Да трохразовага мастацтва, гэта значыць аб адкрыцці штучнай радыеактыўнасці

Час ад часу ў гісторыі фізікі бываюць "цудоўныя" гады, калі сумесныя намаганні многіх даследчыкаў прыводзяць да чарады прарыўных адкрыццяў. Так было з 1820 г., годам электрычнасці, 1905 г., цудоўным годам чатырох работ Эйнштэйна, 1913 г., годам, звязаным з вывучэннем будовы атама, і, нарэшце, 1932 г., калі шэраг тэхнічных адкрыццяў і дасягненняў у была створана ядзерная фізіка.

маладыя

Ірына, старэйшая дачка Марыі Складоўскай-Кюры і П'ера Кюры, нарадзілася ў Парыжы ў 1897 годзе (1). Да дванаццаці гадоў яна выхоўвалася дома, у невялікай «школе», створанай выдатнымі вучонымі для яе дзяцей, у якой было каля дзесяці вучняў. Настаўнікамі былі: Марыя Складоўская-Кюры (фізіка), Поль Ланжэвен (матэматыка), Жан Перэн (хімія), а гуманітарныя навукі ў асноўным выкладалі маці вучняў. Урокі звычайна праходзілі ў дамах настаўнікаў, а фізіку і хімію дзеці вывучалі ў сапраўдных лабараторыях.

Такім чынам, выкладанне фізікі і хіміі было атрыманнем ведаў з дапамогай практычных дзеянняў. Кожны паспяховы эксперымент прыводзіў маладых даследнікаў у захапленне. Гэта былі сапраўдныя эксперыменты, якія трэба было зразумець і старанна правесці, а дзеці ў лабараторыі Марыі Кюры павінны былі быць ва ўзорным парадку. Тэарэтычныя веды таксама павінны былі быць набыты. Метад, як паказаў лёс вучняў гэтай школы - пасля добрых і выбітных навукоўцаў, апынуўся дзейсным.

2. Фрэдэрык Жаліё (фота Harcourt)

Больш таго, дзед Ірэны па бацькоўскай лініі, лекар, шмат часу надаваў асірацелай унучцы бацькі, забаўляючыся і дапаўняючы яе прыродазнаўчых адукацыю. У 1914 годзе Ірэна скончыла наватарскую школу Collège Sévigné і паступіла на факультэт матэматыкі і прыродазнаўчых навук у Сарбоне. Гэта супала з пачаткам Першай сусьветнай вайны. У 1916 годзе яна далучылася да сваёй маці, і разам яны арганізавалі радыелагічную службу ў французскім Чырвоным Крыжы. Пасля вайны яна атрымала ступень бакалаўра. У 1921 г. была апублікавана яе першая навуковая праца. Ён быў прысвечаны вызначэнню атамнай масы хлору з розных мінералаў. У далейшай сваёй дзейнасці яна цесна супрацоўнічала з маці, займаючыся радыеактыўнасцю. У доктарскай дысертацыі, абароненай у 1925 годзе, яна вывучала альфа-часціцы, якія выпускаюцца палоніем.

Фрэдэрык Жаліё нарадзіўся ў 1900 годзе ў Парыжы (2). З васьмі гадоў наведваў школу ў Со, жыў у інтэрнаце. У той час ён аддаваў перавагу спорту вучобе, асабліва футболу. Потым ён па чарзе вучыўся ў дзвюх сярэдніх школах. Як і Ірэна Кюры, ён рана страціў бацьку. У 1919 годзе ён здаў экзамен у École de Physique і de Chemie Industrielle de la Ville de Paris (Вышэйшая школа прамысловай фізікі і прамысловай хіміі горада Парыжа). Ён атрымаў вышэйшую адукацыю ў 1923 годзе. Яго прафесар Поль Ланжэвен даведаўся пра здольнасці і добрыя якасці Фрэдэрыка. Пасля 15 месяцаў ваеннай службы па загадзе Ланжэвена ён быў прызначаны асабістым лабарантам Марыі Складоўскай-Кюры ў Радзіевым інстытуце за кошт гранта Фонду Ракфелера. Там ён пазнаёміўся з Ірэнай Кюры, і ў 1926 годзе маладыя людзі ажаніліся.

