Самый сокровенный секрет материи. Мария Кюри. Радиоактивность и элементы

* * * 

Позже было доказано, что уран, торий и радий принадлежат к одной и той же семье, так что все они присутствовали в настуране.

В нижней части таблицы Резерфорда и Содди есть указание на другое большое открытие, которое исследователи опубликовали в том же году, — закон радиоактивного распада. Оба ученых установили, что число радиоактивных атомов, которые распадаются за единицу времени, пропорционально общему числу атомов элемента, поэтому убывание следует экспоненциальному закону. В химии это называется кинетикой первого порядка, при которой скорость реакции пропорциональна концентрации реактивов в степени 1, что означает соответствие одномолекулярным процессам. В них концентрация реактивов подвержена экспоненциальному убыванию:

N(t) = N₀e^—t

где N₀ — число атомов (точнее, их ядер, называемых радиоядрами) в начальный момент, t = 0; N(t) — число атомов в момент t; и — постоянная радиоактивного распада, то есть вероятность распада радиоактивного элемента на единицу времени. Эта постоянная характерна для каждого радиоактивного элемента и говорит о его стабильности. На ее основе был определен период полураспада, lb_1/2, то есть время, необходимое для распада половины атомов образца данного элемента. Если

N = N₀/2 -> t = t_1/2,

то t_1/2 = ln 2/.

Чем больше значение , тем больше вероятность распада и тем меньше период полураспада. В конце каждого периода активность (число полураспадов на единицу времени) образца сокращается до половины изначальной активности, поскольку последняя пропорциональна числу ядер, имеющихся в каждый момент. Каждое ядро имеет свой период полураспада, обычно характерный только для него. В таблицу включены периоды первых ядер, с которыми работала Мария.

Таким образом, значения t_1/2 могли варьироваться от долей секунды до миллионов лет, и никакие обстоятельства не могли их изменить. При первой оценке было определено, что этот период для радия равен 1300 годам, а для полония — чуть больше 143 дней. Оба значения были затем исправлены, окончательные данные — 1600 лет и 138 дней. В таблице, составленной Резерфордом и Содди, исследователи разделили вещества одной из радиоактивных семей на группы: с одной стороны были радий и эманация, с другой — три вещества, которые являлись радиоактивными отложениями быстрого изменения (их периоды полураспада измеряются в минутах), в третью группу они включили другие три вещества так называемого медленного изменения (их период полураспада мог достигать нескольких дней или лет).

Итак, t_1/2 превратилось в один из главных инструментов для определения радиоактивного элемента, или радиоэлемента. Этот закон породил множество применений в таких областях, как археология (здесь стоит вспомнить метод датирования объектов с помощью определения концентрации ¹⁴С) или геология, где открытие позволило точно определить возраст Земли.

Радиоядро/изотоп

Период полураспада

Излучение

Уран-238

4468 миллионов лет

Радий-226

1600 лет

Полоний-210

138,38 дня

Эманация радия = радон-222

3,82 дня

Эманация тория торон = радон-220

55,6 секунды

КЮРИТЕРАПИЯ

Рентгеновские лучи начали применяться в медицине через несколько месяцев после их открытия. Сначала их использовали в диагностике по рентгеновским снимкам, аналогичным снимкам руки жены Рентгена, а через некоторое время — в терапии. Поскольку радиоактивность по своим свойствам была схожа с рентгеновскими лучами, Пьер подумал, что она может воздействовать на человеческий организм. В 1900 году немецкий дантист Отто Валькхоф заметил, что если приложить ткань, пропитанную раствором радия, к коже два раза на 20 минут, появляется воспаление, длящееся две недели. С другой стороны, немецкий химик Фридрих Оскар Гизель, работавший на компанию «Бюхлер» (которая получала радий, следуя методу Марии), заметил, что если приставить закрытый глаз к закрытой коробке, содержащей соли радия, на сетчатке виден свет. Также он держал 270 мг соли радия в руке в течение двух часов, и у него появились ожоги, которые заживали две недели. О Гизеле его соотечественники Гейтель и Эльстер говорили, что у него самое радиоактивное тело, которое только можно найти: одно его присутствие в лаборатории приводило к разряду электроскопов!

