Το βραβείο Νόμπελ Φυσικής για το 1938 δόθηκε στον Enrico Fermi για τις εργασίες του στην ανακάλυψη νέων τεχνητών ραδιενεργών ουσιών που παράγονταν με το βομβαρδισμό άλλων ουσιών με νετρόνια.
Μέχρι το τέλος του 19ου αιώνα υπήρχε μια σταθερή πεποίθηση ότι τα 92 μέχρι τότε διαφορετικά άτομα ήταν άφθαρτες και αμετάβλητες μονάδες της δομής της ύλης. Ο Μεσαίωνας με τους αλχημιστές του φαίνονταν πολύ μακριά. Όταν όμως ο Γάλλος Becquerel ανακάλυψε το 1892, ότι το ουράνιο εκπέμπει μια ισχυρή ακτινοβολίας, έκανε μεγάλη αίσθηση στους επιστημονικούς κύκλους.
Η έρευνα για αυτήν την ακτινοβολία απέδειξε ότι αποτελείται μεταξύ των άλλων και από πυρήνες ηλίου, που εκπέμφθηκαν από τα άτομα ουράνιου με μεγάλη ταχύτητα . Κατά συνέπεια, όταν αποσυντίθενται οι πυρήνες ουρανίου, σχηματίζονται στη θέση τους νέες ουσίες που με τη σειρά τους εκπέμπουν ακτινοβολίες, και ούτω καθεξής. Έως ότου σχηματισθεί μόλυβδος, το οποίο είναι το τελικό σταθερό προϊόν της διάσπασης, που ξεκίνησε από το ουράνιο.
Μεταξύ των ουσιών που περιλαμβάνονται σε αυτήν την αλυσίδα των διασπάσεων, υπάρχει το ιδιαίτερα ραδιενεργό στοιχείο ράδιο, το οποίο ανακάλυψε η Μαρί Κιουρί που πέτυχε να το παραγάγει.
Σύντομα αφότου ανακαλύφθηκε η ραδιενέργεια του ουράνιου, καθιερώθηκε ότι αυτό το ίδιο χαρακτηριστικό εμφανίζεται και σε ένα άλλο στοιχείο, το θόριο, το ακτίνιο κλπ. Το τελικό προϊόν της διάσπασης αυτών των στοιχείων είναι επίσης ο μόλυβδος. Εντούτοις, ο μόλυβδος που λαμβάνεται σε αυτές τις διασπάσεις δεν είναι ο ίδιος, εφ’ όσον ο αριθμός των νετρονίων του πυρήνα διαφέρει. Ο μόλυβδος που προέρχεται από το ουράνιο έχει 124 νετρόνια στον πυρήνα του, αυτός που προέρχεται από το θόριο έχει 126 και αυτός που προέρχεται από το ακτίνιο έχει 125. Έτσι έχουμε τρία ισότοπα του μολύβδου. Συνήθως ο μόλυβδος όπως τον βρίσκουμε στη φύση είναι συνήθως ένα μίγμα αυτών των τριών ισοτόπων.
Πρέπει να σημειωθεί ότι όσο ισχυρή κι αν είναι η δράση μιας ραδιενεργού ουσίας, ο χρόνος υποδιπλασιασμού μπορεί να είναι από μερικά δευτερόλεπτα έως και 4.5 δισεκατομμύρια έτη για το ουράνιο.
Έτσι η ιδέα της σταθερότητας των ατόμων των στοιχείων εγκαταλείφθηκε και επανήλθε το ιστορικό πρόβλημα των αλχημιστών, η μεταστοιχείωση των στοιχείων. Ο Rutherford ήταν ο πρώτος που ανέπτυξε την ιδέα ότι θα ήταν πιθανό αν βομβαρδιστούν πυρήνες με σωματίδια άλφα (πυρήνες ηλίου), που βγαίνουν με μεγάλη ταχύτητα από τις φυσικές ραδιενεργές ουσίες, να διασπαστούν. Αυτός το δοκίμασε επιτυχώς σε διάφορες περιπτώσεις. Για παράδειγμα εάν ένας πυρήνας αζώτου βομβαρδιστεί από πυρήνες ηλίου, εκτινάσσεται ένας πυρήνας υδρογόνου και απομένει ένας πυρήνας του ισοτόπου οξυγόνου-17. Αυτό σημαίνει ότι οι πυρήνες ηλίου και αζώτου μεταστοιχειώθηκαν σε οξυγόνο και υδρογόνο. Το άτομο του οξυγόνου έχει εννέα νετρόνια αντί για οκτώ που έχει το κανονικό άτομο οξυγόνου. Αυτό το ισότοπο εμφανίζεται στη φύση, αν και σπάνια. Μεταξύ 12.500 συνηθισμένων ατόμων οξυγόνου, το ένα είναι ισότοπο οξυγόνου-17.
