16.1. На сцену виходить уран. Радіоактивність

Сучасний стан атомної енергетики складно зрозуміти, якщо не знати її історію. Відкриття радіоактивного розпаду, виявленого при вивченні фосфоресційних властивостей уранових сполук, тісно пов’язане з оволодінням атомною енергією. Історичний процес розвитку та поступального руху до оволодіння енергією атома захоплює та інтригує своєю дивовижно багатою різноманітністю несподіваних відкриттів. Уявлення про те, що атом може служити джерелом енергії, були розвинуті внаслідок досліджень природної, а пізніше штучної радіоактивності. Для розуміння цього довелось подолати існуюче уявлення про атом як неподільну частинку, пройти через відкриття електрона, позитрона, протона, нейтрона і нового виду ядерних перетворень – реакції поділу ядра урану.
Суттєвим моментом даного процесу є те, що поділ урану супроводжується випромінюванням нейтронів, здатних викликати поділ інших ядер урану. Таким чином, один нейтрон може дати початок розгалуженому ланцюгу поділів, кількість яких буде зростати з величезною швидкістю, тобто первинний нейтрон схожий на сірник, який запалює горючий матеріал. Один тепловий нейтрон з енергією 0,02 еВ при поділі ядра урану звільняє енергію 2·106 еВ, так що виділена енергія в декілька мільйонів разів перевищує енергію нейтрона, який викликав цей поділ. Електрон вольтом (еВ) називають роботу, здійснювану електричним полем при переміщенні електрона між двома точками з різницею потенціалів в один вольт:

1eВ = 1,6 ·10¹⁹ Дж.

Основою сучасної атомної енергетики служать потужні ядерні реактори, які використовують реакцію поділу урану. Потужність, відповідна поділу 1 г урану або плутонію, приблизно дорівнює 1000 кВт. Для того, щоб одержати таку кількість теплової енергії, необхідно спалити більше 3 т вугілля або 3000 л нафти.
Атомна енергетика забезпечила стрибок в енергозабезпеченні людства і відкриває перед ним шлях до нових технічних досягнень. Саме такого застосування гідні унікальні властивості урану і плутонію.

Все розпочалось наприкінці ХІХ століття. На той час уявлення про атомну і молекулярну будову матерії набули широкого розповсюдження. Були відкриті катодні промені при вивченні електричного розряду в газах за низького тиску і створені розрядні трубки Крукса, розроблені хімічна символіка елементів та методи визначення відносних атомних мас хімічних елементів. Після утвердження уявлень про атомно-молекулярну будову матерії найважливішою подією було відкриття у 1869 році геніальним російським ученим Д.І. Менделєєвим періодичного закону послідовної зміни фізичних і хімічних властивостей елементів в залежності від їх атомної маси. Спроби систематизації хімічних елементів здійснювались і раніше. Успіх запропонованого Менделєєвим розміщення елементів полягав у тому, що він надав особливого значення періодичності фізичних і хімічних властивостей. У разі порушення періодичності Менделєєв сміливо стверджував, що в одних випадках прийняті атомні маси помилкові, а в інших мають існувати ще не відкриті елементи. Зокрема, у трьох випадках відкриття дійсно існуючих хімічних елементів – галію у 1875 р., скандію у 1879 р. і германію у 1886 р. – блискуче підтвердило ці завбачення.

У 1895 р. Вільгельмом Конрадом Рентгеном були відкриті нові Х-промені з високою проникливістю, які викликали флюоресценцію багатьох мінералів, у тому числі уранового скла, названі пізніше рентгенівськими. Однак в дійсності честь відкриття невідомих науці Х-променів належить талановитому сину українського народу професору Івану Пулюю. Ще у 1881 році у «Віснику Віденської академії наук» з’явилась його стаття, в якій описувались здійснювані ним експерименти по дослідженню катодних променів і фосфоресціюючих ламп і де знаходились два сенсаційні знімки (морської свинки та дитячої руки). Ним була сконструйована фосфоресціююча лампа, що стала зразком для англійських і німецьких вчених, які досліджували таємничі промені. За винайдення «трубки Пулюя» (так називали цю лампу) Пулюй був ушанований срібною медаллю на Міжнародній виставці в Парижі у 1881 році.

