Доклад: Семья Кюри

РЕФЕРАТ ПО ФИЗИКЕ

Семья Кюри

Пьер Кюри

Французский физик Пьер Кюри родился в Париже 15 мая 1859 г. Он был младшим из двух сыновей врача Эжена Кюри и Софи-Клер (Депулли) Кюри. Отец решил дать своему сыну домашнее образование. Мальчик оказался столь прилежным учеником, что в 1876 г., когда ему было шестнадцать лет, получил ученую степень бакалавра Парижского университета (Сорбонны). Два года спустя он получил степень лиценциата (эквивалентную степени магистра) физических наук.

В 1878 г. К. стал работать в физической лаборатории Сорбонны, где занялся исследованием природы кристаллов. Вместе со своим старшим братом Жаком, работавшим в минералогической лаборатории университета, Кюри в течение четырех лет проводил экспериментальные работы в этой области. Братья Кюри открыли пьезоэлектричество – появление под действием приложенной извне силы на поверхности некоторых кристаллов электрических зарядов. Ими был открыт и обратный эффект: те же кристаллы под действием электрического поля испытывают сжатие. Если приложить к таким кристаллам переменный ток, то их можно заставить совершать колебания с ультравысокими частотами, при которых кристаллы будут испускать звуковые волны за пределами восприятия человеческого слуха. Такие кристаллы стали очень важными компонентами такой радиоаппаратуры, как микрофоны, усилители и стереосистемы. Братья Кюри разработали и построили пьезоэлектрический кварцевый балансир, который создает электрический заряд, пропорциональный приложенной силе. Его можно считать предшественником основных узлов и модулей современных кварцевых часов и радиопередатчиков.

В 1882 г. по рекомендации английского физика Уильяма Томсона Кюри был назначен руководителем лаборатории новой Муниципальной школы промышленной физики и химии. Хотя жалованье в школе было более чем скромным, он оставался главой лаборатории в течение двадцати двух лет. Через год после назначения Кюри руководителем лаборатории сотрудничество братьев прекратилось, так как Жак покинул Париж, чтобы стать профессором минералогии университета Монпелье.

Период с 1883 по 1895 г. Кюри выполнил большую серию работ, в основном по физике кристаллов. Одними из наиболее значимых стали статьи по геометрической симметрии кристаллов. С 1890 по 1895 г. Пьер занимался изучением магнитных свойств веществ при различных температурах. На основании большого числа экспериментальных данных в его докторской диссертации была установлена зависимость между температурой и намагниченностью, впоследствии получившая название закона Кюри.

Мари Склодовская

Французский физик Мари Склодовская родилась в Варшаве (Польша) 7 ноября 1867 г. Она была младшей из пяти детей в семье Владислава и Брониславы (Богушки) Склодовских. Мари воспитывалась в семье, где занятия наукой пользовались уважением. Ее отец преподавал физику в гимназии, а мать, пока не заболела туберкулезом, была директором гимназии.

Мари блестяще училась и в начальной, и в средней школе. Еще в юном возрасте она работала лаборантом в химической лаборатории своего двоюродного брата. Великий русский химик Дмитрий Иванович Менделеев, создатель периодической таблицы химических элементов, был другом ее отца. Увидев девочку за работой в лаборатории, он предсказал ей великое будущее, если она продолжит свои занятия химией.

На пути к осуществлению мечты Склодовской о высшем образовании стояли два препятствия: бедность семьи и запрет на прием женщин в Варшавский университет. Мари и ее сестра Броня разработали план: Мария в течение пяти лет будет работать гувернанткой, чтобы дать возможность сестре окончить медицинский институт, после чего Броня должна взять на себя расходы на высшее образование сестры. Броня получила медицинское образование в Париже и, став врачом, пригласила к себе сестру. Покинув Польшу в 1891 г., Мария поступила на факультет естественных наук Парижского университета (Сорбонны). В 1893 г., закончив курс первой, она получила степень лиценциата по физике Сорбонны (эквивалентную степени магистра). Через год она стала лиценциатом по математике.

