Превращение элементов

Рождение предвестника в сарае мертвецов

Известный французский математик Анри Пуанкаре заинтересовался X-лучами и обратил внимание на то, что исходят они из того места трубки, куда ударяются катодные лучи и где возникает сильная фосфоресценция. Возможно, полагал Пуанкаре, что сама фосфоресценция и является источником X-лучей. Его предположение взялись проверять несколько французских физиков. 10 февраля 1896 г. Шарль Анри сообщил Парижской академии о своих опытах с сернистым цинком. Он заворачивал фотографическую пластинку в чёрную бумагу, после чего помещал на неё кусочек сернистого цинка и некоторое время освещал солнечными лучами. После проявления на пластинке чётко видны были тёмные пятна, полученные от проникающей через бумагу фосфоресценции сернистого цинка. Подобные эксперименты поставил и Нивенгловский, использовав не сернистый цинк, а сернистый кальций. Пятна на пластинке точно обрисовывали контуры фосфоресцирующих кристаллов. То же самое проделал член Парижской академии Трост и получил такие же результаты. «Выбросьте свои хрупкие стеклянные трубки Крукса, — поспешил заявить Трост. — Невидимые X-лучи можно получить всюду, где есть фосфоресцирующие вещества».

Беккерели шли по фосфоресцирующей тропе. Ещё летом 1835 г. Антуан Сезар Беккерель наблюдал сказочную картину свечения Адриатического моря в Венеции и с тех пор увлёкся проблемой фосфоресценции. Сын его Эдмонд, также профессор физики, стал работать с отцом в той же области. В 1857 г. он описал многие фосфоресцирующие вещества и оставил после себя большую сводную работу по этой проблеме. С 1872 г. он занялся изучением фосфоресцирующих свойств урана, и в этой работе помогал ему третий представитель рода Беккерелей — Анри, ставший членом Парижской академии наук в 36 лет.

По совету Пуанкаре Анри Беккерель занялся проверкой: не являются ли X-лучи свечением фосфоресцирующих веществ?

Первые опыты как будто подтверждали мысль Пуанкаре. Беккерель действительно получил неясные силуэты фосфоресцирующих веществ на проявленных фотопластинках. Но эти результаты его мало удовлетворили — то ли из-за нечёткости силуэтов, то ли потому, что он в глубине души не был убеждён в справедливости догадки Пуанкаре. Беккерель повторил опыт, взяв для этого соли урана, благо их было достаточно в полученной по наследству коллекции отца. Он ожидал, что соль урана, которая, как считалось, фосфоресцирует сильнее, даёт более чёткие силуэты. Однако проявленная пластинка едва потускнела. Тогда Беккерель всё проделал сначала, с той лишь разницей, что на пластинку, как всегда завёрнутую в чёрную бумагу, он положил металлическую фигурку, а на неё насыпал урановую соль. Снова всё это облучил солнечным светом и проявил пластинку. На ней он увидел отчётливый силуэт металлической фигурки. Что ж, Пуанкаре, выходит, прав — при фосфоресценции действительно излучаются X-лучи… Впрочем, при встрече с Пуанкаре Беккерель выразился несколько осторожнее — не X-лучи, а подобные им.

В конце февраля 1896 г. в Париже установилась плохая погода, и Беккерель не смог продолжить эксперимент. Полностью подготовленные к нему пластинки и соль урана он положил в ящик стола. Прошло два дня, снова выглянуло солнце, можно было начинать опыт. Очевидно, интуитивное побуждение к чистоте эксперимента заставило Беккереля проявить одну из пластинок, прежде чем освещать их солнечным светом. И вот первая неожиданность: урановая соль оставила на пластинке следы. Сразу вопрос: каким образом? Беккерель твёрдо знал, что урановая соль в темноте не фосфоресцировала. Первый вывод: по-видимому, соли урана совсем не обязательно выставлять на солнце, чтобы они испустили какие-то лучи, как и лучи Рентгена, свободно проникающие сквозь плотную чёрную бумагу. Именно так Беккерель высказался 2 марта 1896 г. по поводу своих наблюдений в Парижской академии наук. По его мнению, между фосфоресценцией и испусканием рентгеновских лучей никакой связи нет. Это второй очень важный вывод.

