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DESCOBERTAS CIENTÍFICAS MAIS IMPORTANTES
radioatividade artificial. História e essência da descoberta científica
Diretório / As descobertas científicas mais importantes A radioatividade artificial foi descoberta pelo casal Irène (1897–1956) e Frédéric (1900–1958) Joliot-Curie. Em 15 de janeiro de 1934, sua nota foi apresentada por J. Perrin em uma reunião da Academia de Ciências de Paris. Irene e Frederick conseguiram estabelecer que após o bombardeio com partículas alfa, alguns elementos leves - magnésio, boro, alumínio - emitem pósitrons. Em seguida, tentaram estabelecer o mecanismo dessa emissão, que era de natureza diferente de todos os casos de transformações nucleares conhecidos na época. Os cientistas colocaram uma fonte de partículas alfa (polônio) a uma distância de um milímetro da folha de alumínio. Eles então a expuseram à radiação por cerca de dez minutos. Um contador Geiger-Muller mostrou que a folha emite radiação, cuja intensidade diminui exponencialmente com o tempo, com meia-vida de 3 minutos e 15 segundos. Em experimentos com boro e magnésio, as meias-vidas foram de 14 e 2,5 minutos, respectivamente. Mas em experimentos com hidrogênio, lítio, carbono, berílio, nitrogênio, oxigênio, flúor, sódio, cálcio, níquel e prata, tais fenômenos não foram encontrados. No entanto, os Joliot-Curie concluíram que a radiação causada pelo bombardeio de átomos de alumínio, magnésio e boro não poderia ser explicada pela presença de qualquer impureza na preparação de polônio. “Uma análise da radiação de boro e alumínio em uma câmara de nuvens mostrou”, escrevem K. Manolov e V. Tyutyunnik em seu livro “Biografia do Átomo”, que se trata de um fluxo de pósitrons. com um fenômeno novo e significativamente diferente de todos os casos conhecidos de transformações nucleares. As reações nucleares conhecidas até então eram de natureza explosiva, enquanto a emissão de elétrons positivos por alguns elementos leves submetidos à irradiação de polônio alfa continua por mais alguns ou menos muito tempo após a remoção da fonte de raios alfa, o boro, por exemplo, esse tempo chega a meia hora. Os Joliot-Curie chegaram à conclusão de que aqui estamos falando de radioatividade real, manifestada na emissão de um pósitron. Novas evidências eram necessárias e, acima de tudo, era necessário isolar o isótopo radioativo correspondente. Baseando-se em Pesquisa Rutherford e Cockcroft, Irene e Frédéric Joliot-Curie conseguiram estabelecer o que acontece com átomos de alumínio quando são bombardeados com partículas alfa de polônio. Primeiro, as partículas alfa são capturadas pelo núcleo de um átomo de alumínio, cuja carga positiva aumenta em duas unidades, resultando no núcleo de um átomo de fósforo radioativo, chamado pelos cientistas de radiofósforo. Este processo é acompanhado pela emissão de um nêutron, razão pela qual a massa do isótopo resultante aumenta não quatro, mas três unidades e se torna igual a 30. O isótopo estável de fósforo tem uma massa de 31. "Radiofósforo" com uma carga de 15 e uma massa de 30 decai com meia-vida de 3 minutos e 15 segundos, emitindo um pósitron e tornando-se um isótopo estável de silício. A única e indiscutível evidência de que o alumínio se transforma em fósforo e depois em silício com carga de 14 e massa de 30 só poderia ser o isolamento desses elementos e sua identificação por meio de suas reações químicas qualitativas características. Para qualquer químico que trabalhasse com compostos estáveis, essa era uma tarefa fácil, mas para Irene e Frederick a situação era completamente diferente: os átomos de fósforo obtidos duravam pouco mais de três minutos. Os químicos têm muitos métodos para detectar esse elemento, mas todos eles exigem determinações demoradas. Portanto, a opinião dos químicos foi unânime: é impossível identificar o fósforo em tão pouco tempo. No entanto, os Joliot-Curie não reconheceram a palavra "impossível". E embora essa tarefa "insolúvel" exigisse excesso de trabalho, tensão, destreza virtuosa e paciência infinita, foi resolvida. Apesar do baixíssimo rendimento dos produtos das transformações nucleares e da massa absolutamente desprezível da substância que sofreu a transformação - apenas alguns milhões de átomos, foi possível estabelecer as propriedades químicas do fósforo radioativo resultante. A descoberta da radioatividade artificial foi imediatamente