Promieniotwórczość odkrywana na raty

Promienie X, promieniotwórczość uranu, elektron, promieniotwórczość polonu i radu ­ to przełomowe odkrycia, którym czasopisma popularnonaukowe na całym świecie poświęcają wiele artykułów rocznicowych, przypominających wydarzenia sprzed stu lat. W większości przedstawiają one jednak nieprawdziwy obraz.

Postęp nauki polega na dokonywaniu odkryć i poprawianiu błędów. Dziś wiemy więcej niż nasi przodkowie sprzed stu lat. Stąd jednak bierze się trudna do przezwyciężenia pokusa, aby odkrycia przeszłości traktować po prostu jako wstęp i przyczynki do nauki współczesnej i pomijać błędy jako wydarzenia nieistotne, które nie prowadzą do postępu. Ta pokusa, związana z samą naturą nauki, sprawia często, że nie zastanawiamy się, jak naprawdę dokonywano odkryć lub formułowano teorie i jak na nie patrzono w owym czasie. Jest to szczególnie niebezpieczne w historii nauk ścisłych, takich jak fizyka. Jeśli bowiem dziedzina ta odznacza się porządkiem logicznym, to tak samo powinna wyglądać jej historia. Jeśli porządek logiczny jest akurat odwrotny od porządku chronologicznego, to w podręcznikach, artykułach i wykładach często przepisuje się historię tak, aby ugruntowywać przekazywane idee. Zdarza się też pobłażliwe traktowanie starych osiągnięć i przeciwstawianie obecnych, „dobrych" poglądów tym dawnym, naiwnym i błędnym. To najbardziej zdradliwa forma przekłamywania historii.

Laboratorium, w którym małżonkowie Curie odkryli polon i rad

Dość łatwo opisać i scharakteryzować odkrycie promieni X przez Wilhelma Conrada Röntgena w listopadzie 1895 roku, ponieważ było to wydarzenie dobrze umiejscowione w czasie i od razu uznane za wielką rewelację. Bardziej złożona jest historia odkrycia promieniotwórczości, o czym będzie mowa poniżej. Najtrudniej zaś jest opisać początki elektronu, albowiem jego „odkrycie" było w istocie długoletnim procesem, który można zrozumieć tylko wtedy, gdy zapoznamy się z poglądami i oryginalnymi tekstami z tamtego okresu. Temu tematowi poświęcę za miesiąc odrębny artykuł.

Opierając się na dokumentach z tamtej epoki, postaramy się w obu artykułach „podsłuchać czas", wczuć w atmosferę sprzed stu lat, bo jest to jedyna, właściwa metoda przedstawiania historii wydarzeń naukowych.

ZACZĘŁO SIĘ OD PROMIENI KATODOWYCH

W ostatnich dekadach XIX stulecia w badaniach fizycznych przodowali uczeni niemieccy i brytyjscy, a nieco za nimi pozostawali Francuzi. Istniała jednak spora różnica poglądów, zwłaszcza między Niemcami i Brytyjczykami. Fizycy brytyjscy interpretowali przyrodę tak, jakby prawa zwykłej mechaniki obowiązywały nadal na poziomie mikroskopowym. Stąd, na przykład, brały się próby wyjaśniania koncepcji eteru elektromagnetycznego za pomocą modeli mechanicznych. Wielu fizyków niemieckich uznawało, że nastawienie mechanistyczne ich brytyjskich kolegów jest mylące, a przesadna skłonność do posługiwania się takimi modelami była raczej przeszkodą niż pomocą w rozwiązywaniu problemów naukowych.

Doświadczenia z promieniami katodowymi (z podręcznika fizyki z 1892 roku)

Promienie katodowe, opisane pierwszy raz w 1867 roku przez niemieckiego fizyka Johanna Hittorfa jako Glimmstrahlen (promienie świecące), zostały tak nazwane w 1876 roku przez innego Niemca Eugena Goldsteina. Stanowiły one wdzięczny obiekt zainteresowań fizyków w wielu laboratoriach, ponieważ aparatura do badania wyładowań elektrycznych w gazach rozrzedzonych była nieskomplikowana, a piękne barwy świecących gazów cieszyły oko. Wielki rozgłos zdobyły badania przeprowadzone przez brytyjskiego uczonego Williama Crookesa, który propagował pogląd, że promienie katodowe to czwarty stan skupienia materii ­ materia w stanie promienistym.

Z wymienionych powodów fizycy w Niemczech nie przyjęli forsowanej przez Brytyjczyków korpuskularnej teorii promieni katodowych, lecz uznali je za pewną postać światła rozprzestrzeniającego się w eterze. Było to zgodne z przeświadczeniem, że tylko światło może wywoływać fosforescencję. Odchylenie promieni katodowych w polu magnetycznym interpretowano jako wynik gwałtownej zmiany współczynnika załamania w resztkach gazu blisko magnesu. Ta promienista teoria promieni katodowych zdawała się potwierdzać, kiedy niemiecki fizyk Philipp Lenard wykazał, że mogą one przenikać przez bardzo cienkie folie metalowe. Wydawało się wtedy niemożliwe, by materia mogła być przenikalna dla obiektów materialnych.

