Sebelum seni rangkap tiga, yaitu tentang penemuan radioaktivitas buatan

Dari waktu ke waktu dalam sejarah fisika ada tahun-tahun "luar biasa" ketika upaya bersama dari banyak peneliti menghasilkan serangkaian penemuan terobosan. Demikian pula dengan tahun 1820, tahun listrik, 1905, tahun ajaib empat makalah Einstein, 1913, tahun yang terkait dengan studi struktur atom, dan akhirnya 1932, ketika serangkaian penemuan teknis dan kemajuan dalam penciptaan fisika nuklir.

pengantin baru

Irene, putri sulung Marie Skłodowska-Curie dan Pierre Curie, lahir di Paris pada tahun 1897 (1). Sampai usia dua belas tahun, ia dibesarkan di rumah, di "sekolah" kecil yang diciptakan oleh para ilmuwan terkemuka untuk anak-anaknya, di mana ada sekitar sepuluh siswa. Guru-gurunya adalah: Marie Sklodowska-Curie (fisika), Paul Langevin (matematika), Jean Perrin (kimia), dan humaniora terutama diajarkan oleh ibu-ibu siswa. Pelajaran biasanya berlangsung di rumah guru, sementara anak-anak belajar fisika dan kimia di laboratorium nyata.

Dengan demikian, pengajaran fisika dan kimia merupakan perolehan pengetahuan melalui kegiatan praktek. Setiap eksperimen yang berhasil menyenangkan para peneliti muda. Ini adalah eksperimen nyata yang harus dipahami dan dilakukan dengan hati-hati, dan anak-anak di laboratorium Marie Curie harus menjadi teladan. Pengetahuan teoritis juga harus diperoleh. Cara tersebut, seperti yang ditunjukkan oleh nasib para siswa sekolah ini yang kemudian menjadi ilmuwan yang baik dan berprestasi, ternyata efektif.

2. Frederic Joliot (foto Harcourt)

Selain itu, kakek dari pihak ayah Irena, seorang dokter, mencurahkan banyak waktu untuk cucu yatim piatu ayahnya, bersenang-senang dan melengkapi pendidikan ilmu alamnya. Pada tahun 1914, Irene lulus dari Collge Sévigné perintis dan memasuki fakultas matematika dan sains di Sorbonne. Ini bertepatan dengan dimulainya Perang Dunia Pertama. Pada tahun 1916 ia bergabung dengan ibunya dan bersama-sama mereka mengorganisir layanan radiologi untuk Palang Merah Prancis. Setelah perang, dia menerima gelar sarjana. Pada tahun 1921, karya ilmiah pertamanya diterbitkan. Dia mengabdikan diri untuk penentuan massa atom klorin dari berbagai mineral. Dalam kegiatan selanjutnya, dia bekerja sama dengan ibunya, berurusan dengan radioaktivitas. Dalam disertasi doktoralnya yang dipertahankan pada tahun 1925, ia mempelajari partikel alfa yang dipancarkan oleh polonium.

Frederic Joliot lahir pada tahun 1900 di Paris (2). Sejak usia delapan tahun ia bersekolah di So, tinggal di sebuah pesantren. Saat itu, ia lebih memilih olahraga daripada belajar, terutama sepak bola. Dia kemudian bergiliran menghadiri dua sekolah menengah. Seperti Irene Curie, dia kehilangan ayahnya lebih awal. Pada tahun 1919 ia lulus ujian di cole de Physique et de Chemie Industrielle de la Ville de Paris (Sekolah Fisika Industri dan Kimia Industri Kota Paris). Ia lulus pada tahun 1923. Profesornya, Paul Langevin, mengetahui kemampuan dan kebajikan Frederick. Setelah 15 bulan dinas militer, atas perintah Langevin, ia diangkat menjadi asisten laboratorium pribadi untuk Marie Skłodowska-Curie di Institut Radium dengan hibah dari Yayasan Rockefeller. Di sana ia bertemu Irene Curie, dan pada tahun 1926 anak-anak muda itu menikah.

