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가장 중요한 과학적 발견
인공 방사능. 과학적 발견의 역사와 본질
인공 방사능은 배우자 Irene(1897–1956)과 Frederic(1900–1958) Joliot-Curie에 의해 발견되었습니다. 15년 1934월 3일 파리 과학 아카데미 회의에서 J. Perrin이 그들의 메모를 발표했습니다. Irene과 Frederick은 알파 입자의 충격을 받은 후 일부 가벼운 원소(마그네슘, 붕소, 알루미늄)가 양전자를 방출한다는 사실을 입증할 수 있었습니다. 또한 그들은 그 당시 알려진 모든 핵 변형 사례와는 특성이 다른 이 방출 메커니즘을 확립하려고 했습니다. 과학자들은 알루미늄 호일에서 15밀리미터 떨어진 곳에 알파 입자 소스(폴로늄 준비물)를 배치했습니다. 그런 다음 그들은 그녀를 약 14분 동안 방사선에 노출시켰습니다. Geiger-Muller 계수기는 호일이 2,5분 XNUMX초의 반감기로 시간이 지남에 따라 강도가 기하급수적으로 떨어지는 방사선을 방출한다는 것을 보여주었습니다. 붕소와 마그네슘을 사용한 실험에서 반감기는 각각 XNUMX분과 XNUMX분이었습니다. 그러나 수소, 리튬, 탄소, 베릴륨, 질소, 산소, 불소, 나트륨, 칼슘, 니켈 및 은에 대한 실험에서는 그러한 현상이 발견되지 않았습니다. 그럼에도 불구하고 Joliot-Curies는 알루미늄, 마그네슘 및 붕소 원자의 충격으로 인한 방사선은 폴로늄 준비에 있는 불순물의 존재로 설명할 수 없다고 결론지었습니다. K. Manolov와 V. Tyutyunnik은 그들의 저서 "Biography of the Atom"에서 "구름실에서 붕소와 알루미늄의 복사에 대한 분석은 그것이 양전자의 흐름임을 보여주었습니다. 과학자들이 다루고 있다는 것이 분명해졌습니다. 알려진 모든 핵 변환의 경우와는 상당히 다른 새로운 현상으로. 그 당시까지 알려진 핵 반응은 폭발적인 성질을 가진 반면, 폴로늄 알파선을 조사한 일부 가벼운 요소에 의한 양의 전자 방출은 계속됩니다. 예를 들어, 알파선의 근원을 제거한 후 다소 오랜 시간이 지나면 붕소는 XNUMX분에 이릅니다. Joliot-Curies는 여기서 우리가 양전자 방출로 나타나는 실제 방사능에 대해 이야기하고 있다는 결론에 도달했습니다. 새로운 증거가 필요했고 무엇보다 해당하는 방사성 동위원소를 분리해야 했습니다. 연구 기반 구축 러더퍼드 그리고 Cockcroft, Irene 및 Frédéric Joliot-Curie는 알루미늄 원자가 폴로늄 알파 입자로 충격을 받았을 때 알루미늄 원자에 어떤 일이 발생하는지 확인할 수 있었습니다. 첫째, 알파 입자는 알루미늄 원자의 핵에 포획되어 양전하가 30 단위 증가하여 과학자들에 의해 방사성 인이라고 불리는 방사성 인 원자의 핵으로 변합니다. 이 과정은 하나의 중성자의 방출을 동반하므로 생성된 동위 원소의 질량이 31가 아니라 15단위로 증가하여 30이 됩니다. 인의 안정 동위 원소는 질량이 3입니다. "방사성 인" 15의 전하와 XNUMX의 질량은 XNUMX분 XNUMX초의 반감기로 붕괴하여 XNUMX개의 양전자를 방출하고 실리콘의 안정한 동위원소가 됩니다. 알루미늄이 14의 전하와 30의 질량을 가진 인으로 변한 다음 실리콘으로 변한다는 유일하고 확실한 증거는 이러한 원소를 분리하고 특성적인 정성적 화학 반응을 사용하여 식별할 수 있다는 것뿐입니다. 안정적인 화합물을 다루는 화학자에게 이것은 간단한 작업이었지만 Irene과 Frederick에게는 상황이 완전히 달랐습니다. 그들이 얻은 인 원자는 XNUMX분 이상 지속되었습니다. 화학자들은 이 원소를 탐지하는 많은 방법을 가지고 있지만 모두 긴 결정이 필요합니다. 따라서 화학자들의 의견은 만장일치였습니다. 짧은 시간에 인을 식별하는 것은 불가능합니다. 그러나 Joliot-Curies는 "불가능"이라는 단어를 인식하지 못했습니다. 이 "해결할 수 없는" 작업에는 과로, 긴장, 기교의 손재주 및 끝없는 인내가 필요했지만 해결되었습니다. 핵 변형 생성물의 극도로 낮은 수율과 변형을 겪은 물질의 절대적으로 무시할 수 있는 질량에도 불구하고 - 단지 몇 백만 원자에도 불구하고 생성된 방사성 인의 화학적 특성을 확립하는 것이 가능했습니다. 