Antes da tríplice arte, ou seja, sobre a descoberta da radioatividade artificial

De tempos em tempos, na história da física, há anos "maravilhosos" em que os esforços conjuntos de muitos pesquisadores levam a uma série de descobertas revolucionárias. Assim foi com 1820, o ano da eletricidade, 1905, o ano milagroso dos quatro artigos de Einstein, 1913, o ano associado ao estudo da estrutura do átomo, e finalmente 1932, quando uma série de descobertas técnicas e avanços na criação da física nuclear.

recém-casados

Irene, a filha mais velha de Marie Skłodowska-Curie e Pierre Curie, nasceu em Paris em 1897 (1). Até os doze anos, ela foi criada em casa, em uma pequena "escola" criada por eminentes cientistas para seus filhos, na qual havia cerca de dez alunos. Os professores eram: Marie Sklodowska-Curie (física), Paul Langevin (matemática), Jean Perrin (química), e as humanidades eram ensinadas principalmente pelas mães dos alunos. As aulas geralmente aconteciam nas casas dos professores, enquanto as crianças estudavam física e química em laboratórios reais.

Assim, o ensino de física e química era a aquisição de conhecimento por meio de ações práticas. Cada experimento bem-sucedido encantou os jovens pesquisadores. Eram experimentos reais que precisavam ser compreendidos e cuidadosamente executados, e as crianças no laboratório de Marie Curie tinham de estar em ordem exemplar. O conhecimento teórico também teve que ser adquirido. O método, como destino dos alunos desta escola, depois bons e destacados cientistas, provou ser eficaz.

2. Frederic Joliot (foto de Harcourt)

Além disso, o avô paterno de Irena, médico, dedicava muito tempo à neta órfã de seu pai, divertindo-se e complementando sua formação em ciências naturais. Em 1914, Irene se formou no pioneiro Collège Sévigné e ingressou na faculdade de matemática e ciências da Sorbonne. Isso coincidiu com o início da Primeira Guerra Mundial. Em 1916 juntou-se à mãe e juntas organizaram um serviço radiológico na Cruz Vermelha Francesa. Após a guerra, ela recebeu um diploma de bacharel. Em 1921, seu primeiro trabalho científico foi publicado. Ele se dedicou à determinação da massa atômica do cloro de vários minerais. Em suas atividades posteriores, ela trabalhou em estreita colaboração com sua mãe, lidando com radioatividade. Em sua tese de doutorado, defendida em 1925, ela estudou as partículas alfa emitidas pelo polônio.

Frederic Joliot nascido em 1900 em Paris (2). Desde os oito anos frequentou a escola em So, viveu num internato. Naquela época, ele preferia o esporte aos estudos, principalmente o futebol. Ele então se revezava em duas escolas secundárias. Como Irene Curie, ele perdeu o pai cedo. Em 1919 ele passou no exame na École de Physique et de Chemie Industrielle de la Ville de Paris (Escola de Física Industrial e Química Industrial da Cidade de Paris). Graduou-se em 1923. Seu professor, Paul Langevin, aprendeu sobre as habilidades e virtudes de Frederick. Após 15 meses de serviço militar, por ordem de Langevin, foi nomeado assistente pessoal de laboratório de Marie Skłodowska-Curie no Radium Institute com uma bolsa da Fundação Rockefeller. Lá ele conheceu Irene Curie, e em 1926 os jovens se casaram.

Frederick completou sua tese de doutorado sobre a eletroquímica de elementos radioativos em 1930. Um pouco antes, ele já havia focado seus interesses na pesquisa da esposa e, após defender a tese de doutorado de Frederico, já trabalhavam juntos. Um de seus primeiros sucessos importantes foi a preparação de polônio, que é uma forte fonte de partículas alfa, ou seja, núcleos de hélio.(₂⁴Ele). Partiram de uma posição inegavelmente privilegiada, pois foi Marie Curie quem forneceu à filha uma grande porção de polônio. Lew Kowarsky, seu colaborador posterior, descreveu-os da seguinte forma: Irena era "uma excelente técnica", "trabalhava muito bem e com cuidado", "compreendia profundamente o que estava fazendo". Seu marido tinha "uma imaginação mais deslumbrante e mais elevada". "Eles se complementavam perfeitamente e sabiam disso." Do ponto de vista da história da ciência, o mais interessante para eles foram dois anos: 1932-34.

Eles quase descobriram o nêutron

"Quase" importa muito. Eles aprenderam sobre essa triste verdade muito em breve. Em 1930, em Berlim, dois alemães - Walter Bothe i Hubert Becker - Investigou como os átomos leves se comportam quando bombardeados com partículas alfa. Escudo de Berílio (₄⁹Be) quando bombardeado com partículas alfa emitiam radiação extremamente penetrante e de alta energia. De acordo com os experimentadores, essa radiação deve ter sido uma forte radiação eletromagnética.

