Gdy w 1897 r. Joseph John Thomson odkrył elektron, doprowadził do kryzysu tożsamości fizyki klasycznej. To, co dotychczas uznawano za niepodzielną, fundamentalną drobinę materii, okazało się mieć wnętrze.
W 1904 r. w marcowym wydaniu czołowego wówczas czasopisma naukowego „Philosophical Magazine” Thomson ogłosił, że według niego „atomy składają się z ujemnie naładowanych cząstek otoczonych przestrzenią dodatnio naładowaną”. Thomson zakładał, że atom jest sferą o promieniu rzędu 10–10 metra, wypełnioną jednorodnie rozproszonym ładunkiem dodatnim. W tej dodatniej „galarecie” osadzone miały być ujemnie naładowane elektrony, niczym rodzynki w cieście. Łączny ładunek ujemny elektronów równoważył ładunek dodatni, zapewniając elektryczną obojętność atomu. Ten kanon obowiązywał aż do 1911 roku, a w nauce był potocznie nazywany „modelem ciasta z rodzynkami” (plum pudding model).
Prawdziwa rewolucja nadeszła jednak z Paryża. Badania Marii Skłodowskiej-Curie nad zagadkowym promieniowaniem uranu i toru, które uczona nazwała „promieniotwórczością” (radioactivité), otworzyły drzwi do zupełnie nowej dziedziny nauki. Praca polskiej noblistki dostarczyła fizykom potężnego narzędzia: czystych, wysokoaktywnych emiterów cząstek alfa, takich jak rad i polon. Bez tych precyzyjnych instrumentów Ernest Rutherford i jego współpracownicy nigdy nie zdołaliby przeniknąć gęstej zasłony elektronowej atomu i przebić się do jego atomowego serca.
Subatomowe działo
Klucz do zrozumienia struktury jądrowej leżał w naturze samego promieniowania. Maria Skłodowska-Curie, stosując pionierską metodę piezoelektryczną opracowaną przez Jacques’a i Pierre’a Curie, mierzyła stopień jonizacji powietrza wywołany przez próbki minerałów uranowych. Jej fundamentalna hipoteza głosiła, że promieniotwórczość jest właściwością atomową – procesem zachodzącym wewnątrz samej struktury pierwiastka, niezależnym od jego stanu chemicznego czy fizycznego.
Podczas żmudnej rafinacji ton blendy smolistej w skrajnie trudnych warunkach paryskiego laboratorium uczona wyizolowała dwa nowe pierwiastki: polon i rad. To właśnie rad (w postaci chlorku radu, RaCl2) stał się kluczowy dla rozwoju fizyki jądrowej. Rad charakteryzował się aktywnością właściwą miliony razy większą niż uran. Maria zauważyła, że preparaty radowe emitują ciągły strumień energii oraz trzy różne rodzaje promieniowania, które roboczo sklasyfikowano ze względu na ich zdolność penetracyjną i zachowanie w polu magnetycznym na promienie alfa, beta i gamma.
Z perspektywy fizyki jądrowej, którą dopiero budowano, Maria Skłodowska-Curie nieświadomie stworzyła najpotężniejsze na świecie źródło pocisków subatomowych. Promieniowanie alfa, charakteryzujące się najniższą przenikliwością, ale gigantyczną zdolnością jonizacyjną, stało się obiektem fascynacji Ernesta Rutherforda.
Rutherford, pracujący wówczas na Uniwersytecie McGilla w Montrealu, a później w Manchesterze, potrzebował stałego, przewidywalnego i niezwykle silnego strumienia tych cząstek. Zależność była obustronna: Maria dostarczała wiedzy chemicznej, precyzyjnie wyizolowanych próbek oraz prekursorskich miar aktywności, podczas gdy Rutherford skupiał się na fizycznej naturze samej emisji.
