Пре тројне уметности, односно о открићу вештачке радиоактивности
С времена на време у историји физике има „дивних“ година када заједнички напори многих истраживача доведу до низа револуционарних открића. Тако је било и са 1820, годином електрицитета, 1905, чудесном годином Ајнштајнова четири рада, 1913, годином повезаном са проучавањем структуре атома, и коначно 1932, када је низ техничких открића и напредака у стварање нуклеарне физике.
младенци
Ирене, најстарија ћерка Марије Склодовске-Кири и Пјера Кирија, рођена је у Паризу 1897. (1). До дванаесте године васпитавала се код куће, у малој „школи” коју су за њену децу створили еминентни научници, у којој је било десетак ученика. Предавачи су били: Марија Склодовска-Кири (физика), Пол Ланжевен (математика), Жан Перен (хемија), а хуманистичке науке су углавном предавале мајке ученика. Настава се обично одвијала у наставничким домовима, док су деца физику и хемију учила у правим лабораторијама.
Тако је настава физике и хемије била стицање знања кроз практичне радње. Сваки успешан експеримент одушевио је младе истраживаче. То су били прави експерименти које је требало разумети и пажљиво спровести, а деца у лабораторији Марије Кири морала су да буду у узорном реду. Морало се стећи и теоријско знање. Метода се, као судбина ученика ове школе, касније добрих и изванредних научника, показала делотворном.
2. Фредериц Јолиот (фото Харцоурт)
Штавише, Иренин деда по оцу, лекар, много је времена посветио очевој унуци сирочету, забављајући се и допуњујући њено природно-научно образовање. Године 1914. Ирена је дипломирала на пионирском Цоллеге Севигне и уписала факултет математике и науке на Сорбони. То се поклопило са почетком Првог светског рата. Године 1916. придружила се мајци и заједно су организовали радиолошку службу у француском Црвеном крсту. После рата је дипломирала. Године 1921. објављен је њен први научни рад. Био је посвећен одређивању атомске масе хлора из различитих минерала. У својим даљим активностима блиско је сарађивала са својом мајком, бавећи се радиоактивношћу. У својој докторској дисертацији, одбрањеној 1925. године, проучавала је алфа честице које емитује полонијум.
Фредериц Јолиот рођен 1900. у Паризу (2). Од осме године похађао је школу у Со, живео у интернату. У то време више је волео спорт од студија, посебно фудбал. Затим је наизменично похађао две средње школе. Као Ирена Кири, рано је остао без оца. Године 1919. положио је испит на Ецоле де Пхисикуе ет де Цхемие Индустриелле де ла Вилле де Парис (Школа за индустријску физику и индустријску хемију града Париза). Дипломирао је 1923. године. Његов професор, Пол Ланжевен, сазнао је за Фредерикове способности и врлине. После 15 месеци служења војног рока, по наређењу Ланжевена, постављен је за личног лабораторијског асистента Марије Склодовске-Кири на Институту за радијум уз помоћ Рокфелерове фондације. Тамо је упознао Ирене Цурие, а 1926. године млади су се венчали.
Фредерик је завршио докторску дисертацију о електрохемији радиоактивних елемената 1930. године. Нешто раније, већ је своја интересовања усмерио на истраживања своје супруге, а након одбране Фредерикове докторске дисертације већ су радили заједно. Један од њихових првих значајних успеха био је препарат полонијума, који је снажан извор алфа честица, тј. језгра хелијума.(24Он). Кренули су са неоспорно привилеговане позиције, јер је управо Марија Кири снабдевала своју ћерку великом порцијом полонијума. Лу Коварски, њихов каснији сарадник, описао их је овако: Ирена је била „одличан техничар“, „радила је веома лепо и пажљиво“, „дубоко је разумела шта ради“. Њен муж је имао „заслепљујућу, узлетнију машту“. „Савршено су се допуњавали и знали су то. Са становишта историје науке, за њих су биле најинтересантније две године: 1932-34.
Скоро су открили неутрон
"Скоро" је много важно. Врло брзо су сазнали за ову тужну истину. 1930. у Берлину, два Немца - Валтер Ботхе i Хуберт Бекер - Истраживали како се атоми светлости понашају када су бомбардовани алфа честицама. Берилијумски штит (49Бе) када је бомбардован алфа честицама емитује изузетно продорно и високоенергетско зрачење. Према експериментаторима, ово зрачење је морало бити јако електромагнетно зрачење.
