Maria
Skłodowska-Curie
Rola uczonej w rozwoju fizyki
Osoba
Marii Skłodowskiej-Curie kojarzy się nierozłącznie z odkryciem pierwiastków:
Polonu i Radu, ale nie są to jedyne zasługi tej wielkiej uczonej. Wniosła Ona
wielki wkład również do innych dziedzin życia i nauki. Znamienne jest dla osoby
Marii Skłodowskiej jej pragnienie wiedzy. To właśnie naukę stawiała Ona na
pierwszym miejscu w swoim życiu. Pragnienie zdobywania i przekazywania wiedzy
bardzo wyraziście uwidacznia się w jej wypowiedzi: „Rozwijać pracownie naukowe,
które Pasteur nazwał ”świętymi przybytkami ludzkości”- ułatwiać zadania
tym co pracują dla nauki, otaczać opieką młodzież pragnącą wiedzy, aby pozyskać
pracowników przyszłości- stwarzać warunki, w których by wrodzone a cenne
zdolności mogły się uświadamiać i poświęcać służbie ideału, i nadto prowadzić
społeczeństwo droga rozwoju potęgi, tak duchowej jak materyalnej”. Wypowiedz tą
można traktować jako testament naukowy Marii Skłodowskiej-Curie. Jak bardzo są
to słowa aktualne i w dniu dzisiejszym niech świadczy kilka faktów. Znaczenie
odkrycia Polonu i Radu dla rozwoju Nauki, Techniki i Medycyny jest ogromne.
Dzięki niemu można było stworzyć jednolity pogląd na budowę materii i wkroczyć
w nowa epokę energii jądrowej ze wszystkimi jej dobrodziejstwami i
zagrożeniami. Podstawy metod pracy w tych dziedzinach stworzyła Maria
Skłodowska-Curie. Naświetlanie promieniowaniem jonizującym ma ogromne
zastosowanie w Technice. Technologie radiacyjne stosowane są do sterylizacji,
do modyfikacji polimerów, higienizacji żywności. Ta wielka uczona działa
również bardzo aktywnie nie tylko na polu naukowym, ale również jako
społecznik. Dzięki niej powstał w Warszawie instytut radowy. Znane jest Jej
zaangażowanie w służbach medycznych czasie I Wojny Światowej, jak również
działalność w ruchu feministycznym. Jak wielkie poważanie miała wśród znanych
tego świata nie tylko jako naukowiec ale również jako osoba niech zaświadczy wypowiedź
Alberta Einsteina: „Teraz, gdy życie tak niezwykłej osobowości jak Pani Curie
dobiegło końca, nie wolno nam ograniczać naszej pamięci o Niej wyłącznie do
owoców Jej pracy na rzecz ludzkości. Wartości moralne tej wyjątkowej Osobowości
maja prawdopodobnie głębsze znaczenie dla obecnego pokolenia i całego biegu
historii niż tylko Jej osiągnięcia intelektualne”. Maria Skłodowska-Curie była
wielce interesującą osobowością. Jej życie przypadło na okres bardzo burzliwych
zmian w naukach fizykalnych. Chciałbym teraz pokrótce przedstawić sytuacje jaka
wtedy istniała i jak w tym świetle rysuje się rola małżeństwa Curie.
elektron i promieniotwórczość naturalna
Pojawienie się w neutralnych ciałach zjawisk rozdzielania elektrycznych ładunków, powstawania napięć i prądów (błyskawice, elektryzowanie, elektroliza, przewodnictwo elektryczne metali, wyładowania w rozrzedzonych gazach) długo nie było kojarzone z hipotezą atomową i nie wiedziano nic o ich mikroskopowym mechanizmie. Dopiero definitywne odkrycie elektronu w 1897 roku przez J.J. Thomsona wykazało niezbicie, że elektryczność ma także charakter nieciągły, ziarnisty i korpuskularny. Ponadto stało się oczywiste, że elektrony wchodzą w skład atomów. Obaliło to pierwsze założenie Daltona, że atomy są niepodzielne. Powstało natychmiast pytanie: jak rozmieszczony jest w atomie dodatni ładunek kompensujący ujemne ładunki elektronów? Odpowiedz na to pytanie próbował odgadnąć Thomson, ale zaproponowany przez niego model „budyniu z rodzynkami” okazał się niedługo niedobry.
W
1896 roku A.H. Becquerel prowadząc badania odkrytych parę miesięcy wcześniej
przez Rentgena promieni X trafił zupełnie przypadkowo na nowe zjawisko:
zagadkowe, przenikliwe promieniowanie blendy uranowej. Pojawiły się natychmiast
liczne pytania chemicznej i fizycznej natury. Czy promieniowanie odkryte przez
Becquerela jest emitowane tylko przez uran? Czy istnieją inne promieniotwórcze
pierwiastki? Czy promieniowanie zależy od soli uranu? Czy są w blendzie inne
pierwiastki emitujące takie same lub inne promieniowanie? Jaka jest natura tych
promieni?
