Сага за радиоактивността и нейните откриватели (100 години радиоактивност)

   
 

 

Уводни бележки

Откриването на естествената радиоактивност стана точно преди 100 години като едно от поредицата научни събития, довели до съвременните представи за строежа на атомите. Това откритие става през 1896 г., една година след това на рентгеновите лъчи, и донякъде е предизвикано от тях. През следващата 1897 г. Томсън измерва специфичния електричен заряд на електрона и с това открива първата елементарна часатица, а през 1898 г. са открити радиоактивните елементи полоний и радий. Тези събития ръзтърсват съвременния научен свят в края на 19-ти век. Налага се законите на термодинамиката и понятието за запазване на масата да бъдат преразгледани в светлината на новите идеи за запазване на енергията. Диапазонът на електромагнитните лъчи се обогатява с още два вида лъчение (рентгеново и гама), а периодичната таблица на елементите - с два нови елемента.

Днес последствията от откритието на радиоактивността са толкова важни за човечеството, че наистина е трудно да разберем как първото съобщение за това откритие е останало почти незабелязано от физическата общност, която не осъзнава неговата важност и последствия, нито че с него ще започне революция във физиката на 20 - ти век. Не е учудващо, че даже самият откривател Анри Бекерел постепенно загубва интерес към новото явление и си го възвръща едва след няколко години, когато други двама френски физици - Пиер и Мария Кюри откриват два нови елемента, излъчващи "уранови лъчи" много по - силно от самия уран.

Измежду многото световни открития на френски учени, откриването на радиоактивността е на едно от първите места, то е национална гордост, за което говори фактът, че новата 500 франкова банкнота е с образите на Мария и Пиер Кюри и схема на радиевите лъчи. И каква ирония на съдбата - образите на тези сравнително бедни физици са върху най-високата по стойност френска банкнота!

 

Анри Бекерел: случайност ли беше откриването на радиоактивността?

През март 1896 г. Анри Антоан Бекерел открива радиоактивността. Неговият успех се дължи на семейна традиция - той е трето поколение в едно семейство, където научните изследвалия в областта на физиката са на висока почит.

Семейството на Бекерел е един от малкото случаи в света, когато четири поколения посвещават живота си на науката: първият Бекерел живее по времето на Наполеон, а четвъртият - умира след края на Втората световна война. Биографиите на тези мьже са сходни - те всички са възпитаници на Есоlе Normal Superieure и след това продължават образованието си в Ecole Politechnique (Политехниката). Всички те работят в Природо-историческия музей в Париж, където имат прекрасна изследователска лаборатория, финансирана от държавата, и в който има богата сбирка от минерали. Научните им постижения са оценена по достойнство и те всички стават членове на Френската Академия на науките.

Третият Бекерел - Антоан Анри, роден през 1852 г. - е най-известният физик в това семейство. След щастливото детство на професорски син, който си играе в близката до дома им Jardin des plantes или в музея при баща си (семейството живее в Латинския квартал и както всички Бекерел е заможно и приемано от интелектуалния елит на Париж), той влиза в Политехниката, но след 2 години преминава в друго реномирано висше училище - Есоlе des ponts et des chaussees, но преди да си вземе дипломата на инженер започва да помага на баща си в един научно - изследвателски проект, който завършва с откриването на магнито-оптичното поле. На 24 години започва да чете лекции в Политехниката, но продължава активна изследователска работа върху магнитните свойства на газовете и на въртене плоскостта на поляризация на светлина в магнитно поле. Той е много сръчен експериментатор, като замисля и осъществява опити с минимални финансови средства. По - късно продължава изследванията на баща си върху емисионния спектър на Слънцето и на горещи метални пари в инфрачервената област. На 34 годишна възраст защитава дисертация на тема: "Изследвания върху поглъщането на светлина".

Интересът на Анри Бекерел към поглъщането на светлина от кристали започва от 1886 г., когато той обръща внимание на ролята на симетрията на кристала при поглъщането на спектри от поляризирана светлина. Той открива, че четиривалентните съединения на урана не са фосфоресцентни, докато ураниловите соли проявяват ярка луминесценция при същите условия на възбуждане. Също като баща си и той е привлечен от явлението фосфоресценция, но по онова време никой не предполага какви тайни крие загадъчният елемент уран. Може да се смята, че това е първата стъпка към голямото откритие.