Badając promienie katodowe w licznych laboratoriach, prędzej czy później musiano spostrzec, że znajdujące się blisko osłoniętej rury do wyładowań światłoczułe ekrany fosforyzują, a klisze fotograficzne ulegają zaczernieniu. Znane są dwa przypadki fizyków (a pewnie było ich więcej), którzy odesłali takie zaczernione klisze do producenta, domagając się ich wymiany na nieuszkodzone. W lutym 1890 roku Goodspeed i Jennings w Filadelfii otrzymali nawet na osłoniętej kliszy, znajdującej się blisko rury do wyładowań, pierwszą fotografię przedmiotów, ale nie przywiązali do tego żadnej wagi.

Tylko Röntgen podjął systematyczne badania zauważonej przez siebie przypadkowo fluorescencji ekranu pokrytego platynocyjankiem baru i jemu przypadła sława odkrywcy niewidzialnych promieni.

PRZYPADKOWE ODKRYCIE PROMIENIOTWÓRCZOŚCI URANU

Promieniotwórczość uranu też została odkryta przypadkowo, jako konsekwencja odkrycia promieni X. Po publikacji pracy Röntgena 28 grudnia 1895 roku cały świat został zafascynowany niezwykłymi właściwościami nowych promieni, które stały się głównym tematem dyskusji we wszystkich środowiskach.

20 stycznia 1896 roku Henri Poincaré opowiedział o zadziwiającym odkryciu Röntgena na posiedzeniu Akademii Nauk w Paryżu. Wysunął wówczas hipotezę, że emisja promieni X ma związek ze zjawiskiem fosforescencji, czyli opóźnionym wysyłaniem światła po naświetleniu danej substancji. Obecny na posiedzeniu Becquerel postanowił sprawdzić tę hipotezę. Miał w swej pracowni minerał, siarczan uranylowo-potasowy, K₂[UO₂ (SO₄)₂] (H₂O)₂, znany jako substancja o silnej fosforescencji. Wystawił go więc na działanie światła słonecznego, a następnie sprawdził, że położony na pewien czas na kliszy fotograficznej, owiniętej w czarny papier, powoduje jej wyraźne zaczernienie. Na posiedzeniu Akademii Nauk 24 lutego Becquerel przedstawił ten wynik, uznając, że hipotezę Poincarégo potwierdzono.

Henri Becquerel

Postanowił jednak kontynuować doświadczenia. Tymczasem w końcu lutego pogoda w Paryżu się popsuła i rzadko świeciło słońce. Czekając na poprawę pogody, Becquerel przechowywał mało naświetlony minerał razem z kliszą w szufladzie. Po paru dniach zdecydował się wywołać kliszę i ze zdumieniem stwierdził, że jej zaczernienie jest bardzo duże. Zrozumiał wtedy, że jego poprzedni wniosek był błędny i na następnym posiedzeniu Akademii Nauk 2 marca ogłosił, iż sól uranylowa sama z siebie wysyła nieznane przenikliwe promieniowanie. Tak, więc błędna hipoteza i zbieg okoliczności doprowadziły do odkrycia, uhonorowanego potem Nagrodą Nobla.

Becquerel postanowił zbadać dokładniej właściwości nowo odkrytego promieniowania. Trzykrotnie jeszcze w marcu 1896 roku na posiedzeniach Akademii Nauk przedstawiał swoje wyniki. Najpierw, 9 marca, oznajmił, że promienie wysyłane przez siarczan uranylowo-potasowy, trzymany przez kilka dni w ciemności, powodują po przejściu przez dwumilimetrową płytkę aluminiową rozładowanie elektroskopu listkowego. Stwierdził też, że te niewidzialne promienie mogą ulegać odbiciu i załamaniu. Cały czas konsekwentnie posługiwał się kliszami fotograficznymi. W kolejnym komunikacie, 23 marca, podał dokładniejsze wyniki dotyczące zdolności jonizującej nowych promieni. Porównując skutki działania promieni Röntgena wychodzących z rury Crookesa i promieniowania soli uranowej, stwierdził, że pierwsze z nich rozładowuje elektroskop ponad 100 razy szybciej. Tydzień później Becquerel podał, że promienie uranowe ulegają podwójnemu załamaniu i polaryzacji.

Doświadczenia Becquerela były starannie przemyślane i wykonane, ale wyniki dotyczące rzekomego odbicia, załamania i polaryzacji promieni uranowych, uzyskane zawodną metodą badania zaczernienia kliszy fotograficznej, były ­ jak dziś wiemy ­ błędne i przyczyniły się do wyraźnego spadku zainteresowania nowymi promieniami.

Becquerel był znanym i cenionym fizykiem, toteż jego wyników nikt nie podawał w wątpliwość. Skoro promienie uranowe wykazywały właściwości falowe, jak zwykłe światło, uznano, że ich naturę lepiej zrozumiano niż odkrytych wcześniej, lecz nadal tajemniczych promieni Röntgena. Najlepiej świadczy o tym fakt, iż na wspomnianych trzech posiedzeniach Akademii Nauk przedstawiono ponad 30 doniesień o badaniach promieni Röntgena; w tej powodzi komunikaty Becquerela o promieniowaniu uranowym, mającym właściwości podobne do zwykłego światła, nie mogły wywołać szerszego oddźwięku.

