Помоги проекту - поделись книгой:
БРАК
Самым заметным изменением в жизни Пьера после защиты диссертации было изменение не академического статуса, а семейного положения. Поначалу казалось, что двум людям из таких далеких городов, как Париж и Варшава, столиц таких разных обществ — блестящей Франции конца XIX века и расчлененной Польши, будет сложно найти взаимопонимание. Но несмотря на расстояние, было много вещей, которые их объединяли. Они происходили из похожих семей, члены которых были очень близки друг другу и испытывали большое увлечение наукой. В обеих семьях было гораздо больше академического образования, чем денег, а их родители были в какой-то степени потерпевшими неудачу учеными.
Но в их академическом образовании было фундаментальное различие: в то время как Мария была примерной ученицей, которая получала высшие оценки на всех занятиях, Пьер из-за разновидности дислексии, вызвавшей сложности при письме, обучался за рамками общего образования. Столкновение железной дисциплины Марии и хаотичного и бьющего через край творчества Пьера, должно быть, вызывало многочисленные конфликты, но затем эти характеры необычным образом дополнили друг друга как в личном, так и в профессиональном плане. Их любовь к науке была такой же безусловной, как и презрение к деньгам и славе. Спартанский образ жизни, без уступок моде или капризам, был естественным для них обоих. И наконец, хотя и по-разному, но оба были глубоко ранены душевно: Пьер — смертью подруги отрочества, Мария — презрением семьи Зоравских.
Свадьба состоялась 26 июля 1895 года в муниципалитете Со, в пригороде Парижа, где жил Пьер со своими родителями. Самым ветреным поступком, который совершила Мария, чтобы отметить это событие, была покупка нового костюма. Но она специально выбрала модель синего цвета: затем его можно было носить в лаборатории. По открытому желанию молодоженов церемония была светской. Пьер не был крещен и также не получил никакого религиозного образования из-за атеистических убеждений его отца. Мать Марии, напротив, была ярой католичкой, которая воспитывала своих детей в этой религии, но ее ранняя смерть, причинившая Марии столько боли, стерла у девушки все следы веры.
Молодожены поехали в свадебное путешествие по полям Бретани на велосипедах, которые купили на деньги, полученные в качестве свадебного подарка. В конце XIX века велосипед был невольным участником беспрецедентной революции в женском поведении. В то время появились первые конструкции с двумя колесами одинакового размера, что превращало их в эффективное средство передвижения и делало езду доступной для женщин. Одежду, включая корсеты, многослойные юбки и пышные шляпы, для этого пришлось упростить. Юбки укоротились и подобрались, их дополнили шаровары, чулки до колен и дамские ботинки. Шляпы стали легче и плотно прижимались к голове, корсеты сократились до минимума, чтобы облегчить движения. Все эти изменения были не просто вопросом моды, они предполагали кардинальные перемены в женском социальном поведении.
Мария стала страстной велосипедисткой, и ее одежда была приспособлена к езде на велосипеде, как это можно видеть на известной фотографии, где они вместе с Пьером стоят у дома его родителей в Со. Супруги сделали этот снимок рядом со своими новыми велосипедами после свадьбы. На Марии довольно короткий костюм, дамские ботинки и маленькая соломенная шляпка. Супруги не ограничились этой поездкой, и с учетом дешевизны этого транспорта велосипеды стали их семейным средством передвижения. Кроме того, так как Мария была ярой сторонницей упражнений на свежем воздухе, велосипед был главным элементом ее досуга.
После возвращения из свадебного путешествия пара переехала в маленькую квартиру на улице Гласьер (рядом со Школой промышленной физики и химии), которую они заполнили лишь самой необходимой мебелью, оказавшейся ненужной их семьям. Пьер вновь принялся за работу преподавателя, а также за исследования симметрии кристаллов и магнетизма. Так как его зарплаты не хватало на то, чтобы содержать семью из двух человек даже с такими небольшими потребностями, Мария подготовилась к конкурсу на получение должности преподавателя и заняла первое место на экзаменах, которые сдала летом 1896 года. Это дало ей право вести уроки в нормальных школах для девушек, и с 1900 года она стала преподавать в школе в Севре. Кроме того, Мария возобновила изучение намагниченности разогретых сталей, но занималась этим не в лаборатории Липпмана в Сорбонне, а в Школе промышленной физики и химии, где работал Пьер. Пауль Шуценбергер, директор школы и постоянный покровитель Пьера, широким жестом позволил ей работать там же, где Пьер проводил эксперименты для диссертации. Мария закончила исследования в 1897 году, когда их первая дочь уже должна была появиться на свет, и опубликовала результаты в 1898 году.
