قبل از هنر سه گانه، یعنی در مورد کشف رادیواکتیویته مصنوعی

گهگاه در تاریخ فیزیک سال‌های «شگفت‌انگیز» وجود دارد که تلاش‌های مشترک بسیاری از محققان منجر به یک سری اکتشافات مهم می‌شود. بنابراین در سال 1820، سال برق، 1905، سال معجزه آسای چهار مقاله انیشتین، 1913، سال مرتبط با مطالعه ساختار اتم، و سرانجام سال 1932، زمانی که یک سری اکتشافات و پیشرفت های فنی در ایجاد فیزیک هسته ای

تازه ازدواج کرده

ایرنهدختر بزرگ ماری اسکلودوسکا-کوری و پیر کوری در سال 1897 در پاریس به دنیا آمد (1). تا سن دوازده سالگی، او در خانه بزرگ شد، در یک "مدرسه" کوچکی که توسط دانشمندان برجسته برای فرزندانش ایجاد شد، که در آن حدود ده دانش آموز وجود داشت. معلمان عبارت بودند از: ماری اسکلودوسکا-کوری (فیزیک)، پل لانگوین (ریاضی)، ژان پرین (شیمی) و علوم انسانی عمدتاً توسط مادران دانش آموزان تدریس می شد. دروس معمولاً در خانه معلمان برگزار می شد، در حالی که بچه ها فیزیک و شیمی را در آزمایشگاه های واقعی می خواندند.

بنابراین، آموزش فیزیک و شیمی کسب دانش از طریق اعمال عملی بود. هر آزمایش موفق محققان جوان را خوشحال می کرد. این‌ها آزمایش‌های واقعی بودند که باید درک می‌شد و با دقت انجام می‌شد، و بچه‌های آزمایشگاه ماری کوری باید در نظمی مثال زدنی بودند. دانش نظری نیز باید کسب می شد. روشی که سرنوشت شاگردان این مدرسه که بعدها دانشمندان خوب و برجسته بودند، مؤثر واقع شد.

2. فردریک ژولیوت (عکس از هارکورت)

علاوه بر این، پدربزرگ پدری ایرنا که یک پزشک بود، زمان زیادی را به نوه یتیم پدرش اختصاص داد و به تفریح ​​و تکمیل آموزش علوم طبیعی او پرداخت. در سال 1914، ایرن از کالج پیشگام Sévigné فارغ التحصیل شد و وارد دانشکده ریاضیات و علوم در سوربن شد. این مصادف با شروع جنگ جهانی اول بود. در سال 1916 او به مادرش پیوست و با هم یک سرویس رادیولوژی در صلیب سرخ فرانسه ترتیب دادند. پس از جنگ، او مدرک لیسانس گرفت. در سال 1921 اولین کار علمی او منتشر شد. او به تعیین جرم اتمی کلر از مواد معدنی مختلف اختصاص داشت. در فعالیت‌های بعدی، او از نزدیک با مادرش در مقابله با رادیواکتیویته کار کرد. او در پایان نامه دکترای خود که در سال 1925 دفاع کرد، ذرات آلفای ساطع شده از پلونیوم را مورد مطالعه قرار داد.

فردریک ژولیوت متولد 1900 در پاریس (2). از هشت سالگی به مدرسه رفت و در یک مدرسه شبانه روزی زندگی کرد. در آن زمان ورزش را به تحصیل ترجیح می داد، به خصوص فوتبال. سپس به نوبت به دو دبیرستان رفت. او نیز مانند ایرن کوری پدرش را زود از دست داد. در سال 1919 او امتحان را در École de Physique et de Chemie Industrielle de la Ville de Paris (مدرسه فیزیک صنعتی و شیمی صنعتی شهر پاریس) گذراند. او در سال 1923 فارغ التحصیل شد. استاد او، پل لانگوین، از توانایی ها و فضایل فردریک آگاه شد. پس از 15 ماه خدمت سربازی، به دستور لانگوین، با کمک مالی بنیاد راکفلر به عنوان دستیار آزمایشگاه شخصی ماری اسکلودوسکا-کوری در موسسه رادیوم منصوب شد. در آنجا با ایرن کوری آشنا شد و در سال 1926 جوانان ازدواج کردند.