인공 방사능의 발견은 즉시 세기의 가장 위대한 발견 중 하나로 간주되었습니다. 그 이전에는 어떤 원소에 내재된 방사능은 인간에 의해 야기되거나 파괴되거나 어떻게든 변화될 수 없었습니다. Joliot-Curies는 새로운 방사성 동위 원소를 획득하여 인위적으로 방사능을 유발한 최초의 사람이었습니다. 과학자들은 이 발견의 큰 이론적 중요성과 생물학 및 의학 분야에서의 실제 적용 가능성을 예견했습니다. 바로 이듬해 인공 방사능의 발견자인 Irene과 Frederic Joliot-Curie는 노벨 화학상을 수상했습니다. 이러한 연구를 계속하면서 이탈리아 과학자 페르미는 중성자 충격이 중금속에서 인공 방사능을 유도한다는 것을 보여주었습니다. 엔리코 페르미 (1901-1954) 로마에서 태어났습니다. 어린 시절에도 Enrico는 수학과 물리학에 뛰어난 소질을 보였습니다. 주로 독학의 결과로 얻은 이러한 과학에 대한 그의 뛰어난 지식은 1918년에 장학금을 받고 피사 대학교의 고등 사범 학교에 입학할 수 있게 해주었습니다. 그런 다음 Enrico는 로마 대학에서 화학자를 위한 수학 교사로 임시직을 받았습니다. 1923년 그는 독일 괴팅겐으로 출장을 갔다. 맥스 본. 이탈리아로 돌아온 페르미는 1925년 1926월부터 1926년 가을까지 피렌체 대학에서 일했습니다. 여기에서 그는 "자유 부교수"의 첫 번째 학위를 받았으며, 가장 중요한 것은 양자 통계에 대한 그의 유명한 작업을 작성했다는 것입니다. XNUMX년 XNUMX월에 그는 로마 대학에서 새로 설립된 이론 물리학의 교수직을 맡았습니다. 여기에서 그는 젊은 물리학자 팀을 조직했습니다: Rasetti, Amaldi, Segre, Pontecorvo 및 기타 이들은 이탈리아 현대 물리학 학교를 구성했습니다. 1927년 로마 대학에 이론물리학의 첫 학장이 설립되었을 때 국제적 명성을 얻은 페르미가 학장으로 선출되었습니다. 여기 이탈리아의 수도에서 페르미는 몇몇 저명한 과학자들을 규합하고 이 나라 최초의 현대 물리학 학교를 설립했습니다. 국제 과학계에서는 페르미 그룹이라고 부르기 시작했습니다. XNUMX년 후, 페르미는 베니토 무솔리니에 의해 새로 설립된 이탈리아 왕립 아카데미 회원의 명예 직위에 임명되었습니다. 1938년 페르미는 노벨 물리학상을 수상했습니다. 노벨 위원회의 결정에 따르면 페르미는 "중성자 조사에 의해 얻은 새로운 방사성 원소의 존재와 느린 중성자에 의한 핵 반응의 발견에 대한 증거"로 페르미에게 상을 수여했습니다. Enrico Fermi는 Joliot-Curies가 결과를 발표하자마자 인공 방사능에 대해 알게 된 1934년 봄입니다. Fermi는 Joliot-Curie 실험을 반복하기로 결정했지만 충돌 입자로 중성자를 사용하여 완전히 다른 방식으로 진행했습니다. 나중에 Fermi는 다른 물리학자들이 중성자를 불신하는 이유와 자신의 운이 좋은 추측을 다음과 같이 설명했습니다. "중성자를 충돌 입자로 사용하면 실제로 처분할 수 있는 중성자의 수가 방사성원에서 얻은 알파 입자의 수 또는 고압 장치에서 가속되는 양성자와 중수소의 수보다 훨씬 적다는 단점이 있습니다. 그러나 이 단점은 "인공 핵 변환"을 수행하는 중성자의 더 큰 효율성에 의해 부분적으로 상쇄됩니다. 다른 유형의 입자에 의해 활성화될 수 있는 요소의 수입니다." 1934년 봄, 페르미는 중성자로 원소를 조사하기 시작했습니다. 페르미의 "중성자 총"은 몇 센티미터 길이의 작은 튜브였습니다. 그것들은 미세하게 분산된 베릴륨 분말과 라듐 방출의 "혼합물"로 채워졌습니다. 다음은 Fermi가 이러한 중성자 소스 중 하나를 설명한 방법입니다. "그것은 크기가 1,5cm에 불과한 유리관이었습니다. 그 안에는 베릴륨 알갱이가 있었습니다. 관을 납땜하기 전에 일정량의 라듐 방출을 도입해야 했습니다. 라돈에서 방출되는 알파 입자는 대량으로 충돌합니다. 베릴륨 원자와 중성자를 주고... 실험은 다음과 같이 수행됩니다. 중성자 소스 바로 근처에 알루미늄이나 철판, 또는 일반적으로 연구하고자 하는 원소를 놓고 몇 분, 몇 시간 또는 며칠 동안(특정 경우에 따라 다름) 방치합니다. 