126. rocznica odkrycia radu
Z okazji 126. rocznicy odkrycia radu zapraszamy do lektury fragmentu rozdziału Robaczki świętojańskie z książki Tomasza Pospiesznego pt. Maria Skłodowska-Curie. Zakochana w nauce, Wydawnictwo Sophia, Warszawa 2024.
***
Na kolejny sukces małżonkowie Curie nie musieli zbyt długo czekać. Po spędzonych wakacjach w Owernii na południu Francji z większym zapałem zabrali się do pracy. Ich wnuczka Hélène Langevin-Joliot uważa, że
[…] po ślubie Maria i Piotr oczywiście pracowali wspólnie. Tak urządzili swoje życie by móc dużo czasu poświęcić pracy. To badaniom naukowym podporządkowali wszystko. Ale chciałabym wspomnieć, że pomimo tak intensywnej pracy mieli czas na rozrywkę np. spędzali razem wakacje. Między odkryciem polonu i radu wyjeżdżają z rodziną Piotra do Owernii, a więc przerywają badania naukowe na całe dwa miesiące. Dziś to może się wydawać absolutnie niesamowite.[1]
W połowie listopada przeprowadzili serię doświadczeń, dzięki którym otrzymali bardzo promieniotwórczy produkt. Przy udziale Gustave Bémonta udało im się pozyskać próbkę zawierającą pierwiastek bar (symbol Ba, liczba atomowa 56) o promieniotwórczości dziewięćset razy większej niż uran! 26 grudnia 1898 roku wspólnie z asystentem Bémontem ogłosili, że odkryli drugi pierwiastek chemiczny – rad (symbol Ra, liczba atomowa 88)[2]. W komunikacie zatytułowanym O nowej silnie radioaktywnej substancji zawartej w blendzie smolistej[3] napisali:
Wyżej wyszczególnione fakty każą nam przypuszczać, że w tym nowym związku promieniotwórczym znajduje się nowy pierwiastek, który proponujemy nazwać radem. Nowy ten związek zawiera na pewno znaczną ilość baru, mimo to jednak jest on silnie promieniotwórczy. Promieniotwórczość radu musi być, zatem ogromna.[4]
Małżonkowie Curie na okładce czasopisma „Le Petit Parisien” z 10 stycznia 1904, Kolekcja Tomasza Pospiesznego
Maria będzie później żałowała, że rad przyćmił swą międzynarodową sławą polon. Poza tym polon bardziej strzegł swoich tajemnic. Jeden z pierwszych polskich współpracowników Marii, Mirosław Kernbaum, po latach powiedział o polonie – Dziwnym więc trafem dzieli on los narodu, ku czci którego otrzymał imię: egzystuje de facto, jako pierwiastek chemiczny, de iure jednak przez międzynarodową komisję chemików nie jest za taki uznawany.[5] Polska jeszcze długo nie będzie miała szczęścia…
Jaką rolę w odkryciu radu odegrał Bémont nie wiadomo do końca. Znakomita biografka Marii, Françoise Giroud, podaje, że uczestniczył w badaniach, ponieważ w zeszycie laboratoryjnym z maja 1898 roku istnieją notatki wykonane jego ręką.[6] Jego badania mogły jednak ograniczać się do drobnych prac laboratoryjnych. Nie mniej jednak jest współautorem komunikatu donoszącym o istnieniu radu.
