Trước nghệ thuật bộ ba, tức là về việc khám phá ra chất phóng xạ nhân tạo
Theo thời gian trong lịch sử vật lý, có những năm "tuyệt vời" khi những nỗ lực chung của nhiều nhà nghiên cứu dẫn đến một loạt các khám phá đột phá. Vì vậy, đó là năm 1820, năm điện, 1905, năm kỳ diệu của bốn bài báo của Einstein, năm 1913, năm gắn liền với việc nghiên cứu cấu trúc của nguyên tử, và cuối cùng là năm 1932, khi một loạt các khám phá và tiến bộ kỹ thuật trong sự sáng tạo của vật lý hạt nhân.
vợ chồng mới cưới
Irene, con gái lớn của Marie Skłodowska-Curie và Pierre Curie, sinh năm 1897 tại Paris (1). Cho đến năm mười hai tuổi, cô được nuôi dưỡng tại nhà, trong một "ngôi trường" nhỏ do các nhà khoa học lỗi lạc tạo ra cho con cô, trong đó có khoảng mười học sinh. Các giáo viên là: Marie Sklodowska-Curie (vật lý), Paul Langevin (toán học), Jean Perrin (hóa học), và các môn khoa học nhân văn chủ yếu do mẹ của các học sinh dạy. Các bài học thường diễn ra ở nhà giáo viên, trong khi trẻ em học vật lý và hóa học trong các phòng thí nghiệm thực tế.
Như vậy, dạy học vật lý, hóa học là lĩnh hội tri thức thông qua hoạt động thực tiễn. Mỗi thí nghiệm thành công đều khiến các nhà nghiên cứu trẻ tuổi thích thú. Đây là những thí nghiệm thực sự cần được hiểu và thực hiện cẩn thận, và những đứa trẻ trong phòng thí nghiệm của Marie Curie phải gương mẫu. Kiến thức lý thuyết cũng phải được tiếp thu. Phương pháp, như số phận của những sinh viên của ngôi trường này, sau này là những nhà khoa học giỏi và xuất sắc, đã tỏ ra hiệu quả.
2. Frederic Joliot (Ảnh theo Harcourt)
Hơn nữa, ông nội của Irena, một bác sĩ, đã dành nhiều thời gian cho cháu gái mồ côi cha của mình, vui chơi và bổ sung cho giáo dục khoa học tự nhiên của cô. Năm 1914, Irene tốt nghiệp trường Collège Sévigné tiên phong và vào khoa toán và khoa học tại Sorbonne. Điều này trùng hợp với sự bắt đầu của Chiến tranh thế giới thứ nhất. Năm 1916, cô tham gia cùng mẹ và họ cùng nhau tổ chức một dịch vụ chụp X quang trong Hội Chữ thập đỏ Pháp. Sau chiến tranh, cô nhận bằng cử nhân. Năm 1921, công trình khoa học đầu tiên của bà được xuất bản. Ông đã dành cho việc xác định khối lượng nguyên tử của clo từ các khoáng chất khác nhau. Trong các hoạt động xa hơn của mình, cô đã làm việc chặt chẽ với mẹ mình, đối phó với phóng xạ. Trong luận án tiến sĩ được bảo vệ năm 1925, bà đã nghiên cứu về các hạt alpha do polonium phát ra.
Frederic Joliot sinh năm 1900 tại Paris (2). Từ năm tám tuổi, ông đã đi học ở Sở, sống trong một trường nội trú. Khi đó, anh thích thể thao hơn là học, đặc biệt là bóng đá. Sau đó anh lần lượt theo học hai trường trung học. Giống như Irene Curie, anh mất cha sớm. Năm 1919, ông thi đậu tại École de Physique et de Chemie Industrielle de la Ville de Paris (Trường Vật lý Công nghiệp và Hóa học Công nghiệp của Thành phố Paris). Ông tốt nghiệp năm 1923. Giáo sư của ông, Paul Langevin, đã biết về khả năng và đức tính của Frederick. Sau 15 tháng phục vụ trong quân đội, theo lệnh của Langevin, ông được bổ nhiệm làm trợ lý phòng thí nghiệm cá nhân cho Marie Skłodowska-Curie tại Viện Radium với khoản tài trợ từ Quỹ Rockefeller. Ở đó, ông gặp Irene Curie, và năm 1926 hai người kết hôn.
