© Adela Muñoz Páez, 2012 (текст) © RBA Collecionables S.A., 2012 © ООО “Де Агостини”, 2014-2015 ISSN 2409-0069
Моему сыну Энрике и всем тем, кто, как и он, начинает свой профессиональный путь в наше сложное время.
Хотя девочке Мане приходилось учить уроки на русском языке, она оплакивала мать на польском; когда ее мечта о свободе осуществилась, она говорила на французском и жила в холодной мансарде Латинского квартала. Студентка, которую теперь называли Мари, открыла в Парижском университете красоту физики и математики. Через некоторое время она не устояла перед магнетизмом Пьера, в то время как немецкие, английские и французские ученые воевали со спектрами излучений.Сначала казалось, что у Марии есть все для того, чтобы быть счастливым ребенком, но в детстве она пережила две большие драмы. Самая ужасная состояла в том, что ее обожаемая мать, красавица Бронислава Богуская, после рождения дочери заболела туберкулезом и умерла, когда Марии было десять лет. Это было ударом для всей семьи, но особенно для маленькой дочери, которая обожала ее и которую мать никогда не обнимала, боясь заразить. Другая большая драма в жизни Марии была следствием политического положения Польши. С 1772 года страна перестала существовать как государство и была поделена между Австрией, Россией и Пруссией. Варшава и ее окрестности попали во владение Российской империи. Дед Марии со стороны отца участвовал в Польском восстании 1830 года и после ареста был вынужден идти 200 км босиком в Варшавскую тюрьму. Руководителей восстания 1863 года повесили в Варшавской крепости, недалеко от дома на улице Фрета, где через четыре года, 7 ноября 1867 года, родилась Мария. У ее родителей уже было четверо детей: Зося, Юзеф, Броня и Хелена.
Химическая лаборатория будет неполной, если на ее стенах не висит периодическая таблица, и обычно преподаватель химии не может обучать этому предмету, не ссылаясь на нее. Периодическая таблица появилась благодаря великому химику Дмитрию Менделееву (1834–1907). Когда в 1867 году Менделеев впервые столкнулся с преподаванием неорганической химии, он обнаружил множество соединений, элементов и реакций, не обладающих видимой связью. С целью организовать этот хаос преподаватель обобщил информацию о каждом элементе на маленьких карточках, расположил их по возрастанию атомной массы и сгруппировал всеми возможными способами. В отчаянии оттого, что не может найти главного принципа, Менделеев заснул на рабочем столе, и ему приснилось нечто, похожее на периодическую таблицу. Проснувшись, он составил таблицу, в которой атомная масса элементов, представленных по рядам, увеличивалась слева направо. Колонки, названные «группами», включали в себя элементы, имеющие сходные химические свойства. Однако таблица Менделеева была не первой попыткой организовать химические элементы. Так, в 1829 году немецкий химик Иоганн Вольфганг Дёберейнер нашел серию триад; в 1864 году англичанин Джон Ньюлендс расширил эту классификацию и установил закон октав, а в 1869 году немец Юлиус Майер составил классификацию, очень похожую на систему Менделеева. Но самым примечательным в классификации русского химика была ее способность к прогнозированию: можно было предсказать существование элементов, которые, хотя еще и не были открыты, должны были заполнить пустоты таблицы. Менделеев даже имел смелость предсказать свойства некоторых неизвестных элементов, а именно галлия, германия, радия и полония. Потребовалось почти полвека, чтобы с помощью модели атома новозеландского ученого Эрнеста Резерфорда, разработанной в 1911 году и дополненной в 1913 году датским ученым Нильсом Бором (модель которого включала квантовые постулаты), стало возможным подтвердить правильность порядка, найденного Менделеевым.
Невозможно описать все, что мне дали те годы. Освободившись от каких-либо материальных обязательств, я погрузилась в радость учения, хотя условия моей жизни были далеки от идеальных. Мария Кюри, «автобиографические заметки»
Механизм поджига во многих газовых плитах основывается на явлении, открытом Пьером Кюри вместе с его братом Жаком. Оно состоит в создании разряда с помощью давления, которое является следствием отсутствия центра симметрии в некоторых веществах. Когда создается давление на определенную ось кварца или турмалина, заряды автоматически распределяются по граням, перпендикулярным этой оси, и создается небольшая разница потенциалов. Первым перспективным применением этого явления был пьезоэлектрический сонар, который разработал Поль Ланже- вен во время Первой мировой войны для обнаружения подводных лодок. Пьезоэлектрическая система, подключенная к гидрофону, издавала высокочастотные сигналы, и, измерив время, через которое возвращалось эхо, можно было вычислить расстояние до объекта. Затем было разработано огромное число устройств, использующих этот эффект; одно из самых простых — зажигалка: при нажатии на кнопку ударник бьет по пьезоэлектрическому кристаллу, создается высокое напряжение на концах кристалла, из-за чего возникает искра, с помощью которой зажигается газ.
Во время каникул мы ездили на велосипеде еще дальше. Мы объехали значительную часть Оверни и Севенн, так же как и несколько прибрежных районов. Эти поездки на весь день, в результате которых мы каждый вечер приезжали в новое место, были наслаждением. Мария Кюри, «автобиографические заметки»
Английский химик сэр Уильям Крукс (1832–1919) изучал проводимость газов при крайне низком давлении и для этого разработал трубки, которые носят его имя. Ученый заметил, что если в концы трубки с вакуумом поместить два электрода, к которым приложить высокое напряжение, по трубке проходят лучи, испускаемые катодом (в связи с чем он назвал их «катодные лучи»), из-за чего светятся флуоресцентные экраны, на которые они направлены. Очевидность этих результатов привлекла внимание других исследователей. Так, 8 ноября 1895 года немецкий физик Вильгельм Конрад Рентген (1845–1923) заметил, что когда катодные лучи сталкиваются с металлической поверхностью анода в трубке Крукса, они производят другие лучи с уникальными свойствами: они невидимы, способны выходить из трубки, пересекать черный картон и освещать флуоресцентный экран. Он назвал их икс-лучами за их интригующие свойства, и через несколько недель после открытия (которое в итоге принесло Рентгену Нобелевскую премию по физике) они уже применялись в медицине, произведя революцию в методах диагностики и лечения. Любопытство, которое рентгеновские лучи вызвали у ученых, породило другие открытия, среди них — открытие радиоактивности. Никто не думал, что у них может быть другое применение, пока в 1912 году немецкий физик Макс фон Лауэ (1879–1960) не выяснил, что когда лучи пересекают кристаллы сульфата меди, то дают характерные точки на фотографической пластинке. В следующем году британский физик Уильям Генри Брэгг (1862–1942) и его сын Уильям Лоренс (1890–1971) открыли, что длина волны икс-лучей (γ) связана с расстоянием, разделяющим ряды атомов в кристалле (d), и с углом, который образуют лучи с кристаллом (θ), математическим отношением, названным в их честь законом Брэгга: nγ = 2d∙sin θ. Открытия Брэггов и фон Лауэ снабдили ученых очень мощным инструментом анализа структуры веществ любого типа, что способствовало пониманию множества физических, химических и биологических процессов.
Производство катодных лучей.
Схема трубки с x-лучами, охлаждаемой с помощью воды
В 1897 году Джозеф Джон Томсон (1856–1940), директор лаборатории Кавендиша в Кембридже, доказал, что катодные лучи, производимые в трубках Крукса, были потоками частиц с отрицательным зарядом. Он изучал отклонения лучей в присутствии магнитных и электрических полей и из результатов сделал вывод, что масса частиц, которые их образуют, примерно в 1800 раз меньше, чем масса самого легкого известного атома — водорода. Кроме того, он заметил, что частицы общие для всех атомов, так что они должны быть их частью. В результате этого открытия оказалось, что модель атома Дальтона, согласно которой атомы неделимы, неверна. Томсон предложил новую модель атома, которую назвал «пудинг». Такое необычное название было очень подходящим, поскольку отсылало к предположению Томсона о том, что любой положительный заряд (и вместе с ним почти вся его масса) атома распределен равномерно, занимая весь объем (как тесто пудинга), а отрицательные заряды (электроны, то есть изюминки) размещены внутри. Естественно, речь шла об очень примитивном и далеком от реальности представлении, как мы знаем сегодня, но это было огромным шагом вперед к пониманию сложной природы атома. Томсон определил отношение заряд/масса частиц, которые образовывали катодные лучи, изучая, как они отклоняются электрическим и магнитным полями. Несколькими годами позже Томсон разработал технику химического анализа, масс-спектроскопию, с помощью которой его ученик Фрэнсис Уильям Астон (1877–1945) открыл изотопы, атомы с одинаковым числом протонов (атомным номером) ядра, но различным числом нейтронов, то есть другим массовым числом. Томсон получил Нобелевскую премию по физике в 1906 году за открытие того, что катодные лучи образованы частицами, названными электронами.
