Před trojitým uměním, tedy o objevu umělé radioaktivity

Čas od času se v historii fyziky objeví „báječné“ roky, kdy společné úsilí mnoha badatelů vede k řadě přelomových objevů. Tak to bylo s rokem 1820, rokem elektřiny, 1905, zázračným rokem Einsteinových čtyř prací, 1913, rokem spojeným se studiem struktury atomu, a nakonec 1932, kdy došlo k řadě technických objevů a pokroků v vytvoření jaderné fyziky.

novomanželé

Irene, nejstarší dcera Marie Skłodowské-Curie a Pierra Curieho, se narodila v Paříži v roce 1897 (1). Do dvanácti let byla vychovávána doma, v malé „škole“ vytvořené významnými vědci pro její děti, ve které bylo asi deset studentů. Učitelé byli: Marie Sklodowska-Curie (fyzika), Paul Langevin (matematika), Jean Perrin (chemie), humanitní obory vyučovaly především matky studentů. Výuka obvykle probíhala v učitelských domovech, zatímco děti studovaly fyziku a chemii ve skutečných laboratořích.

Výuka fyziky a chemie tedy byla získáváním vědomostí praktickým jednáním. Každý úspěšný experiment mladé badatele potěšil. Byly to skutečné experimenty, které bylo potřeba pochopit a pečlivě provést a děti v laboratoři Marie Curie musely být v příkladném pořádku. Bylo třeba získat i teoretické znalosti. Metoda, jak se osvědčil osud studentů této školy, později dobrých a vynikajících vědců.

2. Frederic Joliot (foto Harcourt)

Irenin dědeček z otcovy strany, lékař, se navíc osiřelé vnučce svého otce hodně věnoval, bavil se a doplňoval si její přírodovědné vzdělání. V roce 1914 Irene promovala na průkopnické Collège Sévigné a vstoupila na matematicko-přírodovědnou fakultu na Sorbonně. To se shodovalo se začátkem první světové války. V roce 1916 se připojila ke své matce a společně zorganizovali radiologickou službu ve francouzském Červeném kříži. Po válce získala bakalářský titul. V roce 1921 vyšla její první vědecká práce. Věnoval se určování atomové hmotnosti chloru z různých minerálů. Ve své další činnosti úzce spolupracovala s matkou, zabývala se radioaktivitou. Ve své doktorské disertační práci, obhájené v roce 1925, studovala alfa částice emitované poloniem.

Frederic Joliot narozen v roce 1900 v Paříži (2). Od osmi let navštěvoval školu v So, žil v internátní škole. V té době dával přednost sportu před studiem, především fotbalu. Poté vystřídal dvě střední školy. Stejně jako Irene Curie ztratil otce brzy. V roce 1919 složil zkoušku na École de Physique et de Chemie Industrielle de la Ville de Paris (Škola průmyslové fyziky a průmyslové chemie města Paříže). Absolvoval v roce 1923. Jeho profesor Paul Langevin se dozvěděl o Frederickových schopnostech a ctnostech. Po 15 měsících vojenské služby byl na příkaz Langevina jmenován osobním laboratorním asistentem Marie Skłodowské-Curie v Radium Institute s grantem Rockefellerovy nadace. Tam potkal Irene Curie a v roce 1926 se mladí lidé oženili.

Frederick dokončil svou doktorskou disertační práci o elektrochemii radioaktivních prvků v roce 1930. O něco dříve již zaměřil své zájmy na výzkum své ženy a po obhajobě Frederickovy doktorské disertační práce již spolupracovali. Jedním z jejich prvních významných úspěchů byl preparát polonia, který je silným zdrojem alfa částic, tzn. jádra helia.(₂⁴On). Začali z nepopiratelně privilegovaného postavení, protože to byla Marie Curie, kdo zásoboval svou dceru velkou částí polonia. Jejich pozdější spolupracovník Lew Kowarsky je popsal takto: Irena byla „vynikající technik“, „pracovala velmi krásně a pečlivě“, „hluboce rozuměla tomu, co dělá“. Její manžel měl „oslnivější, povznášející představivost“. "Dokonale se doplňovali a věděli to." Z hlediska dějin vědy pro ně byly nejzajímavější dva roky: 1932-34.

Téměř objevili neutron

„Téměř“ hodně záleží. O této smutné pravdě se dozvěděli velmi brzy. V roce 1930 v Berlíně dva Němci - Walter Bothe i Hubert Becker - Zkoumal, jak se lehké atomy chovají, když jsou bombardovány částicemi alfa. Berylliový štít (₄⁹Be) při bombardování částicemi alfa emitovaly extrémně pronikavé a vysokoenergetické záření. Podle experimentátorů muselo jít o silné elektromagnetické záření.

