Pred trojitým umením, teda o objave umelej rádioaktivity
Z času na čas sa v histórii fyziky vyskytnú „nádherné“ roky, keď spoločné úsilie mnohých výskumníkov vedie k sérii prelomových objavov. Tak to bolo s rokom 1820, rokom elektriny, 1905, zázračným rokom Einsteinových štyroch článkov, 1913, rokom spojeným so štúdiom štruktúry atómu, a napokon s rokom 1932, keď došlo k sérii technických objavov a pokrokov v vytvorenie jadrovej fyziky.
novomanželia
Irene, najstaršia dcéra Marie Skłodowskej-Curie a Pierra Curieho, sa narodila v Paríži v roku 1897 (1). Do dvanástich rokov bola vychovávaná doma, v malej „škole“ vytvorenej významnými vedcami pre jej deti, v ktorej bolo asi desať študentov. Učiteľmi boli: Marie Sklodowska-Curie (fyzika), Paul Langevin (matematika), Jean Perrin (chémia) a humanitné vedy vyučovali najmä matky študentov. Vyučovanie zvyčajne prebiehalo v učiteľských domovoch, zatiaľ čo deti študovali fyziku a chémiu v skutočných laboratóriách.
Vyučovanie fyziky a chémie teda bolo získavaním vedomostí praktickými úkonmi. Každý úspešný experiment potešil mladých výskumníkov. Boli to skutočné experimenty, ktoré bolo potrebné pochopiť a starostlivo vykonať a deti v laboratóriu Marie Curie museli byť v ukážkovom poriadku. Bolo treba získať aj teoretické vedomosti. Metóda, ako sa osvedčil osud študentov tejto školy, neskôr dobrých a vynikajúcich vedcov.
2. Frederic Joliot (foto Harcourt)
Navyše, Irenin starý otec z otcovej strany, lekár, venoval otcovej osirelej vnučke veľa času, zabával sa a dopĺňal si prírodovedné vzdelanie. V roku 1914 Irene promovala na priekopníckej Collège Sévigné a vstúpila na matematicko-prírodovednú fakultu na Sorbonne. To sa zhodovalo so začiatkom prvej svetovej vojny. V roku 1916 sa pripojila k matke a spoločne zorganizovali rádiologickú službu vo francúzskom Červenom kríži. Po vojne získala bakalársky titul. V roku 1921 vyšla jej prvá vedecká práca. Venoval sa určovaniu atómovej hmotnosti chlóru z rôznych minerálov. Vo svojej ďalšej činnosti úzko spolupracovala s mamou, zaoberala sa rádioaktivitou. Vo svojej doktorandskej dizertačnej práci, obhájenej v roku 1925, študovala častice alfa emitované polóniom.
Frederic Joliot narodený v roku 1900 v Paríži (2). Od ôsmich rokov navštevoval školu v So, býval na internáte. V tom čase uprednostňoval šport pred štúdiom, najmä futbal. Potom striedavo navštevoval dve stredné školy. Rovnako ako Irene Curie stratil svojho otca predčasne. V roku 1919 zložil skúšku na École de Physique et de Chemie Industrielle de la Ville de Paris (Škola priemyselnej fyziky a priemyselnej chémie mesta Paríž). Promoval v roku 1923. Jeho profesor Paul Langevin sa dozvedel o Frederickových schopnostiach a cnostiach. Po 15 mesiacoch vojenskej služby bol na príkaz Langevina vymenovaný za osobného laboratórneho asistenta Marie Skłodowskej-Curie v Radium Institute s grantom Rockefellerovej nadácie. Tam sa stretol s Irene Curie a v roku 1926 sa mladí ľudia oženili.
Frederick dokončil svoju dizertačnú prácu o elektrochémii rádioaktívnych prvkov v roku 1930. O niečo skôr už sústredil svoje záujmy na výskum svojej manželky a po obhajobe Frederickovej dizertačnej práce už spolupracovali. Jedným z ich prvých významných úspechov bol prípravok polónia, ktorý je silným zdrojom alfa častíc, t.j. jadrá hélia.(24On). Začali z nepopierateľne privilegovaného postavenia, pretože to bola Marie Curie, ktorá zásobovala svoju dcéru veľkou porciou polónia. Ich neskorší spolupracovník Lew Kowarsky ich opísal takto: Irena bola "vynikajúca technička", "pracovala veľmi krásne a starostlivo", "hlboko rozumela tomu, čo robí." Jej manžel mal „oslnivejšiu a vzletnejšiu predstavivosť“. "Dokonale sa dopĺňali a vedeli to." Z hľadiska dejín vedy boli pre nich najzaujímavejšie dva roky: 1932-34.
Takmer objavili neutrón
„Takmer“ veľmi záleží. O tejto smutnej pravde sa dozvedeli veľmi skoro. V roku 1930 v Berlíne dvaja Nemci - Walter Bothe i Hubert Becker - Skúmal, ako sa správajú ľahké atómy, keď sú bombardované časticami alfa. Berýliový štít (49Be) pri bombardovaní alfa časticami emitovali extrémne prenikavé a vysokoenergetické žiarenie. Podľa experimentátorov muselo ísť o silné elektromagnetické žiarenie.