У ХІХ столітті вчені продовжували дослідження фосфоресценції, особливо фосфоресценції природних неорганічних речовин, яка викликалась дією світла. Подібна властивість залежить від будови фосфоресціюючої речовини, зокрема від порушення її кристалічної будови атомами домішок. Великого значення в наступній розробці проблеми фосфоресценції набув 1872 рік, коли було розпочато вивчення фосфоресценції уранових сполук, яке продовжив у 1885 році Анрі Беккерель. Тоді ще не було відомо, що фосфоресценція уранових сполук не пов’язана з їх радіоактивними властивостями, більше того, ці властивості притаманні далеко не всім урановим солям, а тільки ураніловим сполукам.

У зв’язку з вказаним відкриттям французький математик Анрі Пуанкаре висловив припущення, що процес флюоресценції може супроводжуватись випромінюванням рентгенівських променів. Виникла перспектива одержання рентгенівського випромінювання при використанні явища флюоресценції. Експерименти, проведені із сірчистим цинком (Шарль Анрі, 1896 р.) і сірчистим кальцієм (Нівенгловський) за однаковою методикою, не привели до переконливих результатів. І тому Беккерель вирішив перевірити гіпотезу Пуанкаре, використовуючи найбільш сильно фосфоресціюючі матеріали – солі урану. Згодом у своїй промові в Стокгольмі 11 грудня 1903 року Анрі Беккерель сказав: «Серед фосфоресціюючих тіл для дослідження особливо пасували солі урану внаслідок незвичної будови, яка, можливо, виявляється в спектрах фосфоресценції, що утворюються».

Беккерель встановив, що ізольовані від дії світла фотопластинки, які знаходяться у контакті із солями урану, засвічуються. Це відбулось 1 березня 1896 року. Констатація цього факту традиційно вважається відкриттям радіоактивності.

Багаторазове повторення експериментів підтверджувало, що це явище викликається якимось невідомим випромінюванням, яке проходить через непрозорі тіла. Було очевидно, що якщо ці промені випромінюють солі урану в темряві без опромінення сонячним світлом, то, звичайно, немає ніякого зв’язку між явищем фосфоресценції і рентгенівським випромінюванням. Наука зустрілась із ще одним видом випромінювання, яке раніше було невідоме. Для підтвердження цього висновку Беккерель перевіряє, як впливають інші уранові сполуки на фотопластинки. Сполук урану багато, але фосфоресціюють далеко не всі, а тільки ті з них, в які входить радикал уранілу. Не всі досліджені Бекерелем уранові сполуки засвічували фотопластинки незалежно від того, мали вони фосфоресценцію чи ні. Беккерель виявив, що інтенсивність випромінювання не змінюється протягом багатьох місяців і воно володіє здатністю розряджати наелектризовані тіла. Цей висновок він зробив, використавши електроскоп. Беккерель показав, що випромінювання уранових солей розряджає наелектризовані тіла у повітрі незалежно від їх потенціалу та знаку заряду. Всі ці експерименти остаточно підтвердили відкриття нового виду радіації, вивчення якого показало, що його інтенсивність не залежить від агрегатного стану уранових солей (кристал, розплав). Випромінювання здійснюється неперервно, проходить через непрозорі тіла і розряджає електрично заряджені тіла.

Антуан Анрі Беккерель (1852–1908) Французький фізик Антуан Анрі Беккерель народився у Парижі. У 1875 р. він приступив до вивчення впливу магнетизму на лінійно поляризоване світло, а в наступному році розпочав свою педагогічну кар’єру в Політехнічній школі. У середині 1880-х років Беккерель розробив новий метод аналізу спектрів, сукупностей хвиль різної довжини, випромінюваних джерелом світла. У 1888 році він одержує докторський ступінь за дисертацію про поглинання світла у кристалах. У 1896 році Бекерель відкрив загадкове випромінювання, яке виявилось притаманною урану властивістю і стало відоме як промені Беккереля. У 1899 році він був обраний членом Французької академії наук, а також був членом Французького фізичного товариства, Італійської національної академії наук, Берлінської королівської академії наук, Американської національної академії наук та Лондонського королівського товариства. 

І, нарешті, 18 травня 1896 року, використовуючи металевий уран, одержаний французьким хіміком Анрі Пуассоном, Беккерель експериментально довів, що носієм «уранових променів» є сам елемент уран.

Вчені зіткнулись з невідомою раніше властивістю атомів даного елемента постійно і незмінно виділяти енергію. На горизонті науки несподівано яскраво заблищало слово «уран».

