phóng xạ nhân tạo

8

phóng xạ nhân tạo

(nhân dịp kỷ niệm 50 năm khai trương)

Ứng viên Khoa học Vật lý và Toán học
A. A. BOROVOY

Vào cuối thế kỷ này, kỹ sư hóa học nổi tiếng người Thụy Điển, người phát minh ra thuốc nổ và là một trong những nhà công nghiệp giàu nhất, Alfred Nobel, đã để lại một lời nói cường điệu, theo đó tiền lãi từ số vốn 31 triệu vương miện của ông sẽ được dùng để trả giải thưởng cho công trình xuất sắc về vật lý, hóa học, sinh lý học hoặc y học, văn học và cho công việc tích cực nhằm củng cố hòa bình.

Giải thưởng vật lý đầu tiên vào năm 1901 thuộc về nhà khoa học người Đức Wilhelm Conrad Roentgen vì phát hiện ra bức xạ mà ông gọi là “tia X”, còn chúng tôi gọi nó là RENTGENOVSKIUM.

Rất nhanh chóng, giải Nobel về khoa học tự nhiên đã trở thành một giải thưởng quốc tế được công nhận rộng rãi. Nó sẽ được trao vào ngày 10 tháng 12. Sau đó, những người đoạt giải Nobel sẽ có bài giảng truyền thống tại hội trường của Đại học Stockholm.

Ủy ban lựa chọn những người chiến thắng coi việc phát hiện này phải đứng vững trước thử thách của thời gian. Vì lý do này hay lý do khác, đối với nhiều nhà khoa học, nó đã kéo dài hàng thập kỷ.

Tuy nhiên, James Chadwick, Irene và Frederic Jollus-Curie, những người đã nói chuyện với các nhà khoa học Thụy Điển và nước ngoài vào ngày 12 tháng 12 năm 1935, không thể chờ đợi lâu được.*) Quy mô khám phá của họ ngay lập tức được đánh giá cao, vì chúng gây ra một cuộc cách mạng thực sự trong vật lý học.

Chadwick biểu diễn đầu tiên vào tối hôm đó. Nhà khoa học nổi tiếng, người đã làm việc nhiều năm với thầy Ernest Rutherford, đã nói về việc phát hiện ra neutron. Nó được thực hiện vào mùa xuân năm 1932.

Sau đó, cặp đôi Jollus-Curie lần lượt bước lên bục vinh quang. Vào tháng 1 năm 1934, các nhà vật lý người Pháp báo cáo đã phát hiện ra một hiện tượng mới - phóng xạ nhân tạo.

“Lần đầu tiên, một nguyên nhân bên ngoài có thể gây ra hiện tượng phóng xạ ở một số nguyên tử hạt nhân trong một khoảng thời gian nhất định và không có nguyên nhân gây ra nó”.

Bây giờ họ đang nói về khám phá này, mặc dù chỉ tồn tại trong thời gian ngắn nhưng có bối cảnh khá ấn tượng, có mối liên hệ một cách khó hiểu nhất với việc khám phá ra neutron.

Irene và Frederic Jollus-Curie

“Thật vinh dự và vui mừng cho chúng tôi khi Viện Hàn lâm Khoa học Thụy Điển đã trao cho chúng tôi giải thưởng… sau khi trao giải Nobel cho Pierre và Marie Curie năm 1903 và cho Marie Curie năm 1911 vì khám phá ra các nguyên tố phóng xạ,”

• đây là cách Irene Curie bắt đầu bài phát biểu của mình.

…Và mười năm trước đó, kỹ sư hai mươi lăm tuổi Frédéric Jollu lần đầu tiên xuất hiện tại Viện Radium, do Marie Curie đứng đầu. Anh ta sẽ đồng ý về vị trí của phòng thí nghiệm nơi anh ta sẽ

*) Chadwick đã nhận được giải thưởng cao nhất về vật lý “vì khám phá ra neutron”; Irène và Frédéric Jollus-Curie - xuất sắc trong lĩnh vực hóa học “vì đã phát hiện ra chất phóng xạ nhân tạo và tổng hợp các nguyên tố phóng xạ mới.”

