ก่อนสามศิลปะ นั่นคือ เกี่ยวกับการค้นพบกัมมันตภาพรังสีเทียม

บางครั้งในประวัติศาสตร์ของฟิสิกส์ อาจมีปีที่ "วิเศษ" ที่ความพยายามร่วมกันของนักวิจัยหลายคนนำไปสู่การค้นพบครั้งสำคัญ ดังนั้นในปี ค.ศ. 1820 ซึ่งเป็นปีแห่งไฟฟ้า ค.ศ. 1905 ปีอัศจรรย์ของเอกสารสี่ฉบับของไอน์สไตน์ ค.ศ. 1913 ซึ่งเป็นปีที่เกี่ยวข้องกับการศึกษาโครงสร้างของอะตอม และสุดท้ายคือปี พ.ศ. 1932 เมื่อชุดของการค้นพบทางเทคนิคและความก้าวหน้าใน การสร้างฟิสิกส์นิวเคลียร์

คู่บ่าวสาว

ไอรีนลูกสาวคนโตของ Marie Skłodowska-Curie และ Pierre Curie เกิดที่ปารีสในปี พ.ศ. 1897 (1) จนกระทั่งอายุสิบสองปี เธอถูกเลี้ยงดูมาที่บ้าน ใน "โรงเรียน" เล็กๆ ที่สร้างขึ้นโดยนักวิทยาศาสตร์ที่มีชื่อเสียงสำหรับลูกๆ ของเธอ ซึ่งมีนักเรียนประมาณสิบคน ครูคือ: Marie Sklodowska-Curie (ฟิสิกส์), Paul Langevin (คณิตศาสตร์), Jean Perrin (เคมี) และมนุษยศาสตร์ได้รับการสอนโดยมารดาของนักเรียนเป็นหลัก บทเรียนมักเกิดขึ้นที่บ้านครู ในขณะที่เด็กๆ เรียนฟิสิกส์และเคมีในห้องปฏิบัติการจริง

ดังนั้น การสอนฟิสิกส์และเคมีจึงเป็นการได้มาซึ่งความรู้ผ่านการปฏิบัติจริง การทดลองที่ประสบความสำเร็จแต่ละครั้งสร้างความยินดีให้กับนักวิจัยรุ่นเยาว์ นี่เป็นการทดลองจริงที่ต้องทำความเข้าใจและดำเนินการอย่างระมัดระวัง และเด็ก ๆ ในห้องทดลองของ Marie Curie จะต้องเป็นแบบอย่างที่ดี ต้องได้รับความรู้ทางทฤษฎีด้วย วิธีการดังกล่าวเป็นชะตากรรมของนักเรียนในโรงเรียนนี้ซึ่งต่อมานักวิทยาศาสตร์ที่ดีและโดดเด่นได้พิสูจน์แล้วว่ามีประสิทธิภาพ

2. Frederic Joliot (ภาพโดย Harcourt)

ยิ่งไปกว่านั้น แพทย์ซึ่งเป็นปู่ของ Irena ได้อุทิศเวลาให้กับหลานสาวกำพร้าของพ่ออย่างมาก สนุกสนานและเสริมความรู้ด้านวิทยาศาสตร์ธรรมชาติของเธอ ในปี 1914 ไอรีนสำเร็จการศึกษาจากวิทยาลัยผู้บุกเบิก Sévigné และเข้าเรียนคณะคณิตศาสตร์และวิทยาศาสตร์ที่ซอร์บอนน์ ซึ่งใกล้เคียงกับการเริ่มต้นของสงครามโลกครั้งที่หนึ่ง ในปีพ.ศ. 1916 เธอได้เข้าร่วมกับมารดาของเธอและได้ร่วมกันจัดบริการด้านรังสีวิทยาในสภากาชาดฝรั่งเศส หลังสงครามเธอได้รับปริญญาตรี ในปีพ.ศ. 1921 มีการเผยแพร่ผลงานทางวิทยาศาสตร์ชิ้นแรกของเธอ เขาทุ่มเทให้กับการกำหนดมวลอะตอมของคลอรีนจากแร่ธาตุต่างๆ ในกิจกรรมต่อไปของเธอ เธอทำงานอย่างใกล้ชิดกับแม่ของเธอเพื่อจัดการกับกัมมันตภาพรังสี ในวิทยานิพนธ์ระดับปริญญาเอกของเธอซึ่งได้รับการปกป้องในปี 1925 เธอศึกษาอนุภาคแอลฟาที่ปล่อยออกมาจากพอโลเนียม