Біографія урану дивовижна, він «відкривався» тричі. Як згадувалось у першій книзі видання, у 1789 році берлінський хімік Клапрот виділив уран із руди, яка зараз відома під назвою «уранова смолка». У 1841 році Ежен Пеліго одержав уран у чистому вигляді, довівши, що Клапрот приймав за метал його оксид. Вчені того часу невірно оцінили атомну масу урану і це додало багато клопотів Менделєєву, коли він розробляв свою періодичну систему елементів: властивості урану не відповідали місцю в таблиці, яке йому належало, виходячи із його атомної маси. І Менделєєв сміливо перемістив уран в таблиці, змінивши його атомну масу, що дуже швидко підтвердилось експериментально.

Уран став останнім і найважчим елементом періодичної системи. І після нього не було ніяких елементів, далі була невідомість...

Менделєєв не тільки сприяв третьому народженню урану, він чекав від нього несподіванок. І Менделєєв не помилився. Уран виявився пов’язаним з відкриттям радіоактивності. Наприкінці свого життя Менделєєв написав пророчі слова: «Впевнений в тому, що дослідження урану, починаючи з його природних джерел, поведе ще до багатьох нових відкриттів; я сміливо рекомендую тим, хто шукає предметів для нових дослі джень, особливо ретельно займатись урано вими сполуками».

Ці пророчі слова Менделєєва збулись у великих відкриттях ХХ століття: була здійснена реакція поділу урану і доведено його спонтанний (самочинний) поділ.

Роль домішок у фосфоресціюючих речовинах велика. Тому Беккерель, який був спеціалістом у цій галузі, запропонував молодому французькому вченому П’єру Кюрі перевірити, чи немає в цих випромінюючих речовинах домішок, які відіграють особливу роль. Дружина П’єра Марія Склодовська-Кюрі, зацікавившись глибоко проникаючим випромінюванням, здатним іонізувати повітря та засвічувати фотографічну пластинку, вирішила обрати це явище темою своєї докторської дисертації і почала з’ясовувати, чи не володіють які-небудь домішки сполук урану його властивістю випромінювати «промені Беккереля» (пізніше вона їх назве радіоактивними променями), а також чи немає ще невідомих елементів, які мають таку властивість.

Для розв’язання поставленого завдання метод фотопластинок був непридатний (він вимагав багато часу), тому для вимірювання електропровідності повітря Марія Кюрі використовувала п’єзоелектричний кварцовий балансир братів Кюрі. Було досліджено багато природних сполук, які не містили урану. Великий об’єм досліджень виявив, що подібно  урану випромінюють тільки речовини, які містять торій. До цього результату одночасно і незалежно прийшли у 1898 році П’єр і Марія Кюрі та німецький вчений Г. Шмідт. У цей час періодична система елементів закінчувалась ураном, між ураном і торієм залишалась пуста клітинка, тому що відповідний елемент ще не був відомий.

Після дослідження великої кількості речовин довелося повернутись до сполук урану. Як опорне джерело випромінювання для порівняння з досліджуваними речовинами використовувався металевий уран. У процесі досліджень виявилось, що два уранових мінерали – хальколіт і уранова смолка – мають більш інтенсивне випромінювання, ніж металевий уран. Отже, ці мінерали містили ще якусь невідому речовину, якій була притаманна більш висока радіоактивність, ніж металевому урану. У 1898 році Марія Кюрі повідомила про результати своїх експериментів Французькій академії наук. Переконаний у тому, що гіпотеза його дружини не тільки вірна, але й досить важлива, П’єр Кюрі залишив свої власні дослідження, щоб допомогти Марії виділити невловимий елемент. З цього часу інтереси подружжя Кюрі як дослідників злились настільки, що навіть у своїх лабораторних записах вони завжди використовували займенник «ми». Для перевірки цієї гіпотези був виготовлений штучний хальколіт із таким вмістом урану в ньому, який відповідав природному складу. Виявилось, що активність штучного хальколіту у декілька разів більша, ніж природного. Отже, природний хальколіт містить новий радіоактивний елемент, активність якого вища, ніж активність металевого урану. П’єр і Марія запропонували назвати цей елемент полонієм на честь Польщі, батьківщини Марії Склодовської-Кюрі. Це трапилось 18 липня 1898 року. У цьому дослідженні народився новий метод – метод мічених атомів. Пізніше полоній був виділений із хальколіту. 28 грудня 1898 року подружжя Кюрі та їх співробітник Ж. Бомон виділили з уранової смолки новий радіоактивний елемент – радій.