V tejto fáze sa s problémom vysporiadali Irena a Frederick. Ich zdroj alfa častíc bol vôbec najsilnejší. Na pozorovanie produktov reakcie použili mrakovú komoru. Koncom januára 1932 verejne oznámili, že práve gama žiarenie vyradilo vysokoenergetické protóny z látky obsahujúcej vodík. Ešte nechápali, čo je v ich rukách a čo sa deje.. Po prečítaní James Chadwick (3) v Cambridge sa okamžite pustil do práce v domnení, že vôbec nejde o gama žiarenie, ale o neutróny, ktoré Rutherford predpovedal niekoľko rokov vopred. Po sérii experimentov sa presvedčil o pozorovaní neutrónu a zistil, že jeho hmotnosť je podobná hmotnosti protónu. 17. februára 1932 predložil do časopisu Nature poznámku s názvom „Možná existencia neutrónu“.
Bol to vlastne neutrón, hoci Chadwick veril, že neutrón sa skladá z protónu a elektrónu. Až v roku 1934 pochopil a dokázal, že neutrón je elementárna častica. Chadwick získal Nobelovu cenu za fyziku v roku 1935. Napriek poznaniu, že im unikol dôležitý objav, Joliot-Curiesovci pokračovali vo výskume v tejto oblasti. Uvedomili si, že táto reakcia produkuje okrem neutrónov aj gama lúče, a tak napísali jadrovú reakciu:
, kde Ef je energia gama-kvanta. Podobné experimenty sa uskutočnili s 919F.
Opäť zmeškané otvorenie
Niekoľko mesiacov pred objavom pozitrónu mala Joliot-Curieová okrem iného fotografie zakrivenej dráhy, akoby to bol elektrón, ale krútila sa v opačnom smere ako elektrón. Fotografie boli urobené v hmlovej komore umiestnenej v magnetickom poli. Na základe toho manželia hovorili o elektrónoch idúcich dvoma smermi, od zdroja a k zdroju. V skutočnosti tie, ktoré sú spojené so smerom „k zdroju“, boli pozitróny alebo kladné elektróny pohybujúce sa od zdroja.
Medzitým v Spojených štátoch koncom leta 1932 Carl David Anderson (4), syn švédskych prisťahovalcov, študoval kozmické žiarenie v oblačnej komore pod vplyvom magnetického poľa. Kozmické žiarenie prichádza na Zem zvonka. Anderson, aby si bol istý smerom a pohybom častíc, vo vnútri komory prešiel častice cez kovovú platňu, kde stratili časť energie. 2. augusta uvidel stopu, ktorú nepochybne interpretoval ako kladný elektrón.
Stojí za zmienku, že Dirac už predtým predpovedal teoretickú existenciu takejto častice. Anderson sa však pri štúdiu kozmického žiarenia neriadil žiadnymi teoretickými princípmi. V tejto súvislosti označil svoj objav za náhodný.
Joliot-Curie si opäť musela potrpieť na nepopierateľné povolanie, no podnikla ďalší výskum v tejto oblasti. Zistili, že fotóny gama žiarenia môžu zmiznúť v blízkosti ťažkého jadra, čím sa vytvorí pár elektrón-pozitrón, zjavne v súlade so známym Einsteinovým vzorcom E = mc2 a zákonom zachovania energie a hybnosti. Neskôr Frederick sám dokázal, že existuje proces miznutia elektrón-pozitrónového páru, čím vznikajú dve gama kvantá. Okrem pozitrónov z elektrón-pozitrónových párov mali pozitróny z jadrových reakcií.
5. Siedma Solvayova konferencia, 1933
Sediaca v prednom rade: Irene Joliot-Curie (druhá zľava),
Maria Skłodowska-Curie (piata zľava), Lise Meitner (druhá sprava).
umelá rádioaktivita
Objav umelej rádioaktivity nebol okamžitý. Vo februári 1933, bombardovaním hliníka, fluóru a potom sodíka alfa časticami, Joliot získal neutróny a neznáme izotopy. V júli 1933 oznámili, že ožiarením hliníka alfa časticami pozorovali nielen neutróny, ale aj pozitróny. Podľa Irene a Fredericka pozitróny v tejto jadrovej reakcii nemohli vzniknúť ako výsledok tvorby elektrón-pozitrónových párov, ale museli pochádzať z atómového jadra.
Siedma Solvayova konferencia (5) sa konala v Bruseli 22. – 29. októbra 1933. Volala sa „Štruktúra a vlastnosti atómových jadier“. Zúčastnilo sa ho 41 fyzikov, medzi nimi aj najvýznamnejší odborníci v tejto oblasti na svete. Joliot oznámil výsledky svojich experimentov a uviedol, že ožarovanie bóru a hliníka alfa lúčmi vytvára buď neutrón s pozitrónom alebo protón.. Na tejto konferencii Lisa Meitnerová Povedala, že pri rovnakých experimentoch s hliníkom a fluórom nedosiahla rovnaký výsledok. Vo výklade nezdieľala názor dvojice z Paríža na jadrovú podstatu vzniku pozitrónov. Keď sa však vrátila do práce v Berlíne, znova uskutočnila tieto experimenty a 18. novembra v liste Joliot-Curieovej priznala, že teraz sa podľa nej pozitróny z jadra skutočne objavujú.