Фрэдэрык абараніў доктарскую дысертацыю па электрахіміі радыеактыўных элементаў у 1930 годзе. Крыху раней ён ужо засяродзіў свае інтарэсы на даследаваннях жонкі, і пасля абароны доктарскай дысертацыі Фрэдэрыка яны ўжо працавалі разам. Адным з іх першых важных поспехаў было атрыманне прэпарата палонія, які з'яўляецца моцнай крыніцай альфа-часціц, г.зн. ядраў гелія.(₂⁴Ён). Яны пачыналі з несумненна прывілеяванага становішча, таму што менавіта Марыя Кюры забяспечвала сваю дачку вялікай порцыяй палонія. Лью Каварскі, іх пазнейшы супрацоўнік, ахарактарызаваў іх так: Ірэна была «выдатным тэхнікам», «яна працавала вельмі прыгожа і старанна», «яна глыбока разумела, што робіць». У яе мужа было "больш асляпляльнае, больш парылае ўяўленне". "Яны выдатна дапаўнялі адзін аднаго і ведалі гэта". З пункту гледжання гісторыі навукі найболей цікавымі для іх былі два гады: 1932-34 гг.

Яны амаль адкрылі нейтрон

"Амаль" мае вялікае значэнне. Пра гэтую сумную праўду яны даведаліся вельмі хутка. У 1930 годзе ў Берліне два немцы - Вальтэр Ботэ i Губерт Бекер - даследаваў, як паводзяць сябе лёгкія атамы пры бамбардзіроўцы альфа-часціцамі. Берыліевы шчыт (₄⁹Ве) пры бамбардзіроўцы альфа-часціцамі выпускала надзвычай пранікальнае і высокаэнергетычнае выпраменьванне. Па меркаванні эксперыментатараў, гэтае выпраменьванне павінна было быць моцным электрамагнітным выпраменьваннем.

На дадзеным этапе праблемай займаліся Ірэна і Фрэдэрык. Іх крыніца альфа-часціц была самай магутнай з калі-небудзь існавалых. Яны выкарыстоўвалі камеру Вільсана для назірання за прадуктамі рэакцыі. У канцы студзеня 1932 гады яны публічна абвясцілі, што менавіта гама-прамяні выбілі высокаэнергетычныя пратоны з рэчыва, утрымоўвальнага вадарод. Яны яшчэ не разумелі, што ў іхніх руках і што адбываецца. Пасля прачытання Джэймс Чэдвік (3) у Кембрыджы ён адразу ўзяўся за працу, думаючы, што справа зусім не ў гама-выпраменьванні, а ў нейтронах, прадказаных Рэзерфордам за некалькі гадоў. Пасля шэрагу эксперыментаў ён пераканаўся ў назіранні за нейтронам і выявіў, што яго маса падобная да масы пратона. 17 лютага 1932 года ён адправіў у часопіс Nature нататку "Магчымае існаванне нейтрона".

Насамрэч гэта быў нейтрон, хоць Чэдвік лічыў, што нейтрон складаецца з пратона і электрона. Толькі ў 1934 годзе ён зразумеў і даказаў, што нейтрон - гэта элементарная часціца. Чэдвік быў удастоены Нобелеўскай прэміі па фізіцы ў 1935 годзе. Нягледзячы на ​​ўсведамленне таго, што яны ўпусцілі важнае адкрыццё, муж і жонка Жолио-Кюры працягвалі свае даследаванні ў гэтай галіне. Яны зразумелі, што гэтая рэакцыя вырабляе гама-прамяні ў дадатак да нейтронаў, таму яны напісалі ядзерную рэакцыю:

, Дзе Ef - энергія гама-кванта. Падобныя эксперыменты яны праводзілі з ₉¹⁹F.

Ізноў прапусцілі адкрыццё

За некалькі месяцаў да адкрыцця пазітронна ў Жолио-Кюры былі фатаграфіі, сярод іншага, выгнуты шлях, як калі б гэта быў электрон, але які закручваецца ў кірунку, процілеглым кірунку электрона. Фатаграфіі былі зроблены ў туманнай камеры, размешчанай у магнітным полі. Зыходзячы з гэтага, муж і жонка казалі аб электронах, якія ідуць у двух напрамках, ад крыніцы і да крыніцы. Насамрэч тыя, хто асацыяваўся з кірункам "да крыніцы", былі пазітроннамі, або станоўчымі электронамі, якія рухаюцца ад крыніцы.