เฟรเดอริก โจเลียต เกิดในปี 1900 ในปารีส (2) ตั้งแต่อายุแปดขวบเขาเข้าเรียนที่โรงเรียนในโซ อาศัยอยู่ในโรงเรียนประจำ ในเวลานั้นเขาชอบเล่นกีฬามากกว่าเรียนโดยเฉพาะฟุตบอล จากนั้นเขาก็ผลัดกันเข้าเรียนในโรงเรียนมัธยมศึกษาตอนปลายสองแห่ง เช่นเดียวกับไอรีน คูรี เขาเสียพ่อไปตั้งแต่เนิ่นๆ ในปี 1919 เขาสอบผ่านที่ École de Physique et de Chemie Industrielle de la Ville de Paris (โรงเรียนฟิสิกส์อุตสาหกรรมและเคมีอุตสาหกรรมแห่งเมืองปารีส) เขาสำเร็จการศึกษาในปี 1923 ศาสตราจารย์ Paul Langevin ได้เรียนรู้ถึงความสามารถและคุณธรรมของ Frederick หลังจากรับราชการทหาร 15 เดือน ตามคำสั่งของ Langevin เขาได้รับแต่งตั้งให้เป็นผู้ช่วยห้องปฏิบัติการส่วนตัวของ Marie Skłodowska-Curie ที่สถาบันเรเดียมด้วยทุนสนับสนุนจากมูลนิธิร็อคกี้เฟลเลอร์ ที่นั่นเขาได้พบกับไอรีนคูรีและในปี 1926 คนหนุ่มสาวแต่งงานกัน

เฟรเดอริกสำเร็จการศึกษาระดับปริญญาเอกด้านไฟฟ้าเคมีของธาตุกัมมันตภาพรังสีในปี 1930 ก่อนหน้านี้เล็กน้อย เขาได้มุ่งความสนใจไปที่การวิจัยของภรรยาแล้ว และหลังจากปกป้องวิทยานิพนธ์ระดับปริญญาเอกของเฟรเดอริค ทั้งคู่ก็ทำงานร่วมกันแล้ว ความสำเร็จที่สำคัญประการแรกของพวกเขาคือการเตรียมพอโลเนียมซึ่งเป็นแหล่งอนุภาคแอลฟาที่แข็งแกร่ง กล่าวคือ นิวเคลียสของฮีเลียม(₂⁴เขา). พวกเขาเริ่มต้นจากตำแหน่งที่ได้รับสิทธิพิเศษอย่างปฏิเสธไม่ได้ เพราะ Marie Curie เป็นผู้จัดหาพอโลเนียมให้กับลูกสาวของเธอ Lew Kowarsky ซึ่งเป็นผู้ทำงานร่วมกันในภายหลังได้อธิบายไว้ดังนี้: Irena เป็น "ช่างเทคนิคที่ยอดเยี่ยม", "เธอทำงานอย่างสวยงามและรอบคอบมาก", "เธอเข้าใจอย่างลึกซึ้งถึงสิ่งที่เธอทำ" สามีของเธอมี "พวกเขาเติมเต็มซึ่งกันและกันอย่างสมบูรณ์แบบและรู้เรื่องนี้" จากมุมมองของประวัติศาสตร์วิทยาศาสตร์ สิ่งที่น่าสนใจที่สุดสำหรับพวกเขาคือสองปี: 1932-34

พวกเขาเกือบจะค้นพบนิวตรอน

"เกือบ" มีความสำคัญมาก พวกเขาเรียนรู้เกี่ยวกับความจริงอันน่าเศร้านี้ในไม่ช้า ในปี 1930 ในกรุงเบอร์ลิน ชาวเยอรมันสองคน - Walter Bothe i Hubert Becker - ตรวจสอบว่าอะตอมของแสงมีพฤติกรรมอย่างไรเมื่อถูกระดมยิงด้วยอนุภาคแอลฟา เบริลเลียมชิลด์ (₄⁹เป็น) เมื่อถูกทิ้งระเบิดด้วยอนุภาคแอลฟาที่ปล่อยออกมาอย่างทะลุทะลวงและรังสีพลังงานสูง ตามที่ผู้ทดลองกล่าวว่ารังสีนี้ต้องเป็นรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่แรง

