Do trzech razy sztuka, czyli o odkryciu sztucznej promieniotwórczości
Państwo młodzi
Irène, starsza córka Marii Skłodowskiej-Curie i Piotra Curie, urodziła się w Paryżu, w 1897 r. (1). Do dwunastego roku życia odbierała edukację w domu, w niewielkiej „szkole”, stworzonej przez wybitnych uczonych dla swoich dzieci, mającej ok. dziesięciu uczniów. Nauczycielami byli: sama Maria Skłodowska-Curie (fizyka), Paul Langevin (matematyka), Jean Perrin (chemia), a przedmiotów humanistycznych uczyły głównie matki uczniów. Lekcje zwykle miały miejsce w domach nauczycieli, a fizyki i chemii dzieci uczyły się w prawdziwych laboratoriach.
Zatem nauczanie fizyki i chemii było zdobywaniem wiedzy poprzez praktyczne działanie. Każdy udany eksperyment wprawiał w zachwyt młodocianych badaczy. Były to prawdziwe doświadczenia, które trzeba było zrozumieć i uważnie wykonywać, a w laboratorium pod wodzą Marii Curie dzieci musiały utrzymywać wzorowy porządek. Wiedzę teoretyczną też trzeba było zdobywać. Metoda taka, jak pokazały dalsze losy uczniów tej szkoły – później dobrych i wybitnych naukowców, okazała się skuteczna.
Co więcej, dziadek Ireny ze strony ojca, lekarz, poświęcał swojej, wcześnie osieroconej przez ojca wnuczce wiele czasu, bawiąc się oraz dopełniając jej edukacji przyrodniczej. W 1914 r. Irena ukończyła nowatorską szkołę Collège Sévigné i wstąpiła na studia na Wydziale Matematyczno- Przyrodniczym na Sorbonie. Zbiegło się to z wybuchem I wojny światowej. W 1916 r. dołączyła do swojej matki i wspólnie organizowały służbę radiologiczną we francuskim Czerwonym Krzyżu. Po wojnie ukończyła licencjat. W 1921 r. ukazała się jej pierwsza praca naukowa. Była poświęcona wyznaczeniu masy atomowej chloru pochodzącego z różnych minerałów. W swej dalszej działalności ściśle współpracowała z matką, zajmując się promieniotwórczością. W doktoracie obronionym w roku 1925 badała cząstki alfa wysyłane przez polon.
Frédéric Joliot urodził się w 1900 r. w Paryżu (2). Chodził od ósmego roku życia do szkoły w Sceaux, mieszkał w internacie. W tym czasie wolał od nauki sport, a szczególnie piłkę nożną. Potem uczęszczał po kolei do dwóch liceów. Podobnie jak Irena Curie, wcześnie stracił ojca. W 1919 r. zdał egzamin do École de Physique et de Chemie Industrielle de la Ville de Paris (Wyższej Szkoły Fizyki Przemysłowej i Chemii Przemysłowej miasta Paryża). Studia ukończył w 1923 r. Jego profesor, Paul Langevin, poznał się na zdolnościach i zaletach Fryderyka. Po odbyciu 15-miesięcznej służby wojskowej, z polecenia Langevina otrzymał posadę osobistego laboranta Marii Skłodowskiej–Curie w Instytucie Radowym, płatną z grantu Rockefeller Foundation. Tam poznał Irenę Curie i w 1926 r. młodzi wzięli ślub.
