قبل الفن الثلاثي ، أي حول اكتشاف النشاط الإشعاعي الاصطناعي

من وقت لآخر في تاريخ الفيزياء هناك سنوات "معجزة" تؤدي فيها الجهود المشتركة للعديد من الباحثين إلى سلسلة من الاكتشافات الخارقة. كان هذا هو الحال منذ عام 1820، عام الكهرباء، و1905، العام المعجزي لأوراق أينشتاين الأربع، و1913، العام المرتبط بدراسة بنية الذرة، وأخيراً 1932، عندما حدثت سلسلة من الاكتشافات والإنجازات التقنية. أدى إلى خلق الطاقة النووية والفيزياء.

المتزوجين حديثا

ايرين، الابنة الكبرى لماري سكلودوفسكا كوري وبيير كوري، ولدت في باريس عام 1897 (1). حتى سن الثانية عشرة، نشأت في المنزل، في "مدرسة" صغيرة أنشأها علماء بارزون لأطفالها، حيث كان هناك حوالي عشرة طلاب. كان المعلمون هم: ماري سكلودوفسكا كوري (فيزياء)، وبول لانجفين (رياضيات)، وجان بيرين (كيمياء)، وكانت العلوم الإنسانية تدرس بشكل رئيسي من قبل أمهات الطلاب. كانت الدروس تُعطى عادةً في منازل المعلمين، وكان الأطفال يدرسون الفيزياء والكيمياء في مختبرات حقيقية.

وهكذا ، فإن تدريس الفيزياء والكيمياء كان اكتساب المعرفة من خلال الإجراءات العملية. كل تجربة ناجحة أسعد الباحثين الشباب. كانت هذه تجارب حقيقية يجب فهمها وتنفيذها بعناية ، وكان على الأطفال في مختبر ماري كوري أن يكونوا في ترتيب مثالي. كان لابد من اكتساب المعرفة النظرية. الطريقة ، مثل مصير طلاب هذه المدرسة ، والعلماء الجيدين والمتميزين فيما بعد ، أثبتت فعاليتها.

2. فريدريك جوليو (صورة هاركورت)

علاوة على ذلك، كرّس جد إيرينا لأبها، وهو طبيب، الكثير من الوقت لحفيدة والده اليتيمة، حيث كان يستمتع بها ويكمل تعليمها في العلوم الطبيعية. في عام 1914، تخرجت إيرين من مدرسة Collège Sévigné المبتكرة ودخلت كلية الرياضيات والعلوم الطبيعية في جامعة السوربون. وتزامن ذلك مع بداية الحرب العالمية الأولى. وفي عام 1916، انضمت إلى والدتها وأنشأا معًا خدمة إشعاعية للصليب الأحمر الفرنسي. بعد الحرب حصلت على درجة البكالوريوس. في عام 1921، تم نشر أول عمل علمي لها. وقد خصص لتحديد الكتلة الذرية للكلور من المعادن المختلفة. وفي أنشطتها الإضافية، عملت بشكل وثيق مع والدتها، حيث عملت على النشاط الإشعاعي. في أطروحتها للدكتوراه، التي ناقشتها عام 1925، درست جسيمات ألفا المنبعثة من البولونيوم.

فريدريك جوليوت ولد سنة 1900 بباريس (2). منذ سن الثامنة التحق بالمدرسة في سو وعاش في مدرسة داخلية. وكان وقتها يفضل الرياضة على الدراسة، وخاصة كرة القدم. ثم التحق بمدرستين ثانويتين بدوره. مثل إيرين كوري، فقد والده في وقت مبكر. في عام 1919، اجتاز الامتحان في École de Physique et de Chemie Industrielle de la Ville de Paris (المدرسة العليا للفيزياء الصناعية والكيمياء الصناعية لمدينة باريس). وتخرج في عام 1923. تعلم أستاذه بول لانجفين بقدرات فريدريك وفضائله. بعد 15 شهرًا من الخدمة العسكرية، بناءً على أوامر من لانجفين، تم تعيينه كمساعد مختبر شخصي لماري سكودوفسكا كوري في معهد الراديوم، بتمويل من منحة من مؤسسة روكفلر. هناك التقى إيرين كوري، وفي عام 1926 تزوج الشباب.