Тым часам у ЗША напрыканцы лета 1932 г. Карл Дэвід Андэрсан (4), сын шведскіх імігрантаў, вывучаў касмічныя прамяні ў камеры Вільсана пад дзеяннем магнітнага поля. Касмічныя прамяні прыходзяць на Зямлю звонку. Андэрсан, каб быць упэўненым у напрамку і руху часціц, унутры камеры прапускаў часціцы праз металічную пласціну, дзе яны гублялі частку энергіі. 2 жніўня ён убачыў след, які, несумненна, інтэрпрэтаваў як станоўчы электрон.

Варта адзначыць, што раней Дырак прадказаў тэарэтычнае існаванне такой часціцы. Аднак у сваіх даследаваннях касмічных прамянёў Андэрсан не прытрымліваўся ніякіх тэарэтычных устаноўак. У гэтым кантэксце ён назваў сваё адкрыццё выпадковым.

Зноў жа, Жолио-Кюры прыйшлося змірыцца з несумнеўнай прафесіяй, але распачаў далейшыя даследаванні ў гэтай галіне. Яны выявілі, што гама-фатоны могуць знікаць зблізку цяжкага ядра, утворачы пару электрон-пазітрон, відавочна, у адпаведнасці са знакамітай формулай Эйнштэйна E = mc2 і законам захавання энергіі і імпульсу. Пазней сам Фрэдэрык даказаў, што існуе працэс знікнення электрон-пазітроннай пары, які дае пачатак двум гама-квантам. Апроч пазітронаў ад электрон-пазітронных пар, у іх былі пазітронны ад ядзерных рэакцый.

5. Сёмая Сальвееўская канферэнцыя, 1933 г.

У першым шэрагу сядзяць: Ірэн Жаліа-Кюры (другая злева),

Марыя Складоўская-Кюры (пятая злева), Ліза Мэйтнер (другая справа).

Штучная радыеактыўнасць

Адкрыццё штучнай радыеактыўнасці не было імгненным актам. У лютым 1933 года, бамбардзіруючы альфа-часціцамі алюміній, фтор, а затым натрый, Жолио атрымалі нейтроны і невядомыя ізатопы. У ліпені 1933 гады яны абвясцілі, што, апрамяняючы альфа-часціцамі алюмінія, яны назіралі не толькі нейтроны, але і пазітроны. Паводле Ірэны і Фрыдэрыка, пазітроны ў гэтай ядзернай рэакцыі не маглі ўтварацца ў выніку ўтварэння электрон-пазітронных пар, а павінны былі зыходзіць з атамнага ядра.

Сёмая Сальвееўская канферэнцыя (5) у Бруселі адбылася 22—29 кастрычніка 1933 г. Яна называлася «Структура і ўласцівасці атамных ядраў». У ім прыняў удзел 41 фізік, у тым ліку самыя вядомыя спецыялісты ў гэтай галіне ў свеце. Жоліа паведамілі аб выніках сваіх эксперыментаў, заявіўшы, што апрамяненне бора і алюмінія альфа-прамянямі вырабляе альбо нейтрон з пазітронам, альбо пратон.. На гэтай канферэнцыі Ліза Мэйтнер Яна сказала, што ў тых жа эксперыментах з алюмініем і фторам яна не атрымала такога плёну. У інтэрпрэтацыі яна не падзяляла меркаванне пары з Парыжа аб ядзернай прыродзе паходжання пазітронаў. Аднак, вярнуўшыся на працу ў Берлін, яна зноў правяла гэтыя досведы і 18 лістапада ў лісце да Жолио-Кюры прызналася, што зараз, па ёй меркаванню, пазітроны сапраўды з'яўляюцца з ядра.

Акрамя таго, на гэтай канферэнцыі Фрэнсіс Перэн, іх аднагодак і добры сябар з Парыжа, выказаўся па пытанні аб пазітронах. З эксперыментаў было вядома, што яны атрымалі бесперапынны спектр пазітронаў, падобны спектру бэта-часціц пры натуральным радыеактыўным распадзе. Далейшы аналіз энергій пазітронаў і нейтронаў Перэн прыйшоў да высновы, што тут варта адрозніваць два выпусканні: спачатку выпусканне нейтронаў, якое суправаджаецца адукацыяй нестабільнага ядра, а затым выпусканне пазітронаў з гэтага ядра.

Пасля канферэнцыі Жаліо спынілі гэтыя эксперыменты прыкладна на два месяцы. А затым, у снежні 1933 года, Пэрын апублікаваў сваё меркаванне з гэтай нагоды. У той жа час, таксама ў снежні Энрыка Фермі высунуў тэорыю бэта-распаду. Гэта паслужыла тэарэтычнай асновай для інтэрпрэтацыі перажыванняў. У пачатку 1934 года муж і жонка з французскай сталіцы аднавілі свае эксперыменты.