Совместные открытия

Пьер Кюри и Мари Склодовская познакомились в 1894 году в доме одного польского физика-эмигранта. Они поженились в июле 1895 г., через несколько месяцев после того, как Пьер защитил докторскую диссертацию. Их дочь Ирен родилась в сентябре 1897 г. Через три месяца Мари завершила свое исследование по магнетизму и начала искать тему для диссертации.

В 1896 г. Анри Беккерель открыл, что урановые соединения постоянно испускают излучение, способное засвечивать фотографическую пластинку. В отличие от рентгеновского, открытого в 1895 г. Вильгельмом Рентгеном, излучение Беккереля было не результатом возбуждения от внешнего источника энергии, например светом, а внутренним свойством самого урана. Выбрав это явление темой своей докторской диссертации, Мари стала выяснять, не испускают ли другие соединения «лучи Беккереля». Так как Беккерель обнаружил, что испускаемое ураном излучение повышает электропроводность воздуха вблизи препаратов, она использовала для измерения электропроводности пьезоэлектрический кварцевый балансир братьев Кюри. Вскоре Мари Кюри пришла к заключению, что только уран, торий и соединения этих двух элементов испускают излучение Беккереля, которое она позднее назвала радиоактивностью. Мари в самом начале своих исследований совершила важное открытие: урановая смоляная обманка (урановая руда) электризует окружающий воздух гораздо сильнее, чем содержащиеся в ней соединения урана и тория, и даже чем чистый уран. Из этого наблюдения она сделала вывод о существовании в урановой смоляной обманке еще неизвестного сильно радиоактивного элемента. В 1898 г. Мари Кюри сообщила о результатах своих экспериментов Французской академии наук. Убежденный в том, что гипотеза его жены не только верна, но и очень важна, Пьер оставил свои собственные исследования, чтобы помочь Мари выделить этот элемент.

Кюри поставили перед собой задачу разделить урановую смоляную обманку на химические компоненты. Обрабатывая урановую руду кислотами и сероводородом, они разделили ее на известные компоненты. Исследуя каждую из компонент, ими было установлено, что сильной радиоактивностью обладают только две из них, содержащие элементы висмут и барий. Поскольку открытое Беккерелем излучение не было характерным ни для висмута, ни для бария, они заключили, что эти порции вещества содержат один или несколько ранее неизвестных элементов. После трудоемких операций они получили небольшое количество вещества, обладавшее наибольшей радиоактивностью. Оказалось. что выделенная порция содержит не один, а два неизвестных радиоактивных элемента. В июле 1898 г. Кюри опубликовали статью «О радиоактивном веществе, содержащемся в урановой смоляной обманке» ("Sur une substance radioactive contenue dans la pecelende"), в которой сообщали об открытии одного из элементов, названным полонием в честь родины Марии Склодовской. В декабре они объявили об открытии второго элемента, который назвали радием. Оба новых элемента были во много раз более радиоактивны, чем уран или торий, и составляли одну миллионную часть урановой смоляной обманки. Чтобы выделить из руды радий в достаточном для определения его атомного веса количестве, Кюри в последующие четыре года переработали несколько тонн урановой смоляной обманки. Работая в примитивных и вредных условиях, они производили операции химического разделения в огромных чанах, установленных в дырявом сарае, а все анализы – в крохотной, бедно оснащенной лаборатории Муниципальной школы.

В этот трудный, но увлекательный период жалованья Пьера не хватало, чтобы содержать семью. Несмотря на то, что интенсивные исследования и маленький ребенок занимали почти все ее время, Мари в 1900 г. начала преподавать физику в Севре, в Эколь нормаль сюперьер, учебном заведении, готовившем учителей средней школы. Овдовевший отец Пьера переехал к Кюри и помогал присматривать за Ирен.

В сентябре 1902 г. Кюри объявили о том, что им удалось выделить одну десятую грамма хлорида радия из нескольких тонн урановой смоляной обманки. Выделить полоний им не удалось, так как тот оказался продуктом распада радия. Анализируя соединение, Мари установила, что атомная масса радия равна 225. Соль радия испускала голубоватое свечение и тепло. Признание и награды за его открытие пришли к супругам Кюри почти сразу.