Ciastko z rodzynkami ląduje w koszu
Zanim cząstki alfa mogły posłużyć do sondowania wnętrza atomu, fizycy musieli precyzyjnie ustalić, czym one właściwie są. Maria Skłodowska-Curie w publikacjach wielokrotnie podkreślała, że cząstki te niosą ze sobą ogromną masę w skali subatomowej i poruszają się z zawrotnymi prędkościami. Wskazywała na fakt, że emisja cząstek alfa wiąże się z utratą masy przez sam atom radu – co było genialną obserwacją, zapowiadającą odkrycie transmutacji jądrowej. Tej transmutacji, która pozwala na przemianę jednych pierwiastków w inne, w tym metali nieszlachetnych w złoto za pomocą reakcji jądrowych.
Ernest Rutherford wraz z Thomasem Roydsem też byli ciekawi, czym jest to promieniowanie. Sprawa była dość skomplikowana, bowiem naukowcy wyszli z punktu zero, jednak dzięki serii eksperymentów udało się im dowieść, że cząstka alfa to całkowicie zjonizowane jądro helu składające się z dwóch protonów i dwóch neutronów, choć o istnieniu tych drugich naukowcy nie mieli jeszcze pojęcia. Dzięki dużej masie, prędkości sięgającej 5 procent prędkości światła i wysokiej energii były to idealne, naturalne pociski balistyczne zdolne do przebicia chmury elektronowej i uderzenia bezpośrednio w głąb struktury atomu. To otworzyło możliwość zweryfikowania teorii Thomsona i jego modelu ciastka z rodzynkami.
Czytaj więcej
Gdy wybuchła I wojna światowa, Maria Skłodowska-Curie porzuciła laboratorium. Jako pierwsza kobieta w Europie zdobyła uprawnienia kierowcy ciężarów...
Według założeń teoretycznych, gdyby cząstka alfa (o masie ponad 7000 razy większej od masy elektronu) została wystrzelona w kierunku atomu Thomsona, siły działające na cząstkę alfa wewnątrz sfery byłyby rozproszone i w dużej mierze znosiłyby się wzajemnie. Maksymalne odchylenie toru lotu cząstki alfa po przejściu przez taki atom nie powinno przekroczyć ułamka stopnia.
Hans Geiger i Ernest Marsden postanowili zweryfikować tę hipotezę eksperymentalnie. Strumień cząstek alfa ze źródła radowego Skłodowskiej-Curie został skierowany na bardzo cienką folię ze złota. Strumień alfa powinien ją pokonywać bez żadnego oporu, wykazując odchylenia mniejsze niż 1 stopień. Jednakże w przybliżeniu jedna na 8000 cząstek alfa odchylała się o kąt większy niż 90 stopni, a niektóre odbijały się niemal bezpośrednio wstecz, w kierunku źródła. Wyniki eksperymentu zszokowały świat nauki. Rutherford opisał to później porównaniem: „To było tak, jakbyś wystrzelił 15-calowy pocisk w kawałek bibułki, a on odbił się i trafił w ciebie”. Matematyczna analiza tego zjawiska doprowadziła do nieuchronnego wniosku: model Thomsona był błędny. Materia atomu musiała być zorganizowana zupełnie inaczej.
Atom składa się głównie z niczego
W 1911 r. Rutherford opublikował przełomową pracę, w której przedstawił matematyczną teorię rozpraszania i zaproponował nowy, planetarny model atomu. Aby wyjaśnić anomalne odchylenia cząstek alfa, Rutherford założył, że cały ładunek dodatni atomu oraz praktycznie cała jego masa (ponad 99,9 proc.) są skupione w niezwykle małym, centralnym punkcie przestrzeni, który nazwał jądrem atomowym.
Dzięki badaniom Rutherforda i dostępności czystych emiterów alfa od Skłodowskiej-Curie udało się oszacować rozmiary struktur subatomowych. Podczas gdy promień całego atomu wynosi około 10–10 metra (1 angstrem), promień jądra atomowego złota okazał się rzędu 10–14 metra. Oznaczało to, że atom w ponad 99,9999999999 proc. swojej objętości jest pustą przestrzenią, w której krążą znikomo lekkie elektrony, przyciągane przez centralne jądro, podobnie jak planety wokół Słońca.