Frederick hoàn thành luận án tiến sĩ về điện hóa học của các nguyên tố phóng xạ vào năm 1930. Trước đó một chút, anh ấy đã tập trung mối quan tâm của mình vào nghiên cứu của vợ mình, và sau khi bảo vệ luận án tiến sĩ của Frederick, họ đã làm việc cùng nhau. Một trong những thành công quan trọng đầu tiên của họ là điều chế được polonium, một nguồn mạnh của các hạt alpha, tức là hạt nhân heli.(24Anh ta). Họ bắt đầu từ một vị trí đặc quyền không thể phủ nhận, bởi vì chính Marie Curie là người cung cấp cho con gái mình một phần lớn polonium. Lew Kowarsky, người cộng tác sau này của họ, đã mô tả về họ như sau: Irena là "một kỹ thuật viên xuất sắc", "cô ấy làm việc rất đẹp và cẩn thận", "cô ấy hiểu sâu sắc những gì mình đang làm." Chồng cô có "trí tưởng tượng rực rỡ hơn, bay bổng hơn". "Họ bổ sung cho nhau một cách hoàn hảo và biết điều đó." Từ quan điểm của lịch sử khoa học, thú vị nhất đối với họ là hai năm: 1932-34.
Họ gần như phát hiện ra neutron
"Hầu như" quan trọng rất nhiều. Họ biết được sự thật đáng buồn này rất sớm. Năm 1930 tại Berlin, hai người Đức - Walter Bothe i Hubert Becker - Nghiên cứu cách các nguyên tử ánh sáng hành xử khi bị bắn phá bởi các hạt alpha. Khiên Berili (49Be) khi bị bắn phá bằng các hạt alpha phát ra bức xạ có năng lượng cao và xuyên thấu cực mạnh. Theo những người làm thí nghiệm, bức xạ này phải là bức xạ điện từ mạnh.
Ở giai đoạn này, Irena và Frederick đã giải quyết vấn đề. Nguồn hạt alpha của họ là mạnh nhất từ trước đến nay. Họ sử dụng một buồng mây để quan sát các sản phẩm phản ứng. Cuối tháng 1932 năm XNUMX, họ công khai rằng chính tia gamma đã đánh bật các proton năng lượng cao ra khỏi một chất có chứa hydro. Họ vẫn chưa hiểu những gì đang có trong tay và những gì đang xảy ra.. Sau khi đọc James Chadwick (3) tại Cambridge, ông bắt đầu làm việc ngay lập tức, vì nghĩ rằng đó hoàn toàn không phải là bức xạ gamma, mà là các neutron đã được Rutherford dự đoán trước vài năm. Sau một loạt thí nghiệm, ông trở nên thuyết phục về quan sát của neutron và nhận thấy rằng khối lượng của nó tương tự như khối lượng của proton. Vào ngày 17 tháng 1932 năm XNUMX, ông gửi một ghi chú cho tạp chí Nature với tựa đề "Sự tồn tại có thể có của neutron."
Nó thực sự là một neutron, mặc dù Chadwick tin rằng một neutron được tạo thành từ một proton và một electron. Chỉ đến năm 1934, ông mới hiểu và chứng minh được rằng neutron là một hạt cơ bản. Chadwick được trao giải Nobel Vật lý năm 1935. Mặc dù nhận ra rằng họ đã bỏ lỡ một khám phá quan trọng, Joliot-Curies vẫn tiếp tục nghiên cứu trong lĩnh vực này. Họ nhận ra rằng phản ứng này tạo ra tia gamma ngoài neutron, vì vậy họ đã viết phản ứng hạt nhân:
, trong đó Ef là năng lượng của lượng tử gamma. Các thí nghiệm tương tự đã được thực hiện với 919F.
Lại lỡ mở
Vài tháng trước khi phát hiện ra positron, Joliot-Curie đã có những bức ảnh về một đường cong, như thể nó là một electron, nhưng lại xoắn theo hướng ngược lại của electron. Các bức ảnh được chụp trong một buồng sương mù nằm trong từ trường. Dựa trên cơ sở này, cặp đôi đã nói về các electron đi theo hai hướng, từ nguồn và đến nguồn. Trên thực tế, những hạt liên kết với hướng "về phía nguồn" là positron, hoặc các electron dương chuyển động ra khỏi nguồn.
Trong khi đó, ở Hoa Kỳ vào cuối mùa hè năm 1932, Carl David Anderson (4), con trai của những người nhập cư Thụy Điển, đã nghiên cứu các tia vũ trụ trong một buồng mây dưới tác động của từ trường. Các tia vũ trụ đến Trái đất từ bên ngoài. Anderson, để chắc chắn về hướng và chuyển động của các hạt, bên trong buồng đã truyền các hạt qua một tấm kim loại, nơi chúng mất đi một phần năng lượng. Vào ngày 2 tháng XNUMX, anh ta nhìn thấy một đường mòn, mà anh ta chắc chắn hiểu nó là một electron dương.
