16.1. На сцену выходит уран. Радиоактивность

Современное состояние атомной энергетики сложно понять, не зная её истории. Открытие радиоактивного распада, обнаруженного при изучении фосфоресцирующих свойств урановых соединений, тесно связано с овладением атомной энергией. Исторический процесс развития и поступательного движения к овладению энергией атома увлекает и интригует своим удивительно богатым разнообразием неожиданных открытий. Представления о том, что атом может служить источником энергии, были развиты в результате исследований естественной, а затем искусственной радиоактивности. Для понимания этого пришлось преодолеть существующее представление об атоме как неделимой частице, пройти через открытие электрона, позитрона, протона, нейтрона и нового вида ядерных превращений – реакции деления ядра урана.

Существенным моментом данного процесса является то, что деление урана сопровождается испусканием нейтронов, способных вызвать деление других ядер урана. Таким образом, один нейтрон может дать начало разветвлённой цепи делений, число которых будет возрастать с огромной скоростью, то есть первичный нейтрон подобен спичке, поджигающей горючий материал. Один тепловой нейтрон с энергией 0,02 эВ освобождает энергию 2·106эВ при делении одного ядра урана, так что выделяемая энергия в несколько миллионов раз превышает энергию вызвавшего деление нейтрона. Электрон-вольтом называется работа, совершаемая электрическим полем при перемещении электрона между двумя точками с разностью потенциалов в один вольт:

1 эВ = 1,6 ·10-19Дж.

Основой современной атомной энергетики являются мощные ядерные реакторы, использующие реакцию деления урана. Мощность, соответствующая делению 1 г урана или плутония, равна приблизительно 1000 кВт. Для получения такого количества тепловой энергии необходимо сжечь более 3 т угля или 3000 л нефти.

Атомная энергетика обеспечила скачок в энергообеспечении человечества и открывает перед ним путь к новым техническим достижениям. Именно такого применения достойны уникальные свойства урана и плутония.

Всё началось в конце XIX века. К этому времени представления об атомном и молекулярном строении материи получили широкое распространение. Были получены катодные лучи при изучении электрического разряда в газах при низком давлении и созданы разрядные трубки Крукса, разработаны химическая символика элементов и методы определения относительных атомных масс химических элементов. После утверждения представлений об атомно-молекулярном строении материи важнейшим событием было открытие в 1869 г. гениальным русским учёным Д.И. Менделеевым периодического закона последовательного изменения физических и химических свойств элементов в зависимости от их атомной массы. Попытки систематизации химических элементов предпринимались и ранее. Успех предложенного Менделеевым расположения элементов состоит в том, что он придавал особое значение периодичности физических и химических свойств. В случае нарушения периодичности Менделеев смело утверждал, что в одних случаях принятые атомные веса ошибочны, в других должны существовать ещё не открытые элементы. В частности, в трёх случаях открытие действительно существующих элементов – галлия в 1875 г., скандия в 1879 г. и германия в 1986 г. – блестяще подтвердило эти предсказания.

В 1895 г. Вильгельмом Конрадом Рентгеном были открыты новые Х-лучи с высокой проникающей способностью, вызывающие флюоресценцию многих минералов, в том числе уранового стекла, названные впоследствии рентгеновскими. Однако в действительности честь открытия неизвестных науке Х-лучей принадлежит гениальному сыну украинского народа профессору Ивану Пулюю. Ещё в 1881 году в «Вестнике Венской академии наук» появилась его статья с описанием осуществленных им экспериментов по исследованию катодных лучей и фосфоресцирующих ламп, в которой были опубликованы два сенсационных снимка (морской свинки и детской руки). Им была сконструирована фосфоресцирующая лампа, ставшая образцом для английских и немецких ученых, исследовавших таинственные лучи. За изобретение «трубки Пулюя» (так называли эту лампу) Пулюй был удостоен серебряной медали на Международной выставке в Париже в 1881 году.