Анри Бекерел става член на Академия на науките на 36 годишна възраст. Въпреки голямото отличие, той продължава да работи неуморно и през 1890 г. публикува голяма статия върху температурата на почвата, работа, която той започва заедно с дядо си. Анри Бекерел умира през 1908 г. от сърдечен удар.

В средата на миналия век друг френски учен - Абел Нипс - изучава флуоресценцията и фосфоресценцията. Той специално се интересува дали осветено на слънце тяло продължава да излъчва и на тъмно. Резултатите си той публикува в няколко статии и накратко те се свеждат до следното:

  • някои осветени на слънце съединения продължават да светят и на тъмно, точно както и при пряко осветяване;
  • особено силен ефект проявява съединението уранов нитрат.
  • "активността" на съединението да излъчва светлина се проявява по действието му върху фотографска плака;
  • "активността" продължава и от разстояние на тъмно, но не преминава през стъкло;
  • ефектът не се дължи на фосфоресценция.

Крайният извод е, че невидими "химически" лъчи предизвикват фосфоресценцията на съединението.

Забележително е колко силно тези изводи от опитите на Абел Нипс приличат на опитите на Анри Бекерел, извършени 30 години по-късно! Специално историческо разследване с възпроизвеждане опитите на Нипс обаче стига до извода, че даже и опитите да са били правилно поставени и изводите - верни, Нипс не дава правилната интерпретация. В началото на опитите си подобно объркване прави и Бекерел, но голямата му заслуга е в доказателството, че наблюдаваният ефект се дължи именно на урана.

Към края на 19-ти век Круксовите тръби стават нещо обикновено във Физическите лаборатории за получаване на катодни лъчи. Катодните лъчи, които преминават през стените на вакуумната тръба предизвикват ярка флуоресценция върху екран, покрит с бариев платиноцианид. През 1895 г. немският физик Вилхелм Рьонтген, опитвайки се да спре тези лъчи с тънък картон, забелязва, че екранът не спира да свети. Когато той поставя по - плътна преграда светенето спира, но след това отново се появява при поставяне на тънка дървена или алуминиева пластинка. А когато на мястото на пластинката поставя фотоплака установява, че плаката бързо почернява. Тези неизвестни дотогава лъчи са като "невидима светлина" и преминават през непрозрачни прегради и плътни вещества. Рьонтген ги нарича Х-лъчи. Откритието му бързо става известно, защото за доказателство той публикува първата "рентгенова снимка" - ръката на жена си Берта - на която добре се виждат костите и пръстенът.

На поредната сесия на Академия на науките математикът Анри Поанкаре и Анри Бекерел коментират откритието на Рьонтген и Поанкаре предполага, че тъй като вероятно Х-лъчите се появяват при флуоресценция от стените на Круксова тръба, сигурно и други флуоресциращи вещества може да излъчват освен видимата и невидима светлина (Х-лъчи). В действителност рентгеновите лъчи се излъчват от стените на тръбата, когато върху нея падат ускорени електрони, така че предположението на Поанкаре е погрешно, но то насочва вниманието на Бекерел и доста други физици да търсят подобни лъчи при флуоресцентните вещества.

Бекерел продължава изследването на урановата сол и установява нещо много важно - новото лъчение прави въздуха електропроводящ и разрежда бързо зареден електроскоп. Това свойство се използва 2 години по-късно от Мария Кюри за точен и бърз анализ на радиацията от различни минерали и вещества. В доклада си пред Академия на науките на 23 март 1896 г., най - важната статия от тази поредица, той пише, че фосфоресценцията от соли без примес на уран не дава никакъв ефект, а урановият сулфат, който въобще няма фосфоресценция, предизвиква силно почерняване на фотоплаката. В следващата си статия Бекерел сравнява двата метода за регистриране на новите "лъчи" - фотоплаката и електроскопа. Два месеца по - късно той потвърждава, че всички уранови съединения са активни, но най - силен ефект дава чистият уран. В последния си доклад за 1896 г. Бекерел за пръв път назовава новото лъчение "уранови лъчи".

