Antes del triple arte, es decir, sobre el descubrimiento de la radiactividad artificial

De vez en cuando en la historia de la física hay años "maravillosos" en los que los esfuerzos conjuntos de muchos investigadores conducen a una serie de descubrimientos revolucionarios. Así sucedió con 1820, el año de la electricidad, 1905, el año milagroso de los cuatro artículos de Einstein, 1913, el año asociado con el estudio de la estructura del átomo, y finalmente 1932, cuando una serie de descubrimientos técnicos y avances en la creación de la física nuclear.

recién casados

Irene, la hija mayor de Marie Skłodowska-Curie y Pierre Curie, nació en París en 1897 (1). Hasta los doce años, se crió en casa, en una pequeña "escuela" creada por eminentes científicos para sus hijos, en la que había unos diez alumnos. Los profesores fueron: Marie Sklodowska-Curie (física), Paul Langevin (matemáticas), Jean Perrin (química), y las humanidades fueron impartidas principalmente por las madres de los alumnos. Las lecciones generalmente tenían lugar en las casas de los maestros, mientras que los niños estudiaban física y química en laboratorios reales.

Así, la enseñanza de la física y la química era la adquisición de conocimientos a través de acciones prácticas. Cada experimento exitoso cautivó a los jóvenes investigadores. Estos eran experimentos reales que necesitaban ser entendidos y llevados a cabo con cuidado, y los niños en el laboratorio de Marie Curie tenían que estar en un orden ejemplar. También había que adquirir conocimientos teóricos. El método, como el destino de los estudiantes de esta escuela, luego buenos y destacados científicos, demostró ser efectivo.

2. Frédéric Joliot (foto de Harcourt)

Además, el abuelo paterno de Irena, un médico, dedicó mucho tiempo a la nieta huérfana de su padre, divirtiéndose y complementando su educación en ciencias naturales. En 1914, Irene se graduó en el pionero Collège Sévigné y entró en la facultad de matemáticas y ciencias de la Sorbona. Esto coincidió con el inicio de la Primera Guerra Mundial. En 1916 se unió a su madre y juntas organizaron un servicio radiológico en la Cruz Roja Francesa. Después de la guerra, recibió una licenciatura. En 1921 se publicó su primer trabajo científico. Se dedicó a la determinación de la masa atómica del cloro a partir de diversos minerales. En sus actividades posteriores, trabajó en estrecha colaboración con su madre, ocupándose de la radiactividad. En su tesis doctoral, defendida en 1925, estudió las partículas alfa emitidas por el polonio.

Federico Joliot nacido en 1900 en París (2). Desde los ocho años asistió a la escuela en So, vivió en un internado. En ese momento, prefería el deporte a los estudios, especialmente al fútbol. Luego se turnó para asistir a dos escuelas secundarias. Al igual que Irene Curie, perdió a su padre temprano. En 1919 aprobó el examen en la École de Physique et de Chemie Industrielle de la Ville de Paris (Escuela de Física Industrial y Química Industrial de la Ciudad de París). Se graduó en 1923. Su profesor, Paul Langevin, se enteró de las habilidades y virtudes de Frederick. Después de 15 meses de servicio militar, por orden de Langevin, fue nombrado asistente personal de laboratorio de Marie Skłodowska-Curie en el Radium Institute con una beca de la Fundación Rockefeller. Allí conoció a Irene Curie, y en 1926 los jóvenes se casaron.

Frederick completó su tesis doctoral sobre la electroquímica de elementos radiactivos en 1930. Un poco antes, ya había centrado sus intereses en la investigación de su mujer, y tras defender la tesis doctoral de Frederick, ya trabajaban juntos. Uno de sus primeros éxitos importantes fue una preparación de polonio, que es una fuerte fuente de partículas alfa, es decir, núcleos de helio.(₂⁴Él). Partieron de una posición innegablemente privilegiada, porque fue Marie Curie quien suministró a su hija una gran cantidad de polonio. Lew Kowarsky, su posterior colaborador, los describió de la siguiente manera: Irena era "una excelente técnica", "trabajó muy bien y con mucho cuidado", "entendía profundamente lo que estaba haciendo". Su esposo tenía "una imaginación más deslumbrante y altísima". "Se complementaban perfectamente y lo sabían". Desde el punto de vista de la historia de la ciencia, los más interesantes para ellos fueron dos años: 1932-34.

Casi descubren el neutrón

"Casi" importa mucho. Muy pronto se enteraron de esta triste verdad. En 1930 en Berlín, dos alemanes - Walter Bothé i hubert becker - Investigó cómo se comportan los átomos de luz cuando son bombardeados con partículas alfa. Escudo de berilio (₄⁹Be) cuando es bombardeado con partículas alfa, emite una radiación extremadamente penetrante y de alta energía. Según los experimentadores, esta radiación debe haber sido una fuerte radiación electromagnética.

