Vóór de drievoudige kunst, dat wil zeggen over de ontdekking van kunstmatige radioactiviteit

Van tijd tot tijd zijn er in de geschiedenis van de natuurkunde ‘wonderjaren’ waarin de gezamenlijke inspanningen van veel onderzoekers tot een reeks baanbrekende ontdekkingen leiden. Dit is het geval geweest sinds 1820, het jaar van de elektriciteit, 1905, het wonderbaarlijke jaar van Einsteins vier artikelen, 1913, het jaar dat verband hield met de studie van de structuur van het atoom, en tenslotte 1932, toen een reeks technische ontdekkingen en prestaties leidde tot de creatie van kernenergie.

pasgetrouwden

Irene, de oudste dochter van Marie Skłodowska-Curie en Pierre Curie, werd in 1897 in Parijs geboren (1). Tot haar twaalfde groeide ze thuis op, in een kleine 'school' gecreëerd door vooraanstaande wetenschappers voor haar kinderen, met ongeveer tien studenten. De docenten waren: Marie Sklodowska-Curie (natuurkunde), Paul Langevin (wiskunde), Jean Perrin (scheikunde), en de geesteswetenschappen werden voornamelijk onderwezen door de moeders van de studenten. De lessen vonden meestal plaats bij leraren thuis, en kinderen studeerden natuur- en scheikunde in echte laboratoria.

Het onderwijzen van natuurkunde en scheikunde was dus het verwerven van kennis door praktische acties. Elk succesvol experiment verrukte jonge onderzoekers. Dit waren echte experimenten die begrepen en zorgvuldig uitgevoerd moesten worden, en de kinderen in het laboratorium van Marie Curie moesten voorbeeldig in orde zijn. Ook theoretische kennis moest worden opgedaan. De methode, zoals het lot van de studenten van deze school, later goede en vooraanstaande wetenschappers, bleek effectief te zijn.

2. Frederic Joliot (foto Harcourt)

Bovendien besteedde Irena's grootvader van vaderskant, een arts, veel tijd aan de weeskleindochter van zijn vader, waarbij ze plezier had en haar natuurwetenschappelijke opleiding aanvulde. In 1914 studeerde Irene af aan de innovatieve school Collège Sévigné en ging naar de Faculteit Wiskunde en Natuurwetenschappen aan de Sorbonne. Dit viel samen met het begin van de Eerste Wereldoorlog. In 1916 voegde ze zich bij haar moeder en samen richtten ze een radiologische dienst op voor het Franse Rode Kruis. Na de oorlog behaalde ze een bachelordiploma. In 1921 werd haar eerste wetenschappelijke werk gepubliceerd. Het was gewijd aan het bepalen van de atoommassa van chloor uit verschillende mineralen. Bij haar verdere activiteiten werkte ze nauw samen met haar moeder op het gebied van radioactiviteit. In haar proefschrift, verdedigd in 1925, bestudeerde ze alfadeeltjes uitgezonden door polonium.

Frederik Joliot geboren in 1900 in Parijs (2). Vanaf zijn achtste ging hij naar school in So en woonde op een kostschool. In die tijd gaf hij de voorkeur aan sport boven studeren, vooral voetbal. Vervolgens bezocht hij achtereenvolgens twee middelbare scholen. Net als Irene Curie verloor hij zijn vader vroeg. In 1919 slaagde hij voor het examen aan de École de Physique et de Chemie Industrielle de la Ville de Paris (Superior School of Industrial Physics and Industrial Chemistry van de stad Parijs). Hij studeerde af in 1923. Zijn professor Paul Langevin hoorde van Frederick's capaciteiten en deugden. Na 15 maanden militaire dienst werd hij op bevel van Langevin benoemd tot persoonlijk laboratoriumassistent van Marie Skłodowska-Curie bij het Radium Instituut, gefinancierd door een subsidie ​​van de Rockefeller Foundation. Daar ontmoette hij Irene Curie, en in 1926 trouwden de jongeren.

