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DESCUBRIMIENTOS CIENTÍFICOS MÁS IMPORTANTES
Radiactividad artificial. Historia y esencia del descubrimiento científico.
Directorio / Los descubrimientos científicos más importantes. La radiactividad artificial fue descubierta por la pareja Irène (1897-1956) y Frédéric (1900-1958) Joliot-Curie. El 15 de enero de 1934, J. Perrin presentó su nota en una reunión de la Academia de Ciencias de París. Irene y Frederick pudieron establecer que después del bombardeo con partículas alfa, algunos elementos ligeros (magnesio, boro, aluminio) emiten positrones. A continuación, intentaron establecer el mecanismo de esta emisión, que difería en naturaleza de todos los casos de transformaciones nucleares conocidos en ese momento. Los científicos colocaron una fuente de partículas alfa (polonio) a una distancia de un milímetro de una lámina de aluminio. Luego la expusieron a radiación durante unos diez minutos. Un contador Geiger-Müller demostró que la lámina emite radiación cuya intensidad disminuye exponencialmente con el tiempo, con una vida media de 3 minutos y 15 segundos. En experimentos con boro y magnesio, las vidas medias fueron de 14 y 2,5 minutos, respectivamente. Pero en experimentos con hidrógeno, litio, carbono, berilio, nitrógeno, oxígeno, flúor, sodio, calcio, níquel y plata, no se encontraron tales fenómenos. Sin embargo, los Joliot-Curie concluyeron que la radiación provocada por el bombardeo de átomos de aluminio, magnesio y boro no podía explicarse por la presencia de alguna impureza en la preparación de polonio. "Un análisis de la radiación de boro y aluminio en una cámara de niebla mostró", escriben K. Manolov y V. Tyutyunnik en su libro "Biografía del átomo", que es una corriente de positrones. Quedó claro que los científicos estaban tratando con un nuevo fenómeno que era significativamente diferente de todos los casos conocidos de transformaciones nucleares. Las reacciones nucleares conocidas hasta ese momento eran de naturaleza explosiva, mientras que la emisión de electrones positivos por parte de algunos elementos ligeros sometidos a la irradiación con rayos alfa de polonio continúa durante un tiempo más o menos largo después de la eliminación de la fuente de rayos alfa, el boro, por ejemplo, este tiempo llega a la media hora. Los Joliot-Curie llegaron a la conclusión de que aquí estamos hablando de radiactividad real, manifestada en la emisión de un positrón. Se necesitaban nuevas evidencias y, sobre todo, se requería aislar el isótopo radiactivo correspondiente. Construyendo sobre la investigación Rutherford y Cockcroft, Irene y Frédéric Joliot-Curie pudieron establecer qué sucede con los átomos de aluminio cuando son bombardeados con partículas alfa de polonio. Primero, las partículas alfa son capturadas por el núcleo de un átomo de aluminio, cuya carga positiva aumenta en dos unidades, como resultado de lo cual se convierte en el núcleo de un átomo de fósforo radiactivo, llamado radiofósforo por los científicos. Este proceso va acompañado de la emisión de un neutrón, por lo que la masa del isótopo resultante aumenta no en cuatro, sino en tres unidades y se vuelve igual a 30. El isótopo estable de fósforo tiene una masa de 31. "Radiofósforo" con una carga de 15 y una masa de 30 se desintegra con una vida media de 3 minutos y 15 segundos, emite un positrón y se convierte en un isótopo estable de silicio. La única e indiscutible prueba de que el aluminio se transforma en fósforo y luego en silicio con carga 14 y masa 30, sólo podría ser el aislamiento de estos elementos y su identificación mediante sus reacciones químicas cualitativas características. Para cualquier químico que trabajara con compuestos estables, esta era una tarea sencilla, pero para Irene y Frederick, la situación fue completamente diferente: los átomos de fósforo que obtuvieron duraron poco más de tres minutos. Los químicos tienen muchos métodos para detectar este elemento, pero todos requieren largas determinaciones. Por lo tanto, la opinión de los químicos fue unánime: es imposible identificar el fósforo en tan poco tiempo. Sin embargo, los Joliot-Curies no reconocieron la palabra "imposible". Y aunque esta tarea "irresoluble" requirió exceso de trabajo, tensión, destreza virtuosa y paciencia infinita, se resolvió. A pesar del rendimiento extremadamente bajo de productos de transformaciones nucleares y la masa absolutamente insignificante de la sustancia que sufrió la transformación, solo unos pocos millones de átomos, fue posible establecer las propiedades químicas del fósforo radiactivo resultante. El descubrimiento de la radiactividad artificial fue inmediatamente considerado como