Зная об этих результатах, в начале 1901 года Пьер изучал на себе действие радия, описанное Валькхофом. Сегодня мы признали бы этот эксперимент самоубийством, но тогда он, видимо, считался нормальным. Исследователь прикрепил кусок гуттаперчи, пропитанной солями радия, к коже руки и держал повязку десять часов. Когда он снял ее, кожа начала краснеть и краснела все больше в течение нескольких дней, поражение приобретало вид ожога, хотя ученый не чувствовал боли. Ткань почернела, на руке появилась рана, которую пришлось перевязать и которая заживала более двух месяцев. У Анри Беккереля возникла похожая рана от запечатанной трубки с солью радия, которую ему дал Пьер для использования на лекции и которую он носил в кармане пиджака. Закончив лекцию, он пошел рассказать чете Кюри об ожоге, одновременно гордый и сердитый. Анри Беккерель и Пьер Кюри 9 июня 1901 года послали во Французскую академию наук совместную заметку, в которой описали действие радия на кожу.

Эта работа, которая была необычной для Пьера, сразу же привлекла внимание врачей. Первым человеком, предложившим его и Марию в качестве кандидатов на Нобелевскую премию, был врач-патолог Шарль-Жозеф Бушар. Хотя он не имел абсолютно никакого отношения к предмету их исследования, особенно в случае Марии, которая ничего не публиковала в этой области, именно медицинское применение радия принесло их работе публичную известность. Так, в триумфальной поездке Марии в США в 1921 году исследовательницу встретили как «целительницу рака».

Незадолго до опытов на себе самом, в 1900 году, Пьер послал врачу Анри Доло в больницу Сен-Луи в Париже очень активные образцы радия, чтобы тот осуществил первые терапевтические пробы его воздействия на различные кожные заболевания. Сначала образцы попробовали на волчанке, затем — на некоторых видах рака кожи. За этими пробами в Париже последовали другие, которые в течение пяти-шести первых лет XX века были проведены в главных европейских и американских больницах: в Германии, Санкт-Петербурге, Лондоне и Чикаго. Иногда лечение было поверхностным; иногда, как в случае с раком матки, шейки матки, пищевода или прямой кишки, вводились ампулы, содержащие радий. Однако, поскольку радий был дорогим и дефицитным, часто ампулы, содержащие соли радия, заменяли другими ампулами, содержащими эманацию. Это было начало терапии, основанной на радиоактивности, сегодня мы знаем ее как радиотерапию, а во Франции, по имени первооткрывателя, ее долгое время называли кюритерапией.

Чтобы развить метод, кроме исследований на пациентах, которые в первые десятилетия XX века стали все более эффективными, потребовались две технические разработки. С самого начала была ясна важность установления контроля над дозами, которые получал пациент, и в качестве первого шага для количественной оценки таких доз было необходимо создать модель излучения. Этой задачей занималась Мария в последние годы своей карьеры. Другой разработкой, которая чрезвычайно продвинула развитие радиотерапии, было открытие искусственной радиоактивности, что сделала Ирен, дочь Марии, вместе со своим мужем Фредериком Жолио-Кюри. Она позволила заменить опасный радий искусственно полученными радиоактивными атомами, такими как кобальт-60.

Удивительно, но тот факт, что лучи настолько агрессивны по отношению к раковым клеткам, не вызвал у первых экспериментаторов мысли о том, что они могут повредить здоровым клеткам. Однако Пьер, должно быть, все-таки задумался об этом риске, поскольку через некоторое время после начала экспериментов по радиотерапии начал ставить опыты на лабораторных мышах и морских свинках. Он выяснил, что животные умирают через некоторое время после имплантации рядом с костным мозгом ампул с солями радия. Гибли они и от вдыхания эманации. Результаты этих исследований Пьер собрал в своей последней работе, которую опубликовал перед смертью. После него никто эти исследования не продолжал, поскольку Мария была настолько уверена в том, что радий оказывает только положительный эффект, такой как лечение рака, что даже не выясняла, может ли он вызывать другие заболевания.