Случилось парадоксальное. Эксперименты, поставленные Беккерелем, должны были подтвердить гипотезу Пуанкаре, но полученные результаты похоронили её. Так в науке бывало нередко, и Беккерель, как настоящий учёный, поступил в полном соответствии с известным изречением древних: Платон мне друг, но истина дороже. Возражения со стороны других учёных были. Были и предостережения. Не рано ли, говорили ему, ниспровергать гипотезу Пуанкаре, ведь Шарль и Нивенгловский — серьёзные исследователи, их опыты с засвечиванием пластинок сернистыми соединениями кальция и цинка давали подобный же эффект.

Беккерель проверял всё снова и снова как свои, так и те результаты, что были получены другими учёными, и каждый раз убеждался, что только вещества, содержащие в себе уран, дают тот эффект, который он обнаружил 1 марта.

К этому времени другой французский учёный, Анри Муассан, нашёл способ выделения химически чистого металлического урана. Беккерель получил в своё распоряжение немного такого урана, и он окончательно похоронил гипотезу Пуанкаре. Чистый порошкообразный металлический уран излучал неведомые лучи ещё сильнее, нежели его соли, и без всякого влияния на то солнечного света.

Беккерель назвал это таинственное излучение урановым, а в научных кругах его часто называли лучами Беккереля.

Это уже — открытие.

Беккерель открыл явление, которое окончательно подорвало старое представление о неделимости атома и неизменности химических элементов, хотя он этого сам до конца не понял. И слово «радиоактивность», которое теперь знают все и которым обозначают открытое Беккерелем явление, произнёс не Беккерель.

Но Беккерель подошёл, бесспорно, к той черте, когда перед ним со всей очевидностью вставал вопрос: что же представляют собой открытые им лучи и какие ещё элементы, кроме урана, способны их испускать?

Заняться решением задачи он предложил молодому профессору Пьеру Кюри, частому гостю его лаборатории. Этим очень заинтересовалась супруга Кюри — Мария Склодовская, она и начала интенсивное исследование, вооружившись более совершенной методикой, разработанной её мужем. Поиски Марии Склодовской-Кюри увенчались успехом, она установила, по её собственным словам, что «излучение соединений урана можно точно измерить в определённых условиях и что это излучение есть свойство атомов элемента урана; интенсивность излучения пропорциональна количеству урана, заключённому в соединении, и не зависит ни от рода химического соединения, ни от внешних условий, каковы, например, освещение или температура».

Это крайне редкое и загадочное свойство атомов некоторых элементов по предложению Марии Кюри было названо радиоактивностью (от слова «радиус», что значит «луч»). Случилось это в 1898 г. Запомним эту дату — ещё одну важную дату в цепи великих, славных и трагических открытий, которых мы коснёмся, однако, лишь в той мере, в какой это нам нужно для сюжета.

Нет пророка в отечестве своём. Когда на ежегодном заседании Парижской академии наук её президент Корню доложил собранию о наиболее значительных работах за истекший период, он исключительный интерес проявил к работам Рентгена и почти ничего не упомянул о Беккереле. Анри Пуанкаре, гипотезу которого Беккерель, выражаясь современным языком, «зарезал», заметил по этому поводу, что прекрасному физику Корню, видимо, изменила объективность. Сам Пуанкаре писал, что Беккерель «добавил новые лучи к славе своей династии». Пуанкаре показал себя в этой ситуации как настоящий рыцарь науки.

Можно слегка и оправдать президента академии тем, что не сразу выявилась особенность уранового излучения, его отличие от физических процессов, получаемых с помощью разрядной трубки.