Марія Склодовська-Кюрі (1867–1934) – надзвичайно талановитий вчений, мужній дослідник, перша жінка-фізик, удостоєна Нобелівської премії, і перший вчений, відзначений цією премією двічі, людина-легенда, яка і до цього часу залишається унікальним прикладом в історії світової науки. Вона народилась у Варшаві, в сім’ї викладачів. Марія блискуче навчалась в школі й вже тоді стала виявляти великий інтерес до наукових досліджень. Дмитро Іванович Менделєєв, творець періодичної системи елементів, був знайомий з її батьком. Побачивши одного разу дівчинку за роботою в хімічній лабораторії її двоюрідного брата, він напророкував їй велике майбутнє, якщо вона продовжить займатись хімією. У 1891 році Марія вступає на факультет природничих наук Паризького університету (Сорбонни), тому що в Росії (а Польща була в той час частиною Російської імперії) існувала заборона на одержання жінками вищої освіти і вона не могла бути студенткою Варшавського університету. У 1893 році вона одержує ступінь ліценціата Сорбонни з фізики (еквівалентний ступеню магістра), а через рік – ступінь ліценціата з математики. Досліджуючи намагніченість сталі, у 1894 році Марія знайомиться з французьким фізиком П’єром Кюрі, який тоді був керівником лабораторії при Муніципальній школі промислової фізики і хімії. Спільні наукові інтереси дуже швидко переросли в любов і через рік Марія та П’єр одружились. У 1898 році Марія та П’єр офіційно заявляють про відкриття ще двох радіоактивних елементів – полонію та радію. У грудні 1903 року Шведська королівська академія наук присудила Нобелівську премію з фізики Беккерелю і подружжю Кюрі. Марія і П’єр одержали половину премії «як визнання ... їх спільних досліджень явищ радіації, відкритих професором Анрі Беккерелем». Після трагічної загибелі чоловіка у квітні 1906 року Марія знаходить у собі сили продовжувати їх спільну роботу. Вже в травні 1906 року факультетська рада Сорбонни доручила їй кафедру фізики, яку раніше очолював П’єр. Коли через шість місяців Марія прочитала свою першу лекцію, вона стала першою жінкою-професором – викладачем Сорбонни. Курс лекцій з радіоактивності, прочитаний нею, ліг в основу фундаментальної праці «Радіоактивність», який багато разів перевидавався і видавався іноземними мовами. У середині 1911 року Марія Кюрі удостоюється другої Нобелівської премії «за видатні успіхи у розвитку хімії: відкриття елементів радію і полонію, виділення радію та вивчення природи і сполук цього чудового елементу».
Величезним достоїнством Марії як вченого була її незламна наполегливість у переборенні труднощів: поставивши перед собою проблему, вона не заспокоювалась до тих пір, поки їй не вдавалось знайти рішення. Девізом їй служили слова чоловіка: «Щоб не трапилось, навіть якщо б розставалась душа з тілом, необхідно працювати». Марія Склодовська-Кюрі стала ініціатором створення у Парижі Інституту радію. Він був побудований напередодні першої світової війни, і майже до останніх днів свого життя вона очолювала фізико-хімічний відділ цього інституту, який знаходився на вулиці, що носить ім’я П’єра і Марії Кюрі. Все своє життя вона була людиною великої і щедрої душі: першою організувала широке застосування випромінювань в медицині, навчила під час першої світової війни більше 1500 людей роботі на рентгенівському обладнанні, внесла свою другу Нобелівську премію у фонд допомоги пораненим, дуже уважно ставилась до молодих вчених, які з’їжджалися у її лабораторію з усього світу. Інституту радію у Варшаві, що відкрився у 1932 році, вона подарувала грам дуже дорогого радію. Марія Склодовська-Кюрі померла 4 липня 1934 року від лейкемії.

Природа радієвих та уранових променів виявилась однаковою, різниця полягала лише в інтенсивності випромінювань, тобто у ступені їх активності. Хлористі сполуки радію виявились у 900 разів активніші таких же сполук урану. 30 січня 1899 року у журналі «Ревю Женераль де Сьянс» Марія Кюрі опублікувала статтю «Промені Беккереля і полоній». У цій статті відмічались великі заслуги Беккереля не лише у відкритті такого дивного явища, але і в тому, що ним був запропонований метод продовження досліджень, з допомогою якого було виявлено елемент полоній. У статті говорилось: «Уранові про мені часто називають променями Беккереля; можна розповсюдити цю назву, застосовуючи її не тільки до уранових променів, але і до випромінювань, що мають таку саму природу, і я назвала “радіоактив ними” речовини, які випромінюють промені Беккереля». І з того часу радіоактивність стали розуміти як властивість, притаманну атомам радіоактивних елементів. У цьому ж році А. Деб’єрі (Франція), перевіряючи гіпотезу М. Кюрі про наявність у мінералах урану радіоактивних елементів, виділив суміш високоактивних елементів і назвав цю суміш актинієм.

П’єр Кюрі (1859–1906) – видатний французький фізик, Нобелівський лауреат – народився у Парижі. Він був молодший із двох синів у сім’ї лікарів. У шістнадцятирічному віці він одержує вчений ступінь бакалавра Паризького університету (Сорбонни), а через два роки – ступінь ліценціата (еквівалентний ступеню магістра) фізичних наук. У 1878 році П’єр став демонстратором у фізичній лабораторії Сорбонни, де зайнявся дослідженням кристалів. Спільно із старшим братом у 1880 році відкрив п’єзоелектричний ефект (поява на поверхні деяких кристалів електричних зарядів під дією прикладеної ззовні сили), а також і зворотний ефект (стиснення тих же кристалів під дією електричного поля). За рекомендацією англійського фізика Уїльяма Томсона у 1882 році П’єр був призначений керівником лабораторії нової Муніципальної школи промислової фізики і хімії. У період з 1883 по 1895 р. П’єр Кюрі виконав велику серію робіт по фізиці кристалів, зокрема ввів поняття поверхневої енергії граней кристалу, сформулював загальний принцип росту кристалів, запропонував принцип, який дозволив визначити симетрію кристала, що знаходиться під яким-небудь впливом (принцип Кюрі). Його статті з геометричної симетрії кристалів не втратили свого значення для кристалографів і тепер. З 1890 року П’єр Кюрі займався вивченням магнітних властивостей речовин при різних температурах. На основі великої кількості експериментальних даних ним була встановлена залежність між температурою і намагніченістю, яка згодом була названа законом Кюрі, а також відкрито існування температури, вище якої у заліза зникають феромагнітні властивості та скачкоподібно змінюються питома електропровідність та теплопровідність (точка Кюрі).

З 1897 року і до кінця свого життя наукові інтереси П’єра Кюрі зосереджуються на вивченні радіоактивності. Працюючи разом із своєю дружиною Марією Склодовською-Кюрі, він зробив цілий ряд видатних наукових відкриттів: у 1898 році відкриті нові радіоактивні речовини полоній і радій, у 1901 році – біологічна дія радіоактивного випромінювання і висунуте припущення, що препарати радію можуть стати корисними при лікуванні опухових захворювань, у 1903 році відкритий кількісний закон зниження рівня радіоактивності, висунута теорія радіоактивного розпаду. У жовтні 1904 року він був призначений професором фізики Сорбонни, а у 1905 році його обрали у Французьку академію наук. 19 квітня 1906 року внаслідок нещасного випадку П’єр Кюрі трагічно загинув у розквіті творчих сил.

Марія і П’єр Кюрі в лабораторії Очищуючи уранініт і виділяючи радій, подружжя Кюрі розробили потрібну для цього технологію і створили сам спосіб виробництва радію. Цим способом з восьми тонн уранініту вони власними руками одержали перший у світі грам радію. Запатентувати ж методику і закріпити свої права на промислову технологію отримання радію у всьому світі подружжя Кюрі відмовилось, вважаючи, що це «суперечить духу науки». Через двадцять років Марія Кюрі напише: «За моєї згоди П'єр відмовився здобувати матеріальну користь з нашого відкриття; ми не взяли ніякого патента і, нічого не приховуючи, обнародували результати наших досліджень, а також способи одержання чистого радію. Більш того, всім зацікавленим особам ми надавали потрібні роз'яснення. Це пішло на благо виробництву радія, котре могло вільно розвиватися, спочатку у Франції, потім за кордоном, постачаючи вченим і лікарям продукти, в яких вони мали потребу. Це виробництво до цього часу використовує майже без змін запропоновані нами методи одержання радію».