9

được đề nghị bởi Giáo sư Langevin. Các thủ tục được giảm xuống bằng không: “Ngày mai bạn có thể bắt đầu làm việc được không?” - chú rể nhỏ tóc bạc với đôi mắt sống động hỏi.

Lúc đầu, điều đó khá khó khăn đối với nhà nghiên cứu trẻ vì anh ta có những ý tưởng sai lầm nhất về phóng xạ. Và mọi người xung quanh đều đang làm điều đó, và Irene, con gái của Marie Curie, người đã bảo vệ luận án tiến sĩ vào thời điểm đó, đã đặc biệt thành công.

Tuy nhiên, Frederick nhanh chóng nắm vững cả lý thuyết và thí nghiệm một cách đáng kinh ngạc. “Cậu bé là một quả pháo hoa thực sự,” Marie Curie nói về cậu bé. Quá trình thu được phóng xạ đã dẫn đến việc một năm sau, cuộc hôn nhân của Irene Curie và Federac Jolu đã được đăng ký tại quận Paris.

Điều gì đã kết nối những người này trong suốt ba mươi năm hạnh phúc và cuộc sống khó khăn của họ?

“Irene… dường như đối lập hoàn toàn với Frederick; Cô ấy thực sự bình tĩnh và không hề nao núng, cũng như anh ấy nóng tính và cởi mở… Trong khi tranh luận, cô ấy không hề nhượng bộ một chút nào. Với sự thẳng thắn đến tàn nhẫn, Irene đưa ra quan điểm của mình, trực tiếp ném chúng vào chủ sở hữu, ngay cả khi anh ta chiếm một vị trí xã hội cao. Ngược lại, Federac Jolu, không bao giờ thừa nhận công lao, cẩn thận sử dụng khả năng của mình để chuẩn bị tâm lý cho chủ sở hữu chấp nhận quan điểm của mình” (P. Bicard)*.

Rõ ràng, đối với họ, câu nói yêu thích của Niels Bohr không thể phù hợp hơn: “Đối lập không phải là mâu thuẫn mà là bổ sung cho nhau!”

Năm 1930, Federak bảo vệ luận án tiến sĩ của mình và Jolus-Curies tiếp tục công việc nghiên cứu về phóng xạ. Họ muốn tạo ra một nguồn bức xạ mạnh để bắn phá các chất khác nhau bằng hạt alpha. Tạo ra một nguồn như vậy không hề dễ dàng và không hề an toàn. Năm tháng sẽ trôi qua, chất phóng xạ đầy sẽ nhắc nhở bản thân một cách khủng khiếp nhất.

*) P. Bicard - giáo sư vật lý. Bạn của Jolus-Curie.

10

Cho đến lúc đó, các nhà vật lý trẻ bắt đầu sở hữu mười tỷ phân rã α mỗi giây.

Cùng năm 1930, các neutron chưa được biết đến đã xuất hiện trong phòng thí nghiệm.

neutron

Bài giảng Nobel tiếp tục:

“Trong những năm gần đây, nhiều loại biến đổi nhân tạo khác nhau đã được phát hiện: một loại là do tia α gây ra… một loại khác là do neutron, tức là các hạt trung tính có khối lượng 1, mà Giáo sư Chadwick đã nói đến.”

…Các nhà vật lý đã nghiên cứu tính phóng xạ tự nhiên trong một thời gian khá dài - kể từ năm 1896. Radium, thorium, polonium, … - tổng cộng có khoảng 30 chất - phát ra các hạt α (hạt nhân gel), hạt β (electron) và tia γ (bức xạ điện từ). Năm 1919, Rutherford mở rộng hạt nhân bằng các hạt alpha nhanh và phát hiện ra rằng hạt nhân bao gồm các proton - hạt nhân hydro.

