Не жизни разве ради

Первая половина XX стала временем прорыва в теоретической и экспериментальной физике — и одновременно временем слома многих традиционных установлений. Это, в частности, касается и положения женщин в науке. До определенного времени женщины не могли мечтать не то что о научной карьере, но даже о получении высшего образования. Уроженка Варшавы Мария Склодовская, в замужестве Кюри, сумела не только окончить Сорбонну, стать знаменитым ученым и открыть два новых радиоактивных элемента — полоний и радий, но и получить сразу две Нобелевские премии, причем по разным дисциплинам — по физике и по химии. Подробнее о том, какое место Мария Кюри и члены ее семьи заняли в истории развития ядерной физики, читайте в нашем материале.

Замужество ради науки

Долгое время наука и образование оставались практически исключительно мужским занятием. Король Наварры Филипп, живший в XIV веке, предостерегал: «Никто не должен учить женщину буквам и письму, если только она не монахиня. Женское чтение и письмо ведут к великому злу». Тем не менее, постепенно начальное образование становилось доступно женщинам не только в монастырях.

Этот процесс ускорился после того, как Мартин Лютер провозгласил: спасение является личной ответственностью каждого человека (а поэтому необходимо уметь читать Священное Писание). К началу XVIII века 25 процентов англичанок и 14 процентов француженок были грамотными, и к концу века эта доля удвоилась.

Однако двери университетов начали приоткрываться для женщин только во второй половине XIX века, и получение высшего образования все равно требовало от них гораздо больших усилий, чем от мужчин. Во-первых, высшее образование было явно избыточно для традиционной роли женщины как верной спутницы мужа, на которой лежат заботы о доме и детях, поэтому семьи не поддерживали стремление девушек идти в университет.

Во-вторых, существовало множество удивительных предрассудков: например, британские врачи считали, что интенсивные занятия могут повредить яичники и привести к бесплодию.

В-третьих, до начала XX века лишь несколько университетов готовы были принимать студенток, и поэтому женщине, решившей получить высшее образование, зачастую приходилось расставаться с семьей и переезжать в другую страну. Так, Софья Ковалевская была вынуждена фиктивно выйти замуж, чтобы получить возможность выехать из Российской империи (отец отказался дать ей разрешение на самостоятельный выезд), получить образование в Германии и стать одной из первых в мире женщин — профессоров математики.

Мария Склодовская родилась в 1867 году в Варшаве, также на территории Российской империи. Она закончила гимназию с золотой медалью, но, как и Софья Ковалевская, не могла продолжить образование на родине и несколько лет работала гувернанткой, чтобы скопить денег на учебу в Париже. В 1891 году она поступила в Сорбонну, где получила две степени магистра, физики и математики.

В 1894 году Мария познакомилась с Пьером Кюри, известным физиком и специалистом по магнетизму. Марии требовалось помещение, где она могла бы проводить эксперименты, а Пьер заведовал лабораторией в Муниципальной школе индустриальной физики и химии. Работая бок о бок, они обнаружили, что их связывает нечто большее, чем профессиональные интересы, и Пьер Кюри предложил Марии выйти за него замуж.

Сначала Мария не согласилась, поскольку собиралась вернуться в Польшу и работать на родине. Однако Краковский университет отказал ей (снова из-за того, что Мария была женщиной), и Пьеру удалось убедить будущую супругу принять его предложение.

«Я даже не решаюсь представить, как это было бы прекрасно, если бы мы могли прожить наши жизни вместе, очарованные нашими мечтами: твоей патриотической мечтой, нашей гуманистической мечтой и нашей научной мечтой», — писал он в одном из писем.

Первая нобелевская премия

В 1896 году другой французский физик, Анри Беккерель изучал фосфоресценцию одной из солей урана. При фосфоресценции вещество через некоторое время после поглощения света одной длины волны (цвета) излучает свет другой длины волны (например, такое происходит в часах со светящимися стрелками).

Беккерель, как и большинство ученых, был очень впечатлен случившимся в предыдущем году открытием рентгеновских лучей и решил проверить, не станет ли уран после облучения солнечным светом испускать рентгеновские лучи. Для этого он завернул фотопластинку в непрозрачную бумагу, положил на нее металлический крест, на крест образец урановой соли и выставил все это на солнце.

