100 χρόνια από τότε που δόθηκε το Νόμπελ Φυσικής στους Henri Becquerel και το ζεύγος Pierre και Marie Curie

Άρθρο, Μάιος 2003

Το 1903 το Νόμπελ Φυσικής δόθηκε κατά το ήμισυ στο Γάλλο φυσικό Henri Becquerel (1852-1908), της Ecole Polytechnique του Παρισιού, για την ανακάλυψη της φυσικής ή αυθόρμητης ραδιενέργειας. 

Το άλλο μισό βραβείο δόθηκε εξ' ίσου στο Γάλλο φυσικό Pierre Curie (1859-1906) και στην Πολωνίδα σύντροφό του Marie Curie (1867-1934), για τις υπηρεσίες που πρόσφεραν στις έρευνες για τα ραδιενεργά φαινόμενα.

Ο Becquerel

Ο Becquerel διερευνούσε το φαινόμενο του φθορισμού για χρόνια, όταν το 1896 έμαθε από τον Röntgen για τις ακτίνες Χ.

Μετά την ανακάλυψη των ακτίνων Röntgen, τέθηκε η ερώτηση εάν θα μπορούσαν να παραχθούν επίσης και με άλλες συνθήκες, εκτός από αυτές με τις οποίες παρατηρήθηκαν αρχικά. Άρχισε λοιπόν να ψάχνει για φθορίζοντα υλικά που να εκπέμπουν τέτοιες ακτίνες.

Το σκεπτικό ήταν ότι στους σωλήνες που παράγονται οι ακτίνες Χ ή Röntgen, προκαλείται φθορισμός στην περιοχή απέναντι από την κάθοδο. Έτσι ο Becquerel αναρωτήθηκε μήπως μαζί με το φθορισμό παράγεται από τα φθορίζοντα υλικά και ακτινοβολία Χ.

Η κρυσταλλική ένωση με την οποία ασχολήθηκε ήταν το θειικό κάλιο-ουρανύλιο, που τόσο καλά την ήξερε αυτός και ο πατέρας του. Για να διαπιστώσει την τυχόν ύπαρξη των ακτίνων Χ  χρησιμοποίησε την ιδιότητα τους ότι αμαυρώνουν τη φωτογραφική πλάκα. Πράγματι το Φεβρουάριο του 1896 ο Becquerel τύλιξε φωτογραφικό φιλμ με φύλλο αλουμινίου και το τοποθέτησε στο ηλιακό φως με ένα τέτοιο κρύσταλλο πάνω του. Περίμενε ότι το ηλιακό φως θα προκαλούσε φθορισμό του κρυστάλλου και τότε θα παράγονταν ακτίνες Χ που θα διαπερνούσαν το φύλλο αλουμινίου, ενώ το φιλμ θα αμαυρωνόταν. Φυσικά χάρις στο φύλλο του αλουμινίου, που δεν μπορούσε να το περάσει το ηλιακό φως, το φιλμ θα μαύριζε μόνο με μια αόρατη διαπεραστική ακτινοβολία, όπως είναι η Χ.

Πράγματι το φιλμ μαύρισε και ο Becquerel κατέληξε στο συμπέρασμα ότι το φθορίζον υλικό εκπέμπει ακτίνες Χ. Αλλά όταν ήθελε να επαναλάβει το πείραμα ο καιρός στο Παρίσι ήταν συνέχεια συννεφιασμένος και έβαλε το φιλμ με το φύλλο και το κρυσταλλικό φθορίζον υλικό στο συρτάρι του. Επομένως δεν ανέμενε να μαυρίσει το φιλμ αφού έλειπε το ηλιακό φως, που θα προκαλούσε φθορισμό και παραγωγή ακτίνων Χ.