V této fázi se s problémem vypořádali Irena a Frederick. Jejich zdroj alfa částic byl vůbec nejsilnější. K pozorování reakčních produktů použili mlžnou komoru. Koncem ledna 1932 veřejně oznámili, že právě gama záření vyřadilo vysokoenergetické protony z látky obsahující vodík. Ještě nechápali, co je v jejich rukou a co se děje.. Po přečtení James Chadwick (3) v Cambridge se okamžitě pustil do práce v domnění, že se vůbec nejedná o gama záření, ale o neutrony, které Rutherford předpověděl několik let předem. Po sérii experimentů se přesvědčil o pozorování neutronu a zjistil, že jeho hmotnost je podobná hmotnosti protonu. 17. února 1932 zaslal do časopisu Nature poznámku s názvem „Možná existence neutronu“.

Ve skutečnosti to byl neutron, ačkoli Chadwick věřil, že neutron se skládá z protonu a elektronu. Teprve v roce 1934 pochopil a dokázal, že neutron je elementární částice. Chadwick získal Nobelovu cenu za fyziku v roce 1935. Navzdory zjištění, že přišli o důležitý objev, Joliot-Curiesovi pokračovali ve výzkumu v této oblasti. Uvědomili si, že tato reakce produkuje kromě neutronů i gama záření, a tak napsali jadernou reakci:

, kde Ef je energie gama-kvanta. Podobné experimenty byly provedeny s ₉¹⁹F.

Opět zmeškané otevření

Pár měsíců před objevem pozitronu měla Joliot-Curie mimo jiné fotografie zakřivené dráhy, jako by to byl elektron, ale kroutící se v opačném směru než elektron. Fotografie byly pořízeny v mlhové komoře umístěné v magnetickém poli. Na základě toho manželé hovořili o elektronech jdoucích dvěma směry, od zdroje a ke zdroji. Ve skutečnosti ty spojené se směrem „ke zdroji“ byly pozitrony nebo kladné elektrony pohybující se od zdroje.

Mezitím ve Spojených státech koncem léta 1932 Carl David Anderson (4), syn švédských přistěhovalců, studoval kosmické záření v oblačné komoře pod vlivem magnetického pole. Kosmické záření přichází na Zemi zvenčí. Anderson, aby si byl jistý směrem a pohybem částic, prošel částice uvnitř komory kovovou deskou, kde ztratily část energie. 2. srpna uviděl stopu, kterou nepochybně interpretoval jako kladný elektron.

Stojí za zmínku, že Dirac již dříve předpověděl teoretickou existenci takové částice. Anderson se však při studiu kosmického záření neřídil žádnými teoretickými principy. V této souvislosti označil svůj objev za náhodný.

Joliot-Curie se opět musela smířit s nepopiratelnou profesí, ale pustila se do dalšího výzkumu v této oblasti. Zjistili, že fotony gama záření mohou zmizet v blízkosti těžkého jádra a vytvořit elektron-pozitronový pár, zřejmě v souladu se slavným Einsteinovým vzorcem E = mc2 a zákonem zachování energie a hybnosti. Později Frederick sám dokázal, že existuje proces mizení elektron-pozitronového páru, který dává vzniknout dvěma gama kvantům. Kromě pozitronů z elektron-pozitronových párů měli pozitrony z jaderných reakcí.

5. Sedmá Solvayova konference, 1933

Sedící v první řadě: Irene Joliot-Curie (druhá zleva),

Maria Skłodowska-Curie (pátá zleva), Lise Meitner (druhá zprava).

umělá radioaktivita

Objev umělé radioaktivity nebyl okamžitý. V únoru 1933, bombardováním hliníku, fluoru a poté sodíku částicemi alfa, získal Joliot neutrony a neznámé izotopy. V červenci 1933 oznámili, že ozařováním hliníku alfa částicemi pozorovali nejen neutrony, ale i pozitrony. Podle Irene a Fredericka nemohly pozitrony v této jaderné reakci vzniknout jako výsledek tvorby elektron-pozitronových párů, ale musely pocházet z atomového jádra.

Sedmá Solvayova konference (5) se konala v Bruselu ve dnech 22. – 29. října 1933. Nesla název „Struktura a vlastnosti atomových jader“. Zúčastnilo se ho 41 fyziků včetně nejvýznamnějších odborníků v této oblasti na světě. Joliot oznámil výsledky svých experimentů a uvedl, že ozařováním bóru a hliníku alfa paprsky vzniká buď neutron s pozitronem, nebo proton.. Na této konferenci Lisa Meitnerová Řekla, že ve stejných experimentech s hliníkem a fluorem nedosáhla stejného výsledku. Ve výkladu nesdílela názor manželů z Paříže na jadernou podstatu vzniku pozitronů. Když se však vrátila do práce v Berlíně, provedla tyto experimenty znovu a 18. listopadu v dopise Joliot-Curie přiznala, že nyní se podle ní pozitrony z jádra skutečně objevují.