Nesta fase, Irena e Frederick lidaram com o problema. Sua fonte de partículas alfa era a mais poderosa de todos os tempos. Eles usaram uma câmara de nuvens para observar os produtos da reação. No final de janeiro de 1932, eles anunciaram publicamente que foram os raios gama que eliminaram prótons de alta energia de uma substância contendo hidrogênio. Eles ainda não entendiam o que estava em suas mãos e o que estava acontecendo.. Depois de ler James Chadwick (3) em Cambridge, ele imediatamente começou a trabalhar, pensando que não era radiação gama, mas nêutrons previstos por Rutherford com vários anos de antecedência. Após uma série de experimentos, ele se convenceu da observação do nêutron e descobriu que sua massa é semelhante à do próton. Em 17 de fevereiro de 1932, ele enviou uma nota à revista Nature intitulada "A possível existência do nêutron".

Na verdade, era um nêutron, embora Chadwick acreditasse que um nêutron era composto de um próton e um elétron. Somente em 1934 ele entendeu e provou que o nêutron é uma partícula elementar. Chadwick foi agraciado com o Prêmio Nobel de Física em 1935. Apesar da percepção de que haviam perdido uma importante descoberta, os Joliot-Curie continuaram suas pesquisas nessa área. Eles perceberam que essa reação produzia raios gama além dos nêutrons, então escreveram a reação nuclear:

, onde Ef é a energia do gama-quântico. Experimentos semelhantes foram feitos com ₉¹⁹F.

Faltou abrir novamente

Alguns meses antes da descoberta do pósitron, Joliot-Curie tinha fotografias de, entre outras coisas, um caminho curvo, como se fosse um elétron, mas torcendo na direção oposta do elétron. As fotografias foram tiradas em uma câmara de neblina localizada em um campo magnético. Com base nisso, o casal falou sobre elétrons indo em duas direções, da fonte e para a fonte. De fato, aqueles associados à direção "em direção à fonte" eram pósitrons, ou elétrons positivos se afastando da fonte.

Enquanto isso, nos Estados Unidos, no final do verão de 1932, Carlos David Anderson (4), filho de imigrantes suecos, estudou raios cósmicos em uma câmara de nuvens sob a influência de um campo magnético. Os raios cósmicos chegam à Terra de fora. Anderson, para ter certeza da direção e do movimento das partículas, no interior da câmara as partículas passavam por uma placa de metal, onde elas perdiam parte da energia. Em 2 de agosto, ele viu uma trilha, que sem dúvida interpretou como um elétron positivo.

Vale a pena notar que Dirac havia previsto anteriormente a existência teórica de tal partícula. No entanto, Anderson não seguiu nenhum princípio teórico em seus estudos de raios cósmicos. Nesse contexto, ele chamou sua descoberta de acidental.

Mais uma vez, Joliot-Curie teve que aturar uma profissão inegável, mas empreendeu mais pesquisas nessa área. Eles descobriram que os fótons de raios gama podem desaparecer perto de um núcleo pesado, formando um par elétron-pósitron, aparentemente de acordo com a famosa fórmula de Einstein E = mc2 e a lei de conservação de energia e momento. Mais tarde, o próprio Frederico provou que existe um processo de desaparecimento de um par elétron-pósitron, dando origem a dois quanta gama. Além de pósitrons de pares elétron-pósitron, eles tinham pósitrons de reações nucleares.

5. Sétima Conferência Solvay, 1933

Sentados na primeira fila: Irene Joliot-Curie (segunda da esquerda),

Maria Skłodowska-Curie (quinta da esquerda), Lise Meitner (segunda da direita).

Radioatividade artificial

A descoberta da radioatividade artificial não foi um ato instantâneo. Em fevereiro de 1933, bombardeando alumínio, flúor e sódio com partículas alfa, Joliot obteve nêutrons e isótopos desconhecidos. Em julho de 1933, eles anunciaram que, ao irradiar alumínio com partículas alfa, observaram não apenas nêutrons, mas também pósitrons. De acordo com Irene e Frederick, os pósitrons nesta reação nuclear não poderiam ter sido formados como resultado da formação de pares elétron-pósitron, mas tinham que vir do núcleo atômico.

A Sétima Conferência Solvay (5) ocorreu em Bruxelas de 22 a 29 de outubro de 1933. Foi chamada de "A Estrutura e Propriedades dos Núcleos Atômicos". Estiveram presentes 41 físicos, incluindo os mais destacados especialistas da área no mundo. Joliot relatou os resultados de seus experimentos, afirmando que irradiar boro e alumínio com raios alfa produz um nêutron com um pósitron ou um próton.. Nesta conferência Lisa Meitner Ela disse que nos mesmos experimentos com alumínio e flúor, ela não obteve o mesmo resultado. Na interpretação, ela não compartilhou a opinião do casal de Paris sobre a natureza nuclear da origem dos pósitrons. No entanto, quando voltou a trabalhar em Berlim, ela realizou novamente esses experimentos e, em 18 de novembro, em uma carta a Joliot-Curie, admitiu que agora, em sua opinião, os pósitrons realmente emergem do núcleo.