Maria i Piotr Curie oraz Gustave Bemont w szopie przy ul. Lhomond 42, ok. 1898, domena publiczna
Polon i rad zostały zaobserwowane przez małżonków Curie dzięki dużej aktywności promieniotwórczej. Teraz uczeni potrzebowali dodatkowego dowodu, aby potwierdzić, że oba pierwiastki istnieją. Eugène Demarçay specjalista z zakresu spektroskopii emisyjnej wykonał widma nowo odkrytych pierwiastków. Demarçay rozgrzewał w płomieniu palnika substancje zawierające polon i rad do stanu gazowego, a następnie przeanalizował widma, które powstały w wyniku rozszczepienia światła przez nie emitowanego. Curie mieli dowód istnienia radu w postaci widma emisyjnego, na którym było widać słabą, ale wyraźną linię fioletową przy 381,48 nm odpowiadającą temu pierwiastkowi.[7] Niestety stężenie polonu w badanej próbce było zbyt słabe, żeby zaobserwować linię emisyjną. Dlaczego? Otóż trzy pierwiastki promieniotwórcze uran, tor i rad należą do pierwiastków długożyciowych, przez co uczeni prawie w ogóle nie obserwowali spadku ich promieniotwórczości. Z kolei polon należy do pierwiastków krótkożyciowych, dla których aktywność promieniotwórcza maleje wraz z upływem czasu. Ponadto jest też pierwiastkiem rzadkim. W jednej tonie blendy uranowej (w zależności od jej pochodzenia) znajduje się około 1,4 grama radu i tylko 0,1 miligrama polonu. Maria wysunęła hipotezę, że aktywność promieniotwórcza jest stała dla danego pierwiastka. Pojawiła się więc wątpliwość czy polon nie jest bizmutem, którego aktywność została wzbudzona przez rad. Dodatkowo przemawiała za tym faktem obecność w widmie emisyjnym tylko linii bizmutu. Z drugiej strony Maria wnioskowała, że ilość polonu w badanej próbce może być tak mała, że nie zauważono jego linii. Jedynym sposobem na potwierdzenie tej teorii było otrzymanie próbki o większym stężeniu polonu, przez co byłoby można dokładnie zbadać jego właściwości chemiczne. Niestety to zadanie przez długie lata było nieosiągalne. Dopiero w czerwcu 1902 roku niemiecki chemik pracujący w Berlinie, Willy Marckwald wydzielił wolny polon. Zanurzył on czysty bizmut w roztworze otrzymanym przez roztworzenie[8] bizmutu otrzymanego z odpadów po przerobie blendy uranowej w kwasie solnym. Bizmut jako aktywniejszy pierwiastek wyparł z soli polon, który osadził się na jego powierzchni[9]. W ten sposób roztwór stawał się nieaktywny, a powierzchnia bizmutu stawała się promieniotwórcza poprzez obecność cienkiej warstewki nowego ciała. Uczony sądząc, że odkrył nowy pierwiastek, który właściwościami zbliżony był do telluru, nazwał go radiotellurem. Maria Curie udowodniła, że radiotellur i polon mają te same właściwości fizyczne i chemiczne – są więc tą samą substancją. Koronnym argumentem było porównanie czasów połowicznego zaniku obu pierwiastków. Kiedy okazało się, że wynosi on w obu przypadkach 140 dni, Maria nie miała wątpliwości. W sprawozdaniu pt. O zmniejszeniu się radioaktywności polonu wraz z upływem czasu pisała: Polon Marckwalda wydaje się identyczny z naszym oraz nie ma wątpliwości […] że substancja przygotowana przez Marckwalda jest po prostu tą samą, którą odkryłam wcześniej i opisałam jako polon.[10] Maria zadbała, aby jej wyniki badań, wnioski i eksperymenty ukazały się także po niemiecku. Kiedy jest pewna swych racji potrafi być bezwzględna. W świecie mężczyzn to trudna sztuka, ale za to jak bardzo imponująca. Marckwald, uznając rację Marii, powołując się na Szekspira, napisał: Jeśli wonną różę nazwać inaczej, czyż przestanie pachnieć?* Proponuję w przyszłości zastąpić nazwę radiotellur przez polon.[11]
Widmo emisyjne było wystarczającym dowodem istnienia radu dla fizyków, nie przekonywało jednak chemików. Chemicy żądali właściwości chemicznych nowych pierwiastków, chcieli znać masę radu. Irena Joliot-Curie wspominała:
W tym czasie oznaczenie widma i ciężaru atomowego radu miało wielkie znaczenie dla przekonania chemików, że nowe radiopierwiastki były takimi samymi substancjami, jak inne, różniąc się jedynie posiadaniem właściwości promieniotwórczych.[12]
Maria i Piotr Curie w szopie przy ulicy Lhomond 42, ok. 1898, domena publiczna
Ażeby Maria mogła określić masę atomową radu potrzebowała dziesiątek ton smółki uranowej, a ta niestety po pierwsze zawierała bardzo małe ilości radu, a po drugie kosztowała fortunę. Z pomocą przyszła fabryka uranu z Czech, znajdująca się w Jachymowie. Wspaniałomyślnie rząd austriacki po namowach Franza Exnera – późniejszego nauczyciela fizyki eksperymentalnej Erwina Schrödingera i Mariana Smoluchowskiego – podarował małżonkom Curie najpierw sto kilogramów, a potem całą tonę ziemi, stanowiącą odpady po wydzieleniu uranu. W rozprawie doktorskiej Maria napisała:
To ta pozostałość zawiera substancje radioaktywne; jej czynność promieniotwórcza jest cztery i pół razy większa od aktywności uranu metalicznego. Rząd austriacki, do którego należą kopalnie blendy, uprzejmie zaoferował nam na cele naszych poszukiwań jedną tonę tych odpadków i upoważnił kopalnie do dostarczania nam większej ilości ton tego materiału.[13]
Odpady te zawierały drogocenny rad i polon. Wreszcie, fundacja barona Rothschilda za bardzo niską cenę odkupiła od rządu Austrii kilka ton ziemi. Maria rozpoczęła swoją przygodę z radem. Zaczęła rodzić się legenda.