Τελικά, μετά από μερικές μέρες εμφάνισε το φιλμ για να διαπιστώσει ότι πράγματι η έλλειψη του ήλιου δεν προκαλεί ούτε φθορισμό, ούτε παραγωγή ακτίνων Χ και συνεπώς αμαύρωση του φιλμ. Αλλά παραξενεύτηκε όταν είδε το φιλμ έντονα μαυρισμένο (θολό). Άρα από τον κρύσταλλο του ουρανίου έβγαινε μια άγνωστη ακτινοβολία που δεν οφειλόταν στο φως και το φθορισμό.

Ήταν η ραδιενέργεια που αυθόρμητα εκπεμπόταν από τον κρύσταλλο του ουρανίου και ονομάστηκε τότε ακτινοβολία Becquerel.

Η ραδιενέργεια ήταν μια άγνωστη πηγή ενέργειας και αποδιδόταν σε ανακατατάξεις εντός του ατόμου (τότε ήταν ακόμη άγνωστος ο πυρήνας), που σταθεροποιούταν με την εκπομπή ακτίνων X.

Τα πειράματα συνεχίστηκαν και διαπίστωσε ότι αυτή η ακτινοβολία δεν συνδέεται με το φαινόμενο του φθορισμού, ούτε χρειάζεται φωτισμός για να εμφανιστεί η ακτινοβολία, που συνέχεια εκπέμπεται χωρίς να ξέρει κανένας που οφείλεται.  .

Για να βρει όμως πια χημική ένωση ήταν υπεύθυνη για την ακτινοβολία έκανε μια μεγάλη σειρά πειραμάτων μέχρι να καταλήξει στο καθαρό ουράνιο.

Αργότερα ερεύνησε την επίδραση του μαγνητικού πεδίου πάνω στην ακτινοβολία για να διαπιστώσει τελικά ότι η ραδιενέργεια, όπως ονομάστηκε αργότερα η ακτινοβολία, περιείχε θετικά φορτία (ακτίνες α), αρνητικά φορτία (ηλεκτρόνια ή ακτίνες β) και από ακτίνες χωρίς φορτίο ή μάζα που δεν απέκλιναν μέσα στο μαγνητικό πεδίο (ακτίνες γ).

Ο Rutherford, που ασχολήθηκε και με τη ραδιενέργεια, εντόπισε στην έρευνά του τη μεγάλη ιονιστική δράση, άρα και τη μεγάλη ενέργεια, των ακτίνων α, παρά τη γρήγορη απορρόφηση τους από τον αέρα. Όταν μετρήθηκε η ισχύς ιονισμού τους φάνηκε ότι δεν μπορούσε να προέρχεται από ελευθέρωση χημικής ενέργειας. Έτσι προτάθηκε η ύπαρξη άλλου είδους μεταβολών που οδηγούσαν στην ελευθέρωση των ακτίνων α.

Η μεταβολή αυτή πιστοποιήθηκε από το 1903 και τελικά το 1908 υπολογίστηκε ο χρόνος υποδιπλασιασμού του ραδίου (που ως τότε θεωρούταν σταθερή πηγή ακτινοβολιών) σε 1600 χρόνια. Η εκτροπή των ακτίνων α με την επίδραση μαγνητικού πεδίου πιστοποίησε ότι αποτελούνταν από σωματίδια με μεγάλη μάζα και είχαν λόγο μάζας προς φορτίο περίπου διπλάσιο από εκείνον που η ηλεκτρόλυση είχε δείξει για τα ιόντα του υδρογόνου.

Ο Rutherford αφιέρωσε μεγάλο μέρος της δραστηριότητάς του στη μελέτη αυτών ακριβώς των ακτινοβολιών και ήδη το 1905 ήταν σε θέση να κάνει το γνωστό πείραμά του με τη σκέδαση ακτίνων α πάνω σε φύλλα χρυσού, για την ανακάλυψη των συστατικών του ατόμου.