Năm 1930, các nhà vật lý người Đức W. Bothe và G. Becker, khi bắn phá các mục tiêu làm từ các nguyên tố nhẹ bằng hạt alpha, đã phát hiện ra bức xạ có sức xuyên thấu phi thường. Họ gọi nó là “tia berili” (vì thí nghiệm tốt nhất là với berili) và quyết định rằng đây là tia γ có năng lượng khổng lồ. Trong khoảng một năm, công việc của họ không thu hút được sự chú ý cho đến khi Jollu-Curie bắt đầu quan tâm. Họ đã thực hiện những thí nghiệm đẹp mắt - họ đặt các chất có chứa hydro (ví dụ, parafin) trên đường đi của tia berili - và phát hiện ra rằng các hạt bí ẩn đã đánh bật hạt nhân hydro - proton - khỏi mục tiêu. Các nhà nghiên cứu đã đo tốc độ của các proton này và không đánh giá cao năng lượng của tia berili, họ tin rằng đây là lượng tử γ. Hóa ra là rất lớn.

Vào ngày 11 tháng 1 năm 1932, công trình được báo cáo lên Viện Hàn lâm Khoa học Pháp. Jollus-Curie tiếp tục các thí nghiệm của họ, vẫn tin rằng họ đang xử lý tia γ. Có thể họ sẽ mất rất ít thời gian, vài tuần nữa, để loại bỏ giả thuyết này và tìm ra lời giải chính xác. Nhưng họ đã đi trước họ.

Chadwick, người đã tìm kiếm neutron không thành công trong 12 năm (sự tồn tại của nó đã được thầy Rutherford dự đoán), ngay lập tức hiểu các hạt mà các nhà vật lý người Pháp đang xử lý. Thiết bị trong phòng thí nghiệm của ông đã sẵn sàng và chỉ mất một tháng để chứng minh rằng tia berili là một dòng hạt trung tính nặng - neutron. Phản ứng hạt nhân của sự tương tác giữa các hạt α với berili lẽ ra được viết như sau:

$$9\mathrm{Be} + 4\mathrm{^2} \alpha \rightarrow 12\mathrm{C} + 1\mathrm{n}.$$

Người ta có thể tưởng tượng sự thất vọng của các nhà vật lý người Pháp, những người đã đánh mất chiến thắng quá gần với vật lý.

Positron

Từ bài giảng Nobel:

“Chúng tôi quan sát thấy nhôm và boron không chỉ phát ra proton và neutron mà còn cả các electron dương khi được chiếu xạ.”

Chúng tôi đã xem…

Đã đến lúc nói ngắn gọn về các nhạc cụ, hay đúng hơn là về một nhạc cụ Prefederico Jollus-Curie được yêu thích nhất - buồng Wilson, với sự trợ giúp của những quan sát này đã được thực hiện. Trong buồng này, các giọt chất lỏng hình thành dọc theo quỹ đạo của hạt tích điện làm cho dấu vết của nó có thể nhìn thấy được và khiến nó có thể hình thành được. Hầu hết các thiết bị trong phòng thí nghiệm Jollus-Curie đều do chính những người thực nghiệm chế tạo, hoặc trong mọi trường hợp đều do họ thiết kế. Và buồng mây lớn và các mái chèo được cải tiến nên dấu vết hạt có thể tăng gần 80 lần so với phiên bản thông thường của thiết bị. Ngoài ra, máy ảnh được đặt trong một từ trường và dấu vết của các hạt dương trong đó bị lệch theo một hướng và các hạt âm theo hướng khác. Theo độ cong

11

quỹ đạo, người ta cũng có thể đánh giá động lượng của hạt.

…Gia đình Jolnot-Curies tiếp tục công việc của họ, chiếu xạ boron, flo và natri bằng các hạt alpha, và nhanh chóng chứng minh rằng neutron (đôi khi là proton) cũng xuất hiện trong các phản ứng này. Tại đây, họ gặp phải những khó khăn trở thành sự tiếp nối của cuộc khám phá. Khó khăn là khi một neutron được phát ra, chẳng hạn như nhôm, là kết quả của phản ứng

$$\frac{27}{13}\text{Al} + \frac{4}{2}\alpha \rightarrow \frac{30}{15}\text{P} + \frac{1}{0}n$$

Hạt nhân phốt pho-30 sẽ hình thành, thứ chưa từng thấy trong tự nhiên, trong khi hạt nhân silicon-30 - $$\frac{30}{14}\text{Si}$$ - có khả năng tồn tại.