uno de los mayores descubrimientos del siglo. Antes de esto, la radiactividad que era inherente a algunos elementos no podía ser causada, destruida o cambiada de alguna manera por el hombre. Los Joliot-Curie fueron los primeros en provocar radiactividad artificialmente mediante la obtención de nuevos isótopos radiactivos. Los científicos previeron la gran trascendencia teórica de este descubrimiento y la posibilidad de sus aplicaciones prácticas en el campo de la biología y la medicina. Al año siguiente, los descubridores de la radiactividad artificial, Irene y Frederic Joliot-Curie, recibieron el Premio Nobel de Química. Continuando con estos estudios, el científico italiano Fermi demostró que el bombardeo de neutrones induce radiactividad artificial en los metales pesados. Enrico Fermi (1901-1954) nació en Roma. Ya de niño, Enrico mostró una gran aptitud para las matemáticas y la física. Su destacado conocimiento en estas ciencias, adquirido principalmente como resultado de la autoeducación, le permitió recibir una beca en 1918 e ingresar a la Escuela Normal Superior de la Universidad de Pisa. Luego, Enrico recibió un puesto temporal como profesor de matemáticas para químicos en la Universidad de Roma. En 1923 realizó un viaje de negocios a Alemania, a Göttingen, a max nacido. Al regresar a Italia, Fermi trabajó desde enero de 1925 hasta el otoño de 1926 en la Universidad de Florencia. Aquí recibe su primer título de "profesor asociado libre" y, lo más importante, crea su famoso trabajo sobre estadística cuántica. En diciembre de 1926 asumió el cargo de profesor en la recién creada cátedra de física teórica de la Universidad de Roma. Aquí organizó un equipo de jóvenes físicos: Rasetti, Amaldi, Segre, Pontecorvo y otros, que conformaron la escuela italiana de física moderna. Cuando se estableció la primera cátedra de física teórica en la Universidad de Roma en 1927, Fermi, que logró ganar prestigio internacional, fue elegido su director. Aquí, en la capital italiana, Fermi reunió a varios científicos eminentes a su alrededor y fundó la primera escuela de física moderna del país. En los círculos científicos internacionales, comenzó a llamarse grupo de Fermi. Dos años más tarde, Fermi fue designado por Benito Mussolini para el puesto honorífico de miembro de la recién creada Real Academia de Italia. En 1938, Fermi recibió el Premio Nobel de Física. La decisión del Comité Nobel indicó que el premio fue otorgado a Fermi "por la evidencia de la existencia de nuevos elementos radiactivos obtenidos por irradiación con neutrones, y el descubrimiento de reacciones nucleares causadas por neutrones lentos". Enrico Fermi se enteró de la radiactividad artificial inmediatamente, en la primavera de 1934, tan pronto como los Joliot-Curie publicaron sus resultados. Fermi decidió repetir los experimentos de Joliot-Curie, pero lo hizo de una manera completamente diferente, utilizando neutrones como partículas de bombardeo. Más tarde, Fermi explicó las razones de la desconfianza de otros físicos hacia los neutrones y su propia conjetura afortunada: "El uso de neutrones como partículas de bombardeo adolece de una desventaja: la cantidad de neutrones que se pueden desechar prácticamente es inconmensurablemente menor que la cantidad de partículas alfa obtenidas de fuentes radiactivas, o la cantidad de protones y deuterones acelerados en dispositivos de alto voltaje. Pero esta desventaja se ve parcialmente compensada por la mayor eficiencia de los neutrones para realizar "transformaciones nucleares artificiales". Los neutrones también tienen otra ventaja. Son capaces de causar transformaciones nucleares en gran medida. La cantidad de elementos que pueden ser activados por neutrones supera con creces el número de elementos que pueden ser activados por otros tipos de partículas". En la primavera de 1934, Fermi comenzó a irradiar elementos con neutrones. Los "cañones de neutrones" de Fermi eran pequeños tubos de unos pocos centímetros de largo. Estaban llenos de una "mezcla" de polvo de berilio finamente disperso y emanación de radio. Así es como Fermi describió una de estas fuentes de neutrones: "Era un tubo de vidrio que medía sólo 1,5 cm... en el que había granos de berilio; antes de sellar el tubo, era necesario introducir en él una cierta cantidad de emanación de radio. Las partículas alfa emitidas por el radón chocan en grandes cantidades con átomos de berilio y dar neutrones... El experimento se lleva a cabo de la siguiente manera. En las inmediaciones de la fuente de neutrones se coloca una placa de aluminio o de hierro, o en general del elemento que se desee estudiar, y se deja durante varios minutos, horas o días (según el caso concreto). Los