В своих исследованиях для подготовки докторской диссертации Мари ушла от магнетизма, выбрав вместо него поразительную новую энергию, излучаемую ураном. Так называемые «урановые лучи» были открыты в начале 1896 года видным парижским физиком Анри Беккерелем, профессором Le Muséum d’Histoire Naturelle – Музея естественной истории. Открытие Беккереля до этого момента не привлекало особого внимания других физиков, поскольку его урановые лучи бледнели в сравнении с предыдущим открытием, «Х-лучами», обнаруженными Вильгельмом Рентгеном из Баварии в конце 1895 года, которые могли пронизывать человеческую плоть, делая видимыми кости и органы.
Сравнительная непопулярность урановых лучей у ученых делала их тем более привлекательными в качестве темы диссертации для такого новичка как Мари. В то время как об Х-лучах было опубликовано уже более тысячи научных работ, в теме урановых лучей Беккереля у нее практически не было конкурентов. Более того, она могла проводить задуманные измерения с помощью инструментов, изобретенных ее мужем и его братом.
Беккерель обнаружил урановые лучи по чистой случайности: искал одно, а нашел другое. Он предположил, что солнечный свет может вызывать появление недавно открытых Х-лучей в некоторых природных материалах, и задумал эксперимент, чтобы отделить эффекты видимого света от эффектов невидимого Х-излучения. Вначале он обернул фотографическую пластину двумя слоями плотной черной бумаги. На это основание он поместил образец урановой соли, носившей название уранилсульфата калия – кристаллического сложного вещества со способностью флуоресцировать (то есть поглощать свет и испускать в ответ собственное свечение). Беккерель планировал в ясный день выставить завернутую в бумагу пластину и лежавшие на ней кристаллы соли под солнечный свет. Кристаллы стали бы светиться, и если бы это свечение содержало Х-лучи, то оно проникло бы сквозь черную бумагу – чего видимый свет сделать не мог – и оставило изображение кристаллов на фотографической пластине.
Случилось так, что погода в феврале выдалась ненастная, и отсутствие солнца вынудило Беккереля хранить завернутую пластину и флуоресцентный материал в ящике стола, дожидаясь, пока небо расчистится. Несколько дней спустя небо оставалось все таким же пасмурным, и он вынул материалы из ящика и, вероятно, раздосадованный, проявил пластину, так и не проведя запланированный эксперимент. К его удивлению, на пластине проявилось неясное изображение, созданное кристаллами, лежавшими вместе с ней в ящике. Там, в темноте, без всякой помощи солнца или любого иного источника света, урановая соль каким-то образом передала лучевой сигнал сквозь черную обертку фотографической эмульсии.
Последующие эксперименты убедили Беккереля, что любая урансодержащая субстанция из имевшихся в коллекции музея способна творить то же самое волшебство. Урановые лучи проникали не только сквозь черную бумагу, но и почти с такой же легкостью проходили через покровы из фанеры, алюминия, меди и платины. Что еще страннее, этот эффект не ослабевал с течением времени. Месяц за месяцем урановые материалы сохраняли свою способность испускать урановые лучи.
Беккерель провел с урановыми лучами несколько других экспериментов, прежде чем оставить эту тему. Он знал, что несколько исследователей в Европе показали, что Х-лучи способны нейтрализовать электрический заряд – «разряжать» любые наэлектризованные тела на своем пути. Например, стеклянный стержень, наэлектризованный трением о ткань, терял свой заряд в присутствии Х-лучей. Беккерель обнаружил, что урановые лучи точно так же способны разряжать электрический заряд, хоть и не мог объяснить этого эффекта.
На долю физика Дж. Дж. Томсона из Кавендишской лаборатории в Англии выпало объединить в 1897 году эти открытия в новую теорию атома. По Томсону, атом был в целом электрически нейтральным, состоящим из субатомных частиц равного, но противоположного заряда, которые он назвал «ионами». Х-лучи или урановые лучи, проходящие сквозь воздух, расщепляли индивидуальные атомы атмосферных газов, отделяя положительно заряженные ионы от отрицательно заряженных. «Ионизированный» таким образом или расчлененный на ионные пары воздух становился проводником электричества, через который и утекал заряд.