ในขั้นตอนนี้ Irena และ Frederick จัดการกับปัญหา แหล่งที่มาของอนุภาคแอลฟานั้นทรงพลังที่สุดเท่าที่เคยมีมา พวกเขาใช้ห้องเมฆเพื่อสังเกตผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยา เมื่อสิ้นเดือนมกราคม พ.ศ. 1932 พวกเขาประกาศต่อสาธารณชนว่าเป็นรังสีแกมมาที่เคาะโปรตอนพลังงานสูงออกจากสารที่มีไฮโดรเจน พวกเขายังไม่เข้าใจว่ามีอะไรอยู่ในมือและเกิดอะไรขึ้น. ก่อนอ่าน เจมส์ แชดวิก (3) ที่เคมบริดจ์เขาเริ่มทำงานทันทีโดยคิดว่ามันไม่ใช่รังสีแกมมาเลย แต่เป็นนิวตรอนที่ Rutherford ทำนายไว้ล่วงหน้าหลายปี หลังจากการทดลองหลายครั้ง เขาเริ่มเชื่อมั่นในการสังเกตนิวตรอนและพบว่ามวลของมันใกล้เคียงกับของโปรตอน เมื่อวันที่ 17 กุมภาพันธ์ พ.ศ. 1932 เขาได้ส่งบันทึกไปยังวารสาร Nature ชื่อ "The Possible Existence of the Neutron"

แท้จริงแล้วมันคือนิวตรอน แม้ว่าแชดวิกเชื่อว่านิวตรอนประกอบด้วยโปรตอนและอิเล็กตรอน เฉพาะในปี 1934 เท่านั้นที่เขาเข้าใจและพิสูจน์ว่านิวตรอนเป็นอนุภาคมูลฐาน Chadwick ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 1935 แม้จะตระหนักว่าพวกเขาพลาดการค้นพบที่สำคัญ แต่ Joliot-Curies ยังคงทำการวิจัยในพื้นที่นี้ต่อไป พวกเขาตระหนักว่าปฏิกิริยานี้ทำให้เกิดรังสีแกมมานอกเหนือจากนิวตรอน ดังนั้นพวกเขาจึงเขียนปฏิกิริยานิวเคลียร์:

โดยที่ Ef เป็นพลังงานของแกมมา-ควอนตัม ทำการทดลองที่คล้ายกันกับ ₉¹⁹F.

พลาดการเปิดอีกแล้ว

ไม่กี่เดือนก่อนการค้นพบโพซิตรอน Joliot-Curie มีรูปถ่ายของเส้นทางโค้งราวกับว่ามันเป็นอิเล็กตรอน แต่บิดไปในทิศทางตรงกันข้ามกับอิเล็กตรอน ภาพถ่ายถูกถ่ายในห้องหมอกที่อยู่ในสนามแม่เหล็ก จากสิ่งนี้ ทั้งคู่ได้พูดคุยเกี่ยวกับอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ไปในสองทิศทาง จากแหล่งกำเนิดและไปยังแหล่งกำเนิด อันที่จริง สิ่งที่เกี่ยวข้องกับทิศทาง "ไปยังแหล่งกำเนิด" คือโพซิตรอน หรืออิเล็กตรอนบวกเคลื่อนออกจากแหล่งกำเนิด

ในขณะเดียวกัน ในสหรัฐอเมริกาในช่วงปลายฤดูร้อนปี 1932 คาร์ล เดวิด แอนเดอร์สัน (4) บุตรชายของผู้อพยพชาวสวีเดน ศึกษารังสีคอสมิกในห้องเมฆภายใต้อิทธิพลของสนามแม่เหล็ก รังสีคอสมิกมาจากภายนอกมายังโลก แอนเดอร์สัน เพื่อให้แน่ใจว่าทิศทางและการเคลื่อนที่ของอนุภาค ภายในห้องส่งอนุภาคผ่านแผ่นโลหะ ซึ่งพวกมันสูญเสียพลังงานบางส่วน เมื่อวันที่ 2 สิงหาคม เขาเห็นร่องรอยซึ่งเขาตีความว่าเป็นอิเล็กตรอนบวกอย่างไม่ต้องสงสัย