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»
Рождение Ирен 12 сентября 1897 года не вынудило Марию отступиться от намерения сделать научную карьеру. Пьер даже не задумывался о такой возможности, а Мария получила неоценимую помощь от другого мужчины семьи Кюри. Важную роль сыграл ее свекор Эжен Кюри, доктор на пенсии, который присутствовал при родах. После смерти своей супруги, через две недели после рождения Ирен, он оставил собственный дом и обосновался в доме Марии и Пьера, полностью посвятив себя заботе о внучке. Хотя Мария старательно следила за физическим и умственным развитием дочери и шила для нее всю одежду, именно дедушка Эжен наблюдал за польскими кормилицами внучки и играл с ней.
Должно быть, Эжен был исключительным человеком, поскольку он не только не критиковал необычное поведение своей невестки, но и поддерживал Марию во всех ее решениях. Когда она вернулась в лабораторию через три месяца после рождения Ирен, то знала, что оставляет девочку в хороших руках. Марии нужно было много сил, чтобы взяться за новую исследовательскую работу, поскольку она собиралась получить степень доктора наук, которую впервые за 600 лет истории Парижского университета присвоили бы женщине.
ЛУЧИ В ТЕМНОТЕ
Первый вопрос, которым задались супруги, был о предмете исследований Марии. Пьер уже был известным ученым, когда познакомился с Марией, что она прекрасно понимала, несмотря на отсутствие признания со стороны официальных научных учреждений во Франции, таких как Парижский университет и Французская академия. Пьер был пионером в различных областях, и, как свидетельствовали его ученики, он был отличным наставником. Следовательно, Мария могла провести работу в любой из областей, где Пьер был специалистом. Однако она была зачарована интригующими «урановыми лучами», открытыми Анри Беккерелем за пару лет до этого. Так что Мария решила, что ее диссертация будет посвящена этой области; молодая польская студентка не последовала по блестящему научному пути своего мужа, а решила проложить свою собственную дорогу. Исследование оказалось таким завораживающим, что в конце концов привлекло и гения-мечтателя Пьера. Вдвоем они одержали победу там, где Анри Беккерель, член Французской академии, потерпел поражение.
В последние годы XIX века ученые Парижа и всей Европы находились под впечатлением революционного открытия, которое совершил в ноябре 1895 года Вильгельм Конрад Рентген, преподаватель физики в университете Вюрцбурга. Рентген изучал действие электрических разрядов в вакуумных трубках Крукса и свойства катодных лучей, возникающих в них. Ученый заметил, что кроме катодных, в трубке возникают другие типы лучей.
Рентген назвал их икс-лучами в честь символа неизвестной переменной, поскольку у них были свойства, которые отличали их от всех лучей, известных к тому времени. Например, они позволяли видеть кости, не повреждая окружающих их тканей, что Рентген продемонстрировал на самом известном рентгеновском снимке в истории, где запечатлена рука его жены Берты с кольцом на безымянном пальце. Свойства этих лучей были такими невероятными, что о них писали все газеты. Сразу же была предложена возможность использовать их в медицине, как для постановки диагноза, так и для лечения. Даже велись споры, можно ли воспользоваться их способностью открывать скрытое для того, чтобы действовать против чести и достоинства дам.
В лабораториях по всему миру началось лихорадочное стремление открыть лучи с такими же завораживающими и уникальными свойствами, как у рентгеновских. Всего лишь через месяц после объявления об их открытии, 20 января 1896 года, икс-лучи были официально представлены в Париже президентом Французской академии наук Анри Пуанкаре. Выдающийся ученый указал на возможность связи между рентгеновскими лучами и фосфоресценцией, то есть на способность некоторых веществ излучать свет после того, как они были освещены. Среди французских исследователей, присутствовавших при этом, был Анри Беккерель, член династии, занимавшейся изучением явлений фосфоресценции.
