Prije trostruke umjetnosti, odnosno o otkriću umjetne radioaktivnosti

S vremena na vrijeme u povijesti fizike ima "divnih" godina kada zajednički napori mnogih istraživača dovedu do niza revolucionarnih otkrića. Tako je bilo i s 1820., godinom elektriciteta, 1905., čudesnom godinom Einsteinova četiri rada, 1913., godinom povezanom s proučavanjem strukture atoma, i konačno 1932., kada je niz tehničkih otkrića i napretka u stvaranje nuklearne fizike.

mladenci

Irene, najstarija kći Marie Skłodowske-Curie i Pierrea Curiea, rođena je u Parizu 1897. (1). Do dvanaeste godine odgajala se kod kuće, u maloj "školi" koju su za njezinu djecu stvorili eminentni znanstvenici, u kojoj je bilo desetak učenika. Učitelji su bili: Marie Sklodowska-Curie (fizika), Paul Langevin (matematika), Jean Perrin (kemija), a humanističke znanosti uglavnom su predavale majke učenika. Nastava se obično odvijala u učiteljskim domovima, dok su djeca fiziku i kemiju učila u pravim laboratorijima.

Dakle, nastava fizike i kemije bila je stjecanje znanja kroz praktične radnje. Svaki uspješan eksperiment oduševio je mlade istraživače. Bili su to pravi pokusi koje je trebalo razumjeti i pažljivo provoditi, a djeca u laboratoriju Marie Curie morala su biti u uzornom redu. Trebalo je steći i teorijska znanja. Metoda se, sudbinom učenika ove škole, kasnije dobrih i vrsnih znanstvenika, pokazala djelotvornom.

2. Frederic Joliot (foto Harcourt)

Štoviše, Irenin djed po ocu, liječnik, puno je vremena posvetio očevoj unuci siročetu, zabavljajući se i nadopunjujući prirodoslovno obrazovanje. Godine 1914. Irene je diplomirala na pionirskom Collège Sévignéu i upisala fakultet matematike i znanosti na Sorbonnei. To se poklopilo s početkom Prvog svjetskog rata. Godine 1916. pridružila se majci i zajedno su organizirali radiološku službu u francuskom Crvenom križu. Nakon rata diplomirala je. Godine 1921. objavljen je njezin prvi znanstveni rad. Bio je posvećen određivanju atomske mase klora iz raznih minerala. U daljnjim aktivnostima blisko je surađivala s majkom, baveći se radioaktivnošću. U svojoj doktorskoj disertaciji, obranjeni 1925., proučavala je alfa čestice koje emitira polonij.

Frederic Joliot rođen 1900. u Parizu (2). Od osme godine pohađao je školu u So, živio u internatu. U to vrijeme više je volio sport od studija, posebno nogomet. Zatim je naizmjence pohađao dvije srednje škole. Poput Irene Curie, rano je ostao bez oca. 1919. položio je ispit na École de Physique et de Chemie Industrielle de la Ville de Paris (Škola za industrijsku fiziku i industrijsku kemiju grada Pariza). Diplomirao je 1923. godine. Njegov profesor Paul Langevin saznao je za Frederickove sposobnosti i vrline. Nakon 15 mjeseci služenja vojnog roka, po nalogu Langevina, imenovan je osobnim laboratorijskim asistentom Marie Skłodowske-Curie na Institutu za radij uz potporu Rockefellerove zaklade. Tamo je upoznao Irene Curie, a 1926. godine mladi su se vjenčali.

Fridrik je završio svoju doktorsku disertaciju o elektrokemiji radioaktivnih elemenata 1930. godine. Nešto ranije svoje je interese već usmjerio na istraživanja svoje supruge, a nakon obrane Fridrikove doktorske disertacije već su radili zajedno. Jedan od njihovih prvih važnih uspjeha bila je priprema polonija, koji je snažan izvor alfa čestica, t.j. jezgre helija.(₂⁴On). Krenuli su s nedvojbeno privilegiranog položaja, jer je Marie Curie svoju kćer opskrbila velikom porcijom polonija. Lew Kowarsky, njihov kasniji suradnik, opisao ih je ovako: Irena je bila “izvrstan tehničar”, “radila je vrlo lijepo i pažljivo”, “duboko je razumjela što radi”. Njezin suprug imao je "sljepljujuću, više uzletljivu maštu." – Savršeno su se nadopunjavali i znali su to. S gledišta povijesti znanosti najzanimljivije su im bile dvije godine: 1932-34.

Gotovo su otkrili neutron

"Skoro" je jako važno. Vrlo brzo su saznali tu tužnu istinu. Godine 1930. u Berlinu, dva Nijemca - Walter Bothe i Hubert Becker - Istraživali kako se lagani atomi ponašaju kada su bombardirani alfa česticama. Berilijski štit (₄⁹Be) kada je bombardiran alfa česticama emitirao iznimno prodorno i visokoenergetsko zračenje. Prema eksperimentatorima, ovo zračenje moralo je biti jako elektromagnetsko zračenje.