Откритието на Бекерел обаче не предизвиква онази сензация в научния свят, която прави това на Рьонтген година преди това. Самият Бекерел постепенно губи интерес към него, което се вижда и от публикациите му: през 1896 г. той посвещава на новото явление 7 статии, само две през следващата година, нито една през 1898 г. и една през 1899 г. Две години след откриването на "урановите лъчи" Бекерел насочва вниманието си към ефекта на Зееман! Истинската природа на тези лъчи остава неясна, както и източникът на енергия, която отнасят новите лъчи.

До пълно забвение на откритите от Бекерел лъчи обаче не се стига, защото още през първите месеци на 1898 г. двама физици, независимо един от друг, се заемат с тяхното изследване. Това са Мария Склодовска - Кюри във Франция и Герхард Шмид в Германия, които откриват, че торият излъчва лъчи, подобни на урановите. По същото време и Ърнест Ръдърфорд в Кеймбридж се заема с изучаване на новите лъчи като открива два вида лъчи, назовавайки ги съответно алфа - и бета - лъчи. Терминът радиоактивност е въведен от Мария Кюри след откритието, заедно с Пиер Кюри, на двата нови елемента полоний и радий.

Така светът дължи на Анри Бекерел откриването на естествената радиоактивност. Именно той, с целия опит на баща си и дядо си във Физическата лаборатория на Природно - историческия музей, дава правилна интерпретация на явлението, наблюдавано и от доста други физици, даже 30 години преди това. Както е казал Луи Пастьор "Късметът идва при подготвения човек". По този повод самият Бекерел коментира: "Беше съвсем естествено, че откриването на радиоактивността стана именно в нашата лаборатория, ако баща ми беше жив през 1896 г., сигурно той щеше да е откривателят".

 

Мария и Пиер Кюри: Лесно ли е да си беден учен, та макар и гениален?

Двамата учени, които се заинтересуват от откритите от Бекерел уранови лъчи и започват изучаването им, Мария и Пиер Кюри, съвсем не са галеници на съдбата. Нещо повече, когато се присъединява към жена си в изучаване на радиоактивността, Пиер Кюри е вече известно име във физиката с 15-годишен опит на експериментатор и е направил няколко забележителни открития и разработки на прибори, носещи неговото име. За да изхранва семейството си обаче той трябва да работи като преподавател и единственото, което му предлага за научна лаборатория благосклонният към него директор на учебното заведение, е едно малко и необорудвано помещение до стълбището на сградата. Едва след като става Нобелов лауреат по физика за него създават катедра в Сорбоната, но даже и тогава не е избран за член на Френската академия на науките, нито по-късно е избрана Мария Кюри, носителка на две Нобелови награди - по физика и по химия. След откриване на радия и осъзнаване от цял свят на неговите приложения в медицината, те биха могли да патентоват технологията за получаването му, но двамата решават да не черпят материални изгоди от своето откритие и публикуват всичко с такива подробности, че някои фабриканти започват производството му. А цената на радия е изключително висока. Всички предложения за ордени и почетни отличия Пиер Кюри отклонява с думите, че не слава му е нужна, а оборудвана лаборатория, в която да може спокойно да работи без грижа за насъщния... Такава обаче не получава докато е жив, а той загива при нещастен случвай на 45 одишна възраст. Останала сама, Мария продължава с присъщата си изключителна упоритост да се бори: "продължава обработката на уранова руда; за да извлече достатъчно количество от новите радиоактивни елементи и определи атомните им тегла, което да е истинско доказателство за тяхното съществуване. Все пак, като голямо признание към нейната дейност и малка утеха след сполетялото я нещастие, приятелите на семейството успяват да се преборят с консерватизма и ръководството на Сорбоната и предлага да поеме курса на мъжа си. Тя е първата жена - професор в Сорбоната! Познава славата, но най - вече; неприятната и страна - непрекъснато е търсена от журналисти и други любопитни за разговори, коита губят много от скъпоценното за работа време. Все пак, благодарение на извоюваното с такива неимоверни усилия положения в науката към края на 20 - те години на миналия век тя успява да осъществи своята и на Пиер мечта. По съвместна инициатива на Университета и Института Пастьор е създаден Радиевият институт с две лаборатории - Лабораторията Кюри и Лабораторията Пастьор за физико - химични и биологични изследвания на радиевите лъчи. Улицата, по която се отива до този институт (недалеч от Люксембургската градина) е наречена на името на Пиер Кюри. Днес в павилиона Кюри се намира музеят на Мария Кюри - нейният работен кабинет, запазил автентичната обстановка от началото на 30 - те години, включително и черната и сатенена престилка, метната на стола пред бюрото. Обстановката поразява със скромността си, както впрочем и целият живот на Мария и Пиер Кюри, а в павилиона Пастьор и днес се провеждат биофизични изследвания, свързани с раковите заболявания.

