Атомы и электроны

Бронштейн Матвей Петрович

Рис. 1. Фотография алюминиевой медали в лучах урана, снятая Беккерелем. Экспозиция — две недели.

Стоит только хоть немножко зарядить электрометр электричеством, как листочки сейчас же начнут отталкиваться друг от друга и немедленно разойдутся врозь на некоторый угол. В таком положении они и останутся, пока с них не стечёт электрический заряд. Обыкновенно электрический заряд стекает очень медленно, и проходит много часов или даже много дней перед тем, как листочки снова сойдутся. Но Беккерель сделал следующий опыт: он положил в коробку электрометра, под самые листочки, свою лепёшку урановой соли, и листочки стали спадать заметно быстрее, а через полтора часа и вовсе сошлись. Сделав несколько опытов, Беккерель увидел, что испускаемые ураном лучи делают воздух способным проводить электричество; поэтому с листочков электрометра заряд утекает через воздух, и листочки спадают.

Когда Беккерель напечатал подробное описание своих опытов, все физики и химики во всём мире всполошились. Лучи Беккереля произвели такую же сенсацию, какую за несколько месяцев перед тем произвели лучи Рентгена.

Во всех физических лабораториях только и было разговоров, что о таинственных лучах Беккереля. Огромное впечатление произвели эти разговоры о лучах Беккереля на одну молодую польку, жившую в Париже, — Марию Склодовскую-Кюри.

Склодовская-Кюри, которая в то время ещё была начинающим и никому не известным физиком, решила расследовать, один ли только уран испускает лучи Беккереля или же есть и ещё какие-нибудь другие вещества, испускающие такие же самые лучи. Для того чтобы узнать, испускает ли какое-нибудь вещество лучи Беккереля или нет, не нужно брать фотографическую пластинку, подумала Мария Кюри: с фотографической пластинкой много возни, и работа подвигается очень медленно. Проще всего взять электрометр, как это делал и Беккерель: если по мере приближения к исследуемому веществу листочки заряженного электрометра будут спадать, значит, это вещество испускает лучи Беккереля, а если нет, то, значит, никаких лучей Беккереля оно не испускает. Вооружившись своим электрометром, Мария Кюри исследовала множество разных веществ — всевозможные минералы, горные породы, газы, растворы — вообще всё, что ей удалось достать. И только в апреле 1898 года она, наконец, наткнулась на одно вещество, которое испускало лучи Беккереля, как и уран. Этим веществом оказался металл торий — довольно редкий металл, который ещё в 1829 году был открыт знаменитым шведским химиком Берцелиусом. Не только чистый торий испускал лучи Беккереля, но и все соединения тория с другими веществами. Как и в случае урана, здесь выполнялось такое же правило: чем больше тория, тем сильнее лучи; ни от чего другого испускание лучей Беккереля не зависело. Когда Мария Кюри увидела, что уран не единственное чистое вещество, испускающее лучи Беккереля, но что таким же свойством обладает и торий, она сочла нужным придумать для этого свойства особое название — она назвала его радиоактивностью (от латинского слова «радиус» — луч; радиоактивность — способность испускать лучи). Уран и торий — это радиоактивные вещества, — так назвала их Мария Кюри, — и все их соединения с другими веществами тоже радиоактивны [1] .

1

Заметим, что радиоактивность тория и его соединений одновременно с Марией Кюри или даже немножко раньше открыл немецкий физик Шмидт. Но дальнейшие работы Шмидта оказались менее замечательными, чем дальнейшие работы Марии Кюри, а поэтому мы здесь ограничимся рассказом об открытиях, сделанных Марией Кюри.

Продолжая свою работу с радиоактивными веществами, Мария Кюри в том же 1898 году сделала неожиданное открытие, которое поставило её на короткое время в тупик. У неё было несколько образцов урановой смоляной обманки — руды, из которой добывается чистый металл уран. Эти образцы руды были выкопаны из земли в рудниках около чешского городка Иоахимсталь. Когда Мария Кюри начала исследовать электрометром эти куски руды, то обнаружилась непонятная вещь: если взять два препарата, содержащие в себе одинаковое количество урана, — но только один в виде химически чистого урана, а другой в виде куска руды из Иоахимсталя — и поднести и к тому, и к другому одинаково заряженный электрометр, то оказывается, что в присутствии иоахимстальской руды листочки электрометра спадают в несколько раз быстрее, чем в присутствии химически чистого урана. Значит, иоахимстальская руда испускает гораздо больше лучей Беккереля, чем препарат, содержащий такое же количество химически чистого урана. Это казалось очень странным, потому что количество лучей Беккереля, испускаемых тем или иным препаратом урана, должно было бы, казалось, зависеть только от количества урана и ни от чего больше. Когда Мария Кюри получила в своей лаборатории этот странный результат, она рассказала о нём своему мужу, известному французскому физику Пьеру Кюри. Пьер и Мария Кюри стали вместе думать о том, какая могла бы быть причина того, что иоахимстальская урановая руда в несколько раз более радиоактивна, чем химически чистый уран и его соединения. Подумав, они сообразили, что, вероятно, в иоахимстальской руде есть, кроме урана, ещё какое-то другое радиоактивное вещество, испускающее лучи Беккереля; присутствие этого другого вещества, которого нет в химических препаратах урана, — это и есть причина большей радиоактивности чешской руды по сравнению с чистым ураном.