เป็นที่น่าสังเกตว่า Dirac เคยทำนายการมีอยู่ทางทฤษฎีของอนุภาคดังกล่าวก่อนหน้านี้ อย่างไรก็ตาม แอนเดอร์สันไม่ได้ปฏิบัติตามหลักการทางทฤษฎีใดๆ ในการศึกษารังสีคอสมิกของเขา ในบริบทนี้ เขาเรียกว่าการค้นพบของเขาโดยบังเอิญ

อีกครั้ง Joliot-Curie ต้องอดทนกับอาชีพที่ปฏิเสธไม่ได้ แต่ได้ทำการวิจัยเพิ่มเติมในด้านนี้ พวกเขาพบว่าโฟตอนรังสีแกมมาสามารถหายไปใกล้กับนิวเคลียสหนัก ก่อตัวเป็นคู่อิเล็กตรอน-โพซิตรอน ซึ่งเป็นไปตามสูตร E = mc2 อันโด่งดังของไอน์สไตน์และกฎการอนุรักษ์พลังงานและโมเมนตัม ต่อมา เฟรเดอริกเองได้พิสูจน์ว่ามีกระบวนการหายตัวไปของคู่อิเล็กตรอน-โพซิตรอน ทำให้เกิดควอนตาแกมมาสองตัว นอกจากโพซิตรอนจากคู่อิเล็กตรอน-โพซิตรอนแล้ว พวกมันยังมีโพซิตรอนจากปฏิกิริยานิวเคลียร์อีกด้วย

5. การประชุม Solvay ครั้งที่เจ็ด พ.ศ. 1933

นั่งแถวหน้า : Irene Joliot-Curie (ที่สองจากซ้าย)

Maria Skłodowska-Curie (ที่ห้าจากซ้าย), Lise Meitner (ที่สองจากขวา)

กัมมันตภาพรังสีเทียม

การค้นพบกัมมันตภาพรังสีประดิษฐ์ไม่ได้เกิดขึ้นทันที ในเดือนกุมภาพันธ์ พ.ศ. 1933 โดยการทิ้งระเบิดอะลูมิเนียม ฟลูออรีน และโซเดียมด้วยอนุภาคแอลฟา โจลิออตได้รับนิวตรอนและไอโซโทปที่ไม่รู้จัก ในเดือนกรกฎาคม พ.ศ. 1933 พวกเขาประกาศว่าด้วยการฉายรังสีอะลูมิเนียมที่มีอนุภาคแอลฟา ไม่เพียงแต่สังเกตนิวตรอนเท่านั้น แต่ยังสังเกตโพซิตรอนด้วย ตามคำกล่าวของไอรีนและเฟรเดอริก โพซิตรอนในปฏิกิริยานิวเคลียร์นี้ไม่สามารถเกิดขึ้นได้อันเป็นผลมาจากการก่อตัวของคู่อิเล็กตรอน-โพซิตรอน แต่ต้องมาจากนิวเคลียสของอะตอม

การประชุม Solvay ครั้งที่เจ็ด (5) จัดขึ้นที่กรุงบรัสเซลส์เมื่อวันที่ 22-29 ตุลาคม พ.ศ. 1933 เรียกว่า "โครงสร้างและคุณสมบัติของนิวเคลียสอะตอม" มีนักฟิสิกส์ 41 คนเข้าร่วม รวมทั้งผู้เชี่ยวชาญที่โดดเด่นที่สุดในโลก Joliot รายงานผลการทดลองของพวกเขา โดยระบุว่าการฉายรังสีโบรอนและอะลูมิเนียมด้วยรังสีอัลฟาจะทำให้เกิดนิวตรอนที่มีโพซิตรอนหรือโปรตอน. ในงานสัมมนาครั้งนี้ Lisa Meitner เธอบอกว่าในการทดลองเดียวกันกับอะลูมิเนียมและฟลูออรีน เธอไม่ได้ผลลัพธ์แบบเดียวกัน ในการตีความ เธอไม่ได้แบ่งปันความคิดเห็นของคู่รักจากปารีสเกี่ยวกับธรรมชาติของนิวเคลียสของการกำเนิดของโพซิตรอน อย่างไรก็ตาม เมื่อเธอกลับไปทำงานในเบอร์ลิน เธอได้ทำการทดลองเหล่านี้อีกครั้ง และในวันที่ 18 พฤศจิกายน ในจดหมายที่ส่งถึง Joliot-Curie เธอยอมรับว่าตอนนี้ในความเห็นของเธอ โพซิตรอนก็ปรากฏขึ้นจากนิวเคลียสจริงๆ