Семейство Кюри, подобно на семейство Бекерел, дава няколко поколения бележити физици. Второто поколение, Ирен и Фредерик Жолио - Кюри, откриват изкуствената радиоактивност, а преди това почти откриват неутрона, построяват първия циклотрон във Франция и с него получават много нови радиоелементи. Третото поколение от това семейство - внучката на Мария Кюри, Елен Ланжвен, е известна с трудовете си в областта на ядрената физика. Тя работи в най-големия Научно - учебен център във Франция, Университета Париж-Юг (Орсе).

 

Откриване на радия и полония

Работата си по изучаване на урановите лъчи Мария Кюри започва през декември 1897 г. Работата едва ли би напреднала особено, ако още в началото не се намесва експерименталният гений на Пиер. Те решават, че свойството на урановите лъчи да йонизират въздуха е много по - подходящо за точни и бързи количествени измервания, отколкото почерняването на фотоплаката. Самият Бекерел след като установява, че новите лъчи предизвикват електропроводимост на въздуха, се опитва да използа електроскоп, но резултатите му не са особено надеждни и той го изоставя. Специално за измерванията на жена си Пиер Кюри конструира уред, включващ плоскопаралелна йонизационна камера и създадения от него преди години електрометър с пиезокварц. Разработва и специален компенсационен метод, при който натрупаният заряд на единия електрод на камерата се компенсира от заряда, възникващ в тънък и дълъг кварцов кристал при поставяне на подходяща теглилка в долния му край. С продължаване на йонизацията в обема на камерата се извършва допълнително отклонение на нишката на електрометъра от равновесното положение. Времето за отклонение до дадено деление дава мярка за тока на насищане, който пък зависи от йонизационната способност на материала, насипан върху долния електрод на камерата. С разработения от Пиер уред могат да се измерват по абсолютна стойност токове от порядъка на рА. Интересно е да се види как в работната си тетрадка Мария отбелязва интензитета на радиацията чрез грамовете компенсиращо тегло върху пиезокварцовата везна и времето за зтклонение на нишката от нулата до определено деление по скалата на електрометъра в секунди. Този прибор, създаден от Пиер Кюри, се използва от всички изследователи на радиоактивни материали чак до 50-те години.

През февруари 1898 г. Мария Кюри започва системно изучаване на всички елементи и съединения, които може да намери от училището, в което работи Пиер, от музеи, частни колекции и пр. Тя установява, че всички "активни вещества" съдържат или уран или торий, чието свойство тя открива независимо от немеца Шмид, съобщил за това в публикация от февруари 1898 г. От системните си изследвания тя стига до извод, който по-късно става един от принципите на радиоаналитичната химия - че съществува пропорционалност между съдържанието на урана и интензитета на лъчението. Всъщност, с цялата си дейност, Пиер и Мария Кюри стават създатели, на радиохимията.

Мария Кюри обаче забелязва две изключения: рудата уранова пехбленда (уранов двуокис) е 4 пъти по - активна от урана, а минералът халколит - 2 пъти по - активен. Това противоречи на основния принцип, но Мария намира обяснение: "Този факт е забележителен и подсказва, че в тези минерали може би има друг елемент, който е много по-активен от урана". Изводът й не е просто спекулация или гениална интуиция, защото тя привежда следното доказателство: "Аз синтезирах халколит с чисти химикали по метода на Дебрей и този изкуствен халколит не е по-активен от другите уранови соли."

