לפני האמנות המשולשת, כלומר על גילוי הרדיואקטיביות המלאכותית
מדי פעם בהיסטוריה של הפיזיקה יש שנים "נפלאות" שבהן מאמצים משותפים של חוקרים רבים מובילים לשורה של תגליות פורצות דרך. כך היה עם 1820, שנת החשמל, 1905, השנה המופלאה של ארבעת המאמרים של איינשטיין, 1913, השנה הקשורה לחקר מבנה האטום, ולבסוף 1932, כאשר שורה של גילויים טכניים והתקדמות בתחום יצירת הפיזיקה הגרעינית.
שֶׁזֶה עַתָה נִשׂאוּ
איירין, בתם הבכורה של מארי Skłodowska-Curie ופייר קירי, נולדה בפריז ב-1897 (1). עד גיל שתים עשרה חונכה בבית, ב"בית ספר" קטן שיצרו מדענים בולטים עבור ילדיה, בו למדו כעשרה תלמידים. המורים היו: מארי סקלודאבסקה-קירי (פיסיקה), פול לנגווין (מתמטיקה), ז'אן פרין (כימיה), ומדעי הרוח נלמדו בעיקר על ידי אמהות התלמידים. השיעורים התקיימו בדרך כלל בבתי המורים, בעוד שילדים למדו פיזיקה וכימיה במעבדות אמיתיות.
לפיכך, הוראת הפיזיקה והכימיה הייתה רכישת ידע באמצעות פעולות מעשיות. כל ניסוי מוצלח שימח חוקרים צעירים. אלו היו ניסויים אמיתיים שצריך להבין ולבצע בקפידה, והילדים במעבדה של מארי קירי היו צריכים להיות בסדר מופתי. גם ידע תיאורטי היה צריך לרכוש. השיטה, כגורלם של תלמידי בית ספר זה, לימים מדענים טובים ומצטיינים, התגלתה כיעילה.
2. פרדריק ג'וליוט (צילום מאת הרקורט)
יתרה מכך, סבה מצד אביו של אירנה, רופא, הקדיש זמן רב לנכדתו היתומה של אביו, נהנה והשלים את לימודיה במדעי הטבע. בשנת 1914 סיימה איירין את לימודיה בקולג' Sévigné החלוצי ונכנסה לפקולטה למתמטיקה ומדעים בסורבון. זה קרה במקביל לתחילת מלחמת העולם הראשונה. ב-1916 היא הצטרפה לאמה ויחד הם ארגנו שירות רדיולוגי בצלב האדום הצרפתי. לאחר המלחמה היא קיבלה תואר ראשון. ב-1921 פורסמה עבודתה המדעית הראשונה. הוא התמסר לקביעת המסה האטומית של כלור ממינרלים שונים. בפעילותה הנוספת, היא עבדה בשיתוף פעולה הדוק עם אמה, ועסקה ברדיואקטיביות. בעבודת הדוקטורט שלה, שהוגנת ב-1925, היא חקרה את חלקיקי האלפא הנפלטים מפולוניום.
פרדריק ג'וליוט נולד בשנת 1900 בפריז (2). מגיל שמונה למד בבית הספר בסו, התגורר בפנימייה. באותה תקופה הוא העדיף ספורט על פני לימודים, בעיקר כדורגל. לאחר מכן הוא למד בשני בתי ספר תיכוניים בתורות. כמו איירין קירי, הוא איבד את אביו מוקדם. ב-1919 עבר את הבחינה ב-École de Physique et de Chemie Industrielle de la Ville de Paris (בית הספר לפיזיקה תעשייתית וכימיה תעשייתית של העיר פריז). הוא סיים את לימודיו ב-1923. הפרופסור שלו, פול לנגווין, למד על יכולותיו ומעלותיו של פרדריק. לאחר 15 חודשי שירות צבאי, בהוראת לנגווין, הוא מונה לעוזר מעבדה אישי של מארי סקלודובסקה-קירי במכון הרדיום עם מענק מקרן רוקפלר. שם פגש את איירין קירי, וב-1926 הצעירים התחתנו.
