Jak Pan to zrobił, Panie Bequerel?

Pod koniec XIX wieku wśród fizyków i chemików panowało przeświadczenie, że w dziedzinie nauk ścisłych niewiele jest już do odkrycia. Sądzono, że świat nie ma już przed ludźmi tajemnic, a istnienie obserwacji trudnych do wyjaśnienia na gruncie obowiązujących teorii traktowano jako mało istotne szczegóły. Kilka ostatnich lat tego wieku zupełnie odmieniło ten pogląd. Dokonano szeregu zaskakujących odkryć, od promieniowania X, poprzez promieniotwórczość naturalną, teorię kwantów, aż po teorię względności Einsteina. Osiągnięcia fizyków z przełomu wieków definitywnie zmieniły oblicze fizyki.

Zaczęło się od badania wyładowań elektrycznych w gazach, czyli obserwacji świecenia gazów pod wpływem wysokiego pola elektrycznego. W pierwszej połowie XIX wieku angielski fizyk Michael Faraday zauważył, że przy obniżaniu ciśnienia gazu świecenie przestaje być jednorodne i pojawiają się ciemne obszary.  Naukowiec nie mógł rozwinąć swoich badań, bowiem ciśnienia, które był w stanie uzyskać były za wysokie. Przełom nastąpił dopiero w latach 50-tych, kiedy to utalentowany niemiecki szklarz uniwersytetu w Bonn Johann Heinrich Geissler opracował metodę wtapiania metalowych elektrod w szkło. Umożliwiło to zamknięcie bardzo rozrzedzonego gazu w szklanej rurce z metalowymi elektrodami. Z czasem zmodyfikowano budowę rurek stosując rury Crookesa o gruszkowatym kształcie. Jednym z badaczy zainteresowanych wyładowaniami w gazach był profesor matematyki Julius Plücker, który wykorzystując wynalazek Geisslera zauważył, że pole magnetyczne zmienia wygląd światła powstałego w rurce, z czego wywnioskował, że katoda musi emitować jakieś promieniowanie. Tym stwierdzeniem wywołał poruszenie w świecie fizyków.

Na początku października 1895 roku pięćdziesięcioletni profesor fizyki na Uniwersytecie Juliusa-Maximiliana w Würzburgu Wilhelm Conrad Röntgen rozpoczyna badania nad promieniami  katodowymi. Uczony zauważa, że promieniom katodowym towarzyszy fluorescencja, czyli zjawisko wysyłania światła pod uprzednim naświetlenia danej substancji. Od kilku lat wiadomo było, że promieniowanie katodowe przechodzi przez blaszki i jest szybko zatrzymywane w powietrzu, Roentgen postanowił sprawdzić, jak promienie katodowe zachowują się przechodząc przez szkło.

Aby światło z rurki nie przeszkadzało w dojrzeniu zjawisk świetlnych, wywołanych przez promienie katodowe poza rurką, naukowiec pokrył ją czarnym pudłem kartonowym oraz pozasłaniał okna. Niespodziewanie zauważył świecenie kryształu, którego zwykł używać do badania fluorescencji, który przypadkowo znajdował się w pobliżu układu eksperymentalnego. Odległość pomiędzy kryształem i rurką była zbyt duża, aby fluorescencję mogły wywoływać promieniowanie katodowe, musiał to spowodować inny czynnik wydostający się z rurki. Okazało się, że nawet po umieszczeniu różnych przedmiotów pomiędzy rurką, a materiałem fluorescencyjnym świecenie nie ustawało. Oznaczało to, że nowe, niewidzialne promieniowanie, nazwane przez naukowca promieniami X, przenika przez większość materiałów.

W dalszych badaniach uczony zastępuje fluorescencyjny ekran kliszą fotograficzną, na którą także działają promienie X. Röntgen wykonał szereg fotografii różnych przedmiotów, z których najsłynniejsze jest zdjęcie dłoni jego żony, na którym widoczne są  nie tylko kości, ale także pierścień na serdecznym palcu.