Wilhelm Conrad Röntgen

Na wieść o odkryciu promieni Röntgena ówczesnych uczonych ogarnął ogromny zapał. Nowe pole badań przyciągnęło także mniej kompetentnych, naukowców, którzy swoimi doniesieniami potęgowali zamęt (ramka na sąsiedniej stronie). Nic, więc dziwnego, że w atmosferze niesłabnącego zainteresowania promieniami X, a jednocześnie licznych doniesień o wielości źródeł przenikliwego promieniowania, niewielkie wrażenie wywołał kolejny komunikat Becquerela, który 23 maja doniósł, że uran metaliczny także wysyła niewidzialne promieniowanie, i to z natężeniem czterokrotnie większym niż wcześniej badane sole uranu.

PROMIENIE URANU
TO PO PROSTU ŚWIATŁO!

John Joseph Thomson podczas odczytu pt. Promienie Röntgena, wygłoszonego na uniwersytecie w Cambridge 10 czerwca 1896 roku, powiedział: Po odkryciu promieni Röntgena Becquerel odkrył nowy rodzaj światła, którego właściwości przypominają promienie Röntgena bardziej niż jakiekolwiek światło znane dotychczas... Becquerel wykazał, że to promieniowanie soli uranowych może ulegać polaryzacji, jest, więc to niewątpliwie światło; może także ulegać załamaniu. Tworzy ono przejście między promieniami Röntgena i zwykłym światłem, przypomina promienie Röntgena swym działaniem fotograficznym, zdolnością przechodzenia przez substancje nieprzezroczyste dla zwykłego światła i charakterystycznym działaniem elektrycznym, natomiast przypomina zwykłe światło swą zdolnością polaryzacji i załamania [...]

Promieniowanie soli uranowych jest szczególnie interesujące z innego punktu widzenia. Sir George Stokes wykazał, że w przypadku fosforescencji wywołanej światłem słonecznym lub lampy łukowej światło wysyłane przez fosforyzujące ciało ma długość większą od światła wywołującego fosforescencję; natomiast w przypadku fosforescencji odkrytej przez Becquerela wysyłane jest światło o mniejszej długości fali niż światło padające [...]

Tymczasem jesienią 1896 roku holenderski fizyk Pieter Zeeman odkrył w Lejdzie rozszczepienie linii widmowych w polu magnetycznym. Kiedy
30 października ogłoszono o tym w Holenderskiej Królewskiej Akademii
Nauk, wielu fizyków od razu zdecydowało się zająć tym od dawna poszukiwanym zjawiskiem. Był wśród nich także Becquerel, który swe prace na temat zjawiska Zeemana i efektu Faradaya aż siedmiokrotnie przedstawiał na posiedzeniach Akademii Nauk w Paryżu (między 8 listopada 1897 a 16 stycznia 1899 roku).

Hendrik Anton Lorentz, profesor fizyki w Lejdzie, był na przełomie stuleci uznawany przez wszystkich teoretyków za lidera. Cechowała go nadzwyczajna biegłość w rozwiązywaniu problemów. Już następnego dnia po wysłuchaniu komunikatu Zeemana ogłosił kompletne teoretyczne wyjaśnienie zjawiska wraz z przewidywaniem polaryzacji rozszczepionych linii. O wadze, jaką przywiązywano wówczas do tego odkrycia, świadczy najlepiej fakt, że w 1902 roku Lorentz i Zeeman zostali laureatami Nagrody Nobla z fizyki. Do Lorentza jeszcze wrócę za miesiąc, gdy będzie mowa o odkryciu elektronu.

Nie dziwmy się, więc Becquerelowi, że porzucił „nieciekawy" temat, jakim zdawały się promienie uranowe, i zajął się zagadnieniem, które wówczas elektryzowało wszystkich. Mimo to ogłosił jednak jeszcze trzy krótkie komunikaty na temat „promieni uranowych"
23 listopada 1896 oraz 1 marca
i 12 kwietnia 1897 roku. W tym ostatnim stwierdzał, że aktywność soli uranowej nie zmieniła się zauważalnie w ciągu roku badań. Był on w tym okresie chyba jedynym uczonym poświęcającym swój czas badaniu promieni, uznanych powszechnie za znacznie mniej ciekawe od promieni Röntgena. Dość powiedzieć, że w 1896 roku ukazało się ponad 1000 prac oraz 50 książek i broszur na temat promieni Röntgena, a tylko kilkanaście artykułów na temat „promieni uranowych" .

Następna praca Becquerela na temat promieniotwórczości została przedstawiona dopiero 27 marca 1899 roku, rok po pierwszej publikacji Marii Skłodowskiej-Curie i parę miesięcy po odkryciu polonu i radu. Właściwie cały czas od maja 1896 do wiosny 1898 roku był okresem stagnacji w badaniach promieni Becquerela.