У овој фази, Ирена и Фредерик су се позабавили проблемом. Њихов извор алфа честица био је најмоћнији икада. Користили су комору за облаке да посматрају продукте реакције. Крајем јануара 1932. јавно су објавили да су управо гама зраци избацили протоне високе енергије из супстанце која садржи водоник. Још нису разумели шта је у њиховим рукама и шта се дешава.. Након читања Јамес Цхадвицк (3) на Кембриџу је одмах прионуо на посао, мислећи да уопште није у питању гама зрачење, већ неутрони које је Ратерфорд предвидео неколико година унапред. После низа експеримената, он се уверио у посматрање неутрона и открио да је његова маса слична маси протона. Он је 17. фебруара 1932. поднео белешку часопису Натуре под насловом „Могуће постојање неутрона“.
То је заправо био неутрон, иако је Чедвик веровао да се неутрон састоји од протона и електрона. Тек 1934. схватио је и доказао да је неутрон елементарна честица. Чедвик је добио Нобелову награду за физику 1935. године. Упркос спознаји да су пропустили важно откриће, Јолиот-Цуриес су наставили своја истраживања у овој области. Схватили су да ова реакција производи гама зраке поред неутрона, па су написали нуклеарну реакцију:
, где је Еф енергија гама-кванта. Слични експерименти су спроведени са 919F.
Опет промашено отварање
Неколико месеци пре открића позитрона, Жолио-Кири је имао фотографије, између осталог, закривљене путање, као да је у питању електрон, али која се увија у супротном смеру од електрона. Фотографије су снимљене у комори за маглу која се налази у магнетном пољу. На основу овога, пар је разговарао о томе да електрони иду у два правца, од извора и до извора. У ствари, они који су повезани са правцем "према извору" били су позитрони, или позитивни електрони који се удаљавају од извора.
У међувремену, у Сједињеним Државама у касно лето 1932. Карл Дејвид Андерсон (4), син шведских имиграната, проучавао је космичке зраке у комори облака под утицајем магнетног поља. Космички зраци долазе на Земљу споља. Андерсон, да би био сигуран у смер и кретање честица, унутар коморе је пропуштао честице кроз металну плочу, где су изгубиле део енергије. 2. августа видео је траг, који је несумњиво протумачио као позитиван електрон.
Вреди напоменути да је Дирац раније предвидео теоријско постојање такве честице. Међутим, Андерсон није следио никакве теоријске принципе у својим проучавањима космичких зрака. У том контексту је своје откриће назвао случајним.
Опет, Жолио-Кири је морао да трпи неоспорну професију, али је предузео даља истраживања у овој области. Открили су да фотони гама зрака могу нестати у близини тешког језгра, формирајући пар електрон-позитрон, очигледно у складу са Ајнштајновом познатом формулом Е = мц2 и законом одржања енергије и импулса. Касније је и сам Фредерик доказао да постоји процес нестанка пара електрон-позитрон, што доводи до два гама кванта. Поред позитрона из електрон-позитронских парова, имали су позитроне из нуклеарних реакција.
5. Седма Солвејева конференција, 1933
Седећи у првом реду: Ирене Јолиот-Цурие (друга с лева),
Марија Склодовска-Кири (пета с лева), Лизе Мајтнер (друга с десна).
вештачка радиоактивност
Откриће вештачке радиоактивности није био тренутни чин. У фебруару 1933. бомбардовањем алуминијума, флуора, а затим и натријума алфа честицама, Жолиот добија неутроне и непознате изотопе. У јулу 1933. објавили су да, зрачењем алуминијума алфа честицама, посматрају не само неутроне, већ и позитроне. Према Ирени и Фредерику, позитрони у овој нуклеарној реакцији нису могли настати као резултат формирања електрон-позитронских парова, већ су морали да потичу из атомског језгра.
Седма Солвејева конференција (5) одржана је у Бриселу 22-29. октобра 1933. Названа је „Структура и својства атомских језгара“. Учествовао је 41 физичар, међу којима и најистакнутији стручњаци из ове области у свету. Жолиот је известио о резултатима својих експеримената, наводећи да зрачење бора и алуминијума алфа зрацима производи или неутрон са позитроном или протон.. На овој конференцији Лиса Меитнер Рекла је да у истим експериментима са алуминијумом и флуором није добила исти резултат. У тумачењу, није делила мишљење париског пара о нуклеарној природи порекла позитрона. Међутим, када се вратила на посао у Берлин, поново је извршила ове експерименте и 18. новембра у писму Жолио-Кирију признала да се сада, по њеном мишљењу, позитрони заиста појављују из језгра.