neutrones emitidos por la fuente chocan con los núcleos de la materia. En este caso, tienen lugar muchas reacciones nucleares de varios tipos..." ¿Cómo se veía todo esto en la práctica? La muestra en estudio se sometió a una exposición intensa a la radiación de neutrones durante un tiempo específico, luego uno de los empleados de Fermi literalmente pasó la muestra a un contador Geiger-Muller ubicado en otro laboratorio y registró los pulsos del contador. Después de todo, muchos nuevos radioisótopos artificiales fueron de corta duración. En la primera comunicación, fechada el 25 de marzo de 1934, Fermi informó que bombardeando aluminio y flúor obtuvo isótopos de sodio y nitrógeno que emiten electrones (y no positrones, como en Joliot-Curie). El método de bombardeo de neutrones demostró ser muy efectivo, y Fermi escribió que esta alta eficiencia de fisión "compensa completamente la debilidad de las fuentes de neutrones existentes en comparación con las fuentes de partículas alfa y protones". De hecho, se sabía mucho. Los neutrones entraron en el núcleo del átomo disparado, convirtiéndolo en un isótopo inestable, que se desintegró y emitió espontáneamente. En esta radiación yacía lo desconocido: algunos de los isótopos producidos artificialmente emitían rayos beta, otros rayos gamma y otros, partículas alfa. Cada día aumentaba el número de isótopos radiactivos obtenidos artificialmente. Cada nueva reacción nuclear debía ser comprendida para comprender las complejas transformaciones de los átomos. Para cada reacción era necesario establecer la naturaleza de la radiación, porque sólo conociéndola se puede imaginar el patrón de desintegración radiactiva y predecir el elemento que se obtendrá en el resultado final. Luego fue el turno de los químicos. Tuvieron que identificar los átomos resultantes. Esto también llevó tiempo. Con su "cañón de neutrones" Fermi bombardeaba flúor, aluminio, silicio, fósforo, cloro, hierro, cobalto, plata y yodo. Todos estos elementos se activaron y, en muchos casos, Fermi pudo indicar la naturaleza química del elemento radiactivo resultante. Logró activar 47 de los 68 elementos estudiados por este método. Animado por el éxito, emprendió, en colaboración con F. Rasetti y O. D'Agostino, el bombardeo neutrónico de elementos pesados: torio y uranio. "Los experimentos han demostrado que ambos elementos, previamente purificados de las impurezas activas habituales, pueden activarse fuertemente cuando son bombardeados con neutrones". El 22 de octubre de 1934, Fermi hizo un descubrimiento fundamental. Al colocar una cuña de parafina entre la fuente de neutrones y el cilindro de plata activado, Fermi notó que la cuña no disminuía la actividad de los neutrones, sino que la aumentaba ligeramente. Fermi concluyó que este efecto aparentemente se debía a la presencia de hidrógeno en la parafina y decidió probar cómo una gran cantidad de elementos que contienen hidrógeno afectaría la actividad de división. Habiendo llevado a cabo el experimento primero con parafina y luego con agua, Fermi constató un aumento de la actividad cientos de veces. Los experimentos de Fermi revelaron la enorme eficiencia de los neutrones lentos. Pero, además de notables resultados experimentales, en el mismo año Fermi logró notables logros teóricos. Ya en el número de diciembre de 1933, sus pensamientos preliminares sobre la desintegración beta se publicaron en una revista científica italiana. A principios de 1934, se publicó su artículo clásico "Sobre la teoría de los rayos beta". El resumen del artículo del autor dice: "Se propone una teoría cuantitativa de la desintegración beta basada en la existencia de neutrinos: en este caso, la emisión de electrones y neutrinos se considera por analogía con la emisión de un cuanto de luz por un átomo excitado en teoría de la radiación. Las fórmulas se derivan de la vida útil del núcleo y de la forma del espectro continuo de rayos beta; las fórmulas obtenidas se comparan con el experimento". Fermi en esta teoría dio vida a la hipótesis del neutrino y al modelo protón-neutrón del núcleo, aceptando también la hipótesis del espín isotónico propuesta por Heisenberg para este modelo Basado en las ideas expresadas por Fermi, Hideki Yukawa predijo en 1935 la existencia de una nueva partícula elemental, ahora conocida como pi-mesón o pión. Al comentar sobre la teoría de Fermi, F Razetti escribió: "La teoría que construyó sobre esta base resultó ser capaz de resistir casi sin cambios dos décadas y media del desarrollo revolucionario de la física nuclear. Uno podría notar que una teoría física rara vez nace en tal forma final". Autor: Samin D.K.
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