Okrem toho táto konferencia Francis Perrin, ich rovesník a dobrý priateľ z Paríža, sa vyjadril na tému pozitróny. Z experimentov bolo známe, že získali spojité spektrum pozitrónov, podobné spektru beta častíc v prirodzenom rádioaktívnom rozpade. Ďalšia analýza energií pozitrónov a neutrónov Perrin dospela k záveru, že by sa tu mali rozlišovať dve emisie: prvá emisia neutrónov sprevádzaná tvorbou nestabilného jadra a potom emisia pozitrónov z tohto jadra.
Po konferencii Joliot zastavil tieto experimenty asi na dva mesiace. A potom, v decembri 1933, Perrin zverejnil svoj názor na túto záležitosť. Zároveň aj v decembri Enrico Fermi navrhol teóriu beta rozpadu. To slúžilo ako teoretický základ pre interpretáciu skúseností. Začiatkom roku 1934 manželia z francúzskeho hlavného mesta obnovili svoje experimenty.
Presne 11. januára, vo štvrtok popoludní, vzal Frédéric Joliot hliníkovú fóliu a bombardoval ju alfa časticami počas 10 minút. Prvýkrát použil na detekciu Geiger-Mullerov počítač a nie hmlovú komoru ako predtým. S prekvapením si všimol, že ako odstránil zdroj alfa častíc z fólie, počítanie pozitrónov sa nezastavilo, počítadlá ich ukazovali ďalej, len ich počet exponenciálne klesal. Polčas rozpadu určil na 3 minúty a 15 sekúnd. Potom znížil energiu častíc alfa dopadajúcich na fóliu umiestnením olovenej brzdy do ich dráhy. A dostal menej pozitrónov, ale polčas rozpadu sa nezmenil.
Potom podrobil rovnakým experimentom bór a horčík a v týchto experimentoch získal polčasy 14 minút a 2,5 minúty. Následne takéto pokusy robil s vodíkom, lítiom, uhlíkom, berýliom, dusíkom, kyslíkom, fluórom, sodíkom, vápnikom, niklom a striebrom – nepozoroval však podobný jav ako pri hliníku, bóre a horčíku. Geiger-Mullerov počítač nerozlišuje medzi kladne a záporne nabitými časticami, takže Frédéric Joliot tiež overil, že v skutočnosti pracuje s kladnými elektrónmi. V tomto experimente bol dôležitý aj technický aspekt, teda prítomnosť silného zdroja alfa častíc a použitie citlivého čítača nabitých častíc, ako je Geiger-Mullerov počítač.
Ako už bolo vysvetlené párom Joliot-Curie, pri pozorovanej jadrovej transformácii sa súčasne uvoľňujú pozitróny a neutróny. Teraz, po návrhoch Francisa Perrina a prečítaní Fermiho úvah, pár dospel k záveru, že prvá jadrová reakcia vytvorila nestabilné jadro a neutrón, po ktorých nasledoval beta plus rozpad tohto nestabilného jadra. Takže mohli napísať nasledujúce reakcie:
Joliotovci si všimli, že výsledné rádioaktívne izotopy majú príliš krátky polčas na to, aby existovali v prírode. Svoje výsledky oznámili 15. januára 1934 v článku s názvom „Nový typ rádioaktivity“. Začiatkom februára sa im z nazbieraných malých množstiev podarilo identifikovať fosfor a dusík z prvých dvoch reakcií. Čoskoro sa objavilo proroctvo, že pri reakciách jadrového bombardovania by sa mohlo produkovať viac rádioaktívnych izotopov, a to aj s pomocou protónov, deuterónov a neutrónov. V marci sa Enrico Fermi stavil, že takéto reakcie sa čoskoro uskutočnia pomocou neutrónov. Čoskoro sám vyhral stávku.
Irena a Frederick získali v roku 1935 Nobelovu cenu za chémiu za „syntézu nových rádioaktívnych prvkov“. Tento objav otvoril cestu pre výrobu umelo rádioaktívnych izotopov, ktoré našli mnoho dôležitých a cenných aplikácií v základnom výskume, medicíne a priemysle.
Nakoniec treba spomenúť fyzikov z USA, Ernest Lawrence s kolegami z Berkeley a výskumníkmi z Pasadeny, medzi ktorými bol aj Poliak, ktorý bol na stáži Andrej Sultán. Bolo pozorované počítanie impulzov počítadlami, hoci urýchľovač už prestal fungovať. Tento počet sa im nepáčil. Neuvedomili si však, že majú dočinenia s dôležitým novým fenoménom a že im jednoducho chýba objav umelej rádioaktivity...