Интерес семьи Беккерелей к этому явлению возник во время поездки в Венецию дедушки Анри, Антуана (1788–1878), где он был впечатлен фосфоресценцией моря. За исследования по электричеству Антуан стал членом английского Королевского общества, чем могли похвалиться очень немногие иностранцы. Он также был первым Беккерелем, который руководил лабораторией прикладной физики в Музее естественной истории во Франции, — должность, которую непрерывно занимали члены его семьи в течение почти сотни лет. Его сын, Александр Эдмон (1820–1891), продолжил изучать явления фосфоресценции и сменил своего отца на посту директора лаборатории музея. Его внук, Анри (1852–1908), который родился в жилом помещении музея, отведенном для семьи директора, учился сначала в Политехнической школе, а затем в Национальной школе мостов и дорог. Он начал научную карьеру под руководством отца, которого сменил на посту директора лаборатории музея. Несколькими годами ранее, в 1889 году, он был избран членом Французской академии, пожизненным секретарем которой он стал позже, а в 1895 году получил кафедру в Политехнической школе. Его сын, Жан Беккерель (1878–1953), сменил его на посту директора лаборатории прикладной физики музея.
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:
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
БЕККЕРЕЛЬ И РАДИОАКТИВНОСТЬ
Анри Беккерель официально считается первооткрывателем радиоактивности, хотя он даже не дал ей названия — это сделала Мария — и на самом деле не открывал ее, поскольку это явление уже было обнаружено за несколько лет до него Ньепсом де Сен-Виктором (1805–1870), французским исследователем, который в промежутке между 1856 и 1861 годами опубликовал несколько работ по излучению урановых солей. Однако следует учитывать, что для науки нормально признавать первооткрывателем не того, кто первым заметил явление. Чтобы открытие было признано и одобрено как часть научного знания, оно должно быть не просто опубликовано в престижном журнале, но и достоверно определено и принято научным сообществом. Так, например, дедушка Анри открыл пьезоэлектричество за 60 лет до Пьера и Жака, но ни он, ни его современники не смогли объяснить это явление и не нашли ему применения, поэтому оно было забыто. Нечто похожее, должно быть, произошло с открытием Ньепса.
Продолжая работу отца и деда, Анри Беккерель изучал явления фосфоресценции, сосредоточившись на солях урана. Чтобы обнаружить их излучение, он пользовался фотографическими пластинками и солнцем в качестве источника света. Собираясь выступать в Академии наук в начале марта 1896 года, в конце февраля он приготовил соли урана на пластинке. Он использовал серебряную эмульсию, которую покрывал черной бумагой, чтобы она не засветилась под солнечным светом, а облучалась лишь лучами, испускаемыми солями. Но в среду 26 февраля и в четверг 27-го в Париже было пасмурно, и Беккерель хранил пластинку с солями в ящике. Несмотря на то что в следующие дни также не было солнца, исследователь решил проявить пластинку, столько дней пролежавшую без воздействия солнечного света. Ученый ожидал, что результат будет очень размытым. Однако оказалось, что оттиск на фотографической пластинке четкий. Он повторил эксперимент, чтобы подтвердить, что излучение имеет место без всякого осветительного процесса, который бы активизировал фосфоресценцию, и обнаружил: соли продолжают излучать, пролежав несколько дней в темноте. Беккерель представил результаты на следующем заседании Академии наук, к изумлению представителей европейских лабораторий. Исследователь тогда предположил, что это явление — фосфоресценция, но не обычная, которую до этого обнаруживали для солей урана, а «невидимая и долгосрочная».
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.
Глава 2.
ПОЛОНИЙ И РАДИЙ
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.
СКОЛЬКО?
Еще до начала изучения урановых лучей Мария уже решила, что оттиски на фотографических пленках были неточным методом анализа, а она хотела измерить интенсивность лучей и сравнить количество излучения, испускаемого различными веществами. Она знала: Беккерель установил, что у лучей есть способность ионизировать воздух (то есть превращать его в проводник электричества), поэтому если найти достаточно чувствительное устройство для измерения небольшого электрического тока в ионизированном воздухе, можно оценить лучи количественно.
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.
КАКИЕ ВЕЩЕСТВА?
Наладив и проверив точность инструмента для количественного измерения радиоактивности, Мария занялась определением веществ, которые испускали урановые лучи, поскольку, как она заметила в своей докторской диссертации, «очень маловероятно, чтобы радиоактивность как атомное свойство была характерна для единственного типа веществ, абсолютно не затрагивая остальных».
