Открытие искусственной радиоактивности Жолио-Кюри (1934)

Наследники Кюри

Ирен Кюри родилась в 1897 году в Париже в семье Пьера Кюри и Марии Склодовской-Кюри, открывших полоний и радий. В годы Первой мировой войны, будучи еще девушкой, она вместе с матерью работала с передвижными рентгеновскими установками в прифронтовых госпиталях. После войны она стала сотрудницей Института радия, которым руководила ее мать, и защитила диссертацию об альфа-излучении полония.

Фредерик Жолио родился в 1900 году в Париже в семье коммерсанта, окончил Высшую школу физики и химии и в 1925 году по рекомендации Поля Ланжевена поступил ассистентом в Институт радия. В 1926 году он женился на Ирен, и супруги стали подписывать работы двойной фамилией Жолио-Кюри. Они составили один из самых известных научных дуэтов XX века: Ирен славилась методичностью и глубоким знанием радиохимии, Фредерик - изобретательностью и экспериментальным чутьем.

Их главным преимуществом был доступ к одному из самых мощных в мире источников полония - излучателя альфа-частиц, накопленного в Институте радия за многие годы.

Упущенные открытия

В начале 1930-х годов супруги Жолио-Кюри дважды оказывались в шаге от великих открытий, но не сумели правильно истолковать свои результаты. В январе 1932 года они обнаружили, что излучение, возникающее при облучении бериллия альфа-частицами, выбивает протоны из парафина, но приняли его за гамма-лучи. Через несколько недель Джеймс Чедвик в Кембридже доказал, что это излучение состоит из нейтронов. Затем они видели в камере Вильсона следы положительно заряженных электронов, но приняли их за электроны, движущиеся в обратную сторону, а позитрон был открыт Карлом Андерсоном в Калифорнии. Эти открытия разобраны в отдельных статьях.

Эти неудачи, по воспоминаниям коллег, болезненно переживались в Париже. Жолио-Кюри продолжали исследовать ядерные реакции, возникающие при облучении легких элементов альфа-частицами.

Сольвеевский конгресс 1933 года

В октябре 1933 года на седьмом Сольвеевском конгрессе в Брюсселе, посвященном строению атомного ядра, супруги Жолио-Кюри доложили, что при облучении алюминия и бора альфа-частицами испускаются не только нейтроны, но и позитроны. Они предположили, что в реакции одновременно образуются нейтрон и позитрон. Доклад был встречен скептически. Лиза Мейтнер заявила, что в ее собственных опытах подобного эффекта не наблюдалось. Однако Нильс Бор и Вольфганг Паули в частных беседах ободрили молодых исследователей, посоветовав продолжать работу.

Излучение, которое не прекращается

Вернувшись в Париж, Жолио-Кюри поставили новые опыты. В середине января 1934 года Фредерик Жолио облучал алюминиевую фольгу альфа-частицами полония и регистрировал испускаемые позитроны счетчиком Гейгера. Он менял расстояние между источником и мишенью, чтобы изучить зависимость испускания от энергии альфа-частиц. И тут он заметил необычное: когда источник полония убирали, счетчик продолжал регистрировать позитроны. Их число постепенно уменьшалось, спадая вдвое примерно за три минуты, - точно так же, как убывает активность радиоактивного вещества.

Это означало, что алюминий сам стал радиоактивным. Альфа-частица, проникая в ядро алюминия, вызывала образование нового, неустойчивого ядра, которое затем распадалось с испусканием позитрона. Позитрон не рождался одновременно с нейтроном, как предполагалось раньше, а испускался позже, при распаде нового ядра. Аналогичные результаты были получены для бора и магния, но с другими периодами полураспада.

Химическое доказательство

Чтобы доказать, что образуется именно новый элемент, требовалось химически выделить его. Жолио-Кюри предположили, что при поглощении альфа-частицы и испускании нейтрона ядро алюминия превращается в ядро радиоактивного фосфора с массой 30, которое затем распадается на кремний и позитрон. Из бора должен был образоваться радиоактивный азот, из магния - радиоактивный кремний.

Задача была трудной: новые изотопы существовали лишь несколько минут, а их количество было ничтожно малым - несколько миллионов атомов. Ирен, опытный радиохимик, разработала быструю методику. Облученную алюминиевую фольгу растворяли в соляной кислоте; фосфор выделялся в виде газообразного фосфина, который собирали и проверяли на радиоактивность. Радиоактивность ушла вместе с фосфором, а раствор алюминия оставался неактивным. Так же был выделен радиоактивный азот из облученного нитрида бора. Все операции приходилось выполнять за несколько минут, пока радиоактивность не исчезла.

Впервые было доказано, что человек способен не только превращать одни стабильные элементы в другие, как Резерфорд в 1919 году, но и создавать радиоактивные изотопы, не встречающиеся в природе.

Сообщение и признание

15 января 1934 года Жан Перрен представил во Французскую академию наук сообщение Жолио-Кюри «Новый тип радиоактивности». 10 февраля в журнале Nature было опубликовано их письмо «Искусственное получение нового вида радиоэлемента». Открытие было немедленно признано и вызвало волну исследований во многих лабораториях мира.

Мария Склодовская-Кюри, тяжело больная, успела увидеть открытие дочери и зятя. По воспоминаниям Фредерика Жолио, когда он показал ей опыт со счетчиком, регистрирующим излучение искусственного радиоэлемента, ее лицо выразило огромную радость. Это было, как он писал, ее последнее большое удовлетворение в жизни. Мария Кюри умерла 4 июля 1934 года от апластической анемии, вызванной многолетним облучением.

