Самый сокровенный секрет материи. Мария Кюри. Радиоактивность и элементы - Адела Муньос Паес

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.

* * * ФОСФОРЕСЦЕНЦИЯ: ОТ НАУТИЛУСА ДО ЛАБОРАТОРИИ

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.

Схема, показывающая разницу между флуоресценцией и фосфоресценцией (где S — мультиплетность, а Е — энергия).

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.