В апреле 1898 г. Мария Склодовская-Кюри доложила академии о том, что существует не только урановое, но и ториевое излучение. Она не считала исчерпывающими все возможности своего поиска и продолжала долгую и кропотливую работу. Пьер Кюри оставил занимавшие его проблемы пьезоэлектричества и включился в работы жены. Научные лаборатории мира были взволнованы первыми результатами французских учёных и, как могли, старались помочь супругам Кюри. Одна из лабораторий предоставила им чистые соли и окислы, минералогическая коллекция музея выделила образцы самых разнообразных минералов. Анри Муассан дал чистый уран, от известного химика Эжена Демарсе поступили окислы редких и редкоземельных элементов. Всё опробовали Пьер и Мария Кюри, но, кроме тория и урана, ни один элемент не сигнализировал им своим излучением. И тут они натолкнулись на необъяснимое явление: два урановых минерала давали более интенсивное излучение, чем чистый уран. Возникло подозрение, что в минералах содержится примесь какого-то неизвестного элемента, более активного, чем уран. О влиянии примесей на фосфоресценцию, чем первоначально считалась радиоактивность, говорил ранее Пьеру Кюри Беккерель, когда предлагал поработать с урановым излучением: «Пьер, ведь вы физик и химик одновременно, проверьте, не имеется ли в этих излучающих телах примесей, играющих особенную роль». С этого, пожалуй, и началась работа Кюри с «беккерелевыми лучами», но лишь сейчас оправдались надежды самого Беккереля, хотя он имел в виду нечто другое.

Но предположение предположением, оно может и не оправдаться. Для проверки решили приготовить искусственный хальколит (так назывался один из минералов) с таким же составом, как у естественного. Замер его активности показал, что она во много раз ниже, чем у природного минерала. Пример исследования, когда отрицательный результат приводит исследователя к самым радужным надеждам.

Когда сорбонский профессор Г.Липпман информировал академию о статье М.Кюри, где высказывалось убеждение в том, что урановая руда содержит в себе неизвестный элемент, восторга такое сообщение не вызвало. Наоборот, сразу было заподозрено, что эксперимент проведён не в достаточной мере чисто и точно. Марию и Пьера Кюри, увлечённых поисками нового элемента, этот скепсис только подстегнул. Они были так убеждены в своей правоте, что уже и имя придумали таинственному пока незнакомцу — полоний. Им было очень трудно: явно не хватало опыта и знаний по методике разделения элементов, приходилось то и дело обращаться за помощью к специалистам. Тем не менее «поиски иголки в стоге сена» завершились успехом гораздо большего масштаба, чем ожидали. В июле 1898 г. они сделали сообщение об открытии нового элемента полония, а в декабре того же года известили о другом элементе — радии, интенсивность излучения которого в несколько сотен раз превосходила урановое.

Однако почему искали один элемент, а нашли два, и кто же в действительности из них первый — радий или полоний? При растворении урановой руды и последующим осаждением находящихся в растворе солей обнаружилось, что и осадок и фильтрат радиоактивны. Это дало основание подозревать, что в руде находятся два новых элемента. Последующее фракционное разделение полностью подтвердило это. Полоний соосаждался с висмутом, радий с барием. Хотя сообщение о полонии было сделано ранее, выделить его, пусть даже в виде чистых солей, оказалось значительно труднее, а без этого нечего было и рассчитывать на его признание. Радий отделялся гораздо легче, и на этом были сосредоточены все усилия Кюри.

Существование радия подтверждено было первоначально Э.Демарсе: в спектре концентрированного бариевого образца, с которым работали затем супруги Кюри, он обнаружил в ультрафиолетовой области новую линию. Это очень важное свидетельство, поскольку спектр элемента почитался такой же индивидуальной характеристикой элемента, как и его атомный вес.