Fryderyk obronił swój doktorat z elektrochemii pierwiastków promieniotwórczych w 1930 r. Już nieco wcześniej skierował swoje zainteresowania na tematykę badań żony i po doktoracie Fryderyka pracowali już wspólnie. Jednym z pierwszych ważnych ich sukcesów było otrzymanie polonowego preparatu, będącego silnym źródłem cząstek alfa, czyli jąder helu(24He). Startowali z niewątpliwie uprzywilejowanej pozycji, bo to Maria Curie udostępniła córce dużą porcję polonu. Lew Kowarski, ich późniejszy współpracownik, tak ich scharakteryzował: Irena była „wyśmienitym technikiem”, „pracowała bardzo pięknie i gruntownie”, „dogłębnie rozumiała, co robi”. Jej mąż miał „bardziej olśniewającą, bardziej strzelistą wyobraźnię”. „Uzupełniali się wzajemnie wspaniale i wiedzieli to”. Najciekawsze z punktu widzenia historii nauki były dla nich dwa lata: 1932-34.
Prawie odkryli neutron
„Prawie” czyni wielką różnicę. Przekonali się o tej smutnej prawdzie już wkrótce. W 1930 r. w Berlinie, dwóch Niemców – Walther Bothe i Hubert Becker – badało, jak zachowują się lekkie atomy przy bombardowaniu ich cząstkami alfa. Tarcza berylowa (49Be) poddana bombardowaniu cząstkami alfa wysyłała promieniowanie niezwykle przenikliwe i o dużej energii. Według eksperymentatorów promieniowanie to miało być silnym promieniowaniem elektromagnetycznym.
Na tym etapie powyższym problemem zajęli się Irena i Fryderyk. Ich źródło cząstek alfa było najsilniejszym źródłem w historii. Do obserwacji produktów reakcji zastosowali komorę Wilsona. Pod koniec stycznia 1932 r. ogłosili publicznie , że to promieniowanie gamma wybija wysokoenergetyczne protony z substancji zawierającej wodór. Jeszcze nie rozumieli, co mają w ręku i co się dzieje. Przeczytawszy to James Chadwick (3) w Cambridge zabrał się natychmiast do pracy, z myślą, że nie chodzi wcale o promieniowanie gamma, ale o neutrony, przewidywane już od kilkunastu lat przez Rutherforda. Po serii eksperymentów nabrał pewności, co do zaobserwowania neutronu i stwierdził, że jego masa jest zbliżona do masy protonu. Już 17 lutego 1932 r. wysłał do czasopisma „Nature” notatkę „Możliwe istnienie neutronu”.
W istocie, chodziło o neutron – choć Chadwick myślał, że neutron składa się z protonu i elektronu. Dopiero w 1934 r. zorientował się, i udowodnił, że neutron to cząstka elementarna. Chadwicka uhonorowano Nagrodą Nobla z fizyki w 1935 r. Mimo świadomości, że ominęło ich ważne odkrycie, małżonkowie Joliot-Curie kontynuowali badania na tym polu. Zorientowali się, że w tej reakcji produkowane są oprócz neutronów równocześnie promienie gamma, napisali więc reakcję jądrową:
, gdzie Ef to energia fotonu gamma. Przeprowadzili podobne doświadczenia z 919F.
I znowu odkrycie im umknęło
Na kilka miesięcy przed odkryciem pozytonu Joliot-Curie mieli zdjęcia, na których było widać m.in. zakrzywiony tor jakby elektronu, tyle że zakręcający w odwrotnym kierunku niż elektron. Zdjęcia wykonane były w komorze mgłowej znajdującej się w polu magnetycznym. Małżonkowie na tej podstawie mówili o elektronach biegnących w dwóch kierunkach, od źródła i do źródła. Tak naprawdę tymi skojarzonymi z kierunkiem „do źródła” były pozytony, czyli elektrony dodatnie, poruszające się od źródła.
Tymczasem w Stanach Zjednoczonych w czasie późnego lata 1932 r. Carl David Anderson (4), syn szwedzkich emigrantów, badał promieniowanie kosmiczne w komorze Wilsona, znajdującej się pod wpływem pola magnetycznego. Promieniowanie kosmiczne dochodzi do Ziemi z zewnątrz. Anderson, by upewnić się co do kierunku i zwrotu biegu cząstek, wewnątrz komory przepuszczał cząstki przez płytkę metalową, gdzie traciły one trochę energii. 2 sierpnia zobaczył ślad, który zinterpretował bezsprzecznie jako elektron dodatni.
