Vor der Dreifachkunst, also um die Entdeckung der künstlichen Radioaktivität

In der Geschichte der Physik gibt es von Zeit zu Zeit „wunderbare“ Jahre, in denen die gemeinsamen Anstrengungen vieler Forscher zu einer Reihe bahnbrechender Entdeckungen führten. So war es mit 1820, dem Jahr der Elektrizität, 1905, dem wundersamen Jahr von Einsteins vier Aufsätzen, 1913, dem Jahr, das mit der Erforschung der Struktur des Atoms verbunden ist, und schließlich 1932, als eine Reihe technischer Entdeckungen und Fortschritte erzielt wurden Atomkraft wurde geschaffen. Physik.

Frischvermählte

Irene, die älteste Tochter von Marie Skłodowska-Curie und Pierre Curie, wurde 1897 in Paris geboren (1). Bis zu ihrem zwölften Lebensjahr wuchs sie zu Hause in einer kleinen „Schule“ auf, die von bedeutenden Wissenschaftlern für ihre Kinder gegründet wurde und in der etwa zehn Schüler lebten. Die Lehrer waren: Marie Sklodowska-Curie (Physik), Paul Langevin (Mathematik), Jean Perrin (Chemie), und die Geisteswissenschaften wurden hauptsächlich von den Müttern der Schüler unterrichtet. Der Unterricht fand in der Regel bei den Lehrern zu Hause statt, während die Kinder in echten Laboren Physik und Chemie lernten.

Somit war die Lehre von Physik und Chemie die Aneignung von Wissen durch praktisches Handeln. Jedes erfolgreiche Experiment begeisterte junge Forscher. Dies waren echte Experimente, die verstanden und sorgfältig durchgeführt werden mussten, und die Kinder in Marie Curies Labor mussten in vorbildlicher Ordnung sein. Auch theoretisches Wissen musste erworben werden. Die Methode, wie sie das Schicksal der Schüler dieser Schule, später guter und herausragender Wissenschaftler, war, erwies sich als wirksam.

2. Frederic Joliot (Foto Harcourt)

Darüber hinaus widmete Irenas Großvater väterlicherseits, ein Arzt, viel Zeit der verwaisten Enkelin seines Vaters, hatte Spaß und ergänzte ihre naturwissenschaftliche Ausbildung. Im Jahr 1914 schloss Irene ihr Studium am bahnbrechenden Collège Sévigné ab und trat in die Fakultät für Mathematik und Naturwissenschaften der Sorbonne ein. Dies fiel mit dem Beginn des Ersten Weltkriegs zusammen. 1916 schloss sie sich ihrer Mutter an und gemeinsam organisierten sie einen radiologischen Dienst beim Französischen Roten Kreuz. Nach dem Krieg erhielt sie einen Bachelor-Abschluss. 1921 erschien ihre erste wissenschaftliche Arbeit. Er widmete sich der Bestimmung der Atommasse von Chlor aus verschiedenen Mineralien. In ihrer weiteren Tätigkeit arbeitete sie eng mit ihrer Mutter zusammen und beschäftigte sich mit Radioaktivität. In ihrer 1925 verteidigten Doktorarbeit untersuchte sie die von Polonium emittierten Alphateilchen.

Frederic Joliot geboren 1900 in Paris (2). Ab seinem achten Lebensjahr besuchte er die Schule in So, lebte in einem Internat. Damals zog er Sport dem Studium vor, insbesondere Fußball. Anschließend besuchte er abwechselnd zwei Gymnasien. Wie Irene Curie verlor er seinen Vater früh. 1919 legte er die Prüfung an der École de Physique et de Chemie Industrielle de la Ville de Paris (Schule für Industriephysik und Industriechemie der Stadt Paris) ab. Er schloss sein Studium 1923 ab. Sein Professor Paul Langevin erfuhr von Friedrichs Fähigkeiten und Tugenden. Nach 15 Monaten Militärdienst wurde er auf Befehl von Langevin mit einem Stipendium der Rockefeller Foundation zum persönlichen Laborassistenten von Marie Skłodowska-Curie am Radium Institute ernannt. Dort lernte er Irene Curie kennen und 1926 heirateten die jungen Leute.