Frederick menyelesaikan disertasi doktoralnya tentang elektrokimia unsur radioaktif pada tahun 1930. Beberapa saat sebelumnya, dia sudah memfokuskan minatnya pada penelitian istrinya, dan setelah mempertahankan disertasi doktor Frederick, mereka sudah bekerja sama. Salah satu keberhasilan penting pertama mereka adalah persiapan polonium, yang merupakan sumber kuat partikel alfa, yaitu. inti helium.(₂⁴Dia). Mereka mulai dari posisi istimewa yang tak terbantahkan, karena Marie Curie-lah yang memasok polonium dalam porsi besar kepada putrinya. Lew Kovarsky, kolaborator mereka kemudian, menggambarkan mereka sebagai berikut: Irena adalah "seorang teknisi yang sangat baik", "dia bekerja dengan sangat indah dan hati-hati", "dia sangat memahami apa yang dia lakukan." Suaminya memiliki "imajinasi yang lebih mempesona dan lebih membubung". "Mereka saling melengkapi dengan sempurna dan mengetahuinya." Dari sudut pandang sejarah sains, yang paling menarik bagi mereka adalah dua tahun: 1932-34.

Mereka hampir menemukan neutron

“Hampir” membuat perbedaan besar. Mereka segera mengetahui kebenaran menyedihkan ini. Pada tahun 1930 di Berlin, dua orang Jerman - Walter Bothe i Hubert Becker – mempelajari bagaimana atom ringan berperilaku ketika dibombardir oleh partikel alfa. Perisai Berilium (₄⁹Be) ketika dibombardir dengan partikel alfa memancarkan radiasi yang sangat tajam dan berenergi tinggi. Menurut para peneliti, radiasi ini pastilah radiasi elektromagnetik yang kuat.

Pada tahap ini, Irena dan Frederick menangani masalah tersebut. Sumber partikel alfa mereka adalah yang paling kuat yang pernah ada. Mereka menggunakan ruang awan untuk mengamati produk reaksi. Pada akhir Januari 1932, mereka mengumumkan secara terbuka bahwa sinar gamma yang merobohkan proton berenergi tinggi dari zat yang mengandung hidrogen. Mereka belum mengerti apa yang ada di tangan mereka dan apa yang terjadi.. Setelah membaca James Chadwick (3) di Cambridge ia segera mulai bekerja, berpikir bahwa itu bukan radiasi gamma sama sekali, tetapi neutron yang diprediksi oleh Rutherford beberapa tahun sebelumnya. Setelah serangkaian percobaan, ia menjadi yakin akan pengamatan neutron dan menemukan bahwa massanya mirip dengan massa proton. Pada 17 Februari 1932, ia menyerahkan catatan ke jurnal Nature berjudul "Keberadaan Neutron yang Mungkin".

Itu sebenarnya adalah neutron, meskipun Chadwick percaya bahwa neutron terdiri dari proton dan elektron. Baru pada tahun 1934 ia memahami dan membuktikan bahwa neutron adalah partikel elementer. Chadwick dianugerahi Hadiah Nobel dalam Fisika pada tahun 1935. Terlepas dari kesadaran bahwa mereka telah melewatkan penemuan penting, Joliot-Curies melanjutkan penelitian mereka di bidang ini. Mereka menyadari bahwa reaksi ini menghasilkan sinar gamma selain neutron, jadi mereka menulis reaksi nuklir:

, di mana Ef adalah energi kuantum gamma. Eksperimen serupa dilakukan dengan ₉¹⁹F.

Ketinggalan pembukaan lagi

Beberapa bulan sebelum penemuan positron, Joliot-Curie memiliki foto-foto, antara lain, jalur melengkung, seolah-olah itu elektron, tetapi memutar ke arah yang berlawanan dari elektron. Foto-foto itu diambil di ruang kabut yang terletak di medan magnet. Berdasarkan hal ini, pasangan itu berbicara tentang elektron yang bergerak dalam dua arah, dari sumber dan ke sumber. Faktanya, yang terkait dengan arah "menuju sumber" adalah positron, atau elektron positif yang menjauh dari sumber.

