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.