Üçlü sanattan önce, yani yapay radyoaktivitenin keşfi hakkında

Fizik tarihinde zaman zaman, birçok araştırmacının ortak çabalarının bir dizi çığır açan keşiflere yol açtığı "harika" yıllar vardır. 1820, elektrik yılı, 1905, Einstein'ın dört makalesinin mucizevi yılı, 1913, atomun yapısının incelenmesiyle ilgili yıl ve nihayet 1932, bir dizi teknik keşif ve ilerlemenin gerçekleştiği yıldı. nükleer fiziğin yaratılması.

yeni evliler

IreneMarie Skłodowska-Curie ve Pierre Curie'nin en büyük kızı, 1897'de Paris'te doğdu (1). On iki yaşına kadar evde, seçkin bilim adamları tarafından çocukları için yaklaşık on öğrencinin bulunduğu küçük bir "okulda" büyüdü. Öğretmenler şunlardı: Marie Sklodowska-Curie (fizik), Paul Langevin (matematik), Jean Perrin (kimya) ve beşeri bilimler ağırlıklı olarak öğrencilerin anneleri tarafından öğretildi. Dersler genellikle öğretmenlerin evlerinde yapılırken, çocuklar gerçek laboratuvarlarda fizik ve kimya okudu.

Bu nedenle, fizik ve kimya öğretimi, bilginin pratik eylemler yoluyla edinilmesiydi. Her başarılı deney, genç araştırmacıları memnun etti. Bunlar anlaşılması ve dikkatle uygulanması gereken gerçek deneylerdi ve Marie Curie'nin laboratuvarındaki çocukların örnek bir düzende olması gerekiyordu. Teorik bilginin de edinilmesi gerekiyordu. Yöntem, daha sonra iyi ve seçkin bilim adamları olan bu okulun öğrencilerinin kaderi olarak etkili oldu.

2. Frederic Joliot (Harcourt'un fotoğrafı)

Ayrıca, Irena'nın bir doktor olan baba tarafından dedesi, babasının yetim torununa çok zaman ayırdı, eğlendi ve doğal bilim eğitimini tamamladı. 1914'te Irene, öncü Collège Sévigné'den mezun oldu ve Sorbonne'daki matematik ve bilim fakültesine girdi. Bu, Birinci Dünya Savaşı'nın başlangıcına denk geldi. 1916'da annesine katıldı ve birlikte Fransız Kızıl Haçı'nda bir radyoloji servisi düzenlediler. Savaştan sonra lisans derecesi aldı. 1921'de ilk bilimsel çalışması yayınlandı. Çeşitli minerallerden klorun atom kütlesinin belirlenmesine adadı. Diğer faaliyetlerinde annesiyle yakın bir şekilde çalıştı ve radyoaktiviteyle uğraştı. 1925'te savunduğu doktora tezinde polonyum tarafından yayılan alfa parçacıklarını inceledi.

Frederic Joliot 1900 yılında Paris'te doğdu (2). Sekiz yaşından itibaren So'da okula gitti, yatılı okulda yaşadı. O zamanlar sporu, özellikle futbolu çalışmalara tercih etti. Daha sonra sırayla iki liseye devam etti. Irene Curie gibi babasını erken kaybetti. 1919'da École de Physique et de Chemie Industrielle de la Ville de Paris'teki (Paris şehrinin Endüstriyel Fizik ve Endüstriyel Kimya Okulu) sınavı geçti. 1923 yılında mezun oldu. Profesörü Paul Langevin, Frederick'in yeteneklerini ve erdemlerini öğrendi. 15 aylık askerlik hizmetinden sonra, Langevin'in emriyle Rockefeller Vakfı'nın hibesiyle Radium Enstitüsü'nde Marie Skłodowska-Curie'ye kişisel laboratuvar asistanı olarak atandı. Orada Irene Curie ile tanıştı ve 1926'da gençler evlendi.