Sementara itu, di Amerika Serikat pada akhir musim panas tahun 1932, Carl David Anderson (4), putra imigran Swedia, mempelajari sinar kosmik di ruang awan di bawah pengaruh medan magnet. Sinar kosmik datang ke Bumi dari luar. Anderson, untuk memastikan arah dan pergerakan partikel, di dalam ruangan melewati partikel melalui pelat logam, di mana mereka kehilangan sebagian energi. Pada tanggal 2 Agustus, dia melihat jejak, yang tidak diragukan lagi ditafsirkan sebagai elektron positif.

Perlu dicatat bahwa Dirac sebelumnya telah meramalkan keberadaan teoritis partikel semacam itu. Namun, Anderson tidak mengikuti prinsip teoretis apa pun dalam studinya tentang sinar kosmik. Dalam konteks ini, dia menyebut penemuannya sebagai kebetulan.

Sekali lagi, Joliot-Curie harus bertahan dengan profesi yang tak terbantahkan, tetapi melakukan penelitian lebih lanjut di bidang ini. Mereka menemukan bahwa foton sinar gamma dapat menghilang di dekat inti berat, membentuk pasangan elektron-positron, tampaknya sesuai dengan rumus terkenal Einstein E = mc2 dan hukum kekekalan energi dan momentum. Kemudian, Frederick sendiri membuktikan bahwa ada proses hilangnya pasangan elektron-positron, sehingga menimbulkan dua kuanta gamma. Selain positron dari pasangan elektron-positron, mereka memiliki positron dari reaksi nuklir.

5. Konferensi Solvay Ketujuh, 1933

Duduk di barisan depan: Irene Joliot-Curie (kedua dari kiri),

Maria Skłodowska-Curie (kelima dari kiri), Lise Meitner (kedua dari kanan).

radioaktivitas buatan

Penemuan radioaktivitas buatan bukanlah tindakan instan. Pada Februari 1933, dengan membombardir aluminium, fluor, dan kemudian natrium dengan partikel alfa, Joliot memperoleh neutron dan isotop yang tidak diketahui. Pada Juli 1933, mereka mengumumkan bahwa, dengan menyinari aluminium dengan partikel alfa, mereka mengamati tidak hanya neutron, tetapi juga positron. Menurut Irene dan Frederick, positron dalam reaksi nuklir ini tidak mungkin terbentuk sebagai hasil dari pembentukan pasangan elektron-positron, tetapi harus berasal dari inti atom.

Konferensi Solvay Ketujuh (5) berlangsung di Brussel pada 22-29 Oktober 1933. Konferensi tersebut disebut "Struktur dan Sifat Inti Atom". Dihadiri oleh 41 fisikawan, termasuk para ahli paling terkemuka di bidang ini di dunia. Joliot melaporkan hasil eksperimen mereka, menyatakan bahwa penyinaran boron dan aluminium dengan sinar alfa menghasilkan neutron dengan positron atau proton.. Pada konferensi ini Lisa Meitner Dia mengatakan bahwa dalam percobaan yang sama dengan aluminium dan fluor, dia tidak mendapatkan hasil yang sama. Dalam interpretasi, dia tidak berbagi pendapat dengan pasangan dari Paris tentang sifat nuklir asal usul positron. Namun, ketika dia kembali bekerja di Berlin, dia kembali melakukan eksperimen ini dan pada 18 November, dalam sebuah surat kepada Joliot-Curie, dia mengakui bahwa sekarang, menurutnya, positron memang muncul dari nukleus.

Selain itu, konferensi ini Francis Perrin, rekan dan teman baik mereka dari Paris, berbicara tentang masalah positron. Dari eksperimen diketahui bahwa mereka memperoleh spektrum positron yang kontinu, mirip dengan spektrum partikel beta dalam peluruhan radioaktif alami. Analisis lebih lanjut tentang energi positron dan neutron Perrin sampai pada kesimpulan bahwa dua emisi harus dibedakan di sini: pertama, emisi neutron, disertai dengan pembentukan inti yang tidak stabil, dan kemudian emisi positron dari inti ini.

Setelah konferensi, Joliot menghentikan eksperimen ini selama sekitar dua bulan. Dan kemudian, pada bulan Desember 1933, Perrin menerbitkan pendapatnya tentang masalah ini. Pada saat yang sama, juga pada bulan Desember Enrico Fermi mengusulkan teori peluruhan beta. Ini berfungsi sebagai dasar teoretis untuk interpretasi pengalaman. Pada awal 1934, pasangan dari ibu kota Prancis itu melanjutkan eksperimen mereka.

