Stara szopa, tonny rudy uranowej i dwoje naukowców z pasją – tak w skrócie można opisać kulisy odkrycia polonu i radu. Maria Skłodowska-Curie i jej mąż Pierre, pracując w spartańskich warunkach, dokonali czegoś, co wydawało się niemożliwe. Zaczynając od badań nad uranem, przez zagadkę blendy uranowej, aż po żmudny proces izolacji nowych pierwiastków – ich historia to prawdziwy naukowy thriller. Odkrycie to nie tylko zrewolucjonizowało fizykę i chemię, ale też otworzyło drzwi do zupełnie nowych dziedzin nauki.
Początki badań nad promieniotwórczością
Pod koniec 1897 roku Maria Skłodowska-Curie rozpoczęła przełomowe badania nad promieniowaniem uranu, które miały stać się tematem jej pracy doktorskiej. W przeciwieństwie do wcześniejszych badaczy, którzy koncentrowali się na metodzie fotograficznej, Maria zastosowała innowacyjne podejście wykorzystując czuły elektrometr z kwarcem piezoelektrycznym. To nowatorskie podejście pozwoliło jej na dokonanie precyzyjnych pomiarów i odkrycie fundamentalnej zasady – promieniowanie uranu jest proporcjonalne do jego ilości.
Systematyczne badania doprowadziły do kolejnego przełomowego odkrycia. Maria jako pierwsza udowodniła, że promieniowanie jest właściwością atomową uranu, co stanowiło kamień milowy w badaniach nad promieniotwórczością. Kontynuując swoje dociekania, zbadała wiele pierwiastków w stanie wolnym oraz ich związków, co doprowadziło do odkrycia, że również tor emituje promieniowanie. To odkrycie zostało dokonane niezależnie od niemieckiego fizyka Gerharda Schmidta, jednak to właśnie Maria pierwsza udowodniła, że emisja promieniowania toru różni się ilościowo od emisji uranu.
Intrygująca zagadka blendy uranowej
Podczas systematycznych badań minerałów zawierających uran, Maria dokonała fascynującego odkrycia. Zauważyła, że niektóre minerały, takie jak blenda uranowa (smoła uranowa), chalkolit i uranit, wykazują znacznie silniejszą aktywność promieniotwórczą niż można by oczekiwać na podstawie zawartości samego uranu. To intrygujące zjawisko skłoniło ją do postawienia śmiałej hipotezy o istnieniu nowego, nieznanego pierwiastka promieniotwórczego.
Aby potwierdzić swoje przypuszczenia, Maria przeprowadziła syntezę chemiczną chalkolitu. Eksperyment wykazał, że syntetyczny chalkolit emituje słabsze promieniowanie, dokładnie takie, jakiego można było oczekiwać na podstawie zawartości uranu w tym minerale. To było niepodważalne doświadczalne potwierdzenie istnienia nowego pierwiastka chemicznego, którego odkrycie miało wkrótce wstrząsnąć światem nauki.
Współpraca z Pierre’em Curie
Spotkanie z Pierre’em Curie w Paryżu zapoczątkowało nie tylko romantyczną relację, ale przede wszystkim niezwykłe partnerstwo naukowe. Pierre, zafascynowany badaniami Marii, podjął decyzję o tymczasowym porzuceniu swoich badań nad kryształami, aby wspólnie z żoną pracować nad tajemniczym zjawiskiem promieniotwórczości. Ta współpraca, oparta na wzajemnym szacunku i pasji do nauki, miała przynieść przełomowe odkrycia w dziedzinie fizyki i chemii.
Małżonkowie Curie rozpoczęli intensywne badania nad niewidzialnymi promieniami emitowanymi przez uran – zjawiskiem, które niedawno zostało odkryte przez profesora Henri Becquerela. Wspólnie opracowali metodę badawczą wykorzystującą wskaźniki promieniotwórcze, która pozwoliła im na precyzyjne określanie poziomu promieniowania badanych substancji. Ta pionierska praca położyła fundamenty pod nową dziedzinę nauki – radiochemię, a ich wspólne wysiłki miały wkrótce doprowadzić do odkrycia dwóch nowych pierwiastków.
Odkrycie polonu
W lipcu 1898 roku małżeństwo Curie dokonało przełomowego odkrycia. Po żmudnym procesie separacji różnych substancji zawartych w blendzie uranowej, zidentyfikowali frakcję zawierającą głównie bizmut, która wykazywała niezwykle silną radioaktywność. Choć nowy pierwiastek zachowywał się chemicznie niemal identycznie jak bizmut, jego właściwości promieniotwórcze jednoznacznie wskazywały na odkrycie nowego pierwiastka.