Беккерель повторил свои эксперименты с помощью прибора, который зафиксировал бы излучение с большей скоростью и точностью, чем это можно было сделать с помощью фотографической пластинки. Чтобы проверить, ионизируют ли лучи воздух, то есть высвобождают ли они заряд и делают его проводником, он решил применить электроскоп — прибор, использованный в первых исследованиях по электростатике. Этот прибор, показанный на рисунке, состоит из стержня-проводника с пластинками из золота на конце, который помещается в сосуд. Чтобы узнать, содержит ли тело электрический заряд, надо лишь дотронуться им до верхнего конца стержня. Если тело заряжено, то заряд проходит через него к золотым пластинкам, которые отталкиваются из-за одноименного заряда. Чем больше заряд, тем больше угол отклонения.
Беккерель выяснил, что заряженный электроскоп разряжается из-за действия урановых лучей. Это говорило о том, что они ионизируют (заряжают) среду (воздух), в которой распространяются. Однако попытка количественно оценить излучение оказалась неудачной: удалось лишь установить связь между углом отклонения пластинки из золота от главной оси электроскопа и временем излучения. Но результаты не были воспроизводимыми, поскольку изменение угла было величиной, которая не предполагала точного измерения.
Далее он выяснил, что соли урана в растворе также дают излучение, а это означало, что оно не является исключительным свойством твердых тел. Хотя Беккерель настаивал на том, чтобы назвать новое явление «невидимой фосфоресценцией» (три семейных поколения, занимавшихся фосфоресценцией, должно быть, оказывали свое влияние), каждый раз было все более очевидно, что оно совсем не связано с тем, что изучали его отец и дед. На самом деле у них было больше схожести с рентгеновскими лучами, поэтому Беккерель решил проверить, подвержены ли урановые лучи, по аналогии с рентгеновскими, явлению рассеивания (изменению направления распространения при столкновении с препятствиями на своем пути) и поглощаются ли они различными веществами. Ученый заметил, что их поведение не похоже на поведение рентгеновских лучей (сегодня мы знаем, что «урановые лучи» включают в себя различные типы излучения, одно из которых похоже на рентгеновское, а другие нет; сложность урановых лучей была неизвестна Беккерелю).
Ученый также исследовал вопрос о том, что отвечает за излучение: химический элемент уран или одно из его соединений. Он заметил, что явление проявляется как у солей желтого цвета, для которых характерна фосфоресценция и в которых степень окисления урана +6 (то есть он потерял 6 электронов из оболочки), так и у зеленых солей со степенью окисления +4, для которых фосфоресценция нехарактерна. Затем Беккерель измерил излучение чистого урана, пользуясь фотографическим методом, с которого он начал свои исследования, и выяснил, что оно наиболее интенсивное из всех анализируемых. Это подтвердило то, что речь идет об атомном явлении, связанном с элементом — ураном.
В 1897 году Беккерель был избран ежегодным президентом Физического общества, что сопровождалось бюрократической и отчетной работой, поэтому он не продолжал свои эксперименты в этой области. Он сделал лишь один доклад, в котором резюмировал результаты своей работы, и объявил о разряжении электроскопа урановыми лучами. После этого Беккерель вернулся на знакомую территорию, к изучению «классической» фосфоресценции, оставив теорию урановых лучей в зачаточном состоянии.
Мы уже рассмотрели причины, из-за которых лучи, открытые Беккерелем, были забыты. Возможно, когда их сравнили с рентгеновскими и выяснили, что они дают намного менее четкий рисунок, они оказались не очень интересными. С другой стороны, их было не так просто получить, поскольку вместо вакуумных трубок и генераторов, необходимых для получения рентгеновских лучей, нужно было иметь соединения урана, которые были доступны не во всех лабораториях. Но самым главным фактором, вызвавшим прекращение их изучения, оказалось то, что это явление было выше понимания ученых того времени, и сколько бы экспериментов ни ставил Беккерель, он не мог ответить на самые простые вопросы о природе наблюдаемых лучей. Первый из них был связан с источником энергии процесса: поскольку не было необходимости в облучении, что же вызывало урановые лучи и откуда происходила их энергия? Было похоже, что она неистощима, поэтому само существование подобного явления, казалось, нарушает принцип сохранения энергии.
Хотя истории моряков, которые видели ночное свечение моря, известны с древности, именно Жюль Верн впервые написал об этом — в романе «Двадцать тысяч лье под водой». Герой произведения, капитан «Наутилуса» Немо, объяснял явление «молочного моря» присутствием миллионов инфузорий, маленьких морских микроорганизмов, которые светятся в темноте. Роман был опубликован в 1870 году, но это явление привлекло внимание Антуана Беккереля задолго до этого, в начале XIX века. Ученый заметил, что многие минералы обладают способностью светиться в темноте, и завещал своему сыну изучить это явление. Его внук, который продолжил семейные исследования, в конце концов открыл радиоактивность фосфоресцирующих соединений урана, которые испускают свет в темноте, — явление, получившее название «люминесценция». В зависимости от факторов, которые ее порождают, говорят о фотолюминесценции, когда причиной испускания света является внешнее воздействие света, хотя и с другой длиной волны, о хемилюминесценции, когда причиной является химическая реакция, и о биолюминесценции, когда свет испускается живыми организмами. В свою очередь, фотолюминесценция может быть флуоресценцией, когда испускание света одновременно световому излучению, которое ее порождает (не абсолютно одновременно, но промежуток времени между процессами очень короткий, порядка 10 наносекунд, 0,00000001 = 10 х 10-9 секунд), или фосфоресценцией, когда оно происходит позже (или, точнее, когда промежуток времени между облучением и началом свечения больше 10 наносекунд, а может доходить до нескольких часов). Причина задержки в испускании света при фосфоресценции происходит из-за перекрещивания электронных состояний с различной мультиплетностью. Это приводит к уменьшению вероятности того, что произойдет переход. Такие процессы, которые описываются вероятностным формализмом квантовой физики, были частью необъяснимой феноменологии для физики конца XIX века. С другой стороны, следует сказать, что ни одно из явлений люминесценции никак не связано с радиоактивностью, являющейся спонтанным явлением, у которого нет никакого предварительного источника возбуждения светового, химического или животного происхождения.
Мария решила изучать самые непонятные из лучей, открытых в конце XIX века, — урановые лучи. Не имея ни лаборатории, ни средств, но обладая знаниями химии и пьезоэлектрическими кварцевыми весами, изобретенными Пьером, она оригинальным образом подошла к исследованию и с помощью своего мужа открыла два новых элемента, которые назвала «полоний» — в честь своей родной страны — и «радий».Когда казалось, что все уже забыли об урановых лучах, ими заинтересовалась молодая полька, получившая образование в области физики и математики в Сорбонне, которая недавно родила дочь и была замужем за непризнанным ученым. И там, где потерпел поражение физический подход Беккереля, победил химический подход Марии. Однако история не была такой простой. Нет сомнений в том, что главный успех Марии состоял в установлении эффективного способа выделения новых химических элементов. Но чтобы дойти до их открытия, ей пришлось сделать бесконечное количество «физических» измерений электрического заряда, производимого лучами, что также пытался сделать Беккерель, хотя и безуспешно. То есть дело не в том, что химия победила там, где потерпела поражение физика, а в том, что победили творческий гений и упорство Марии. Также определяющим был ее подход к изучению явления, свободный от предрассудков, которые могли бы сбить с пути, если бы она занималась унаследованной от родителей темой исследования, как в случае с Беккерелем. И, возможно, наибольшее значение имела энергия молодости Марии, у которой все было впереди. Вначале Мария не задалась вопросом о природе явления, а лишь попыталась ответить на, казалось бы, очень простые вопросы: какова интенсивность урановых лучей? какие вещества их производят? Ее большим успехом было то, что она нашла правильные ответы на оба эти вопроса. Для этого ей потребовались огромная смелость, железная рабочая дисциплина и немного удачи. Не стоит забывать, что она осуществила всю эту работу только на энтузиазме, поскольку не получила за нее никакой компенсации. Первое, что нужно было сделать супружеской паре Кюри после выбора цели исследования, — найти место, где Мария могла бы работать. Шарль Гариель, новый директор Школы промышленной физики и химии, позволил Марии работать в здании школы, несмотря на то что исследовательница не была профессионально связана с ней. Было решено, что для своих экспериментов она будет пользоваться исключительно застекленным деревянным сараем, который до этого служил складом и машинным отделением. Там не было отопления кроме старой плиты, которая наполняла все сажей, так что сарай был холодильником зимой и духовкой летом. Поскольку среди оборудования не было вытяжки или механизмов подачи воздуха, химические опыты, требующие вентиляции, приходилось проводить в прилегающем дворе. Мария и Пьер не могли надеяться на что-то лучшее, но у них было самое необходимое для развития их проекта — твердое решение осуществить его.
