«Казка про Сен-Віктора і Беккереля, які відкрили таємниче випромінювання»

Інші наукові казки Нік. Горькавого см. у «Науці і житті» № 11, 2010, № 12, 2010, №1, 2011, №2, 2011, №3, 2011, №4, 2011, №5, 2011, №6, 2011, №9, 2011, №11, 2011, №6, 2012, №7, 2012, №8, 2012, №9, 2012, №10, 2012, №12, 2012, №1, 2013, №11, 2013, №1, 2014, №2, 2014, №3, 2014, №7, 2014, №8, 2014, №10, 2014, №12, 2014, №1, 2015, №4, 2015.

Абель Ньєпс де Сен-Віктор — французький дослідник, який відкрив, що солі урану засвічують фотопластинку

«Космічні сищики» — нова книга письменника, доктора фізико-математичних наук Миколи Миколайовича Горькавого. Її герої знайомі читачам з науково-фантастичної трилогії «Астровітянка» і наукових казок, опублікованих в журналі в 2010-2014 рр. і в № № 1, 4, 2015 р.

— Золотисту окис урану знаходили в копальнях і по берегах річок ще дві тисячі років тому, — неквапливо гортаючи книгу, почала чергову вечірню історію принцеса Дзінтара. — Її використовували як фарбу для візерунків на глиняних вазах, а пізніше стали додавати в розплав при варінні кольорового скла. Тільки через багато століть, в 1841 році, французький хімік Ежен Мелькьор Пеліго зміг отримати чистий уран — важкий сіро-сталевий метал. Уран і його з’єднання привернули увагу багатьох дослідників. Так, у 1804 році німецький хімік Адольф Гелен зауважив, що розчин хлориду урану на світлу швидко змінює яскраво-жовтий колір на зелений. Цей факт спробував використовувати французький дослідник Абель Ньєпс де Сен-Віктор, який розробив спосіб отримання кольорових фотографій за допомогою світлочутливих солей металів. У 1857 році він виявив, що фотопластинки засвічуються солями урану. Хімік припустив, що, можливо, за такий несподіваний ефект відповідає фосфоресценція або флуоресценція.

— Це ще що за звірі? — не витримала Галатея напору незнайомих термінів.

— Так називають нетеплове світіння речовини, — пояснила Дзінтара. — У разі флуоресценції світіння після впливу зовнішнього фактора припиняється за частки секунди, у разі фосфоресценції світіння триває до декількох годин або днів.

— У мене десь є фосфоресуючі кубики, — згадав Андрій. — Якщо потримати їх на сонці, вони потім в темряві світяться зеленим світлом, але поступово їх світіння слабшає.

Уранвмісний мінерал відкинутий (водний уранил-ванадат кальцію): вгорі — при денному світлі; внизу — флуоресціює при опроміненні ультрафіолетом. Фото: Дідьє Діскунс

Дзинтара кивнула:

— Так, такий ефект ослаблення світіння типовий для фосфоресціюючих речовин. Але Сен-Віктор виявив, що фотопластинки засвічуються солями урану, зразки яких півроку провели в темряві. А це означає, що вони ніяк не могли фосфоресціювати. У 1861 році Сен-Віктор дійшов висновку, що солі урану дають «радіацію, невидиму нашому оку», і це спостереження визнали «фундаментальним відкриттям». Через 7 років, в 1868 році, інший фізик, Олександр Едмон Беккерель, опублікував книгу «Світло», в якій описав досліди Сен-Віктора з солями урану і фотопластинками.

— Отже, радіоактивне випромінювання відкрив Сен-Віктор?! — вигукнув Андрій.

Антуан Анрі Беккерель. Фото Пауля Надара з колекції Дібнерівської бібліотеки історії науки і техніки

Дзинтара задумливо відповіла:

— І так, і ні. Якщо дослідник відкрив щось, значно випереджаюче існуючий рівень знань, його відкриття, швидше за все, не отримає відгуку і не буде працювати на розвиток науки. Це «щось» буде довгий час «мовчати» — як сталося з геліоцентричною системою Аристарха Самоського, генетичними дослідженнями Грегора Йоганна Менделя (див. «Наука і життя» № 2, 2014 р., «Казка про монаха Менделя, який знайшов великий закон на грядці з горохом») і космогонічними ідеями Іммануїла Канта (див. «Наука і життя» № 4, 2015 р., «Казка про космічного мандрівника Іммануїла Канте, якого всі вважали філософом-домосідом»). Через десятки, сотні, а іноді і тисячі років «мовчаче» відкриття відкривають заново, і воно починає впливати на хід прогресу, вбудовуватися в загальну будівлю науки. Щоб відкриття прозвучало, цивілізація повинна бути готова прийняти нове. У середині XIX століття ще нічого не знали про природу світла і тим більше про будову атома і про існування невидимих випромінювань. Тому-то роботу Сен-Віктора не зрозуміли, і вона залишилася практично непоміченою.

— Невидимою! — пожартувала Галатея.

— Але в другій половині XIX століття рівень наукових знань піднявся на нову висоту: Джеймс Максвелл (див. «Наука і життя» № 1, 2015 р., стаття «Казка про Джеймса Максвелла і його ручний демон») відкрив електромагнітну природу світла, Генріх Герц виявив невидиме радіовипромінювання. З’явилися дослідження Філіпа Ленарда про катодні промені, а до кінця століття Вільгельм Рентген «побачив» невидимі Х-промені. Ці новітні для того часу відкриття докорінно змінили ставлення вчених до робіт, що описують невидиме випромінювання.