Вечером он развернул бумагу и обнаружил на фотопластинке очертания креста. То есть действительно, после дня, проведенного на солнце, урановый образец испускал лучи, способные проникнуть через непрозрачную бумагу и засветить фотопластинку. Казалось бы, Беккерель должен был обрадоваться и начать писать статью об открытии, но, как грамотный ученый, он решил повторить эксперимент.

Следующие несколько дней были пасмурные, поэтому Беккерель убрал фотопластинки, крест и урановую соль в темный ящик стола, дожидаясь хорошей погоды, и на время забыл об этом. Погода все не улучшалась, но он, повинуясь наитию, все же решил достать из ящика и проявить фотопластинку.

К своему огромному удивлению Беккерель обнаружил, что изображение креста получилось гораздо более четким, чем в прошлый раз. Это означало, что солнечный свет и фосфоресценция не при чем, а Беккерель столкнулся с каким-то новым видом излучения. (Удивительный пример открытия, случившегося, с одной стороны, исключительно благодаря научной добросовестности, а с другой стороны, совершенно случайно — будь конец февраля 1896 года более солнечным, ничего бы не произошло!)

Открытием Беккереля и заинтересовалась Мария Кюри, как раз искавшая тему для диссертации. Она выяснила, что излучение испускают сами атомы урана (для этого явления она придумала термин «радиоактивность»), причем неважно, как именно при этом атомы организованы в молекулы.

Пьер бросил магнетизм, присоединился к исследованиям жены и договорился с Австрийской академией наук, что Австрия бесплатно предоставит им отвалы из урановых шахт Йоахимшталя в Чехии. Исследовав несколько тонн урановой руды, Мария и Пьер обнаружили, что она содержит новые, пока не известные науке химические элементы, гораздо более радиоактивные, чем уран.

Супруги Кюри предложили назвать эти элементы полонием (в честь родины Марии) и радием.

В 1903 году Мария Кюри защитила диссертацию и стала первой женщиной, получившей докторскую степень по физике в Сорбонне. Исследование радиоактивности произвело впечатление и на нескольких видных членов Французской академии наук. В 1903 году Нобелевский комитет получил 6 номинаций в пользу Анри Беккереля и 5 номинаций в пользу Пьера Кюри. Мария Кюри получила всего одну номинацию.

Вероятнее всего, Мария осталась бы без премии, если бы один из членов Нобелевского комитета, Геста Миттаг-Лефлер, не решил написать об этом Пьеру (интересно, что Миттаг-Лефлер также помог Софье Ковалевской получить позицию профессора в Стокгольмском университете). Тот в ответ стал настаивать на том, что вклад Марии в открытие был никак не меньше его собственного, и в итоге Анри Беккерель, Пьер и Мария Кюри получили Нобелевскую премию по физике 1903 года. Мария стала первой в истории женщиной-лауреатом.

Радиация и философский камень

Открытие супругов Кюри и Беккереля заинтересовало Эрнеста Резефорда, молодого сотрудника Кавендишской лаборатории в Оксфорде (о котором мы уже писали). Он выявил два вида радиоактивных лучей: альфа — поток положительно заряженных ядер гелия (позже он использовал их в эксперименте по определению структуры атома) и бета — поток отрицательно заряженных электронов.

Вскоре французский физик Поль Виллар открыл третий вид излучения, гамма, — электромагнитные волны высокой частоты.

В 1898 году Резерфорд получил должность профессора физики в Университете Макгила в Канаде. Для Резерфорда это была большая удача, позволившая ему забрать из Новой Зеландии свою невесту Мэри Ньютон, с которой они были помолвлены уже несколько лет, но из-за отсутствия средств не могли пожениться и жить вместе.

Вместе с химиком Фредериком Содди Резерфорд показал, что при радиоактивном излучении происходит превращение одних химических элементов в другие, а также открыл закон радиоактивного распада: для каждого радиоактивного вещества можно определить период полураспада — время, за которое в образце распадется половина атомов вещества.

Позже Содди сделал еще одно открытие, принесшее ему Нобелевскую премию по химии в 1921 году: он показал, что атомы одного и того же элемента, обладающие одинаковыми химическими свойствами, могут иметь разный вес. Он назвал их изотопами (от греческих слов ισος — «одинаковый», и τόπος — «место»), то есть занимающими одно и то же место в таблице Менделеева.

