Prima della triplice arte, cioè della scoperta della radioattività artificiale

Di tanto in tanto nella storia della fisica ci sono anni "meravigliosi" in cui gli sforzi congiunti di molti ricercatori portano a una serie di scoperte rivoluzionarie. Così è stato con il 1820, l'anno dell'elettricità, il 1905, l'anno miracoloso dei quattro articoli di Einstein, il 1913, l'anno associato allo studio della struttura dell'atomo, e infine il 1932, quando una serie di scoperte tecniche e progressi nella creazione della fisica nucleare.

Novelli sposi

Irene, la figlia maggiore di Marie Skłodowska-Curie e Pierre Curie, è nata a Parigi nel 1897 (1). Fino all'età di dodici anni è cresciuta in casa, in una piccola "scuola" creata da eminenti scienziati per i suoi figli, in cui c'erano una decina di studenti. Gli insegnanti erano: Marie Sklodowska-Curie (fisica), Paul Langevin (matematica), Jean Perrin (chimica), e le discipline umanistiche erano principalmente insegnate dalle madri degli studenti. Le lezioni si svolgevano solitamente nelle case degli insegnanti, mentre i bambini studiavano fisica e chimica in laboratori veri e propri.

Pertanto, l'insegnamento della fisica e della chimica era l'acquisizione di conoscenze attraverso azioni pratiche. Ogni esperimento riuscito ha deliziato i giovani ricercatori. Si trattava di veri e propri esperimenti che dovevano essere compresi ed eseguiti con cura, ei bambini nel laboratorio di Marie Curie dovevano essere in un ordine esemplare. Anche le conoscenze teoriche dovevano essere acquisite. Il metodo, come il destino degli studenti di questa scuola, in seguito scienziati bravi ed eccezionali, si è rivelato efficace.

2. Frederic Joliot (foto di Harcourt)

Inoltre, il nonno paterno di Irena, un medico, ha dedicato molto tempo alla nipote orfana di suo padre, divertendosi e integrando la sua educazione in scienze naturali. Nel 1914, Irene si diplomò al pionieristico Collège Sévigné ed entrò nella facoltà di matematica e scienze alla Sorbona. Ciò coincise con l'inizio della prima guerra mondiale. Nel 1916 si unì alla madre e insieme organizzarono un servizio radiologico per la Croce Rossa francese. Dopo la guerra, ha conseguito una laurea. Nel 1921 fu pubblicata la sua prima opera scientifica. Si dedicò alla determinazione della massa atomica del cloro da vari minerali. Nelle sue ulteriori attività, ha lavorato a stretto contatto con sua madre, occupandosi della radioattività. Nella sua tesi di dottorato, discussa nel 1925, studiò le particelle alfa emesse dal polonio.

Frederic Joliot nato nel 1900 a Parigi (2). Dall'età di otto anni ha frequentato la scuola a So, ha vissuto in un collegio. A quel tempo preferiva lo sport agli studi, in particolare il calcio. Successivamente, a turno, frequenta due scuole superiori. Come Irene Curie, ha perso presto suo padre. Nel 1919 superò l'esame presso l'École de Physique et de Chemie Industrielle de la Ville de Paris (Scuola di Fisica Industriale e Chimica Industriale della città di Parigi). Si laureò nel 1923. Il suo professore, Paul Langevin, apprese delle capacità e delle virtù di Federico. Dopo 15 mesi di servizio militare, per ordine di Langevin, è stato nominato assistente di laboratorio personale di Marie Skłodowska-Curie al Radium Institute con una sovvenzione della Fondazione Rockefeller. Lì conobbe Irene Curie e nel 1926 i giovani si sposarono.

Federico completò la sua tesi di dottorato sull'elettrochimica degli elementi radioattivi nel 1930. Poco prima aveva già concentrato i suoi interessi sulla ricerca della moglie e, dopo aver difeso la tesi di dottorato di Federico, avevano già lavorato insieme. Uno dei loro primi importanti successi fu una preparazione del polonio, che è una forte fonte di particelle alfa, ad es. nuclei di elio.(₂⁴Lui). Partirono da una posizione innegabilmente privilegiata, perché fu Marie Curie a fornire alla figlia una cospicua porzione di polonio. Lew Kowarsky, il loro successivo collaboratore, li ha descritti come segue: Irena era "un eccellente tecnico", "ha lavorato in modo molto bello e accurato", "ha capito profondamente quello che stava facendo". Suo marito aveva "un'immaginazione più abbagliante, più slanciata". "Si completavano perfettamente e lo sapevano". Dal punto di vista della storia della scienza, i più interessanti per loro furono due anni: 1932-34.

Hanno quasi scoperto il neutrone

"Quasi" conta molto. Hanno appreso questa triste verità molto presto. Nel 1930 a Berlino, due tedeschi - Walter Bothe i Hubert Becker - Ha studiato come si comportano gli atomi leggeri quando vengono bombardati da particelle alfa. Scudo di berillio (₄⁹Be) quando bombardato con particelle alfa emette radiazioni estremamente penetranti e ad alta energia. Secondo gli sperimentatori, questa radiazione doveva essere una forte radiazione elettromagnetica.