PONOWNE ODKRYCIE
PROMIENIOTWÓRCZOŚCI

Trudno powiedzieć, jak potoczyłaby się historia promieniotwórczości, gdyby w końcu 1897 roku Maria Skłodowska-Curie nie zdecydowała zająć się systematycznie tak „nieciekawym" zagadnieniem, jakim wydawało się wówczas promieniowanie uranu. Skończyła właśnie swoją rozprawę dyplomową na temat właściwości magnetycznych hartowanej stali i gdyby kontynuowała te badania, zapewne jej nazwisko nie przeszłoby do historii.

Maria Skłodowska-Curie

Jej pierwsza samodzielna praca na temat promieniotwórczości ­ nazwa właśnie przez nią zaproponowana ­ to zerwanie z praktykami ówczesnych badaczy nowych promieni. Po pierwsze, Maria Skłodowska-Curie użyła do badań precyzyjnego i czułego elektrometru ­ zamiast metody fotograficznej, która ze względu na jakość ówczesnych klisz dawała tylko wyniki jakościowe, niepowtarzalne i często ­ jak widzieliśmy ­ błędne. Po drugie, postanowiła zbadać dostępne minerały, skały i inne substancje.

To zerwanie z przeszłością przyniosło od razu przełomowy wynik: okazało się, że natężenie promieniowania w różnych minerałach zawierających uran nie jest proporcjonalne do zawartości tego pierwiastka. Na tej podstawie wysunęła śmiałą hipotezę, że istnieje nowy, nieznany pierwiastek promieniotwórczy. Ponadto, dzięki systematycznym badaniom, stwierdziła promieniotwórczość toru; tego odkrycia dokonał niezależnie niemiecki fizyk Gerhard Schmidt, który ­ stosując metodę fotograficzną analogicznie do Becquerela ­ stwierdził ponadto, że promienie torowe ulegają załamaniu i odbiciu (rozpraszaniu), lecz nie dają się polaryzować. Utrwalił, więc częściowo błędne wyniki Becquerela.

Okazało się, że wyniki, do jakich mnie ta praca doprowadziła, odsłaniają widoki tak ciekawe, że pan Curie, odstępując od swych robót, będących w biegu, przyłączył się do mnie i odtąd wspólnie nasze usiłowania skierowaliśmy ku wydobyciu nowych ciał promieniotwórczych i ich zbadaniu ­ napisała Maria Skłodowska-Curie we wstępie do swej rozprawy doktorskiej Badanie ciał radioaktywnych.

Tak, więc, to właśnie pierwsza jej publikacja, ogłoszona w maju 1898 roku, ponownie skierowała uwagę badaczy na promienie Becquerela. Dwa miesiące później, po niezwykle uciążliwej pracy mającej na celu wydzielenie poszukiwanej substancji z blendy smolistej, małżonkowie Curie donieśli o odkryciu nowego pierwiastka promieniotwórczego: Niektóre rudy, zawierające uran i tor (blenda smolista, chalkolit, uranit), są bardzo aktywne pod względem emisji promieni Becquerela. W poprzedniej pracy jedno z nas wykazało, że ich aktywność jest nawet większa od aktywności uranu i toru i wyraziło opinię, że fakt ten należy przypisać jakiejś innej, nadzwyczaj aktywnej substancji, która znajduje się w tych rudach w bardzo nieznacznej ilości [...] Przypuszczamy, że ciało, które wyodrębniliśmy z blendy smolistej, zawiera nieznany jeszcze metal, zbliżony do bizmutu pod względem właściwości chemicznych. Jeśli istnienie tego metalu się potwierdzi, proponujemy dla niego nazwę „polon" ­ od nazwy ojczyzny jednego z nas.

W okresie, gdy kobiety miały trudności z dostaniem się na wyższe uczelnie i kiedy odmawiano im wielu praw, zwłaszcza studiowania na równi z mężczyznami nauk ścisłych, wielu ludziom wydawało się mało prawdopodobne, by wspaniały pomysł systematycznego badania promieniotwórczości mógł się zrodzić samodzielnie w głowie młodej Polki.

Wśród Francuzów częste było wtedy przekonanie, że to wybitny uczony
Piotr Curie podsunął swej żonie temat badań i czuwał nad nimi, a Maria spełniała tylko rolę pomocniczą. Jednak wszystkie znane fakty świadczą, że jest to przekonanie błędne i niesprawiedliwe. Maria Skłodowska-Curie, według powszechnej opinii osoba niezwykle skromna, a przy tym kochająca żona, niemal zawsze podkreślała, że odkrycia w dziedzinie promieniotwórczości są ich wspólnym dziełem. Z jednym wyjątkiem: właśnie, gdy chodziło o sam pomysł zajęcia się promieniotwórczością. W swej „Autobiografii" napisała: Zdecydowałam się wreszcie na temat mojej rozprawy doktorskiej. Uwagę moją zwróciły ciekawe wyniki badań Henri Becquerela soli rzadkiego metalu ­ uranu.