Warto nadmienić, że wcześniej Dirac przewidział teoretycznie istnienie takiej cząstki. Jednak Anderson w swoich badaniach promieniowania kosmicznego wcale nie kierował się teoretycznymi wskazówkami. W tym kontekście nazwał swoje odkrycie jako przypadkowe.
Znów Joliot-Curie musieli się pogodzić z niewątpliwym zawodem, ale podjęli dalsze badania w tej dziedzinie. Stwierdzili, że fotony gamma mogą znikać w pobliżu ciężkiego jądra, tworząc parę elektron-pozyton, oczywiście zgodnie ze słynnym wzorem Einsteina E = mc2 oraz zasadą zachowania energii i pędu. Sam Fryderyk później dowiódł, że istnieje proces znikania pary elektron-pozyton, z którego powstają dwa kwanty gamma. Oprócz pozytonów z par elektron-pozyton mieli pozytony z reakcji jądrowych.
Maria Skłodowska-Curie (piąta od lewej), Lise Meitner (druga od prawej).
Sztuczna promieniotwórczość
Odkrycie sztucznej promieniotwórczości nie było aktem natychmiastowym. W lutym 1933 roku bombardując cząstkami alfa glin, fluor, a następnie sód, Joliotowie dostali neutrony oraz nieznane izotopy. W lipcu 1933 r. ogłosili, że napromieniowując cząstkami alfa glin, obserwowali nie tylko neutrony, ale i pozytony. Pozytony w tej reakcji jądrowej, według Ireny i Fryderyka, nie mogły powstawać w wyniku tworzenia par elektron-pozyton, a musiały brać się z jądra atomowego.
Siódma Solvay’owska Konferencja (5) w Brukseli odbyła się w dniach 22-29 października 1933 r. Nosiła tytuł „Struktura i właściwości jąder atomowych”. Wzięło w niej udział 41 fizyków, w tym najwybitniejsi eksperci w tej dziedzinie na świecie. Joliotowie referowali wyniki swoich eksperymentów, twierdzili, że z napromieniowywania boru i glinu promieniami alfa powstaje albo neutron z pozytonem, albo proton. Na tej konferencji Lise Meitner powiedziała, że w takich samych swoich doświadczeniach z glinem i fluorem nie otrzymała tego rodzaju wyników. W interpretacji nie podzielała zdania małżeństwa z Paryża o jądrowym charakterze pochodzenia pozytonów. Jednak po powrocie do pracy w Berlinie wykonała ponownie te eksperymenty i 18 listopada, w liście do Joliot- Curie przyznała, że teraz, jej zdaniem, pozytony rzeczywiście pojawiają się z jądra.
Co więcej, na tej konferencji Francis Perrin, ich rówieśnik i dobry znajomy z Paryża, zabrał głos w kwestii pozytonów. Z relacji eksperymentatorów wiadomo było, że dostali widmo ciągłe pozytonów, podobne do widma cząstek beta w naturalnym rozpadzie promieniotwórczym. Analizując dalej energie pozytonów i neutronów Perrin doszedł do wniosku, że należy wyodrębnić tu dwie emisje, najpierw emisję neutronów, której towarzyszy tworzenie się niestabilnego jądra, a następnie emisję pozytonów z tego jądra.
Po konferencji Joliotowie na jakieś dwa miesiące zaprzestali tych eksperymentów. I wówczas w grudniu 1933 r. Perrin opublikował swoje opinie na ten temat. W tym samym czasie, również w grudniu Enrico Fermi ogłosił teorię rozpadu beta. Dało to teoretyczne podstawy do interpretacji doświadczeń. Na początku 1934 r. małżonkowie ze stolicy Francji powrócili do swoich eksperymentów.