Rys. 1 Zdjęcie dłoni żony Röntgena (źródło: Wikipedia)

Rys. 1 Zdjęcie dłoni żony Röntgena (źródło: Wikipedia)

Wyniki badań Röntgen opisuje w 17 punktach w komunikacie, który składa w Towarzystwie Fizykalno-Lekarskim. Kilka dni później naukowiec rozesłał odbitkę komunikatu, wraz z pierwszymi zdjęciami wykonanymi z wykorzystaniem promieni X. Wiadomość o odkryciu nowego promieniowania błyskawicznie rozeszła się w środowisku naukowców na całym świecie. Za swoje odkrycie Wilhelm Röntgen został uhonorowany pierwszą Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki.

Odkryciem Röntgena zainteresował się Henri Poincaré, francuski matematyk, który wysunął, jak dziś wiemy błędną hipotezę, że promieniowanie X są wysyłane przez każde ciało wykazujące fluorescencję, lub fosforescencję (czyli emisję światła opóźnionego, utrzymującego się przez jakiś czas po naświetleniu danej substancji). Z uwagi na budowę wykorzystywanych w owych czasach rurek Crookesa fluorescencja w istocie towarzyszyła wszystkim znanym eksperymentom z promieniowaniem X.

Hipotezę Poincarégo postanowił sprawdzić inny francuski uczony Henri Becquerel. Podobnie jak jego ojciec i dziadek Henri Becquerel piastował stanowisko profesora fizyki w Muzeum Narodowym Historii Naturalnej w Paryżu. Dysponując kolekcją soli fosforyzujących, zgromadzonych przez swojego ojca rozpoczął poszukiwania związku między fosforescencją, a promieniami  Röntgena.

Szczęśliwym trafem naukowiec rozpoczął badania wykorzystując siarczan uranylowo-potasowy, słynący z silnej fosforescencji. Doświadczenie poległo na wielogodzinnym poddawaniu działaniu światła słonecznego soli, w celu wywołania fosforescencji, a następnie sprawdzaniu, czy naświetlona próbka powoduje zaczernienie kliszy fotograficznej, owiniętej w czarny, gruby papier. Dzięki czarnemu papierowi spodziewane zaczernienie kliszy nie mogło być spowodowane światłem emitowanym w wyniku fosforescencji, a jedynie promieniowaniem X. Eksperyment przyniósł pozytywny wynik – na kliszy pojawiło się zaczernienie. Becquerel uznał, że hipoteza została potwierdzona, co przedstawił na posiedzeniu Akademii Nauk 24 lutego 1896 roku. Naukowiec na szczęście nie zaprzestał badań, ale kontynuował eksperymenty sprawdzając, czy promieniowanie powodujące zaczernienie kliszy przenika nie tylko przez papier, ale także przez płytkę aluminiową i folię miedzianą. Szczęśliwym trafem po kilku dniach pogoda w Paryżu się popsuła, badacz nie mógł kontynuować pomiarów, z uwagi na niskie nasłonecznienie, niezbędne do wywołania fosforescencji. Czekając na poprawę warunków atmosferycznych Becquerel odłożył sól uranu wraz z kliszą do szuflady. Po kilku dniach słońce ponownie zagościło na Paryskim niebie umożliwiając uczonemu wznowienie prac. Becquerel nie użył jednak starej kliszy, która leżała wraz z uranową próbką, ale wywołał ją, szukając śladowego zaczernienia, spowodowanego przez nikłą fosforescencję powstałą w wyniku obecności światła rozproszonego.

Ku jego zaskoczeniu klisza okazała się być jeszcze bardziej zaczerniona, niż w poprzednich doświadczeniach. Zaczernienia nie mogła spowodować fosforescencja, ani żadne zjawisko jej towarzyszące, musiała zostać spowodowana przez nieznany typ promieniowania, emitowanego z soli uranowej. Ta obserwacja, poczyniona 1 marca 1896 roku, jest uznawana za odkrycie promieniotwórczości naturalnej.

Można się zastanawiać, czy fakt, że Becquerel wywołał nienaświetloną kliszę było działem przypadku,  genialnej intuicji, czy też badacz mógł mieć dodatkowe przesłanki wskazujące zasadność wykonania tego eksperymentu. W 1867 roku innych francuski uczony Abel Niepce de Saint-Victor zauważył, że sole uranu powodują delikatne zaczernienie kliszy fotograficznej, nawet jeśli sól była oddzielona od kliszy warstwą papieru. Jego spostrzeżenie zostało opisane w książce La Lumiere, ses Causes et ses Effects, wydanej przez ojca Henri Becquerela. Najprawdopodobniej uczony słyszał o tym zjawisku, co jednak nie umniejsza jego zasług w odkryciu promieniotwórczości.