Pierre και Marie Curie

Εννοείται ότι μια τέτοια ανακάλυψη άναψε το ενδιαφέρον πολλών φυσικών. Άρχισε λοιπόν πλήθος επιστημόνων να ψάχνει για τη φύση των ακτίνων Becquerel και την προέλευσή τους.

Τότε εμφανίστηκαν στο προσκήνιο το ζεύγος Curie, που ανέλαβαν την πιο περιεκτική και συστηματική έρευνα σε αυτό το ζήτημα. Εξέτασαν ένα πλήθος απλών ουσιών και ένα μεγάλο αριθμό μεταλλευμάτων για να βρει εάν υπάρχουν νέες ουσίες με τις αξιοπρόσεκτες ιδιότητες του ουρανίου.

Η πρώτη ανακάλυψη σε αυτόν τον τομέα έγινε περίπου την ίδια χρονιά από το Γερμανό Schmidt και από την Marie Curie. Και οι δύο τους διαπίστωσαν ότι το θόριο κατέχει ραδιενεργές ιδιότητες στον ίδιο περίπου βαθμό με το ουράνιο.

Κατά τη διάρκεια της έρευνας, ανακάλυψαν με τη βοήθεια του ηλεκτροσκοπίου ότι οι ακτίνες Becquerel ήταν φορτισμένες και έκαναν ηλεκτρικά αγώγιμο τον αέρα.  Έτσι το ηλεκτροσκόπιο, ως ένα ορισμένο βαθμό, έπαιξε τον ίδιο ρόλο για τα ραδιενεργά υλικά όπως το φασματοσκόπιο στην αναζήτηση νέων στοιχείων.

Με το ηλεκτροσκόπιο οι Curie βρήκαν ότι οι ραδιενεργές ιδιότητες ενός ορυκτού ουρανίου, του πισσουρανίτη,  ήταν πιο έντονες από εκείνες  του ουρανίου. Κατέληξαν δε στο συμπέρασμα ότι το ορυκτό του ουρανίου πρέπει να περιέχει μια ή περισσότερες νέες ραδιενεργές ουσίες. Με το διαχωρισμό του πισσουρανίτη στα χημικά συστατικά του και την εξέταση, πάλι με τη βοήθεια ηλεκτροσκοπίου, της ραδιενέργειας των προϊόντων που έλαβαν, κατόρθωσαν επιτέλους με τη βοήθεια μιας σειράς διαλυμάτων και ιζημάτων να απομονώσουν τα υλικά που έδιναν έντονη ραδιενέργεια.

Κάποια ιδέα για την καταπληκτική εργασία τους μπορεί να πάρει κάποιος αν σκεφτεί ότι από τα 1.000 kg πρώτης ύλης πήραν λίγες δεκάδες γραμμαρίων αυτών των ενεργών ουσιών.

Έτσι οι Curie ανακάλυψαν το πολώνιο, ενώ το ράδιο ανακαλύφθηκε το 1898 σε συνεργασία με τον Bιmont, και το ακτίνιο από τον Debierne.

Λίγο αργότερα, παρατηρήθηκε ότι οι ενώσεις ενός άλλου στοιχείου, του θόριου, που είχε ανακαλυφθεί από το Berzelius, έχουν παρόμοιες ιδιότητες.

Τα δύο παραπάνω χημικά στοιχεία, πολώνιο και ράδιο, περιέχονταν στα ορυκτά τους σε πάρα πολύ μικρές ποσότητες. Είναι σήμερα γνωστό ότι ένας τόνος πισσουρανίτη το μέγιστο που μπορεί να περιέχει είναι ένα κιλό από αυτά τα στοιχεία. Για την πραγματοποίηση της ερευνητικής της προσπάθειας, η Μαρί Κιουρί είχε την τύχη να της παρασχεθεί από την κυβέρνηση της Αυστρουγγαρίας, ποσότητα ενός τόνου μεταλλεύματος από κοιτάσματα της Βοημίας, τα μόνα γνωστά τότε εκμεταλλεύσιμα ορυχεία ουρανίου στον κόσμο. Εκεί γινόταν αποχωρισμός μόνο των αλάτων του ουρανίου, ενώ απορριπτόταν το στείρο υλικό, το οποίο, όμως, ήταν ήδη θρυμματισμένο. Το υλικό αυτό προσφέρθηκε δωρεάν στο ζεύγος Κιουρί για τη διεξαγωγή των ερευνών τους. Οι δύο ερευνητές επιδόθηκαν, έτσι, επί τρία χρόνια σε μια εξαιρετικά ευαίσθητη και επίπονη εργασία, κάτω από ένα εγκαταλελειμμένο υπόστεγο, όπου στερούνταν και τις πλέον στοιχειώδεις διευκολύνσεις.