Frederick schloss 1930 seine Doktorarbeit über die Elektrochemie radioaktiver Elemente ab. Schon etwas früher konzentrierte er sein Interesse auf die Forschungen seiner Frau, und nachdem er Friedrichs Doktorarbeit verteidigt hatte, arbeiteten sie bereits zusammen. Einer ihrer ersten wichtigen Erfolge war ein Präparat aus Polonium, das eine starke Quelle für Alphateilchen ist, d. h. Heliumkerne.(₂⁴Er). Sie starteten in einer unbestreitbar privilegierten Position, denn es war Marie Curie, die ihre Tochter mit einer großen Portion Polonium versorgte. Lew Kowarsky, ihr späterer Mitarbeiter, beschrieb sie wie folgt: Irena war „eine ausgezeichnete Technikerin“, „sie arbeitete sehr schön und sorgfältig“, „sie verstand zutiefst, was sie tat.“ Ihr Mann hatte „eine umwerfendere, aufsteigendere Fantasie“. „Sie haben sich perfekt ergänzt und das wussten sie.“ Aus wissenschaftshistorischer Sicht waren für sie zwei Jahre am interessantesten: 1932-34.

Sie hätten fast das Neutron entdeckt

„Fast“ ist sehr wichtig. Sie erfuhren sehr bald von dieser traurigen Wahrheit. 1930 in Berlin, zwei Deutsche - Walter Bothe i Hubert Becker - Untersucht, wie sich leichte Atome verhalten, wenn sie mit Alphateilchen bombardiert werden. Beryllium-Schild (₄⁹Werden sie mit Alphateilchen beschossen, emittieren sie äußerst durchdringende und energiereiche Strahlung. Den Experimentatoren zufolge muss es sich bei dieser Strahlung um starke elektromagnetische Strahlung gehandelt haben.

Zu diesem Zeitpunkt beschäftigten sich Irena und Frederick mit dem Problem. Ihre Alphateilchenquelle war die stärkste aller Zeiten. Um die Reaktionsprodukte zu beobachten, nutzten sie eine Nebelkammer. Ende Januar 1932 gaben sie öffentlich bekannt, dass es Gammastrahlen seien, die hochenergetische Protonen aus einer wasserstoffhaltigen Substanz herausschlugen. Sie verstanden noch nicht, was in ihren Händen war und was geschah.. Nach dem Lesen James Chadwick (3) In Cambridge machte er sich sofort an die Arbeit, da er dachte, dass es sich überhaupt nicht um Gammastrahlung handelte, sondern um Neutronen, die Rutherford mehrere Jahre im Voraus vorhergesagt hatte. Nach einer Reihe von Experimenten war er von der Beobachtung des Neutrons überzeugt und stellte fest, dass seine Masse der des Protons ähnelt. Am 17. Februar 1932 reichte er bei der Zeitschrift Nature eine Notiz mit dem Titel „Die mögliche Existenz des Neutrons“ ein.

Tatsächlich handelte es sich um ein Neutron, obwohl Chadwick glaubte, dass ein Neutron aus einem Proton und einem Elektron bestehe. Erst 1934 verstand und bewies er, dass das Neutron ein Elementarteilchen ist. Chadwick erhielt 1935 den Nobelpreis für Physik. Trotz der Erkenntnis, dass ihnen eine wichtige Entdeckung entgangen war, setzten die Joliot-Curies ihre Forschungen auf diesem Gebiet fort. Sie erkannten, dass diese Reaktion neben Neutronen auch Gammastrahlen erzeugte, und schrieben daher die Kernreaktion:

, wobei Ef die Energie des Gammaquants ist. Ähnliche Experimente wurden mit durchgeführt ₉¹⁹F.

Wieder Öffnung verpasst

Einige Monate vor der Entdeckung des Positrons hatte Joliot-Curie unter anderem Fotos von einer gekrümmten Bahn, als wäre es ein Elektron, die sich jedoch in die entgegengesetzte Richtung des Elektrons drehte. Die Fotos wurden in einer Nebelkammer aufgenommen, die sich in einem Magnetfeld befand. Auf dieser Grundlage sprach das Paar über Elektronen, die in zwei Richtungen wandern, von der Quelle und zur Quelle. Tatsächlich handelte es sich bei denjenigen, die mit der Richtung „zur Quelle hin“ verbunden waren, um Positronen oder positive Elektronen, die sich von der Quelle wegbewegten.