Поред тога, ова конференција Францис Перрин, њихов вршњак и добар пријатељ из Париза, огласио се на тему позитрона. Из експеримената се знало да су добили континуирани спектар позитрона, сличан спектру бета честица у природном радиоактивном распаду. Даљом анализом енергија позитрона и неутрона Перин је дошао до закључка да овде треба разликовати две емисије: прво, емисију неутрона, праћено формирањем нестабилног језгра, а затим емисију позитрона из овог језгра.
После конференције Јолиот је прекинуо ове експерименте на око два месеца. А онда је у децембру 1933. Перин објавио своје мишљење о томе. Истовремено, такође у децембру Енрицо Ферми предложио теорију бета распада. Ово је послужило као теоријска основа за тумачење искустава. Почетком 1934. пар из француске престонице наставио је експерименте.
Тачно 11. јануара, у четвртак поподне, Фредериц Јолиот је узео алуминијумску фолију и бомбардовао је алфа честицама 10 минута. Први пут је за детекцију употребио Гајгер-Мулеров бројач, а не комору за маглу, као раније. Са изненађењем је приметио да како је уклањао извор алфа честица из фолије, бројање позитрона није престало, бројачи су их и даље показивали, само се њихов број експоненцијално смањивао. Одредио је време полураспада на 3 минута и 15 секунди. Затим је смањио енергију алфа честица које су падале на фолију тако што је поставио оловну кочницу на њихову путању. И добио је мање позитрона, али време полураспада се није променило.
Затим је подвргао бор и магнезијум истим експериментима и добио полуживот у овим експериментима од 14 минута и 2,5 минута, респективно. Касније су такви експерименти изведени са водоником, литијумом, угљеником, берилијумом, азотом, кисеоником, флуором, натријумом, калцијумом, никлом и сребром - али није приметио сличан феномен као код алуминијума, бора и магнезијума. Гајгер-Мулеров бројач не прави разлику између позитивних и негативних наелектрисаних честица, па је Фредерик Жолио такође потврдио да се заправо бави позитивним електронима. Технички аспект је такође био важан у овом експерименту, односно присуство јаког извора алфа честица и употреба осетљивог бројача наелектрисаних честица, као што је Гајгер-Мулеров бројач.
Као што је раније објашњено у пару Јолиот-Цурие, позитрони и неутрони се ослобађају истовремено у посматраној нуклеарној трансформацији. Сада, пратећи сугестије Франсиса Перина и читајући Фермијева разматрања, пар је закључио да је прва нуклеарна реакција произвела нестабилно језгро и неутрон, након чега је уследио бета плус распад тог нестабилног језгра. Тако би могли да напишу следеће реакције:
Јолиотови су приметили да настали радиоактивни изотопи имају сувише кратак период полураспада да би постојали у природи. Своје резултате објавили су 15. јануара 1934. у чланку под насловом „Нова врста радиоактивности“. Почетком фебруара успели су да идентификују фосфор и азот из прве две реакције из прикупљених малих количина. Убрзо се појавило пророчанство да би се у реакцијама нуклеарног бомбардовања могло произвести више радиоактивних изотопа, такође уз помоћ протона, деутерона и неутрона. Енрико Ферми се у марту кладио да ће се такве реакције ускоро изводити помоћу неутрона. Убрзо је и сам добио опкладу.
Ирена и Фредерик су 1935. добили Нобелову награду за хемију за „синтезу нових радиоактивних елемената”. Ово откриће отворило је пут производњи вештачки радиоактивних изотопа, који су нашли многе важне и вредне примене у основним истраживањима, медицини и индустрији.
На крају, вреди поменути физичаре из САД, Ернест Лавренце са колегама са Берклија и истраживачима из Пасадене, међу којима је био и Пољак који је био на пракси Андреј Султан. Уочено је бројање импулса бројачима, иако је акцелератор већ престао да ради. Није им се допао овај број. Међутим, нису схватили да имају посла са важном новом појавом и да им је једноставно недостајало откриће вештачке радиоактивности...