Завершив исследования, Мари наконец написала свою докторскую диссертацию. Работа называлась «Исследования радиоактивных веществ» ("Researcher on Radiactive Substances") и была представлена Сорбонне в июне 1903 г. В нее вошло огромное количество наблюдений радиоактивности, сделанных Мари и Пьером Кюри во время поиска полония и радия. По мнению комитета, присудившего Мари научную степень, ее работа явилась величайшим вкладом, когда-либо внесенным в науку докторской диссертацией.

Супруги Кюри отметили действие радия на человеческий организм (как и Анри Беккерель, они получили ожоги, прежде чем поняли опасность обращения с радиоактивными веществами) и высказали предположение, что радий может быть использован для лечения опухолей. Терапевтическое значение радия было признано почти сразу, и цены на радиевые источники резко поднялись. Однако Кюри отказались патентовать экстракционный процесс и использовать результаты своих исследований в любых коммерческих целях.

Кюри опубликовали огромное количество информации о радиоактивности, собранной ими за время исследований: с 1898 по 1904 г. они выпустили тридцать шесть работ. Еще до завершения своих исследований Кюри побудили других физиков также заняться изучением радиоактивности. В 1903 г. Эрнест Резерфорд и Фредерик Содди высказали предположение о том, что радиоактивные излучения связаны с распадом атомных ядер. Распадаясь (утрачивая какие-то из образующих их частиц), радиоактивные ядра претерпевают трансмутацию в другие элементы.

Шведская королевская академия наук присудила супругам Кюри половину Нобелевской премии по физике 1903 г. «в знак признания... их совместных исследований явлений радиации, открытых профессором Анри Беккерелем», с которым они разделили премию. Мари стала первой женщиной, удостоенной Нобелевской премии. И Мари, и Пьер Кюри были больны и не могли ехать в Стокгольм на церемонию вручения премии. Они получили ее летом следующего года. В своей Нобелевской лекции, прочитанной два года спустя, Пьер указал на потенциальную опасность, которую представляют радиоактивные вещества, попади они не в те руки, и добавил, что «принадлежит к числу тех, кто вместе с Нобелем считает, что новые открытия принесут человечеству больше бед, чем добра».

Помимо Нобелевской премии, Пьер был удостоен еще нескольких наград и почетных званий, в том числе медали Дэви Лондонского королевского общества (1903) и золотой медали Маттеуччи Национальной Академии наук Италии (1904). Он был избран во Французскую академию наук (1905).

В октябре 1904 г. Пьер был назначен профессором физики в Сорбонне, а месяц спустя Мари стала официально именоваться заведующей его лабораторией. В декабре у них родилась вторая дочь, Ева, которая впоследствии стала пианисткой и биографом своей матери.

В дождливый день 19 апреля 1906 г., переходя улицу в Париже, Пьер поскользнулся и упал. Голова его попала под колесо проезжавшего конного экипажа. Смерть наступила мгновенно.

Мари Кюри унаследовала его кафедру в Сорбонне, где продолжила свои исследования радия. В 1910 г. ей удалось в сотрудничестве с Андре Дебирном получить чистый металлический радий и тем самым завершить цикл исследований, начатый 12 лет назад. Она убедительно доказала, что радий является химическим элементом. Мари разработала метод измерения радиоактивных эманаций и приготовила для Международного бюро мер и весов первый международный эталон радия – чистый образец хлорида радия, с которым надлежало сравнивать все остальные источники. В конце 1910 г. по настоянию многих ученых кандидатура Мари была выдвинута на выборах в одно из наиболее престижных научных обществ – Французскую академию наук. Пьер Кюри был избран в нее лишь за год до своей смерти. За всю историю Французской академии наук ни одна женщина не была ее членом, поэтому выдвижение кандидатуры Склодовской привело к жестокой схватке между сторонниками и противниками этого шага. После нескольких месяцев оскорбительной полемики в январе 1911 г. ее кандидатура была отвергнута на выборах большинством в один голос. В 1911 г. она была удостоена Нобелевской премии по химии.

Помимо двух Нобелевских премий, К. была удостоена медали Бертело Французской академии наук (1902), медали Дэви Лондонского королевского общества (1903) и медали Эллиота Крессона Франклиновского института (1909). Она была членом 85 научных обществ всего мира, в том числе Французской медицинской академии, получила 20 почетных степеней. С 1911 г. и до смерти К. принимала участие в престижных Сольвеевских конгрессах по физике, в течение 12 лет была сотрудником Международной комиссии по интеллектуальному сотрудничеству Лиги Наций.