Dokładnie 11 stycznia, we czwartek po południu, Fryderyk Joliot wziął folię z glinu i bombardował ją 10 minut cząstkami alfa. Do detekcji po raz pierwszy użył licznika Geigera-Müllera, a nie jak dotychczas komory mgłowej. Zaskoczony obserwował, że kiedy odsunął źródło cząstek alfa od folii, zliczenia pozytonów nie ustały, licznik je ciągle wykazywał, tylko ich liczba malała wykładniczo. Wyznaczył czas połowicznego zaniku, który wynosił 3 minuty i 15 sekund. Następnie zmniejszył energię padających na folię cząstek alfa, ustawiając na ich drodze ołowiany spowalniacz. I dostał mniejszą liczbę pozytonów, ale czas połowicznego rozpadu nie uległ zmianie.
Potem poddał takim samym doświadczeniom bor i magnez, otrzymał czasy połowicznego zaniku w tych doświadczeniach, odpowiednio, 14 minut i 2,5 minuty. Dalsze takie eksperymenty wykonał na wodorze, licie, węglu, berylu, azocie, tlenie, fluorze, sodzie, wapniu, niklu i srebrze – ale nie zaobserwował podobnego zjawiska, jak dla glinu, boru i magnezu. Licznik Geigera-Müllera nie rozróżnia cząstek naładowanych dodatnio i ujemnie, więc Fryderyk Joliot jeszcze sprawdził, że ma rzeczywiście do czynienia z elektronami dodatnimi. W tym eksperymencie ważna była też strona techniczna, czyli posiadanie silnego źródła cząstek alfa oraz użycie czułego licznika cząstek naładowanych, jakim jest licznik Geigera-Müllera.
Zgodnie z wcześniejszymi wyjaśnieniami pary Joliot-Curie, w obserwowanej przemianie jądrowej równocześnie wydzielają się pozytony i neutrony. Teraz, po sugestiach Francisa Perrina i po zapoznaniu się z rozważaniami Fermiego, małżonkowie stwierdzili, że w pierwszej reakcji jądrowej wydziela się niestabilne jądro i neutron, a potem następuje rozpad beta plus tego niestabilnego jądra. Mogli więc napisać następujące reakcje:
Joliotowie zauważyli, że wytworzone izotopy promieniotwórcze mają zbyt krótki czas połowicznego zaniku, by mogły istnieć w przyrodzie. Ogłosili swoje wyniki 15 stycznia 1934 r., w pracy pod tytułem „Nowy typ radioaktywności”. Na początku lutego udało im się z niewielkich zebranych ilości zidentyfikować fosfor i azot z dwóch pierwszych reakcji. Szybko pojawiła się przepowiednia, że więcej izotopów promieniotwórczych można będzie wytworzyć w reakcjach bombardowania jąder atomowych, także za pomocą protonów, deuteronów i neutronów. W marcu Enrico Fermi założył się, że wkrótce takie reakcje zostaną przeprowadzone przy pomocy neutronów. Niewiele czasu upłynęło, a sam spowodował, że wygrał zakład.
Irena i Fryderyk zostali nagrodzeni Nagrodą Nobla z chemii w roku 1935, za „syntezę nowych radioaktywnych pierwiastków”. Odkrycie to otworzyło drogę do otrzymywania sztucznie izotopów radioaktywnych, które znalazły wiele ważnych i wartościowych zastosowań w badaniach podstawowych, w medycynie, a także w przemyśle.
Warto na koniec wspomnieć fizyków ze Stanów Zjednoczonych, Ernesta Lawrence’a ze współpracownikami z Berkeley oraz badaczy z Pasadeny, wśród których był, przebywający na stażu, Polak Andrzej Sołtan. Obserwowali oni zliczanie impulsów przez liczniki, pomimo tego, że już ustała praca akceleratora. Nie podobało im się to zliczanie. Nie wpadli jednak na to, że mają do czynienia z ważnym nowym zjawiskiem i że właśnie omija ich odkrycie sztucznej promieniotwórczości…