Мария Кюри се натъква и на активността на някои калиеви съединения с тантал и ниобий. Тези два метала нямат дългоживущи радионуклиди, така че без да знае тя открива радиоактивността на калий - 40.

Един месец след началото на истинските изследвания резултатите са толкова заинтригуващи, че Пиер изоставя собствената си работа и се включва активно в търсенето на новия силно активен елемент. В първата си публикация Мария Кюри обявява радиоактивността на тория (тя още не знае, че Шмид вече е публикувал такъв резултат). Във втората си публикация, вече съвместно с Пиер (на първо място), тя твърди, че търсенето на "по-активен от урана елемент" е успешно. Тук тя за пръв път използва термина радиоактивен. Тази статия е представена от Анри Бекерел на заседание на Академия на науките, но самият той не е между авторите.

От този момент нататък изследванията на радиоактивността преминават от физиката към химията. Но нито Мария, нито Пиер са химици, затова търсят консултациите на Густав Бемон, тогава отговарящ за практикума по химия в Училището по физика и индустриална химия. Във втората публикация те му изказват благодарност.

Материалът, с който работят те, е взет от известната уранова мина Иоахимстал в Чешка Бохемия, някога известна с богатите си сребърни залежи, от които австрийският монетен двор сече монети - талери (на чешки звучи толер и в Америка думата се превръща в долар). След изчерпване на среброто в мината остава много богата на уран руда, която се използва производство на оцветители на стъкло. След многогодишна експлоатация на тези рудницй до неотдавна, днес мястото е известно с лечебните си минерални извори, богати на радон. Разбира се, първото количество уранова пехбленда семейство Кюри купува със собствени средства, но по-късно с помощтта на Австрийската академия на науките те получават дар от 100 кg, а след това и купуват на ниски цени няколко тона.

След многократно отделяне Мария Кюри успява да получи утаечни сулфиди със 150 пъти по-силна активност от тази на урана. Пиер нагрява до няколко стотин градуса тази утайка в евакуирана тръба с температурен градиент по дължината й. Откриват, че активността се е натрупала в по - ниско-температурната част на тръбата - при около 250-300 °С и извлеченият черен слой е 330 пъти по - активен от урана. Скоро след това те публикуват резултатите си в статия, завършваща с думите: "Смятаме, че веществото, което открихме в пехблендата, е неизвестен досега метал, подобен на бисмута по химичните си свойства. Ако съществуването на този метал се потвърди, предлагаме той да бъде наречен полоний в чест на родината на единия от нас." Това название е политически предизвикателно, защото по това време Полша изобщо не съществува като независима държава, а е под руска администрация.

Възлагат на своя приятел, опитния спектроскопист Демарсе, да направи спектроскопски анализ на новото вещество, но той не открива нова линия, характерна за неизвестния елемент. Днес този отрицателен резултат не е изненадващ като се знае, че в 100-те грама на образеца на Кюри е имало не повече от 6 нанограма полоний, което може да се изчисли по равновесното масово количество на уран-238 към полоний-210 (1,34.1010). Даже при 100 % добив при отделянето, това е много по-малко от границата на чувствителност на спектроскопията от онова време. 12 години по-късно Мария Кюри и Андре Дебиерн извличат около 0,1 mg Ро (0,45 Ci) от няколко тона изходен материал и едва тогава в искровия спектър на образеца за пръв път се виждат няколко характерни линии на новия елемент полоний. Много по-късно в радиевата рафинерия в Порт Хоуп от 37 тона оловен окис е извлечено 100 пъти по-голямо количество полоний - 210 от това на Кюри и Дебиерн.

