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

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.