Роўна 11 студзеня, у чацвер днём, Фрэдэрык Жолио ўзяў алюмініевую фальгу і на працягу 10 хвілін бамбаваў яе альфа-часціцамі. Ён упершыню выкарыстаў для выяўлення лічыльнік Гейгера-Мюлера, а не туманную камеру, як раней. Ён са здзіўленнем заўважыў, што па меры таго, як ён выдаляў крыніцу альфа-часціц ад фальгі, адлік пазітронаў не спыняўся, лічыльнікі працягвалі іх паказваць, толькі іх колькасць памяншалася ў геаметрычнай прагрэсіі. Ён вызначыў перыяд полувыведенія роўным 3 хвілінам і 15 секундам. Затым ён памяншаў энергію падальных на фальгу альфа-часціц, усталёўваючы на ​​іх шляхі свінцовы тормаз. І ён атрымаў меншую колькасць пазітронаў, але перыяд паўраспаду не змяніўся.

Затым ён падвергнуў такім жа досведам бор і магній, атрымаў перыяды паўраспаду ў гэтых досведах 14 хвілін і 2,5 хвіліны адпаведна. У далейшым такія доследы праводзіліся з вадародам, літыем, вугляродам, берыліем, азотам, кіслародам, фторам, натрыем, кальцыем, нікелем і срэбрам - але падобнай з'явы, як для алюмінія, бору і магнію, ён не назіраў. Лічыльнік Гейгера-Мюлера не адрознівае станоўча і адмоўна зараджаныя часціцы, таму Фрэдэрык Жолио таксама праверыў, што на самой справе ён мае справу са станоўчымі электронамі. У гэтым эксперыменце важны быў і тэхнічны аспект, т. е. наяўнасць моцнай крыніцы альфа-часціц і выкарыстанне адчувальнага лічыльніка зараджаных часціц, такога як лічыльнік Гейгера-Мюлера.

Як раней тлумачылася парай Жолио-Кюры, пазітроны і нейтроны вызваляюцца адначасова пры назіраным ядзерным ператварэнні. Зараз, прытрымліваючыся прапаноў Фрэнсіса Перэна і прачытаўшы меркаванні Фермі, муж і жонка прыйшлі да высновы, што першая ядзерная рэакцыя дае нестабільнае ядро ​​і нейтрон, за якім варта бэта-плюс-распад гэтага нестабільнага ядра. Такім чынам, яны маглі напісаць наступныя рэакцыі:

Джаліёты заўважылі, што ў радыеактыўных ізатопаў, якія ўтварыліся, занадта кароткі перыяд паўраспаду, каб існаваць у прыродзе. Яны абвясцілі аб сваіх выніках 15 студзеня 1934 г. у артыкуле, азагалоўленым «Новы тып радыеактыўнасці». У пачатку лютага ім удалося ідэнтыфікаваць фосфар і азот з першых дзвюх рэакцый з сабраных невялікіх колькасцяў. Неўзабаве з'явілася прароцтва аб тым, што ў рэакцыях ядзернай бамбардзіроўкі можа быць зроблена больш радыеактыўных ізатопаў, таксама з дапамогай пратонаў, дэйтронаў і нейтронаў. У сакавіку Энрыка Фермі зрабіў стаўку на тое, што такія рэакцыі хутка будуць здзяйсняцца з дапамогай нейтронаў. Неўзабаве ён сам выйграў заклад.

Ірэна і Фрэдэрык былі ўдастоены Нобелеўскай прэміі па хіміі ў 1935 годзе за «сінтэз новых радыеактыўных элементаў». Гэта адкрыццё адкрыла шлях да вытворчасці штучна радыеактыўных ізатопаў, якія знайшлі мноства важных і каштоўных ужыванняў у фундаментальных даследаваннях, медыцыне і прамысловасці.

Нарэшце, варта згадаць фізікаў са ЗША, Эрнэста Лоўрэнс'а з калегамі з Берклі і даследчыкамі з Пасадэны, сярод якіх быў паляк, які знаходзіўся на стажыроўцы Анджэй Солтан. Назіралі за падлікам імпульсаў лічыльнікамі, хаця паскаральнік ужо перастаў працаваць. Ім не падабаўся гэты падлік. Аднак яны не ўсведамлялі, што маюць справу з важнай новай з'явай і што ім проста не хапае адкрыцця штучнай радыеактыўнасці…