По времето на извличане на полония от урана Кюри не знаят нищо за генетичната връзка между тези елементи. Те не знаят нищо и за радиоактивното разпадане и за краткото време на живот на полоний - 210 (138 дни). Те просто са имали късмет, че неговият период на полуразпада не е почти равен на времето, което са употребили за отделянето му - 3 месеца. С неприятна изненада откриват след година, че скъпоценният полоний просто е изчезнал! Те даже не са имали представа, че работят със следови количества, т.е. че са под границата на чувствителност на всички възможни аналитични методи. Те въвеждат обаче още едно радиохимично понятие - "носител". В случая на полония носител е бисмутът. Фактът, че винаги полоният се явява с бисмут кара Мария Кюри дълги години да смята, че те имат аналогични химични свойства. В химията на белязаните атоми не е задължително химичните свойства на елемента в микроколичество да са аналогични на свойствата на носителя, върху чиито микрокристалчета неговите атоми са се отложили. По-късно се оказва, че полоният изобщо не е в една химична група с бисмута. А на кое място да поставят новия елемент в Периодичната таблица е въпрос, който не ги вълнува! Между бисмута (Z = 83) и урана (Z = 92) има толкова свободни места...

Третата статия на семейство Кюри е от 26 декември 1898 г. и подобно на вторага завършва с твърдението "за съществуване на още един силно радиоактивен елемент в пехблендата". Те намират полония във фракцията от неразтворими сулфиди, а в богатата на барий фракция установяват наличието на друг елемент със силно различни свойства от тези на полония. И в този случай, разбира се, барият играе юлята на носител, но те приписват свойствата на бария и на новия елемент. Първака им проверка е дали самият барий не е радиоактивен. Те купуват 50 кg бариев хлорид и от него извличат след обичайните от преди процедури 10 g барий. Той се оказва неактивен, така че изводът им е, че новият елемент е примес в рудата.

Второто доказателство е постепенното концентриране на радиоактивното вещество чрез фракционна кристализация на бариев хлорид. Накрая те получават фракция, която е 900 пъти по-активна от урана. Тук обаче се налага да спрат преработката, защото изходният материал свършва. Но този път спектроскопският анализ е успешен и приятелят им Демарсе докладва на заседание в Академия на науките, че е наблюдавал неизвестна дотогава линия с дължина на вълната 3814,8 , чийто интензитет расте с увеличаване на активността на съответната фракция. Авторите Кюри пишат в третата си статия: "Смятаме, че това е много сериозна причина да свържем новата линия с радиоактивното вещество. Различните аргументи, които изброихме дотук, ни карат да мислим, че новото радиоактивно вещество представлява нов елемент, който предлагаме да бъде наречен радий." Не е трудно да се установят химичните свойства на новия елемент; той принадлежи към групата на алкалоземните метали, за които типично свойство е сулфатите им да са неразтворими. В работната тетрадка Пиер отбелязва с въпросителен знак "Радиевият сулфат е по - разтворим в концентрирана сярна киселина от бариевия сулфат".

Но официално доказателство за откриване на нов елемент се счита определянето на атомното му тегло. От равновесното масово количество на радий - 226 в уран - 238 се очаква в техния краен образец да е имало около 30 микрограма радий, количество съвсем недостатъчно за определяне на атомното тегло. Този проблем с атомното тегло преследва Мария Кюри в продължение на години. През 1902 г. тя успява да оцени атомното тегло: 225 1 (днешната стойност е 226,0254). Тази удивително близка до истинската стойност е получена от самосветещ образец, в който е имало 0,120 g радиев хлорид, а отношението радий към барий е 106, т.е. този образец е бил 1 милион пъти по-активен от урана! Направено от тях сравнение на активностите на U, Th, Ро и Rа показва, че Ро и Rа дават изображение на фотоплаката след половин минута експониране, докато за U и Th е трябвало да се чака няколко часа.

 

Епилог

Голямото откритие на Анри Бекерел, а също и несъмненият принос на Мария и Пиер Кюри за изследване на новото явление са оценени от световната общественост в лицето на Нобеловия комитет. Те си поделят третата Нобелова награда по физика през 1903 г., присъдена: на Анри Бекерел "за откриване на спонтанната радиоактивност" и на Пиер и Мария Кюри "за общите им изследвания на откритото от Бекерел лъчение". Странна формулировка, тъй като въведеният от Кюри термин "радиоактивност" е свързан само с името на Бекерел...

През 1911 г. Мария Кюри получава Нобелова награда "за заслугите й към химията с откриване на елементите радий и полоний, за изолирането на радия и за изучаване на химичната природа и съединенията на този забележителен елемент".