Едмону Беккерелю в дослідах зі світлом допомагав його син Антуан, якому до моменту закінчення книги «Світло» було чотирнадцять років. Згодом він сам став науковцем, присвятивши себе питанням фотографії та люмінесценції солей урану. Антуан Анрі Беккерель продовжив династію і слідом за дідом і батьком очолив кафедру фізики в Національному музеї природничої історії. Прочитавши про відкриття рентгенівських променів, Антуан відразу вирішив, що вони якось пов’язані з фосфоресценцією. Він вважав, що речовина, що полежала на яскравому сонячному світлі, може випускати не тільки звичайне світло, але і Х-промені.

Наприкінці XIX століття виник справжній бум виробництва святкового посуду зі скла з домішкою урану, яка світилася в ультрафіолетовому світлі. У 40-х роках ХХ століття влада США конфіскувала всі запаси урану на військові потреби, в тому числі тарілки і вази з уранового скла, які зберігалися на складах виробників посуду. На початку 1970-х років, коли небезпека радіоактивного опромінення стала всім зрозумілою, виробництво уранового посуду, що світиться, було остаточно припинено. На фото: ваза з уранового скла. Фото: Z. Vesoulis/Wikimedia Commons

У цьому молодший Беккерель помилявся, але його головне відкриття вже лежало на поверхні. Одного разу Антуан запланував дослідження, яке потрібно було проводити на яскравому сонячному світлі, але через хмари, що набігли на небо, відклав експеримент. Фотопластинку, загорнуту в щільний чорний папір, він поклав у стіл разом зі зразками солей урану. Наступного дня вчений виявив, що прибрана в стіл фотопластинка виявилася засвіченою, хоча він загорнув її в щільний чорний папір. Істотна відмінність цього випадкового досвіду від дослідів Сен-Віктора полягала в тому, що чорний папір перегороджував шлях до платівки будь-якого видимого випромінювання. Досліди Беккереля показали, що помічене ним випромінювання не залежить від температури і викликає іонізацію повітря, так само як промені Рентгена.

Антуан Беккерель встановив: причиною засвічення стало невидиме випромінювання солей урану. У ході подальших досліджень з’ясувалося, що чистий уран випромінює в три з половиною рази сильніше, ніж його сіль, значить, саме він відповідає за засвічування фотопластинок.

Фотопластинка Беккереля, засвічена солями урану. Світла тінь у нижній частині фото — від мальтійського хреста, розташованого між сіллю урану і фотопластинкою

Виявлення радіоактивності урану — класичний приклад випадкового відкриття, яке зроблено завдяки тому, що Антуан Беккерель був добре до цього підготовлений.

— Якщо Антуан читав книгу свого батька Едмона Беккереля, то, звичайно, добре підготувався, — зазначив Андрій.

— Суспільство, — продовжила Дзінтара, — змогло оцінити відкриття радіоактивності не тільки завдяки роботам Герца, Ленарда і Рентгена. Дуже багато встигли зробити в цьому напрямку подружжя П’єр Кюрі і Марія Склодовська-Кюрі.

Випромінювання, яке досліджував Беккерель, якийсь час називали «променями Беккереля». За відкриття радіоактивності він отримав у 1903 році Нобелівську премію з фізики, розділивши її з П’єром Кюрі і Марією Склодовською-Кюрі. Він став знаменитим, його обрали академіком Французької академії наук, і він навіть зайняв почесний пост її довічного секретаря. Його ім’ям названі одиниця радіоактивності — бекерель (Бк), кратери на Місяці і на Марсі.

Ось що означає постійно перебувати в пошуку, — закінчила Дзінтара.

Олександр Едмон Беккерель (1820-1891) — французький фізик, який досліджував ефекти флуоресценції. Батько Антуана Беккереля.

Антуан Анрі Беккерель (1852-1908) — французький фізик, який відкрив радіоактивність урану. Один з перших лауреатів Нобелівської премії (1903).

Абель Ньєпс де Сен-Віктор (1805-1870) — французький дослідник, який розробив метод кольорової фотографії і відкрив засвічування фотопластинки солями урану.

Ежен Мельк’єр Пеліго (1811-1890) — французький хімік, який отримав 1841 року металевий уран.

Адольф Гелен (1775-1815) — німецький хімік, який відкрив світлочутливість солей урану.

Аристарх Самоський (310-230 рр. до н. е.) — давньогрецький астроном і математик, який створив першу геліоцентричну модель світу. На честь його названі місячний кратер, астероїд і аеропорт на його батьківщині — острові Самос.

Грегор Йоганн Мендель (1822-1884) — австрійський ботанік, основоположник вчення про спадковість.

Уран (U) — хімічний елемент з атомним номером 92 (рівним числу протонів в ядрі) в періодичній таблиці Менделєєва. Важкий сріблясто-сірий глянцюватий метал. Радіоактивний. У земній корі його міститься в 40 разів більше, ніж срібла, і в 500 разів більше, ніж золота. Уран зустрічається практично скрізь — у мінералах, ґрунті, у воді річок і океанів.

Люмінесценція — ефект нетеплового світіння речовини під дією різних факторів: світла, хімічних реакцій, іонізуючих випромінювань, електричного струму, звуку, тертя тощо.

Флуоресценція — приватний випадок люмінесценції, пов’язаний з опроміненням світлом, ультрафіолетовим або рентгенівським випромінюванням. Флуоресценція практично миттєво припиняється, коли зовнішнє опромінення зникає.

Фосфоресценція — ефект, аналогічний флуоресценції, тільки з більш тривалим періодом загасання світіння.