فردریک پایان نامه دکترای خود را در مورد الکتروشیمی عناصر رادیواکتیو در سال 1930 به پایان رساند. اندکی قبل، او قبلاً علایق خود را بر روی تحقیقات همسرش متمرکز کرده بود و پس از دفاع از پایان نامه دکتری فردریک، قبلاً با هم کار می کردند. یکی از اولین موفقیت های مهم آنها تهیه پلونیوم بود که منبع قوی ذرات آلفا است. هسته های هلیوم(₂⁴او). آنها از یک موقعیت غیرقابل انکار ممتاز شروع کردند، زیرا این ماری کوری بود که مقدار زیادی پولونیوم را برای دخترش تامین کرد. لو کووارسکی، همکار بعدی آنها، آنها را اینگونه توصیف کرد: ایرنا "یک تکنسین عالی بود"، "او بسیار زیبا و با دقت کار می کرد"، "او عمیقاً متوجه شد که چه کار می کند." شوهرش "تخیل خیره کننده تر و سر به فلک کشیده تر" داشت. آنها کاملاً مکمل یکدیگر بودند و این را می دانستند.» از نظر تاریخ علم، جالب ترین برای آنها دو سال بود: 1932-34.

آنها تقریباً نوترون را کشف کردند

"تقریبا" بسیار مهم است. آنها خیلی زود متوجه این حقیقت تلخ شدند. در سال 1930 در برلین، دو آلمانی - والتر بوته i هوبرت بکر - بررسی کرد که چگونه اتم های سبک هنگام بمباران با ذرات آلفا رفتار می کنند. سپر بریلیوم (₄⁹ب) هنگام بمباران با ذرات آلفا تشعشعات بسیار نافذ و پرانرژی ساطع می شود. به گفته آزمایشگران، این تابش باید تابش الکترومغناطیسی قوی بوده باشد.

در این مرحله ایرنا و فردریک با مشکل برخورد کردند. منبع ذرات آلفا آنها قدرتمندترین منبع تا کنون بود. آنها از یک محفظه ابری برای مشاهده محصولات واکنش استفاده کردند. در پایان ژانویه 1932، آنها علناً اعلام کردند که پرتوهای گاما هستند که پروتون های پرانرژی را از یک ماده حاوی هیدروژن خارج می کنند. آنها هنوز نفهمیده بودند که چه چیزی در دستشان است و چه اتفاقی می افتد.. پس از خواندن جیمز چادویک (3) در کمبریج او بلافاصله دست به کار شد و فکر کرد که این تشعشع گاما نیست، بلکه نوترون هایی است که رادرفورد چندین سال قبل پیش بینی کرده بود. پس از یک سری آزمایشات، او به مشاهده نوترون متقاعد شد و متوجه شد که جرم آن مشابه جرم پروتون است. او در 17 فوریه 1932 یادداشتی با عنوان «وجود احتمالی نوترون» به مجله نیچر ارسال کرد.

این در واقع یک نوترون بود، اگرچه چادویک معتقد بود که یک نوترون از یک پروتون و یک الکترون تشکیل شده است. فقط در سال 1934 او فهمید و ثابت کرد که نوترون یک ذره بنیادی است. چادویک در سال 1935 جایزه نوبل فیزیک را دریافت کرد. علیرغم اینکه متوجه شدند یک کشف مهم را از دست داده اند، Joliot-Curies به تحقیقات خود در این زمینه ادامه دادند. آنها متوجه شدند که این واکنش علاوه بر نوترون، پرتوهای گاما نیز تولید می کند، بنابراین واکنش هسته ای را نوشتند:

، که در آن Ef انرژی گاما-کوانتوم است. آزمایش های مشابهی با انجام شد ₉¹⁹F.

باز هم باز نشد

چند ماه قبل از کشف پوزیترون، ژولیوت کوری عکس‌هایی از یک مسیر منحنی داشت که گویی یک الکترون است، اما در جهت مخالف الکترون می‌پیچد. عکس ها در یک محفظه مه واقع در یک میدان مغناطیسی گرفته شده اند. بر این اساس، این زوج در مورد حرکت الکترون ها در دو جهت، از منبع و به منبع صحبت کردند. در واقع، آنهایی که با جهت "به سمت منبع" مرتبط بودند، پوزیترون ها یا الکترون های مثبت بودند که از منبع دور می شدند.

در همین حال، در ایالات متحده در اواخر تابستان 1932، کارل دیوید اندرسون (4)، پسر مهاجران سوئدی، پرتوهای کیهانی را در یک محفظه ابر تحت تأثیر میدان مغناطیسی مطالعه کرد. پرتوهای کیهانی از بیرون به زمین می آیند. اندرسون برای اطمینان از جهت و حرکت ذرات، درون محفظه ذرات را از یک صفحه فلزی عبور داد و در آنجا مقداری از انرژی خود را از دست دادند. در 2 آگوست، او دنباله ای را دید که بدون شک از آن به عنوان یک الکترون مثبت تعبیر کرد.

