Через тернии – к звёздам
Когда в 1874 году молодой Макс Планк собирался заняться изучением физики, его научный руководитель, профессор Филипп фон Жолли, сказал ему, что в физике почти все уже открыто, осталось только уточнить некоторые детали. Этот случай сейчас приводят, как анекдот, но тогда мнение о том, что в физике не достигнешь ничего нового, было довольно распространено. Здание физической науки казалось выстроенным и стройным. Оставалось выяснить и уточнить некоторые второстепенные детали.
Но спустя два десятка лет уточнение мелких фактов вылилось в раскрытие важнейших противоречий в физике, решение которых привело к радикальному пересмотру фундаментальных представлений о природе и к перестройке всего здания классической физики. Сам Макс Планк стал основателем квантовой механики, разрешившей противоречия, возникшие между электродинамикой и термодинамикой в вопросе об излучении чёрного тела. Его именем названа основная константа квантовой теории.
Любое открытие в физике – это всегда разрешение противоречия между известными фактами. Можно сказать, движение через тернии к звёздам. Рассмотрим такое движение на примере специальной теории относительности Эйнштейна, которая является разрешением противоречия между механикой Ньютона и электродинамикой Максвелла. Как оказалось в конце 19-го века, эти две теории противоречат друг другу.
Первая из названных теорий утверждает, что законы физики одинаковы во всех инерциальных системах отсчёта, которые движутся друг относительно друга равномерно и прямолинейно. Скорость света, измеренная экспериментатором в одной системе отсчёта будет отличаться от скорости света, измеренной другим экспериментатором в другой системе отсчёта на разность скоростей движения двух этих систем друг относительно друга. Ведь всё физическое пространство, в котором происходит движение, однородно и в нём не существует никакой абсолютной точки отсчёта.
Однако, с другой стороны, уравнения Максвелла предсказывали, что скорость света постоянна во всех системах отсчёта, даже если они движутся друг относительно друга. Одно утверждение противоречило другому!
Специальная теория относительности объяснила (или, как любят говорить философы, сняла) это противоречие. Оказалось, что пространство не однородно и при взаимном движении систем отсчёта изменяется, искривляясь. Это искривление приводит к тому, что скорость света будет одной и той же в любой инерциальной системе отсчёта. Искривление пространства не заметно если скорость относительного движения систем отсчёт не велика. Не велика по сравнению со скоростью света. Однако по мере приближения к этой скорости, искривление пространства становится заметным. То же касается и времени: чем выше относительная скорость двух систем отсчёта, тем больше взаимное замедление времени. Все, кто читал фантастику о путешествии в межзвёздных пространствах, знают об этом и, можно сказать, привыкли к тому факту, что время на Земле и на космическом корабле движется по-разному.
Таким образом, разрешение противоречия привело физиков к изменению прежних представлений о том, какими свойствами обладают пространство и время.
Загадочные лучи
А теперь, поняв, что открытия в физике – это всегда разрешение противоречий, перейдём к теме нашего рассказа. Будет рассказ этот о радиоактивности и об открытии новых элементов. В нём мы опять продемонстрируем, как целые новые разделы физики и химии родились на стыке противоречий.
Радиоактивность – это явление самопроизвольного выделения энергии в виде излучения, имеющее место в некоторых веществах. Радиоактивность была открыта французским физиком Анри Беккерелем (Henri Becquerel; 1852 – 1908) в 1896 году. Это открытие произошло случайно, что, надо сказать, бывает в физике сплошь да рядом.
Анри Беккерель изучал свойства урановых соединений, в том числе их способность фосфоресцировать под воздействием солнечного света.
Беккерель решил проверить, не испускают ли соли урана невидимые лучи вроде рентгеновских, если их облучить ярким солнечным светом. Для этого он, обернул фотографическую пластинку чёрной бумагой, чтобы не засветить её на солнце, и положил на нее кристаллы урановой соли. Предполагалось, что, будучи облучённой солнечным светом, соль урана начнёт фосфоресцировать, а если при этом станут испускаться невидимые лучи, они должны будут засветить фотопластинку.
Но в день, когда Беккерель решил провести этот эксперимент, солнца не было. Поэтому учёный оставил урановые соли вместе с пластинкой в темноте, а потом, забыв о неудаче, проявил эту пластинку вместе с другими. При проявлении пластинки оказалось, что на ней появился четкий след, как если бы на нее воздействовали какие-то лучи. Беккерель понял, что сам уран является источником излучения. Без излишней скромности, он назвал это излучение «лучами Беккереля». Позднее это явление и получило название «радиоактивность».
Явление радиоактивности тоже оказалось внутренне противоречивым. Радиоактивность была экспериментально доказана, но с точки зрения классической физики её не должно было быть. С одной стороны, существование радиоактивности противоречило понятию о стабильности атомов.