حصل فريدريك على درجة الدكتوراه في الكيمياء الكهربائية للعناصر المشعة في عام 1930. وقبل ذلك بقليل، كان قد ركز بالفعل اهتماماته على أبحاث زوجته، وبعد أن دافع فريدريك عن أطروحة الدكتوراه، فقد عملوا معًا بالفعل. وكان من أولى نجاحاتهم الهامة تحضير البولونيوم، وهو مصدر قوي لجسيمات ألفا، أي. نواة الهيليوم.(₂⁴هو). لقد بدأوا من موقع متميز لا يمكن إنكاره، لأن ماري كوري هي التي زودت ابنتها بكمية كبيرة من البولونيوم. وقد وصفهم ليو كوارسكي، الموظف اللاحق لديهم، بهذه الطريقة: كانت إيرينا "فنية ممتازة"، "وكانت تعمل بشكل جيد للغاية وبعناية"، "وكانت تفهم بعمق ما كانت تفعله". كان لزوجها "خيال أكثر إبهارًا وارتفاعًا". "لقد كانا يكملان بعضهما البعض بشكل مثالي وكانا يعرفان ذلك." من وجهة نظر تاريخ العلوم، كانت السنتان الأكثر إثارة للاهتمام بالنسبة لهم هي: 1932-34.

لقد اكتشفوا النيوترون تقريبًا

"تقريبا" يهم كثيرا. لقد علموا بهذه الحقيقة المحزنة في وقت قريب جدًا. في عام 1930 في برلين ، قام ألمانيان - والتر بوث i هيوبرت بيكر - التحقيق في كيفية تصرف ذرات الضوء عند قصفها بجزيئات ألفا. درع البريليوم (₄⁹Be) عند قصفها بجسيمات ألفا، تنبعث إشعاعات شديدة الاختراق وعالية الطاقة. وبحسب المجربين، لا بد أن هذا الإشعاع كان عبارة عن إشعاع كهرومغناطيسي قوي.

في هذه المرحلة، كانت إيرينا وفريدريك يتعاملان مع المشكلة. كان مصدر جسيمات ألفا هو الأقوى على الإطلاق. استخدموا غرفة سحابة لمراقبة منتجات التفاعل. في نهاية يناير 1932، أعلنوا علنًا أن أشعة جاما هي التي قضت على البروتونات عالية الطاقة من مادة تحتوي على الهيدروجين. ما زالوا لا يفهمون ما في أيديهم وما كان يحدث. بعد القراءة جيمس شادويك (3) في كامبريدج، شرع على الفور في العمل، معتقدًا أن الأمر لا يتعلق بإشعاع جاما على الإطلاق، بل بالنيوترونات، التي تنبأ بها رذرفورد قبل عدة سنوات. وبعد سلسلة من التجارب اقتنع بملاحظة النيوترون ووجد أن كتلته مماثلة لكتلة البروتون. وفي 17 فبراير 1932، أرسل مذكرة إلى مجلة نيتشر بعنوان "الوجود المحتمل للنيوترون".

لقد كان في الواقع نيوترونًا، على الرغم من أن تشادويك كان يعتقد أن النيوترون يتكون من بروتون وإلكترون. فقط في عام 1934 تمكن من فهم وأثبت أن النيوترون هو جسيم أولي. حصل تشادويك على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1935. على الرغم من إدراكهم أنهم فاتتهم اكتشاف مهم، واصل جوليو-كوري أبحاثهم في هذا المجال. وأدركوا أن هذا التفاعل ينتج أشعة جاما بالإضافة إلى النيوترونات، فكتبوا التفاعل النووي:

حيث Ef هي طاقة كم جاما. لقد أجروا تجارب مماثلة مع ₉¹⁹F.

لقد ضاع الافتتاح مرة أخرى

قبل عدة أشهر من اكتشاف البوزيترون، كان لدى جوليو كوري صور فوتوغرافية لمسار منحني، من بين أشياء أخرى، كما لو كان إلكترونًا، ولكنه ملتوي في الاتجاه المعاكس لاتجاه الإلكترون. تم التقاط الصور في غرفة الضباب الموجودة في مجال مغناطيسي. وعلى هذا الأساس تحدث الزوجان عن أن الإلكترونات تسير في اتجاهين، من المصدر وإلى المصدر. في الواقع، تلك المرتبطة بالاتجاه "نحو المصدر" كانت عبارة عن بوزيترونات، أو إلكترونات موجبة تتحرك بعيدًا عن المصدر.

وفي الوقت نفسه، في الولايات المتحدة الأمريكية في نهاية صيف عام 1932. كارل ديفيد أندرسون (4)، وهو ابن مهاجرين سويديين، درس الأشعة الكونية في غرفة سحابية تحت تأثير المجال المغناطيسي. تأتي الأشعة الكونية إلى الأرض من الخارج. وللتأكد من اتجاه وحركة الجسيمات، مرر أندرسون الجسيمات داخل الحجرة من خلال لوحة معدنية، حيث فقدت بعضًا من طاقتها. وفي الثاني من أغسطس، رأى أثرًا فسره بلا شك على أنه إلكترون موجب.