Frederick, 1930'da radyoaktif elementlerin elektrokimyası üzerine doktora tezini tamamladı. Biraz önce, ilgilerini karısının araştırmasına odaklamıştı ve Frederick'in doktora tezini savunduktan sonra zaten birlikte çalıştılar. İlk önemli başarılarından biri, güçlü bir alfa parçacıkları kaynağı olan polonyumun hazırlanmasıydı, yani. helyum çekirdekleri.(₂⁴O). Kızına büyük miktarda polonyum sağlayan Marie Curie olduğu için, inkar edilemez bir ayrıcalıklı konumdan başladılar. Daha sonraki işbirlikçileri Lew Kovarsky onları şöyle tanımladı: Irena "mükemmel bir teknisyendi", "çok güzel ve dikkatli çalıştı", "ne yaptığını derinden anladı." Kocasının "daha göz kamaştırıcı, daha yüksek bir hayal gücü" vardı. "Birbirlerini mükemmel bir şekilde tamamladılar ve bunu biliyorlardı." Bilim tarihi açısından, onlar için en ilginç olan iki yıldı: 1932-34.

Neredeyse nötronu keşfettiler

"Neredeyse" çok önemli. Bu acı gerçeği çok geçmeden öğrendiler. 1930'da Berlin'de iki Alman - Walter Bothe i Hubert Becker - Alfa parçacıkları ile bombardıman edildiğinde hafif atomların nasıl davrandığını araştırdı. Berilyum Kalkanı (₄⁹Be) son derece nüfuz edici ve yüksek enerjili radyasyon yayan alfa parçacıkları ile bombardıman edildiğinde. Deneycilere göre, bu radyasyon güçlü elektromanyetik radyasyon olmalıdır.

Bu aşamada, Irena ve Frederick sorunla ilgilendiler. Alfa parçacıklarının kaynakları şimdiye kadarki en güçlüydü. Reaksiyon ürünlerini gözlemlemek için bir bulut odası kullandılar. Ocak 1932'nin sonunda, hidrojen içeren bir maddeden yüksek enerjili protonları nakavt edenin gama ışınları olduğunu kamuoyuna açıkladılar. Ellerinde ne olduğunu ve neler olduğunu henüz anlamadılar.. Okuduktan sonra James Chadwick (3) Cambridge'de bunun gama radyasyonu değil, Rutherford tarafından birkaç yıl önceden tahmin edilen nötronlar olduğunu düşünerek hemen işe koyuldu. Bir dizi deneyden sonra, nötronun gözlemine ikna oldu ve kütlesinin protonunkine benzer olduğunu buldu. 17 Şubat 1932'de Nature dergisine "Nötronun Olası Varlığı" başlıklı bir not gönderdi.

Chadwick, bir nötronun bir proton ve bir elektrondan oluştuğuna inanmasına rağmen, aslında bir nötrondu. Nötronun temel bir parçacık olduğunu ancak 1934'te anladı ve kanıtladı. Chadwick, 1935'te Nobel Fizik Ödülü'ne layık görüldü. Joliot-Curies, önemli bir keşfi kaçırdıklarının farkına varmalarına rağmen bu alandaki araştırmalarına devam ettiler. Bu reaksiyonun nötronlara ek olarak gama ışınları ürettiğini fark ettiler ve nükleer reaksiyonu yazdılar:

, burada Ef gama-kuantumun enerjisidir. ile benzer deneyler yapılmıştır. ₉¹⁹F.

Yine açılmadı

Pozitronun keşfinden birkaç ay önce Joliot-Curie, diğer şeylerin yanı sıra, sanki bir elektronmuş gibi, ancak elektronun ters yönünde kıvrılan eğri bir yolun fotoğraflarına sahipti. Fotoğraflar, manyetik bir alana yerleştirilmiş bir sis odasında çekildi. Buna dayanarak çift, kaynaktan kaynağa doğru iki yönde giden elektronlardan bahsetti. Aslında, "kaynağa doğru" yön ile ilişkili olanlar, pozitronlar veya kaynaktan uzaklaşan pozitif elektronlardı.

Bu arada, 1932 yazının sonlarında Amerika Birleşik Devletleri'nde, Carl David Anderson (4) İsveçli göçmenlerin oğlu, manyetik alanın etkisi altında bir bulut odasında kozmik ışınları inceledi. Kozmik ışınlar Dünya'ya dışarıdan gelir. Anderson, parçacıkların yönü ve hareketinden emin olmak için, odanın içindeki parçacıkları metal bir plakadan geçirdi ve burada enerjinin bir kısmını kaybettiler. 2 Ağustos'ta, şüphesiz pozitif elektron olarak yorumladığı bir iz gördü.

