Үштік өнер алдында, яғни жасанды радиоактивтіліктің ашылуы туралы

Ара-тұра физика тарихында көптеген зерттеушілердің бірлескен күш-жігері серпінді жаңалықтар тізбегіне әкелетін «ғажайып» жылдар болады. 1820 жыл, электр энергиясы жылы, 1905 жыл, Эйнштейннің төрт мақаласының ғажайып жылы, 1913 жыл, атомның құрылымын зерттеумен байланысты жыл және ең соңында 1932 жыл, техникалық жаңалықтар мен жетістіктер сериясы болды. ядролық физиканың құрылуы.

жаңадан үйленгендер

Irene, Мари Склодовска-Кюри мен Пьер Кюридің үлкен қызы 1897 жылы Парижде дүниеге келген (1). Он екі жасына дейін үйде, көрнекті ғалымдар балаларына арнап құрған, он шақты шәкірті бар шағын «мектепте» тәрбиеленген. Мұғалімдер: Мари Склодовска-Кюри (физика), Пол Лангевин (математика), Жан Перрен (химия), гуманитарлық ғылымдарды негізінен оқушылардың аналары оқыды. Сабақтар әдетте мұғалімдердің үйінде өтті, ал балалар физика мен химияны нағыз зертханаларда оқыды.

Сонымен физика мен химияны оқыту практикалық әрекеттер арқылы білімді меңгеру болды. Әрбір сәтті эксперимент жас зерттеушілерді қуантты. Бұл нақты тәжірибелер болды, оларды түсіну және мұқият орындау керек, ал Мари Кюри зертханасындағы балалар үлгілі тәртіпте болуы керек еді. Теориялық білімді де алу керек болды. Бұл мектеп оқушыларының, кейінгі игі де көрнекті ғалымдардың тағдыры сияқты әдіс тиімді болды.

2. Фредерик Жолио (Харкорт түсірген сурет)

Оның үстіне, Иренаның әкесі дәрігер болған атасы әкесінің жетім қалған немересіне көп уақытын арнап, оның жаратылыстану білімін толықтырып, көңіл көтерді. 1914 жылы Ирен Севинье пионер колледжін бітіріп, Сорбоннадағы математика және жаратылыстану факультетіне оқуға түсті. Бұл Бірінші дүниежүзілік соғыстың басталуымен тұспа-тұс келді. 1916 жылы ол анасына қосылды және олар бірге Француз Қызыл Крестінде радиологиялық қызметті ұйымдастырды. Соғыстан кейін ол бакалавр дәрежесін алды. 1921 жылы оның алғашқы ғылыми еңбегі жарық көрді. Ол әртүрлі минералдардан хлордың атомдық массасын анықтауға арналған. Әрі қарайғы қызметінде ол радиоактивтілікпен айналысатын анасымен тығыз жұмыс істеді. 1925 жылы қорғаған докторлық диссертациясында полоний шығаратын альфа бөлшектерін зерттеді.

Фредерик Джолио 1900 жылы Парижде дүниеге келген (2). Сегіз жасынан Содағы мектепке барды, интернатта тұрды. Ол кезде оқудан гөрі спортты, әсіресе футболды артық көрді. Содан кейін ол екі орта мектепке кезекпен барды. Ирен Кюри сияқты ол да әкесінен ерте айырылды. 1919 жылы ол École de Physique et de Chemie Industrielle de la Ville de Paris (Париж қаласының өнеркәсіптік физика және өнеркәсіптік химия мектебі) емтиханын тапсырды. 1923 жылы бітірді. Оның профессоры Пол Лангевин Фредериктің қабілеттері мен қасиеттерін білді. 15 айлық әскери қызметтен кейін Лангевиннің бұйрығымен Рокфеллер қорының грантымен Радиум институтында Мари Склодовска-Кюридің жеке лаборанты болып тағайындалды. Онда ол Ирен Кюримен танысып, 1926 жылы жастар үйленді.