En esta etapa, Irena y Frederick se ocuparon del problema. Su fuente de partículas alfa era la más poderosa jamás vista. Usaron una cámara de niebla para observar los productos de reacción. A fines de enero de 1932, anunciaron públicamente que eran los rayos gamma los que eliminaban los protones de alta energía de una sustancia que contenía hidrógeno. Todavía no entendían lo que estaba en sus manos y lo que estaba sucediendo.. Despues de leer James Chadwick (3) en Cambridge, inmediatamente se puso a trabajar, pensando que no se trataba de radiación gamma en absoluto, sino de neutrones predichos por Rutherford con varios años de anticipación. Después de una serie de experimentos, se convenció de la observación del neutrón y descubrió que su masa es similar a la del protón. El 17 de febrero de 1932 envió una nota a la revista Nature titulada "La posible existencia del neutrón".

En realidad, era un neutrón, aunque Chadwick creía que un neutrón estaba formado por un protón y un electrón. Recién en 1934 comprendió y demostró que el neutrón es una partícula elemental. Chadwick recibió el Premio Nobel de Física en 1935. A pesar de darse cuenta de que se habían perdido un descubrimiento importante, los Joliot-Curie continuaron su investigación en esta área. Se dieron cuenta de que esta reacción producía rayos gamma además de neutrones, por lo que escribieron la reacción nuclear:

, donde Ef es la energía del gamma-cuántico. Se llevaron a cabo experimentos similares con ₉¹⁹F.

Se perdió la apertura de nuevo

Unos meses antes del descubrimiento del positrón, Joliot-Curie disponía de fotografías de, entre otras cosas, una trayectoria curva, como si fuera un electrón, pero retorciéndose en sentido contrario al del electrón. Las fotografías fueron tomadas en una cámara de niebla ubicada en un campo magnético. En base a esto, la pareja habló sobre los electrones que van en dos direcciones, desde la fuente y hacia la fuente. De hecho, los asociados con la dirección "hacia la fuente" eran positrones, o electrones positivos que se alejaban de la fuente.

Mientras tanto, en los Estados Unidos a fines del verano de 1932, carl david anderson (4), hijo de inmigrantes suecos, estudió los rayos cósmicos en una cámara de niebla bajo la influencia de un campo magnético. Los rayos cósmicos llegan a la Tierra desde el exterior. Anderson, para estar seguro de la dirección y el movimiento de las partículas, dentro de la cámara pasó las partículas a través de una placa de metal, donde perdieron parte de la energía. El 2 de agosto vio un rastro, que sin duda interpretó como un electrón positivo.

Vale la pena señalar que Dirac había predicho previamente la existencia teórica de tal partícula. Sin embargo, Anderson no siguió ningún principio teórico en sus estudios de los rayos cósmicos. En este contexto, calificó su descubrimiento de accidental.

Una vez más, Joliot-Curie tuvo que soportar una profesión innegable, pero emprendió más investigaciones en esta área. Descubrieron que los fotones de rayos gamma pueden desaparecer cerca de un núcleo pesado, formando un par electrón-positrón, aparentemente de acuerdo con la famosa fórmula de Einstein E = mc2 y la ley de conservación de la energía y el momento. Posteriormente, el propio Frederick demostró que existe un proceso de desaparición de un par electrón-positrón, dando lugar a dos cuantos gamma. Además de los positrones de pares electrón-positrón, tenían positrones de reacciones nucleares.

5. Séptima Conferencia Solvay, 1933

Sentados en la primera fila: Irene Joliot-Curie (segunda desde la izquierda),

Maria Skłodowska-Curie (quinta desde la izquierda), Lise Meitner (segunda desde la derecha).

radiactividad artificial

El descubrimiento de la radiactividad artificial no fue un acto instantáneo. En febrero de 1933, al bombardear aluminio, flúor y luego sodio con partículas alfa, Joliot obtuvo neutrones e isótopos desconocidos. En julio de 1933 anunciaron que, al irradiar aluminio con partículas alfa, observaron no solo neutrones, sino también positrones. Según Irene y Frederick, los positrones en esta reacción nuclear no podrían haberse formado como resultado de la formación de pares electrón-positrón, sino que tenían que provenir del núcleo atómico.

La Séptima Conferencia Solvay (5) tuvo lugar en Bruselas del 22 al 29 de octubre de 1933. Se denominó "La estructura y propiedades de los núcleos atómicos". Asistieron 41 físicos, incluidos los más destacados expertos en este campo en el mundo. Joliot informó los resultados de sus experimentos, afirmando que la irradiación de boro y aluminio con rayos alfa produce un neutrón con un positrón o un protón.. en esta conferencia Lisa Meitner Dijo que en los mismos experimentos con aluminio y flúor, no obtuvo el mismo resultado. En interpretación, no compartió la opinión de la pareja de París sobre el carácter nuclear del origen de los positrones. Sin embargo, cuando volvió a trabajar en Berlín, volvió a realizar estos experimentos y el 18 de noviembre, en una carta a Joliot-Curie, admitió que ahora, en su opinión, sí aparecen positrones del núcleo.