Что же это за вещество, подмешанное к иоахимстальской руде и дающее столько лучей Беккереля? Ясно, прежде всего, что этого вещества там очень мало, иначе его давно заметили бы инженеры-химики, изучавшие химический состав урановой руды. А раз его там так мало и, несмотря на это, оно даёт так много лучей Беккереля, значит, это должно быть какое-то ещё неведомое химикам вещество, во много раз более радиоактивное, чем уран или торий. В иоахимстальской урановой руде спрятано неизвестное новое вещество, отличающееся огромной способностью испускать лучи Беккереля.

Пьер Кюри

Вот к какому заключению пришли Пьер и Мария Кюри, и сразу же перед ними встала заманчивая задача — извлечь из иоахимстальской руды это таинственное новое вещество, которого там так мало, что обыкновенными химическими способами никому не удалось его там обнаружить: ведь только электрометр, указавший на повышенную (по сравнению с чистым ураном) радиоактивность иоахимстальской руды, заставил это неизвестное радиоактивное вещество выдать своё присутствие.

С этого момента (с апреля 1898 года) Пьер и Мария Кюри решаются посвятить себя этой задаче — извлечению нового радиоактивного вещества из иоахимстальской руды.

Мария Кюри (Склодовская)

Пьер Кюри приостановил все другие работы, которые он вёл в своей лаборатории, и присоединился к работе Марии Кюри. Первым делом нужно было получить для обработки

большое количество материала, содержащего в себе это неизвестное вещество. Сама урановая руда очень дорога, и поэтому Пьер и Мария Кюри отказались от мысли получить её в чистом виде. Но урановая руда дорога только потому, что в ней есть уран, а ведь Пьеру и Марии Кюри сам уран был не нужен, и поэтому они охотно согласились получить не уран, а то, что остаётся от урановой руды после того, как из неё уже извлечён уран: этот остаток и должен был, по мнению Кюри, содержать в себе таинственное новое вещество. В Иоахимстале, на заводах, где перерабатывают добытую в рудниках урановую смоляную руду, делают так: руду сперва растирают в порошок, затем размешивают с содой и тщательно промывают горячей водой, к которой подмешано немного серной кислоты. При этом соли растворяются в воде, и их затем уже добывают оттуда. Но при такой промывке порошка горячей водой не всё растворяется в воде: осадок, в котором уже нет никакого урана, остаётся, и его просто выбрасывают (или, лучше сказать, выбрасывали в те времена, потому что теперь, после того, как Пьер и Мария Кюри научили химиков добывать из этого осадка новые радиоактивные вещества, он ценится ещё больше, чем чистый уран, а тогда он считался просто никому не нужным отбросом). Вот этот-то осадок Пьер и Мария Кюри и захотели исследовать; по их мнению, в нём должно было содержаться неизвестное вещество, которому иоахимстальская руда обязана своей повышенной радиоактивностью. Добыть это вещество из осадка было очень заманчиво: если даже ничтожная примесь этого вещества даёт так много лучей Беккереля, то сколько же лучей даст само вещество, если удастся его добыть в достаточно большом количестве! Ясно, что для этого понадобится переработать в лаборатории много пудов осадка, остающегося после удаления урана из смоляной руды. Всё это должно было потребовать от Пьера и Марии Кюри огромной работы, но их это не устрашило. У них не было денег, но, к счастью, удалось убедить известного миллионера барона Ротшильда пожертвовать несколько тысяч франков на устройство новой лаборатории; кроме того, австрийское правительство (Чехия тогда принадлежала Австрии, и иоахимстальские рудники были собственностью правительства) согласилось подарить настойчивым французским физикам целых два вагона отбросов, остающихся от урановой руды после добычи из неё урана. Всё это было привезено в Париж и свалено в лаборатории, которую устроили себе супруги Кюри. Сама «лаборатория» — правду сказать — имела не очень внушительный вид: это был большой сарай на улице Ломон, неудобный и сырой, в котором было лишь самое необходимое; приборов было очень мало, вентиляции почти никакой, так что многие химические реакции, при которых выделяются вредные газы, приходилось производить на дворе. Но сколько чудесных часов провели в том сарае Пьер и Мария Кюри, увлечённые поисками нового радиоактивного вещества!