В XIX веке учёные продолжали исследование фосфоресценции, в особенности фосфоресценции природных неорганических веществ, вызываемой воздействием света. Подобное свойство зависит от строения фосфоресцирующего вещества, в частности от нарушения кристаллического его строения атомами примеси. Большое значение в последующей разработке проблемы фосфоресценции имел 1872 год, когда было начато изучение фосфоресценции урановых соединений, которое продолжил Анри Беккерель в 1885 году. Тогда ещё не было известно, что фосфоресценция урановых солей не связана с их радиоактивными свойствами, более того, этим свойством обладают далеко не все урановые соли, а только ураниловые соединения.

В связи с указанным открытием французский математик Анри Пуанкаре высказал предположение, что процесс флюоресценции может сопровождаться испусканием рентгеновских лучей. Возникла перспектива получения рентгеновского излучения, используя явление флюоресценции. Эксперименты, проведенные с сернистым цинком (Шарль Анри, 1896 г.) и сернистым кальцием (Нивенгловский) по одинаковой методике, не привели к убедительному результату. И вот Беккерель решил проверить гипотезу Пуанкаре, используя наиболее сильно фосфоресцирующие материалы – соли урана. Впоследствии в своей речи в Стокгольме 11 декабря 1903 г. Анри Беккерель сказал: «Среди фосфоресцирующих тел для исследования особенно подходили соли урана вследствие необычного строения, которое, по-видимому, обнаруживается в образующихся спектрах фосфоресценции».

Беккерель установил, что изолированные от действия света фотопластинки, находящиеся в контакте с солями урана, засвечиваются. Это произошло 1 марта 1896 года. Констатация этого факта традиционно считается открытием радиоактивности.

Многократное повторение экспериментов подтверждало, что это явление вызывается каким-то невидимым излучением, проходящим через непрозрачные тела. Было очевидно, что если эти лучи испускают соли урана в темноте без облучения солнечным светом, то, конечно, нет никакой связи между явлением фосфоресценции и рентгеновским излучением. Наука встретилась ещё с одним видом излучения, неизвестным ранее. Для подтверждения этого вывода Беккерель проверяет, как воздействуют другие урановые соединения на фотопластинки. Соединений урана множество, но фосфоресцируют далеко не все, а только те из них, в которые входит радикал уранила. Не все исследованные Беккерелем урановые соединения засвечивали фотопластинки независимо от того, обладали они фосфоресценцией или нет. Беккерель обнаружил, что интенсивность излучения не изменяется в течение многих месяцев и обладает способностью разряжать наэлектризованные тела. К этому выводу он пришел, используя электроскоп. Беккерель показал, что излучение урановых солей разряжает наэлектризованные тела в воздухе независимо от потенциала и знака заряда. Все эти эксперименты подтвердили окончательно открытие нового вида радиации, изучение которого показало, что его интенсивность не зависит от агрегатного состояния урановых солей (кристалл, расплав). Излучение происходит непрерывно, проходит через непрозрачные тела и разряжает электрически заряженные тела.

Антуан Анри Беккерель (1852–1908) Французский физик Антуан Анри Беккерель родился в Париже. В 1875 г. он приступил к изучению воздействия магнетизма на линейно поляризованный свет, а в следующем году начал свою педагогическую карьеру в Политехнической школе. В середине 1880-х годов Беккерель разработал новый метод анализа спектров, совокупностей волн различной длины, испускаемых источником света. В 1888 году он получил докторскую степень за диссертацию о поглощении света в кристаллах. В 1896 г. Беккерель открыл загадочное излучение, которое являлось присущим урану свойством и получило известность как лучи Беккереля. В 1899 г. он был избран членом Французской академии наук, а также являлся членом Французского физического общества, Итальянской национальной академии наук, Берлинской королевской академии наук, Американской национальной академии наук и Лондонского королевского общества. 

И, наконец, 18 мая 1896 г., используя металлический уран, полученный французским химиком Анри Пуассоном, Беккерель экспериментально доказал, что носителем «урановых лучей» является сам элемент уран.

Учёные столкнулись с неизвестным ранее свойством атомов данного элемента постоянно и неизменно выделять энергию. На горизонте науки неожиданно ярко блеснуло слово «уран».