Мадам Кюри увидела в ионизации способ определить количество урановых лучей, испускаемых различными веществами, путем измерения электрической проводимости, которую они создавали в окружавшем их воздухе.
По просьбе Пьера директор его школы выделил Мари небольшую кладовую на первом этаже для использования в качестве лаборатории. Это помещение было сырым и неотапливаемым, но оно целиком было в ее распоряжении. Первые шесть недель она провела в этом личном закутке, устанавливая, испытывая и отлаживая свой экспериментальный аппарат. Он состоял из ряда связанных устройств, как самодельных, так и промышленного производства.
На одном конце верстака она разместила небольшую ионизационную камеру, которую они с Пьером сколотили из досок от ящиков из-под овощей. Внутри этой камеры она установила два металлических диска, каждый по восемь сантиметров диаметром, один над другим, так что их разделяло расстояние всего в три сантиметра. Нижний диск она присоединила к батарее на 100 вольт, а верхний – к электрометру, который измерял электрический ток в единицах, названных в честь французского физика Андре-Мари Ампера. Пьезоэлектрический кварц Кюри стоял рядом на треноге и также был подключен к электрометру. Как показали Пьер и Жак в своей революционной работе по пьезоэлектричеству, электрический ток можно было индуцировать в длинном узком кристалле кварца в ответ на давление, например при растяжении.
Чтобы производить замеры, Мари посыпала тонким слоем измельченного в порошок материала, содержавшего уран, нижний диск в ионизационной камере и щелкнула рычажком, замыкавшим цепь между диском и батареей. Когда урановые лучи ионизировали воздух между дисками, возникло движение тока от заряженной нижней пластины к верхней, и в этот момент электрометр отреагировал: его стрелка дрогнула и отклонилась от нуля. Тогда Мари опустила крохотную гирьку на чашу весов, подвешенных к пьезоэлектрическому кристаллу, таким образом растягивая его и заставляя генерировать противоположный по заряду ток, который оттянул стрелку обратно к нулю. Ей нужно было не отрывать взгляда от показаний приборов и одновременно держать правую руку с пригоршней гирек над чашей весов. Когда ток достиг пикового значения, или точки насыщения, а кристалл был нагружен достаточным весом, чтобы его компенсировать, она щелкнула секундомером в левой руке. Чем больше была активность образца, тем быстрее ток в камере достигал точки насыщения. Позже она смогла рассчитать силу тока в миллионных долях ампера по соответствующему ему весу в граммах.
Мари многократно отрабатывала эти процедурные этапы, чтобы добиться плавной координации между синхронизацией и уравновешиванием, но мало что могла сделать для стабилизации условий в своей импровизированной лаборатории. 6 февраля 1898 года она отметила температуру воздуха в каморке, близкую к точке замерзания – всего +6,25 по Цельсию! – которую выделила в лабораторном блокноте десятью восклицательными знаками. Холод и сырость почти так же сильно влияли на инструменты, как и на нее саму, но все же вскоре она определила активность чистого урана как сравнительную основу для всех своих прочих оценок. Терпеливое тестирование доказало, что различные сложные соединения урана производили урановые лучи прямо пропорционально количеству содержавшегося в них урана. Активность урановых лучей не исчезала и даже не ослабевала, когда уран химически соединялся с другими элементами. Не изменялась активность ее образцов, и когда она нагревала их до высоких температур, или выставляла их на яркий свет, или бомбардировала Х-лучами. Ничто не влияло на излучающую силу урана. На основе этих наблюдений она пришла к выводу, что излучение урановых лучей должно быть неотъемлемым атомным свойством урана, таким же постоянным и определяющим, как его атомный вес.