Frederick voltooide zijn doctoraat in de elektrochemie van radioactieve elementen in 1930. Iets eerder had hij zijn interesse al op het onderzoek van zijn vrouw gericht, en nadat Frederick zijn proefschrift had verdedigd, werkten ze al samen. Een van hun eerste belangrijke successen was de bereiding van polonium, een sterke bron van alfadeeltjes. helium kernen.(₂⁴Hij). Ze startten vanuit een onmiskenbaar bevoorrechte positie, want het was Marie Curie die haar dochter van een grote voorraad polonium voorzag. Lew Kowarsky, hun latere werknemer, beschreef hen als volgt: Irena was ‘een uitstekende technicus’, ‘ze werkte heel aardig en zorgvuldig’, ‘ze begreep heel goed wat ze deed.’ Haar man had 'een meer oogverblindende, meer stijgende verbeeldingskracht'. “Ze vulden elkaar perfect aan en dat wisten ze.” Vanuit het oogpunt van de geschiedenis van de wetenschap waren de twee meest interessante jaren voor hen: 1932-34.

Ze hadden het neutron bijna ontdekt

"Bijna" doet er veel toe. Ze hoorden al snel over deze trieste waarheid. In 1930 in Berlijn, twee Duitsers - Walter Bothe i Hubertus Becker - Onderzocht hoe lichtatomen zich gedragen als ze worden gebombardeerd met alfadeeltjes. Beryllium-schild (₄⁹Be) zond, wanneer het werd gebombardeerd met alfadeeltjes, extreem doordringende en hoogenergetische straling uit. Volgens de onderzoekers moet deze straling sterke elektromagnetische straling zijn geweest.

In dit stadium waren Irena en Frederic bezig met het probleem. Hun bron van alfadeeltjes was de krachtigste ooit. Ze gebruikten een wolkenkamer om de reactieproducten te observeren. Eind januari 1932 maakten ze publiekelijk bekend dat het gammastraling was die hoogenergetische protonen uit een stof die waterstof bevatte, uitschakelde. Ze begrepen nog steeds niet wat ze in hun handen hadden en wat er gebeurde. Na het lezen James Chadwick (3) In Cambridge ging hij onmiddellijk aan de slag, in de veronderstelling dat het helemaal geen kwestie was van gammastraling, maar van neutronen, zoals enkele jaren geleden door Rutherford voorspeld. Na een reeks experimenten raakte hij overtuigd van de waarneming van het neutron en ontdekte dat de massa ervan vergelijkbaar was met de massa van het proton. Op 17 februari 1932 stuurde hij een notitie naar het tijdschrift Nature, ‘The Mogelijk Bestaan ​​van het Neutron.’

Het was eigenlijk een neutron, hoewel Chadwick geloofde dat een neutron uit een proton en een elektron bestond. Pas in 1934 begreep en bewees hij dat het neutron een elementair deeltje is. Chadwick ontving in 1935 de Nobelprijs voor de natuurkunde. Ondanks het besef dat ze een belangrijke ontdekking hadden gemist, zetten de Joliot-Curies hun onderzoek op dit gebied voort. Ze realiseerden zich dat deze reactie naast neutronen ook gammastraling produceert, dus schreven ze de kernreactie:

, waarbij Ef de energie van het gammakwantum is. Ze voerden soortgelijke experimenten uit met ₉¹⁹F.

Opnieuw de opening gemist

Enkele maanden vóór de ontdekking van het positron had Joliot-Curie foto's van onder meer een gebogen pad, alsof het een elektron was, maar draaiend in de richting tegengesteld aan die van het elektron. De foto's zijn gemaakt in een mistkamer in een magnetisch veld. Op basis hiervan sprak het echtpaar over elektronen die in twee richtingen gaan, van de bron en naar de bron. In feite waren die geassocieerd met de richting "naar de bron" positronen, of positieve elektronen die zich van de bron af bewogen.