Maria i Pierre postanowili nazwać nowo odkryty pierwiastek „polonem” na cześć ojczyzny Marii – Polski. To patriotyczne nazwanie miało szczególne znaczenie, gdyż w tym czasie Polska znajdowała się pod zaborami. Polon okazał się być 300 razy bardziej aktywny promieniotwórczo niż uran, co stanowiło niewyobrażalne wówczas odkrycie w dziedzinie badań nad promieniotwórczością.
Droga do odkrycia radu
Zaledwie pięć miesięcy po odkryciu polonu, w grudniu 1898 roku, małżeństwo Curie ogłosiło światu istnienie kolejnego pierwiastka promieniotwórczego. W trakcie badań frakcji zawierającej bar, naukowcy zaobserwowali promieniowanie około 900 razy silniejsze niż w przypadku uranu. Ten nowy pierwiastek nazwali „radem” od łacińskiego słowa oznaczającego promień.
Proces identyfikacji radu był niezwykle skomplikowany i wymagał przeprowadzenia tysięcy krystalizacji frakcjonowanych. Małżonkowie musieli przetworzyć ogromne ilości blendy uranowej, by wyizolować nawet najmniejszą ilość czystego radu. Każda próbka musiała być starannie badana za pomocą elektrometru skonstruowanego przez Pierre’a, co pozwalało na precyzyjne pomiary aktywności promieniotwórczej.
Praca w trudnych warunkach
Badania nad radem i polonem prowadzone były w skrajnie trudnych warunkach. Małżeństwo Curie pracowało w prymitywnym laboratorium urządzonym w starej szopie, która wcześniej służyła jako prosektorium. Pomieszczenie miało nieszczelny dach, było słabo wentylowane i nieprzystosowane do prowadzenia tak zaawansowanych badań chemicznych.
Do przetworzenia ton blendy uranowej potrzebne było miejsce do przeprowadzania procesów chemicznych na dużą skalę. Na szczęście udało im się nawiązać współpracę z Centralnym Towarzystwem Produktów Chemicznych, które pomogło w przemysłowym przetwarzaniu rudy. Dzięki pomocy kolegi, André Debierne’a, udało się zaadaptować standardowe techniki laboratoryjne do procesów przemysłowych. Mimo tych udogodnień, praca była niezwykle wyczerpująca fizycznie i niebezpieczna – choć wtedy jeszcze nie zdawano sobie sprawy ze szkodliwego wpływu promieniowania na organizm.
Wyizolowanie czystego radu
Proces izolacji czystego radu był niezwykle czasochłonny i wymagał ogromnej precyzji. Maria Skłodowska-Curie potrzebowała kilku lat nieprzerwanej pracy, by w 1902 roku wyizolować pierwszy decygram czystego radu. Proces krystalizacji frakcjonowanej, który wykorzystała do oddzielenia radu od baru, wymagał przeprowadzenia tysięcy powtórzeń.
Procedura oczyszczania była niezwykle skomplikowana. Najpierw należało przekształcić mieszaninę siarczanów baru i radu w chlorki, a następnie poddać je wielokrotnej krystalizacji. Rad, będąc mniej rozpuszczalnym niż bar, stopniowo koncentrował się w kryształach. Postęp procesu był monitorowany za pomocą pomiarów aktywności oraz analizy spektralnej – widmo czystego radu charakteryzowało się specyficznymi czerwonymi liniami, w przeciwieństwie do zielonych linii baru.
Zastosowanie polonu i radu
Odkrycie radu i polonu zrewolucjonizowało naukę na wielu płaszczyznach. Rad okazał się być milion razy bardziej radioaktywny niż uran, co otworzyło zupełnie nowe możliwości badawcze. Związki radu wykazywały fascynujące właściwości – były samoistnie luminescencyjne, emitując światło przypominające świetlika, a także potrafiły spontanicznie naładować elektrycznie szklane naczynia, w których były przechowywane.
Praktyczne zastosowania tych pierwiastków szybko przekroczyły granice laboratorium. Rad znalazł zastosowanie w tworzeniu radiografii, gdyż mógł prześwietlać materiały przez grube ekrany ze szkła czy ołowiu. Wystarczyło zaledwie kilka centygramów soli radu, by wywołać znaczące efekty w odległości kilku metrów. Odkrycia te położyły fundamenty pod rozwój nowej dziedziny nauki – radiochemii, a także zapoczątkowały rewolucję w rozumieniu struktury atomu.