A questo punto, Irena e Frederick affrontarono il problema. La loro fonte di particelle alfa era la più potente di sempre. Hanno usato una camera a nebbia per osservare i prodotti di reazione. Alla fine di gennaio 1932 annunciarono pubblicamente che erano stati i raggi gamma a mettere fuori combattimento i protoni ad alta energia da una sostanza contenente idrogeno. Non capivano ancora cosa fosse nelle loro mani e cosa stesse succedendo.. Dopo aver letto James Chadwick (3) a Cambridge si mise subito al lavoro, pensando che non si trattasse affatto di radiazioni gamma, ma di neutroni previsti da Rutherford con diversi anni di anticipo. Dopo una serie di esperimenti, si convinse dell'osservazione del neutrone e scoprì che la sua massa è simile a quella del protone. Il 17 febbraio 1932 presentò alla rivista Nature una nota intitolata "The Possible Existence of the Neutron".

In realtà era un neutrone, sebbene Chadwick credesse che un neutrone fosse composto da un protone e un elettrone. Solo nel 1934 capì e dimostrò che il neutrone è una particella elementare. Chadwick ricevette il Premio Nobel per la Fisica nel 1935. Nonostante la consapevolezza di aver perso un'importante scoperta, i Joliot-Curies continuarono le loro ricerche in quest'area. Si resero conto che questa reazione produceva raggi gamma oltre ai neutroni, quindi scrissero la reazione nucleare:

, dove Ef è l'energia del quantico gamma. Esperimenti simili sono stati effettuati con ₉¹⁹F.

Persa di nuovo l'apertura

Pochi mesi prima della scoperta del positrone, Joliot-Curie aveva fotografie, tra le altre cose, di un percorso curvo, come se fosse un elettrone, ma attorcigliato nella direzione opposta dell'elettrone. Le fotografie sono state scattate in una camera di nebbia situata in un campo magnetico. Sulla base di ciò, la coppia ha parlato di elettroni che vanno in due direzioni, dalla sorgente e alla sorgente. In effetti, quelli associati alla direzione "verso la sorgente" erano positroni, o elettroni positivi che si allontanavano dalla sorgente.

Nel frattempo, negli Stati Uniti, alla fine dell'estate del 1932, Carl David Anderson (4), figlio di immigrati svedesi, studiò i raggi cosmici in una camera a nebbia sotto l'influenza di un campo magnetico. I raggi cosmici arrivano sulla Terra dall'esterno. Anderson, per essere sicuro della direzione e del movimento delle particelle, all'interno della camera ha fatto passare le particelle attraverso una piastra metallica, dove hanno perso parte dell'energia. Il 2 agosto vide una scia, che senza dubbio interpretò come un elettrone positivo.

Vale la pena notare che Dirac aveva precedentemente previsto l'esistenza teorica di una tale particella. Tuttavia, Anderson non ha seguito alcun principio teorico nei suoi studi sui raggi cosmici. In questo contesto, ha definito la sua scoperta accidentale.

Anche in questo caso, Joliot-Curie ha dovuto sopportare una professione innegabile, ma ha intrapreso ulteriori ricerche in questo settore. Hanno scoperto che i fotoni di raggi gamma possono scomparire vicino a un nucleo pesante, formando una coppia elettrone-positrone, apparentemente in accordo con la famosa formula di Einstein E = mc2 e la legge di conservazione dell'energia e della quantità di moto. Più tardi, lo stesso Federico dimostrò che esiste un processo di scomparsa di una coppia elettrone-positrone, che dà origine a due quanti gamma. Oltre ai positroni delle coppie elettrone-positrone, avevano positroni delle reazioni nucleari.

5. Settima conferenza Solvay, 1933

Sedute in prima fila: Irene Joliot-Curie (seconda da sinistra),

Maria Skłodowska-Curie (quinta da sinistra), Lise Meitner (seconda da destra).

radioattività artificiale

La scoperta della radioattività artificiale non è stata un atto istantaneo. Nel febbraio 1933, bombardando alluminio, fluoro e poi sodio con particelle alfa, Joliot ottenne neutroni e isotopi sconosciuti. Nel luglio 1933 annunciarono che, irradiando l'alluminio con particelle alfa, osservavano non solo i neutroni, ma anche i positroni. Secondo Irene e Frederick, i positroni in questa reazione nucleare non avrebbero potuto essere formati come risultato della formazione di coppie elettrone-positrone, ma dovevano provenire dal nucleo atomico.

La settima conferenza Solvay (5) si tenne a Bruxelles il 22-29 ottobre 1933. Fu chiamata "La struttura e le proprietà dei nuclei atomici". Vi hanno partecipato 41 fisici, inclusi i più eminenti esperti mondiali in questo campo. Joliot ha riportato i risultati dei loro esperimenti, affermando che l'irradiazione di boro e alluminio con raggi alfa produce un neutrone con un positrone o un protone.. A questa conferenza Lisa Meitner Ha detto che negli stessi esperimenti con alluminio e fluoro non ha ottenuto lo stesso risultato. Nell'interpretazione, non condivideva l'opinione della coppia di Parigi sulla natura nucleare dell'origine dei positroni. Tuttavia, quando tornò a lavorare a Berlino, fece nuovamente questi esperimenti e il 18 novembre, in una lettera a Joliot-Curie, ammise che ora, a suo avviso, i positroni compaiono effettivamente dal nucleo.