Задача была сложной, поскольку токи были чрезвычайно малы, из-за чего Мария искала более точные приборы, чем электрометр, использованный Беккерелем. Однако в ее распоряжении были весы из пьезоэлектрического кварца, сконструированные Пьером и его братом Жаком, которые основывались на пьезоэлектрическом эффекте, открытом ими в 1880 году. Мария с помощью Пьера придумала и сконструировала прибор, состоящий из этих весов, квадрантного электрометра и ионизационной камеры, подсоединенной к батарее. Схема устройства показана на рисунке.
Радиоактивное вещество помещалось в ионизационную камеру, где испускаемые им лучи ионизировали воздух, затем ионы перемещались, притягиваемые к полюсам батареи, которая была подсоединена к камере, и генерировали в ней ток. Это отклоняло стрелку электрометра. Мария компенсировала заряд электрометра зарядом, который давал пьезоэлектрический кварц при деформации под весом гирек на весах. Активность каждого вещества определялась измерением с помощью хронометра времени, которое требовалось для осуществления «насыщения», то есть ситуации, когда по воздуху не передавался заряд. Марии приходилось часами определять время, которое необходимо каждому веществу для насыщения, добавляя или убирая гирьки, пока стрелка электрометра не возвращалась в свое начальное положение. Можно сказать, что Мария «взвешивала» радиоактивность.
Эта процедура была довольно сложной, хотя Мария и говорила, что делала все автоматически. Как рассказывала ее внучка Элен Ланжевен-Жолио, в конце XX века никто в лаборатории Кюри не умел пользоваться прибором, созданным ее бабушкой (который сейчас находится в Музее Кюри). Однако с помощью первого экземпляра, собранного из выброшенных материалов, Мария провела тысячи измерений интенсивности урановых лучей. Фотографии, на которых Мария сидит за столом в лаборатории и смотрит через маленький визир, демонстрируют использование этого прибора. С его помощью она выяснила, какие вещества испускают урановые лучи, и измерила с высокой точностью их интенсивность, зафиксировав чрезвычайно маленькие токи, до десяти триллионных ампера (0,00000000001 А = 10-11 А). Чтобы понять идею слабости таких токов, вспомним, например, что маломощные электробытовые приборы, такие как электробритва, работают при силе тока в 0,5–1 ампер.
«Когда я формулировала гипотезу о причинах этого, мне пришло в голову только одно объяснение: должно быть, в этих минералах содержится какое-то неизвестное очень активное вещество. Мой муж согласился, так что я убедила его искать это гипотетическое вещество вместе, поскольку если сложить усилия, можно было получить результаты раньше».
Несмотря на их простоту, изучение так называемых «дневников открытия» очень интересно. Одну из лучших расшифровок сделала дочь Марии, Ирен, которая прекрасно понимала записи своей матери, поскольку они много лет работали вместе в лаборатории. Дневники являются неопровержимым доказательством опасности лаборатории, в которой трудились супруги Кюри: они до сих пор настолько радиоактивны, что с ними нельзя работать без защиты. Еще одна вещь, которая становится понятной из их изучения, — это то, что Мария и Пьер работали в команде, так что в их самое плодотворное время нельзя сказать, какие эксперименты ставил один, а какие — другой; они оба делали все, работали как один человек с двумя головами и четырьмя руками. На иллюстрации можно увидеть одну страницу из лабораторных дневников четы Кюри, датированную 22 апреля 1902 года; в верхней части, написанной Пьером, показано измерение атомной массы радия = 223,3 (в итоге они предложили значение 225), в то время как в нижней части появляются заметки Марии, в которых указана масса хлорида серебра, полученная с помощью осаждения хлорида. На основе этих данных и была определена атомная масса радия исходя из формулы RaCl2.
Новое радиоактивное вещество все еще имеет значительное содержание бария; несмотря на это, его радиоактивность значительна. Должно быть, радиоактивность чистого радия огромна. Сорайя Будиа, «Мария Кюри и ее лаборатория»
Изотопы углерода с массовым числом 12 и 13 наиболее распространены и не подвержены процессам радиоактивного распада (это понятие будет детально проанализировано в следующей главе). Есть еще один изотоп, куда более редкий, углерод-14 (14С), природная распространенность которого равна 0,00000000012%. Он образуется в процессе столкновения вторичных нейтронов космических лучей с атмосферным азотом
и подвергается процессу спонтанного распада, испуская Р-частицу и антинейтрино (необнаружимое во всех отношениях):
Поскольку реакции образования и распада происходят непрерывно, существует равновесие, проявляющееся в том, что пропорция 14С в атмосфере приблизительно постоянна. Растения получают 14С из СO2 в атмосфере через фотосинтез, затем он переходит к травоядным животным, а от них — к хищникам. Поэтому во всех живых существах поддерживается постоянная пропорция 14С. Пока животное или растение живет, происходит около 15,3 распада в минуту на грамм углерода. После смерти 14С продолжает распадаться, всегда с одной и той же скоростью, уменьшая свою пропорцию относительно общего содержания углерода. Через тысячи лет, измерив пропорцию 14С, можно узнать, когда умерло животное или растение. Например, измерив количество углерода-14, содержащегося в египетской мумии, можно определить, когда умер мумифицированный человек. Период полураспада 14С — приблизительно 5700 лет, поэтому он используется при работе с древними органическими объектами, возраст которых достигает 50 000 лет. Недостаточно древние относительно периода полураспада 14С объекты не имеют заметного уменьшения начальной концентрации, в то время как объекты, древность которых выше десяти периодов полураспада, содержат слишком низкую пропорцию, что в обоих случаях выливается в большую погрешность.
«В то время мы были полностью погружены в новую атмосферу, которая была вызвана таким неожиданным открытием. Несмотря на помехи наших рабочих условий, мы были счастливы. […] Иногда, вечером, после ужина, мы возвращались в ангар, чтобы окинуть взглядом наши владения. Драгоценные результаты нашей работы, которые мы не могли уберечь от непогоды, лежали готовые на столах и верстаках; со всех сторон в тусклом свете был виден их силуэт; эти блики в темноте наполняли нас радостью».Процесс сепарации для отделения урана из минерала, который проводился в шахтах, состоял в том, чтобы толочь настуран до получения пыли, которая смешивалась с карбонатом натрия и «жарилась», то есть подогревалась на воздухе. На эту твердую смесь воздействовали раствором серной кислоты, чтобы на жидкой стадии получить сульфат уранила и натрия, то есть необходимую часть минерала. Нерастворимый коричневый осадок отделяли и выбрасывали в ближайший сосновый лес. Именно этот материал поступил во двор Школы промышленной физики и химии в Париже. Мария начала кипятить эту коричневую пыль в растворе, в котором содержался карбонат натрия, где растворялись карбонаты алюминия, свинца, кальция и натрия, и оставался осадок, содержащий карбонаты и сульфаты щелочноземельных металлов и радиоактивных элементов. На этот осадок воздействовали соляной кислотой, которая отделяла растворимые хлориды, оставляя осадок из нерастворимых сульфатов, среди которых был сульфат радия. К этому раствору, содержавшему хлориды, добавляли сероводород, что давало осадок сульфидов, среди которых был, в свою очередь, сульфид полония. В раствор, оставшийся после осаждения сульфидов, добавляли аммиак, чтобы сделать его более основным (увеличить уровень pH), благодаря чему осаждались нерастворимые гидроксиды. Через некоторое время в этих гидроксидах нашли новый радиоактивный элемент, актиний. С каждой тонны отходов настурана, полученных из Йоахимсталя, Мария получила от 10 до 20 кг щелочноземельных сульфатов, которые включали немного сульфата радия. В осадке сульфатов повторялся процесс образования карбонатов, хлоридов, сульфидов и гидроксидов и получался раствор хлорида кальция, который отделяли, и осадок хлорида бария, содержащий небольшое количество хлорида радия. Поскольку барий и радий имеют очень сходные химические свойства, единственным способом разделить их была фракционная кристаллизация. Чтобы осуществить ее, нужно было нагреть до кипения осадок, в котором содержалась смесь двух хлоридов в точном количестве дистиллированной воды, необходимом для их растворения. При медленном охлаждении этого раствора сначала осаждались «красивые кристаллы» хлорида радия, как писала Мария в своей диссертации, поскольку хлорид радия немного менее растворим, чем хлорид бария. Этот процесс был более чем деликатным, поскольку сразу же начинал выпадать в осадок хлорид бария, и до этого нужно было отделить крошечные кристаллы хлорида радия.