Трудная задача предстояла Пьеру и Марии Кюри — потруднее, чем отыскать иголку в стоге сена. Здесь не удастся пересказать все те сложные и хитроумные химические способы, которые они придумывали и применяли к разделению исследуемого материала на составные части. К каждой такой составной части они подносили заряженный электрометр, чтобы узнать, испускает ли он лучи Беккереля или нет. Если нет, то они её выбрасывали, а если да, то её предстояло снова разделить на составные части, снова исследовать их при помощи электрометра, и так далее, и так далее, пока, наконец, таинственное вещество, за которым они так охотились, не будет выделено в чистом виде.

Очень скоро Пьер и Мария Кюри установили, что неизвестных радиоактивных веществ в исследуемом ими материале не одно, а два. Одно из них по своим химическим свойствам должно было быть похоже на висмут, потому что во всех химических реакциях, куда шёл висмут, туда шло и это вещество, присутствие которого было заметно по действию его лучей Беккереля на заряженный электрометр. Другое же вещество по своим химическим свойствам напоминало металл барий, потому что оно повсюду следовало за барием. Уже 18 июля 1898 года Пьер и Мария Кюри смогли добыть из иоахимстальской руды химический препарат с заметной примесью первого из этих двух веществ (похожего на висмут). Этому веществу ни дали название «полоний» (в честь Полыни — родины Марии Кюри). Полученный ими препарат полония был во много раз активнее, чем самый чистый уран. А через несколько месяцев, 26 декабря 1898 года, они послали в Академию новое сообщение: они добыли из той же руды другой препарат, в котором содержалось второе неизвестное вещество (похожее на барий). Препарат испускал лучи Беккереля в 900 раз сильнее, чем такое же количество чистого урана. Значит, в этом препарате должно было быть какое-то вещество, в огромное число раз более радиоактивное, чем уран. Добыть это вещество по возможности в большом количестве в чистом (или по крайне мере в сильно сконцентрированном) виде — вот что стало целью жизни Пьера и Марии Кюри. Для достижения этой цели они отказались от всего на свете, просиживали в лаборатории дни и ночи за кропотливыми химическими анализами, стараясь найти способ отделить неизвестное вещество от бария, за которым оно следовало по пятам во всех химических превращениях. Нужно был как-нибудь окрестить это неизвестное вещество, за которым они охотились, и они назвали его радием, т. е. «лучистым веществом», в честь тех мощных потоков лучей Беккереля, которые это вещество будет испускать, когда удастся сконцентрировать его в заметном количестве.

В 1902 году, через четыре года после начала работы Пьер и Мария Кюри получили первые несколько дециграммов чистого хлористого радия, т. е. соединения радия с хлором (на каждый грамм хлористого радия приходится 0,76 г радия и 0,24 г хлора). Несколько маленьких белых кристалликов в форме острых иголочек — вот что получили Пьер и Мария Кюри после четырёх лет работы, вот что они добыли из огромной груды переработанного ими иоахимстальского осадка. Но этот хлористый радий был в миллион раз радиоактивнее, чем такое же количество чистого урана, и этим Пьер и Мария Кюри были вознаграждены за огромную проделанную ими работу.

Заметим, что обыкновенно, когда добывают радий, ограничиваются тем, что получают его не в абсолютно чистом виде, а в виде его соединения с хлором или бромом. Впрочем, Мария Кюри в 1910 году получила радий и в чистом виде, пропуская через расплавленный хлористый радий сильный электрический ток: это тот же самый, известный всем ещё из школьных учебников, способ электролиза, которым можно разложить на хлор и натрий расплавленный или растворённый в воде хлористый натрий (поваренную соль). Выделенный в чистом виде радий оказался, как и следовало ожидать, блестящим белым металлом, похожим на барий или кальций, с которыми у него есть химическое сходство. Пьер Кюри не дожил до того дня, когда радий был выделен в совершенно чистом виде: нелепый случай лишил его жизни — 19 апреля 1906 года он погиб под колёсами телеги на улице Дофин в Париже.