Нобелевская премия

В 1935 году Ирен Жолио-Кюри и Фредерик Жолио получили Нобелевскую премию по химии «за синтез новых радиоактивных элементов». Семья Кюри стала уникальной в истории Нобелевских премий: Мария Кюри получила две премии - по физике в 1903 году вместе с Пьером Кюри и Анри Беккерелем и по химии в 1911 году, - а их дочь с мужем - третью.

В Нобелевской лекции Фредерик Жолио высказал провидческое предположение: исследователи, способные создавать и разрушать элементы по своему желанию, возможно, смогут осуществить и ядерные превращения взрывного характера - цепные реакции, способные высвободить огромное количество энергии.

Лавина новых изотопов

Открытие Жолио-Кюри немедленно подхватили другие лаборатории. Уже весной 1934 года Энрико Ферми в Риме понял, что для получения искусственной радиоактивности удобнее использовать не альфа-частицы, а нейтроны, открытые Чедвиком в 1932 году: не имея заряда, они легко проникают даже в тяжелые ядра. Группа Ферми систематически облучала нейтронами элементы периодической системы и получила десятки новых радиоактивных изотопов. Вскоре Ферми обнаружил, что замедленные нейтроны гораздо эффективнее вызывают реакции. Эти работы привели к открытию деления урана в 1938 году.

В Беркли Эрнест Лоуренс, располагавший циклотроном, начал производить радиоактивные изотопы в больших количествах, облучая мишени ускоренными дейтронами. Его лаборатория, по известному рассказу, раньше могла бы сделать открытие Жолио-Кюри, но счетчики в ней включались и выключались одновременно с ускорителем, и остаточную радиоактивность мишеней просто не замечали. К концу 1930-х годов было получено несколько сотен искусственных радиоактивных изотопов.

Изотопы на службе науки

Искусственные радиоактивные изотопы стали мощным инструментом исследования. Венгерский химик Дьердь Хевеши, еще в 1910-1920-е годы использовавший природные радиоактивные изотопы свинца в качестве меток, в 1935 году применил искусственный радиоактивный фосфор для изучения обмена веществ у растений и животных. Метод радиоактивных меток позволил проследить пути веществ в организме, в химических реакциях, в почве и воде. Хевеши получил за него Нобелевскую премию по химии 1943 года.

Радиоактивный углерод-14, открытый в 1940 году в Беркли, стал основой радиоуглеродного датирования и позволил расшифровать процессы фотосинтеза. Радиоактивные изотопы использовались в геологии, археологии, биохимии, физиологии.

Медицина

Особенно велико оказалось значение открытия для медицины. Уже в конце 1930-х годов в Беркли Джон Лоуренс, брат Эрнеста, применил радиоактивный фосфор для лечения лейкемии. В начале 1940-х годов радиоактивный йод стали использовать для диагностики и лечения болезней щитовидной железы. После Второй мировой войны, когда ядерные реакторы позволили производить изотопы в больших количествах, возникла ядерная медицина: радиоизотопная диагностика, лучевая терапия опухолей с помощью кобальта-60, позитронно-эмиссионная томография, основанная на изотопах, испускающих позитроны, - тех самых, что впервые наблюдали Жолио-Кюри.

Судьбы супругов

После открытия супруги Жолио-Кюри стали самыми известными учеными Франции. В 1936 году Ирен Жолио-Кюри в правительстве Народного фронта Леона Блюма стала заместителем государственного секретаря по научным исследованиям - одной из первых трех женщин в правительстве Франции, в то время когда француженки еще не имели права голоса. Фредерик Жолио стал профессором Коллеж де Франс.

В 1939 году Жолио вместе с Хансом фон Хальбаном и Львом Коварским показал, что при делении урана испускается несколько нейтронов, что делало возможной цепную реакцию. В 1940 году он организовал вывоз из Франции в Англию запаса тяжелой воды, чтобы она не досталась немцам. В годы оккупации Жолио участвовал в Сопротивлении и вступил во Французскую коммунистическую партию. После освобождения он стал первым верховным комиссаром по атомной энергии Франции и руководил созданием первого французского ядерного реактора «Зоэ», запущенного в 1948 году. В 1950 году, после подписания Стокгольмского воззвания против ядерного оружия и заявлений о том, что французские ученые не будут работать над атомной бомбой, он был отстранен от руководства атомной программой.

Ирен Жолио-Кюри умерла в 1956 году от лейкемии, вероятно, вызванной многолетним облучением. Фредерик Жолио умер в 1958 году.

Итоги

Открытие искусственной радиоактивности супругами Жолио-Кюри в январе 1934 года стало одним из важнейших научных открытий XX века. Оно показало, что человек может создавать радиоактивные изотопы, которых нет в природе, и открыло путь к получению сотен новых изотопов с помощью нейтронов и ускорителей. Работы Ферми, продолжившие их открытие, привели к открытию деления урана, а с ним - к ядерной энергетике и ядерному оружию. Искусственные изотопы стали незаменимыми в биологии, химии, геологии, археологии, промышленности, а в медицине они легли в основу ядерной диагностики и лучевой терапии, спасших миллионы жизней. Открытие стало триумфом династии Кюри, соединившей имена двух поколений нобелевских лауреатов.