นอกจากนี้ การประชุมครั้งนี้ ฟรานซิส เพอร์รินเพื่อนและเพื่อนที่ดีของพวกเขาจากปารีส กล่าวถึงโพซิตรอน จากการทดลองเป็นที่ทราบกันดีว่าพวกเขาได้รับสเปกตรัมของโพซิตรอนอย่างต่อเนื่อง คล้ายกับสเปกตรัมของอนุภาคบีตาในการสลายตัวของกัมมันตภาพรังสีตามธรรมชาติ การวิเคราะห์เพิ่มเติมเกี่ยวกับพลังงานของโพซิตรอนและนิวตรอน เพอร์รินได้ข้อสรุปว่าควรแยกแยะการปล่อยมลพิษสองครั้งที่นี่ ประการแรก การปลดปล่อยนิวตรอน ควบคู่ไปกับการก่อตัวของนิวเคลียสที่ไม่เสถียร และจากนั้นการปลดปล่อยโพซิตรอนจากนิวเคลียสนี้

หลังจากการประชุม Joliot หยุดการทดลองเหล่านี้ประมาณสองเดือน จากนั้นในเดือนธันวาคม พ.ศ. 1933 เพอร์รินได้ตีพิมพ์ความคิดเห็นของเขาเกี่ยวกับเรื่องนี้ ในขณะเดียวกันในเดือนธันวาคม เอนริโก แฟร์มี เสนอทฤษฎีการสลายตัวของเบต้า นี่เป็นพื้นฐานทางทฤษฎีสำหรับการตีความประสบการณ์ ในช่วงต้นปี 1934 ทั้งคู่จากเมืองหลวงของฝรั่งเศสเริ่มทำการทดลองต่อ

วันที่ 11 มกราคม บ่ายวันพฤหัสบดี เฟรเดริก โจลิออตเอาอะลูมิเนียมฟอยล์มายิงด้วยอนุภาคแอลฟาเป็นเวลา 10 นาที เป็นครั้งแรกที่เขาใช้ตัวนับ Geiger-Muller ในการตรวจจับ ไม่ใช่ช่องหมอกเหมือนเมื่อก่อน เขาสังเกตเห็นด้วยความประหลาดใจว่าเมื่อเขาเอาแหล่งกำเนิดของอนุภาคแอลฟาออกจากฟอยล์ การนับโพซิตรอนไม่หยุด ตัวนับยังคงแสดงต่อไป โดยมีเพียงจำนวนที่ลดลงแบบทวีคูณ เขากำหนดครึ่งชีวิตเป็น 3 นาที 15 วินาที จากนั้นเขาก็ลดพลังงานของอนุภาคแอลฟาที่ตกลงมาบนกระดาษฟอยล์โดยวางเบรกตะกั่วในเส้นทางของพวกมัน และมีโพซิตรอนน้อยลง แต่ครึ่งชีวิตไม่เปลี่ยนแปลง