Спонтанность луча — это загадка. Каков источник энергии лучей Беккереля? Следует ли искать его в радиоактивных телах или во внешней среде? Пьер Радваньи, «Чета Кюри»
К середине 1899 года стало ясно, что извлечение радиоактивных элементов, особенно первая часть работы с остатками минерала, выше сил одного человека, поэтому Пьер попросил помощи у Центрального общества химических продуктов. С тех пор первичная обработка минерала, который тоннами поступал из Богемии, производилась на одной из фабрик этого общества. Андре Дебьерн, бывший ученик Пьера в Школе промышленной физики и химии, а к тому времени преподаватель, ответственный за химическую лабораторию в Сорбонне, начал сотрудничать с четой Кюри. Первое, что сделал Дебьерн, — приспособил к промышленному масштабу метод обработки для извлечения радия из остатков настурана, который придумала и реализовала Мария в лаборатории; это было начало долгого сотрудничества с промышленностью. В том виде, как Мария понимала науку, не было разделения между базовым и прикладным исследованиями, а только между частным и государственным. Она поддерживала развитие исследований на высоком уровне, с государственным финансированием, что вполне могло пригодиться в промышленности.
Одной из вещей, которые интересовали Анри Беккереля с тех пор, как он открыл радиоактивность, было происхождение ее энергии. Семейная научная традиция и полученные знания в области термодинамики заставляли Беккереля думать, что речь идет о процессе очень длительной фосфоресценции, хотя ни один из его экспериментов не подтвердил этой гипотезы. Пьер Кюри, который измерил тепло, испускаемое радием, также подумал о разновидности фосфоресценции, при которой источником энергии был не солнечный свет, а необнаружимые космические лучи, которые могли улавливать только уран и торий. Хотя все эксперименты, которые они осуществили, намекали на это, ни один из этих исследователей не был способен представить себе, что источник энергии находится внутри атома. Ключ дал Эйнштейн в 1906 году, установив равносильность между массой и энергией. Источник энергии, выделяемой в радиоактивных процессах, находится в мельчайших частицах массы, которые «теряются» во время ядерных реакций, хотя на самом деле они трансформируются в энергию согласно самому знаменитому уравнению в истории, Е = тс2, где Е — энергия, т — «потерянная» (а в действительности трансформированная) масса, а с — скорость света. Поскольку эта скорость так высока (300 000 км/с), хотя величина потерянной массы очень мала (порядка одной десятитысячной от массы атома водорода), высвобождаемая энергия невероятно велика, в миллионы раз выше, чем от любой химической реакции.
Мария создала новую науку на границе между физикой и химией, назвав ее радиоактивностью. Исследования Эрнеста Резерфорда пролили больше света на это явление, в то время как Пьер изучал его применение в медицинских целях, а Мария готовила свою докторскую диссертацию. В 1903 году супруги совместно с Анри Беккерелем получили Нобелевскую премию по физике, но через три года Пьер погиб, из-за чего Мария погрузилась в глубокую депрессию.В последний год XIX века Мария и Пьер были не единственными, кто задавался вопросом о причинах радиоактивности. Благодаря открытию полония и радия другие ученые начали исследовать то, что уже было новой научной сферой. Радиоактивность стала модной темой, и группа ученых вслепую работала в этом новом мире, где прописные истины прошлого, такие как неделимость атома, рушились. В порыве щедрости супруги Кюри продолжали поставлять многим исследователям, с которыми они конкурировали, соединения радия, полученные Марией с таким трудом. Другие ученые, например немец Фридрих Оскар Гизель, повторили метод, разработанный и описанный Марией, и установили плодотворные отношения с промышленностью. Несмотря на то что лаборатория Кюри являлась источником соединений радия и стала широко известной среди всех европейских лабораторий, даже тех, в которых не изучалась радиоактивность, она была среди наименее обеспеченных с точки зрения оборудования и персонала. Так, например, когда русско-немецкому химику Вильгельму Оствальду, который получил Нобелевскую премию по химии в 1909 году, показали лабораторию Кюри в их отсутствие, он не мог поверить, что в этом сарае, «смеси подвала, склада картошки и конюшни», Мария открыла два новых химических элемента, ничего не взяв за свою работу.
Когда король Георг V присвоил Эрнесту Резерфорду (1871–1937) дворянский титул (барон Нельсон) и назвал его самым блестящим ученым, которого дали колонии, тот уже совершил часть самых важных открытий в области радиоактивности: определил природу радиоактивных процессов, разработал прибор для их количественной оценки, определил радиоактивные ряды и на их основе придумал процесс определения возраста Земли, открыл существование ядра в центре атома, произвел первое превращение одного атома в другой… А открытия, которые он не совершил, сделали его ученики на подготовленной им базе. Тот, кого многие определили как «самого великого экспериментатора после Фарадея», был также отличным учителем гениев, поскольку у него была необычная способность привлекать блестящих и творческих людей, давать им пространство и стимул, которые были нужны, чтобы каждый из них выдал лучшее, что мог. При этом во многих случаях речь шла о крайне сложных личностях, таких как химик Содди со своими странными экономическими теориями; избалованный Мозли, блестящая карьера которого была прервана Первой мировой войной; мрачный Чедвик, страдавший от публичных выступлений; саркастичный Болтвуд, открытый враг Марии Кюри, который в итоге покончил жизнь самоубийством, но до этого определил возраст Земли; молодой немец с поразительной работоспособностью Ханс Гейгер, когда он еще не проявлял своих нацистских наклонностей; датчанин Нильс Бор, предложивший в диссертации модель атома, на которой основывается вся химия; немцы Фаянс и Ган; англичане Кокрофт, Уолтон и Эплтон, построившие первый ускоритель частиц… Со всеми ними Резерфорд поддерживал отличные отношения, полные привязанности и уважения к ученикам со стороны преподавателя, которого они ласково называли Крокодилом.
Существует три главных типа спонтанного радиоактивного распада. Первые два были предложены Резерфордом в 1899 году, когда он закончил диссертацию в Кембридже; третий — Вилларом, в Париже, через год. 1. α-лучи. Они образованы относительно тяжелыми частицами (состоят из двух нейтронов и двух протонов, то есть это ядра гелия), заряженными положительно. Они отклоняются электрическими и магнитными полями и сильно ионизированы, что делает их менее проникающими.
2. β, β—-лучи. Этот тип распада имеет место, когда нейтрон из ядра трансформируется в протон, испуская электрон. Они отклоняются магнитными полями, и их ионизирующая способность не так высока, как у α-частиц, что делает их более проникающими. Менее распространенный тип β-радиоактивности — β+, при котором протон трансформируется в нейтрон, испуская позитрон; из-за своего характера он распадается сразу после реакции с электроном окружающей материи, что порождаету-лучи в противоположном направлении (на этом основана позитронно-эмиссионная томография). 3. γ-лучи. Это электромагнитные волны, испускаемые нестабильными ядрами. Это самое проникающее излучение, которое останавливается только толстыми слоями свинца или бетона.
«В естественных минералах, содержащих эти радиоэлементы, эти превращения, должно быть, происходили постоянно в течение долгих периодов, поэтому конечные продукты всегда находятся в природе как постоянные спутники радиоэлементов. Гелий, возможно, — один из этих продуктов. […] Выделение заряженной частицы является основой для превращения. […] Во время радиоактивного превращения происходит распад атома».