Có lẽ, silicon vẫn xuất hiện trong quá trình chiếu xạ - họ quyết định sử dụng nó và bắt đầu phát minh ra cơ chế trong đó hạt nhân phốt pho-30 có điện tích +15 có thể mất một đơn vị điện tích mà không làm thay đổi khối lượng của nó.

Lúc đầu, người ta cho rằng nó thu giữ một trong các electron nguyên tử trong phản ứng và biến thành hạt nhân silicon:

$$\frac{30}{15}\text{P} + e \rightarrow \frac{30}{14}\text{Si}.$$

Giá như tôi biết trước mọi chuyện! Xét cho cùng, quá trình chuyển đổi $$\frac{30}{15}\text{P} \rightarrow \frac{30}{14}\text{Si}$$ cũng có thể xảy ra với sự phát xạ của một electron dương—một positron. Hơn nữa, trong các bức ảnh chụp trong buồng mây, các nhà vật lý người Pháp từ lâu đã thay thế các dấu vết phát ra từ mục tiêu, mà theo mọi dấu hiệu đều là điện tử, nhưng chỉ quay trong từ trường theo hướng tương ứng với điện tích $e^+$. Họ giải thích chúng bằng cách các electron bay trở lại mục tiêu.

“Niels Bohr bắt đầu quan tâm đến con chimkammi này, nhưng chúng tôi đã phạm sai lầm khi không chú ý đầy đủ đến những dấu vết này.”

Vài tháng nữa trôi qua trước khi Anderson phát hiện ra sự tồn tại của positron trong tia vũ trụ. Mọi thứ dường như đã đâu vào đấy, và Jolnot-Curies giờ đây có thể viết ra phản ứng tương tác của hạt nhân nhôm với các hạt alpha ở dạng

$$\frac{27}{13}\text{Al} + \frac{4}{2}\alpha \rightarrow \frac{30}{15}\text{Si} + \frac{1}{0}n + e^+.$$

Đây là lần thứ hai họ tiến gần đến việc khám phá ra một hạt mới và là lần thứ hai họ đã quá muộn!

phóng xạ nhân tạo

Bây giờ đến cái có thể gọi là công thức mở đầu:

“Có hai quá trình xảy ra khác nhau về thời gian. Đầu tiên, một hạt α bị bắt giữ và một neutron ngay lập tức được phát ra cùng với… photpho-30… Sau đó, chất không ổn định này, tức là, một nguyên tố phóng xạ mới… phân rã theo định luật hàm mũ với chu kỳ bán rã là ba phút và tạo thành silicon.”

Nhưng trước lời giải thích này vẫn còn những nơi phải làm việc chăm chỉ. Vào mùa thu năm 1933, tại Đại hội Solva, trước sự chứng kiến ​​​​của các nhà vật lý hàng đầu, vợ chồng Jolnot-Curie đã nói về các thí nghiệm của họ trong đó, dưới tác động của tia α, neutron và positron được phát ra từ hạt nhân nhôm, phốt pho và natri. “Hầu hết các nhà vật lý có mặt tại đại hội đều không tin vào tính đúng đắn của các thí nghiệm của chúng tôi. Sau khi bị ùn tắc, chúng tôi rất khó chịu, nhưng ngay lúc đó Niels Bohr đã trả lời một bên… và nói rằng ông ấy coi trọng kết quả thu được hơn. Sau đó, Pauli đã ủng hộ chúng tôi bằng sự chấp thuận của ông” (F. J-K).

Trở về Paris từ đại hội, Jolnot-Curie bắt đầu làm việc trở lại. Và cuối cùng cái ngày đó cũng đến, hay đúng hơn là buổi tối tháng Giêng năm 1934, khi điều này xảy ra. Không biết người ta có thể tin tưởng đến mức nào vào truyền thuyết tồn tại trong giới vật lý học, nhưng theo truyền thuyết thì sự việc đã xảy ra như thế này. Irene và Frederic đang vội vàng hoàn thành thí nghiệm của mình, vì tối hôm đó được mời đến thăm, họ vội vàng nên một trong số họ đã đánh mất vai trò của polonem. Các hạt alpha ngừng va vào lá nhôm và máy đếm tiếp tục đếm positron, mặc dù ngày càng chậm hơn.

