Радий: история открытия радиоактивного элемента

На рубеже веков — точнее, в конце декабря 1898 г. — мир узнал об открытии новых химических элементов, способных распадаться с мощным выбросом энергии. Это были радий и полоний, а нашли их супруги Мария и Пьер Кюри.

Началось все за два года до того с подготовки диссертации. Выбирая тему, Мария наткнулась на информацию об эксперименте французского физика Антуана Анри Беккереля, который покрыл солью урана (сульфатом уранила калия) стеклянную светочувствительную пластинку, обернутую черной плотной бумагой, и положил материал на солнце. Через пару часов ученый развернул пластинку и увидел, что она засвечена. Это натолкнуло Беккереля на мысль, что солнечные лучи возбуждают в урановой соли рентгеновское излучение, однако последующие опыты показали: вещество воздействует на пластинку и без света. Так была открыта естественная радиация, не нуждающаяся во внешних возбудителях, — лучи Беккереля.

Одним из свойств этих лучей было выбивание свободных электронов из атомов воздуха, вследствие чего атомы превращались в положительно заряженные ионы, а электроны созда-вали электрическое поле. При увеличении числа отрицательных частиц напряжение между полем атмосферы и Земли росло, и в воздухе возникал электрический ток. Марии стало интересно, каков уровень атмосферной электропроводности, возникающей под влиянием лучей Беккереля, и в измерениях ей помог пьезокварц — прибор на основе кристалла, разработанный Пьером и его братом Жаком. Благодаря полученным результатам ученая определила мощность самого излучения и сделала вывод: уран испускает лучи сам по себе, независимо от сторонних воздействий. После этого Кюри захотелось найти еще какие-нибудь элементы с излучательной способностью (которую она назвала «радиоактивностью»), и нечто подобное обнаружилось у тория.

Продолжая исследования, Мария заметила, что минералы настуран и хальколит, содержащие уран, вчетверо радиоактивнее, нежели чистый уран. Ученая провела химический анализ этих соединений и, не выявив там тория, решила, что в минералах есть еще какой-то неизвестный элемент с очень сильной радиоактивностью.

Заинтересованный открытиями жены, Пьер «на время» оторвался от изучения кристаллов и подключился к ее работе. Отслаивая минералы в воде, супруги выделили несколько химически однородных частей, каждую из них проверили на способность испускать радиоактивные лучи и нашли два вещества с невероятно высоким уровнем излучения. Наверняка эти соединения содержат некий металл, похожий на висмут, предположили Кюри и сразу же придумали для него название — полоний, в честь Польши, где родилась Мария.

За последующие полгода супруги исследовали еще одно соединение с высокой радиоактивностью. В соединении присутствовала ничтожная доля бария — и неизвестный элемент (Кюри назвали его радием), испускающий очень мощный лучевой поток. Рассказав о своем открытии членам Французской академии наук, супруги поставили себе цель извлечь радий и полоний из соединений, но для этого им требовались материалы, специально оборудованное помещение и ассистенты, а денег катастрофически не хватало. Минералы, содержащие данные два элемента, можно было найти только в Богемии, и стоили они слишком дорого. Поэтому ученым пришлось довольствоваться отходами производства урана, которые им согласилась поставлять почти даром Академия наук Вены.

Полуразваленный сарай, принадлежавший Школе физиков, был превращен в лабораторию. Протекающая кровля, несколько грубо сколоченных деревянных столов, старая чугунная печка, котлы — вот и все, чем располагали физики-экспериментаторы. Полы и вытяжки в сарае отсутствовали, так что в дождь приходилось работать с распахнутыми настежь окнами, а в солнечную погоду переносить все примитивное оборудование на улицу.

Когда минералы были разделены на более простые составляющие, Мария поручила Пьеру как можно глубже изучить характеристики радия, а сама направила все усилия на получение чистых солей радия и полония (соединений с хлором, серой и водородом). Процесс был очень сложный и кропотливый. Чтобы перегнать 20 кг вещества, женщина заставляла всю «лабораторию» массивными котлами, кипятила материалы в воде, подолгу мешая ее железным стержнем, а когда выпадал осадок, переливала жидкость из одного чана в другой.

Из-за сложностей с выделением солей полония Мария решила оставить эту затею и полностью сконцентрироваться на радии. Добытое соединение Кюри досконально изучили и разослали для исследования всем заинтересованным физикам, в том числе Беккерелю. Результаты своих экспериментов они изложили в статьях, поведав, какие эффекты вызывают испускаемые солями лучи (в том числе передачу радиоактивности предметам посредством облучения), как на них действует магнитное поле и из чего состоит поток. Так, было определено, что лучи подразделяются на несколько видов: положительно заряженные альфа, отрицательные P и коротковолновые гамма. Кроме того, дабы пронаблюдать влияние радия на организм, Пьер облучил собственную руку, а затем детально описал процесс образования ожога и последующего продолжительного лечения.

После доклада Кюри радий стали добывать чуть ли не во всех странах Европы, причем именно тем способом, что придумали супруги. Это побудило одного крупного промышленника финансировать их дальнейшие исследования и даже выделить им под лабораторию часть своего завода. Теперь Кюри могли брать рабочий материал прямо на заводе и сразу же очищать его в лаборатории, добывая соли радия. За два года Марии удалось выделить 0,1 г хлорида радия, что было непросто, ведь в минерале соотношение этого элемента и урана составляет 0,3 г на тонну. Попутно ученая приблизительно вычислила атомный вес радия — 225, что означало: атом данного элемента в 225 раз тяжелее¹⁄₁₂ эталонного атома изотопа углерода.

В 1903 г. состоялась защита диссертации Марии — профессорá Сорбонны признали, что из всех диссертационных работ труд Кюри стал самым значимым вкладом в науку. В том же году супруги разделили с Беккерелем Нобелевскую премию по физике, и Мария оказалась первой женщиной, которой дали эту награду.

С момента открытия радиации и до середины 1940-х никто не осознавал ее пагубного влияния на здоровье. Пьер постоянно носил с собой флакон с солью радия и демонстрировал окружающим, как это чудесное вещество излучает свет и тепло. А еще он додумался прикрепить радиоактивный флакончик к руке на целых 10 ч и все это время наблюдал за «безболезненным» образованием ожога. Мария поставила такой же флакон на прикроватную тумбочку в качестве ночника, а днем носила его на шее как талисман (впрочем, в то время люди даже добавляли радий в пищу!). Но главное, супруги целыми днями работали с радиоактивными элементами без каких-либо средств защиты, из-за чего руки у них стали дрожать, а пальцы покрылись трещинами. Пьер страдал от хронической усталости и болей во всем теле, да и Мария чувствовала себя нездоровой, однако до конца жизни она так и не догадалась, что в недомоганиях виновно их открытие.

В 1910 г., уже после гибели мужа, Мария наконец-то выделила чистый металлический радий, чем доказала, что это самостоятельный элемент. Такого достижения вполне хватило бы для того, чтобы ученую приняли во Французскую академию наук, однако консервативное большинство академиков воспротивилось присутствию женщины в стенах учреждения.

В 1911 г. Марии вручили еще одну Нобелевскую премию — теперь уже по химии, и она стала первой среди ученых, кто удостоился этой награды дважды.