Однако поведение урана противоречило большинству фундаментальных физических принципов. Основные «законы» физики утверждали, что энергию нельзя ни создать, ни уничтожить, она может только меняться при переходе из одной формы в другую. Какая же форма энергии существовала внутри атома урана, чтобы генерировать урановые лучи? Была ли эта способность свойственна только одному урану? Чтобы выяснить это, Мари начала тестировать другие материалы. Золото и медь, отметила она, не продемонстрировали «никаких лучей».
Дома она с такой же скрупулезностью продолжала заносить в дневник этапы развития Ирен. В феврале того года, например, пятимесячная девочка, которая уже умела «менять свое положение на кровати путем переворачивания» и «держать в ручке предметы», внезапно стала «бояться незнакомых людей и непривычных предметов, громких голосов и т. д.».
Перебрав все образцы, имевшиеся в ее распоряжении в школе, Мари стала брать взаймы другие у коллег-ученых. Богатая ураном руда, известная как смоляная обманка или урановая смолка, заставила ее насторожиться, когда показала бо2льшую активность, чем чистый уран. Этот странный результат заставил ее повторить ряд предыдущих измерений. Другие урансодержащие сложные соединения последовательно демонстрировали меньшую активность, чем чистый уран. Но смоляная обманка снова и снова – в полном противоречии с ее ожиданиями – испускала больше излучения, чем могло объяснить содержание в ней урана.
Пытаясь найти объяснение этим результатам, Мари продолжила тестировать другие материалы. И вскоре обнаружила, что элемент торий, другой тяжелый металл, подобный урану, испускал такого же рода спонтанное излучение. Это означало, что уран – не единственный источник урановых лучей. И теперь она подозревала, что смоляная обманка обязана своей поразительно высокой активностью какому-то пока неизвестному элементу, скрытому среди ее составляющих.
Пьер отложил свои эксперименты по выращиванию кристаллов, чтобы объединить усилия с Мари в многообещающем новом направлении, которое приняли ее исследования. Вместе они заполнили оставшиеся страницы общего дневника цифрами и перечнями, подводившими итоги ее открытий, и диаграммами, сравнивавшими плотность и состав всех урансодержащих и торийсодержащих сложных соединений. В середине марта 1898 года они завели новый лабораторный дневник для регистрации хода совместных поисков активного компонента смоляной обманки. 31 марта в домашнем дневнике Мари записала, что у Ирен прорезался первый зубик.
Работа, которую Мари выполнила к этому моменту, заслуживала доклада во французской Академии наук, авторитетном и влиятельном научном обществе, к которому принадлежал и Анри Беккерель. Мари не могла выступить с докладом сама, поскольку не принадлежала к Академии. Еще ни одна женщина в истории не была избрана ее членом. Пьер тоже не имел высокого статуса академика. Мари обратилась за помощью к своему бывшему профессору, Габриэлю Липпману, который зачитал ее работу «Лучи, испускаемые сложными соединениями урана и тория» на заседании 12 апреля.
Самые поразительные замечания в докладе мадам Кюри касались минеральной смоляной обманки. Она изучила три образца этой черноватой руды, два из шахт в восточной Европе и один из Корнуолла в Англии. Все они показали разную степень активности, причем один из них втрое, а другой – вчетверо большей по сравнению с ураном. «Этот факт весьма примечателен, – утверждала она, – и позволяет уверенно предположить, что эти минералы могут содержать элемент намного более активный, чем уран».
Теперь ей оставалось только найти его.
Извлеченный из земли кусок черновато-бурой смоляной обманки имел тусклый цвет и был маслянистым на вид, напоминая вспученную смолу. Эту руду добывали ради ее главного компонента – оксида урана, который находил широкое коммерческое применение как пигмент для окрашивания стекла и керамики в зеленовато-желтый оттенок. К тому времени как Мари Кюри заинтересовалась смоляной обманкой, методы извлечения оксида урана были хорошо известны и давно применялись в промышленности. Но она искала в ней элемент в следовых количествах, составлявший, вероятно, не более 1 процента от общего веса руды. Она наткнулась на это неизвестное вещество в своей импровизированной лаборатории, используя новые методы, которые не входили в традиционный набор инструментов химика или старателя. В сущности, единственным известным свойством ее предполагаемого нового элемента была активная эмиссия урановых лучей.