Αυτή η ανακάλυψη σήμανε την έναρξη μιας νέας εποχής για τις φυσικές επιστήμες, την πυρηνική εποχή. Εντούτοις, αν οι ακτίνες άλφα προέρχονται από τις φυσικές ραδιενεργές ουσίες, για την πραγματοποίηση των πυρηνικών αντιδράσεων, τότε λόγω της χαμηλής κινητικής τους ενέργειας δεν μπορούσαν να διασπάσουν μεγάλους πυρήνες. Έτσι για πολλά χρόνια υπήρχε ένα όριο για την ανάπτυξη της νέας φυσικής.
Τα πειράματα του Rutherford στη διάσπαση των ατόμων συνεχίστηκαν αργότερα από το ζεύγος Ζολιό-Κιουρί. Μεταξύ των άλλων, το ζεύγος των φυσικών χρησιμοποίησε τους πυρήνες ηλίου ως βλήματα. Βρήκαν ότι συχνά όταν σχηματίζονταν νέα ισότοπα, αυτά τα ισότοπα ήταν ραδιενεργά. Αυτή η ανακάλυψη ήταν μεγάλης σημασίας, γιατί άνοιξε η πόρτα να παραχθούν ουσίες, με τεχνητές διαδικασίες, που θα αντικαθιστούσαν το ράδιο, ένα υλικό που είναι και πολύ δαπανηρό και δύσκολο να βρεθεί.
Χρησιμοποιώντας τους πυρήνες ηλίου και επίσης τους πυρήνες υδρογόνου ως βλήματα, εντούτοις, δεν μπορούν να διασπαστούν τα άτομα με ατομικούς αριθμούς υψηλότερους από 20. Επομένως, μόνο οι ελαφρύτεροι πυρήνες μπορούν έτσι να διασπαστούν.
Ο Fermi
Αμέσως μετά την ανακάλυψη τους από τον Chadwick, τα ουδέτερα νετρόνια μπήκαν στο εργαστήριο του Enrico Fermi σαν ένα μέσον για να επιφέρει πυρηνικές αντιδράσεις, οι οποίες γρήγορα έφεραν νέα ‘τεχνητή’ ραδιενέργεια. Ο Fermi βρήκε ότι η ικανότητα των νετρονίων να δημιουργήσουν αντιδράσεις (στις οποίες δεν θα είχαμε μετασχηματισμούς στοιχείων), αυξανόταν όταν τα νετρόνια ήταν αργά και ότι αυτές οι ακτίνες των νετρονίων δούλευαν καλά και στα βαριά και τα ελαφρά στοιχεία, σε αντίθεση με τις άλλες φορτισμένες ακτίνες σωματιδίων (πρωτόνια, ηλεκτρόνια, πυρήνες ηλίου).
Έχουμε μιλήσει νωρίτερα για το νετρόνιο ως έναν από τους δύο δομικούς λίθους των πυρήνων των ατόμων. Η ύπαρξη του νετρονίου εντούτοις ήταν μια πρόσφατη ανακάλυψη. Ο Rutherford είχε υποψιαστεί την ύπαρξη ενός βαρέως σωματιδίου χωρίς ηλεκτρικό φορτίο και του είχε δώσει ακόμη και το όνομα νετρόνιο.