Dirac'ın daha önce böyle bir parçacığın teorik varlığını öngördüğünü belirtmekte fayda var. Ancak Anderson, kozmik ışınlarla ilgili çalışmalarında herhangi bir teorik ilkeyi takip etmedi. Bu bağlamda, keşfini tesadüfi olarak nitelendirdi.

Yine Joliot-Curie inkar edilemez bir mesleğe katlanmak zorunda kaldı, ancak bu alanda daha fazla araştırma yaptı. Gama ışını fotonlarının ağır bir çekirdeğin yakınında kaybolarak, görünüşe göre Einstein'ın ünlü E = mc2 formülüne ve enerji ve momentumun korunumu yasasına uygun olarak bir elektron-pozitron çifti oluşturabileceğini buldular. Daha sonra, Frederick'in kendisi, iki gama kuantasına yol açan bir elektron-pozitron çiftinin kaybolma sürecinin olduğunu kanıtladı. Elektron-pozitron çiftlerinden gelen pozitronlara ek olarak, nükleer reaksiyonlardan gelen pozitronları vardı.

5. Yedinci Solvay Konferansı, 1933

Ön sırada oturanlar: Irene Joliot-Curie (soldan ikinci),

Maria Skłodowska-Curie (soldan beşinci), Lise Meitner (sağdan ikinci).

yapay radyoaktivite

Yapay radyoaktivitenin keşfi anlık bir eylem değildi. Şubat 1933'te Joliot, alüminyum, flor ve ardından sodyumu alfa parçacıklarıyla bombalayarak nötronlar ve bilinmeyen izotoplar elde etti. Temmuz 1933'te, alüminyumu alfa parçacıklarıyla ışınlayarak sadece nötronları değil, aynı zamanda pozitronları da gözlemlediklerini açıkladılar. Irene ve Frederick'e göre, bu nükleer reaksiyondaki pozitronlar, elektron-pozitron çiftlerinin oluşumu sonucunda oluşamazlardı, atom çekirdeğinden gelmek zorundaydılar.

Yedinci Solvay Konferansı (5) 22-29 Ekim 1933'te Brüksel'de yapıldı. Konferansa "Atom Çekirdeklerinin Yapısı ve Özellikleri" adı verildi. Bu alanda dünyanın en önde gelen uzmanları da dahil olmak üzere 41 fizikçi katıldı. Joliot, bor ve alüminyumun alfa ışınlarıyla ışınlanmasının ya pozitronlu bir nötron ya da bir proton ürettiğini belirterek deneylerinin sonuçlarını bildirdi.. Bu konferansta lisa meitner Alüminyum ve flor ile aynı deneylerde aynı sonucu alamadığını söyledi. Yorumda, Paris'ten çiftin pozitronların kökeninin nükleer doğası hakkındaki görüşünü paylaşmadı. Ancak, Berlin'de işe döndüğünde, bu deneyleri tekrar yaptı ve 18 Kasım'da Joliot-Curie'ye yazdığı bir mektupta, şimdi, kendi görüşüne göre, pozitronların gerçekten de çekirdekten göründüğünü itiraf etti.

Ayrıca bu konferans Francis PerrinParis'ten akranları ve iyi arkadaşları, pozitronlar konusunda konuştu. Deneylerden, doğal radyoaktif bozunmadaki beta parçacıklarının spektrumuna benzer sürekli bir pozitron spektrumu elde ettikleri biliniyordu. Pozitronların ve nötronların enerjilerinin daha fazla analizi, Perrin, burada iki emisyonun ayırt edilmesi gerektiği sonucuna vardı: ilk olarak, nötronların, kararsız bir çekirdeğin oluşumunun eşlik ettiği emisyon ve ardından bu çekirdekten pozitronların emisyonu.

Konferanstan sonra Joliot bu deneyleri yaklaşık iki ay durdurdu. Ardından Aralık 1933'te Perrin konuyla ilgili görüşünü yayınladı. Aynı zamanda Aralık ayında da Enrico Fermi Beta bozunumu teorisini önerdi. Bu, deneyimlerin yorumlanması için teorik bir temel olarak hizmet etti. 1934'ün başlarında, Fransız başkentinden çift deneylerine devam etti.