Điều đáng chú ý là Dirac trước đây đã dự đoán về sự tồn tại trên lý thuyết của một loại hạt như vậy. Tuy nhiên, Anderson đã không tuân theo bất kỳ nguyên tắc lý thuyết nào trong các nghiên cứu của mình về tia vũ trụ. Trong bối cảnh này, ông gọi khám phá của mình là tình cờ.
Một lần nữa, Joliot-Curie phải từ bỏ một nghề không thể phủ nhận, nhưng đã tiến hành nghiên cứu sâu hơn trong lĩnh vực này. Họ phát hiện ra rằng các photon tia gamma có thể biến mất gần một hạt nhân nặng, tạo thành một cặp electron-positron, dường như phù hợp với công thức nổi tiếng E = mc2 của Einstein và định luật bảo toàn năng lượng và động lượng. Sau đó, chính Frederick đã chứng minh rằng có một quá trình biến mất của một cặp electron-positron, làm phát sinh hai lượng tử gamma. Ngoài positron từ các cặp electron-positron, chúng còn có positron từ phản ứng hạt nhân.
5. Hội nghị Solvay lần thứ bảy, năm 1933
Ngồi hàng đầu: Irene Joliot-Curie (thứ hai từ trái sang),
Maria Skłodowska-Curie (thứ năm từ trái sang), Lise Meitner (thứ hai từ phải sang).
phóng xạ nhân tạo
Việc phát hiện ra chất phóng xạ nhân tạo không phải là một hành động tức thời. Vào tháng 1933 năm 1933, bằng cách bắn phá nhôm, flo, và sau đó là natri với các hạt alpha, Joliot đã thu được neutron và các đồng vị chưa biết. Vào tháng XNUMX năm XNUMX, họ thông báo rằng, bằng cách chiếu xạ nhôm với các hạt alpha, họ không chỉ quan sát được neutron mà còn cả positron. Theo Irene và Frederick, các positron trong phản ứng hạt nhân này không thể được hình thành do sự hình thành các cặp electron-positron, mà phải đến từ hạt nhân nguyên tử.
Hội nghị Solvay lần thứ bảy (5) diễn ra tại Brussels vào ngày 22-29 tháng 1933 năm 41. Nó được gọi là "Cấu trúc và tính chất của hạt nhân nguyên tử". Nó có sự tham gia của XNUMX nhà vật lý, trong đó có những chuyên gia lỗi lạc nhất trong lĩnh vực này trên thế giới. Joliot đã báo cáo kết quả thí nghiệm của họ, nói rằng việc chiếu xạ boron và nhôm bằng tia alpha sẽ tạo ra một neutron với một positron hoặc một proton.. Tại hội nghị này Lisa Meitner Cô cho biết, trong các thí nghiệm tương tự với nhôm và flo, cô không thu được kết quả tương tự. Khi giải thích, cô ấy không chia sẻ ý kiến của cặp vợ chồng đến từ Paris về bản chất hạt nhân của nguồn gốc positron. Tuy nhiên, khi trở lại làm việc ở Berlin, cô lại tiếp tục thực hiện những thí nghiệm này, và vào ngày 18 tháng XNUMX, trong một lá thư gửi cho Joliot-Curie, cô thừa nhận rằng giờ đây, theo ý kiến của cô, positron thực sự xuất hiện từ hạt nhân.
Ngoài ra, hội nghị này Francis Perrin, bạn đồng lứa và là bạn tốt của họ từ Paris, đã lên tiếng về chủ đề positron. Từ các thí nghiệm, người ta biết rằng họ đã thu được một phổ liên tục của positron, tương tự như phổ của các hạt beta trong phân rã phóng xạ tự nhiên. Phân tích sâu hơn về năng lượng của positron và neutron Perrin đã đi đến kết luận rằng cần phân biệt hai sự phát xạ ở đây: đầu tiên, sự phát xạ neutron, kèm theo sự hình thành một hạt nhân không ổn định, và sau đó là sự phát xạ positron từ hạt nhân này.
Sau hội nghị, Joliot đã dừng các thí nghiệm này trong khoảng hai tháng. Và sau đó, vào tháng 1933 năm XNUMX, Perrin công bố ý kiến của mình về vấn đề này. Đồng thời, cũng trong tháng XNUMX Enrico Fermi đề xuất lý thuyết về phân rã beta. Đây là cơ sở lý thuyết để giải thích các kinh nghiệm. Đầu năm 1934, cặp vợ chồng đến từ thủ đô nước Pháp lại tiếp tục các thí nghiệm của họ.