Το νετρόνιο ανακαλύφθηκε από έναν μαθητή του, τον Chadwick , ο οποίος το βρήκε στην ισχυρή ακτινοβολία, που εκπεμπόταν από το βηρύλλιο όταν αυτό υποβλήθηκε στην επίδραση των ακτίνων-α, που προερχόταν από μια ραδιενεργό ουσία. Την εργασία του αυτή την έστειλε για δημοσίευση στο περιοδικό Nature στις 17 Φεβρουαρίου 1932, στην οποία υποστήριζε ότι η ακτινοβολία του βηρυλλίου ήταν το αποτέλεσμα της αντίδρασης:
2He4 + 4Be9—>C12 + 0n1.
Το νετρόνιο έχει ιδιότητες που το καθιστούν ιδιαίτερα κατάλληλο ως βλήμα στην ατομική διάσπαση. Επειδή ο πυρήνας ηλίου και ο πυρήνας υδρογόνου μεταφέρουν ηλεκτρικά φορτία, οι ισχυρές απωστικές δυνάμεις Coulomb αναγκάζουν αυτά τα φορτισμένα βλήματα να εκτρέπονται όταν πλησιάζουν ένα πυρήνα. Το νετρόνιο όντας αφόρτιστο μπορεί να τους πλησιάσει χωρίς να το σταματά καμιά απωστική δύναμη από τον πυρήνα, εκτός αν συγκρουστεί με αυτόν. Καθώς οι διαστάσεις των πυρήνων είναι εξαιρετικά μικρές αν συγκριθούν με τις διαστάσεις των ατόμων, τέτοιες συγκρούσεις είναι σπάνια περιστατικά. Κατά συνέπεια, οι ακτίνες νετρονίων μπορούν να περάσουν μέσω της ύλης χωρίς αξιόλογη μείωση της ταχύτητας τους.
Έτσι με τη χρησιμοποίηση των νετρονίων για το βομβαρδισμό των πυρήνων ο Fermi πέτυχε να ρίξει νέο φως στη δομή των πυρήνων των ατόμων.
Αρχικά, η πηγή της ακτινοβολίας ήταν ένα μίγμα σκόνης βηρυλλίου και μιας ραδιενεργού ουσίας. Σήμερα, τα νετρόνια παράγονται τεχνητά με το βομβαρδισμό του βηρυλλίου ή του λίθιου με πυρήνες βαρέων υδρογόνου. Έτσι αυτές οι ουσίες εκπέμπουν νετρόνια με την υψηλή ενέργεια. Οι ακτίνες νετρονίων που παράγονται με αυτό τον τρόπο είναι ιδιαίτερα ισχυρές.
Κατά τη χρησιμοποίηση των νετρονίων ως βλήματα, αυτά συλλαμβάνονται στον πυρήνα. Στην περίπτωση των ελαφρύτερων στοιχείων, εκτινάσσεται από αυτά ένας πυρήνας υδρογόνου ή ένας πυρήνας ηλίου. Με τα βαρύτερα στοιχεία, εντούτοις, οι δυνάμεις που συνδέουν τα υποατομικά μέρη είναι πολύ ισχυρές. Έτσι με τις τότε μικρές ταχύτητες των νετρονίων δεν υπήρχε καμία εκτίναξη οποιουδήποτε σωματιδίου. Η πλεονάζουσα ενέργεια μετασχηματιζόταν υπό μορφή ακτίνων-γάμμα. Καθώς δεν υπάρχει καμία αλλαγή στο φορτίο των πυρήνων, λαμβάνεται ένα ισότοπο της αρχικής ουσίας. Αυτό το ισότοπο, σε πολλές περιπτώσεις είναι ασταθές, αποσυντίθεται με εκπομπή ραδιενεργών ακτινοβολιών. Έτσι λαμβάνονται τεχνητά ραδιενεργά υλικά.
Μετά από έξι μήνες από το πρώτο τους πείραμά με την ακτινοβολία των νετρονίων, ο Fermi και οι συνάδελφοί του είδαν ότι η νέα τους ανακάλυψη είχε μεγαλύτερη σημασία. Παρατήρησαν συγκεκριμένα ότι η επίδραση της ακτινοβολίας των νετρονίων συχνά αυξανόταν σημαντικά, όταν οι ακτίνες περνούσαν μέσα από νερό ή παραφίνης. Η λεπτή μελέτη αυτού του φαινομένου έδειξε ότι η ταχύτητα των νετρονίων μειώθηκε όταν συγκρούστηκαν με τους πυρήνες των υδρογόνων που βρίσκονται και στο νερό και στην παραφίνη.