Резерфорд получил свою Нобелевскую премию в 1908 году, также по химии. Ему часто приписывают фразу: «Все науки делятся на физику и коллекционирование марок», так что решение Нобелевского комитета надо признать довольно остроумным.

Во время Первой мировой войны Резерфорд работал над устройством для обнаружения немецких подводных лодок, угрожавших Великобритании морской блокадой. В 1919 году, вернувшись к занятиям чистой наукой, он сделал еще одно поразительное открытие: бомбардируя атомы азота альфа-частицами, Резерфорд обнаружил, что столкновение может выбивать протон из ядра атома азота, а альфа-частица при этом сливается с тем, что осталось, образуя кислород: ₂⁴He + ₇¹⁴N —> ₈¹⁷O + ₁¹H. Физик научился превращать одни химические элементы в другие, неожиданно реализовав многовековые мечты алхимиков!

Философский камень своими руками

Тем не менее попытки добиться ядерной реакции с другими элементами поначалу ни к чему не приводили. Дело в том, что альфа-частицы, испускаемые природными источниками, такими как уран или открытый Кюри радий, — медленные. Из-за положительного заряда они отталкиваются от ядра и не могут подлететь к нему достаточно близко, чтобы вступить в реакцию.

Зато их можно ускорить с помощью электрического поля. В 1932 году такой ускоритель был построен в Кавендишской лаборатории, и молодые сотрудники Резерфорда Джон Кокрофт и Эрнест Уолтон провели первую полностью рукотворную ядерную реакцию между водородом и литием (и получили за это Нобелевскую премию в 1951 году).

Ускорители были сложными, громоздкими и дорогими устройствами — и остаются такими по сей день: один из самых современных, Большой адронный коллайдер в Швейцарии, занимает подземный тоннель длиной 30 километров, а его строительство обошлось почти в 5 миллиардов долларов. Поэтому Резерфорд с начала 20-х годов мечтал иметь какой-то более простой инструмент, чтобы добираться до атомных ядер.

Идеально было бы бомбардировать ядра не протонами и альфа-частицами, а чем-то не имеющим заряда. Нейтральная частица, даже медленная, не отталкивалась бы от положительно заряженного ядра и могла бы подлетать сколь угодно близко. К сожалению, обе известные элементарные частицы, протон и электрон, которых было вполне достаточно, чтобы сконструировать весь наблюдаемый мир, заряд имели.

Резерфорд предложил своему сотруднику Джеймсу Чедвику попробовать найти гипотетическую нейтральную частицу. Поначалу Чедвик не испытывал большого энтузиазма и сомневался в том, что нейтральная частица должна существовать только потому, что Резерфорду было бы удобно использовать ее для бомбардировки ядер, однако отказать не смог. В 1932 году Чедвик обнаружил нейтрон при облучении бериллия альфа-частицами.

Такие же эксперименты проводили дочь Пьера и Марии Кюри Ирэн и ее муж Фредерик Жолио-Кюри в Париже. Однако они приняли незаряженное излучение бериллия за гамма-излучение, и Нобелевская премия по физике за 1935 год ушла Чедвику.

Супруги, тем не менее, продолжили наблюдения и заметили, что при облучении альфа-частицами алюминиевой мишени она продолжала излучать даже после того, как источник альфа-частиц был убран. В результате очень тонких экспериментов (масса радиоактивного вещества была меньше одной квадриллионной (10^-15) грамма, а период полураспада составлял всего 3 минуты) Ирэн и Фредерик доказали, что превратили алюминий в радиоактивный изотоп фосфора, который в природе не встречается: ₁₃²⁷Al + ₂⁴He —>₁₅³⁰P +₀¹n.

Это означало, что если первая пара по фамилии Кюри открыла естественную радиоактивность веществ, встречающихся в природе, то вторая научилась создавать радиоактивные элементы самостоятельно. За открытие искусственной радиоактивности Ирэн и Фредерику Жолио-Кюри в том же 1935 году была присуждена Нобелевская премия по химии.

Нобелевский комитет особенно отметил практическую важность этого открытия. Например, искусственно созданные радиоактивные изотопы нашли важнейшее применение в биологии. Будучи введенными в небольшом количестве в живой организм, они включаются в состав клеток (ведь их химические свойства не отличаются от встречающихся в природе стабильных изотопов) и работают «маячками» — по испускаемому ими излучению можно наблюдать за процессами, происходящими внутри организма, в реальном времени.