U ovoj fazi, Irena i Frederick su se pozabavili problemom. Njihov izvor alfa čestica bio je najmoćniji ikad. Koristili su oblačnu komoru za promatranje produkta reakcije. Krajem siječnja 1932. javno su objavili da su upravo gama zrake izbacile visokoenergetske protone iz tvari koja sadrži vodik. Još nisu razumjeli što je u njihovim rukama i što se događa.. Nakon čitanja James Chadwick (3) u Cambridgeu je odmah prionuo na posao, misleći da uopće nije riječ o gama zračenju, već o neutronima koje je Rutherford predvidio nekoliko godina unaprijed. Nakon niza eksperimenata, uvjerio se u promatranje neutrona i otkrio da je njegova masa slična masi protona. Dana 17. veljače 1932. podnio je bilješku časopisu Nature pod naslovom "Moguće postojanje neutrona".

To je zapravo bio neutron, iako je Chadwick vjerovao da se neutron sastoji od protona i elektrona. Tek 1934. shvatio je i dokazao da je neutron elementarna čestica. Chadwick je dobio Nobelovu nagradu za fiziku 1935. godine. Unatoč spoznaji da su propustili važno otkriće, Joliot-Curies su nastavili svoja istraživanja na ovom području. Shvatili su da ova reakcija osim neutrona proizvodi i gama zrake, pa su napisali nuklearnu reakciju:

, gdje je Ef energija gama-kvanta. Slični eksperimenti provedeni su sa ₉¹⁹F.

Opet promašeno otvaranje

Nekoliko mjeseci prije otkrića pozitrona, Joliot-Curie je imao fotografije, između ostalog, zakrivljene staze, kao da se radi o elektronu, ali koja se uvija u suprotnom smjeru od elektrona. Fotografije su snimljene u komori za maglu koja se nalazi u magnetskom polju. Na temelju toga, par je razgovarao o elektronima koji idu u dva smjera, od izvora i do izvora. Zapravo, oni povezani sa smjerom "prema izvoru" bili su pozitroni, odnosno pozitivni elektroni koji se udaljavaju od izvora.

U međuvremenu, u Sjedinjenim Državama u kasno ljeto 1932. Carl David Anderson (4), sin švedskih imigranata, proučavao je kozmičke zrake u komori oblaka pod utjecajem magnetskog polja. Kozmičke zrake dolaze na Zemlju izvana. Anderson je, kako bi bio siguran u smjer i kretanje čestica, unutar komore propuštao čestice kroz metalnu ploču, gdje su izgubile dio energije. 2. kolovoza vidio je trag, koji je nedvojbeno protumačio kao pozitivan elektron.

Vrijedi napomenuti da je Dirac već ranije predvidio teorijsko postojanje takve čestice. Međutim, Anderson nije slijedio nikakve teorijske principe u svojim studijama kozmičkih zraka. U tom kontekstu je svoje otkriće nazvao slučajnim.

Opet se Joliot-Curie morala pomiriti s neospornom profesijom, ali je poduzela daljnja istraživanja u ovom području. Otkrili su da fotoni gama zraka mogu nestati u blizini teške jezgre, tvoreći par elektron-pozitron, očito u skladu s Einsteinovom poznatom formulom E = mc2 i zakonom održanja energije i količine gibanja. Kasnije je sam Frederick dokazao da postoji proces nestanka para elektron-pozitron, što dovodi do dva gama kvanta. Osim pozitrona iz elektron-pozitronskih parova, imali su pozitrone iz nuklearnih reakcija.

5. Sedma Solvayeva konferencija, 1933

Sjede u prvom redu: Irene Joliot-Curie (druga slijeva),

Maria Skłodowska-Curie (peta slijeva), Lise Meitner (druga zdesna).

umjetna radioaktivnost

Otkriće umjetne radioaktivnosti nije bio trenutni čin. U veljači 1933. bombardiranjem aluminija, fluora, a zatim i natrija alfa česticama Joliot je dobio neutrone i nepoznate izotope. U srpnju 1933. objavili su da, zračenjem aluminija alfa česticama, promatraju ne samo neutrone, već i pozitrone. Prema Irene i Fredericku, pozitroni u ovoj nuklearnoj reakciji nisu mogli nastati kao rezultat stvaranja parova elektron-pozitron, već su morali doći iz atomske jezgre.

Sedma Solvayeva konferencija (5) održana je u Bruxellesu od 22. do 29. listopada 1933. Nazvana je "Struktura i svojstva atomskih jezgri". Na njemu je sudjelovao 41 fizičar, među kojima i najistaknutiji svjetski stručnjaci iz ovog područja. Joliot je izvijestio o rezultatima svojih eksperimenata, navodeći da zračenje bora i aluminija alfa zrakama proizvodi ili neutron s pozitronom ili proton.. Na ovoj konferenciji Lisa Meitner Rekla je da u istim eksperimentima s aluminijem i fluorom nije dobila isti rezultat. U tumačenju, nije dijelila mišljenje pariškog para o nuklearnoj prirodi nastanka pozitrona. Međutim, kada se vratila na posao u Berlin, ponovno je provela te pokuse i 18. studenoga u pismu Joliot-Curieju priznala da se sada, po njezinom mišljenju, pozitroni doista pojavljuju iz jezgre.