Существует три естественных радиоактивных ряда, исходные изотопы которых — уран-238, уран-235 и торий-232. Мария работала в основном с первым, а Резерфорд — с третьим. Во всех трех случаях конечный стабильный элемент — это изотоп свинца. Периоды полураспада первых элементов рядов и их соответствующая распространенность следующие: U-238 (99,27%) = 4,47 х 109 лет; U-235 (0,72%) = 7,1 х 108 лет; Th-232 (100%) = 232 х 108 лет. Радий-226 — один из членов первого ряда, а полоний-210 — предпоследний член этого ряда, который распадается, порождая свинец-206. Пропорции различных элементов ряда остаются с течением времени приблизительно постоянными. Отношение между концентрациями родительского элемента и дочерних элементов обратно пропорционально периодам полураспада. Эти пропорции можно использовать как часы для различных временных шкал, например они пригодились для определения возраста Земли. На прилагающемся графике в качестве примера показан радиоактивный ряд урана-238, конечный элемент которого — стабильный изотоп свинца-206. На горизонтальной оси показан атомный номер, Z (число протонов ядра), на вертикальной — массовое число, А (число протонов плюс нейтронов ядра), a-излучения показаны белыми стрелками, р — черными. Рядом с каждой белой стрелкой указано время полураспада в годах, днях, минутах или секундах. Наименьший период у полония-214, равный 200 микросекундам (200 х 10–6 секунд). Наибольший — у урана-238, 4500 миллионов лет. На вертикальных линиях фигурирует один и тот же элемент (с одним и тем же атомным номером), в то время как на горизонтальных линиях появляются изотопы различных элементов с одним и тем же массовым числом.
Таким образом, значения t1/2 могли варьироваться от долей секунды до миллионов лет, и никакие обстоятельства не могли их изменить. При первой оценке было определено, что этот период для радия равен 1300 годам, а для полония — чуть больше 143 дней. Оба значения были затем исправлены, окончательные данные — 1600 лет и 138 дней. В таблице, составленной Резерфордом и Содди, исследователи разделили вещества одной из радиоактивных семей на группы: с одной стороны были радий и эманация, с другой — три вещества, которые являлись радиоактивными отложениями быстрого изменения (их периоды полураспада измеряются в минутах), в третью группу они включили другие три вещества так называемого медленного изменения (их период полураспада мог достигать нескольких дней или лет).
Итак, t1/2 превратилось в один из главных инструментов для определения радиоактивного элемента, или радиоэлемента. Этот закон породил множество применений в таких областях, как археология (здесь стоит вспомнить метод датирования объектов с помощью определения концентрации 14С) или геология, где открытие позволило точно определить возраст Земли.
| Радиоядро/изотоп | Период полураспада | Излучение |
| Уран-238 | 4468 миллионов лет | α |
| Радий-226 | 1600 лет | α |
| Полоний-210 | 138,38 дня | α |
| Эманация радия = радон-222 | 3,82 дня | α |
| Эманация тория торон = радон-220 | 55,6 секунды | α |
Публичное признание, которое получила Мария Кюри, во многом было вызвано тем, что открытый ею радий с самого начала ассоциировался с чудесным средством для лечения всех недугов. Хотя это первое впечатление было явно ошибочным, невозможно назвать число людей, которые воспользовались радиотерапией в течение более 100 лет ее применения. Логично, что современные методы имеют мало общего с теми, что использовались сразу после открытия. Однако следует помнить, что вклад Марии и Пьера был принципиальным: они открыли новое средство для исцеления от болезни, против которой тогда не было лекарств, — рака. Радий — это естественный источник радиации, который использовался, пока не появились альтернативы. Главная проблема радия-226, наиболее распространенного изотопа естественного радия, в том, что прежде чем испускать требуемые γ-лучи, он испускает совсем не полезные а-частицы, превращаясь в радий-222, возбужденную форму, которая и испускает γ-излучение. Открытие Ирен Кюри и Фредериком Жолио-Кюри искусственной радиоактивности в 1935 году позволило получить более «чистые» γ-излучатели. Выбранным веществом был кобальт-60 (который является продуктом деления, полученным в ядерном реакторе, — знаменитые кобальтовые «бомбы» используются до сих пор), поскольку он намного легче радия и обеспечивает (3-радиоактивность, куда менее вредную, чем а-радиоактивность. В 1930-х годах думали, что было бы еще лучше пользоваться другими источниками γ-излучения, такими как ускорители частиц, энергия которых может быть избирательной и работу которых можно остановить, когда исчезает необходимость в их использовании. Поэтому уже более 20 лет в отделениях радиотерапии больниц пользуются ускорителями электронов, которые производят фотоны, когда тормозятся о кусок металла, обычно вольфрама.
Бомбы в Хиросиме и Нагасаки и различные мировые катастрофы прочно связали ядерную энергию со смертью. Однако на ее счету очень мало смертей, особенно в сравнении с другими источниками энергии, такими как ископаемое топливо, из-за которого люди гибли и гибнут тысячами в дорожных авариях и во время пожаров в нефтехранилищах и на заводах по переработке нефти. Однако один из самых известных случаев смерти был связан с радиоактивным элементом, полонием-210. Речь идет о гибели в Лондоне бывшего российского подполковника госбезопасности Александра Литвиненко. Его агония в ноябре 2006 года длилась почти три недели, и все видели, как молодой мужчина стареет, усыхает и в конце концов умирает. Полоний (а именно его изотоп, массовое число которого А = 210), найденный Марией Кюри, — это последний элемент ряда уран-238. Из-за короткого периода полураспада (всего 138 дней) его концентрация в настуране очень мала. Дочь Марии, Ирен, также исследовала элемент, и, возможно, именно он стал причиной лейкемии, от которой умерли они обе. Но, в отличие от Литвиненко, исследовательницы после опасного контакта жили еще много лет. Дело в том, что Литвиненко выпил полоний вместе с чаем в ресторане в гостинице «Миллениум» в Лондоне. Кто обработал тонны настурана, необходимые для его получения? Очень вероятно, что яд был специально приготовлен в ядерном реакторе с помощью бомбардировки висмута-209, стабильного изотопа, нейтронами высокой энергии, порождающими висмут-210, который, в свою очередь, спонтанно распадается, испуская β-частицу и производя полоний-210. Реакция синтеза следующая:
а реакция распада:
α-частицы атаковали волосяные фолликулы, слизистую кишечника, почки и печень Литвиненко, но смерть наступила, когда был разрушен костный мозг. Кто мог быть так заинтересован в смерти Александра, что готов был заплатить от 1 до 10 миллионов долларов за полоний, который его убил?
Что значит имя? Роза пахнет розой, хоть розой назови ее, хоть нет.Но у полония, без сомнения, было что-то от радиотеллура, поскольку, как мы уже сказали, теллур и полоний входят в одну группу периодической таблицы. С тех пор было принято, что период полураспада — это подходящий показатель для идентификации радиоэлемента.