Радиевые девушки

Однако до середины тридцатых годов, когда Жолио-Кюри совершили свое открытие, практическое применение радиоактивности принесло, вероятно, не меньше вреда, чем пользы.

В 1902 году Беккерель одолжил у Пьера Кюри пробирку с соединением радия для демонстрации на публичной лекции и положил ее в жилетный карман. После лекции он обнаружил у себя на груди покраснение в форме пробирки и сделал вывод, что радиоактивное излучение может воздействовать на биологические ткани.

Чтобы проверить это заключение, Пьер Кюри привязал пробирку с радием к предплечью и носил, не снимая, 10 часов, что привело к возникновению тяжелой язвы, не проходившей два месяца.

Но гораздо большее внимание привлекло другое наблюдение: оказалось, что многие природные источники минеральных вод содержат небольшие количества радиоактивных элементов. А из этого, казалось бы, следовало, что радиация должна укреплять здоровье. В 20-е и 30-е годы активно выпускались и рекламировались радиоактивная зубная паста, духи, помада, кремы для лица, шоколад, сигареты и даже презервативы.

Больницы закупали аппараты, насыщающие воду радиоактивным газом радоном, и предлагали пациентам принимать радоновые ванны. Удивительно, но спа-курорты, предлагающие оздоровление с помощью радоновых ванн, существуют до сих пор: один из них находится в чешском городе Яхимов, бывшем Йоахимштале, откуда Пьер и Мария Кюри получили урановую руду для экспериментов. Полезность таких процедур, очевидно, вызывает большие сомнения.

В США популярностью пользовался препарат «Радитор» — радий, растворенный в дистиллированной воде, который рекламировался как «лекарство для живых мертвецов» и обещал излечение от множества недугов, включая артрит, ревматизм, слабоумие, рак желудка и импотенцию.

Явный вред здоровью от радиоактивного излучения проявляется при накоплении достаточной дозы, поэтому убедительные свидетельства опасности всех этих средств начали появляться только к концу 1920-х годов.

Так, известный американский спортсмен и промышленник Эбен Байерс умер в 1932 году от рака челюсти и мозга после активного приема «Радитора». Этот случай широко обсуждался в прессе: газета The New York Times вышла с заголовком «Радиевая вода работала отлично, пока он не лишился челюсти», и инициировала дискуссию о том, чтобы законодательно ограничить использование радиоактивных материалов.

Еще больший резонанс вызвало дело «радиевых девушек». Молодые женщины работали на фабриках по производству часов со светящимися стрелками, в частности для армии США, где с помощью кисточек наносили на стрелки и циферблат люминесцентную краску, содержащую радий. Руководство фабрик не предупреждало их о токсичности краски (хотя, судя по данным расследования, достоверно знало об этом), более того, в целях ускорения процесса девушкам рекомендовали использовать губы и язык для придания кисти формы.

Это привело к многочисленным случаям анемии, ломкости костей и некроза челюсти у работниц. Тем не менее работодатели «радиевых девушек» отказывались признавать свою вину и даже заявляли, что дело не в токсичной краске, а в сифилисе.

В 1928 году в возрасте 45 лет от вызванной радием апластической анемии умер Сабин Арнольд фон Сохоцкий, изобретатель краски и сооснователь одного из крупнейших производителей часов со светящимися стрелками. Лишь после этого фабрики ужесточили контроль над техникой безопасности при работе с радиоактивными веществами и под давлением судов начали выплачивать компенсации «радиевым девушкам».

Вторая Нобелевская премия и скандалы

И все-таки, несмотря на спекуляции с радиоактивной зубной пастой и радиевыми ваннами, радиотерапия доказала свою эффективность почти сразу после открытий Беккереля и Кюри. Например, при лечении опухолей — правда, только тех, которые располагались близко к поверхности тела. Для борьбы с внутренними опухолями энергии частиц, испускаемых естественными источниками радиоактивного излучения, было недостаточно, но эффективность лечения резко возросла после изобретения ускорителей.

В 1911 году Мария Кюри впервые в истории получила вторую Нобелевскую премию, на этот раз по химии. Премию ей дали, в частности, за то, что в 1910 году исследовательница смогла выделить чистый радий — элемент значительно более радиоактивный, чем уран, и поэтому гораздо более пригодный для медицинских и научных приложений.