소스에서 방출된 중성자는 물질의 핵과 충돌합니다. 이 경우 다양한 유형의 많은 핵 반응이 발생합니다 ... " 이 모든 것이 실제로 어떻게 보였습니까? 연구 중인 샘플은 지정된 시간 동안 중성자 조사에 집중적으로 노출되었고 Fermi의 직원 중 한 명이 문자 그대로 샘플을 다른 실험실에 위치한 Geiger-Muller 계수기로 실행하고 카운터 펄스를 기록했습니다. 결국 많은 새로운 인공 방사성 동위원소는 수명이 짧았습니다. 25년 1934월 XNUMX일자 첫 번째 통신에서 페르미는 알루미늄과 불소에 충격을 가하여 전자를 방출하는 나트륨과 질소 동위원소를 얻었다고 보고했습니다(졸리오-퀴리에서처럼 양전자는 아님). 중성자 충격의 방법은 매우 효과적인 것으로 판명되었으며 Fermi는 이 높은 핵분열 효율이 "알파 입자 및 양성자의 소스와 비교하여 기존 중성자 소스의 약점을 완전히 보상한다"고 썼습니다. 사실 많이 알려져 있었다. 중성자는 껍질을 벗긴 원자의 핵에 부딪혀서 불안정한 동위원소로 바뀌고, 이 동위원소는 자발적으로 붕괴하고 방사됩니다. 이 방사선에는 알려지지 않은 것이 숨겨져 있었습니다. 인위적으로 얻은 동위원소 중 일부는 베타선을 방출했고, 다른 일부는 감마선을 방출했으며, 또 다른 일부는 알파 입자를 방출했습니다. 매일 인위적으로 생산된 방사성 동위 원소의 수가 증가했습니다. 원자의 복잡한 변형을 이해하기 위해서는 각각의 새로운 핵 반응을 이해해야 했습니다. 각 반응에 대해 방사선의 특성을 확립해야 했습니다. 그것이 최종 결과가 될 것입니다. 그런 다음 화학자의 차례가 왔습니다. 그들은 생성된 원자를 식별해야 했습니다. 이것도 시간이 걸렸습니다. 페르미는 그의 "중성자 총"으로 불소, 알루미늄, 규소, 인, 염소, 철, 코발트, 은, 요오드를 포격했습니다. 이 모든 원소가 활성화되었고 많은 경우에 페르미는 생성된 방사성 원소의 화학적 성질을 나타낼 수 있었습니다. 그는 이 방법으로 연구한 47개 원소 중 68개를 활성화하는 데 성공했다. 성공에 고무된 그는 F. Rasetti 및 O. D'Agostino와 협력하여 토륨과 우라늄과 같은 중원소의 중성자 폭격에 착수했습니다. "실험을 통해 이전에 일반적인 활성 불순물로부터 정제된 두 원소가 중성자와 충돌할 때 강력하게 활성화될 수 있음이 나타났습니다." 22년 1934월 XNUMX일 페르미는 근본적인 발견을 했습니다. 중성자 소스와 활성화된 은 실린더 사이에 파라핀 쐐기를 배치함으로써 Fermi는 쐐기가 중성자 활동을 감소시키지 않고 약간 증가시키는 것을 알아차렸습니다. Fermi는 이 효과가 명백히 파라핀에 수소가 존재하기 때문이라고 결론지었고 많은 수의 수소 함유 원소가 분열 활동에 어떻게 영향을 미치는지 테스트하기로 결정했습니다. 먼저 파라핀으로 실험을 수행한 다음 물로 실험을 수행한 Fermi는 활성이 수백 배 증가했다고 말했습니다. 페르미의 실험은 느린 중성자의 엄청난 효율을 보여주었습니다. 그러나 놀라운 실험 결과 외에도 같은 해에 Fermi는 놀라운 이론적 성과를 달성했습니다. 이미 1933년 1934월호에 베타 붕괴에 대한 그의 예비 생각이 이탈리아 과학 저널에 실렸습니다. XNUMX년 초에 그의 고전 논문 "베타 광선 이론에 관하여"가 출판되었습니다. 이 기사에 대한 저자의 요약은 다음과 같습니다. "중성미자의 존재에 기반한 베타 붕괴의 정량적 이론이 제안되었습니다. 이 경우 전자와 중성미자의 방출은 들뜬 원자에 의한 광 양자 방출과 유사하게 고려됩니다. 방사선 이론. 공식은 핵의 수명과 베타선의 연속 스펙트럼 형태에서 파생되며 얻은 공식을 실험과 비교합니다. 이 이론에서 페르미는 중성미자 가설과 핵의 양성자-중성자 모델에 생명을 불어넣었으며, 하이젠베르크 이 모델의 경우. 페르미가 표현한 아이디어를 바탕으로 유카와 히데키는 1935년에 현재 파이 중간자 또는 파이온으로 알려진 새로운 소립자의 존재를 예측했습니다. 페르미의 이론에 대해 F Razetti는 다음과 같이 말했습니다. 그런 최종 형태." 저자: Samin D.K.
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