С начала 19-го века, когда английский учёный Дж. Дальтон предложил свою атомную теорию, считалось, что материя состоит из неделимых атомов, обладающих постоянными свойствами, которые для каждого элементарного вещества были свои. На базисе теории Дальтона покоилась вся химия, которая рассматривала химические соединения, как состоящие из молекул, в которых содержатся в определённой пропорции атомы различных элементов. По теории Дальтона в ходе химических реакций между различными соединениями происходил обмен атомами в определённых пропорциях. Классический пример: две части водорода, соединяясь с одной частью кислорода образуют воду. И только так!
Но если атомы самопроизвольно испускают лучи, значит они не стабильны и в них происходят какие-то внутриатомные процессы.
С другой стороны, радиоактивность представляла собой спонтанное испускание энергии без предшествующего облучения, то есть, без внешнего воздействия. Откуда же, в таком случае, бралась испускаемая энергия? Если атомы, как полагал Дальтон, представляют собой стабильные «кирпичики материи», взяться этой энергии не откуда. Явное нарушение закона сохранения энергии!
Распутывать это противоречие физикам пришлось в течение нескольких десятков лет. Результатом стало новое понимание природы атома, а также появление ядерной физики и ядерных технологий, военных и мирных.
Супруги-исследователи
Но первый шаг по этой длинной дороге совершили супруги Кюри: Мария и Пьер.
Пьер Кюри родился 15 мая 1859 года в Париже. Он рос в семье врача, и с раннего возраста проявлял интерес к математике и физике. Пьер получил образование в Сорбонне, где его талант к исследовательской работе стал очевиден.
Мария Склодовская-Кюри, урожденная Мария Склодовская, родилась 7 ноября 1867 года в Варшаве. В Российской империи женщины не могли получить университетское образование. Поэтому Мария договорилась с сестрой Брониславой. Сестра уехала в Париж, чтобы обучаться на врача, а Мария работала в Варшаве гувернанткой, зарабатывая деньги и помогая сестре. Когда сестра выучилась, в 1891 году в Париж приехала Мария. Теперь сестра работала и помогала Марии учиться. Мария начала изучать в Сорбонне физику, химию и математику. В 1893 году она получила степень по физике, а через год — по математике.
Пьер и Мария познакомились в 1894 году. Пьер Кюри к тому времени был уже сложившимся учёным. В 1880 году вместе со своим братом Жаком он открыл пьезоэлектрический эффект. Это – свойство некоторых кристаллов, например, кварца, генерировать при механической деформации электрический заряд. Пьезоэлектрический эффект до сих пор широко используется в технике. Пьезокристаллы являются сенсорами давления и вибрации, генераторами ультразвука или – неожиданно – звукоснимателями в электрогитарах.
А в 1895 году Пьер Кюри, изучая свойства ферромагнитных материалов, обнаружил существование точки Кюри, температуры, при достижении которой материалы теряют свои магнитные свойства. Это происходит из-за разрушения упорядоченности магнитных моментов атомов под воздействием теплового движения.
Взгляды Пьера и Марии на науку, жизнь, политику и даже религию (оба были атеистами) совпадали, что привело к возникновению взаимной любви. В 1895 году они заключили брак, который стал не только основой совместной жизни, но и уникального и плодотворного научного сотрудничества. Свадебная фотография супругов Кюри помещена в заголовке этой статьи. Синее плотное свадебное платье Марии Кюри она использовала потом для работы в лаборатории. В нём были сделаны все великие открытия.
Интересно, что единственным имуществом Пьера и Марии после их свадьбы были два новых велосипеда. Они были куплены в день обручения на деньги, подаренные юным супругам. Так что свои жизни Пьер и Мария Кюри соединили не только двумя обручальными кольцами, но и четырьмя велосипедными колёсами. Свадебное путешествие они совершили по окрестностям Парижа на велосипедах. Тогда это был очень модный вид передвижения.
В грамм добыча, в год труды
Целью научных исследований супругов Кюри было выяснить, являются ли радиоактивные свойства уникальными для урана или же существуют другие вещества с подобными свойствами. Мария и Пьер Кюри предположили, что радиоактивность может быть свойством не только урана, но и других химических элементов. Поэтому они начали исследовать минералы, которые могли содержать элементы с неизвестными радиоактивными свойствами.
Измерение радиоактивности
Мария разработала методику измерения радиоактивности, используя электрометр, усовершенствованный Пьером ещё в то время, когда они с братом занимались исследованием пьезоэлектрического эффекта. Это позволило количественно определять уровень излучения веществ. Метод измерения основывался на том, образец (например, окись урана) размещался между пластинами конденсатора или рядом с конденсатором. Выделяющееся излучение ионизировало воздух вокруг образца. Благодаря этому изменялся заряд на пластинах конденсатора. Этот заряд считали мерой радиоактивности и весьма точно измеряли его с помощью электрометра.
Поиск новых радиоактивных элементов
Вскоре измерения показали, что, кроме урана, радиоактивными свойствами обладают минералы, содержащие торий. Но главное открытие было ещё впереди. Супруги Кюри исследовали радиоактивность отходов урановой руды. Оказалось, что их радиоактивность превышает радиоактивность урана и его соединений. Следовательно, в отходах урановой руды содержатся какие-то неизвестные элементы, более радиоактивные, чем уран.