Биография урана удивительна, он «открывался» трижды. Как упоминалось в первом томе издания, в 1789 г. берлинский химик Клапрот выделил уран из руды, известной сейчас под названием «урановая смолка». В 1841 г. Эжен Пелиго получил уран в чистом виде, доказав, что Клапрот принимал за металл его окисел. Ученые того времени неверно оценили атомный вес урана, и это доставило много хлопот Менделееву, когда он разрабатывал свою периодическую систему элементов: свойства урана не соответствовали месту в таблице, положенному ему, исходя из его атомного веса. И Менделеев смело переместил уран в таблице, изменив его атомный вес, что вскоре подтвердилось экспериментально.

Уран стал последним и самым тяжелым элементом периодической системы. И после него не было никаких элементов, дальше была неизвестность…

Менделеев не только содействовал третьему рождению урана, он ожидал от него неожиданностей. И Менделеев не ошибся. Уран оказался связанным с открытием радиоактивности. В конце своей жизни Менделеев написал пророческие слова: «Убежденный в том, что исследование урана, начиная с его природных источников, поведёт к ещё многим новым открытиям, я смело рекомендую тем, кто ищет предметов для новых исследований, особо тщательно заниматься урановыми соединениями».

Эти пророческие слова Менделеева сбылись в великих открытиях XX столетия: была осуществлена реакция деления урана и доказано его спонтанное (самопроизвольное) деление.

Роль примесей в фосфоресцирующих веществах велика. Поэтому Беккерель, будучи специалистом в этой области, предложил молодому французскому ученому Пьеру Кюри проверить, не имеются ли в этих излучающих веществах примеси, играющие особенную роль. Жена Пьера Мария Склодовская-Кюри, заинтересовавшись глубоко проникающим излучением, способным ионизировать воздух и засвечивать фотографическую пластинку, решила выбрать это явление темой своей док

торской диссертации и стала выяснять, не обладают ли какие-либо примеси соединений урана его свойством излучать «лучи Беккереля» (которые она впоследствии назовет радиоактивными лучами), а также нет ли еще неизвестных элементов, обладающих этим свойством.

Для решения такой задачи метод фотопластинок не годился (он требовал много времени), поэтому для измерения электропроводности воздуха Мари Кюри использовала пьезоэлектрический кварцевый балансир братьев Кюри. Было исследовано множество природных соединений, не содержащих урана.

Большой объём исследований обнаружил, что только вещества, содержащие торий, тоже излучают подобно урану. К этому результату одновременно и независимо пришли Пьер и Мария Кюри и немецкий учёный Г. Шмидт в 1898 г. В это время периодическая система заканчивалась ураном, между ураном и торием оставалась пустая клетка, так как соответствующий элемент ещё не был известен.

После исследования огромного количества материалов пришлось возвращаться к соединениям урана. В качестве опорного источника излучения для сравнения с испытуемыми веществами использовался металлический уран. В процессе исследований было обнаружено, что два урановых минерала – хальколит и урановая смолка (разновидность уранинита) – обладают более интенсивным излучением, чем металлический уран. Следовательно, эти минералы содержали ещё какоето неизвестное вещество, обладающее более высокой радиоактивностью, чем металлический уран. В 1898 году Мари Кюри сообщила о результатах своих экспериментов Французской академии наук. Убежденный в том, что гипотеза его жены не только верна, но и очень важна, Пьер Кюри оставил свои собственные исследования, чтобы помочь Мари выделить неуловимый элемент. С этого времени интересы супругов Кюри как исследователей слились настолько полно, что даже в своих лабораторных записях они всегда употребляли местоимение «мы» (рис. 16.1). Для проверки этой гипотезы был изготовлен искусственный хальколит с содержанием урана в нем в количестве, соответствующем природному составу. Оказалось, что активность искусственного хальколита в несколько раз больше, чем природного. Следовательно, естественный хальколит содержит новый радиоактивный элемент, активность которого выше, чем активность металлического урана. Пьер и Мария Кюри предложили назвать этот элемент полонием в честь Польши, родины Марии СклодовскойКюри. Это произошло 18 июля 1898 г. В этом исследовании родился новый метод – метод меченых атомов. Впоследствии полоний был выделен из хальколита. 28 декабря 1898 г. супруги Кюри и их сотрудник Ж. Бомон выделили из урановой смолки новый радиоактивный элемент – радий.