Navíc tato konference Francis Perrin, jejich vrstevník a dobrý přítel z Paříže, promluvil na téma pozitrony. Z experimentů bylo známo, že získali spojité spektrum pozitronů, podobné spektru beta částic v přirozeném radioaktivním rozpadu. Další analýzou energií pozitronů a neutronů Perrin došel k závěru, že je zde třeba rozlišovat dvě emise: za prvé emise neutronů, doprovázené vznikem nestabilního jádra, a poté emise pozitronů z tohoto jádra.

Po konferenci Joliot zastavil tyto experimenty asi na dva měsíce. A pak, v prosinci 1933, Perrin zveřejnil svůj názor na věc. Ve stejnou dobu také v prosinci Enrico Fermi navrhl teorii beta rozpadu. To posloužilo jako teoretický základ pro interpretaci zkušeností. Počátkem roku 1934 manželé z francouzského hlavního města obnovili své experimenty.

Přesně 11. ledna, ve čtvrtek odpoledne, vzal Frédéric Joliot hliníkovou fólii a bombardoval ji alfa částicemi po dobu 10 minut. Poprvé k detekci použil Geiger-Mullerův počítač a ne mlhovou komoru jako dříve. S překvapením si všiml, že jak odstranil zdroj částic alfa z fólie, počítání pozitronů se nezastavilo, čítače je ukazovaly dál, jen jejich počet exponenciálně klesal. Stanovil poločas rozpadu na 3 minuty a 15 sekund. Poté snížil energii alfa částic dopadajících na fólii umístěním olověné brzdy do jejich dráhy. A dostal méně pozitronů, ale poločas rozpadu se nezměnil.

Poté podrobil stejným experimentům bor a hořčík a získal poločasy v těchto experimentech 14 minut a 2,5 minuty. Následně takové pokusy prováděl s vodíkem, lithiem, uhlíkem, beryliem, dusíkem, kyslíkem, fluorem, sodíkem, vápníkem, niklem a stříbrem – nepozoroval však podobný jev jako u hliníku, boru a hořčíku. Geiger-Mullerův počítač nerozlišuje mezi kladně a záporně nabitými částicemi, takže Frédéric Joliot také ověřil, že se skutečně zabývá kladnými elektrony. V tomto experimentu byl důležitý i technický aspekt, tj. přítomnost silného zdroje alfa částic a použití citlivého čítače nabitých částic, jako je Geiger-Mullerův počítač.

Jak již bylo dříve vysvětleno párem Joliot-Curie, pozitrony a neutrony se uvolňují současně při pozorované jaderné transformaci. Nyní, na základě návrhů Francise Perrina a přečtení Fermiho úvah, pár dospěl k závěru, že první jaderná reakce vytvořila nestabilní jádro a neutron, po nichž následoval beta plus rozpad tohoto nestabilního jádra. Mohli tedy napsat následující reakce:

Joliotové si všimli, že výsledné radioaktivní izotopy mají příliš krátké poločasy na to, aby existovaly v přírodě. Své výsledky oznámili 15. ledna 1934 v článku nazvaném „Nový typ radioaktivity“. Na začátku února se jim podařilo identifikovat fosfor a dusík z prvních dvou reakcí ze shromážděných malých množství. Brzy se objevilo proroctví, že při reakcích jaderného bombardování by mohlo být produkováno více radioaktivních izotopů, také s pomocí protonů, deuteronů a neutronů. V březnu Enrico Fermi vsadil, že takové reakce budou brzy prováděny pomocí neutronů. Brzy sám vyhrál sázku.

Irena a Frederick získali v roce 1935 Nobelovu cenu za chemii za „syntézu nových radioaktivních prvků“. Tento objev otevřel cestu k výrobě uměle radioaktivních izotopů, které našly mnoho důležitých a cenných aplikací v základním výzkumu, medicíně a průmyslu.

Nakonec stojí za zmínku fyzikové z USA, Ernest Lawrence s kolegy z Berkeley a výzkumníky z Pasadeny, mezi nimiž byl i Polák, který byl na stáži Andrej Sultán. Bylo pozorováno počítání pulsů počítadly, ačkoliv urychlovač již přestal fungovat. Toto počítání se jim nelíbilo. Neuvědomili si však, že mají co do činění s důležitým novým fenoménem a že jim prostě chybí objev umělé radioaktivity...