Это открытие Мария сделала одна, поскольку Пьер в 1906 году погиб под колесами конного экипажа, переходя улицу в Париже. Мария, оставшись с двумя дочерьми, отказалась от пенсии, предложенной французским правительством, но согласилась исполнять обязанности Пьера в Сорбонне и стала первой женщиной-профессором в этом университете, а также руководила лабораторией радиоактивности в организованном в 1909 году Институте радия.

После получения первой Нобелевской премии в 1903 году Мария Кюри постоянно была в центре внимания прессы, обычно очень благожелательного. Однако все изменилось, когда незадолго перед вручением второй премии стало известно о ее романе с Полем Ланжевеном, ее коллегой по Институту радия и бывшим учеником Пьера Кюри.

Газеты не могли простить разрушения образа самоотверженной вдовы, после смерти мужа посвятившей себя исключительно детям и науке. Скандал подогревало и то, что Ланжевен был женат и воспитывал четверых детей, а Кюри была иностранкой.

«Лучи радия, который так загадочно светится ... зажгли огонь в сердце ученого, который самозабвенно изучал их действие; но жена и дети этого ученого в слезах», — писал Le Journal 4 ноября 1911 года, чуть больше чем за месяц до церемонии вручения Нобелевской премии. Особенно неистовствовала правая пресса, намекая на то, что разрушительница французской семьи, вероятно, была еврейкой, а роман начался еще при жизни Пьера Кюри и, возможно, стал причиной его самоубийства (все это было ложью).

Из-за скандала Нобелевский комитет экстренно попросил Марию не приезжать на церемонию вручения премии, но она отказалась, поскольку считала, что ее личная жизнь не имеет отношения к научным достижениям, за которые ее награждали. Тем не менее, отношения с Полем Ланжевеном были разорваны (интересно, что внучка Кюри и внук Ланжевена поженились в 1948 году), и ей пришлось примерно на год прервать работу в Институте радия.

Во время Первой мировой войны Мария Кюри посвятила себя организации рентгеновской диагностики раненых французских солдат — это было чрезвычайно важно, поскольку помогало врачам точно определить положение пули или шрапнели, застрявших в теле. Она придумала оснащать грузовики рентгеновскими аппаратами, чтобы эти мобильные лаборатории могли делать снимки прямо на поле боя. Во французской армии их называли Petite Curie — Маленькие Кюри.

Мария Кюри специально научилась водить машину и вместе с семнадцатилетней дочерью Ирэн работала на одном из этих грузовиков (Ирэн за это получила орден, а Мария — нет, что, возможно, было еще одним последствием скандального романа). Всего Мария Кюри организовала 20 мобильных и 200 стационарных лабораторий и обучила персонал для работы на них. За годы войны они сделали более миллиона рентгеновских снимков, позволивших спасти множество жизней и предотвратить немало тяжелых увечий.

После войны Мария Кюри была назначена директором Института радия и превратила его в ведущий мировой центр ядерных исследований. Она умерла от лейкемии в 1934 году в возрасте 66 лет. Ее записные книжки радиоактивны до сих пор.

Чисто научный интерес

Кроме медицины, существовала еще одна интригующая возможность практического применения ядерной физики. Оказалось, что ядерная реакция, которую открыли Кокрофт и Уолтон, ₁¹H + ₃⁷Li —> 2 ₂⁴He, идет с выделением энергии. Откуда она берется?

Оказывается, общая масса получающихся в результате двух ядер гелия немного меньше суммы масс водорода и лития, и эта разница переходит в энергию. Таким образом, эксперимент Кокрофта и Уолтона впервые непосредственно подтвердил формулу Эйнштейна E = mc².

Использование энергии ядерных превращений, конечно, страшно заинтересовало (и обеспокоило) журналистов, однако Резерфорд, главный авторитет в этой области, был настроен скептически. «Эти превращения атомов представляют исключительный интерес для ученых, но мы не сможем управлять атомной энергией в такой степени, чтобы это имело какую-нибудь коммерческую ценность. И я считаю, что вряд ли мы когда-нибудь окажемся способны это сделать. Наш интерес к этой проблеме чисто научный», — заявил он в интервью «Таймс» в 1933 году.

Евгений Гельфер