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最も重要な科学的発見
人工放射能。 科学的発見の歴史と本質
人工放射能は、配偶者のアイリーン（1897～1956年）とフレデリック（1900～1958年）のジョリオ＝キュリーによって発見された。 15 年 1934 月 3 日、彼らのメモはパリ科学アカデミーの会議で J. ペリンによって発表されました。 アイリーンとフレデリックは、アルファ粒子が照射された後、一部の軽元素 (マグネシウム、ホウ素、アルミニウム) が陽電子を放出することを証明することができました。 さらに、彼らはこの放出のメカニズムを確立しようとしたが、これは当時知られていた核変換のすべての事例とは性質が異なっていた。 科学者らは、アルミホイルから 15 ミリメートルの距離にアルファ粒子源 (ポロニウム製剤) を配置しました。 その後、彼らは彼女を約14分間放射線にさらした。 ガイガーミュラーカウンターは、箔が放射する放射線の強度が時間の経過とともに指数関数的に減少し、半減期が 2,5 分 XNUMX 秒であることを示しました。 ホウ素とマグネシウムを使った実験では、半減期はそれぞれ XNUMX 分と XNUMX 分でした。 しかし、水素、リチウム、炭素、ベリリウム、窒素、酸素、フッ素、ナトリウム、カルシウム、ニッケル、銀を使った実験では、そのような現象は見られませんでした。 それにもかかわらず、ジョリオ・キュリー夫妻は、アルミニウム、マグネシウム、およびホウ素原子の衝撃によって引き起こされた放射線は、ポロニウム調製物中の不純物の存在によっては説明できないと結論付けました. K. マノロフと V. チュチュニクは、著書「原子の伝記」の中で、「雲室でのホウ素とアルミニウムの放射を分析したところ、それは陽電子の流れであることがわかりました。科学者が扱っていたことが明らかになりました。その時までに知られている核反応は爆発的な性質のものでしたが、ポロニウムアルファ線の照射を受けたいくつかの軽元素による正の電子の放出は、アルファ線源、例えばホウ素の除去後、多かれ少なかれ長い時間、この時間はXNUMX分に達します。 Joliot-Curies は、陽電子の放出で明らかにされる実際の放射能について話しているという結論に達しました。 新しい証拠が必要であり、何よりも、対応する放射性同位体を分離する必要がありました。 研究の構築 ラザフォード コッククロフト、アイリーン、フレデリック・ジョリオ=キュリーは、アルミニウム原子にポロニウムのアルファ粒子を衝突させたときに何が起こるかを確立することができました。 まず、アルファ粒子はアルミニウム原子の核に捕捉され、その正電荷は30単位増加し、その結果、科学者によって放射性リンと呼ばれる放射性リン原子の核になります。 このプロセスには31つの中性子の放出が伴うため、結果として得られる同位体の質量は15単位ではなく30単位増加し、3に等しくなります。リンの安定同位体の質量は15です。 XNUMX の電荷と XNUMX の質量は XNUMX 分 XNUMX 秒の半減期で崩壊し、XNUMX つの陽電子を放出してシリコンの安定同位体になります。 アルミニウムがリンに変化し、次に電荷が 14 で質量が 30 のシリコンに変化するという唯一の明白な証拠は、これらの元素の分離と、それらの特徴的な定性的化学反応を使用した識別だけです。 安定した化合物を扱う化学者にとって、これは簡単な作業でしたが、アイリーンとフレデリックの場合は状況がまったく異なり、得られたリン原子は XNUMX 分強持続しました。 化学者はこの元素を検出するための多くの方法を持っていますが、それらはすべて長い決定を必要とします. したがって、化学者の意見は満場一致でした。そのような短時間でリンを特定することは不可能です。 しかし、ジョリオ＝キュリー夫妻は「不可能」という言葉を認識していませんでした。 そして、この「解決不可能な」タスクには、過労、緊張、名人の器用さと際限のない忍耐が必要でしたが、解決されました。 核変換の生成物の収率が非常に低く、変換を受けた物質の質量が絶対に無視できるほどわずか数百万個の原子であるにもかかわらず、結果として生じる放射性リンの化学的性質を確立することができました。 