«Наши исследования о новых радиоактивных веществах породили отдельное научное движение и стали отправной точкой для многочисленных работ, связанных с исследованием этих веществ и изучением лучей, испускаемых известными радиоактивными веществами».На публичной защите диссертации и в первом варианте работы Мария не сосредотачивалась ни на одной из известных теорий объяснения радиоактивности, но в переиздании от 1904 года она добавила теорию Эрнеста Резерфорда об атомном распаде. Любопытно, что новозеландский ученый с супругой в день защиты диссертации Марии находились в Париже. Именно в этот день ему в руки попало приглашение Марии посетить ее лабораторию, отправленное несколько месяцев назад в открытке. Открытка побывала в лабораториях почти всего мира, прежде чем догнала ученого. Когда Резерфорд пришел в лабораторию, Марии, естественно, там не было. Восхитившись тем, как исследовательница могла работать в таких спартанских условиях, Резерфорд и его супруга присоединились к праздничному ужину в доме физика Поля Ланжевена по случаю успешной защиты диссертации. Ланжевен был учеником Пьера в Школе промышленной физики и химии и партнером Резерфорда в Кавендише под руководством Дж. Дж. Томсона. Резерфорд был очень благодарен Марии за присланный образец радия, который был намного активнее, чем его образцы тория, и это позволило внести ясность в поведение различных типов лучей в магнитных полях. Кроме того, в противоположность большинству своих коллег, Резерфорд совершенно не сомневался в интеллектуальных способностях женщин. Иначе не могло и быть, ведь ученый был зятем одной из суфражисток, которые в Новой Зеландии, первыми в мире, добились для женщин избирательного права. Резерфорд высоко ценил работу Марии, его не отталкивали ни ее суровая манера поведения, ни манера одеваться. Неудивительно, что с самого начала между учеными возникла дружба, которая помогала Марии справиться со всеми столкновениями, которые происходили у нее с ближайшим окружением Резерфорда, особенно с химиком Болтвудом. У всех присутствующих остались приятные воспоминания о вечере, который завершился обычным для Пьера финалом — демонстрацией раствора радия в темноте. Все также обратили внимание на его распухшие и покрасневшие пальцы, которые едва могли удерживать пробирку, — именно из-за этих дрожащих пальцев несколькими днями ранее он и пролил часть содержимого емкости в Королевском институте в Лондоне. Конец лета был совсем не таким приятным, каким должен был быть после защиты диссертации, потому что здоровье Пьера и Марии было сильно подорвано. В довершение всего или, возможно, вследствие этого недомогания в августе 1903 года после изматывающего велосипедного путешествия Мария на пятом месяце беременности родила девочку, которая, естественно, не выжила. Исследовательница поехала из Парижа в соседнюю деревню, чтобы найти место, где они с Пьером и Ирен провели бы летние каникулы. Эта велосипедная поездка стала просто последней каплей — Мария плохо себя чувствовала с первых месяцев беременности и все это время продолжала работать с концентрированными растворами полония и радия и регулярно получала дозы радиации, опасные для любого человека, а не только для женщины в положении. Вполне возможно, что у исследовательницы была анемия и другие гематологические заболевания. Мария была страстной сторонницей упражнений на свежем воздухе в качестве лекарства от всех недугов, поэтому планировала отпуск в деревне. В целом это был неплохой вариант, поскольку позволил бы ей сделать перерыв в экспериментах, но чрезмерные усилия оказались фатальными для беременности. Преждевременные роды очень сильно повлияли на Марию как физически, так и психологически, так что после этого она несколько месяцев провела вдали от лаборатории, испытывая нехватку сил. Когда в ноябре этого года супруги получили ценную медаль Дэви, вручаемую британским Королевским обществом, Мария не смогла поехать за ней вместе с Пьером.
«Мне бы хотелось, чтобы мои труды в области исследования радиоактивных тел рассматривали вместе с деятельностью госпожи Кюри. Действительно, именно ее работа определила открытие новых веществ, и ее вклад в это открытие огромен (также она определила атомную массу радия)».При вручении премии возник еще один спорный вопрос: к какой дисциплине относятся работы о радиоактивных телах — физике или химии? Пьер и Анри были физиками, но работа, которую провела Мария, лежала в основном в области химии. Кроме того, совершенные открытия вносили изменения в чисто химические понятия о природе и стабильности элементов. В конце концов, им вручили премию по физике, хотя Академия не исключала вручение в будущем еще одной премии, в области химии. Награду вручал король Швеции. На торжественном мероприятии присутствовал только Анри Беккерель — супруги Кюри, не склонные к пышным церемониям, сослались на занятость. Академических задач перед ними стояло действительно много, но главной причиной отсутствия Кюри в Стокгольме были проблемы со здоровьем. Пьер страдал от болей в руках и ногах, которые стали такими сильными, что ему было сложно одеваться. Любопытно, что для их смягчения он принимал стрихнин, который, как мы сегодня знаем, является сильным ядом. Мария в это время еще не восстановилась после преждевременных родов. Однако, хотя Мария и Пьер не поехали в Стокгольм, они произвели фурор во Франции. Беккерель был признанным ученым, а вот молодая пара, которая вела суровую спартанскую жизнь и работала в очень тяжелых условиях, далеких от пышности старинных академических учреждений Франции, была чем-то необычным. Если до этого о Кюри даже в академической среде мало кто знал, то теперь они превратились в кумиров прессы, в модную пару, у которой все хотели взять интервью и о которой желали знать все. Этот ужасный взрыв популярности необратимо изменил жизнь супругов. К тому же общество начало иначе воспринимать эту научную награду, которая до сих пор обсуждалась только среди ученых, но не привлекала внимание публики, больше интересующейся Нобелевскими премиями в области литературы и сохранения мира. Общественное значение Нобелевских премий в научной сфере делится на периоды до и после награждения четы Кюри. Хотя Мария и Пьер с горечью жаловались на «потерянный» год и на вторжение в личную жизнь, награждение имело и приятные последствия, например в виде новой должности для каждого из них и достойной лаборатории для обоих. Признание их работы престижным иностранным учреждением, которое находилось под покровительством самого короля Швеции, говорило о необычайном ее качестве. С другой стороны, появившиеся в прессе многочисленные фотографии сарая, в котором Кюри проводили большую часть своих экспериментов, говорили об отношении к ним во Франции. Журналист Альфонс Берже, как говорит Сорайя Будиа в своем произведении, посвященном чете Кюри, утверждал: «Для нас, французов, вручение Нобелевской премии чете Кюри — одновременно слава и стыд».
Ева, вторая дочь Марии и Пьера, была первым и самым страстным биографом своей матери, настоящей создательницей мифа мадам Кюри. Она прожила достаточно долгую жизнь и присутствовала в качестве почетной гостьи президента Франции Франсуа Миттерана и президента Польши Леха Валенсы при торжественном акте переноса останков ее родителей во французский Пантеон в 1995 году. Ева умерла в возрасте 102 лет, достигнув успеха как пианистка, писательница, журналистка и филантроп. Так сложились обстоятельства, что все ее самые близкие родственники получили Нобелевские премии: ее родители — по физике, мать — еще одну по химии, сестра и зять — по химии, а ее муж, Генри Ричардсон Лабуасс, — премию мира от имени ЮНИСЕФ, организации, которую он возглавлял с 1965 по 1979 год. Несколько раз Ева шутила, что она — позор семьи, поскольку единственная не получила Нобелевскую премию. В годы замужества за Лабуассом Ева активно участвовала в деятельности ЮНИСЕФ.
Дорогой Пьер, я никогда больше не увижу тебя здесь, я хочу разговаривать с тобой в тишине этой лаборатории. Никогда не думала, что мне придется жить без тебя. Мария Кюри, дневник, 1906–1907
После смерти Пьера Мария продолжила исследования, хотя ее научная деятельность сильно изменилась в 1911 году после скандала с Ланжевеном — грубой атаки со стороны недавно появившейся желтой прессы. В том же году Кюри получила вторую Нобелевскую премию, а когда разразилась Первая мировая война, Мария защищала страну, объезжая фронт с рентгеновским оборудованием.Жизнь продолжалась, и Мария не могла остаться в стороне. Ей нужно было вести уроки в Сорбонне, работать в лаборатории, организовывать исследования, а также искать финансирование для обеспечения будущего. И конечно, она не должна была забывать о девочках. Мария сделала все, что могла, и это было намного больше, чем можно было ожидать даже от такого активного человека. Но ситуации, с которыми ей пришлось столкнуться, были по силам далеко не всем. Марии удалось преодолеть все трудности, пожертвовав временем, энергией и здоровьем, которые так необходимы были, чтобы ответить на научные вызовы. Через некоторое время после смерти Пьера, в августе 1906 года, лорд Кельвин сделал в газете «Таймс» несколько заявлений, в которых поставил под сомнение существование радия. Это заявление потрясло все лаборатории, где изучалась радиоактивность, но особенно лабораторию Марии, которая потратила всю свою энергию на получение образца радия с помощью Андре Дебьерна. В 1910 году с помощью электролиза они получили белое блестящее твердое вещество, содержащее в основном RaCl2, следуя процессу, похожему на тот, что использовал Марквальд, а затем — Мария для получения полония. После окончания этой изнурительной работы обнаружилось, что Мария — единственный французский ученый, награжденный Нобелевской премией, но не являющийся членом Академии наук, и коллеги попросили ее представить свою кандидатуру. Однако Кюри была не единственным кандидатом на вакантное место, с ней соперничал Эдуард Бранли (1844–1940) — достаточно авторитетный ученый. Оба они в глазах коллег имели и достоинства, и недостатки. Например, минусом Марии стало не «полностью» французское происхождение, а кроме того, некоторые академики подозревали, что она в науке была лишь тенью мужа. Бранли, в свою очередь, обвиняли в предательстве государственных французских учреждений, поскольку он оставил Сорбонну, чтобы занять кафедру в Парижском католическом институте — частном учебном заведении. Итак, Бранли представлял религиозный сектор, и его поддерживала самая консервативная часть академии. За Марию стояла более прогрессивная и динамичная часть ученых, которые хотели реформировать это классическое учреждение, хотя сам тот факт, что женщина без мужа хочет получить воздаяние за свои заслуги, возмущал как консерваторов, так и прогрессистов. Благодаря известности, которую Нобелевская премия и смерть Пьера принесли Марии, спор вышел за рамки академических кругов и занял первые страницы газет. И та же самая пресса, которая совсем недавно восхищалась научными открытиями молодой пары, работавшей в стесненных условиях, и оплакивала вместе с Марией смерть Пьера, была довольно агрессивна по отношению к вдове, которая хотела большего. Выборы состоялись в 1911 году, и Мария проиграла два голоса. Это было плохое начало года, который и закончился так же катастрофически. Одним из самых негативных эффектов отказа, который пережила Мария, стало то, что она сильно ограничила свои связи с другими членами академии. Также она перестала отправлять статьи в журнал «Труды Академии наук», куда французские ученые представляли свои работы для быстрой публикации.
