РАДИЙ: БЕСКОНЕЧНЫЕ ПОИСКИ

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.

Сорайя Будиа, «Мария Кюри и ее лаборатория»

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 радиоактивность этих элементов как главное доказательство их существования. Следует помнить, что это явление открыл Беккерель лишь пару лет назад, но имя ему дала уже Мария. Сам факт использования радиоактивности был вызван тем, что в то время Мария и Пьер не могли привести доказательств своему открытию, которых требовали химические общества. Эти доказательства состояли в определении новых линий спектра излучения, вычислении атомной массы и предоставлении небольшого количества чистого элемента. Супруги Кюри могли предоставить только одно из доказательств: спектр радия.

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.

Предположив его существование, Мария занялась попытками выделить новые чистые элементы, что предполагало намного большую работу, чем она представляла себе в начале, поскольку они содержались в настуране в чрезвычайно маленьких количествах. Позже она выяснила, что их пропорция меньше одной десятимиллионной доли. Хотя супруги Кюри еще не знали об этом, было очевидно, что им потребуется огромное количество минерала, содержащего этот элемент.

С тех пор как Мария и Пьер догадались о существовании двух новых элементов с уникальными свойствами, они начали искать источники настурана, основной урановой руды, содержащей их. Главные европейские залежи этого минерала находились в шахтах Йоахимсталя в Богемии, которая тогда входила в состав Австро-Венгерской империи (сегодня под названием Яхимов он входит в состав Чешской Республики). В этих шахтах добывали урановые соли, которые применялись в Европе для окраски стекла. Но покупка того количества чистого минерала, которое было нужно Кюри, была им не по карману. Мария не получала денежного вознаграждения за свою исследовательскую работу. Но было одно счастливое событие, которое вывело супругов из тупика, в котором они оказались из-за отсутствия средств. Обработав настуран, который Мария получила в лаборатории Школы, она пришла к выводу, что отходы минерала, которые оставались после изъятия урана, должны содержать весь радий и значительную часть полония, присутствующего в этом минерале. К счастью для Марии и Пьера, эти отходы не имели коммерческой ценности и тоннами сбрасывались в окрестностях шахты.

* * *

ДАТИРОВАНИЕ С ПОМОЩЬЮ АНАЛИЗА УГЛЕРОДА-14

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.

* * * 

Воспользовавшись контактами во Французской академии наук, они обратились в Венскую академию и смогли получить первые 5 кг таких отходов, на которых они проверили свою гипотезу. Позже им прислали еще 100 кг. Однако из-за крайне низкой концентрации полония и радия в минерале полученного количества было абсолютно недостаточно для выделения новых элементов. Им нужны были тонны отходов, что ставило новую экономическую проблему. Хотя материал ничего не стоил, супругам Кюри нужно было платить за транспортировку.

Марии пришлось еще больше сократить семейный бюджет, но в середине 1898 года она получила неожиданный доход: Парижская академия наук вручила ей премию Женье за изучение магнитных свойств сталей и начальные работы по радиоактивности. К награде прилагалась материальная дотация в 3800 франков, что было значительной суммой для того времени. Хотя премия Женье (первая из трех премий, которые были вручены Марии, и первое научное признание в последующей длинной серии) была предоставлена исключительно ей, члены жюри сочли более уместным направить письмо о вручении ее мужу.

В октябре 1898 года Мария записала в своей тетради расходов платеж за транспортировку из Йоахимсталя. Первый груз — куча мешков, полных коричневой пыли и сосновых игл, — был сложен во дворе Школы промышленной физики и химии. В начале XXI века радиоактивность этого двора все еще такая, что здесь нельзя строить даже парковку. Чтобы обработать огромное количество материала, Мария получила доступ к другому зданию, находившемуся в еще худшем состоянии, чем мастерская, в которой она провела первые эксперименты своей диссертации, — что-то вроде ангара, где когда-то был анатомический театр.

^{Сарай, прилегающий к лаборатории Школы промышленной физики и химии, где Мария проводила эксперименты с радиоактивностью.}

^{Две фотографии Пьера и Марии Кюри — в лаборатории Школы и позирующих для фотографа.}