Ни Пьер, ни Мари, будучи физиками, не обладали знаниями и опытом, чтобы разложить смоляную обманку на ее химические компоненты и выявить неизвестный источник радиации, который она содержала. Однако то, чего им не хватало в знаниях, они с лихвой компенсировали энтузиазмом и советами коллег. Они приобрели стограммовый кусок смоляной обманки, растерли его в порошок и принялись атаковать кислотами, чтобы разложить на составляющие.
На каждой стадии своего химического анализа супруги Кюри проверяли полученные результаты на урановые лучи. Так, после первоначального взаимодействия образца с кислотой они обработали раствор сероводородом – бесцветным газом, пахнущим тухлыми яйцами; уран и торий остались в растворе, но остальные вещества реагировали с серой и выпали на дно мензурки в виде твердого осадка, который оказался очень активным. Он содержал знакомые элементы – свинец, висмут, медь, мышьяк и сурьму, узнаваемые по их поведению в реакциях, – и (предположительно) тот самый таинственный элемент, поскольку все известные Мари уже протестировала, и ни один из них не мог быть ответствен за электрические эффекты, которые полученный осадок создавал в ионизационной камере.
Далее они растворили этот осадок в сульфиде аммония, и на этот раз мышьяк и сурьма остались в растворе, в то время как в осадок выпало все остальное. Продолжая повторять эти этапы с разными реагентами, они, наконец, получили небольшое количество осадка, который химически вел себя как висмут – беловатый металл, похожий на свинец, – за исключением того, что испускал искомые лучи. Он был в четыреста раз активнее чистого урана.
Анри Беккерель, который внимательно слушал чтение апрельского доклада Мари, той весной несколько раз посещал супругов Кюри в лаборатории в промышленной школе. В июле, когда они были готовы опубликовать следующий результат своего исследования, он сам представил его в Академии.
Мари взяла в привычку называть урановые лучи более общим термином – «лучи Беккереля» – после того как обнаружила способность испускать их у тория. Теперь же она представила совершенно оригинальный термин для обозначения способности некоторых тяжелых элементов, таких как уран и торий, к излучению: слово «радиоактивный» впервые фигурирует в заглавии доклада, составленного ею совместно с Пьером, – «О новом радиоактивном веществе, содержащемся в смоляной обманке», – который Беккерель зачитал перед собравшимися академиками 18 июля 1989 года.
Супруги Кюри признали, что пока еще никакими средствами не смогли отделить свое новое радиоактивное вещество от висмута. Тем не менее они были так уверены в существовании этого элемента, что уже дали ему название: «Мы предлагаем назвать его полонием в честь страны происхождения одного из нас».
Мари послала почтой копию отчета о своем открытии кузену Юзефу Богускому в Музей промышленности и сельского хозяйства, который позаботился о его немедленной публикации в ежемесячном варшавском журнале. В то же время она получила денежную премию в почти 4 000 франков от Академии наук, которая существенно пополнила исследовательский фонд Кюри. Хотя Мари присудили премию Гегнера[10] в знак признания ее работы по намагниченной стали и недавнего исследования урановых лучей, весть об этой почести дошла до нее косвенным путем, из письма, адресованного Пьеру. «Я самым искренним образом поздравляю вас, – говорилось в письме от чиновника Академии, – и прошу вас передать мои почтительные комплименты вашей жене». Даже в удостоверении о награде, хотя в верхней его части было написано от руки «мадам Кюри», оба награждаемых были обозначены как «месье».
Супруги Кюри провели летние каникулы 1898 года в маленьком домике, который сняли в регионе Овернь в южно-центральной Франции. Оттуда, из деревушки Ору, они совершали поездки на велосипедах по окрестным городкам, изучали горы и гроты, густо усеивавшие этот вулканический ландшафт, и знакомили Ирен с радостями купания голышом. «Последние три дня мы купали ее в реке», – отмечала Мари в своем личном дневнике 15 августа.