Εκεί ανακάλυψαν επίσης ότι οι ακτινοβολίες, που εκπέμπει το ράδιο, επιδρούν στα σώματα που το περιβάλλουν και παράγεται ραδιενέργεια. Το 1902 η Μαρί Κιουρί κατάφερε τελικά να παρασκευάσει ένα δέκατο του γραμμαρίου χλωριούχου ραδίου, χημικά καθαρού, και στη συνέχεια να προσδιορίσει και το ατομικό βάρος του ίδιου του ραδίου. Τα σχετικά αποτελέσματα συμπεριέλαβε στη διδακτορική διατριβή της, την οποία υποστήριξε το 1903. Αρκετά αργότερα, το 1910, πέτυχε να απομονώσει, με τη βοήθεια του Andre Debierne, το ράδιο σε μεταλλική κατάσταση.

Το ράδιο, ήταν τότε το μόνο από αυτά τα δύο στοιχεία που μπορούσε να απομονωθεί σε καθαρή κατάσταση, μοιάζει με το βάριο στις χημικές ιδιότητές του, και διακρίνεται από ένα πολύ χαρακτηριστικό φάσμα. Το ατομικό βάρος του καθορίστηκε ότι ήταν 226.45. 

Αλλά η πιο βασική ιδιότητα του ραδίου και των παραγώγων του είναι ότι, χωρίς καμιά επιρροή από τις περιβαλλοντικές  συνθήκες, εκπέμπει συνεχώς  μια ραδιενεργό, αεριώδη ουσία η οποία συμπυκνώνεται σε υγρό στις χαμηλές θερμοκρασίες. Αυτό το ραδιενεργό αέριο, που αργότερα ονομάστηκε ραδόνιο, ανακαλύφθηκε στα τέλη του 19ου αιώνα από τους Βρετανούς φυσικούς Ernest Rutherford και Frederick Soddy, οι οποίοι το παρατήρησαν σε συνδυασμό με το θόριο, το ακτίνιο, και το ράδιο.

Ο Pierre Curie ήταν ο πρώτος που ερεύνησε την πιθανή καταστρεπτική επίδραση των ακτινοβολιών πάνω στους ζωντανούς οργανισμούς.

Το 1911 πήρε το δεύτερο βραβείο Νόμπελ αλλά της Χημείας αυτή τη φορά, για την ανακάλυψη των στοιχείων ράδιου και πολώνιου, τον προσδιορισμό των ιδιοτήτων του ραδίου και την απομόνωση του ραδίου σε καθαρή μεταλλική κατάσταση.

Η Marie Curie μετά το 1910 ασχολήθηκε με την έρευνα των ιδιοτήτων της ραδιενέργειας μεταξύ των οποίων και τις θεραπευτικές ιδιότητες της πάνω στον καρκίνο. Επίσης ασχολήθηκε με τα μέτρα προφύλαξης που πρέπει να παίρνει κάποιος όταν έρχεται σε επαφή με τα ραδιενεργά υλικά.

Αλλά παρόλο που γνώριζε τους κινδύνους πέθανε το 1934 από καρκίνο μετά από την πολύχρονη έκθεσή της στη ραδιενέργεια.