Фредерик 1930 жылы радиоактивті элементтердің электрохимиясы бойынша докторлық диссертациясын аяқтады. Біраз бұрын ол өзінің қызығушылығын әйелінің зерттеулеріне аударған болатын, ал Фредериктің докторлық диссертациясын қорғағаннан кейін олар бірге жұмыс істеді. Олардың алғашқы маңызды жетістіктерінің бірі альфа-бөлшектердің күшті көзі болып табылатын полонийдің дайындалуы болды, яғни. гелий ядролары.(₂⁴Ол). Олар сөзсіз артықшылықты позициядан бастады, өйткені қызына полонийдің көп бөлігін берген Мари Кюри болды. Олардың кейінгі әріптесі Лью Коварский оларды былай сипаттады: Ирена «өте тамаша техник», «ол өте әдемі және мұқият жұмыс істеді», «ол не істеп жатқанын терең түсінді». Күйеуінің «қиялынан да ғажайып, ұшқыр қиялы» болды. «Олар бір-бірін тамаша толықтырды және оны білді». Ғылым тарихы тұрғысынан олар үшін ең қызықтысы екі жыл болды: 1932-34 жж.

Олар нейтронды дерлік ашты

«Дерлік» өте маңызды. Олар бұл қайғылы шындықты тез білді. 1930 жылы Берлинде екі неміс - Уолтер Боте i Хуберт Бекер - Альфа-бөлшектермен бомбалау кезінде жеңіл атомдар қалай әрекет ететінін зерттеді. Бериллий қалқаны (₄⁹Be) альфа бөлшектерімен бомбаланған кезде өте енетін және жоғары энергиялы сәулелер шығарылады. Экспериментаторлардың айтуынша, бұл сәуле күшті электромагниттік сәулелену болуы керек.

Бұл кезеңде Ирена мен Фредерик мәселені шешті. Олардың альфа бөлшектерінің көзі бұрын-соңды болмаған қуатты болды. Олар реакция өнімдерін бақылау үшін бұлтты камераны пайдаланды. 1932 жылдың қаңтар айының соңында олар сутегі бар заттан жоғары энергиялы протондарды сөндіретін гамма-сәулелері екенін жария етті. Олар қолдарында не болғанын, не болып жатқанын әлі түсінбеді.. Оқығаннан кейін Джеймс Чадвик (3) Кембриджде ол мүлде гамма-сәулелену емес, бірнеше жыл бұрын Резерфорд болжаған нейтрондар деп ойлап, бірден жұмысқа кірісті. Бірқатар тәжірибелерден кейін ол нейтронды бақылауға көз жеткізді және оның массасы протонның массасына ұқсас екенін анықтады. 17 жылы 1932 ақпанда ол «Табиғат» журналына «Нейтронның мүмкін болуы» атты жазбасын тапсырды.

Бұл шын мәнінде нейтрон болды, дегенмен Чедвик нейтрон протон мен электроннан тұрады деп есептеді. Тек 1934 жылы ол нейтронның элементар бөлшек екенін түсініп, дәлелдеді. Чадвик 1935 жылы физика бойынша Нобель сыйлығымен марапатталды. Жолио-Кюри маңызды жаңалықты жіберіп алғанын түсінсе де, осы саладағы зерттеулерін жалғастырды. Олар бұл реакция нейтрондардан басқа гамма-сәулелерді шығаратынын түсінді, сондықтан олар ядролық реакцияны жазды:

, мұндағы Ef – гамма-кванттың энергиясы. Осыған ұқсас эксперименттер жүргізілді ₉¹⁹F.

Қайта ашуды өткізіп алды

Позитрон ашылғанға дейін бірнеше ай бұрын Жолио-Кюриде басқа нәрселермен қатар, электрон сияқты, бірақ электронға қарама-қарсы бағытта бұралатын қисық жолдың фотосуреттері болды. Фотосуреттер магнит өрісінде орналасқан тұман камерасында түсірілген. Осыған сүйене отырып, жұп электрондар көзден және көзден екі бағытта жүретіні туралы айтты. Шындығында, «көзге қарай» бағытпен байланыстырылғандар позитрондар немесе көзден алыстайтын оң электрондар болды.

Осы уақытта АҚШ-та 1932 жылдың жазының аяғында Карл Дэвид Андерсон (4), швед иммигранттарының ұлы, магнит өрісінің әсерінен бұлт камерасында ғарыштық сәулелерді зерттеді. Ғарыштық сәулелер Жерге сырттан келеді. Андерсон, бөлшектердің бағыты мен қозғалысына сенімді болу үшін камераның ішінде бөлшектерді металл пластина арқылы өткізді, онда олар энергияның бір бөлігін жоғалтты. 2 тамызда ол ізді көрді, ол сөзсіз оң электрон ретінде түсіндірді.