Ondertussen in de VS aan het eind van de zomer van 1932. Carl David Anderson (4), de zoon van Zweedse immigranten, bestudeerde kosmische straling in een wolkenkamer onder invloed van een magnetisch veld. Kosmische straling komt van buitenaf naar de aarde. Om zeker te zijn van de richting en beweging van de deeltjes, liet Anderson de deeltjes door een metalen plaat in de kamer gaan, waar ze een deel van hun energie verloren. Op 2 augustus zag hij een spoor dat hij ongetwijfeld interpreteerde als een positief elektron.

Het is vermeldenswaard dat Dirac eerder het theoretische bestaan ​​van een dergelijk deeltje had voorspeld. Anderson volgde echter geen theoretische principes bij zijn onderzoek naar kosmische straling. In deze context noemde hij zijn ontdekking toevallig.

Opnieuw moest Joliot-Curie in het reine komen met zijn onbetwiste beroep, maar deed hij verder onderzoek op dit gebied. Ze ontdekten dat gammafotonen kunnen verdwijnen in de buurt van een zware kern en een elektron-positronpaar kunnen vormen, blijkbaar in overeenstemming met Einsteins beroemde formule E = mc2 en de wet van behoud van energie en momentum. Later bewees Frederick zelf dat er een proces is van verdwijning van het elektron-positronpaar, waardoor twee gammakwanta ontstaan. Naast positronen van elektron-positronparen hadden ze positronen van kernreacties.

5. Zevende Solvay-conferentie, 1933

Zittend op de eerste rij: Irène Joliot-Curie (tweede van links),

Marie Skłodowska-Curie (vijfde van links), Lise Meitner (tweede van rechts).

Kunstmatige radioactiviteit

De ontdekking van kunstmatige radioactiviteit gebeurde niet van de ene op de andere dag. In februari 1933 verkreeg Joliot, door aluminium, fluor en vervolgens natrium met alfadeeltjes te bombarderen, neutronen en onbekende isotopen. In juli 1933 maakten ze bekend dat ze door aluminium met alfadeeltjes te bestralen niet alleen neutronen maar ook positronen waarnamen. Volgens Irene en Frederic kunnen de positronen in deze kernreactie niet ontstaan ​​zijn door de vorming van elektron-positronparen, maar moeten ze afkomstig zijn uit de atoomkern.

De zevende Solvay-conferentie (5) in Brussel vond plaats van 22 tot 29 oktober 1933. Ze heette ‘De structuur en eigenschappen van atoomkernen’. Het werd bijgewoond door 41 natuurkundigen, waaronder de meest vooraanstaande specialisten op dit gebied ter wereld. Joliot rapporteerde de resultaten van zijn experimenten en stelde dat het bestralen van boor en aluminium met alfastraling een neutron met een positron of een proton produceerde.. Op deze conferentie Lisa Meitner Ze zei dat ze bij dezelfde experimenten met aluminium en fluor niet hetzelfde resultaat kreeg. In haar interpretatie deelde ze niet de mening van het Parijse echtpaar over het nucleaire karakter van de oorsprong van positronen. Toen ze echter weer in Berlijn aan het werk was, voerde ze deze experimenten opnieuw uit en op 18 november gaf ze in een brief aan Joliot-Curie toe dat er nu, naar haar mening, echt positronen uit de kern verschijnen.

Bovendien op deze conferentie Franciscus Perrin, hun collega en goede vriend uit Parijs, sprak zich uit over de kwestie van positronen. Uit experimenten was bekend dat ze een continu spectrum van positronen verkregen, vergelijkbaar met het spectrum van bètadeeltjes tijdens natuurlijk radioactief verval. Verdere analyse van de energieën van positronen en neutronen Perrin kwam tot de conclusie dat hier twee emissies moeten worden onderscheiden: ten eerste de emissie van neutronen, vergezeld van de vorming van een onstabiele kern, en vervolgens de emissie van positronen uit deze kern.

Na de Joliot-conferentie werden deze experimenten ongeveer twee maanden stopgezet. En toen, in december 1933, publiceerde Perijn zijn mening over de kwestie. Tegelijkertijd ook in december Enrico Fermi bracht de theorie van bèta-verval naar voren. Dit bood een theoretische basis voor het interpreteren van de ervaringen. Begin 1934 hervatte het echtpaar uit de Franse hoofdstad hun experimenten.