Незадолго до начала первой мировой войны Парижский университет и Пастеровский институт учредили Радиевый институт для исследований радиоактивности. Мари была назначена директором отделения фундаментальных исследований и медицинского применения радиоактивности. Во время войны она обучала военных медиков применению радиологии, например, обнаружению с помощью рентгеновских лучей шрапнели в теле раненого. В прифронтовой зоне она помогала создавать радиологические установки, снабжать пункты первой помощи переносными рентгеновскими аппаратами. Накопленный опыт она обобщила в монографии «Радиология и война» («La Radiologie et la guerre») в 1920 г.

После войны Мари возвратилась в Радиевый институт. В последние годы своей жизни она руководила работами студентов и активно способствовала применению радиологии в медицине. Она написала биографию Пьера Кюри, которая была опубликована в 1923 г. Периодически Склодовская совершала поездки в Польшу, которая в конце войны обрела независимость. Там она консультировала польских исследователей. В 1921 г. вместе с дочерьми Мари посетила Соединенные Штаты, чтобы принять в дар 1 г радия для продолжения опытов. Во время своего второго визита в США (1929) она получила пожертвование, на которое приобрела еще грамм радия для терапевтического использования в одном из варшавских госпиталей. Но вследствие многолетней работы с радием ее здоровье стало заметно ухудшаться.

Мари Склодовская скончалась 4 июля 1934 г. от лейкемии в небольшой больнице местечка Санселлемоз во французских Альпах.

Ирен Жолио-Кюри

Ирен Жолио-Кюри родилась в Париже 12 сентября 1897 г. Она была старшей из двух дочерей Пьера Кюри и Мари (Склодовской) Кюри. Мари Кюри впервые получила радий, когда Ирен был всего год. Приблизительно в это же время дед Ирен по линии отца, Эжен Кюри, переехал жить в их семью. По профессии Эжен Кюри был врачом. Он добровольно предложил свои услуги восставшим в революцию 1848 г. и помогал Парижской коммуне в 1871 г. Теперь Эжен Кюри составлял компанию своей внучке, пока ее мать была занята в лаборатории.

В возрасте 10 лет, за год до смерти отца, Ирен начала заниматься в кооперативной школе, организованной матерью и несколькими ее коллегами, в т.ч. физиками Полем Ланжевеном и Жаном Перреном, которые также преподавали в этой школе. Два года спустя она поступила в коллеж Севине, окончив его накануне первой мировой войны. Ирен продолжила свое образование в Парижском университете (Сорбонне). Однако она на несколько месяцев прервала свою учебу, т.к. работала медицинской сестрой в военном госпитале, помогая матери делать рентгенограммы.

По окончании войны Ирен стала работать ассистентом-исследователем в Институте радия, который возглавляла ее мать, a c 1921 г. начала проводить самостоятельные исследования. Ее первые опыты были связаны с изучением радиоактивного полония – элемента, открытого ее родителями более чем 20 годами ранее. Поскольку явление радиации было связано с расщеплением атома, его изучение давало надежду пролить свет на структуру атома. Ирен изучала флуктуацию, наблюдаемую в ряде альфа-частиц, выбрасываемых, как правило, с чрезвычайно высокой скоростью во время распада атомов полония. На альфа-частицы, которые состоят из 2 протонов и 2 нейтронов и, следовательно, представляют собой ядра гелия, как на материал для изучения атомной структуры впервые указал английский физик Эрнест Резерфорд. В 1925 г. за исследование этих частиц Ирен была присуждена докторская степень.

Самое значительное из проведенных ею исследований началось несколькими годами позже, после того как в 1926 г. она вышла замуж за своего коллегу, ассистента Института радия Фредерика Жолио. В 1930 г. немецкий физик Вальтер Боте обнаружил, что некоторые легкие элементы (среди них бериллий и бор) испускают мощную радиацию при бомбардировке их альфа-частицами. Заинтересовавшись проблемами, которые возникли в результате этого открытия, супруги Жолио-Кюри (как они себя называли) приготовили особенно мощный источник полония для получения альфа-частиц и применили сконструированную Жолио чувствительную конденсационную камеру, с тем чтобы фиксировать проникающую радиацию, которая возникала таким образом.