Inzwischen, in den Vereinigten Staaten, im Spätsommer 1932, Carl David Anderson (4), der Sohn schwedischer Einwanderer, untersuchte kosmische Strahlung in einer Nebelkammer unter dem Einfluss eines Magnetfelds. Kosmische Strahlung kommt von außen auf die Erde. Um die Richtung und Bewegung der Partikel genau zu bestimmen, ließ Anderson die Partikel innerhalb der Kammer durch eine Metallplatte passieren, wo sie einen Teil ihrer Energie verloren. Am 2. August sah er eine Spur, die er zweifellos als positives Elektron interpretierte.

Es ist erwähnenswert, dass Dirac zuvor die theoretische Existenz eines solchen Teilchens vorhergesagt hatte. Allerdings folgte Anderson bei seinen Studien zur kosmischen Strahlung keinen theoretischen Prinzipien. In diesem Zusammenhang bezeichnete er seine Entdeckung als Zufall.

Auch hier musste sich Joliot-Curie mit einem unbestreitbaren Beruf abfinden, unternahm aber weitere Forschungen auf diesem Gebiet. Sie fanden heraus, dass Gammastrahlenphotonen in der Nähe eines schweren Kerns verschwinden und ein Elektron-Positron-Paar bilden können, offenbar in Übereinstimmung mit Einsteins berühmter Formel E = mc2 und dem Gesetz der Energie- und Impulserhaltung. Später bewies Friedrich selbst, dass es einen Prozess des Verschwindens eines Elektron-Positron-Paares gibt, wodurch zwei Gammaquanten entstehen. Zusätzlich zu Positronen aus Elektron-Positron-Paaren hatten sie Positronen aus Kernreaktionen.

5. Siebte Solvay-Konferenz, 1933

In der ersten Reihe sitzend: Irene Joliot-Curie (zweite von links),

Maria Skłodowska-Curie (fünfte von links), Lise Meitner (zweite von rechts).

Künstliche Radioaktivität

Die Entdeckung der künstlichen Radioaktivität war kein spontaner Akt. Im Februar 1933 erhielt Joliot durch den Beschuss von Aluminium, Fluor und dann Natrium mit Alphateilchen Neutronen und unbekannte Isotope. Im Juli 1933 gaben sie bekannt, dass sie durch die Bestrahlung von Aluminium mit Alphateilchen nicht nur Neutronen, sondern auch Positronen beobachteten. Nach Ansicht von Irene und Frederick konnten die Positronen bei dieser Kernreaktion nicht durch die Bildung von Elektron-Positron-Paaren entstanden sein, sondern mussten aus dem Atomkern stammen.

Die Siebte Solvay-Konferenz (5) fand vom 22. bis 29. Oktober 1933 in Brüssel statt. Sie trug den Titel „Die Struktur und Eigenschaften von Atomkernen“. An der Veranstaltung nahmen 41 Physiker teil, darunter die weltweit bedeutendsten Experten auf diesem Gebiet. Joliot berichtete über die Ergebnisse ihrer Experimente und stellte fest, dass die Bestrahlung von Bor und Aluminium mit Alphastrahlen entweder ein Neutron mit einem Positron oder ein Proton erzeugt.. Auf dieser Konferenz Lisa Meitner Sie sagte, dass sie bei denselben Experimenten mit Aluminium und Fluor nicht das gleiche Ergebnis erzielt habe. In der Interpretation teilte sie nicht die Meinung des Paares aus Paris über die nukleare Natur der Entstehung von Positronen. Als sie jedoch nach Berlin zurückkehrte, führte sie diese Experimente erneut durch und gab am 18. November in einem Brief an Joliot-Curie zu, dass ihrer Meinung nach nun tatsächlich Positronen aus dem Kern austreten.

Darüber hinaus ist diese Konferenz Francis Perrin, ihr Kollege und guter Freund aus Paris, äußerte sich zum Thema Positronen. Aus Experimenten war bekannt, dass sie ein kontinuierliches Spektrum von Positronen erhielten, ähnlich dem Spektrum von Betateilchen beim natürlichen radioaktiven Zerfall. Eine weitere Analyse der Energien von Positronen und Neutronen kam Perrin zu dem Schluss, dass hier zwei Emissionen unterschieden werden sollten: zunächst die Emission von Neutronen, begleitet von der Bildung eines instabilen Kerns, und dann die Emission von Positronen aus diesem Kern.

Nach der Konferenz stoppte Joliot diese Experimente für etwa zwei Monate. Und dann, im Dezember 1933, veröffentlichte Perrin seine Meinung zu diesem Thema. Zur gleichen Zeit, auch im Dezember Enrico Fermi schlug die Theorie des Beta-Zerfalls vor. Dies diente als theoretische Grundlage für die Interpretation von Erfahrungen. Anfang 1934 nahm das Ehepaar aus der französischen Hauptstadt seine Experimente wieder auf.