Konkretna
odpowiedz na pierwsze dwa pytania znalazła Maria Skołodowska-Curie bardzo
szybko, odkrywając promieniotwórczość toru. Dalej – zwrócił jej uwagę fakt, że
promieniotwórczość blendy, tj. minerału zawierającego kopalne sole uranu, jest
większa od promieniotwórczości czystego uranu. Odpowiedź na związane z tym
faktem następne pytania wymagała dobrej znajomości eksperymentalnej chemii i
fizyki. Trzeba było znać trudne metody mierzenia promieniowania, oddzielania i
oczyszczania związków chemicznych, wyodrębniania pierwiastków w czystej postaci
itd. Maria opanowała do perfekcji potrzebne umiejętności. Już na początku swych
studiów i pracy w Paryżu Maria Skłodowska-Curie była fenomenem w skali
światowej. Bardzo niewiele kobiet na świecie miało wtedy jakiekolwiek studia
wyższe, a nauki ścisłe były wśród kobiet zupełnie niepopularne. Tym bardziej
dotyczyło to kobiet polskich, ponieważ od wieków udział Polaków w rozwoju nauk
ścisłych był znikomy. W ciągu kilku pierwszych lat pobytu w Paryżu Maria
zaliczyła studia z fizyki, chemii i matematyki.
Była
wiec dobrze przygotowana do podjęcia fascynujących ją żmudnych badań blendy
uranowej. Jej mąż Piotr Curie był wybitnym fizykiem zajmującym się pierwotnie
magnetyzmem, piezoelektrycznością itp., gdzie miał szereg ważnych osiągnięć.
Widząc jednak ogromnie obiecujące perspektywy pracy żony dołączył do niej i już
w 1898 roku ogłosili wspólnie odkrycie w blendzie uranowej innych, dużo
rzadszych, ale za to bardzo intensywnie promieniujących pierwiastków: polonu i
radu. Maria wprowadziła do języka nauki pojecie (naturalnej) radioaktywności
(promieniotwórczości) i stwierdziła, że jest to własność atomów określonych
pierwiastków, która nie zależy ani od ich różnych związków chemicznych, ani od
dostępnych wówczas działań fizycznych. Natężenie promieniowania określonego
pierwiastka jest proporcjonalne do liczby jego atomów w badanej próbce. W 1903
roku Maria i Piotr Curie otrzymali Nagrodę Nobla z Fizyki.
Po
1898 roku nastąpiła lawina odkryć związanych z promieniotwórczością. Odkryto
jeszcze inne naturalne, ciężkie pierwiastki promieniotwórcze i stwierdzono, że
mogą one emitować aż trzy różne rodzaje promieniowania: a, b i g. Promieniowanie a polega na emisji stosunkowo ciężkiej cząstki,
zidentyfikowanej potem przez Rutherforda i współpracowników jako dodatnio
naładowane jądro helu. Promieniowanie b polega na emisji ujemnie naładowanego elektronu.
Promieniowanie g elektrycznie neutralne i najbardziej przenikliwe, jest po prostu promieniowaniem
elektromagnetycznym o bardzo wysokiej częstości, podobnym do promieni X. W 1902
roku Rutherford i Soddy stwierdzili, że emisja naładowanych cząstek a i b powoduje przemianę rozpadającego się pierwiastka na inny. Odkrycia te
wykazały niezbicie, że przynajmniej niektóre atomy nie są niepodzielne, trwałe
i niezniszczalne.
Wniosek
ten wywołał szoku u wielu chemików i fizyków, którzy uznawali koncepcje
Daltona-Avogadra za absolutna prawdę. Przez szereg lat wielu z nich nie chciało
się pogodzić z tym wnioskiem uważając, że gdzieś w eksperymentach lub
rozumowaniu musi być błąd. Dopiero znacznie później okazało się, ze
doświadczenia i rozumowanie było poprawne a rozwiązanie powstałych sprzeczności
wymaga zmiany epistemologii nauk fizykalnych.
Początek
XX wieku przyniósł tragiczny finał sporu między Boltzmannem i Ostwaldem. W 1096
roku Boltzmann popełnił samobójstwo. Nie wiem czy uznał odkrycie nietrwałości i
podzielności atomów za porażkę swojej wizji świata, czy też spowodowały ten
czyn przeżycia bardziej osobiste. W 1908 roku – w dwa lata później, w sto lat po wysunięciu przez Daltona
hipotezy atomowej – Ostwald, najbardziej zagorzały jej przeciwnik, zaakceptował
istnienie atomu. Dziwne, że zrobił to dopiero wtedy, gdy atomy okazały się
podzielne i nie zawsze trwałe.
mechanika kwantowa i integracja fizyki z chemią
Dopiero
w latach dwudziestych powstała mechanika kwantowa elektronów, atomów i drobin.