Поль Ланжевен (1872–1946) родился в Париже в бедной семье. Пьер Кюри был его преподавателем в Школе промышленной физики и химии и человеком, который повлиял на его карьеру. Другие наставники ученого, Анри Пуанкаре и Марсель Бриллюэн, называли его великим физикомтеоретиком, особенно одаренным в математике, который, кроме того, внес значительный вклад в экспериментальную физику. Ланжевен известен своей теорией о диамагнетизме и парамагнетизме — явлениях, которые Пьер Кюри изучал экспериментально. Он разработал свою теорию с учетом электродинамики движения электронов, ориентации их магнитных импульсов и беспорядочного теплового движения и объяснил, что диамагнетизм (слабое намагничивание в направлении, противоположном магнитному полю) происходит из-за действия индукции, приводящего к добавочному движению электронов атомов, в то время как парамагнетизм (слабое намагничивание в направлении магнитного поля) — из-за ориентации импульсов спина электронов, компенсируемых полностью или частично тепловым возбуждением. Ланжевен также предложил применение еще одному явлению, изученному Пьером, — пьезоэлектричеству: его можно было использовать как сонар, для обнаружения акустических сигналов подводных лодок. Ланжевен был активным популяризатором теории относительности и предложил отношение эквивалентности между массой и энергией, подобное формуле Эйнштейна Е=тс2, за несколько месяцев до ее публикации в 1906 году. Также ученый был одним из главных распространителей квантовой теории Планка на своей кафедре в Сорбонне, где был известен тем, что умел доступно и точно объяснять самые сложные понятия. Он никогда не избегал общественной деятельности, так что в возрасте немногим более 20 лет подписал манифест в поддержку Альфреда Дрейфуса и в возрасте почти 70 лет был заключен в тюрьму за оппозицию нацистской оккупации. Внук Ланжевена, Мишель, женился на внучке Марии Кюри, Элен Жолио-Кюри.
«Позиция, которую Вы мне рекомендуете, кажется мне грубой ошибкой с моей стороны. Действительно, премия была мне присуждена за открытие радия и полония. Я считаю, что нет никакой связи между моей научной работой и фактами моей частной жизни, которые хотят повернуть против меня в низкопробных публикациях, где они, к слову, полностью искажены. Для начала, я не могу принять тот факт, что на оценку чьей-то научной работы могут повлиять злословие и клевета, связанные с его личной жизнью. Я убеждена, что это мнение разделяют многие люди. Мне очень жаль, что Вы сами так не думаете».Мария в сопровождении своей дочери Ирен, которой тогда было 14 лет, 11 декабря поехала в Стокгольм получать премию и на следующий день прочитала презентационную лекцию. В ней она воздала должное Пьеру, но также рассказала о своем собственном вкладе в открытие и отделение тех двух элементов, за которые ей присудили премию. Она отдельно упомянула работы Резерфорда и признала великолепие его теории об атомном распаде, которую тот сформулировал вместе с Содди. Предвосхищая будущее, она заметила, что из радиоактивности возникла новая химия, которая основывается на использовании не весов, а электрометра. До того времени характерным свойством, по которому можно было идентифицировать химический элемент, была атомная масса, поэтому Мария посвятила долгие годы работы определению атомной массы радия. Ядерная модель атома, которую недавно предложил Резерфорд, и последующее открытие изотопов доказывали некорректность этого определения. Химики продолжили пользоваться весами, но атомная масса теперь стала только одним из свойств химических элементов, а не тем уникальным показателем, благодаря которому элементы можно было безошибочно идентифицировать. Мария вернулась во Францию без сил. Несмотря на глубокую депрессию, исследовательница попыталась продолжить работу, но у нее возникла серьезная почечная инфекция и другие осложнения, которые заставили сделать перерыв в экспериментах на год. Часть этого времени она лечилась; а потом она вдруг исчезла — Мария отправилась под своей девичьей фамилией в Англию и нашла там убежище в доме своей подруги — математика Герты Айртон, которая недавно стала вдовой профессора физики. Супруги Кюри познакомились с супругами Айртон во время поездки в Англию в 1903 году, незадолго до защиты диссертации Марии, и с тех пор хранили дружбу, которая в тяжелое для Марии время очень ей помогла. Отношения с Ланжевеном сохранились до смерти Марии, но уже в ином качестве. Они поддерживали и научное сотрудничество, и дружбу, но страсть, которая вернула Марии улыбку, умерла на дуэли между Тери и Полем. Похоже, Ланжевен через некоторое время помирился со своей женой, что не помешало ему сделать ярчайшую научную карьеру, за которую, что любопытно, ему так и не вручили Нобелевской премии. В Англии Мария наконец-то нашла покой и возродилась из пепла.
По настоянию Резерфорда Ханс Гейгер и Эрнест Марсден в 1909 году по ставили эксперимент, во время которого они бомбардировали тончайшую пластинку из золота толщиной в микрон (1 миллионная миллиметра, то, что ювелиры называют сусальным золотом) α-частицами из радиоактивного источника. Ученые обнаружили, что большинство частиц пронизывает пластинку, практически не испытывая отклонений; некоторые испытывали небольшие отклонения (более 99% частиц отклонялись на угол менее 3°), и, к их удивлению, одна из 10 тысяч частиц отклонялась под углом больше 90° (то есть рикошетировала). Это последнее наблюдение было абсолютно необъяснимым с помощью модели атома Томсона. Резерфорд предположил планетарную модель атома, в которой атом был практически пустым, и именно по этой причине большинство α-частиц не отклонялись от своей траектории при прохождении сквозь золотую пластинку. Рикошетировали те частицы, которые встречались с очень плотной положительно заряженной зоной, которую Резерфорд определил как атомное ядро. В ядре концентрировалась почти вся масса атома, а его радиус был в 10 тысяч раз меньше, чем радиус всего атома. В атоме электроны (отрицательно заряженные частицы с массой в тысячу раз меньше массы ядра) двигались по орбите вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца. Эта модель предполагала другую проблему, поскольку, согласно классической физике, электроны на круговой траектории должны были терять энергию (обладая противоположным зарядом, они должны были притягиваться ядром) и в итоге упасть на него. Эту проблему через некоторое время решил другой ученик Резерфорда, Нильс Бор.