פרדריק השלים את עבודת הדוקטורט שלו על האלקטרוכימיה של יסודות רדיואקטיביים ב-1930. קצת קודם לכן, הוא כבר מיקד את תחומי העניין שלו במחקר של אשתו, ולאחר שהגן על עבודת הדוקטורט של פרידריך, הם כבר עבדו יחד. אחת ההצלחות החשובות הראשונות שלהם הייתה הכנה של פולוניום, שהוא מקור חזק לחלקיקי אלפא, כלומר. גרעיני הליום.(24הוא). הם התחילו מעמדה מיוחסת ללא ספק, כי מארי קירי היא זו שסיפקה לבתה חלק גדול של פולוניום. לו קוברסקי, שותפם מאוחר יותר, תיאר אותם כך: אירנה הייתה "טכנאית מעולה", "היא עבדה מאוד יפה ובזהירות", "היא הבינה לעומק מה היא עושה". לבעלה היה "דמיון מסנוור יותר, ממריא יותר". "הם השלימו אחד את השני בצורה מושלמת וידעו את זה". מנקודת המבט של ההיסטוריה של המדע, המעניינים ביותר עבורם היו שנתיים: 1932-34.
הם כמעט גילו את הנייטרון
"כמעט" חשוב מאוד. הם למדו על האמת העצובה הזו מהר מאוד. ב-1930 בברלין, שני גרמנים - וולטר בוטה i הוברט בקר - חקר כיצד אטומי אור מתנהגים כשהם מופגזים בחלקיקי אלפא. מגן בריליום (49Be) כאשר מופגז בחלקיקי אלפא נפלט קרינה חודרת במיוחד ובעלת אנרגיה גבוהה. לטענת הנסיינים, קרינה זו בוודאי הייתה קרינה אלקטרומגנטית חזקה.
בשלב זה אירנה ופרדריק טיפלו בבעיה. מקור חלקיקי האלפא שלהם היה החזק ביותר אי פעם. הם השתמשו בתא ענן כדי לצפות בתוצרי התגובה. בסוף ינואר 1932, הם הכריזו בפומבי שקרני גמא הן שדפקו פרוטונים עתירי אנרגיה מחומר המכיל מימן. הם עדיין לא הבינו מה יש בידיהם ומה קורה.. לאחר הקריאה ג'יימס צ'אדוויק (3) בקיימברידג' הוא מיד התחיל לעבוד, מתוך מחשבה שזו לא קרינת גמא בכלל, אלא נויטרונים שחזה רתרפורד מספר שנים מראש. לאחר סדרה של ניסויים, הוא השתכנע בתצפית על הנייטרון וגילה שהמסה שלו דומה לזו של הפרוטון. ב-17 בפברואר 1932 הוא הגיש פתק לכתב העת Nature שכותרתו "הקיום האפשרי של הנויטרון".
זה היה למעשה נויטרון, למרות שצ'דוויק האמין שנויטרון מורכב מפרוטון ואלקטרון. רק ב-1934 הוא הבין והוכיח שהנייטרון הוא חלקיק יסודי. צ'דוויק זכה בפרס נובל לפיזיקה בשנת 1935. למרות ההבנה שהם החמיצו תגלית חשובה, בני הזוג Joliot-Curies המשיכו במחקרם בתחום זה. הם הבינו שהתגובה הזו מייצרת קרני גמא בנוסף לנייטרונים, אז הם כתבו את התגובה הגרעינית:
, כאשר Ef היא האנרגיה של הגמא-קוונטי. ניסויים דומים בוצעו עם 919F.
שוב פספסו את הפתיחה
כמה חודשים לפני גילוי הפוזיטרון היו לג'וליוט-קורי צילומים של, בין השאר, נתיב מעוקל, כאילו הוא אלקטרון, אך מתפתל בכיוון ההפוך של האלקטרון. הצילומים צולמו בתא ערפל הממוקם בשדה מגנטי. על סמך זה, בני הזוג דיברו על אלקטרונים שעוברים לשני כיוונים, מהמקור ועד למקור. למעשה, אלו הקשורים לכיוון "לכיוון המקור" היו פוזיטרונים, או אלקטרונים חיוביים שמתרחקים מהמקור.
בינתיים, בארצות הברית בסוף הקיץ של 1932, קרל דיוויד אנדרסון (4), בנם של מהגרים שוודים, חקר קרניים קוסמיות בתא ענן בהשפעת שדה מגנטי. קרניים קוסמיות מגיעות לכדור הארץ מבחוץ. אנדרסון, כדי להיות בטוח בכיוון ובתנועה של החלקיקים, בתוך החדר העביר את החלקיקים דרך לוח מתכת, שם הם איבדו חלק מהאנרגיה. ב-2 באוגוסט הוא ראה שובל, שללא ספק פירש כאלקטרון חיובי.
