Самый сокровенный секрет материи. Мария Кюри. Радиоактивность и элементы

Коллектив авторов

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.}

ГРАНДИОЗНАЯ РАБОТА

Хотя в их изначальные планы входило выделить оба элемента, после многих усилий им пришлось оставить полоний и заняться только радием. На основе предыдущих экспериментов супруги Кюри пришли к выводу о том, что его химические свойства проще, так что его легче выделить. Но был еще один дополнительный фактор, который превращал полоний в неуловимый элемент. Кроме того, что он был в крайней низкой концентрации, казалось, что он исчезает, испаряется. Как стало известно спустя много времени, полоний просто распадался, переходя в свинец. Радий подвергался сходному процессу, но у него это занимало тысячи лет, а полонию требовалось чуть более ста дней. Более того, концентрация полония была в 4000 раз ниже концентрации радия. Поэтому элемент не поддался Марии. Процесс оказался нелегким даже по сравнению с полонием. Со временем обнаружилось, что в трех тоннах урана содержится только один грамм радия. Эти пропорции определялись самим явлением радиоактивности, поскольку, как уже было указано, и радий, и полоний распадаются, переходя в другие элементы.

Работа, проведенная Марией в ангаре, в котором было столько дыр, что во время дождя у нее загрязнялись растворы, просто невероятна. Она обработала тонны материала, поступившего к ней из Йоахимсталя, отделяя порции по 20 кг, которые нагревались в огромных котлах, перемещаемых с помощью огромного железного бруса. Это была изнурительная физическая работа, проводимая в плачевных условиях, которые, как ни парадоксально, спасли ей жизнь. Плохая герметизация ангара, где работала Мария, и то, что иногда она трудилась во дворе на открытом воздухе, частично снимали воздействие ядовитых газов, которые образовывались в процессе. Это были как пары кислот и оснований, которыми она пользовалась, так и радиоактивный газ радон, образующийся при распаде радия, как выяснилось намного позже. Хотя физические усилия, должно быть, были огромными (а вначале она делала это почти в одиночку), это не останавливало гениальную женщину, которая сочетала это исследование с измерением проводимости. Несмотря на тяжелейшие условия работы, Мария утверждала, что была необыкновенно счастлива в это время:

«В то время мы были полностью погружены в новую атмосферу, которая была вызвана таким неожиданным открытием. Несмотря на помехи наших рабочих условий, мы были счастливы. […] Иногда, вечером, после ужина, мы возвращались в ангар, чтобы окинуть взглядом наши владения. Драгоценные результаты нашей работы, которые мы не могли уберечь от непогоды, лежали готовые на столах и верстаках; со всех сторон в тусклом свете был виден их силуэт; эти блики в темноте наполняли нас радостью».

Процесс сепарации для отделения урана из минерала, который проводился в шахтах, состоял в том, чтобы толочь настуран до получения пыли, которая смешивалась с карбонатом натрия и «жарилась», то есть подогревалась на воздухе. На эту твердую смесь воздействовали раствором серной кислоты, чтобы на жидкой стадии получить сульфат уранила и натрия, то есть необходимую часть минерала. Нерастворимый коричневый осадок отделяли и выбрасывали в ближайший сосновый лес. Именно этот материал поступил во двор Школы промышленной физики и химии в Париже.