Мария Склодовская-Кюри (1867–1934) – талантливейший ученый, мужественный исследователь, первая женщина-физик, удостоенная Нобелевской премии, и первый ученый, удостоенный этой премии дважды, человек-легенда, остающийся и по сей день уникальным примером в истории мировой науки. Она родилась в Варшаве, в семье преподавателей. Мария блестяще училась в школе и уже тогда стала проявлять большой интерес к научным исследованиям. Дмитрий Иванович Менделеев, создатель периодической системы элементов, был знаком с её отцом. Увидев однажды девочку за работой в химической лаборатории её двоюродного брата, он предсказал ей великое будущее, если она продолжит заниматься химией. В 1891 году Мария поступает на факультет естественных наук Парижского университета (Сорбонны), так как в России (а Польша тогда была частью Российской империи) существовал запрет на получение женщинами высшего образования и она не могла быть студенткой Варшавского университета. В 1893 году она получает степень лиценциата по физике Сорбонны (эквивалентная степени магистра), а через год – степень лиценциата по математике. Занимаясь исследованием намагниченности стали, в 1894 году Мария знакомится с французским физиком Пьером Кюри, который был тогда руководителем лаборатории при Муниципальной школе промышленной физики и химии. Общие научные интересы вскоре переросли в любовь и через год Мария и Пьер вступили в брак. В декабре 1903 года Шведская королевская академия наук присудила Нобелевскую премию по физике Беккерелю и супругам Кюри. Мари и Пьер получили половину награды «в знак признания … их совместных исследований явлений радиации, открытых профессором Анри Беккерелем». После трагической гибели мужа в апреле 1906 года Мари нашла в себе силы продолжить их общую работу. В мае 1906 года факультетский совет Сорбонны назначил её на кафедру физики, которую прежде возглавлял муж. Когда через шесть месяцев Мари прочитала свою первую лекцию, она стала первой женщиной-профессором – преподавателем Сорбонны. Курс лекций по радиоактивности, прочитанный ею, лег в основу фундаментального труда «Радиоактивность», который много раз переиздавался и издавался на иностранных языках. В середине 1911 года Мари Кюри получает вторую Нобелевскую премию «за выдающиеся заслуги в развитии химии: открытие элементов радия и полония, выделение радия и изучение природы и соединений этого замечательного элемента».

Величайшим достоинством Мари как ученого было её несгибаемое упорство в преодолении трудностей: поставив перед собой проблему, она не успокаивалась до тех пор, пока ей не удавалось найти решение. Девизом ей служили слова мужа:«Что бы ни случилось, хотя бы расставалась душа с телом, надо работать».Мария Склодовская-Кюри стала инициатором создания в Париже Института радия. Он был построен накануне первой мировой войны, и вплоть до последних дней жизни она возглавляла физико-химический отдел этого института, находящегося на улице, носящей имя Пьера и Мари Кюри. Она всю жизнь была человеком большой и щедрой души: первой организовала широкое применение излучений в медицинских целях, обучила во время первой мировой войны более 1500 человек работе на рентгеновских установках, внесла вторую Нобелевскую премию в фонд помощи раненым, очень внимательно относилась к молодым ученым, которые съезжались в её лабораторию со всего света. Институту радия в Варшаве, открывшемуся в 1932 году, она подарила грамм очень дорогого радия. Мари Склодовская-Кюри скончалась 4 июля 1934 года от лейкемии.