Они обнаружили, что когда между бериллием или бором и детектором помещается пластинка водородсодержащего вещества, то наблюдаемый уровень радиации увеличивается почти вдвое. Супруги Жолио-Кюри объяснили возникновение этого эффекта тем, что проникающая радиация выбивает отдельные атомы водорода, придавая им огромную скорость. Несмотря на то что ни Ирен, ни Фредерик, не поняли сути этого процесса, проведенные ими тщательные измерения проложили путь для открытия в 1932 г. Джеймсом Чедвиком нейтрона – электрически нейтральной составной части большинства атомных ядер.

Продолжая исследования, супруги Жолио-Кюри пришли к своему самому значительному открытию. Подвергая бомбардировке альфа-частицами бор и алюминий, они изучали выход позитронов (положительно заряженных частиц, которые во всех остальных отношениях напоминают отрицательно заряженные электроны), впервые открытых в 1932 г. американским физиком Карлом Д. Андерсоном. Закрыв отверстие детектора тонким слоем алюминиевой фольги, они облучили образцы алюминия и бора альфа-частицами. К их удивлению, выход позитронов продолжался в течение нескольких минут после того, как был удален полониевый источник альфа-частиц. Позднее Жолио-Кюри пришли к убеждению, что часть алюминия и бора в подвергнутых анализу образцах превратилась в новые химические элементы. Более того, эти новые элементы были радиоактивными: поглощая 2 протона и 2 нейтрона альфа-частиц, алюминий превратился в радиоактивный фосфор, а бор – в радиоактивный изотоп азота. В течение непродолжительного времени Жолио-Кюри получили много новых радиоактивных элементов.

В 1935 г. Ирен и Фредерику Жолио совместно была присуждена Нобелевская премия по химии «за выполненный синтез новых радиоактивных элементов». Во вступительной речи от имени Шведской королевской академии наук К.В. Пальмайер напомнил Ирен о том, как 24 года назад она присутствовала на подобной церемонии, когда Нобелевскую премию по химии получала ее мать. «В сотрудничестве с вашим мужем,– сказал Пальмайер,– вы достойно продолжаете эту блестящую традицию».

Через год после получения Нобелевской премии Ирен стала полным профессором Сорбонны, где читала лекции начиная с 1932 г. Она также сохранила за собой должность в Институте радия и продолжала заниматься исследованиями радиоактивности. В конце 30-х гг. она, работая с ураном, сделала несколько важных открытий и вплотную подошла к обнаружению того, что при бомбардировке нейтронами происходит распад (расщепление) атома урана. Повторив те же самые опыты, немецкий физик Отто Ган и его коллеги Фриц Штрасман и Лизе Майтнер в 1938г. добились расщепления атома урана.

Между тем Ирен начала все большее внимание уделять политической деятельности и в 1936 г. в течение четырех месяцев работала помощником статс-секретаря по научно-исследовательским делам в правительстве Леона Блюма. В 1940 г. ей была вручена золотая медаль Барнарда за выдающиеся научные заслуги, присужденная Колумбийским университетом.

Несмотря на германскую оккупацию Франции в 1940 г., она и ее муж остались в Париже, где Жолио участвовал в движении Сопротивления. В 1944 г. у гестапо появились подозрения в отношении его деятельности, и, когда он в том же году ушел в подполье, Ирен с двумя детьми бежала в Швейцарию, где они оставались до освобождения Франции.

В 1946 г. Ирен была назначена директором Института радия. Кроме того, с 1946 по 1950 г. она работала в Комиссариате по атомной энергии Франции. Всегда глубоко озабоченная проблемами социального и интеллектуального прогресса женщин, она входила в Национальный комитет Союза французских женщин и работала во Всемирном Совете Мира. К началу 50-х гг. ее здоровье стало ухудшаться, вероятно, в результате полученной ею дозы радиоактивности. Ирен Жолио-Кюри умерла в Париже 17 марта 1956 г. от острой лейкемии.