Wnętrze laboratorium państwa Curie przy ul. Lhomond 42, 1898, Bibliotheque numerique du Cirad en agronomie tropicale, domena publiczna
Wejście do szkoły Fizyki i Chemii Przemysłowej przy ul. Lhomond 42 prowadzące na podwórze, gdzie mieściła się szopa-laboratorium małżonków Curie, ok. 1898. Musée Curie (Coll. ACJC)
W 1902 roku po serii bardzo żmudnych i ciężkich prac laboratoryjnych, udało się Marii pozyskać 1 decygram[14] chlorku radu (RaCl2) i wyznaczyć masę radu na 225±1 (dziś wiemy, że wynosi ona 226,025 u). Wszystkie prace małżonkowie Curie wykonywali w legendarnej, drewnianej szopie przy ulicy Lhomond 42 niedaleko Wyższej Szkoły Fizyki i Chemii Przemysłowej Miasta Paryża, gdzie wykładał Piotr. Nie było tam wentylacji, zimą było bardzo zimno, podczas deszczu przeciekał dach, a latem panował niewyobrażalny ukrop. Maria pisała:
Była to pozbawiona wszelkich sprzętów szopa z desek, o cementowej podłodze i oszklonym dachu, przez który miejscami przeciekał deszcz. Całe wyposażenie składało się ze zniszczonych drewnianych stołów, żelaznego pieca, dającego bardzo niedostateczne ciepło i z tablicy, na której Piotr chętnie pisał i rysował. Nie było tam wyciągu do robót, przy których wydzielają się szkodliwe gazy, trzeba było zatem wykonywać takie prace na podwórzu, gdy pogoda na to pozwalała. Podczas deszczu musieliśmy je prowadzić w szopie, przy otwartych drzwiach.[15]
________________________
[1] Maria, reż. A. Albrecht, Polska 2011.
[2] Rad leży w układzie okresowym pod barem. Oba pierwiastki należą do tej samej grupy berylowców.
[3] M. P. Curie, Mme. P. Curie, M. G. Bémont, Sur une nouvelle substance fortement radio-active, contenue dans la pechblende, CR 127, 1898, str. 1215–1217.
[4] E. Curie, Maria Curie, dz. cyt., str. 174.
[5] M. Skłodowska-Curie, Badanie ciał radioaktywnych, dz. cyt., str. <4>.
[6] F. Giroud, Maria Skłodowska-Curie, dz. cyt., str. 88.
[7] Linie w widmie emisyjnym są swoistymi odciskami palców pierwiastków chemicznych. Każdy z nich ma swoją własną, charakterystyczną dla siebie linię.
[8] Roztworzenie to zjawisko chemiczne, które polega na rozpuszczaniu ciała stałego przy jednoczesnej jego reakcji z rozpuszczalnikiem lub składnikiem roztworu. Po odparowaniu rozpuszczalnika nie powstanie substancja wyjściowa, ale produkt reakcji.
[9] Maria pisała: Można wydzielić radiopierwiastki z roztworu drogą elektrolizy lub osadzania na odpowiednio dobranym metalu, zanurzonym w roztworze. […] Tak np. w celu oddzielenia lub oczyszczenia polonu osadza się go zazwyczaj na miedzi lub srebrze. Zob. M. Skłodowska-Curie, Promieniotwórczość, reprint wydania z 1939, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2011, str. 340.
[10] S. Quinn, Życie Marii Curie, dz. cyt., str. 249–250.
[11] M. Fontani, M. Costa, M.V. Orna, The lost elements. The periodic table’s shadow side, Oxford University Press, New York, 2014, str. 472.
*W. Szekspir, Romeo i Julia, akt II, scena 3, przekład J. Iwaszkiewicz, Świat Książki, Warszawa 1999.
[12] I. Joliot-Curie, Naturalne pierwiastki, dz. cyt., str. 8.
[13] M. Skłodowska-Curie, Badanie ciał radioaktywnych, dz. cyt., str. 19.
[14] Decygram to 1/10 grama.
[15] M. Skłodowska-Curie, Autobiografia, dz. cyt., str. 117.