Además, esta conferencia francisco perrin, su par y buen amigo de París, habló sobre el tema de los positrones. A partir de los experimentos se supo que obtuvieron un espectro continuo de positrones, similar al espectro de partículas beta en la desintegración radiactiva natural. Un análisis posterior de las energías de los positrones y neutrones Perrin llegó a la conclusión de que aquí se deben distinguir dos emisiones: primero, la emisión de neutrones, acompañada por la formación de un núcleo inestable, y luego la emisión de positrones de este núcleo.

Después de la conferencia, Joliot detuvo estos experimentos durante unos dos meses. Y luego, en diciembre de 1933, Perrin publicó su opinión sobre el asunto. Al mismo tiempo, también en diciembre. Enrico Fermi propuso la teoría de la desintegración beta. Esto sirvió como base teórica para la interpretación de las experiencias. A principios de 1934, la pareja de la capital francesa reanudó sus experimentos.

Exactamente el 11 de enero, jueves por la tarde, Frédéric Joliot tomó papel de aluminio y lo bombardeó con partículas alfa durante 10 minutos. Por primera vez, utilizó un contador Geiger-Muller para la detección, y no la cámara de niebla, como antes. Observó con sorpresa que mientras retiraba la fuente de partículas alfa de la lámina, el conteo de positrones no se detenía, los contadores continuaban mostrándolos, solo que su número disminuía exponencialmente. Determinó que la vida media era de 3 minutos y 15 segundos. Luego redujo la energía de las partículas alfa que caían sobre la lámina colocando un freno de plomo en su camino. Y obtuvo menos positrones, pero la vida media no cambió.

Luego sometió boro y magnesio a los mismos experimentos y obtuvo vidas medias en estos experimentos de 14 minutos y 2,5 minutos, respectivamente. Posteriormente, tales experimentos se llevaron a cabo con hidrógeno, litio, carbono, berilio, nitrógeno, oxígeno, flúor, sodio, calcio, níquel y plata, pero no observó un fenómeno similar al del aluminio, boro y magnesio. El contador Geiger-Muller no distingue entre partículas con carga positiva y negativa, por lo que Frédéric Joliot también verificó que en realidad se trata de electrones positivos. El aspecto técnico también fue importante en este experimento, es decir, la presencia de una fuerte fuente de partículas alfa y el uso de un contador sensible de partículas cargadas, como un contador Geiger-Muller.

Como se explicó anteriormente por el par Joliot-Curie, los positrones y los neutrones se liberan simultáneamente en la transformación nuclear observada. Ahora, siguiendo las sugerencias de Francis Perrin y leyendo las consideraciones de Fermi, la pareja concluyó que la primera reacción nuclear produjo un núcleo inestable y un neutrón, seguido por la desintegración beta más de ese núcleo inestable. Entonces podrían escribir las siguientes reacciones:

Los Joliot notaron que los isótopos radiactivos resultantes tenían vidas medias demasiado cortas para existir en la naturaleza. Anunciaron sus resultados el 15 de enero de 1934, en un artículo titulado "Un nuevo tipo de radiactividad". A principios de febrero, lograron identificar el fósforo y el nitrógeno de las dos primeras reacciones de las pequeñas cantidades recolectadas. Pronto hubo una profecía de que se podrían producir más isótopos radiactivos en las reacciones de bombardeo nuclear, también con la ayuda de protones, deuterones y neutrones. En marzo, Enrico Fermi apostó a que este tipo de reacciones pronto se llevarían a cabo utilizando neutrones. Pronto ganó él mismo la apuesta.

Irena y Frederick recibieron el Premio Nobel de Química en 1935 por "la síntesis de nuevos elementos radiactivos". Este descubrimiento allanó el camino para la producción de isótopos radiactivos artificiales, que han encontrado muchas aplicaciones importantes y valiosas en la investigación básica, la medicina y la industria.

Finalmente, vale la pena mencionar a los físicos de los EE. UU., ernesto lorenzo con colegas de Berkeley e investigadores de Pasadena, entre los que se encontraba un polaco que estaba en prácticas Andrei Sultán. Se observó el conteo de pulsos por parte de los contadores, aunque el acelerador ya había dejado de funcionar. No les gustó este conteo. Sin embargo, no se dieron cuenta de que estaban tratando con un nuevo fenómeno importante y que simplemente les faltaba el descubrimiento de la radiactividad artificial...