndi hún að nú, að hennar mati, birtust pósítronar úr kjarnanum.

Auk þess þessi ráðstefna Francis Perrin, jafnaldri þeirra og góður vinur frá París, talaði um efni positrons. Það var vitað úr tilraunum að þeir fengu samfellt litróf positróna, svipað og litróf beta-agna í náttúrulegri geislavirkri rotnun. Frekari greining á orku positrons og nifteinda Perrin komst að þeirri niðurstöðu að hér ætti að greina tvær losun: í fyrsta lagi losun nifteinda, samfara myndun óstöðugs kjarna, og síðan losun positrons frá þessum kjarna.

Eftir ráðstefnuna hætti Joliot þessum tilraunum í um tvo mánuði. Og svo, í desember 1933, birti Perrin skoðun sína á málinu. Á sama tíma, einnig í desember Enrico Fermi setti fram kenninguna um beta rotnun. Þetta þjónaði sem fræðilegur grunnur fyrir túlkun reynslu. Snemma árs 1934 hófu hjónin frá frönsku höfuðborginni tilraunir sínar á ný.

Nákvæmlega 11. janúar, fimmtudagseftirmiðdegi, tók Frédéric Joliot álpappír og sprengdi hana með alfaögnum í 10 mínútur. Í fyrsta skipti notaði hann Geiger-Muller teljara til að greina, en ekki þokuklefann eins og áður. Hann tók með undrun eftir því að þegar hann fjarlægði uppsprettu alfaagna úr filmunni hætti talningin á positrónum ekki, teljararnir héldu áfram að sýna þær, aðeins fjöldi þeirra minnkaði veldisvísis. Hann ákvað að helmingunartíminn væri 3 mínútur og 15 sekúndur. Síðan minnkaði hann orku alfa-agna sem falla á þynnuna með því að setja blýbremsur í vegi þeirra. Og það fékk færri positrons, en helmingunartíminn breyttist ekki.

Síðan gerði hann bór og magnesíum í sömu tilraunir og náði helmingunartíma í þessum tilraunum upp á 14 mínútur og 2,5 mínútur í sömu röð. Í kjölfarið voru gerðar slíkar tilraunir með vetni, litíum, kolefni, beryllium, nitur, súrefni, flúor, natríum, kalsíum, nikkel og silfur - en hann sá ekki svipað fyrirbæri og fyrir ál, bór og magnesíum. Geiger-Muller teljarinn gerir ekki greinarmun á jákvæðum og neikvætt hlaðnum ögnum, svo Frédéric Joliot sannreyndi líka að hann fjalli í raun um jákvæðar rafeindir. Tæknilegi þátturinn var einnig mikilvægur í þessari tilraun, þ.e. tilvist sterkrar uppsprettu alfaagna og notkun næmra hlaðna agnateljara, eins og Geiger-Muller teljara.

Eins og áður hefur verið útskýrt af Joliot-Curie parinu losna positrons og nifteindir samtímis við kjarnabreytinguna sem sést. Nú, eftir tillögum Francis Perrin og að lesa hugleiðingar Fermis, komust hjónin að þeirri niðurstöðu að fyrsta kjarnahvarfið myndaði óstöðugan kjarna og nifteind, fylgt eftir með beta plús rotnun þessa óstöðuga kjarna. Svo þeir gætu skrifað eftirfarandi viðbrögð:

Joliotarnir tóku eftir því að geislavirku samsæturnar sem mynduðust höfðu of stuttan helmingunartíma til að vera til í náttúrunni. Þeir tilkynntu um niðurstöður sínar 15. janúar 1934 í grein sem bar yfirskriftina „Ný tegund geislavirkni“. Í byrjun febrúar tókst þeim að greina fosfór og köfnunarefni úr fyrstu tveimur viðbrögðunum úr litlu magninu sem safnað var. Fljótlega kom fram spádómur um að fleiri geislavirkar samsætur gætu myndast í kjarnorkuárásum, einnig með hjálp róteinda, tvíeinda og nifteinda. Í mars veðjaði Enrico Fermi á að slík viðbrögð yrðu brátt framkvæmd með nifteindum. Hann vann fljótlega veðmálið sjálfur.

Irena og Frederick hlutu Nóbelsverðlaunin í efnafræði árið 1935 fyrir "myndun nýrra geislavirkra frumefna". Þessi uppgötvun ruddi brautina fyrir framleiðslu á tilbúnum geislavirkum samsætum, sem hafa fundið mörg mikilvæg og dýrmæt notkun í grunnrannsóknum, læknisfræði og iðnaði.

Að lokum er vert að minnast á eðlisfræðinga frá Bandaríkjunum, Ernest Lawrence með samstarfsmönnum frá Berkeley og vísindamönnum frá Pasadena, þar á meðal var Pólverji sem var í starfsnámi Andrzej Soltan. Fylgst var með púlstalningu teljara, þó að inngjöfin væri þegar hætt að virka. Þeim líkaði ekki þessi talning. Hins vegar áttuðu þeir sig ekki á því að þeir væru að fást við mikilvægt nýtt fyrirbæri og að þá vantaði einfaldlega uppgötvun gervi geislavirkni ...