Precies op donderdagmiddag 11 januari nam Frédéric Joliot aluminiumfolie en bombardeerde deze gedurende 10 minuten met alfadeeltjes. Voor het eerst gebruikte hij een Geiger-Müller-teller voor detectie, in plaats van een mistkamer zoals voorheen. Hij was verrast toen hij merkte dat toen hij de bron van alfadeeltjes weghaalde van de folie, het tellen van de positronen niet stopte; de ​​tellers bleven ze tonen, alleen hun aantal nam exponentieel af. Hij bepaalde dat de halfwaardetijd 3 minuten en 15 seconden was. Vervolgens verminderde hij de energie van de alfadeeltjes die op de folie vielen door een voorrem op hun pad te plaatsen. En hij ontving minder positronen, maar de halfwaardetijd veranderde niet.

Vervolgens onderwierp hij boor en magnesium aan dezelfde experimenten en verkreeg bij deze experimenten halfwaardetijden van respectievelijk 14 minuten en 2,5 minuten. Vervolgens werden dergelijke experimenten uitgevoerd met waterstof, lithium, koolstof, beryllium, stikstof, zuurstof, fluor, natrium, calcium, nikkel en zilver - maar hij observeerde geen soortgelijk fenomeen als bij aluminium, boor en magnesium. De Geiger-Muller-teller maakt geen onderscheid tussen positief en negatief geladen deeltjes, dus Frédéric Joliot verifieerde ook dat het inderdaad om positieve elektronen ging. Ook het technische aspect was belangrijk in dit experiment, namelijk de aanwezigheid van een sterke bron van alfadeeltjes en het gebruik van een gevoelige geladen deeltjesteller zoals een Geiger-Muller teller.

Zoals eerder uitgelegd door het Joliot-Curie-paar, komen tijdens een waargenomen nucleaire transformatie gelijktijdig positronen en neutronen vrij. Nu, na de suggesties van Francis Perrin en het lezen van de overwegingen van Fermi, concludeerde het echtpaar dat de eerste kernreactie een onstabiele kern en een neutron produceert, gevolgd door het bèta-plus verval van die onstabiele kern. Ze konden dus de volgende reacties schrijven:

De Joliots merkten dat de resulterende radioactieve isotopen een te korte halfwaardetijd hadden om in de natuur te bestaan. Ze maakten hun resultaten op 15 januari 1934 bekend in een artikel met de titel 'Een nieuw type radioactiviteit'. Begin februari konden ze uit de kleine verzamelde hoeveelheden fosfor en stikstof uit de eerste twee reacties identificeren. Al snel kwam de profetie naar voren dat reacties op kernbombardementen meer radioactieve isotopen zouden kunnen produceren, ook met behulp van protonen, deuteronen en neutronen. In maart wedde Enrico Fermi dat dergelijke reacties binnenkort zouden worden uitgevoerd met behulp van neutronen. Al snel won hij zelf de weddenschap.

Irena en Frederic kregen in 1935 de Nobelprijs voor de Scheikunde voor de ‘synthese van nieuwe radioactieve elementen’. Deze ontdekking maakte de weg vrij voor de productie van kunstmatig radioactieve isotopen, die veel belangrijke en waardevolle toepassingen hebben gevonden in fundamenteel onderzoek, de geneeskunde en de industrie.

Tenslotte is het de moeite waard om natuurkundigen uit de VS te noemen, Ernest Laurens met collega's uit Berkeley en onderzoekers uit Pasadena, onder wie een Pool die stage liep Andrzej Soltan. We keken naar de tellers die pulsen telden, hoewel het gaspedaal al niet meer werkte. Ze hielden niet van deze berekening. Ze realiseerden zich echter niet dat ze te maken hadden met een belangrijk nieuw fenomeen en dat ze simpelweg de ontdekking van kunstmatige radioactiviteit misten...