«Я не думал, что α-частицы могут быть рассеяны на большой угол, потому что мы знали, что они тяжелые и обладают большой энергией. […] Помню, через два или три дня Гейгер пришел очень возбужденный и сказал, что они «обнаружили несколько отраженных α-частиц». Это был самый невероятный факт, который произошел в моей жизни. Настолько невероятный, как если бы при выстреле 15-дюймовым пушечным ядром в лист бумаги ядро бы срикошетило. Я понял, что это отражение, должно быть, является результатом уникального столкновения, и когда я сделал подсчеты, увидел: невозможно, чтобы имелось что-то величины такого порядка, если только речь идет не о системе, в которой большая часть массы сконцентрирована в крошечном ядре. Именно тогда мне пришла в голову идея об атоме с центром, массивным, крошечным и несущим заряд».Распределение заряда и массы атома, которое представил себе Резерфорд в 1911 году, очень похоже на то, что мы знаем сегодня. Атом практически пуст, положительный заряд и большая часть массы концентрируются в крошечном ядре, которое находится в центре, в то время как электроны движутся по орбите вокруг него, образуя что-то вроде облака. Если представить, что весь атом, размер которого определяется электронными облаками, имеет размер, равный футбольному полю, то это ядро было бы диаметром с жемчужину. Все химические реакции — это всего лишь модификации распределения электронов, наиболее удаленных от ядра, как движение зрителей на самых верхних ступенях стадиона. Но, как это происходит и во время матча, когда вся публика сконцентрирована на том, что совершается в центре поля, как бы высоко ни находилось место, так и в атоме мельчайшие движения электронов в оболочке определяются взаимодействием с положительным зарядом ядра. Противоречия планетарной модели атома Резерфорда, в которой электроны движутся по орбите вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца, были сняты одним из его учеников, Нильсом Бором. Этот датский физик, адаптировав квантовую гипотезу Планка, заявил в 1913 году, что электроны стабильны на своих орбитах и не испускают энергию, в противоположность предсказанному классической физикой для заряженной частицы в круговом движении. Постулаты Бора не только делали жизнеспособной планетарную модель Резерфорда, но и объясняли многие предыдущие данные, особенно атомные спектры. В трудах Шрёдингера и Гейзенберга в конце 1920-х годов в итоге появилась квантовая модель атома. Вместе с этим важным теоретическим результатом в лаборатории Манчестера имела место экспериментальная разработка внешне небольшого масштаба, которая, однако, имела чрезвычайное значение: Гейгер разработал прибор, позволявший считать а-частицы по одной. Его счетчик стал необходимым инструментом для всех лабораторий, в которых изучали и изучают радиоактивность.
Когда думают о средах, загрязненных радиоактивностью, очень часто вспоминают особый звук, напоминающий стрекотание, — он ассоциируется со счетчиком Гейгера, обнаруживающим α- и β-частицы, возникающие в ядерных реакциях. Счетчиком воспользовалась Мария Кюри, когда ее дочь Ирен принесла радиоактивный алюминий — первый продукт с искусственной радиоактивностью. Аппарат был разработан в 1908 году Резерфордом и Гейгером, одним из его сотрудников в Манчестере. Резерфорд использовал α-частицы как снаряды для определения природы радиоактивных процессов. Для их количественной оценки кто-то должен был считать следы, которые α-частицы оставляли на флуоресцентном экране из сульфида цинка. Лучшим в этой задаче был Ханс Гейгер, который мог считать их часами, не допуская ошибок. Однако немецкий физик придумал устройство, освободившее его от этой изнурительной работы, — так возник первый прототип счетчика Гейгера, который затем улучшил ученик физика, Мюллер. Аппарат состоит из работающей как катод металлической трубки, наполненной инертным газом, таким как аргон; внутри нее проволока, которая работает как анод. У трубки должно быть окно, сделанное из очень тонкой пластинки, которое позволяло бы проникать радиации, но мешало бы выходу газа, обычно оно изготавливается из слюды или ПЭТ. Когда ионизационная радиация (α- или β-частицы) воздействует на атом аргона, она забирает у него электрон, который из-за своего отрицательного заряда притягивается анодом, в то время как произведенный катион Ar+ притягивается катодом. Вследствие этого в счетчике создается небольшой ток, пропорциональный интенсивности радиации. Ток, порождаемый радиацией, вызывает ионизацию газа — тот же процесс Мария измеряла своими пьезоэлектрическими кварцевыми весами, но его количественная оценка намного проще.
Эти три закона были предложены Фредериком Содди и Казимиром Фаянсом независимо друг от друга в 1913 году. 1. Когда радиоактивный атом испускает α-частицу, массовое число получившегося атома (А) уменьшается на 4 единицы, а атомный номер (Z) — на 2. Например,
2. Когда радиоактивный атом испускает β-частицу, атомный номер (Z) увеличивается (β-) или уменьшается (β+) на единицу, а массовое число (А) остается постоянным. Например,
3. Когда возбужденное ядро испускает электромагнитную радиацию (γ), не меняются ни А, ни Z, происходит только потеря энергии. Сегодня известно, что α-частица — это ядро атома гелия (следовательно, ее символ — 42Не), в то время как частицы β и β+ — электроны и позитроны соответственно.
После того как стало известно о дифракции, обнаруженной фон Лауз и Брэггом, Генри Мозли (1887–1915) поехал в лабораторию Брэгга в Лидском университете, потому что хотел больше узнать о взаимодействии рентгеновских лучей с материей. Ознакомившись с источниками рентгеновских лучей, он исследовал их энергию, используя в качестве анодов все 73 химических элемента, известных к тому времени. Он обнаружил линейную связь между длиной волны испускаемых каждым элементом лучей и характерной величиной, которую Мозли определил как ядерный заряд. На основе этих значений он установил новый порядок элементов в периодической таблице, исправив исходный порядок Менделеева на основе значений атомной массы и предсказав существование еще не открытых элементов. Ход эксперимента Мозли схематично показан на рисунке, где приведена схема атома по модели Бора, которая, в свою очередь, основывается на модели Резерфорда: падающий фотон (верхняя волнистая линия) выбивает электрон (правая волнистая линия) из внутренних слоев электронной оболочки. Промежуток заполняется электроном из внешних слоев, который, в свою очередь, испускает другой фотон с энергией (левая волнистая линия), равной разнице между двумя этими уровнями. Каждый химический элемент испускает фотон с характерной энергией, пропорциональной числу протонов ядра. Энергия фотонов порождает флуоресцентные линии рентгеновских лучей, которые помогли Мозли определить атомный номер, Z. Этот процесс — основа одного из самых чувствительных методов недеструктивного химического анализа, флуоресценции рентгеновских лучей. Мозли провел первую часть своего исследования в лабораториях Резерфорда в Манчестере, а последнюю часть — в Кларендонской лаборатории в Оксфорде, где не было даже электрической сети и приходилось покрывать расходы самому. Официально он оставил Манчестер, чтобы вернуться к матери в Оксфорд, но самое главное — он хотел выйти из тени профессора и плеяды его блистательных учеников, которые могли затмить его собственную работу.
Я полна решимости отдать все свои силы на службу моей приемной стране, поскольку сейчас я ничего не могу сделать для моей несчастной родины. Письмо Марии Полю Ланжевену, январь 1915 года
Ирен вместе со своим мужем Фредериком Жолио-Кюри получила Нобелевскую премию по химии в 1935 году — тогда же, когда Чедвику вручили премию по физике за открытие нейтрона. Возможно, так было предназначено, что Ирен следовала во всем за своей матерью: там, где блистала ее мать, блистала и она. Фредерик получил членство в Академии из рук гордого учителя, Поля Ланжевена, в 1945 году. Однако Ирен, которая была его наставницей в лаборатории и разделила с ним Нобелевскую премию, никогда не была удостоена этой чести, хотя, в отличие от Марии, она пыталась получить ее вплоть до 1956 года, когда она умерла от лейкемии — так же, как и ее мать.
Битва науки — это битва разума с силами мракобесия, битва свободы духа с рабством невежества. Франсуа Миттеран, в речи, произнесенной на перезахоронении Марии и Пьера Кюри в Пантеоне
Но это не единственные реакции, существует более 50 подобных реакций, при которых разрыв ядра урана порождает ядро с массовым числом 90+/-10 (первый максимум графика) и другое тяжелое ядро с массовым числом 140+/-10 (второй максимум графика). Во всех случаях, кроме того, отделяется два или три нейтрона и выделяется много энергии.
«Я отношусь к тем, кто считает, что наука обладает невероятной красотой. Ученый в лаборатории — не просто техник; это также ребенок, перед которым стоят природные явления, завораживающие его, как сказка. Мы не должны позволить, чтобы думали, будто любой научный прогресс можно свести к механизмам, машинам, моторам, хотя у любого механизма также есть своя красота. Не думаю, что дух приключений подвергается риску исчезнуть из нашего мира. Когда я вижу вокруг себя что-то особенно живое, мне помогает именно этот дух приключений, который кажется вечным и идет в паре с любознательностью».Этот дух приключений поддерживал Марию Кюри на ногах, пока были силы. Это тот же самый дух, благодаря которому родилась наука и благодаря которому она будет жива, пока существуют люди с их любознательностью.