Вернувшись в Париж, они заказали новую партию дорогой смоляной обманки из Санкт-Йоахимстальской шахты в Богемии. Смоляная обманка показала себя настолько богатой смесью материалов, что заслуживала дальнейшего анализа. Химик из школы Пьера, Гюстав Бемон, помогал супругам систематически разлагать на составляющие вторую порцию смоляной обманки, что привело к открытию второго нового радиоактивного элемента. Как полоний обладал сходством с висмутом – обнаруживая свою индивидуальность одной только радиоактивностью, – так и вторая находка Кюри была близка по свойствам к барию. А Мари уже доказала своими опытами, что чистый барий не показывал ни малейшего намека на радиоактивность.
И вновь свойство радиоактивности указало на присутствие не обнаружимого иными способами элемента.
Прежде чем объявить о своем результате публично, супруги Кюри стали искать подтверждающего свидетельства с помощью спектроскопии. Метод спектрального анализа, разработанный в 1860-е годы, дал химикам возможность определять элементы по цвету света, который они испускали при нагревании до раскаленного состояния. Каждый элемент объявлял о своем присутствии волнами света разной длины, создавая рисунок такой же неповторимый, как отпечаток пальца. Несколько элементов, обнаруженных посредством спектроскопии, носили имена цветов, которые помогли их обнаружить, например цезий (небесно-голубой), рубидий (рубиново-красный) и таллий (от греческого слова, обозначавшего молодой зеленый побег). Кюри уже однажды предложили исследовать свою микроскопическую дозу полония известному спектроскописту Эжену Демарсе, который, к сожалению, не смог обнаружить в этом образце никаких спектральных линий помимо тех, что указывали на присутствие висмута. Теперь они снова обратились к Демарсе, преисполненные надежд, и на этот раз он выявил линию в почти ультрафиолетовом спектре, не принадлежавшую ни одному из известных элементов. Что еще лучше, яркость этой линии росла или уменьшалась в соответствии с уровнем радиоактивности каждого из нескольких образцов, которые были переданы ему для изучения.
Этот новый элемент практически сам дал себе название – не по цвету, а скорее по выдающейся степени радиоактивности, которая превосходила радиоактивность урана в тысячу раз. Супруги Кюри и их соратник Бемон полагали, что разница может быть даже больше, но у них закончилась вся смоляная обманка, и они не могли продолжить исследование, не пополнив запас. На следующий день после Рождества 1989 года Анри Беккерель проинформировал Академию наук об открытии «радия».
Хотя Беккерель в полной разделял радостное возбуждение супругов Кюри, новость о новом элементе почти не вызвала реакции за пределами небольшого сообщества физиков.
Внутри семейного круга Мари за пять месяцев, прошедших между заявлениями о полонии и радии, произошли важные изменения: Мари лишилась постоянного общества своей сестры Брони. Осенью 1898 года супруги Длуские переехали в Закопане, городок в австрийской части Польши в Татрах, чтобы создать там современный туберкулезный санаторий.
«Ты не можешь даже вообразить, какую пустоту оставила в моей жизни, – жаловалась Мари Броне в начале декабря. – С вами двумя я утратила все, за что держалась в Париже, за исключением мужа и ребенка. Мне кажется, что, если не считать нашей квартиры и школы, в которой мы работаем, Парижа больше не существует».
Продолжая упорно трудиться в лаборатории, а на досуге поспешая за проворной малышкой-дочерью, которая уже научилась ходить без поддержки, через несколько месяцев она писала Броне в более спокойном тоне: «Я ужасно скучаю по моей семье, прежде всего по вам, мои дорогие, и по отцу. Часто с печалью думаю о своей оторванности от вас. Ни на что другое я пожаловаться не могу, ибо здоровье наше вполне неплохо, ребенок растет хорошо, и у меня есть самый лучший муж, о каком только можно мечтать; я и представить себе не могла, что найду подобного ему. Он – истинный дар небес, и чем дольше мы живем вместе, тем больше любим друг друга».