Hơn nữa, huyền thoại đã được xác nhận bởi sự bổ sung của P. Bicard: “Mọi thứ đã trở nên rõ ràng… Với điều kiện là tiếng click của quầy là do bức xạ mới gây ra, chứ không phải do bản thân thiết bị bị hỏng. Julnot đã tự hỏi mình câu hỏi này lúc 6 giờ chiều. Nhưng họ không còn có thể từ chối lời mời đến thăm. May mắn thay, trong phòng thí nghiệm

12

Dụng cụ mà Jollus-Curie có thể cô lập các nguyên tố phóng xạ.

Thorin đã làm việc với nhà vật lý trẻ người Đức W. Gentner, người chuyên về máy đếm. Jollu… yêu cầu anh ta kiểm tra xem hành động của họ có đúng không…

Sáng hôm sau, Frederick và Irene tìm thấy một tờ giấy của Genter trên bàn của họ, trong đó anh ta đảm bảo rằng quầy tính tiền vẫn hoàn hảo.”

Vì vậy, khi nguồn hạt α bị lấy đi, lá alimine tiếp tục nghiên cứu positron! Chúng được phát ra trong một thời gian, trong khi cứ sau ba phút số lượng của chúng giảm đi một nửa, tuân thủ nghiêm ngặt định luật phân rã phóng xạ mà Rutherford đã phát hiện ra đối với các đồng vị phóng xạ tự nhiên.

Phản ứng tương tác giữa các hạt α với aliminium hiện nay đã được thể hiện theo một cách mới -

$$\begin{align*} 27Al + \frac{4}{2}\alpha &\rightarrow 30P + \frac{1}{0}n \\ 30P &\xrightarrow{T_{1,2}=3\text{ min}} 30Si + e \end{align*}$$

• và lần đầu tiên cụm từ “phóng xạ nhân tạo” được thốt ra.

…Frédéric Jollu-Curie bước lên bục và tiếp tục câu chuyện của Irene:

“Sau khi thu được nguồn của các kết quả đầu tiên với sự trợ giúp của các kết luận thuần túy vật lý, chúng tôi bắt đầu ủng hộ các giả thuyết của mình với sự trợ giúp của… bằng chứng hóa học về việc thực hiện các phép biến đổi.”

Các nhà vật lý tạm thời biến thành chemikus để làm nổi bật sự hình thành

đúc phốt pho từ nhôm. Điều này không dễ thực hiện: xét cho cùng, thời gian bán hủy của phốt pho rất ngắn - chỉ khoảng ba phút. Ngoài ra, nhìn chung không thể cô lập được một số nguyên tử phóng xạ. Tuy nhiên, trước tiên bạn có thể thêm vào chúng một lượng đáng kể phốt pho-31 không hoạt động, có đặc tính hóa học giống hệt nhau, sau đó tiến hành chiết xuất. Các nguyên tử phốt pho-30 sẽ tuân theo các tính chất của “anh em” của chúng - các nguyên tử phốt pho-31.

Lá nhôm đã chiếu xạ và một miếng phốt pho đỏ được đặt vào ống nghiệm có chứa axit clohydric. Hydro được giải phóng khỏi ống nghiệm cùng với hydro photphua, được thu vào ống nghiệm khác. Toàn bộ hoạt động được hoàn thành chỉ trong vài phút. Sau đó, ống nghiệm chứa khí được mang đến quầy và bắt đầu đếm positron. Bây giờ đã có thể ăn mừng chiến thắng!

Khám phá chinh phục thế giới

“Số lượng đồng vị phóng xạ thu được nhân tạo hiện nay đã vượt quá số lượng nguyên tố phóng xạ tự nhiên được tìm thấy trong vỏ trái đất,”

• F. Jollus-Curie nói.