Самый сокровенный секрет материи. Мария Кюри. Радиоактивность и элементы
Шрифт:
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.
ПОЧЕМУ?
В октябре 1899 года сотрудничающий с Кюри Андре Дебьерн объявил об открытии актиния. Без сомнения, прогресс, произошедший за два года с момента изучения Марией лучей Беккереля, был значительным. Во-первых, прибор, разработанный Пьером и сконструированный в Школе промышленной физики и химии для количественной оценки явления радиоактивности, доказал свою эффективность и точность. Во-вторых, были определены радиоактивные элементы. С одной стороны, были уран и торий, реакционная способность и атомная масса которых были хорошо известны. С другой стороны, были недавно открытые полоний, радий и актиний, при этом именно радиоактивность стала самым веским доказательством их существования. Так как в то время это доказательство не считалось достаточным, Мария продолжила трудоемкий процесс отделения и очищения радия, что заняло у нее несколько лет.
Было еще много вопросов, но без ответа оставался главный: почему испускаются лучи? Еще никто не знал их природу, и были ли это частицы или лучи? Также оставался другой, еще более сложный вопрос: откуда появляется энергия, поддерживающая процесс активным и внешне неизменным во времени? Гипотезы, которые выделила Мария в январе 1899 года в сообщении в Revue G'en'erale des Sciences, в том виде, как их собрал Пьер Радваньи в своем повествовании, посвященном чете Кюри, следующие.
1. Радиоактивность — это фосфоресценция большой длительности, вызванная светом. Это маловероятная гипотеза.
2. Луч — это выброс материи, сопровождаемый потерей массы радиоактивных веществ.
3. Энергия излучения радиоактивных веществ постоянно уменьшается.
4. Луч — это второстепенное излучение, вызванное лучами, аналогичными рентгеновским. Возможно, эти загадочные лучи приходят из космоса; они, должно быть, проникают лучше, чем рентгеновские лучи, и поглощаются только элементами с большой атомной массой, такими как уран и торий. Можно предположить, что в космосе имеет место передача энергии, о которой мы не знаем.
5. Луч образуется за счет тепла окружающей среды, нарушая принцип Карно.
Гипотеза 1 — это исходная гипотеза Беккереля, но он сам отверг ее, поскольку соли урана испускали лучи после того, как долгое время пролежали в полной темноте. Гипотеза 2 согласовывалась с первыми наблюдениями, сделанными Марией в 1897 году, сразу же после открытия радиоактивности, согласно которым это следствие глубокого изменения на субатомном уровне. Эта гипотеза в конце концов будет доказана. Фантастическая гипотеза 4 казалась наиболее вероятной Пьеру Кюри; он не только ошибся сам, но и заставил ошибиться Марию.
Через полтора года, на Международном конгрессе по физике, который прошел во время Всемирной выставки в Париже в августе 1900 года, Пьер и Мария в докладе о свойствах новых радиоактивных веществ не нашли другого выхода, кроме как признать неспособность отыскать сейчас возможное объяснение радиоактивности.
Глава 3.
СЛАВА И ТРАГЕДИЯ
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.
ПРОГРЕСС В НОВОЙ НАУКЕ
Главным конкурентом Марии и Пьера, который сделал наиболее значительные открытия в области радиоактивности, был молодой новозеландский ученый Эрнест Резерфорд. Как и сама Мария, Резерфорд был аутсайдером, воспитанным вне элитной британской системы образования. Но в отличие от Французской академии, английский истеблишмент быстро признал исключительные достоинства молодого Эрнеста. Резерфорд приехал в Кембридж в 1895 году после получения двухлетнего гранта, который Ее Величество предоставила самому выдающемуся подданному заморских регионов Британской империи, чтобы он писал свою докторскую диссертацию в метрополии. Итак, Резерфорд должен был работать с Джозефом Джоном Томсоном, директором Кавендишской лаборатории, который недавно открыл катодные лучи, выявив, что атомы не являются неделимыми.
В качестве продолжения трудов Томсона изначальной целью диссертации Эрнеста Резерфорда было изучение проводимости газов, вызванной ультрафиолетовыми и рентгеновскими лучами, но затем он включил радиоактивность в число своих исследований. Вскоре изучение последней темы превратилось в основную задачу Резерфорда, так что молодой Эрнест стал одним из немногих ученых, которые исследовали казавшиеся бесполезными лучи Беккереля до открытия полония и радия. В январе 1899 года ученый опубликовал обширную статью об их природе, в которой сделал вывод (как это приведено в работе Пьера Радваньи о чете Кюри), что «излучение урана сложное и образовано по крайней мере двумя различными типами: одно легко поглощается, назовем его a, a другое имеет большую проникающую способность, назовем его ».