Đúng vào ngày 11 tháng Giêng, chiều thứ Năm, Frédéric Joliot lấy lá nhôm và bắn phá nó bằng các hạt alpha trong 10 phút. Lần đầu tiên, anh ta sử dụng máy đếm Geiger-Muller để phát hiện, chứ không phải buồng sương mù như trước. Ông ngạc nhiên nhận thấy rằng khi ông loại bỏ nguồn hạt alpha khỏi tờ giấy bạc, việc đếm các positron không dừng lại, các máy đếm tiếp tục hiển thị chúng, chỉ có điều số lượng của chúng giảm theo cấp số nhân. Ông xác định chu kỳ bán rã là 3 phút 15 giây. Sau đó, ông làm giảm năng lượng của các hạt alpha rơi trên tờ giấy bạc bằng cách đặt một dây hãm dẫn trên đường đi của chúng. Và nó có ít positron hơn, nhưng chu kỳ bán rã không thay đổi.
Sau đó, ông cho boron và magie vào các thí nghiệm tương tự, và thu được chu kỳ bán rã trong các thí nghiệm này lần lượt là 14 phút và 2,5 phút. Sau đó, những thí nghiệm như vậy được thực hiện với hydro, liti, cacbon, berili, nitơ, oxy, flo, natri, canxi, niken và bạc - nhưng ông không quan sát thấy hiện tượng tương tự như đối với nhôm, bo và magiê. Máy đếm Geiger-Muller không phân biệt giữa các hạt mang điện tích dương và âm, vì vậy Frédéric Joliot cũng đã xác minh rằng nó thực sự xử lý các điện tử dương. Khía cạnh kỹ thuật cũng rất quan trọng trong thí nghiệm này, tức là sự hiện diện của nguồn hạt alpha mạnh và việc sử dụng máy đếm hạt tích điện nhạy, chẳng hạn như máy đếm Geiger-Muller.
Như đã giải thích trước đây bởi cặp Joliot-Curie, positron và neutron được giải phóng đồng thời trong sự biến đổi hạt nhân quan sát được. Bây giờ, theo gợi ý của Francis Perrin và đọc những cân nhắc của Fermi, cặp vợ chồng kết luận rằng phản ứng hạt nhân đầu tiên tạo ra một hạt nhân không ổn định và một neutron, tiếp theo là sự phân rã beta cộng của hạt nhân không ổn định đó. Vì vậy, họ có thể viết các phản ứng sau:
Người Joliots nhận thấy rằng các đồng vị phóng xạ thu được có chu kỳ bán rã quá ngắn để tồn tại trong tự nhiên. Họ đã công bố kết quả của mình vào ngày 15 tháng 1934 năm XNUMX, trong một bài báo có tựa đề "Một loại phóng xạ mới". Vào đầu tháng Hai, họ đã thành công trong việc xác định phốt pho và nitơ từ hai phản ứng đầu tiên từ một lượng nhỏ thu thập được. Chẳng bao lâu có một lời tiên tri rằng nhiều đồng vị phóng xạ hơn có thể được tạo ra trong các phản ứng bắn phá hạt nhân, cũng với sự trợ giúp của proton, deuteron và neutron. Vào tháng XNUMX, Enrico Fermi đã đặt cược rằng những phản ứng như vậy sẽ sớm được thực hiện bằng cách sử dụng neutron. Anh ấy đã sớm tự mình thắng cược.
Irena và Frederick được trao giải Nobel Hóa học năm 1935 cho "sự tổng hợp các nguyên tố phóng xạ mới". Khám phá này đã mở đường cho việc sản xuất các đồng vị phóng xạ nhân tạo, có nhiều ứng dụng quan trọng và có giá trị trong nghiên cứu cơ bản, y học và công nghiệp.
Cuối cùng, điều đáng nói là các nhà vật lý đến từ Hoa Kỳ, Ernest Lawrence với các đồng nghiệp từ Berkeley và các nhà nghiên cứu từ Pasadena, trong số họ có một Pole đang thực tập Andrzej Soltan. Việc đếm xung của bộ đếm đã được quan sát, mặc dù máy gia tốc đã ngừng hoạt động. Họ không thích số lượng này. Tuy nhiên, họ không nhận ra rằng họ đang đối phó với một hiện tượng mới quan trọng và họ chỉ đơn giản là thiếu phát hiện ra hiện tượng phóng xạ nhân tạo ...