Αντίθετα με αυτά που πίστευε ο Fermi, εμφανίστηκε ότι τα αργά νετρόνια είχαν πιο ισχυρή επίδραση από τα γρήγορα νετρόνια. Στη συνέχεια βρέθηκε ότι επιτεύχθηκε ισχυρότερη επίδραση σε μια ορισμένη ταχύτητα, η οποία είναι διαφορετική για διαφορετικές ουσίες. Αυτό το φαινόμενο επομένως συγκρίνεται με το φαινόμενο του συντονισμού που συναντάται στην οπτική και την ακουστική.
Με τα αργά νετρόνια, ο Fermi και οι συνάδελφοί του πέτυχαν να παράγουν ραδιενεργά ισότοπα όλων των στοιχείων με εξαίρεση το υδρογόνο και το ήλιο και μέρος των ραδιενεργών ουσιών. Περισσότερες από τετρακόσιες νέες ραδιενεργές ουσίες λήφθηκαν με αυτόν τον τρόπο. Ορισμένα από αυτά έχουν ισχυρότερα αποτελέσματα από το ράδιο όσον αφορά στη ραδιενέργεια. Οι μισές από αυτές τις ουσίες ήταν προϊόντα του βομβαρδισμού άλλων ουσιών από τα νετρόνια. Οι χρόνοι ημιζωής αυτών των τεχνητών ραδιενεργών ουσιών εμφανίζονται συγκριτικά μικρές, ξεκινώντας από ένα δευτερόλεπτο έως και μερικές ημέρες.
Κατά τη διάρκεια της ακτινοβολίας με νετρόνια των βαρέων στοιχείων, τα νετρόνια συλλαμβάνονται και ενσωματώνονται στον πυρήνα, και διαμορφώνεται έτσι ένα ισότοπο της αρχικής ουσίας, και μάλιστα αυτό το ισότοπο είναι ραδιενεργό. Όταν όμως τα ισότοπα διασπώνται, τότε, εξέρχονται από τους πυρήνες ηλεκτρόνια και σχηματίζονται νέες ουσίες (με αυξημένο κατά ένα τον ατομικό αριθμό). Είναι η γνωστή βήτα διάσπαση.
Αυτό που βρήκε ο Fermi, ότι όταν υποβάλλονται σε ακτινοβολία με νετρόνια τα βαριά στοιχεία αυξάνεται λόγω της διάσπασης βήτα ο ατομικός αριθμός, είχε μεγάλο ενδιαφέρον όταν εφαρμόστηκε στο τελευταίο τότε γνωστό στοιχείο του Περιοδικού Συστήματος, δηλαδή το ουράνιο, που έχει ατομικό αριθμό 92. Μετά από αυτήν την διαδικασία, βρέθηκε ένα νέο στοιχείο με 93 πρωτόνια και το νέο αυτό στοιχείο δεν ταίριαζε πουθενά στο Περιοδικό Σύστημα. Ο Fermi δέχθηκε ότι είναι πιθανότερο να δημιουργηθεί μια νέα σειρά για αυτά τα νέα υπερουράνια στοιχεία. Αργότερα ο Fermi πέτυχε την παραγωγή δύο νέων στοιχείων, με ατονικό αριθμό 93 και 94. Αυτά τα νέα στοιχεία ονόμασε τότε Ausenium και Hesperium. Σήμερα λέγονται Ποσειδώνιο (Neptunium) και Πλουτώνιο (Plutonium).
Ο Fermi είχε σπουδαία διαίσθηση, ικανότητα στα πειράματα αλλά ήταν και σπουδαίος θεωρητικός. Αυτό αποδείχθηκε σε όλη τη διάρκεια της καριέρας του αλλά και όταν πέτυχε να μετρήσει με ακρίβεια τις ταχύτητες με τις οποίες διαφορετικά ραδιενεργά υλικά διασπώνται.