Além disso, esta conferência Francis Perrin, seu colega e bom amigo de Paris, falou sobre o assunto dos pósitrons. Sabia-se a partir de experimentos que eles obtiveram um espectro contínuo de pósitrons, semelhante ao espectro de partículas beta em decaimento radioativo natural. Uma análise mais aprofundada das energias de pósitrons e nêutrons Perrin chegou à conclusão de que duas emissões devem ser distinguidas aqui: primeiro, a emissão de nêutrons, acompanhada pela formação de um núcleo instável, e depois a emissão de pósitrons desse núcleo.

Após a conferência, Joliot interrompeu esses experimentos por cerca de dois meses. E então, em dezembro de 1933, Perrin publicou sua opinião sobre o assunto. Ao mesmo tempo, também em dezembro Enrico Fermi propôs a teoria do decaimento beta. Isso serviu de base teórica para a interpretação das experiências. No início de 1934, o casal da capital francesa retomou suas experiências.

Exatamente no dia 11 de janeiro, quinta-feira à tarde, Frédéric Joliot pegou papel alumínio e o bombardeou com partículas alfa por 10 minutos. Pela primeira vez, ele usou um contador Geiger-Muller para detecção, e não a câmara de neblina, como antes. Ele notou com surpresa que ao remover a fonte de partículas alfa da folha, a contagem de pósitrons não parava, os contadores continuavam a mostrá-los, apenas seu número diminuía exponencialmente. Ele determinou que a meia-vida seria de 3 minutos e 15 segundos. Então ele reduziu a energia das partículas alfa caindo sobre a folha, colocando um freio de chumbo em seu caminho. E recebeu menos pósitrons, mas a meia-vida não mudou.

Em seguida, ele submeteu boro e magnésio aos mesmos experimentos e obteve meias-vidas nesses experimentos de 14 minutos e 2,5 minutos, respectivamente. Posteriormente, tais experimentos foram realizados com hidrogênio, lítio, carbono, berílio, nitrogênio, oxigênio, flúor, sódio, cálcio, níquel e prata - mas ele não observou fenômeno semelhante ao alumínio, boro e magnésio. O contador Geiger-Muller não faz distinção entre partículas carregadas positivas e negativas, então Frédéric Joliot também verificou que ele realmente lida com elétrons positivos. O aspecto técnico também foi importante neste experimento, ou seja, a presença de uma forte fonte de partículas alfa e o uso de um contador sensível de partículas carregadas, como um contador Geiger-Muller.

Como explicado anteriormente pelo par Joliot-Curie, pósitrons e nêutrons são liberados simultaneamente na transformação nuclear observada. Agora, seguindo as sugestões de Francis Perrin e lendo as considerações de Fermi, o casal concluiu que a primeira reação nuclear produziu um núcleo instável e um nêutron, seguido pelo decaimento beta mais desse núcleo instável. Assim, eles poderiam escrever as seguintes reações:

Os Joliots notaram que os isótopos radioativos resultantes tinham meias-vidas muito curtas para existir na natureza. Eles anunciaram seus resultados em 15 de janeiro de 1934, em um artigo intitulado "Um novo tipo de radioatividade". No início de fevereiro, eles conseguiram identificar fósforo e nitrogênio das duas primeiras reações das pequenas quantidades coletadas. Logo houve uma profecia de que mais isótopos radioativos poderiam ser produzidos em reações de bombardeio nuclear, também com a ajuda de prótons, dêuterons e nêutrons. Em março, Enrico Fermi apostou que em breve tais reações seriam realizadas com nêutrons. Ele logo ganhou a aposta.

Irena e Frederick receberam o Prêmio Nobel de Química em 1935 pela "síntese de novos elementos radioativos". Esta descoberta abriu caminho para a produção de isótopos artificialmente radioativos, que encontraram muitas aplicações importantes e valiosas em pesquisa básica, medicina e indústria.

Por fim, vale mencionar os físicos dos EUA, Ernest Lawrence com colegas de Berkeley e pesquisadores de Pasadena, entre os quais um polonês que estava em estágio Andrei Sultan. A contagem de pulsos por contadores foi observada, embora o acelerador já tivesse parado de funcionar. Eles não gostaram dessa contagem. No entanto, eles não perceberam que estavam lidando com um novo fenômeno importante e que simplesmente não tinham a descoberta da radioatividade artificial ...