จากนั้นเขาก็นำโบรอนและแมกนีเซียมไปทำการทดลองเดียวกัน และได้รับครึ่งชีวิตในการทดลอง 14 นาทีและ 2,5 นาทีตามลำดับ ต่อจากนั้น การทดลองดังกล่าวได้ดำเนินการกับไฮโดรเจน ลิเธียม คาร์บอน เบริลเลียม ไนโตรเจน ออกซิเจน ฟลูออรีน โซเดียม แคลเซียม นิกเกิล และเงิน - แต่เขาไม่ได้สังเกตเห็นปรากฏการณ์ที่คล้ายคลึงกันกับอะลูมิเนียม โบรอน และแมกนีเซียม เคาน์เตอร์ Geiger-Muller ไม่ได้แยกความแตกต่างระหว่างอนุภาคที่มีประจุบวกและลบ ดังนั้น Frédéric Joliot ยังตรวจสอบด้วยว่าจริง ๆ แล้วเกี่ยวข้องกับอิเล็กตรอนบวก ลักษณะทางเทคนิคก็มีความสำคัญเช่นกันในการทดลองนี้ กล่าวคือ การมีอยู่ของแหล่งกำเนิดอนุภาคแอลฟาที่แข็งแกร่งและการใช้ตัวนับอนุภาคที่มีประจุที่ละเอียดอ่อน เช่น ตัวนับ Geiger-Muller

ตามที่ได้อธิบายไว้ก่อนหน้านี้โดยคู่ Joliot-Curie โพซิตรอนและนิวตรอนจะถูกปล่อยออกมาพร้อมกันในการเปลี่ยนแปลงทางนิวเคลียร์ที่สังเกตได้ ตามคำแนะนำของฟรานซิส เพอร์รินและอ่านการพิจารณาของแฟร์มี ทั้งคู่สรุปว่าปฏิกิริยานิวเคลียร์ครั้งแรกทำให้เกิดนิวเคลียสและนิวตรอนที่ไม่เสถียร ตามด้วยเบตาบวกการสลายตัวของนิวเคลียสที่ไม่เสถียร ดังนั้นพวกเขาสามารถเขียนปฏิกิริยาต่อไปนี้:

Joliots สังเกตว่าไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีที่เกิดขึ้นนั้นมีครึ่งชีวิตสั้นเกินกว่าจะดำรงอยู่ในธรรมชาติได้ พวกเขาประกาศผลเมื่อวันที่ 15 มกราคม พ.ศ. 1934 ในบทความเรื่อง "A New Type of Radioactivity" ในต้นเดือนกุมภาพันธ์ พวกเขาประสบความสำเร็จในการระบุฟอสฟอรัสและไนโตรเจนจากปฏิกิริยาสองปฏิกิริยาแรกจากปริมาณเล็กน้อยที่รวบรวมได้ ในไม่ช้าก็มีคำทำนายว่าไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีสามารถผลิตได้ในปฏิกิริยาการทิ้งระเบิดนิวเคลียร์ด้วยความช่วยเหลือของโปรตอน ดิวเทอรอน และนิวตรอน ในเดือนมีนาคม Enrico Fermi พนันว่าในไม่ช้าปฏิกิริยาดังกล่าวจะดำเนินการโดยใช้นิวตรอน ในไม่ช้าเขาก็ชนะการเดิมพันด้วยตัวเขาเอง

Irena และ Frederick ได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีในปี 1935 สำหรับ "การสังเคราะห์ธาตุกัมมันตภาพรังสีใหม่" การค้นพบนี้เป็นการปูทางสำหรับการผลิตไอโซโทปกัมมันตภาพรังสี ซึ่งพบการประยุกต์ใช้ที่สำคัญและมีค่ามากมายในการวิจัยขั้นพื้นฐาน ยารักษาโรค และอุตสาหกรรม

ในที่สุดก็ควรกล่าวถึงนักฟิสิกส์จากสหรัฐอเมริกา เออร์เนสต์ ลอว์เรนซ์ กับเพื่อนร่วมงานจาก Berkeley และนักวิจัยจาก Pasadena ซึ่งเป็นชาวโปแลนด์ที่กำลังฝึกงานอยู่ Andrzej Soltan. มีการสังเกตการนับพัลส์โดยตัวนับแม้ว่าคันเร่งจะหยุดทำงานแล้ว พวกเขาไม่ชอบการนับนี้ อย่างไรก็ตามพวกเขาไม่ได้ตระหนักว่าพวกเขากำลังเผชิญกับปรากฏการณ์ใหม่ที่สำคัญและขาดการค้นพบกัมมันตภาพรังสีประดิษฐ์ ...