Relacje między Marią Skłodowską-Curie a Ernestem Rutherfordem były unikalną synergią naukowej rywalizacji i głębokiego szacunku. Choć reprezentowali odmienne podejścia – Maria była genialnym chemikiem-analitykiem i fizykiem eksperymentalnym dbającym o czystość i standaryzację materii, a Rutherford dynamicznym teoretykiem i konstruktorem modeli fizycznych – ich prace stale się zazębiały.
Głównym polem debat na początku stulecia była kwestia źródła energii promieniotwórczej. Maria początkowo podchodziła niezwykle ostrożnie do teorii Rutherforda i Fredericka Soddy’ego dotyczącej spontanicznej transmutacji (rozpadu) pierwiastków. Jako chemiczka wychowana na zasadzie zachowania masy Lavoisiera potrzebowała niepodważalnych dowodów na to, że jeden pierwiastek może zamienić się w inny. Kiedy jednak Rutherford jednoznacznie udowodnił, że hel to cząstki alfa oraz wykazał istnienie kolejnych ogniw szeregów promieniotwórczych, Skłodowska-Curie w pełni poparła tę teorię, rozbudowując ją o precyzyjne analizy chemiczne mas atomowych produktów rozpadu.
Czytaj więcej
Droga Marii Skłodowskiej-Curie do pierwszej Nagrody Nobla nie była usłana różami. Badaczka i jej mąż Piotr nie mieli do dyspozycji zaawansowanych u...
Kolejna debata dotyczyła standaryzacji pomiarów. Wraz z rozwojem fizyki jądrowej na świecie wyniki uzyskiwane w różnych laboratoriach były niespójne ze względu na brak jednolitego wzorca aktywności promieniotwórczej. Na Kongresie Radiologicznym w Brukseli w 1910 r. powołano komitet, w skład którego wchodziła zarówno Curie, jak i Rutherford. Badaczce powierzono przygotowanie Międzynarodowego Wzorca Radu. Przygotowała z najwyższą chemiczną precyzją ampułkę zawierającą 21,99 mg czystego, bezwodnego chlorku radu. Wzorzec ten zdeponowano w Biurze Miar i Wag w Sèvres pod Paryżem. Rutherford wielokrotnie podkreślał, że bez rygorystycznej dokładności Skłodowskiej-Curie ilościowa fizyka jądrowa nie mogłaby istnieć.
Fundamentalny sojusz fizyki z chemią
Wkład Marii Skłodowskiej-Curie w fizykę jądrową wykracza daleko poza odkrycie radu i polonu. To ona sformułowała paradygmat, że fizyka jądrowa wymaga ścisłego sojuszu z chemią (radiochemia). Jej laboratoria wyszkoliły całe pokolenia naukowców, którzy kontynuowali rozbijanie i badanie jądra atomowego.
W 1932 r. James Chadwick – uczeń Rutherforda – odkrył neutron. Odkrycie to zamknęło strukturę jądra atomowego, definiując je jako układ nukleonów: protonów i neutronów, powiązanych silnymi oddziaływaniami jądrowymi. Niedługo później, w 1934 r., córka Marii, Irena Joliot-Curie, oraz zięć Frédéric odkryli sztuczną promieniotwórczość. Udowodnili, że stabilne jądra atomowe można przekształcić w niestabilne izotopy promieniotwórcze. Było to bezpośrednie przedłużenie marzenia noblistki o pełnej kontroli nad materią na poziomie jądrowym.
Bez prac polskiej noblistki fizyka jądrowa XX wieku byłaby opóźniona o dekady. Jej upór w izolacji czystych pierwiastków promieniotwórczych stworzył narzędzia zdolne do zakwestionowania dziewiętnastowiecznego mitu o niepodzielnym atomie. Współpraca i debaty tych dwóch gigantów nauki ukształtowały nowoczesne rozumienie materii i wprowadziły ludzkość do ery atomowej.