ראוי לציין שדיראק חזה בעבר את קיומו התיאורטי של חלקיק כזה. עם זאת, אנדרסון לא עקב אחרי שום עקרונות תיאורטיים במחקריו על קרניים קוסמיות. בהקשר זה, הוא כינה את התגלית שלו מקרית.
שוב, ג'וליוט-קירי נאלצה להשלים עם מקצוע שאין להכחישו, אך עשתה מחקר נוסף בתחום זה. הם גילו שפוטונים של קרני גמא יכולים להיעלם ליד גרעין כבד, ויוצרים זוג אלקטרונים-פוזיטרון, ככל הנראה בהתאם לנוסחה המפורסמת של איינשטיין E = mc2 וחוק שימור האנרגיה והתנע. מאוחר יותר, פרידריך עצמו הוכיח שיש תהליך של היעלמות של זוג אלקטרונים-פוזיטרון, מה שמוביל לשתי קוונטות גמא. בנוסף לפוזיטרונים מצמדי אלקטרונים-פוזיטרון, היו להם פוזיטרונים מתגובות גרעיניות.
5. ועידת סולביי השביעית, 1933
יושבים בשורה הראשונה: איירין ג'וליוט-קירי (שנייה משמאל),
מריה סקלודובסקה-קירי (חמישית משמאל), ליסה מייטנר (שנייה מימין).
רדיואקטיביות מלאכותית
גילוי הרדיואקטיביות המלאכותית לא היה מעשה מיידי. בפברואר 1933, על ידי הפצצת אלומיניום, פלואור ולאחר מכן נתרן עם חלקיקי אלפא, השיג ג'וליוט נויטרונים ואיזוטופים לא ידועים. ביולי 1933, הם הודיעו שעל ידי הקרנת אלומיניום עם חלקיקי אלפא, הם צפו לא רק בניוטרונים, אלא גם בפוזיטרון. לפי איירין ופרדריק, הפוזיטרונים בתגובה גרעינית זו לא יכלו להיווצר כתוצאה מהיווצרות צמדי אלקטרונים-פוזיטרון, אלא היו צריכים להגיע מגרעין האטום.
ועידת סולביי השביעית (5) התקיימה בבריסל ב-22-29 באוקטובר 1933. היא נקראה "המבנה והמאפיינים של גרעיני אטום". השתתפו בו 41 פיזיקאים, כולל המומחים הבולטים בתחום זה בעולם. ג'וליוט דיווחו על תוצאות הניסויים שלהם, וקבעו שהקרנת בורון ואלומיניום באמצעות קרני אלפא מייצרת נויטרון עם פוזיטרון או פרוטון.. בכנס הזה ליסה מייטנר היא אמרה שבאותם ניסויים עם אלומיניום ופלואור היא לא הגיעה לאותה תוצאה. בפרשנות, היא לא שיתפה את דעתם של בני הזוג מפריז לגבי האופי הגרעיני של מקורם של פוזיטרונים. אולם כשחזרה לעבודה בברלין, היא שוב ביצעה את הניסויים הללו וב-18 בנובמבר, במכתב לג'וליוט-קירי, היא הודתה שכעת, לדעתה, אכן מופיעים פוזיטרונים מהגרעין.
בנוסף, הכנס הזה פרנסיס פרין, בן גילם וידידם הטוב מפריז, התבטא בנושא פוזיטרונים. מניסויים נודע שהם השיגו ספקטרום רציף של פוזיטרונים, בדומה לספקטרום של חלקיקי בטא בהתפרקות רדיואקטיבית טבעית. ניתוח נוסף של האנרגיות של פוזיטרונים ונייטרונים פרין הגיע למסקנה שיש להבחין כאן בין שתי פליטות: ראשית, פליטת נויטרונים, המלווה ביצירת גרעין לא יציב, ולאחר מכן פליטת פוזיטרונים מגרעין זה.
לאחר הכנס ג'וליוט הפסיקה את הניסויים הללו למשך כחודשיים. ואז, בדצמבר 1933, פרסם פרין את דעתו בעניין. במקביל, גם בדצמבר אנריקו פרמי הציע את התיאוריה של ריקבון בטא. זה שימש בסיס תיאורטי לפרשנות של חוויות. בתחילת 1934 חידשו בני הזוג מבירת צרפת את הניסויים שלהם.