considerada uma das maiores descobertas do século. Antes disso, a radioatividade inerente a alguns elementos não podia ser causada, destruída ou alterada de alguma forma pelo homem. Os Joliot-Curie foram os primeiros a causar radioatividade artificialmente, obtendo novos isótopos radioativos. Os cientistas previram o grande significado teórico dessa descoberta e a possibilidade de suas aplicações práticas no campo da biologia e da medicina. No ano seguinte, os descobridores da radioatividade artificial, Irene e Frederic Joliot-Curie, receberam o Prêmio Nobel de Química. Dando continuidade a esses estudos, o cientista italiano Fermi mostrou que o bombardeio de nêutrons induz radioatividade artificial em metais pesados. Enrico Fermi (1901-1954) nasceu em Roma. Ainda criança, Enrico mostrou grande aptidão para matemática e física. Seu notável conhecimento nestas ciências, adquirido principalmente como resultado de auto-educação, permitiu-lhe receber uma bolsa em 1918 e ingressar na Escola Normal Superior da Universidade de Pisa. Então Enrico recebeu uma posição temporária como professor de matemática para químicos na Universidade de Roma. Em 1923, fez uma viagem de negócios à Alemanha, a Göttingen, a Max Nascido. Ao retornar à Itália, Fermi trabalhou de janeiro de 1925 até o outono de 1926 na Universidade de Florença. Aqui ele recebe seu primeiro diploma de "professor associado livre" e, mais importante, cria seu famoso trabalho sobre estatística quântica. Em dezembro de 1926, assumiu o cargo de professor na recém-criada cátedra de física teórica da Universidade de Roma. Aqui ele organizou uma equipe de jovens físicos: Rasetti, Amaldi, Segre, Pontecorvo e outros, que compunham a escola italiana de física moderna. Quando a primeira cadeira de física teórica foi estabelecida na Universidade de Roma em 1927, Fermi, que conseguiu ganhar prestígio internacional, foi eleito seu chefe. Aqui na capital da Itália, Fermi reuniu em torno dele vários cientistas proeminentes e fundou a primeira escola de física moderna do país. Nos círculos científicos internacionais, passou a ser chamado de grupo Fermi. Dois anos depois, Fermi foi nomeado por Benito Mussolini para o cargo honorário de membro da recém-criada Academia Real da Itália. Em 1938 Fermi foi agraciado com o Prêmio Nobel de Física. A decisão do Comitê Nobel afirmava que o prêmio foi concedido a Fermi "pela evidência da existência de novos elementos radioativos obtidos por irradiação com nêutrons, e pela descoberta de reações nucleares causadas por nêutrons lentos associados a isso". Enrico Fermi aprendeu sobre radioatividade artificial imediatamente, na primavera de 1934, assim que os Joliot-Curie publicaram seus resultados. Fermi decidiu repetir os experimentos de Joliot-Curie, mas foi de uma maneira completamente diferente, usando nêutrons como partículas de bombardeio. Mais tarde, Fermi explicou as razões para a desconfiança de nêutrons por outros físicos e seu próprio palpite de sorte: "O uso de nêutrons como partículas de bombardeio sofre de uma desvantagem: o número de nêutrons que podem ser praticamente descartados é incomensuravelmente menor que o número de partículas alfa obtidas de fontes radioativas, ou o número de prótons e dêuterons acelerados em dispositivos de alta tensão. . Mas esta desvantagem é parcialmente compensada pela maior eficiência dos nêutrons na condução de "transformações nucleares artificiais" Os nêutrons também têm outra vantagem: eles são capazes de causar transformações nucleares em grande medida. o número de elementos que podem ser ativados por outros tipos de partículas." Na primavera de 1934, Fermi começou a irradiar elementos com nêutrons. As "armas de nêutrons" de Fermi eram pequenos tubos com alguns centímetros de comprimento. Eles foram preenchidos com uma "mistura" de pó de berílio finamente disperso e emanação de rádio. Aqui está como Fermi descreveu uma dessas fontes de nêutrons: “Era um tubo de vidro de apenas 1,5 cm... no qual havia grãos de berílio; antes de lacrar o tubo, era necessário introduzir nele uma certa quantidade de emanação de rádio. com átomos de berílio e dão nêutrons... O experimento é realizado da seguinte forma. Nas imediações da fonte de nêutrons, uma placa de alumínio ou ferro, ou em geral do elemento que se deseja estudar, é colocada e deixada por vários minutos, horas ou dias (dependendo do caso específico). Os nêutrons emitidos da