شایان ذکر است دیراک قبلا وجود نظری چنین ذره ای را پیش بینی کرده بود. با این حال، اندرسون در مطالعات خود در مورد پرتوهای کیهانی از هیچ اصول نظری پیروی نکرد. او در این زمینه کشف خود را تصادفی خواند.

دوباره، ژولیوت کوری مجبور شد حرفه ای غیرقابل انکار را تحمل کند، اما تحقیقات بیشتری در این زمینه انجام داد. آنها دریافتند که فوتون های پرتو گاما می توانند در نزدیکی یک هسته سنگین ناپدید شوند و یک جفت الکترون-پوزیترون را تشکیل دهند، ظاهراً مطابق با فرمول معروف E = mc2 انیشتین و قانون بقای انرژی و تکانه. بعداً خود فردریک ثابت کرد که روند ناپدید شدن یک جفت الکترون-پوزیترون وجود دارد که باعث ایجاد دو کوانتای گاما می شود. آنها علاوه بر پوزیترون های جفت الکترون-پوزیترون، پوزیترون های حاصل از واکنش های هسته ای نیز داشتند.

5. هفتمین کنفرانس سولوای، ​​1933

نشسته در ردیف جلو: ایرنه ژولیوت کوری (نفر دوم از چپ)،

ماریا اسکلودوسکا کوری (پنجم از چپ)، لیز مایتنر (نفر دوم از راست).

رادیواکتیویته مصنوعی

کشف رادیواکتیویته مصنوعی یک عمل آنی نبود. در فوریه 1933، ژولیوت با بمباران آلومینیوم، فلوئور و سپس سدیم با ذرات آلفا، نوترون ها و ایزوتوپ های ناشناخته را به دست آورد. در ژوئیه 1933، آنها اعلام کردند که با تابش آلومینیوم به ذرات آلفا، نه تنها نوترون ها، بلکه پوزیترون ها را نیز مشاهده کردند. به گفته ایرنه و فردریک، پوزیترون ها در این واکنش هسته ای نمی توانستند در نتیجه تشکیل جفت الکترون-پوزیترون ایجاد شوند، بلکه باید از هسته اتم می آمدند.

هفتمین کنفرانس سولوای (5) در 22 تا 29 اکتبر 1933 در بروکسل برگزار شد و نام آن "ساختار و خواص هسته های اتمی" بود. 41 فیزیکدان از جمله برجسته ترین متخصصان این رشته در جهان در آن حضور داشتند. جولیوت نتایج آزمایش‌های خود را گزارش کرد و اظهار داشت که تابش بور و آلومینیوم با پرتوهای آلفا یا یک نوترون با یک پوزیترون یا یک پروتون تولید می‌کند.. در این کنفرانس لیزا مایتنر او گفت که در آزمایش های مشابه با آلومینیوم و فلوئور، نتیجه یکسانی به دست نیاورد. در تفسیر، او نظر این زوج از پاریس را در مورد ماهیت هسته ای منشاء پوزیترون ها نداشت. با این حال، هنگامی که او به کار در برلین بازگشت، او دوباره این آزمایش ها را انجام داد و در 18 نوامبر، در نامه ای به ژولیوت کوری، اعتراف کرد که اکنون، به نظر او، پوزیترون ها واقعاً از هسته ظاهر می شوند.

علاوه بر این، این کنفرانس فرانسیس پرین، همسالان و دوست خوب آنها از پاریس، در مورد پوزیترون صحبت کردند. از آزمایشات مشخص شد که آنها طیف پیوسته ای از پوزیترون ها را به دست آوردند، مشابه طیف ذرات بتا در واپاشی رادیواکتیو طبیعی. تجزیه و تحلیل بیشتر انرژی پوزیترون ها و نوترون ها، پرین به این نتیجه رسید که در اینجا باید دو انتشار را از هم متمایز کرد: اول، انتشار نوترون، همراه با تشکیل یک هسته ناپایدار، و سپس انتشار پوزیترون از این هسته.

پس از کنفرانس، ژولیوت این آزمایشات را برای حدود دو ماه متوقف کرد. و سپس، در دسامبر 1933، پرین نظر خود را در این مورد منتشر کرد. در همان زمان، همچنین در ماه دسامبر انریکو فرمی نظریه فروپاشی بتا را ارائه کرد. این به عنوان مبنایی نظری برای تفسیر تجربیات عمل کرد. در اوایل سال 1934، این زوج از پایتخت فرانسه آزمایشات خود را از سر گرفتند.