ومن الجدير بالذكر أن ديراك كان قد تنبأ سابقًا بوجود مثل هذا الجسيم نظريًا. ومع ذلك، لم يتبع أندرسون أي مبادئ نظرية في دراساته للأشعة الكونية. وفي هذا السياق، وصف اكتشافه بأنه عرضي.

مرة أخرى، كان على جوليو كوري أن يتصالح مع مهنته التي لا شك فيها، لكنه أجرى المزيد من الأبحاث في هذا المجال. اكتشفوا أن فوتونات أشعة جاما يمكن أن تختفي بالقرب من نواة ثقيلة، لتشكل زوجًا من الإلكترون والبوزيترون، وفقًا لصيغة أينشتاين الشهيرة E = mc2 وقانون الحفاظ على الطاقة والزخم. وفي وقت لاحق، أثبت فريدريك نفسه أن هناك عملية اختفاء لزوج الإلكترون والبوزيترون، مما أدى إلى ظهور كوانتا جاما. بالإضافة إلى البوزيترونات من أزواج الإلكترون والبوزيترون، كان لديهم بوزيترونات من التفاعلات النووية.

5. مؤتمر سولفاي السابع 1933

الجالسين في الصف الأمامي: إيرين جوليو كوري (الثانية من اليسار)،

ماري سكلودوفسكا كوري (الخامسة من اليسار)، ليز مايتنر (الثانية من اليمين).

النشاط الإشعاعي الاصطناعي

لم يكن اكتشاف النشاط الإشعاعي الاصطناعي عملاً بين عشية وضحاها. في فبراير 1933، من خلال قصف الألومنيوم والفلور ثم الصوديوم بجسيمات ألفا، حصل جوليوت على نيوترونات ونظائر غير معروفة. في يوليو 1933، أعلنوا أنه من خلال تشعيع الألومنيوم بجسيمات ألفا، لم يلاحظوا النيوترونات فحسب، بل لاحظوا أيضًا البوزيترونات. وفقًا لإيرين وفريدريك، لا يمكن إنتاج البوزيترونات في هذا التفاعل النووي عن طريق تكوين أزواج إلكترون-بوزيترون، ولكن يجب أن تأتي من النواة الذرية.

انعقد مؤتمر سولفاي السابع (5) في بروكسل في الفترة من 22 إلى 29 أكتوبر 1933. وكان يسمى "بنية وخصائص النوى الذرية". وحضره 41 عالما من علماء الفيزياء، من بينهم أبرز المتخصصين في هذا المجال في العالم. أبلغ جوليو عن نتائج تجاربه، مشيراً إلى أن تشعيع البورون والألمنيوم بأشعة ألفا ينتج إما نيوترون مع بوزيترون أو بروتون.. في هذا المؤتمر ليزا مايتنر وقالت إنها في نفس التجارب مع الألمنيوم والفلور، لم تحصل على نفس النتيجة. وفي تفسيرها، لم تشارك رأي الزوجين من باريس حول الطبيعة النووية لأصل البوزيترونات. ومع ذلك، بعد أن عادت إلى العمل في برلين، أجرت هذه التجارب مرة أخرى وفي 18 نوفمبر، في رسالة إلى جوليو كوري، اعترفت أنه الآن، في رأيها، تظهر البوزيترونات بالفعل من النواة.

علاوة على ذلك، في هذا المؤتمر فرانسيس بيرينتحدث زميلهم وصديقهم العزيز من باريس عن مسألة البوزيترونات. ومن خلال التجارب، عُرف أنهم حصلوا على طيف مستمر من البوزيترونات، مشابه لطيف جسيمات بيتا أثناء الاضمحلال الإشعاعي الطبيعي. مزيد من التحليل لطاقات البوزيترونات والنيوترونات توصل بيرين إلى استنتاج مفاده أنه ينبغي هنا التمييز بين انبعاثين: أولاً، انبعاث النيوترونات، مصحوبًا بتكوين نواة غير مستقرة، ثم انبعاث البوزيترونات من هذه النواة.

وبعد مؤتمر جوليو توقفت هذه التجارب لمدة شهرين تقريبًا. وبعد ذلك، في ديسمبر 1933، نشر بيرين رأيه في هذا الشأن. وفي الوقت نفسه، أيضا في ديسمبر إنريكو فيرمي طرح نظرية اضمحلال بيتا. وقد وفر هذا الأساس النظري لتفسير التجارب. في بداية عام 1934، استأنف الزوجان من العاصمة الفرنسية تجاربهما.