Но хотя этой характеристики и было достаточно для признания радия, важно было знать также его атомный вес и химические свойства. В известной степени это обстоятельство и укрепило желание супругов Кюри проделать ту — без преувеличения — титаническую работу, которая вызвала потом восхищение во всём мире и которой посвящено немало ярких страниц в научной, научно-популярной литературе и публицистике. Благодаря ходатайству Парижской академии наук и поддержке Венской удалось от австрийского правительства получить несколько тонн отходов от переработки урановой руды в Богемии. Когда этот хлам, перемешанный с хвоей, был доставлен на тяжёлой подводе, Кюри обрадовались ему, как величайшему сокровищу. Да он и заключал в себе сокровище, только добыть его предстояло каторжным трудом. Старый заброшенный сарай — образец неудобства, настоящий холодильник, в котором двум (всего только двум!) французским учёным пришлось перерабатывать тонны отходов урановой руды в течение сорока пяти месяцев, стал таким же героем эпопеи, как и сами исследователи. Редко, однако, упоминается, что это был за сарай и почему у него была стеклянная крыша. В этом помещении когда-то помещали трупы и проводили анатомические вскрытия. Оно было совершенно заброшенным, поэтому его без дальних проволочек отдали в распоряжение Пьера Кюри. В мрачном обиталище мертвецов долго и мучительно рождался младенец, которому вскоре предстояло перевернуть устоявшиеся понятия в науке, открыть новую эру физики.

Скептически настроенные химики не отступали от принципа: «Покажите нам радий — и мы поверим!»

Требование химиков было выполнено супругами Кюри уже после того, как XIX век уступил место XX.

И вот итог этой неустанной работы, львиная доля которой выполнена Пьером и Марией Кюри.

«Работы, сделанные в то время нами и некоторыми другими учёными, — писала впоследствии М.Склодовская-Кюри, — выясняли главным образом свойства лучей, испускаемых радием, и доказывали, что эти лучи принадлежат к трём различным категориям. Радий испускает поток частиц, обладающих большими скоростями; некоторые из них имеют положительный заряд и образуют альфа-лучи; другие обладают отрицательным зарядом и образуют бета-лучи. Эти две группы при своём полёте отклоняются магнитом. Третья группа состоит из гамма-лучей, нечувствительных к действию магнита и, как теперь известно, являющихся излучением, сходным со светом и рентгеновскими лучами».

Прочитав это, мы невольно вспоминаем споры вокруг катодных лучей, открытие каналовых лучей и гипотезу Пуанкаре о связи фосфоресценции с испусканием лучей Рентгена… Какими извилистыми тропами шла мысль учёных к истине, которая спустя некоторое время становилась бесспорной и самоочевидной!

Как и Беккерель, супруги Кюри, получившие выдающиеся результаты при изучении явления радиоактивности, не смогли увидеть в этом явлении всего того, что увидели последующие поколения исследователей, что, конечно, никоим образом не умаляет их великого вклада в науку. Просто каждому — своё.

Но уже тогда Пьер и Мария Кюри предвидели общественную и социальную опасность, таящуюся в том явлении, которое они изучали. В Нобелевском докладе (Нобелевская премия супругам Кюри и Беккерелю была присуждена в 1903 г.) Пьер Кюри писал: «Можно думать, что в преступных руках радий способен быть очень опасным, и можно в связи с этим спросить себя: выиграет ли человечество от познания тайн природы, достаточно ли человечество созрело, чтобы извлекать из него пользу, или же это познание принесёт ему вред?»

Д.И.Менделеев сообщение об открытиях супругов Кюри получил от своего ученика варшавского химика И.Г.Богуского, двоюродного брата Марии. Оно не могло не заинтересовать великого учёного.

Новые элементы — каковы их свойства, где им место в таблице? Само явление радиоактивности заставило Менделеева, как и весь учёный мир того времени, глубоко задуматься.

В 1902 г. Менделеев отправился в научную командировку во Францию; конечно, он побывал и у Беккереля, и у Кюри, чтобы убедиться самому во всём том, о чём так много говорят и пишут. Он записал тогда: «Всё, что можно, радиоактивное видел». В письме Винклеру Дмитрий Иванович очень осторожно высказался о природе радиоактивности: «Что же касается до той Вашей мысли, что радиоактивность есть следствие некоторых физико-химических отношений вроде магнетизма, а не определяется одною химическою природой радия, то я справедливость её вполне разделяю, пока не явится что-либо более убедительное, чем современные опыты».

Точно так же он в то время относился и к явлению трансмутации, которое, по его мнению, «ни разу ещё не доказано с достаточной убедительностью». Откуда берётся энергия для того, чтобы вырвать заряженные частицы из нейтрального атома? На этот вопрос не было ответа.