Początkowo Becquerel nie łączy obserwowanego faktu z obecnością uranu w wykorzystywanym krysztale i wysuwa wniosek, że materiały fosforyzujące wysyłają niewidzialne promieniowanie. Dopiero z czasem zauważa, że inne, silnie fosforyzujące materiały pozbawione uranu nie wykazują takich własności. Uczony przetestował szereg związków uranu, fosforyzujących i niefosforyzujących, w różnych stanach skupienia, naświetlonych i nie poddanych działaniu światła słonecznego. Skrupulatne badania doprowadziły go do ostatecznego wniosku, sformułowanego 23 listopada 1896 roku, że uran i jego sole wysyłają niewidzialne promieniowanie o cechach zbliżonych do promieni Roentgena. Owo promieniowanie Becquerel nazwał promieniami uranowymi, sądząc, że jest ono ściśle związane z obecnością atomów uranu.

Po chwilowej euforii świat fizyków przestał się interesować promieniami uranowymi. Mylnie sądzono (na co miały wpływ także błędne wnioski wysunięte przez samego Becquerela), że promienie uranowe zachowują się podobnie do zwykłego światła widzialnego, czyli ulegają odbiciu, załamaniu i polaryzacji. Nieznana natura promieni X wydawała się być bardziej pociągająca, więc to one stanowiły najatrakcyjniejszy przedmiot badań i dyskusji. Sytuację odwróciły dopiero sensacyjne wyniki badań Marii Skłodowskiej-Curie.

W 1897 roku, a więc w rok po odkryciach Becquerela, polska badaczka Maria Skłodowska-Curie postanowiła sprawdzić, czy poza uranem nie ma innych pierwiastków wysyłających odkryte promienie. Uczona przetestowała wszystkie znane pierwiastki, zarówno w postaci czystej, jak i w związkach. Wkrótce okazało się, że oprócz uranu poszukiwaną własność ma także tor. W dalszych pomiarach zauważyła także, że niektóre związki promieniują silniej, niż by to wynikało z obecności uranu. Doprowadziło to ją do wniosku, że owe związki oprócz uranu posiadają domieszkę innego, nieznanego pierwiastka, promieniującego dużo silniej niż uran i tor. Idąc tym tropem Maria, wraz z mężem Piotrem rozpoczęli poszukiwania nowych pierwiastków promieniotwórczych. Wynikiem ich pracy było odkrycie polonu w lipcu 1898 roku oraz radu w grudniu, tego samego roku.

Zarówno  Henri Becquerel, jak i Piotr Curie badali wpływ promieniowania na organizmy żywe. Becquerel nosił w kieszonce kamizelki kilka gramów związku radu. Po kilku dniach zauważył na skórze zaczerwienienie, z czasem przekształcającą się w rankę. W przeciwieństwie do Becquerela, który uległ przypadkowemu oparzeniu, Piotr Curie świadomie poddał swoje ciało działaniu radu. Uczeni wspólnie ogłosili doniesienie o fizjologicznych skutkach promieniowania. Dało to początek curieterapii, czyli leczeniu nowotworów przy pomocy naturalnych źródeł promieniowania.

Cała trójka uczonych – Henri Becquerel oraz Maria i Piotr Curie zostali w 1903 roku uhonorowani Nagrodą Nobla, za odkrycie promieniotwórczości naturalnej oraz za badania tego zjawiska.


Bibliografia:
[1] Twórcy nauki o promieniotwórczości, Józef Hurwic, Warszawa 1989, PWN
[2] Historia Fizyki, Andrzej Kajetan Wróblewski, Warszawa 2007, PWN

Aleksandra Fijałkowska

mgr Aleksandra Fijałkowska – absolwentka studiów magisterskich, a obecnie doktorantka na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, w Zakładzie Spektroskopii Jądrowej. Pierwszy rok studiów doktoranckich spędziła na Uniwersytecie Stanu Tennessee w USA, badając produkty rozszczepienia uranu w Oak Ridge National Laboratory.

Skomentuj

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *