В мае 1903 года Резерфорд и Содди обобщили свои открытия: последовательные радиоактивные трансформации формировали семьи радиоэлементов. Ученые разработали таблицу, приведенную выше, в которой объяснили, как каждый новый элемент образуется на основе предыдущего при испускании а-частицы. Эти новые радиоактивные тела не были открыты ранее: они постоянно распадались и присутствовали в невозможных для обнаружения количествах. Как пишет Пьер Радваньи в своей книге о чете Кюри, ученые пришли к выводу:
«В естественных минералах, содержащих эти радиоэлементы, эти превращения, должно быть, происходили постоянно в течение долгих периодов, поэтому конечные продукты всегда находятся в природе как постоянные спутники радиоэлементов. Гелий, возможно, — один из этих продуктов. […] Выделение заряженной частицы является основой для превращения. […] Во время радиоактивного превращения происходит распад атома».
* * * РАДИОАКТИВНЫЕ РЯДЫ
Существует три естественных радиоактивных ряда, исходные изотопы которых — уран-238, уран-235 и торий-232. Мария работала в основном с первым, а Резерфорд — с третьим. Во всех трех случаях конечный стабильный элемент — это изотоп свинца. Периоды полураспада первых элементов рядов и их соответствующая распространенность следующие:
U-238 (99,27%) = 4,47 х 109 лет;
U-235 (0,72%) = 7,1 х 108 лет;
Th-232 (100%) = 232 х 108 лет.
Радий-226 — один из членов первого ряда, а полоний-210 — предпоследний член этого ряда, который распадается, порождая свинец-206. Пропорции различных элементов ряда остаются с течением времени приблизительно постоянными. Отношение между концентрациями родительского элемента и дочерних элементов обратно пропорционально периодам полураспада. Эти пропорции можно использовать как часы для различных временных шкал, например они пригодились для определения возраста Земли. На прилагающемся графике в качестве примера показан радиоактивный ряд урана-238, конечный элемент которого — стабильный изотоп свинца-206. На горизонтальной оси показан атомный номер, Z (число протонов ядра), на вертикальной — массовое число, А (число протонов плюс нейтронов ядра), a-излучения показаны белыми стрелками, р — черными. Рядом с каждой белой стрелкой указано время полураспада в годах, днях, минутах или секундах. Наименьший период у полония-214, равный 200 микросекундам (200 х 10–6 секунд). Наибольший — у урана-238, 4500 миллионов лет. На вертикальных линиях фигурирует один и тот же элемент (с одним и тем же атомным номером), в то время как на горизонтальных линиях появляются изотопы различных элементов с одним и тем же массовым числом.
* * *
Позже было доказано, что уран, торий и радий принадлежат к одной и той же семье, так что все они присутствовали в настуране.
В нижней части таблицы Резерфорда и Содди есть указание на другое большое открытие, которое исследователи опубликовали в том же году, — закон радиоактивного распада. Оба ученых установили, что число радиоактивных атомов, которые распадаются за единицу времени, пропорционально общему числу атомов элемента, поэтому убывание следует экспоненциальному закону. В химии это называется кинетикой первого порядка, при которой скорость реакции пропорциональна концентрации реактивов в степени 1, что означает соответствие одномолекулярным процессам. В них концентрация реактивов подвержена экспоненциальному убыванию:
N(t) = N0e—γt
где N0 — число атомов (точнее, их ядер, называемых радиоядрами) в начальный момент, t = 0; N(t) — число атомов в момент t; и γ — постоянная радиоактивного распада, то есть вероятность распада радиоактивного элемента на единицу времени. Эта постоянная характерна для каждого радиоактивного элемента и говорит о его стабильности. На ее основе был определен период полураспада, £1/2, то есть время, необходимое для распада половины атомов образца данного элемента. Если
N = N0/2 → t = t1/2, то t1/2 = ln 2/γ.
Чем больше значение γ, тем больше вероятность распада и тем меньше период полураспада. В конце каждого периода активность (число полураспадов на единицу времени) образца сокращается до половины изначальной активности, поскольку последняя пропорциональна числу ядер, имеющихся в каждый момент. Каждое ядро имеет свой период полураспада, обычно характерный только для него. В таблицу включены периоды первых ядер, с которыми работала Мария.
Таким образом, значения t1/2 могли варьироваться от долей секунды до миллионов лет, и никакие обстоятельства не могли их изменить. При первой оценке было определено, что этот период для радия равен 1300 годам, а для полония — чуть больше 143 дней. Оба значения были затем исправлены, окончательные данные — 1600 лет и 138 дней. В таблице, составленной Резерфордом и Содди, исследователи разделили вещества одной из радиоактивных семей на группы: с одной стороны были радий и эманация, с другой — три вещества, которые являлись радиоактивными отложениями быстрого изменения (их периоды полураспада измеряются в минутах), в третью группу они включили другие три вещества так называемого медленного изменения (их период полураспада мог достигать нескольких дней или лет).
Итак, t1/2 превратилось в один из главных инструментов для определения радиоактивного элемента, или радиоэлемента. Этот закон породил множество применений в таких областях, как археология (здесь стоит вспомнить метод датирования объектов с помощью определения концентрации 14С) или геология, где открытие позволило точно определить возраст Земли.
Радиоядро/изотоп Период полураспада Излучение Уран-238 4468 миллионов лет α Радий-226 1600 лет α Полоний-210 138,38 дня α Эманация радия = радон-222 3,82 дня α Эманация тория торон = радон-220 55,6 секунды α
Рентгеновские лучи начали применяться в медицине через несколько месяцев после их открытия. Сначала их использовали в диагностике по рентгеновским снимкам, аналогичным снимкам руки жены Рентгена, а через некоторое время — в терапии. Поскольку радиоактивность по своим свойствам была схожа с рентгеновскими лучами, Пьер подумал, что она может воздействовать на человеческий организм. В 1900 году немецкий дантист Отто Валькхоф заметил, что если приложить ткань, пропитанную раствором радия, к коже два раза на 20 минут, появляется воспаление, длящееся две недели. С другой стороны, немецкий химик Фридрих Оскар Гизель, работавший на компанию «Бюхлер» (которая получала радий, следуя методу Марии), заметил, что если приставить закрытый глаз к закрытой коробке, содержащей соли радия, на сетчатке виден свет. Также он держал 270 мг соли радия в руке в течение двух часов, и у него появились ожоги, которые заживали две недели. О Гизеле его соотечественники Гейтель и Эльстер говорили, что у него самое радиоактивное тело, которое только можно найти: одно его присутствие в лаборатории приводило к разряду электроскопов!
Зная об этих результатах, в начале 1901 года Пьер изучал на себе действие радия, описанное Валькхофом. Сегодня мы признали бы этот эксперимент самоубийством, но тогда он, видимо, считался нормальным. Исследователь прикрепил кусок гуттаперчи, пропитанной солями радия, к коже руки и держал повязку десять часов. Когда он снял ее, кожа начала краснеть и краснела все больше в течение нескольких дней, поражение приобретало вид ожога, хотя ученый не чувствовал боли. Ткань почернела, на руке появилась рана, которую пришлось перевязать и которая заживала более двух месяцев. У Анри Беккереля возникла похожая рана от запечатанной трубки с солью радия, которую ему дал Пьер для использования на лекции и которую он носил в кармане пиджака. Закончив лекцию, он пошел рассказать чете Кюри об ожоге, одновременно гордый и сердитый. Анри Беккерель и Пьер Кюри 9 июня 1901 года послали во Французскую академию наук совместную заметку, в которой описали действие радия на кожу.
Эта работа, которая была необычной для Пьера, сразу же привлекла внимание врачей. Первым человеком, предложившим его и Марию в качестве кандидатов на Нобелевскую премию, был врач-патолог Шарль-Жозеф Бушар. Хотя он не имел абсолютно никакого отношения к предмету их исследования, особенно в случае Марии, которая ничего не публиковала в этой области, именно медицинское применение радия принесло их работе публичную известность. Так, в триумфальной поездке Марии в США в 1921 году исследовательницу встретили как «целительницу рака».