人工放射能の発見は、すぐに今世紀最大の発見の XNUMX つと見なされました。 これ以前は、一部の元素に内在する放射能は、人によって引き起こされたり、破壊されたり、何らかの方法で変更されたりすることはありませんでした。 Joliot-Curies は、新しい放射性同位体を取得することによって人工的に放射能を発生させた最初の人物でした。 科学者たちは、この発見の大きな理論的意義と、生物学と医学の分野での実用化の可能性を予見しました。 翌年、人工放射能の発見者であるアイリーンとフレデリック・ジョリオ=キュリーはノーベル化学賞を受賞しました。 これらの研究を続けて、イタリアの科学者フェルミは、中性子衝撃が重金属に人工放射能を誘発することを示しました。 エンリコ・フェルミ (1901–1954) はローマで生まれました。 子供の頃から、エンリコは数学と物理学に優れた才能を示していました。 主に独学の結果として得られたこれらの科学における彼の卓越した知識により、彼は1918年に奨学金を受け取り、ピサ大学の高等師範学校に入学することができました。 その後、エンリコはローマ大学で化学者向けの数学教師として一時的な地位を得ました。 1923年、彼は出張でドイツ、ゲッティンゲンに行きました。 マックス・ボーン. イタリアに戻ると、フェルミは 1925 年 1926 月から 1926 年の秋までフィレンツェ大学で働きました。 ここで彼は「無料の准教授」の最初の学位を取得し、最も重要なこととして、量子統計に関する有名な研究を作成しました。 XNUMX 年 XNUMX 月、彼はローマ大学で新しく設立された理論物理学の教授の地位に就きました。 ここで彼は若い物理学者のチームを組織しました: Rasetti、Amaldi、Segre、Pontecorvo などで、イタリア近代物理学派を構成しました。 1927年にローマ大学に理論物理学の最初の椅子が設置されたとき、国際的な名声を得ることができたフェルミがその長に選出されました。 ここイタリアの首都で、フェルミは数人の著名な科学者を彼の周りに結集させ、イタリアで最初の現代物理学の学校を設立しました。 国際科学界では、フェルミ群と呼ばれるようになりました。 XNUMX年後、フェルミはベニート・ムッソリーニによって新しく創設されたイタリア王立アカデミーの名誉会員に任命されました。 1938 年、フェルミはノーベル物理学賞を受賞しました。 ノーベル委員会の決定は、フェルミに「中性子の照射によって得られた新しい放射性元素の存在の証拠と、これに関連する低速中性子によって引き起こされた核反応の発見に対して」賞が与えられたと述べた. エンリコ フェルミは、1934 年の春、ジョリオ キュリーがその結果を発表するとすぐに、人工放射能についてすぐに知りました。 フェルミはジョリオとキュリーの実験を繰り返すことを決めたが、中性子を衝突粒子として使用するという、まったく異なる方法で行った。 その後、フェルミは、他の物理学者が中性子に不信感を抱いている理由と、彼自身の幸運な推測を次のように説明しました。 「衝突粒子として中性子を使用することには欠点があります。実際に廃棄できる中性子の数は、放射線源から得られるアルファ粒子の数、または高電圧装置で加速された陽子と重陽子の数よりも計り知れないほど少ないのです。 . しかし、この欠点は、「人為的な核変換」を行う中性子の効率が高いことによって部分的に相殺されます. 中性子には別の利点もあります. 核変換を引き起こす能力が高い. 中性子によって活性化できる元素の数は、他のタイプの粒子によって活性化できる要素。」 1934 年の春、フェルミは元素に中性子を照射し始めました。 フェルミの「中性子銃」は、長さ数センチの小さな管でした。 それらは、細かく分散されたベリリウム粉末とラジウム放射の「混合物」で満たされていました。 フェルミがこれらの中性子源の XNUMX つをどのように説明したかを以下に示します。 「それはわずか 1,5 cm のガラス管でした…その中にはベリリウム粒子が入っていました。管をはんだ付けする前に、一定量のラジウム放射をガラス管の中に導入する必要がありました。ラドンから放出されたアルファ粒子は、ガラス管に大量に衝突します。」ベリリウム原子に中性子を与えます... 実験は以下のように行う。 中性子源のすぐ近くに、アルミニウム、鉄、または一般的には研究したい元素のプレートを置き、数分、数時間、または数日（特定のケースに応じて）放置します。 ）。 発生源から放出された中性子は、物質の核と衝突します。 この場合、さまざまな種類の多くの核反応が起こります...」 これは実際にはどのように見えましたか？ 調査中のサンプルは、指定された時間中性子照射に強くさらされた後、フェルミの従業員のXNUMX人が文字通りサンプルを別の研究室にあるガイガーミュラーカウンターに送り、カウンターパルスを記録しました. 結局、多くの新しい人工放射性同位体は短命でした。 25 年 1934 月 XNUMX 日の最初の通信で、フェルミは、アルミニウムとフッ素を衝突させることによって、電子を放出するナトリウムと窒素の同位体を得たと報告しました (ジョリオ-キュリーのように陽電子ではありません)。 中性子衝撃の方法は非常に効果的であることが証明され、フェルミは、この高い核分裂効率は「アルファ粒子や陽子の源と比較して、既存の中性子源の弱点を完全に補う」と書いています。 実際、多くのことが知られていました。 中性子は殻を破った原子核に衝突し、不安定な同位体に変化し、自然に崩壊して放射します。 この放射線には未知のものが隠されていました。人工的に得られた同位体の中には、ベータ線を放出するもの、ガンマ線を放出するもの、アルファ粒子を放出するものがあります。 人工的に生成された放射性同位体の数は毎日増加しました。 原子の複雑な変化を理解するには、新しい核反応をそれぞれ理解する必要がありました。それぞれの反応について、放射線の性質を確立する必要がありました。それを知っていれば、放射性崩壊のスキームを想像し、元素を予測できるからです。それが最終結果になります。 次に化学者の番が来た。 彼らは、結果として生じる原子を特定する必要がありました。 これにも時間がかかりました。 彼の「中性子銃」で、フェルミはフッ素、アルミニウム、シリコン、リン、塩素、鉄、コバルト、銀、ヨウ素を攻撃した。 これらの元素はすべて活性化され、多くの場合、フェルミは結果として生じる放射性元素の化学的性質を示すことができました。 彼は、この方法で研究された 47 元素のうち 68 元素を活性化することに成功しました。 成功に勇気づけられて、彼は F. Rasetti と O. D'Agostino と協力して、トリウムとウランの重元素の中性子衝撃を行いました。 「実験により、通常の活性不純物から以前に精製された両方の元素が、中性子で衝撃を受けると強く活性化されることが示されました。」 22 年 1934 月 XNUMX 日、フェルミは根本的な発見をしました。 フェルミは、中性子源と活性銀シリンダーの間にパラフィンくさびを配置することによって、くさびが中性子放射能を減少させず、わずかに増加させることに気付きました。 フェルミは、この効果は明らかにパラフィン中の水素の存在によるものであると結論付け、多数の水素含有元素が分解活性にどのように影響するかをテストすることにしました. 最初にパラフィンで、次に水で実験を行ったフェルミは、活動が何百倍も増加したと述べました。 フェルミの実験は、低速中性子の莫大な効率を明らかにしました。 しかし、驚くべき実験結果に加えて、同じ年にフェルミは驚くべき理論的成果を達成しました。 すでに 1933 年 1934 月号で、ベータ崩壊に関する彼の予備的な考えがイタリアの科学雑誌に掲載されました。 XNUMX 年の初めに、彼の古典的な論文「ベータ線の理論について」が出版されました。 著者の記事の要約は次のように述べています。放射理論. 式は、核の寿命とベータ線の連続スペクトルの形から導出されます. 得られた式は実験と比較されます. この理論でフェルミは、ニュートリノ仮説と原子核の陽子-中性子モデルに命を吹き込み、またによって提案された等張スピン仮説を受け入れました。 ハイゼンベルク このモデルの場合。 フェルミによって表現されたアイデアに基づいて、湯川秀樹は 1935 年に新しい素粒子の存在を予測しました。現在はパイメソン、またはパイ中間子として知られています。 F Razetti は、フェルミの理論について次のようにコメントしています。そんな最終形態」 著者: サミン D.K.
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