fonte colidem com os núcleos da matéria. Nesse caso, ocorrem muitas reações nucleares de vários tipos ... " Como foi tudo isso na prática? A amostra em estudo estava sob intensa exposição à irradiação de nêutrons por um tempo especificado, então um dos funcionários do Fermi literalmente correu a amostra para um contador Geiger-Muller localizado em outro laboratório e registrou os pulsos do contador. Afinal, muitos novos radioisótopos artificiais tiveram vida curta. Na primeira comunicação, datada de 25 de março de 1934, Fermi relatou que, bombardeando alumínio e flúor, obteve isótopos de sódio e nitrogênio que emitem elétrons (e não pósitrons, como em Joliot-Curie). O método de bombardeio de nêutrons provou ser muito eficaz, e Fermi escreveu que essa alta eficiência de fissão "compensa completamente a fraqueza das fontes de nêutrons existentes em comparação com as fontes de partículas alfa e prótons". Na verdade, muito se sabia. Os nêutrons entraram no núcleo do átomo disparado, transformando-o em um isótopo instável, que decaiu e emitiu espontaneamente. Nessa radiação residia o desconhecido: alguns dos isótopos produzidos artificialmente emitiam raios beta, outros raios gama e outros ainda partículas alfa. A cada dia aumentava o número de isótopos radioativos obtidos artificialmente. Cada nova reação nuclear teve que ser compreendida para compreender as complexas transformações dos átomos. Para cada reação foi necessário estabelecer a natureza da radiação, pois somente conhecendo-a é possível imaginar o padrão de decaimento radioativo e prever o elemento que será obtido no resultado final. Depois foi a vez dos químicos. Eles tiveram que identificar os átomos resultantes. Isso também levou tempo. Com sua "arma de nêutrons", Fermi bombardeou flúor, alumínio, silício, fósforo, cloro, ferro, cobalto, prata e iodo. Todos esses elementos foram ativados e, em muitos casos, Fermi pode indicar a natureza química do elemento radioativo resultante. Ele conseguiu ativar 47 dos 68 elementos estudados por este método. Encorajado por seu sucesso, ele, em colaboração com F. Rasetti e O. D'Agostino, empreendeu o bombardeio de nêutrons de elementos pesados: tório e urânio. "Experiências mostraram que ambos os elementos, previamente purificados das impurezas ativas usuais, podem ser fortemente ativados quando bombardeados com nêutrons." Em 22 de outubro de 1934, Fermi fez uma descoberta fundamental. Ao colocar uma cunha de parafina entre a fonte de nêutrons e o cilindro de prata ativado, Fermi notou que a cunha não diminuiu a atividade dos nêutrons, mas a aumentou ligeiramente. Fermi concluiu que esse efeito era aparentemente devido à presença de hidrogênio na parafina e decidiu testar como um grande número de elementos contendo hidrogênio afetaria a atividade de separação. Tendo realizado o experimento primeiro com parafina, depois com água, Fermi afirmou um aumento na atividade centenas de vezes. Os experimentos de Fermi revelaram a enorme eficiência dos nêutrons lentos. Mas, além de notáveis resultados experimentais, no mesmo ano Fermi alcançou notáveis realizações teóricas. Já na edição de dezembro de 1933, seus pensamentos preliminares sobre o decaimento beta foram publicados em uma revista científica italiana. No início de 1934, seu artigo clássico "Sobre a Teoria dos Raios Beta" foi publicado. O resumo do artigo do autor diz: "Uma teoria quantitativa do decaimento beta baseada na existência de neutrinos é proposta: neste caso, a emissão de elétrons e neutrinos é considerada por analogia com a emissão de um quantum de luz por um átomo excitado em teoria da radiação. As fórmulas são derivadas do tempo de vida do núcleo e para a forma do espectro contínuo de raios beta; as fórmulas obtidas são comparadas com experimentos". Fermi nesta teoria deu vida à hipótese do neutrino e ao modelo próton-nêutron do núcleo, aceitando também a hipótese do spin isotônico proposta por Heisenberg para este modelo. Com base nas ideias expressas por Fermi, Hideki Yukawa previu em 1935 a existência de uma nova partícula elementar, agora conhecida como pi-meson, ou píon. Comentando a teoria de Fermi, F Razetti escreveu: "A teoria que ele construiu nesta base acabou por ser capaz de resistir quase inalteradas duas décadas e meia do desenvolvimento revolucionário da física nuclear. uma forma tão final." Autor: Samin D. K.
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