Природа радиевых и урановых лучей оказалась одинаковой, различие заключалось в интенсивности излучений, т.е. в степени их активности. Хлористые соединения радия оказались в 900 раз активнее таких же соединений урана. 30 января 1899 г. в журнале «Ревю Женераль де Сьянс» Мария Кюри опубликовала статью «Лучи Беккереля и полоний». В этой статье отмечались большие заслуги Беккереля не только в открытии удивительного явления, но и в том, что им предложен метод продолжения исследований, с помощью которого был обнаружен элемент полоний. В статье отмечалось: «Урановые лучи часто называют лучами Беккереля; можно распространить это название, применяя его не только к урановым лучам, но и к излучениям той же самой природы, и я назвала «радиоактивными» вещества, которые испускают лучи Беккереля». И с этих пор радиоактивность стали понимать как качество, присущее атомам радиоактивных элементов.

Пьер Кюри (1859–1906) – выдающийся французский физик, Нобелевский лауреат – родился в Париже. Он был младшим из двух сыновей в семье врачей. Шестнадцати лет от роду он получил ученую степень бакалавра Парижского университета (Сорбонны), а через два года – степень лиценциата (эквивалентную степени магистра) физических наук. В 1878 году Пьер стал демонстратором в физической лаборатории Сорбонны, где занялся исследованием кристаллов. Совместно со старшим братом в 1880 году открыл пьезоэлектрический эффект (появление под действием приложенной извне силы на поверхности некоторых кристаллов электрических зарядов), а также и обратный эффект (сжатие тех же кристаллов под действием электрического поля).По рекомендации английского физика Уильяма Томсона в 1882 году был назначен руководителем лаборатории новой Муниципальной школы промышленной физики и химии. В период с 1883 по 1895 г. Пьер Кюри выполнил большую серию работ по физике кристаллов, в частности ввел понятие поверхностной энергии граней кристалла, сформулировал общий принцип роста кристаллов, предложил принцип, позволяющий определить симметрию кристалла, находящегося под каким-либо воздействием (принцип Кюри). Его статьи по геометрической симметрии кристаллов не утратили своего значения для кристаллографов и поныне. С 1890 года Пьер Кюри занимался изучением магнитных свойств веществ при различных температурах. На основании большого числа экспериментальных данных им была установлена зависимость между температурой и намагниченностью, впоследствии получившая название закона Кюри, а также открыто существование температуры, выше которой у железа исчезают ферромагнитные свойства и скачкообразно изменяются удельная электропроводность и теплопроводность (точка Кюри).

С 1897 года и до конца жизни научные интересы Пьера Кюри сосредотачиваются на изучении радиоактивности. Работая вместе со своей женой Марией Склодовской-Кюри, он сделал целый ряд выдающихся научных открытий: в 1898 году открыты новые радиоактивные элементы полоний и радий, в 1901 году – биологическое действие радиоактивного излучения и высказано предположение, что препараты радия могут оказаться полезными при лечении опухолевых заболеваний, в 1903 году открыт количественный закон снижения уровня радиоактивности, выдвинута теория радиоактивного распада. В октябре 1904 года он был назначен профессором физики Сорбонны, а в 1905 году избран во Французскую академию наук. 19 апреля 1906 года Пьер Кюри трагически погиб в расцвете творческих сил в результате несчастного случая.

В том же году А. Дебьери (Франция), проверяя гипотезу М. Кюри о наличии в минералах урана радиоактивных элементов, выделил смесь высокоактивных элементов и назвал эту смесь актинием.

Мария и Пьер Кюри в лаборатории

Очищая уранинит и выделяя радий, супруги Кюри разработали нужную для этого технологию и создали сам способ производства радия. Этим способом из восьми тонн уранинита они собственными руками получили первый в мире грамм радия. Запатентовать же методику и закрепить свои права на промышленную технологию получения радия во всем мире супруги Кюри отказались, считая, что это «противно духу науки». Спустя двадцать лет Мария Кюри напишет:«По соглашению со мной Пьер отказался извлечь материальную выгоду из нашего открытия; мы не взяли никакого патента и, ничего не скрывая, обнародовали результаты наших исследований, а также способы извлечения чистого радия. Более того, всем заинтересованным лицам мы давали требуемые разъяснения. Это пошло на благо производству радия, которое могло свободно развиваться, сначала во Франции, потом за границей, поставляя ученым и врачам продукты, в которых они нуждались. Это производство до сего времени использует почти без изменений предложенные нами методы получения радия».