Айта кетейік, Дирак бұрын мұндай бөлшектің теориялық бар екенін болжаған болатын. Алайда Андерсон ғарыштық сәулелерді зерттеуде ешқандай теориялық қағидаларды ұстанбады. Осы тұрғыда ол өзінің ашылуын кездейсоқ деп атады.

Тағы да Жолио-Кюри даусыз кәсіпке төтеп беруге мәжбүр болды, бірақ бұл салада қосымша зерттеулер жүргізді. Олар гамма-сәулелік фотондардың ауыр ядроның жанында жойылып, электрон-позитрондық жұбын құрайтынын анықтады, бұл Эйнштейннің әйгілі E = mc2 формуласына және энергия мен импульстің сақталу заңына сәйкес келеді. Кейінірек Фредериктің өзі екі гамма квант тудыратын электрон-позитрон жұбының жойылу процесі бар екенін дәлелдеді. Оларда электрон-позитрондық жұптардың позитрондарынан басқа, ядролық реакциялардың позитрондары болды.

5. Жетінші Солвей конференциясы, 1933 ж

Алдыңғы қатарда: Ирен Жолио-Кюри (сол жақтан екінші),

Мария Склодовска-Кюри (солдан бесінші), Лиза Мейтнер (оң жақтан екінші).

Жасанды радиоактивтілік

Жасанды радиоактивтіліктің ашылуы бірден жасалған әрекет емес еді. 1933 жылы ақпанда алюминийді, фторды, содан кейін натрийді альфа бөлшектерімен бомбалау арқылы Жолио нейтрондар мен белгісіз изотоптарды алды. 1933 жылы шілдеде олар алюминийді альфа бөлшектерімен сәулелендіру арқылы нейтрондарды ғана емес, сонымен қатар позитрондарды да байқағанын хабарлады. Ирен мен Фредериктің пікірінше, бұл ядролық реакциядағы позитрондар электрон-позитрон жұптарының түзілуі нәтижесінде түзілуі мүмкін емес, атом ядросынан шығуы керек еді.

5 жылы 22-29 қазанда Брюссельде жетінші Солвей конференциясы (1933) өтті. Ол «Атом ядроларының құрылымы мен қасиеттері» деп аталды. Оған 41 физик, оның ішінде осы саланың әлемдегі ең көрнекті мамандары қатысты. Жолио өз тәжірибелерінің нәтижелерін хабарлап, бор мен алюминийді альфа сәулелерімен сәулелендіру не позитронды, не протонды нейтронды түзетінін айтты.. Осы конференцияда Лиза Майтнер Ол алюминий мен фтормен бірдей тәжірибелерде бірдей нәтиже алмағанын айтты. Түсіндіруде ол Парижден келген ерлі-зайыптылардың позитрондардың пайда болуының ядролық табиғаты туралы пікірімен бөліспеді. Алайда, ол Берлинге жұмыс істеуге оралған кезде, ол осы эксперименттерді қайтадан жасады және 18 қарашада Жолио-Кюриге жазған хатында, оның пікірінше, позитрондар шынымен ядродан пайда болатынын мойындады.

Сонымен қатар, бұл конференция Фрэнсис Перрин, олардың құрдасы және Париждегі жақсы досы позитрондар туралы айтты. Олардың табиғи радиоактивті ыдыраудағы бета-бөлшектердің спектріне ұқсас позитрондардың үздіксіз спектрін алғаны тәжірибелерден белгілі болды. Позитрондар мен нейтрондардың энергияларын одан әрі талдау Перрин бұл жерде екі сәуле шығаруды ажырату керек деген қорытындыға келді: біріншіден, тұрақсыз ядроның пайда болуымен бірге жүретін нейтрондардың эмиссиясы, содан кейін осы ядродан позитрондардың шығарылуы.

Конференциядан кейін Джолио бұл эксперименттерді екі айға жуық тоқтатты. Содан кейін, 1933 жылы желтоқсанда Перрин бұл мәселе бойынша өз пікірін жариялады. Сонымен қатар, желтоқсанда да Энрико Ферми бета-ыдырау теориясын ұсынды. Бұл тәжірибені түсіндіру үшін теориялық негіз болды. 1934 жылдың басында француз астанасындағы ерлі-зайыптылар тәжірибелерін қайта бастады.