Podobnie, Irena Joliot-Curie we wspomnieniach o swej matce i ojcu napisała wyraźnie: Moja matka... zdecydowała się podjąć badania promieni Becquerela... Nie ma, więc powodu, żeby odmawiać Marii Skłodowskiej-Curie samodzielności w podjęciu decyzji, która przyniosła wyniki tak przełomowe dla nauki.

SCEPTYCYZM CROOKESA

William Crookes, wówczas prezes British Association for the Advancement of Science, w referacie na zjeździe tej organizacji w Bristolu, we wrześniu 1898 roku, poświęcił promieniotwórczości zaledwie drobną część swego wystąpienia. Z jego słów wynika wyraźnie, że tę dziedzinę badań nadal traktował marginesowo w porównaniu z badaniami promieni X: Nie znaleziono dotychczas żadnego innego źródła promieni Röntgena poza rurą Crookesa, ale stwierdzono istnienie promieni podobnych rodzajów. Promienie Becquerela, wysyłane przez uran i jego związki, zyskały teraz towarzystwo w promieniach ­ odkrytych niemal równocześnie przez Curie i Schmidta ­ wysyłanych przez tor i jego związki. Promienie torowe działają na płyty fotograficzne przez zasłony z papieru lub aluminium i są pochłaniane przez metale i inne ciała gęste. Jonizują one powietrze, czyniąc je przewodnikiem elektryczności; można je załamywać i przypuszczalnie odbijać, przynajmniej rozpraszać. W odróżnieniu od promieni uranowych, nie ulegają polaryzacji przy przejściu przez turmalin, a więc przypominają pod tym względem promienie Röntgena.

Zupełnie niedawno pan i pani Curie ogłosili odkrycie, które, jeśli zostanie potwierdzone, na pewno pomoże w badaniu tego niejasnego działu fizyki. Zwrócili oni uwagę na nowy składnik minerału uranu, blendy smolistej, który w porównaniu z uranem posiada 400 razy większą zdolność emitowania jakiejś formy energii, zdolnej do działania na płytę fotograficzną i wyzwalania elektryczności przez czynienie powietrza przewodnikiem. Wydaje się też, że aktywność promienista nowego ciała, któremu odkrywcy nadali nazwę Polonium, nie wymaga ani wzbudzania przez światło, ani przez elektryczność; podobnie jak uran, czerpie ono swą energię z jakiegoś stale odnawiającego się, niewyczerpanego źródła, którego przedtem się nie domyślano [...]

Crookes nazywał polon „ciałem", a więc nie zdobył się jeszcze na zaliczenie polonu do pierwiastków chemicznych (w innej części swego referatu omawia obszernie odkrycia kryptonu, neonu i metaargonu ­ dziś nazywanego ksenonem ­ dokonane przez Ramsaya między majem a lipcem tego roku, a także odkrytego przez siebie „monium", który zresztą okazał się wkrótce mieszaniną dwóch znanych już pierwiastków). Poświęca jednak trochę miejsca problemowi źródła energii promieni uranowych i torowych i tu przedstawia swą hipotezę, według której te ciężkie pierwiastki mają zdolność przejmowania energii od najszybszych cząsteczek z ogona rozkładu Maxwella.

Zmniejszenie prędkości szybkich cząsteczek ochładzałoby warstwę powietrza, w której się znajdują, ale to ochładzanie byłoby szybko kompensowane przez promieniowanie i przewodzenie z otaczającej atmosfery; w zwykłych warunkach różnica temperatury byłaby niezauważalna, wobec czego uran wydawałby się nieustannie wysyłać promienie energii bez widocznych środków odtwarzania.

Całkowita energia ruchu translacyjnego i wewnętrznych ruchów cząsteczek w spokojnym powietrzu przy normalnej temperaturze i ciśnieniu wynosi około 140 000 stopo-funtów na jard sześcienny powietrza. Zatem powietrze w pokoju o wysokości 12, szerokości 18 i długości 22 stóp zawiera energię wystarczającą do poruszania maszyny o mocy jednego konia mechanicznego przez dwanaście godzin. Źródło, z którego czerpią energię uran i inne ciężkie atomy, czeka tylko na dotknięcie magicznej pałeczki nauki, aby pozwolić dwudziestemu stuleciu usunąć w cień wspaniałości stulecia dziewiętnastego [...]

W końcu 1898 roku fizycy niemieccy, Julius Elster i Hans Geitel, udowodnili doświadczalnie, że promieniowanie uranu jest takie samo przy normalnym ciśnieniu atmosferycznym i w próżni, jak również po umieszczeniu uranu w kopalni na głębokości 852 m. Przeczyło to hipotezie Crookesa.

NA SCENĘ WKRACZA
ERNEST RUTHERFORD

Ernest Rutherford przybył do laboratorium Thomsona w Cambridge z Nowej Zelandii i początkowo zajmował się innym fascynującym wówczas tematem ­ wykorzystaniem odkrytych niedługo przedtem fal elektromagnetycznych do przesyłania informacji. Przez krótki okres do niego właśnie należał rekord ­ pobity potem przez Guglielmo Marconiego ­ odległości, na którą przesyłano sygnały. W styczniu 1899 roku ukazała się w „Philosophical Magazine" jego obszerna rozprawa pt. Promieniowanie radu i wywołane przez nie przewodnictwo elektryczne, wysłana do redakcji z Cambridge z datą 1 września 1898 roku. Można z niej wnioskować, że Rutherford rozpoczął badania promieniotwórczości dużo wcześniej, zapewne w podobnym czasie jak Maria Skłodowska-Curie.