دقیقاً در 11 ژانویه، بعد از ظهر پنجشنبه، فردریک ژولیوت فویل آلومینیومی گرفت و آن را با ذرات آلفا به مدت 10 دقیقه بمباران کرد. او برای اولین بار از یک شمارنده گایگر مولر برای تشخیص استفاده کرد و نه از محفظه مه مانند قبل. او با تعجب متوجه شد که با حذف منبع ذرات آلفا از فویل، شمارش پوزیترون ها متوقف نشد، شمارنده ها همچنان آنها را نشان می دادند، فقط تعداد آنها به طور تصاعدی کاهش می یافت. او نیمه عمر را 3 دقیقه و 15 ثانیه تعیین کرد. سپس انرژی ذرات آلفا را که روی فویل می افتند با قرار دادن یک ترمز سربی در مسیر آنها کاهش داد. و پوزیترون های کمتری دریافت کرد، اما نیمه عمر تغییر نکرد.

سپس بور و منیزیم را تحت آزمایش های مشابه قرار داد و در این آزمایش ها به ترتیب 14 دقیقه و 2,5 دقیقه نیمه عمر به دست آورد. پس از آن، چنین آزمایشاتی با هیدروژن، لیتیوم، کربن، بریلیم، نیتروژن، اکسیژن، فلوئور، سدیم، کلسیم، نیکل و نقره انجام شد - اما او پدیده مشابهی را مانند آلومینیوم، بور و منیزیم مشاهده نکرد. شمارنده گایگر-مولر بین ذرات باردار مثبت و منفی تمایز قائل نمی شود، بنابراین فردریک ژولیوت نیز تأیید کرد که در واقع با الکترون های مثبت سروکار دارد. جنبه فنی نیز در این آزمایش مهم بود، یعنی وجود منبع قوی ذرات آلفا و استفاده از شمارنده ذرات باردار حساس، مانند شمارنده گایگر مولر.

همانطور که قبلا توسط جفت ژولیوت-کوری توضیح داده شد، پوزیترون ها و نوترون ها به طور همزمان در دگرگونی هسته ای مشاهده شده آزاد می شوند. اکنون، با پیروی از پیشنهادات فرانسیس پرین و خواندن ملاحظات فرمی، زوج به این نتیجه رسیدند که اولین واکنش هسته ای یک هسته ناپایدار و یک نوترون تولید می کند و به دنبال آن هسته ناپایدار بتا به علاوه واپاشی ایجاد می کند. بنابراین آنها می توانند واکنش های زیر را بنویسند:

ژولیوت ها متوجه شدند که ایزوتوپ های رادیواکتیو حاصل نیمه عمر بسیار کوتاهی برای وجود در طبیعت دارند. آنها نتایج خود را در 15 ژانویه 1934 در مقاله ای با عنوان "نوع جدید رادیواکتیویته" اعلام کردند. در اوایل فوریه، آنها موفق شدند فسفر و نیتروژن را از دو واکنش اول از مقادیر کوچک جمع آوری شده شناسایی کنند. به زودی پیش‌گویی وجود داشت که می‌توان ایزوتوپ‌های رادیواکتیو بیشتری را در واکنش‌های بمباران هسته‌ای، همچنین با کمک پروتون‌ها، دوترون‌ها و نوترون‌ها تولید کرد. در ماه مارس، انریکو فرمی شرط بندی کرد که چنین واکنش هایی به زودی با استفاده از نوترون انجام می شود. او به زودی خود برنده شرط بندی شد.

ایرنا و فردریک در سال 1935 جایزه نوبل شیمی را برای "سنتز عناصر رادیواکتیو جدید" دریافت کردند. این کشف راه را برای تولید ایزوتوپ های رادیواکتیو مصنوعی هموار کرد که کاربردهای مهم و ارزشمند بسیاری در تحقیقات پایه، پزشکی و صنعت پیدا کرده اند.

در پایان، لازم به ذکر است فیزیکدانان از ایالات متحده، ارنست لارنس با همکارانی از برکلی و محققانی از پاسادنا، که در میان آنها یک لهستانی در دوره کارآموزی بود. آندری سلطان. شمارش پالس ها توسط شمارنده مشاهده شد، اگرچه شتاب دهنده قبلاً کار خود را متوقف کرده بود. آنها این شمارش را دوست نداشتند. با این حال، آنها متوجه نشدند که با یک پدیده مهم جدید سر و کار دارند و به سادگی از کشف رادیواکتیویته مصنوعی محروم هستند ...