Мария начала измерять все известные тогда чистые элементы (как металлы, так и неметаллы), а также сплавы, которые были в лаборатории Школы промышленной физики и химии. Одним из первых элементов был фосфор, от которого происходит название явления «фосфоресценция», вызвавшего интерес Антуана Беккереля. Мария также измерила чистый уран, а затем все минералы Музея естественной истории Франции, которые предоставил ей геолог Альфред Лакруа, отвечавший за коллекцию. Это была одна из самых гениальных догадок в ее работе: не ограничиваясь изучением чистых соединений, синтезированных в лаборатории, химический состав которых известен очень точно, ей удалось открыть новые радиоактивные тела.
Первым удивительным результатом, полученным Марией, было то, что лучи Беккереля не были исключительным свойством урана и его солей, но им обладал другой элемент, торий. Следовательно, эти лучи не могли больше называться урановыми: может быть, их следовало называть урано-ториевыми? Тогда Мария послала отчет с первыми выводами во Французскую академию наук, который от ее имени был представлен профессором Липпманом 12 апреля 1898 года.
Другой важный факт, который заметила Мария и который подтверждал наблюдения Беккереля, состоял в том, что лучи были свойством, присущим определенному элементу, вне зависимости от температуры, чистоты его состава и наличия внешнего облучения. Речь шла не о химическом свойстве определенного вещества (как фосфоресценция, присущая многим минералам), а о совершенно новом явлении, характерном для атома. Поскольку она делала точную количественную оценку, то заметила, что интенсивность лучей пропорциональна количеству урана, присутствующего в образцах, следовательно, наибольшую активность проявляли образцы чистого урана.
НЕУЛОВИМЫЙ ПОЛОНИЙ
Однако самого интересного результата, который получила Мария, не было в ее первом отчете. Она описала его впервые в дневнике лаборатории 17 февраля 1898 года: два урановых минерала, которые она изучала, халькоцит и настуран, были в три или четыре раза активнее чистого урана. Эти результаты противоречили предыдущему выводу о том, что активность пропорциональна количеству урана. Она повторила эксперименты и проверила работу и точность измерительных приборов, выяснив, что все в порядке. Тогда она синтезировала основные компоненты халькоцита, сульфат меди и уранил, из химически чистых соединений и измерила его активность: она была такой, как и следовало ожидать, исходя из содержания урана. Это означало, что излишняя активность настурана, должно быть, имеет другую причину, нечто новое и неизвестное, присутствовавшее в минерале, но не в соединении, которое синтезировала Мария. После получения этого результата у нее появился исключительный помощник, как она сама вспоминала в своих «Автобиографических заметках»:
«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.
Хотя Пьер обсуждал с Марией все результаты, которые она получала, и, должно быть, играл важную роль в проектировании и конструировании измерительного прибора, до этого момента он вел собственные исследования симметрии. Однако 18 февраля он начал вносить свои записи в лабораторный дневник Марии: он решил оставить свои исследования, чтобы полностью посвятить себя работе с женой.
Чтобы определить причины необычайной активности, им пришлось работать с настураном по-другому, поскольку вместо того чтобы искать уран, они искали новые вещества, о которых не знали ничего, кроме признаков их существования на основе испускаемых лучей. Настуран — естественный минерал, который, кроме оксидов урана, главных компонентов, содержит в небольших количествах другие вещества, всего 30 различных химических элементов. Чтобы провести химический анализ настурана, супруги попросили помощи у Гюстава Бемона, преподавателя, отвечающего за лабораторию Школы промышленной физики и химии. Бемон, должно быть, научил их применению классического метода определения и разделения катионов с помощью качественного анализа мокрым путем, который использовался в европейских лабораториях и был разработан немецким химиком Карлом Фрезениусом за 60 лет до этого.
Итак, Мария и Пьер применили химический метод разделения катионов с помощью последовательного осаждения сульфатов, сульфидов, гидроксидов и хлоридов. Но они сочетали его с новым физическим методом измерения интенсивности испускаемых лучей для каждой части. На основе настурана, предоставленного лабораторией Школы, который был в три раза активнее урана, они получили вещество в 17 раз активнее. Повторяя цикл химического отделения для частей, испускающих лучи, они в конце концов получили вещество, активность которого была в 400 раз выше активности урана.