Ernest Rutherford

Już na wstępie Rutherford przypomniał, że Becquerel stwierdził, iż promieniowanie uranu można załamywać i polaryzować, podczas gdy nie uzyskano żadnych pewnych wyników na temat polaryzacji i załamania promieni Röntgena. Mimo wielokrotnych prób nie udało się Rutherfordowi potwierdzić eksperymentalnie, iż promieniowanie uranu istotnie ulega załamaniu i polaryzacji. W omawianej pracy otrzymał ważny wynik: promieniowanie uranu ma dwie składowe, różniące się znacznie zdolnością przenikania przez materię. Składową silnie pochłanianą nazwał promieniowaniem a, a składową przenikliwą ­ promieniowaniem b. Ten wynik świadczył, że promieniowanie uranu jest bardziej skomplikowane, niż to wynikało z pierwszych badań Becquerela. Pomyślał, więc, iż, być może, małżonkowie Curie zbyt się pospieszyli, postulując istnienie nowej substancji:

Możliwe, że odkryte przez Curie bardzo silne promieniowanie blendy smolistej jest wywołane częściowo raczej bardzo złożoną strukturą tego materiału niż tym, że próbka zawiera nową, silnie promieniującą substancję.

ODKRYCIE RADU

Tymczasem małżonkowie Curie wraz z Gustavem Bémontem kontynuowali badania zmierzające do wydzielenia z blendy smolistej kolejnej nowej substancji. Odkrycie radu zostało zakomunikowane 26 grudnia 1898 roku:

Fakty każą nam przypuszczać, że w tym nowym związku promieniotwórczym znajduje się nowy pierwiastek, który proponujemy nazwać radem. Nowy ten związek zawiera na pewno bardzo znaczną ilość baru, mimo to jednak jest on silnie promieniotwórczy. Promieniotwórczość radu musi być, zatem ogromna.

Maria i Piotr Curie

Odkrycia polonu i radu rozwiały wszelkie wcześniejsze wątpliwości na temat istnienia nowych pierwiastków. Teraz z kolei wielu fizyków uznało, że promieniotwórczość to bardzo fascynujący temat. Sam Becquerel po dwóch latach powrócił do badań uranu
i 27 marca 1899 roku przedstawił w paryskiej Akademii Nauk komunikat, w którym odwoływał swe poprzednie doniesienia na temat załamania i polaryzacji promieni uranowych. Podał także ważny wynik, że aktywność soli uranowej w jego laboratorium pozostała niezmieniona od maja 1896 roku.

Następny rok przyniósł nowe odkrycia. Liczba prac na temat promieniotwórczości zaczęła szybko rosnąć. W Paryżu André Debierne odkrył kolejny pierwiastek promieniotwórczy, aktyn (wyniki przedstawiono 16 października 1899 roku na posiedzeniu Akademii Nauk). Największe znaczenie dla rozwoju badań promieniotwórczości miało jednak zaangażowanie się w nie Rutherforda, który wkrótce (w 1900 roku) doniósł o odkryciu emanacji toru, a potem wraz z Frederickiem Soddym opracował pierwszą teorię przemian promieniotwórczych. W 1903 roku Becquerel oraz małżonkowie Curie otrzymali Nagrodę Nobla z fizyki. Po przedwczesnej, tragicznej śmierci Piotra Curie w 1906 roku Maria Skłodowska-Curie kontynuowała badania samodzielnie. W 1911 roku została uhonorowana drugą Nagrodą Nobla, tym razem z chemii. Trzy lata wcześniej Nagrodę Nobla z chemii otrzymał Ernest Rutherford. Wtedy było już wiadomo, że badanie promieniotwórczości prowadzi do przewrotu w nauce o budowie materii.

Dyplomy Nagrody Nobla Marii Skłodowskiej-Curie oraz małżonków Curie

Trudno nie zgodzić się ze zdaniem amerykańskiego historyka Lawrence'a Badasha, który tak podsumował pierwsze lata promieniotwórczości: We wczesnych miesiącach 1898 roku promieniotwórczość to było „martwe pole" ­ istniała, ale nikt nie wiedział, co z nią zrobić. Trzeba było nie tylko odkrycia aktywności toru, najpierw przez Gerharda C. Schmidta, a potem przez Marię Curie, lecz głównie późniejszych odkryć polonu i radu przez małżonków Curie, aby powróciło zainteresowanie tą dziedziną. Wtedy, bowiem stało się oczywiste, że jest to zjawisko atomowe o wielkim znaczeniu.

Wszędzie niewidzialne promienie!