בדיוק ב-11 בינואר, יום חמישי אחר הצהריים, פרדריק ג'וליוט לקח רדיד אלומיניום והפציץ אותו בחלקיקי אלפא למשך 10 דקות. בפעם הראשונה הוא השתמש במונה גייגר-מולר לזיהוי, ולא בתא הערפל, כמו קודם. הוא הבחין בהפתעה שכשהסיר את מקור חלקיקי האלפא מהנייר, ספירת הפוזיטרונים לא נפסקה, המונים המשיכו להראות אותם, רק שמספרם ירד באופן אקספוננציאלי. הוא קבע את זמן מחצית החיים ל-3 דקות ו-15 שניות. ואז הוא הפחית את האנרגיה של חלקיקי האלפא הנופלים על נייר הכסף על ידי הצבת בלם עופרת בדרכם. וזה קיבל פחות פוזיטרונים, אבל זמן מחצית החיים לא השתנה.
לאחר מכן הוא העביר בורון ומגנזיום לאותם ניסויים, והשיג בניסויים אלו מחצית חיים של 14 דקות ו-2,5 דקות, בהתאמה. לאחר מכן, נערכו ניסויים כאלה עם מימן, ליתיום, פחמן, בריליום, חנקן, חמצן, פלואור, נתרן, סידן, ניקל וכסף - אך הוא לא ראה תופעה דומה לאלומיניום, בורון ומגנזיום. מונה גייגר-מולר אינו מבחין בין חלקיקים טעונים חיוביים ושליליים, ולכן גם פרדריק ג'וליוט אימת שהוא אכן עוסק באלקטרונים חיוביים. ההיבט הטכני היה חשוב גם בניסוי זה, כלומר, נוכחות של מקור חזק של חלקיקי אלפא ושימוש במונה חלקיקים טעונים רגיש, כגון מונה גייגר-מולר.
כפי שהוסבר בעבר על ידי צמד ג'וליוט-קורי, פוזיטרונים וניטרונים משתחררים בו זמנית בטרנספורמציה הגרעינית הנצפית. כעת, בעקבות הצעותיו של פרנסיס פרין וקריאת שיקוליו של פרמי, בני הזוג הגיעו למסקנה שהתגובה הגרעינית הראשונה יצרה גרעין לא יציב ונייטרון, ואחריו בטא פלוס ריקבון של אותו גרעין לא יציב. אז הם יכולים לכתוב את התגובות הבאות:
בני הזוג ג'וליוט שמו לב שלאיזוטופים הרדיואקטיביים שנוצרו יש מחצית חיים קצרים מכדי להתקיים בטבע. הם הכריזו על תוצאותיהם ב-15 בינואר 1934, במאמר שכותרתו "סוג חדש של רדיואקטיביות". בתחילת פברואר הם הצליחו לזהות זרחן וחנקן משתי התגובות הראשונות מהכמויות הקטנות שנאספו. עד מהרה הייתה נבואה שניתן לייצר איזוטופים רדיואקטיביים נוספים בתגובות הפצצה גרעינית, גם בעזרת פרוטונים, דווטרונים וניוטרונים. במרץ, אנריקו פרמי הימר שתגובות כאלה יבוצעו בקרוב באמצעות נויטרונים. עד מהרה הוא זכה בהימור בעצמו.
אירנה ופרדריק זכו בפרס נובל לכימיה בשנת 1935 על "הסינתזה של יסודות רדיואקטיביים חדשים". תגלית זו סללה את הדרך לייצור איזוטופים רדיואקטיביים מלאכותיים, אשר מצאו יישומים חשובים ובעלי ערך רבים במחקר בסיסי, ברפואה ובתעשייה.
לבסוף, ראוי להזכיר פיזיקאים מארה"ב, ארנסט לורנס עם עמיתים מברקלי וחוקרים מפסדינה, ביניהם היה פולני שהיה בהתמחות אנדז'יי סולטאן. ספירת הפולסים על ידי המונים נצפתה, למרות שהמאיץ כבר הפסיק לפעול. הם לא אהבו את הספירה הזו. עם זאת, הם לא הבינו שהם מתמודדים עם תופעה חדשה וחשובה ושפשוט חסר להם הגילוי של רדיואקטיביות מלאכותית...