Дальше началась адская работа по выделению этих элементов.
Уран в то время использовали главным образом для получения цветного стекла. В Европе его добывали в шахтах Иоахимшталя (сейчас это город Яхимов в современной Чехии). С рудников в Чехии супруги Кюри получили дешёвую руду, которую называли урановой смолкой и которая являлась отходом добычи урана. Пьер и Мария Кюри переработали около 8 тонн этой руды.
Для начала они удаляли из неё остатки урана, растворяя урановую смолку в азотной кислоте и обрабатывая раствор веществом, способствовавшим осаждению урана. Оставшийся после этого раствор был свободен от урана и подвергался дальнейшей обработке, пока из него не был выделен радий. Эти чрезвычайно трудоёмкие работы продолжались с 1898 по 1902 год.
В 1898 году супруги объявили об открытии двух новых элементов: полония, который был назван так в честь родины Марии Кюри, Польши, и радия. Заметим, что Польши, как самостоятельного государства тогда не существовало и название нового элемента многие расценивали, как политическую демонстрацию.
Как выяснилось, радий был ещё более радиоактивным элементом, чем уран. Своё название он получил от латинского слова «radius», то есть, «луч». Лучистый элемент!
Позже, в 1910 году, Мария Кюри совместно с Андре Дебьерном выделила металлический радий значительно менее трудоёмким методом электролиза.
Заслуженная награда
В 1903 году Пьер и Мария Кюри, вместе с Анри Беккерелем, были удостоены Нобелевской премии по физике за исследования явления радиоактивности. Мария стала первой женщиной, удостоенной этой престижной награды. Позже, в 1911 году, она получила вторую Нобелевскую премию, на этот раз по химии, за открытие радия и изучение его свойств.
Трагедия в личной жизни
Получение крупной премии не изменило скромного образа жизни супругов. А в 1906 году семью постигла трагедия: Пьер погиб в результате несчастного случая. Его сбила повозка с запряженной в неё лошадью. После смерти мужа Мария продолжила их работу, став первой женщиной-профессором в Сорбонне.
Радий – всемирная известность
Вряд ли в наше время открытие нового химического элемента вызовет такой пристальный интерес, как вызвало открытие радия в начале 20-го века.
Это открытие, во-первых, имело революционное значение для науки, изменив представления о структуре атома. Атом оказался не «кирпичиком мироздания», а сложным объектом, изучение которого стало предметом новой отрасли науки, атомной физики. Открывались совершенно неведомые научные глубины.
Во-вторых, эта научная сенсация привлекла к радию всемирный интерес. Радий стал символом научного прогресса, о котором, благодаря журналистам, узнали буквально все образованные люди.
Даже такой абсолютно далёкий от физической науки человек, как В. И. Ленин слышал об этой сенсации. Именно это заставило его в своей работе «Материализм и эмпириокритицизм» сформулировать весьма спорное по тем временам положение о том, что электрон так же неисчерпаем, как атом. Это заявление, не столько научное, сколько полемичное, в советское время выдавалось за признак гениальности вождя мирового пролетариата, который, вот, и в физике разбирался.
Во времена моего студенчества конспектирование упомянутой ленинской работы с трудно произносимым названием и довольно большой по объёму, являлось обязательным для всех студентов естественнонаучных и технических специальностей. Боже, каким мазохистическим удовольствием было это было занятие!
В-третьих, свойства радия были необычными (взять хотя бы излучаемую им энергию). Благодаря своим необычным свойствам радий быстро приобрёл статус «чудесного элемента». Учёные предполагали, как эту «даровую» энергию можно будет использовать. А люди, более осведомлённые в коммерции, тут же пустили в дело широкую известность «волшебного» радия. Появились наручные и, что ещё хуже, карманные часы со светящимися стрелками, выкрашенными краской, содержащей радий. Радий считался полезным для здоровья, поскольку его начали применять для лучевой терапии и борьбы с раковыми опухолями. Поэтому на прилавках магазинов появились косметика с добавлением радия и радиевые напитки. Продавались даже радиационные презервативы. Фирма-производитель утверждала, что презервативы Nutex Radium поднимут мужскую потенцию на рекордную высоту. Но чудодейственная сила радиоактивных презервативов не помогла и в 1940 году данный продукт уходит с продаж.
Потом оказалось, что излучение радия совсем не полезно, а даже наоборот приводит, к раковым заболеваниям кожи и внутренних органов. Так, Мария Кюри скончалась 4 июля 1934 года от болезни крови, вызванной длительным воздействием радиоактивного излучения. Поэтому все игры с радием быстро прекратили, а от радиоактивности стали предохраняться. Пожалуй, единственной памятью о недолговечном увлечении человечества радием осталось название шоколадных конфет «Радий». Конфеты вкусные, но никакого радия в их составе нет.