Tepat pada 11 Januari, Kamis siang, Frédéric Joliot mengambil aluminium foil dan membombardirnya dengan partikel alfa selama 10 menit. Untuk pertama kalinya, dia menggunakan penghitung Geiger-Muller untuk mendeteksi, dan bukan ruang kabut, seperti sebelumnya. Dia memperhatikan dengan terkejut bahwa ketika dia mengeluarkan sumber partikel alfa dari kertas timah, penghitungan positron tidak berhenti, penghitung terus menunjukkannya, hanya jumlahnya menurun secara eksponensial. Dia menentukan waktu paruh menjadi 3 menit dan 15 detik. Kemudian dia mengurangi energi partikel alfa yang jatuh pada kertas timah dengan menempatkan rem timah di jalurnya. Dan ia mendapat lebih sedikit positron, tetapi waktu paruhnya tidak berubah.

Kemudian dia melakukan percobaan yang sama dengan boron dan magnesium, dan memperoleh waktu paruh dalam percobaan ini masing-masing 14 menit dan 2,5 menit. Selanjutnya, eksperimen semacam itu dilakukan dengan hidrogen, litium, karbon, berilium, nitrogen, oksigen, fluor, natrium, kalsium, nikel, dan perak - tetapi ia tidak mengamati fenomena serupa seperti pada aluminium, boron, dan magnesium. Penghitung Geiger-Muller tidak membedakan antara partikel bermuatan positif dan negatif, jadi Frédéric Joliot juga memverifikasi bahwa itu benar-benar berhubungan dengan elektron positif. Aspek teknis juga penting dalam percobaan ini, yaitu adanya sumber partikel alfa yang kuat dan penggunaan pencacah partikel bermuatan yang sensitif, seperti pencacah Geiger-Muller.

Seperti yang dijelaskan sebelumnya oleh pasangan Joliot-Curie, positron dan neutron dilepaskan secara bersamaan dalam transformasi nuklir yang diamati. Sekarang, mengikuti saran Francis Perrin dan membaca pertimbangan Fermi, pasangan itu menyimpulkan bahwa reaksi nuklir pertama menghasilkan inti dan neutron yang tidak stabil, diikuti oleh peluruhan beta plus inti yang tidak stabil itu. Jadi mereka dapat menulis reaksi berikut:

Keluarga Joliot memperhatikan bahwa isotop radioaktif yang dihasilkan memiliki waktu paruh yang terlalu pendek untuk ada di alam. Mereka mengumumkan hasil mereka pada tanggal 15 Januari 1934, dalam sebuah artikel berjudul "A New Type of Radioactivity". Pada awal Februari, mereka berhasil mengidentifikasi fosfor dan nitrogen dari dua reaksi pertama dari jumlah kecil yang dikumpulkan. Segera ada ramalan bahwa lebih banyak isotop radioaktif dapat diproduksi dalam reaksi pemboman nuklir, juga dengan bantuan proton, deuteron, dan neutron. Pada bulan Maret, Enrico Fermi bertaruh bahwa reaksi seperti itu akan segera dilakukan dengan menggunakan neutron. Dia segera memenangkan taruhan itu sendiri.

Irena dan Frederick dianugerahi Hadiah Nobel Kimia pada tahun 1935 untuk "sintesis elemen radioaktif baru". Penemuan ini membuka jalan bagi produksi isotop radioaktif artifisial, yang telah menemukan banyak aplikasi penting dan berharga dalam penelitian dasar, kedokteran, dan industri.

Akhirnya, perlu disebutkan fisikawan dari Amerika Serikat, Ernest Lawrence dengan rekan-rekan dari Berkeley dan peneliti dari Pasadena, di antaranya adalah seorang Polandia yang sedang magang Andrzej Soltan. Penghitungan pulsa oleh penghitung diamati, meskipun akselerator sudah berhenti bekerja. Mereka tidak menyukai hitungan ini. Namun, mereka tidak menyadari bahwa mereka sedang berhadapan dengan fenomena baru yang penting dan bahwa mereka hanya kekurangan penemuan radioaktivitas buatan ...