Tam olarak 11 Ocak Perşembe öğleden sonra, Frédéric Joliot alüminyum folyo aldı ve 10 dakika boyunca alfa parçacıklarıyla bombaladı. İlk kez, daha önce olduğu gibi sis odasını değil, algılama için bir Geiger-Muller sayacı kullandı. Alfa parçacıklarının kaynağını folyodan çıkarırken, pozitronların sayımının durmadığını, sayaçların onları göstermeye devam ettiğini, yalnızca sayılarının katlanarak azaldığını şaşırarak fark etti. Yarı ömrü 3 dakika 15 saniye olarak belirledi. Ardından folyoya düşen alfa parçacıklarının yollarına bir kurşun fren koyarak enerjilerini azalttı. Ve daha az pozitron aldı ama yarı ömür değişmedi.

Daha sonra bor ve magnezyumu aynı deneylere tabi tuttu ve bu deneylerde sırasıyla 14 dakikalık ve 2,5 dakikalık yarı ömürler elde etti. Daha sonra, hidrojen, lityum, karbon, berilyum, nitrojen, oksijen, flor, sodyum, kalsiyum, nikel ve gümüş ile bu tür deneyler yapıldı - ancak alüminyum, bor ve magnezyum ile benzer bir fenomen gözlemlemedi. Geiger-Muller sayacı, pozitif ve negatif yüklü parçacıklar arasında ayrım yapmaz, bu nedenle Frédéric Joliot ayrıca aslında pozitif elektronlarla ilgilendiğini doğruladı. Bu deneyde teknik yön de önemliydi, yani güçlü bir alfa parçacıkları kaynağının varlığı ve Geiger-Muller sayacı gibi hassas yüklü bir parçacık sayacının kullanımı.

Joliot-Curie çifti tarafından daha önce açıklandığı gibi, gözlemlenen nükleer dönüşümde pozitronlar ve nötronlar aynı anda salınır. Şimdi, Francis Perrin'in önerilerini takiben ve Fermi'nin düşüncelerini okuyan çift, ilk nükleer reaksiyonun kararsız bir çekirdek ve bir nötron ürettiği ve ardından bu kararsız çekirdeğin beta artı bozunması olduğu sonucuna vardı. Böylece aşağıdaki reaksiyonları yazabilirler:

Joliotlar, ortaya çıkan radyoaktif izotopların doğada var olamayacak kadar kısa yarı ömürleri olduğunu fark ettiler. Sonuçlarını 15 Ocak 1934'te "Yeni Bir Radyoaktivite Türü" başlıklı bir makalede açıkladılar. Şubat ayının başlarında, toplanan küçük miktarlardaki ilk iki reaksiyondan fosfor ve azotu belirlemeyi başardılar. Çok geçmeden nükleer bombardıman reaksiyonlarında proton, döteron ve nötronların da yardımıyla daha fazla radyoaktif izotopun üretilebileceğine dair bir kehanet vardı. Mart ayında Enrico Fermi, bu tür reaksiyonların yakında nötronlar kullanılarak gerçekleştirileceğine dair bahse girdi. Yakında bahsi kendisi kazandı.

Irena ve Frederick, 1935'te "yeni radyoaktif elementlerin sentezi" için Nobel Kimya Ödülü'ne layık görüldü. Bu keşif, temel araştırma, tıp ve endüstride birçok önemli ve değerli uygulama bulan yapay radyoaktif izotopların üretiminin yolunu açtı.

Son olarak, ABD'den fizikçilerden bahsetmeye değer, Ernest Lawrence Berkeley'den meslektaşları ve aralarında staj yapan bir Polonyalı olan Pasadena'dan araştırmacılarla Andrzej Soltan. Hızlandırıcı çalışmayı durdurmuş olmasına rağmen, sayaçlar tarafından darbelerin sayıldığı gözlemlendi. Bu sayıyı beğenmediler. Ancak, önemli bir yeni fenomenle karşı karşıya olduklarının ve yapay radyoaktivite keşfinden yoksun olduklarının farkında değillerdi...