Osim toga, ova konferencija Francis Perrin, njihov vršnjak i dobar prijatelj iz Pariza, progovorio je na temu pozitrona. Iz pokusa se znalo da su dobili kontinuirani spektar pozitrona, sličan spektru beta čestica u prirodnom radioaktivnom raspadu. Daljnjom analizom energija pozitrona i neutrona Perrin je došao do zaključka da ovdje treba razlikovati dvije emisije: prvo, emisiju neutrona, praćeno stvaranjem nestabilne jezgre, a zatim emisiju pozitrona iz ove jezgre.

Nakon konferencije Joliot je prekinuo ove eksperimente na oko dva mjeseca. A onda, u prosincu 1933., Perrin je objavio svoje mišljenje o tome. U isto vrijeme, također u prosincu Enrico Fermi predložio teoriju beta raspada. To je poslužilo kao teorijska osnova za tumačenje iskustava. Početkom 1934. par iz francuske prijestolnice nastavio je s eksperimentima.

Točno 11. siječnja, u četvrtak poslijepodne, Frédéric Joliot je uzeo aluminijsku foliju i bombardirao je alfa česticama 10 minuta. Prvi put je za detekciju koristio Geiger-Muller brojač, a ne komoru za maglu, kao prije. S iznenađenjem je primijetio da kako je uklanjao izvor alfa čestica iz folije, brojanje pozitrona nije prestalo, brojači su ih i dalje pokazivali, samo se njihov broj eksponencijalno smanjivao. Odredio je poluživot na 3 minute i 15 sekundi. Zatim je smanjio energiju alfa čestica koje su padale na foliju stavljajući im olovnu kočnicu na putu. I dobio je manje pozitrona, ali se vrijeme poluraspada nije promijenilo.

Zatim je podvrgao bor i magnezij istim pokusima i dobio poluživot u tim eksperimentima od 14 minuta, odnosno 2,5 minute. Nakon toga, takvi su eksperimenti provedeni s vodikom, litijem, ugljikom, berilijem, dušikom, kisikom, fluorom, natrijem, kalcijem, niklom i srebrom - ali nije primijetio sličan fenomen kao za aluminij, bor i magnezij. Geiger-Mullerov brojač ne razlikuje pozitivno i negativno nabijene čestice, pa je Frédéric Joliot također potvrdio da zapravo ima posla s pozitivnim elektronima. U ovom eksperimentu je također važan tehnički aspekt, odnosno prisutnost jakog izvora alfa čestica i korištenje osjetljivog brojača nabijenih čestica, kao što je Geiger-Mullerov brojač.

Kao što je prethodno objašnjeno Joliot-Curie parom, pozitroni i neutroni se oslobađaju istovremeno u promatranoj nuklearnoj transformaciji. Sada, slijedeći sugestije Francisa Perrina i čitajući Fermijeva razmatranja, par je zaključio da je prva nuklearna reakcija proizvela nestabilnu jezgru i neutron, nakon čega slijedi beta plus raspad te nestabilne jezgre. Tako bi mogli napisati sljedeće reakcije:

Joliotovi su primijetili da nastali radioaktivni izotopi imaju prekratko vrijeme poluraspada da bi postojali u prirodi. Svoje su rezultate objavili 15. siječnja 1934. u članku pod naslovom "Nova vrsta radioaktivnosti". Početkom veljače iz prikupljenih malih količina uspjeli su identificirati fosfor i dušik iz prve dvije reakcije. Ubrzo se pojavilo proročanstvo da bi se u reakcijama nuklearnog bombardiranja moglo proizvesti više radioaktivnih izotopa, također uz pomoć protona, deuterona i neutrona. Enrico Fermi se u ožujku kladio da će se takve reakcije uskoro provoditi pomoću neutrona. Ubrzo je i sam dobio okladu.

Irena i Frederick dobili su Nobelovu nagradu za kemiju 1935. za "sintezu novih radioaktivnih elemenata". Ovo otkriće otvorilo je put proizvodnji umjetno radioaktivnih izotopa, koji su našli mnoge važne i vrijedne primjene u temeljnim istraživanjima, medicini i industriji.

Na kraju, vrijedi spomenuti fizičare iz SAD-a, Ernest Lawrence s kolegama s Berkeleya i istraživačima iz Pasadene, među kojima je bio i Poljak koji je bio na praksi Andrzej Soltan. Uočeno je brojanje impulsa brojilama, iako je akcelerator već prestao raditi. Nije im se svidio ovaj broj. Međutim, nisu shvaćali da imaju posla s važnom novom pojavom i da im je jednostavno nedostajalo otkriće umjetne radioaktivnosti...