Inoltre, questa conferenza Francesco Perrin, il loro pari e buon amico di Parigi, si è espresso sull'argomento dei positroni. Dagli esperimenti si sapeva che ottenevano uno spettro continuo di positroni, simile allo spettro delle particelle beta nel decadimento radioattivo naturale. Un'ulteriore analisi delle energie di positroni e neutroni Perrin è giunto alla conclusione che qui si dovrebbero distinguere due emissioni: prima l'emissione di neutroni, accompagnata dalla formazione di un nucleo instabile, e quindi l'emissione di positroni da questo nucleo.

Dopo la conferenza Joliot ha interrotto questi esperimenti per circa due mesi. E poi, nel dicembre 1933, Perrin pubblicò la sua opinione sull'argomento. Allo stesso tempo, anche a dicembre Enrico Fermi proposto la teoria del decadimento beta. Ciò è servito come base teorica per l'interpretazione delle esperienze. All'inizio del 1934, la coppia della capitale francese riprese i suoi esperimenti.

Esattamente l'11 gennaio, giovedì pomeriggio, Frédéric Joliot ha preso un foglio di alluminio e lo ha bombardato con particelle alfa per 10 minuti. Per la prima volta, ha utilizzato un contatore Geiger-Muller per il rilevamento e non la camera di nebbia, come prima. Notò con sorpresa che mentre rimuoveva la fonte di particelle alfa dalla lamina, il conteggio dei positroni non si fermava, i contatori continuavano a mostrarli, solo il loro numero diminuiva esponenzialmente. Ha determinato che l'emivita fosse di 3 minuti e 15 secondi. Quindi ha ridotto l'energia delle particelle alfa che cadevano sul foglio posizionando un freno di piombo sul loro percorso. E ha ottenuto meno positroni, ma l'emivita non è cambiata.

Quindi sottopose boro e magnesio agli stessi esperimenti e ottenne un'emivita in questi esperimenti rispettivamente di 14 minuti e 2,5 minuti. Successivamente, tali esperimenti furono condotti con idrogeno, litio, carbonio, berillio, azoto, ossigeno, fluoro, sodio, calcio, nichel e argento - ma non osservò un fenomeno simile a quello dell'alluminio, del boro e del magnesio. Il contatore Geiger-Muller non distingue tra particelle cariche positive e negative, quindi Frédéric Joliot ha anche verificato che in realtà tratta elettroni positivi. Anche l'aspetto tecnico è stato importante in questo esperimento, ovvero la presenza di una forte sorgente di particelle alfa e l'uso di un contatore di particelle cariche sensibile, come un contatore Geiger-Muller.

Come spiegato in precedenza dalla coppia Joliot-Curie, positroni e neutroni vengono rilasciati simultaneamente nella trasformazione nucleare osservata. Ora, seguendo i suggerimenti di Francis Perrin e leggendo le considerazioni di Fermi, la coppia ha concluso che la prima reazione nucleare ha prodotto un nucleo instabile e un neutrone, seguiti da beta più decadimento di quel nucleo instabile. Quindi potrebbero scrivere le seguenti reazioni:

I Joliot hanno notato che gli isotopi radioattivi risultanti avevano un'emivita troppo breve per esistere in natura. Annunciarono i loro risultati il ​​15 gennaio 1934, in un articolo intitolato "Un nuovo tipo di radioattività". All'inizio di febbraio sono riusciti a identificare il fosforo e l'azoto dalle prime due reazioni delle piccole quantità raccolte. Presto ci fu una profezia che più isotopi radioattivi potrebbero essere prodotti nelle reazioni di bombardamento nucleare, anche con l'aiuto di protoni, deuteroni e neutroni. A marzo Enrico Fermi ha scommesso che tali reazioni si sarebbero presto realizzate utilizzando i neutroni. Presto vinse lui stesso la scommessa.

Irena e Frederick furono insigniti del Premio Nobel per la Chimica nel 1935 per "la sintesi di nuovi elementi radioattivi". Questa scoperta ha aperto la strada alla produzione di isotopi radioattivi artificialmente, che hanno trovato molte applicazioni importanti e preziose nella ricerca di base, nella medicina e nell'industria.

Infine, vale la pena citare i fisici statunitensi, Ernesto Lorenzo con colleghi di Berkeley e ricercatori di Pasadena, tra i quali c'era un polacco che faceva uno stage Andrei Sultan. È stato osservato il conteggio degli impulsi da parte dei contatori, sebbene l'acceleratore avesse già smesso di funzionare. Non gli piaceva questo conteggio. Tuttavia, non si rendevano conto che si trattava di un nuovo importante fenomeno e che semplicemente mancava la scoperta della radioattività artificiale ...