Genau am Donnerstagnachmittag des 11. Januar nahm Frédéric Joliot Aluminiumfolie und bombardierte sie zehn Minuten lang mit Alphateilchen. Zum ersten Mal nutzte er zur Erkennung einen Geiger-Müller-Zähler und nicht wie zuvor die Nebelkammer. Er war überrascht, als er feststellte, dass die Zählung der Positronen nicht aufhörte, als er die Quelle der Alphateilchen von der Folie entfernte. Die Zähler zeigten sie weiterhin an, nur dass ihre Zahl exponentiell abnahm. Er bestimmte die Halbwertszeit auf 10 Minuten und 3 Sekunden. Dann reduzierte er die Energie der auf die Folie fallenden Alphateilchen, indem er ihnen eine Bleibremse in den Weg stellte. Und es bekam weniger Positronen, aber die Halbwertszeit änderte sich nicht.

Dann unterzog er dieselben Experimente mit Bor und Magnesium und erhielt in diesen Experimenten Halbwertszeiten von 14 Minuten bzw. 2,5 Minuten. Anschließend wurden solche Experimente mit Wasserstoff, Lithium, Kohlenstoff, Beryllium, Stickstoff, Sauerstoff, Fluor, Natrium, Kalzium, Nickel und Silber durchgeführt – ein ähnliches Phänomen wie bei Aluminium, Bor und Magnesium beobachtete er jedoch nicht. Da der Geiger-Müller-Zähler nicht zwischen positiv und negativ geladenen Teilchen unterscheidet, hat Frédéric Joliot auch nachgewiesen, dass es sich tatsächlich um positive Elektronen handelt. Auch der technische Aspekt war bei diesem Experiment wichtig, d. h. das Vorhandensein einer starken Quelle von Alphateilchen und die Verwendung eines empfindlichen Zählers für geladene Teilchen, beispielsweise eines Geiger-Müller-Zählers.

Wie zuvor durch das Joliot-Curie-Paar erklärt, werden bei der beobachteten Kernumwandlung Positronen und Neutronen gleichzeitig freigesetzt. Nun folgte das Paar den Vorschlägen von Francis Perrin und las Fermis Überlegungen und kam zu dem Schluss, dass die erste Kernreaktion einen instabilen Kern und ein Neutron erzeugte, gefolgt von einem Beta- und Zerfall dieses instabilen Kerns. So könnten sie die folgenden Reaktionen schreiben:

Die Joliots bemerkten, dass die resultierenden radioaktiven Isotope eine zu kurze Halbwertszeit hatten, um in der Natur zu existieren. Sie gaben ihre Ergebnisse am 15. Januar 1934 in einem Artikel mit dem Titel „Eine neue Art von Radioaktivität“ bekannt. Anfang Februar gelang es ihnen, aus den gesammelten geringen Mengen Phosphor und Stickstoff aus den ersten beiden Reaktionen zu identifizieren. Bald gab es eine Prophezeiung, dass bei nuklearen Bombardierungsreaktionen, auch mit Hilfe von Protonen, Deuteronen und Neutronen, mehr radioaktive Isotope entstehen könnten. Im März schloss Enrico Fermi eine Wette ab, dass solche Reaktionen bald mit Neutronen durchgeführt werden könnten. Er gewann die Wette bald selbst.

Irena und Frederik erhielten 1935 den Nobelpreis für Chemie für „die Synthese neuer radioaktiver Elemente“. Diese Entdeckung ebnete den Weg für die Herstellung künstlich radioaktiver Isotope, die viele wichtige und wertvolle Anwendungen in der Grundlagenforschung, Medizin und Industrie gefunden haben.

Abschließend sind noch Physiker aus den USA zu erwähnen, Ernst Lawrence mit Kollegen aus Berkeley und Forschern aus Pasadena, darunter ein Pole, der ein Praktikum absolvierte Andrzej Soltan. Das Zählen der Impulse durch die Zähler wurde beobachtet, obwohl das Beschleuniger bereits nicht mehr funktionierte. Diese Zählung gefiel ihnen nicht. Sie erkannten jedoch nicht, dass sie es mit einem wichtigen neuen Phänomen zu tun hatten und dass ihnen einfach die Entdeckung der künstlichen Radioaktivität fehlte ...