На основе этих результатов Кюри выдвинули свою самую смелую гипотезу. Она была изложена в докладе Французской академии наук, 18 июля 1898 года прочитанном Анри Беккерелем, поскольку ни Мария, ни Пьер не были ее членами. В заголовке появилось новое слово, придуманное Марией,
Но вещество, активность которого была в 400 раз выше активности урана, еще не было этим новым элементом или его чистой солью; в нем также содержалось большое количество висмута, химического элемента группы азота, свойства которого были очень схожими со свойствами нового элемента. Поэтому Мария с Пьером предположили: полоний находится в той же группе периодической таблицы, что и висмут. Но в отличие от так похожего на него нового элемента, висмут не был радиоактивным. Именно это было отличительным свойством, на котором супруги Кюри основывали предположение о существовании полония.
РАДИЙ: БЕСКОНЕЧНЫЕ ПОИСКИ
После этого блестящего открытия Мария и Пьер уехали в отпуск и не возвращались к работе с настураном до ноября 1898 года. К своему удивлению, они обнаружили, что есть некое радиоактивное вещество, химические свойства которого полностью отличаются от свойств полония, хотя их объединяет то, что они оба намного активнее урана. Это можно было объяснить только существованием другого нового элемента, который, должно быть, также содержится в очень маленьких количествах, поскольку предыдущий анализ настурана не выявил его. Однако его свойства были намного больше похожи на свойства бария, одного из щелочноземельных металлов периодической таблицы. Чтобы выделить этот новый элемент, они воспользовались процедурой, сходной с той, что они применяли для выделения полония, которая состояла в растворении твердого тела с помощью кислот и осаждении различных солей. После каждого этапа измерялась радиоактивность полученных частей, чтобы проследить за искомым элементом. Так супруги Кюри получили смесь хлоридов бария и нового элемента, который был в 900 раз активнее урана.
Чтобы получить еще одно подтверждение его существования и помощь в определении, исследователи послали несколько образцов физику Эжену Демарсе, который зарегистрировал спектр их излучения и начал искать линии, не приписываемые ни одному из известных элементов. Демарсе заметил новые линии в ультрафиолетовой зоне, и их интенсивность увеличивалась по мере увеличения радиоактивности вещества, поэтому он приписал их новому элементу. Мария и Пьер Кюри вместе с Гюставом Бемоном отправили новое сообщение во Французскую академию наук 19 декабря 1898 года, в котором они назвали новый элемент радием.
Новое радиоактивное вещество все еще имеет значительное содержание бария; несмотря на это, его радиоактивность значительна. Должно быть, радиоактивность чистого радия огромна.
В интервью, которое Бемон дал через 20 лет, он был все еще под впечатлением от учтивости Пьера, который сделал его соавтором открытия радия. Он рассказывал, что чувствовал себя очень гордым, но не думал, что заслуживает этого, поскольку не играл активной роли в открытии. Бемон утверждал, что он просто оказал услугу коллеге, посоветовав ему конструкцию и применение методов химической сепарации. Это интервью противоречит теориям некоторых историков науки, в особенности американцу Лоуренсу Бадашу, самому признанному эксперту в истории радиоактивности, который не верил в способность Марии осуществить метод химической сепарации и приписывал Бемону заслуги в этой значительной части диссертации исследовательницы.
Но независимо от того, какую помощь Бемон мог оказать Марии, верно то, что они не придумали ничего нового в химии, поскольку метод Фрезениуса уже был давно известен. Также была известна способность солей урана ионизировать воздух, как и работа электрометров и пьезоэлектричества. Но именно Мария применила все это для открытия нового явления, и именно ей удалось убедить мир в значимости этого открытия.
Мария начала работу над своей докторской диссертацией за год до этого и уже осмелилась предположить существование двух новых химических элементов. Ее научная дерзость была такой, что она сделала эти предположения, основываясь на беспрецедентном факте: она рассматривала
На самом деле у Марии были другие свидетельства: она применила радиохимический метод, то есть измерила специфическое излучение радиоактивного элемента. Этот метод сегодня применяется, чтобы понять физико-химические или биологические процессы в таких далеких друг от друга областях, как химическая кинетика, археология (для датирования с помощью анализа углерода-14) или геология, и дает результаты, недостижимые с помощью любого другого метода. Многих из этих наук не существовало, когда Мария изобрела свой метод, но она догадалась, что открыла область, в которой появятся новые инструменты анализа. В своей диссертации она гордо констатировала, что метод, использованный для обнаружения новых элементов, был в тысячи раз более чувствительным, чем спектроскопия, с помощью которой подтвердилось существование радия.
Поделиться книгой: