ROZWÓJ BADAŃ NAD PROMIENIOTWÓRCZOŚCIĄ
Pod koniec XIX wieku badania nad wyładowaniami elektrycznymi w gazach rozrzedzonych ujawniły istnienie wspaniałych zjawisk fluorescencji i nowego promieniowania – promieni katodowych oraz promieni Roentgena , zwanych również promieniami X . Fizycy całego świata natychmiast rozpoczęli badania nad tymi nowymi rodzajami promieniowania i prace nad fluorescencją nabrały wielkiego rozmachu.
We Francji nad promieniami katodowymi pracował Jean Perrin , a Henri Becquerel badał zjawiska fluorescencji na solach uranu , chcąc sprawdzić wysuniętą przez Henri Poincarego hipotezę, jakoby zjawiskom fluorescencji miała towarzyszyć zawsze emisja promieni analogicznych do promieni Roentgena. Becquerel rzeczywiście stwierdził, że podwójny siarczan uranylo – potasowy wysyła promienie przenikające przez ciała nieprzezroczyste, takie na przykład jak cienka folia glinowa lub kartka czarnego papieru i że to promieniowanie działa na kliszę fotograficzną podobnie jak promieniowanie X. Na pierwszy rzut oka zdawało to potwierdzać hipotezę Poincarego. Ale 23 listopada 1986 r. Becquerel, który był świetnym obserwatorem, zawiadomił Akademię Nauk, że kawałki soli uranowej, przechowywane przez sześć miesięcy w zupełnej ciemności, w dalszym ciągu wysyłają promienie. Pod wpływem tego promieniowania gazy stają się przewodnikami elektryczności; zjawisko to nie mogło być zatem przypisane fluorescencji, było to zjawisko zupełnie dotąd nie znane.
Nowe te promienie, które nazwano promieniami uranowymi, z miejsca wzbudziły ogromne zainteresowanie fizyków. Maria Skłodowska, która od niedawna była Marią Curie, poszukiwała wówczas właśnie tematu pracy doktorskiej. I ją zafrapowało odkrycie Becquerela, rozpoczęła więc badania mające na celu ustalenie, czy inne ciała nie posiadają podobnie jak związki uranu własności emitowania promieni. I rzeczywiście, jednocześnie z niemieckim fizykiem G. C. Schmidtem odkryła analogiczne zjawisko dla toru, przy czym okazało się, że metal ten jest nawet aktywniejszy od uranu. Okazało się, że promieniowanie nie jest bynajmniej swoistą cechą uranu. Trzeba więc nazwać to zjawisko bardziej ogólnie, niż się pierwotnie zdawało. Skłodowska proponuje miano: promieniotwórczość (radioaktywność), a pierwiastki, które posiadają tę dziwną własność promieniowania (uran i tor) – nazywa promieniotwórczymi (radioelementami).
Maria Skłodowska Curie nie poprzestała na badaniu związków prostych, jak sole i tlenki, lecz wpadła na pomysł, ażeby zbadać również minerały. Właściwie z góry wiadomo było jaki będzie rezultat badań: próbki, które zawierają tor lub uran, okażą się promieniotwórcze; te które go nie zawierają, będą \”nieaktywne\”. Skłodowska odkładała ciała \”nieaktywne\” i z drobiazgową dokładnością mierzyła promieniowanie tamtych \”aktywnych\”. I wtedy okazało się, że pewne próbki wykazują promieniowanie znacznie silniejsze, niżby im się \”należało\” z racji zawartej w nich ilości uranu czy toru. Jedynym rozsądnym wyjaśnieniem tego zjawiska było stwierdzenie , że próbki tych minerałów muszą zawierać, acz w bardzo małej ilości, także i inne jeszcze ciało znacznie bardziej promieniotwórcze od tamtych. Uczona postawiła wówczas hipotezę, że to ciało, tak silnie promieniotwórcze, musi być jakimś jeszcze nie znanym pierwiastkiem.
W komunikacie złożonym Akademii Francuskiej za pośrednictwem profesora Lippmanna i ogłoszonym w sprawozdaniu z posiedzenia w dn.12 kwietnia 1898r. Maria Skłodowska – Curie oznajmiła prawdopodobieństwo istnienia w rudzie uranowej nowego pierwiastka o bardzo silnej promieniotwórczości.
Pierwszy etap odkrycia radu był zakończony. Teraz rozpoczęło się sprawdzanie hipotezy drogą doświadczalną. Piotr i Maria Curie szukają tego \”nadzwyczaj aktywnego ciała\” w jednej z rud uranowych, tzw. smółce (pechblendzie). Rozpoczynają systematyczne badania polegające na wydzielaniu ciał wchodzących w skład smółki i mierzeniu promieniotwórczości każdego z wydzielonych składników. W toku pracy okazuje się, że promieniotwórczość koncentruje się głównie w dwóch chemicznie odrębnych frakcjach przerabianej rudy. Uczonym daje to asumpt do twierdzenia, iż istnieją tu dwa odrębne ciała radioaktywne. W lipcu 1898r. ogłosili odkrycie jednego z nich, który Maria nazwała polonem na cześć swojej ukochanej Ojczyzny. W grudniu 1998r. poinformowali oni Akademię Nauk o odkryciu radu – pierwiastka śladowego, silnie promieniującego
. Choć istnienie radu nie ulegało już wątpliwości, sam pierwiastek w postaci czystej nie został jeszcze wydzielony. Dopiero w czasie dalszej, czteroletniej mozolnej pracy udało im się wyizolować, z wielu ton importowanego z Czech uranitu, 1/10 grama czystego pierwiastka.
W ciągu lat 1899 i 1900 Piotr i Maria Curie ogłaszają komunikat dotyczący odkrycia \”elektryczności indukowanej\”, którą rad wywołuje, i drugi – o ładunku elektrycznym przenoszonym przez promienie. Poza tym redagują na Kongres fizyków w roku 1900 sprawozdanie ogólne o ciałach promieniotwórczych, które wznieca wśród europejski fizyków niezwykłe zainteresowanie.
Rozwój nowej nauki o promieniotwórczości postępuje coraz szybciej – wprost błyskawicznie.
Zbadane przez Piotra Curie działanie magnetyczne wskazywało, że niektóre promienie emitowane przez rad niosą ładunki dodatnie, inne ujemne, a jeszcze inne nie reagują na działanie magnesu. W późniejszym czasie (ok.1900r.) Rutheford pierwsze nazwał promieniami alfa, drugie promieniami beta, trzecie – gamma.
Od roku 1899 do 1904 państwo Curie ogłosili – bądź każde z osobna, bądź razem, bądź też wspólnie z którymś ze swoich kolegów, trzydzieści dwie prace naukowe. Każda z nich jednak – to owoc jakiegoś zwycięstwa. Oto wykaz najważniejszych spomiędzy nich:
\”O działaniu chemicznym promieni radu\” (Maria i Piotr Curie, 1899);
\”O ciężarze atomowym baru zawierającego rad\” (Maria Curie, 1900);
\”Nowe ciała promieniotwórcze i promienie przez nie wysyłane\” (Maria i Piotr Curie, 1900);
\”O promieniotwórczości indukowanej, wywoływanej przez sole radu\” (Piotr Curie i Andrzej Debierne, 1901);
\”Fizjologiczne działanie promieni radu\” (Piotr Curie i Henri Becquerel, 1901);
\”O ciałach promieniotwórczych\” (Maria i Piotr Curie, 1901);
\”O ciężarze atomowym radu\” (Maria Curie, 1902);
\”O absolutnych pomiarach czasu\” (Piotr Curie, 1902);
\”O promieniotwórczości indukowanej i o emanacji radu\” ( Piotr Curie, 1903);
\”O cieple wydzielanym samorzutnie przez sole radu\” (Piotr Curie i A. Laborde, 1903);
\”Badania nad ciałami promieniotwórczymi\” (Maria Curie, 1903);
\”O promieniotwórczości gazów, wydzielanych przez wodę cieplic\” (Piotr Curie i A. Laborde, 1904);
\”Działanie fizjologiczne emanacji radu\”(P. Curie, Ch. Bouchard, V. Balthazard 1904);
Zrodzona we Francji, promieniotwórczość szybko zdobywa inne kraje. W szeregu państw uczeni rzucają się w pogoń za nowymi pierwiastkami promieniotwórczymi. Jej rezultatem jest odkrycie mezotoru, radiotoru, jonu, protaktynu, radioołowiu. W 1900r. Niemiec – Otto Walkhoff jako pierwszy stwierdził, że pochodzące od radu promieniowanie radioaktywne może niszczyć tkanki biologiczne. Jak się okazało, rad emituje: promieniowanie alfa (ok. 75% ogółu promieniowania), które bardzo trudno daje się odchylać magnetycznie i jest absorbowane przez powietrze i ciała stałe; promieniowanie beta (ok. 20%), które zachowuje się podobnie jak promienie katodowe, ale jest bardziej przenikliwe; promieniowanie gamma (ok. 5%), które przenika nawet płytę stalową o grubości 10 cm. Jest ono fizjologicznie szczególnie niebezpieczne. Promieniowanie gamma zabija bakterie i powoduje oparzenia skóry.
Zainteresowało to Piotra Curie, który nie zważając na niebezpieczeństwo, natychmiast poddaje próbom swoje ramię. Cieszy się, że wkrótce wystąpiło uszkodzenie skóry, śledzi je, bada jego rozwój. Uderzony zdumiewającą mocą tych promieni, zaczyna badać wpływ radu na organizm zwierząt, współpracując w tym zakresie ze znamienitymi lekarzami: prof. Bourchardem i prof. Balthazardem. Po krótkim już czasie udaje im się stwierdzić, że rad, niszcząc chore komórki, leczy: niektóre guzy i pewne formy raka. Ta gałąź lecznictwa otrzymała nazwę radioterapii, a lekarze francuscy (Doulos, Wickam, Dominci, Degrais i in.) pierwsi zaczynają ją stosować z dobrymi wynikami u ludzi, używając do tego tubek z emanacją radową.
W tym samym roku H. Becquerel na podstawie wyników eksperymentów stawia hipotezę, iż promieniowanie beta to strumień elektronów.
W 1903r. dwaj uczeni angielscy, Ramsay i Soddy, wykazują, że rad wydziela stale małą ilość pewnego gazu – helu. Jest to pierwszy znany przykład przemiany atomów. Cokolwiek później, również w Anglii, Rutherford i Soddy, nawiązując do hipotezy, o której Maria Curie wspominała już w 1900 r., ogłaszają pociągającą \”teorię przemian promieniotwórczych\”. Oznajmiają, że z uranu powstaje powstaje nowy pierwiastek, kiedy odłączy się od niego cząsteczka alfa. Atom (z grec. \”atomos\” = \”niepodzielny\”) niespodziewanie okazał się podzielny i utracił status najmniejszej cząstki materii. Rutherford stwierdził, że pierwiastki dzięki wysyłanemu promieniowaniu rozpadają się tworząc inne pierwiastki o mniejszych atomach, te z kolei tworzą jeszcze inne itd. Łańcuch rozpoczyna uran a kończy ołów. Rutherford dzięki swemu odkryciu stał się \”ojcem fizyki atomowej\”.
W dniu 25 czerwca 1903r. Maria Skłodowska-Curie broni na Uniwersytecie Paryskim pracę doktorską na temat \”Badanie ciał promieniotwórczych\”.
W 1906r. fizyk i chemik Bertram Borden Boltwood badając szereg promieniowania uranu stwierdza, że ostatnim, w końcu stabilnym pierwiastkiem tego szeregu jest ołów. Jednak błędnie uważa on również hel jako produkt rozpadu uranu. Boltwood wnioskuje o składzie różnych rud uranowych dedukcyjnie, na podstawie analiz. Już w 1905r. stwierdził on, że niezależnie od geograficznego pochodzenia rud, stosunek mas i radu pozostaje zawsze stały, z czego wnioskował, że rad powinien być produktem rozpadu uranu. Obecnie dostrzega on, że zawartość ołowiu w rudach jest co prawda we wszystkich próbkach tego samego pochodzenia jednakowa, jednakże w przypadku różnego pochodzenia geograficznego jest różna. Jednak zawartość ołowiu jest tym większa, im starsze geologicznie jest złoże mineralne. Wnioskuje on z tego, iż ołów powinien być produktem końcowym szeregu promieniotwórczego, ponieważ jedyny w całym szeregu kumuluje się. Blotwood bada ponadto w laboratorium roztwór aktynu i stwierdza po wielu miesiącach powiększenie się zawartości radu. Dlatego słusznie sądzi, że aktyn jest substancją macierzystą radu.
W 1909r. E. Rutherford i T. Royds doświadczalnie dowiedli, iż cząstki alfa to dwukrotnie zjonizowane atomy helu (jądra helu).
W 1914r. E. Rutherford i E. N. Andrade uzyskali doświadczalne potwierdzenie ugięcia promieniowania gamma w krysztale. Dokładne badania wykazały, że promieniowanie gamma jest promieniowaniem elektromagnetycznym o większej częstotliwości (mniejszej długości fali) niż promieniowanie rentgenowskie.
W 1934r. małżeństwu Fryderykowi i Irenie Joliot-Curie udaje się przekształcenie atomów w atomy o wyższej liczbie porządkowej. Po odkryciu Wernera Heisenberga, który stwierdził, że jądra atomu składają się z protonów i neutronów, prostsze stało się przekształcanie jego elementów przez bombardowanie cząstkami. Gdy poprzez oddziaływanie cząstki alfa proton wyparty jest z jądra atomowego, wtedy jego liczba porządkowa i masowa zmniejsza się o jeden. Gdy atom traci jedną (składającą się z dwóch protonów i dwóch neutronów) cząsteczkę alfa, wtedy jego liczba porządkowa zmniejsza się o dwa, a liczba masowa o cztery. Joliot-Curie ostrzeliwując atomy boru, aluminium i magnezu cząstkami alfa stwierdzili wzrost masy. Na przykład atomy aluminium 27 przekształcają się w radioaktywne atomy izotopu fosforu z liczbą masową 30. Ponieważ jednak aluminium ma liczbę porządkową 13, a fosfor 15, jądro aluminium przejmuje w tej reakcji z cząstki alfa dwa protony i jeden neutron. W przyrodzie nie występuje fosfor 30. W ten sposób małżeństwu Joliot-Curie udaje się po raz pierwszy sztuczne wytworzenie pierwiastka radioaktywnego.
W 1981r. naukowiec Towarzystwa Badań Schweriona w Darmstadt odkrył czwartą formę radioaktywnej przemiany: radioaktywność protonów. Do tej pory znano tylko radioaktywne procesy wysyłania promieni alfa, beta, gamma. Nowo odkryte przekształcenie jądra pozwala na obserwowanie jąder ciężkiego atomu podczas ostrzału protonami. W momencie rozpadu wysyłają one proton przez co zmniejsza się ich liczba atomowa o jeden.