في ظهيرة يوم الخميس 11 يناير بالضبط، أخذ فريديريك جوليو ورق الألمنيوم وقصفه بجسيمات ألفا لمدة 10 دقائق. ولأول مرة، استخدم عداد جيجر مولر للكشف، بدلا من غرفة الضباب كما كان من قبل. لقد تفاجأ عندما لاحظ أنه عندما قام بتحريك مصدر جسيمات ألفا بعيدًا عن الرقاقة، لم يتوقف عد البوزيترونات، واستمرت العدادات في إظهارها، فقط انخفض عددها بشكل كبير. حدد عمر النصف ليكون 3 دقائق و15 ثانية. ثم قام بعد ذلك بتقليل طاقة جسيمات ألفا المتساقطة على الرقاقة عن طريق وضع مكابح الرصاص في طريقها. وقد حصل على عدد أقل من البوزيترونات، لكن عمر النصف لم يتغير.

ثم أخضع البورون والمغنيسيوم لنفس التجارب وحصل على نصف عمر في هذه التجارب قدره 14 دقيقة و2,5 دقيقة على التوالي. بعد ذلك، تم إجراء مثل هذه التجارب مع الهيدروجين والليثيوم والكربون والبريليوم والنيتروجين والأكسجين والفلور والصوديوم والكالسيوم والنيكل والفضة - لكنه لم يلاحظ ظاهرة مماثلة كما هو الحال بالنسبة للألمنيوم والبورون والمغنيسيوم. ولا يميز عداد جيجر-مولر بين الجسيمات ذات الشحنة الموجبة والسالبة، لذلك تحقق فريديريك جوليو أيضًا من أنه كان يتعامل في الواقع مع الإلكترونات الموجبة. كما كان للجانب الفني أهمية في هذه التجربة، أي وجود مصدر قوي لجسيمات ألفا واستخدام عداد الجسيمات المشحونة الحساسة مثل عداد جيجر مولر.

كما أوضح سابقًا زوج جوليو-كوري، يتم إطلاق البوزيترونات والنيوترونات في وقت واحد أثناء التحول النووي الملحوظ. الآن، بعد اقتراحات فرانسيس بيرين وقراءة اعتبارات فيرمي، استنتج الزوجان أن التفاعل النووي الأول ينتج نواة غير مستقرة ونيوترون، يليه اضمحلال بيتا زائد لتلك النواة غير المستقرة. حتى يتمكنوا من كتابة ردود الفعل التالية:

لاحظ الزوجان جوليوت أن النظائر المشعة الناتجة لها عمر نصف قصير جدًا بحيث لا يمكن أن توجد في الطبيعة. وأعلنوا نتائجهم في 15 يناير 1934، في ورقة بحثية بعنوان "نوع جديد من النشاط الإشعاعي". وفي أوائل فبراير، تمكنوا من التعرف على الفوسفور والنيتروجين من أول تفاعلين من الكميات الصغيرة التي تم جمعها. وسرعان ما ظهرت نبوءة مفادها أن تفاعلات القصف النووي يمكن أن تنتج المزيد من النظائر المشعة، وذلك أيضًا بمساعدة البروتونات والديوترونات والنيوترونات. في شهر مارس، راهن إنريكو فيرمي على أن مثل هذه التفاعلات سيتم تنفيذها قريبًا باستخدام النيوترونات. وسرعان ما فاز هو نفسه بالرهان.

حصلت إيرينا وفريدريك على جائزة نوبل في الكيمياء عام 1935 عن "تركيب عناصر مشعة جديدة". وقد مهد هذا الاكتشاف الطريق لإنتاج النظائر المشعة صناعيا، والتي وجدت العديد من التطبيقات الهامة والقيمة في البحوث الأساسية والطب والصناعة.

وأخيرا، تجدر الإشارة إلى علماء الفيزياء من الولايات المتحدة الأمريكية، إرنست لورانس مع زملاء من بيركلي وباحثين من باسادينا، وكان من بينهم بولندي كان في فترة تدريب أندريه سلطان. شاهدنا العدادات تحسب النبضات، رغم أن دواسة الوقود كانت قد توقفت عن العمل بالفعل. لم يعجبهم هذا الحساب. إلا أنهم لم يدركوا أنهم يتعاملون مع ظاهرة جديدة مهمة وأنهم ببساطة يفتقدون اكتشاف النشاط الإشعاعي الاصطناعي...