Дәл 11 қаңтарда, бейсенбі күні түстен кейін Фредерик Жолио алюминий фольгасын алып, оны 10 минут бойы альфа бөлшектерімен бомбалады. Ол алғаш рет анықтау үшін бұрынғыдай тұман камерасын емес, Гейгер-Мюллер есептегішін пайдаланды. Ол фольгадан альфа-бөлшектердің көзін алып тастаған кезде позитрондарды санау тоқтамағанын, есептегіштер оларды көрсете бергенін, тек олардың саны экспоненциалды түрде азайғанын таң қалдырды. Ол жартылай шығарылу кезеңін 3 минут 15 секунд деп анықтады. Содан кейін ол фольгаға түсетін альфа бөлшектерінің жолына қорғасын тежегішін қою арқылы олардың энергиясын азайтты. Оның позитрондары аз болды, бірақ жартылай шығарылу кезеңі өзгермеді.

Содан кейін ол бор мен магнийді бірдей тәжірибелерге ұшыратты және осы тәжірибелерде сәйкесінше 14 минут және 2,5 минут жартылай ыдырау периоды алды. Кейіннен мұндай тәжірибелер сутегі, литий, көміртек, бериллий, азот, оттегі, фтор, натрий, кальций, никель және күміспен жүргізілді - бірақ ол алюминий, бор және магний сияқты құбылысты байқамады. Гейгер-Мюллер есептегіші оң және теріс зарядталған бөлшектерді ажыратпайды, сондықтан Фредерик Жолио оның шын мәнінде оң электрондармен жұмыс істейтінін тексерді. Бұл тәжірибеде техникалық аспекті де маңызды болды, яғни альфа-бөлшектердің күшті көзінің болуы және Гейгер-Мюллер есептегіші сияқты сезімтал зарядталған бөлшектерді санауыштың қолданылуы.

Бұрынғы Жолио-Кюри жұбымен түсіндіргендей, байқалған ядролық трансформация кезінде позитрондар мен нейтрондар бір уақытта бөлінеді. Енді Фрэнсис Перреннің ұсыныстарын орындап, Фермидің ойларын оқи отырып, ерлі-зайыптылар бірінші ядролық реакция тұрақсыз ядро ​​мен нейтронды, одан кейін бета плюс сол тұрақсыз ядроның ыдырауын тудырды деген қорытындыға келді. Сондықтан олар келесі реакцияларды жаза алады:

Жолиоттар нәтижесінде пайда болған радиоактивті изотоптардың табиғатта өмір сүру үшін тым қысқа жартылай ыдырау кезеңі бар екенін байқады. Олар өз нәтижелерін 15 жылы 1934 қаңтарда «Радиоактивтіліктің жаңа түрі» атты мақаласында жариялады. Ақпан айының басында олар жиналған аз мөлшерден алғашқы екі реакциядан фосфор мен азотты анықтай алды. Көп ұзамай ядролық бомбалау реакцияларында протондар, дейрондар және нейтрондар көмегімен көбірек радиоактивті изотоптар алынуы мүмкін деген болжам болды. Наурызда Энрико Ферми мұндай реакциялар жақын арада нейтрондар арқылы жүзеге асады деп бәс тігеді. Көп ұзамай ол бәс тігуде өзі ұтты.

Ирена мен Фредерик 1935 жылы «жаңа радиоактивті элементтердің синтезі» үшін химия бойынша Нобель сыйлығына ие болды. Бұл жаңалық іргелі зерттеулерде, медицинада және өнеркәсіпте көптеген маңызды және құнды қолданбаларды тапқан жасанды радиоактивті изотоптарды өндіруге жол ашты.

Соңында АҚШ-тан келген физиктерді айта кеткен жөн. Эрнест Лоуренс Берклидегі әріптестерімен және Пасаденадағы зерттеушілермен, олардың арасында тағылымдамадан өтіп жатқан поляк болды. Андрей Сұлтан. Үдеткіш жұмысын тоқтатқанымен, есептегіштердің импульстарын санау байқалды. Оларға бұл есеп ұнамады. Дегенмен, олар маңызды жаңа құбылыспен айналысып жатқанын және жасанды радиоактивтіліктің ашылуының жетіспейтінін түсінбеді ...