Już 27 stycznia 1896 roku, parę tygodni przed pierwszym komunikatem Becquerela, Gustave Le Bon wystąpił na posiedzeniu Akademii Nauk z referatem na temat „czarnego światła" (lumi`ere noire). Twierdził on, że zwykła lampa parafinowa wysyła szczególne promieniowanie, które może przenikać przez płytki metalowe. Umieszczał on kliszę fotograficzną pod negatywem osłoniętym żelazem lub ołowiem i po 3 godzinach naświetlania widział na kliszy obraz tak wyraźny, jakby nie było przeszkody między kliszą i źródłem światła.

3 lutego Le Bon wystąpił z następnym komunikatem: tym razem twierdził, że starał się wyeliminować możliwy wpływ ciepła i światła zebranego w płytkach metalowych. Jednak na tym samym posiedzeniu Niewęgłowski doniósł, że powtórzył doświadczenia Le Bona w całkowitej ciemności (bez źródła światła!) i wywnioskował, iż obraz na kliszy powstaje wskutek energii promieniowania skupionej w metalu. Natomiast Moreau twierdził, że można otrzymać obraz na kliszy zamkniętej w pudełku blisko zwykłej cewki indukcyjnej bez rury Crookesa.

10 lutego Henry przedstawił wyniki swych badań, z których zdawało się wynikać, że fosforyzujący siarczek cynku powoduje, iż metale stają się przezroczyste dla promieni X, lub, że sama ta substancja emituje jakieś nowe niewidzialne promieniowanie przenikliwe.

9 marca Troost potwierdził, że siarczek cynku pozwala uzyskiwać na osłoniętej kliszy obrazy tak wyraźne, jak przy użyciu promieni X z rury Crookesa.

W końcu lutego nadeszła też wiadomość z USA, gdzie Mau otrzymał fotografię klucza na szczelnie osłoniętej kliszy po pięciogodzinnym naświetleniu zwykłym światłem słonecznym. Inny Amerykanin, Egbert, potwierdził, że światło Słońca pozwala otrzymywać na szczelnie osłoniętej kliszy obrazy tak wyraźne, jak przy użyciu promieni X.

Te fałszywe wyniki zostały po paru miesiącach sprostowane, na razie jednak dopatrywano się wszędzie istnienia promieni, przenikających przez nieprzezroczyste dla zwykłego światła przeszkody.

Inni badacze „odkrywali" jeszcze bardziej egzotyczne źródła niewidzialnego przenikliwego promieniowania. Na przykład prof. McKissick z Alabama Polytechnic Institute twierdził, że jego źródłem jest m.in. cukier i zwykła kreda. W Erlangen Arnold ogłosił, że promienie Becquerela są wysyłane przez siarczek cynku, fluoryt, różne mieszaniny innych siarczków i wolframianów, a nawet przez otrzymywany z żywicy węglowodór C₁₈H₁₈.

Komunikaty na kolejnych posiedzeniach Akademii Nauk w Paryżu potwierdzały odkrycia Le Bona. 16 marca Ellinger doniósł o pomyślnym powtórzeniu wszystkich doświadczeń z „czarnym światłem", a 11 maja sam Le Bon podał następny sensacyjny wynik: oto „czarne światło" kondensuje się w płytach metalowych, którymi ­ po godzinnym naświetleniu światłem łuku elektrycznego ­ okładano kliszę i negatyw. Obraz otrzymywany potem na kliszy powstawał, zdaniem Le Bona, dzięki „czarnemu światłu" skupionemu uprzednio w metalu.

6 lipca Colson zapewnił członków Akademii Nauk, że cynk, po oczyszczeniu powierzchni papierem ściernym, działa na kliszę fotograficzną, a 13 lipca Pellat doniósł, że otrzymał podobny wynik dla stali. Colson przypisywał to zjawisko parom metalu, natomiast Pellat, powołując się na doświadczenia, Becquerela z metalicznym uranem, był zdania, że metale wysyłają przenikliwe niewidzialne promieniowanie. 24 sierpnia 1896 roku Henry doniósł na posiedzeniu Akademii Nauk w Paryżu, że nawet światło emitowane przez robaczki świętojańskie potrafi przenikać przez czarny papier. Odkrycie to wkrótce potwierdził Muraoka w Kioto.

Sprostowanie tych błędnych doniesień zabrało sporo czasu. Na przykład Muraoka wycofał swe doniesienie dopiero w marcu 1898, a Le Bon obstawał przy „czarnym świetle" jeszcze w styczniu 1899 roku.

Hyperfosforescencja

Opinię ówczesnych fizyków bardzo dobrze charakteryzuje poniższy wyjątek z książki profesora Uniwersytetu Warszawskiego, Wiktora Biernackiego pt. Nowe dziedziny widma, wydanej w Warszawie w połowie 1898 roku, a więc pisanej zapewne w czasie, kiedy Maria Skłodowska-Curie zdecydowała się na podjęcie badania promieniotwórczości:

Wiktor Biernacki

Becquerel wykrył, że sole uranowe wysyłają niewidzialne promienie przenikające przez glin, papier czarny dla światła nieprzezroczysty, i rozpraszają ładunki elektryczne. Podobnie jak ciała fosforyzujące, po krótkim oświetleniu, przez pewien czas (kilkanaście godzin) świecą, tak też sole uranowe wysyłają, lecz znacznie dłużej, bo miesiące całe, owe promienie niewidzialne. Zjawisko to fizycy niektórzy nazywają hyperfosforescencją. Jeszcze mocniej w sposób podobny działa czysty metal uran. Znaleziono wiele jeszcze innych ciał, wysyłających podobne promienie niewidzialne, jak siarek cynku, siarek wapnia itp. Wszystkie te ciała fosforyzują widzialnie; lecz, chociaż już świecić widzialnie przestają, przez czas bardzo długi jeszcze wysyłają owe promienie niewidzialne, o własnościach zbliżonych do własności promieni Röntgena. Tym promieniom niewidzialnym nadano ogólne miano promieni Becquerela. Wszystkie one rozpraszają ładunki elektryczne, ulegają jednak mocniejszemu pochłanianiu w powietrzu, aniżeli promienie Röntgena. Prócz tego Becquerel wykazał, że dają się one odbijać od powierzchni zwierciadlanych, załamywać, oraz polaryzować.

Fosfor świecący przy powolnym utlenianiu w powietrzu wilgotnym, prócz promieni widzialnych, wysyła też promienie niewidzialne, przenikające przez papier czarny i działające na czułe klisze fotograficzne; glin jest jednak dla nich nieprzezroczysty.

W świetle robaczków świętojańskich zawarte są też podobne promienie, przenikające i przez glin, a nawet przez cienkie blaszki miedziane. Jak i promienie Becquerela, ulegają one odbiciu, załamaniu i polaryzacji.

Każdy niemal dzień przynosi nowe w tej dziedzinie odkrycia; zakres ciał wysyłających promienie o właściwościach dotychczas nieznanych rozszerza się coraz bardziej: jedne z nich fosforyzują i widzialnie i niewidzialnie (hyperfosforyzują), inne tylko niewidzialnie, promieniami o własnościach podobnych do własności promieni Röntgena.

Jeśliśmy się zgodzili uważać promienie X za przejaw drgań eteru poprzecznych, z tym większą słusznością przypuścić to możemy dla promieni Becquerela i promieni im analogicznych. Lecz ponieważ ze względu na ich zdolność odbijania się, załamania i polaryzacji, zbliżają się one bardziej do promieni widzialnych, aniżeli promienie Röntgena, więc też przypisać im należy fale o długościach pośrednich pomiędzy długością fal poznanych dotychczas promieni pozafiołkowych oraz promieni X.

W książce Biernackiego promienie Röntgena są omawiane szczegółowo na kilkudziesięciu stronach, natomiast promienie Becquerela tylko w tej krótkiej wzmiance, przytoczonej tu w całości i zawierającej ­ jak dziś wiemy ­ przeważnie fałszywe stwierdzenia.

Polskie echa

W roczniku z 1896 roku wydawanego w Warszawie tygodnika „Wszechświat" znalazło się sześć długich ilustrowanych artykułów oraz czternaście krótkich notatek na temat promieni Röntgena, trzy notatki na temat „czarnego światła" Le Bona i przenikliwego promieniowania wysyłanego przez pewne grzyby i tylko dwie notki o promieniach wysyłanych przez uran.

Dobrze odzwierciedla to rozkład zainteresowania ówczesnych uczonych nowymi promieniami.

Kto co wniósł?

Odkrycia polonu i radu są wspólnym osiągnięciem Marii i Piotra Curie. Ewa Curie w znanej książce Maria Curie tak pisała o swoich rodzicach:

Nie możemy dociec ­ i zresztą nie mamy prawa dociekać, co w ciągu tych lat ośmiu wniósł w ową pracę on, a co ona, bowiem oni tego wyraźnie nie chcieli. Wielkość umysłu Piotra znamy z jego poprzednich prac, wielkość umysłu Marii wykazała nam jej wspaniała hipoteza [...]

...Więc dosyć mamy dowodów na to, że w naukowym związku ich dwojga wymiana była wzajemna i równe udziały. To nam musi wystarczyć i całkowicie zaspokoić naszą ciekawość w tym względzie. Teraz już nam nie wolno oddzielać w pracy jej od niego, teraz muszą się oni dla nas złączyć w jedno, tak jak się łączą w jedno ich notatki i ich podpis ­ zawsze wspólny ­ na komunikatach przesyłanych towarzystwom naukowym, na pracach ogłaszanych drukiem. Zawsze pisać będą: „stwierdziliśmy", „zauważyliśmy", kiedy zaś wyraźna konieczność skłania ich do oddzielenia ich roli w jakimś fragmencie pracy, taką znajdą sobie wzruszającą formę obejścia tej konieczności: Niektóre rudy zawierające uran i tor (smółka uranowa, chalkolit, uranit) są bardzo aktywne pod względem wysyłania promieni Becquerela. W poprzedniej pracy jedno z nas wykazało, że ich aktywność jest nawet większa od aktywności uranu i toru i wyraziło opinię, że fakt ten należy przypisać jakiemuś innemu, nadzwyczaj aktywnemu ciału, które znajduje się w tych rudach w bardzo nieznacznej ilości.

---