Wprawdzie jej punktem wyjścia był również poglądowy planetarny model
Rutherforda, ale wprowadziła ona zupełnie nowy formalizm matematyczny i nowe
koncepcje związku matematycznych symboli z mierzalną rzeczywistością (amplitudy
prawdopodobieństwa, równanie falowe, funkcje falowe, zasada nieoznaczoności,
obserwable reprezentowane przez oper tory liniowe, przestrzeń Hilberta stanów
fizycznych itd.). największe zasługi w konstrukcji mechaniki kwantowej mieli:
de Broglie, Schredinger, Heisenberg, Dirac. Wszystkie przewidywania mechaniki
kwantowej dotyczące własności atomów, drobin, jonów, a także samych elektronów,
okazały się doskonale zgodne z wynikami doświadczeń.
Dzięki
rozwikłaniu struktury elektronowych powłok atomów mechanika kwantowa wyjaśniła
przekonywająco zaobserwowane przez chemików – a poprzednio zupełnie zagadkowe –
własności, jak: okresowy układ pierwiastków, wartościowości, różne typy wiązań
chemicznych i przestrzenne konfiguracje drobin, oraz rozliczne inne własności
mikrocząstek. Pozwoliła ona nie tylko na wytłumaczenie tych zjawisk, lecz także
na rachunkowe przewidywania (obliczenia) różnych własności mikroświata, np.:
skomplikowanych widm optycznych atomów i drobin. Mechanika kwantowa stała się
wspólną fundamentalną teorią fizyki i chemii. Dokonała się więc w pierwszych
trzydziestu latach dwudziestego wieku ostateczna integracja fizyki z chemią, oparta
na wspólnych ilościowych koncepcjach fizycznych, wspólnych fizycznych metodach
detekcyjnych i pomiarowych oraz na wspólnych podstawowych teoriach. Symbolem
tej integracji stało się małżeństwo i owocna naukowa współpraca (patrz: MARIA
SKŁODOWSKA-CURIE KALENDARIUM PRACY NAUKOWEJ) Marii i Piotra Curie oraz
przyznanie Marii Nagrody Nobla zarówno z fizyki, jak i z chemii.
powstanie i rozwój fizyki jądrowej
Ogromny
wysiłek poświęciło małżeństwo Curie, a po śmierci Piotra sama Maria, otrzymaniu
coraz większych ilości coraz czystszych związków, a potem pierwiastkowej
postaci radu i polonu. Zbieranie coraz większych ilości tych pierwiastków, było
pracą żmudną i pozornie mało ciekawą, ale Maria wykazała raz jeszcze genialną
intuicję i wyczucie wagi naukowej tego co robi. I Wojna Światowa przerwała
jednak jej pracę w dziedzinie fizyki i chemii. Maria poświęciła ten czas na
pracę społeczną związaną z wykorzystaniem promieni X w diagnostyce chorych w
szpitalach wojskowych. Zainteresowanie medycznymi zastosowaniami promieniowania
pozostało Marii do końca życia.
Wprawdzie
już w 1914 r. Ukończono budowę gmachu założonego przez Marię Instytutu Radowego
w Paryżu, ale z powodu wojny rozpoczął on poważne prace naukowe dopiero w 1919
r., stając się niebawem jednym z głównych światowych centrów badań jądrowych.
Wkrótce Maria miała stosunkowa dużą ilość (1,5 grama) radu. Silne oraz dobrze
skoncentrowane promieniowanie a umożliwiło podjęcie szeroko zakrojonych badań jądrowych. W Instytucie
Radowym Marii były one intensywnie prowadzone m.in. przez jej córkę Irenę wraz
z jej mężem Fryderykiem Joliot-Curie. Bombardując cząstkami a lżejsze pierwiastki: bor, aluminium, magnez,
wytworzyli oni sztucznie – po raz pierwszy
- promieniotwórcze izotopy azotu, fosforu i aluminium, które w stanie naturalnym na Ziemi mają tylko
trwałe izotopy. W 1935 roku małżonkowie Joliot-Curie otrzymali Nagrodę Nobla. W
ten sposób zdarzył się jedyny w historii przypadek przyznania trzech Nagród
Nobla czterem osobom z najbliższej rodziny: Marii (podwójnie) oraz jej mężowi,
córce i zięciowi.
Odkrycie
jąder atomowych wyjaśniło ostatecznie, że promieniotwórczość pierwiastków jest
zależna tylko od budowy ich jąder. Po stwierdzeniu, że jądra składają się z
protonów i neutronów stało się jasne, że ten sam pierwiastek, którego własności
chemiczne są określone przez liczbę protonów w jądrze, może mieć różne liczby
neutronów, czyli zawierać odmienne izotopy. Jądra różnych izotopów tego samego
pierwiastka będą więc musiały nie tylko odmienne masy, lecz mogą także rozpadać
się na różny sposób, lub też być trwałe. Dalej, podobnie jak w przypadku
związków chemicznych, jądra tego samego izotopu, mogą się różnić własnościami
(izomery). Tak więc, wbrew założeniu Daltona, atomy określonego pierwiastka nie
są identyczne, lecz są mieszaniną kilku izotopów, czy nawet izomerów. Nowym
wielkim problemem stojącym przed fizykami stało się więc zbadanie struktur
różnych trwałych i nietrwałych jąder oraz reakcji między nimi, powstała nowa
gałąź nauki zajmująca się tymi zagadnieniami: fizyka jądrowa.