ИРВИНГ ЛЕНГМЮР

(1881–1957)

«В течение своей долгой карьеры Ленгмюр никогда не брался специально за исследования, преследуя прямую практическую цель, – пишет М. Уилсон. – Все эти полезные результаты были просто побочными продуктами изучения основных загадок природы. Ленгмюра часто спрашивали, почему он начал то или другое исследование, и он неизменно отвечал: «Наверное, потому что я очень любопытен». Когда же его спрашивали, почему он продолжал работать в этом направлении, он отвечал: «Меня это забавляет»».

Ирвинг Ленгмюр родился 31 января 1881 года в Бруклине (Нью‑Йорк). Он был третьим ребенком в семье Чарлза и Сэйди (Каминг) Ленгмюр. Отец его, шотландец по происхождению, работал страховым агентом.

Мальчик подрос и его поместили в одну из местных начальных школ. Когда Ирвингу исполнилось одиннадцать лет, семья переехала в Париж, где он обучался в небольшом пансионе на окраине французской столицы.

Мальчик отличался способностями и с огромной энергией отдавался любому интересующему его делу. Если он не теребил своего обожаемого старшего брата Артура расспросами о химии, то старался вбить в голову младшего братишки все, что он узнал об электричестве. Его мать однажды сказала: «Ребенок приходит в такой энтузиазм, что не помнит себя: просто страшно, как много он знает!»

Когда Артур получил степень доктора, причин оставаться в Европе не осталось и Ленгмюры вернулись в США. Учебу Ирвинг продолжил в Академии Честнат‑Хилл в Филадельфии. Здесь самостоятельно в течение шести недель он изучил книгу о дифференциальном и интегральном исчислении. В четырнадцать лет Ирвинг поступил в институт Пратта в Бруклине, а когда ему исполнилось семнадцать, стал студентом Колумбийской горной школы. В 1906 году он получил диплом доктора физики в Геттингене. Институт Стивенса в Хобокене пригласил его преподавать химию.

По истечении третьего года работы в институте Ленгмюру пришла мысль вместо обычного отдыха в горах провести лето в новых лабораториях «Дженерал электрик» в Скенектеди. Так начался новый этап в его жизни, до самого ее конца связанный с «Дженерал электрик».

Директора этой фирмы А.Г. Дэвис и Е.В. Раис решили, что компания сама должна внести свой вклад в фундаментальные науки. Необходимо было создать новый тип лабораторий. С этой целью в качестве директора был приглашен профессор Массачусетсского технологического института В.Р. Уитни.

Когда в 1909 году Ленгмюр впервые приехал в Скенектеди, он имел весьма смутное представление о том, что ему там предстоит делать. «Когда я стал работать в лаборатории, – писал ученый позднее, – я обнаружил, что там гораздо больше «академической свободы», нежели в любом университете».

«Когда я впервые пришел в «Дженерал электрик» в 1909 году, – продолжил ученый, – большая часть сотрудников лаборатории была поглощена работой над выплавкой вольфрамовой нити».

Поскольку докторская диссертация Ленгмюра была посвящена газам. Он высказал предположение, что одной из причин неудач с вольфрамовой нитью является чрезмерное количество газа, остававшееся в металле при ее изготовлении. Он заявил Уитни, что ему бы хотелось заняться именно этой проблемой.

«Среди инженеров‑электриков существовало мнение, что, если бы можно было повысить вакуум в лампе, лампа стала бы работать значительно лучше… Однако я не знал, как добиться большего разрежения, и вместо этого предложил изучить отрицательное действие газа, наполняя газами лампу. Я надеялся, что таким образом настолько хорошо изучу воздействие газа, что смогу экстраполировать до нулевого давления газа и тем самым предсказать, не ставя на самом деле эксперимента, насколько улучшится работа лампы при идеальном вакууме».

После трех лет работы Ленгмюр, наконец, смог утверждать, что вольфрамовая нить имеет тенденцию испускать электроны в количестве, зависящем только от ее температуры и не зависящем от количества газа в лампе. Следовательно, идея идеального вакуума для идеальной лампы неверна. Так, в конце концов, Ленгмюр пошел наперекор всем установившимся представлениям. Он наполнил лампу азотом.

Исходя из результатов того же исследования действия газов на раскаленную нить, Ленгмюр смог предсказать, что триоды де Фореста будут работать с неслыханной чувствительностью, если удастся создать в них вакуум, который, как когда‑то полагали инженеры, был необходим для обычных осветительных ламп.

Наиболее важный результат исследования Ленгмюром нити накаливания появился на свет случайно. Испытывая способность вольфрамовых нитей испускать электроны, он случайно взял нить, изготовленную для какой‑то особой цели. В испытательном аппарате ученого эта нить начала испускать электроны в дотоле невиданном количестве. Оказалось, что эта вольфрамовая нить была пропитана окисью тория. Когда Ирвинг продолжил наблюдение, он обнаружил, что нить действует лучше всего, если она покрыта слоем тория не толще, чем в одну молекулу.

«Я начал работать в лаборатории «Дженерал электрик» в 1909 году над явлением высокого вакуума в лампах с вольфрамовой нитью и стал вводить в баллон лампы различные газы, чтобы увидеть, что произойдет, просто ради удовлетворения своего любопытства. Я наполнил баллон азотом, водородом и кислородом и разогрел нить накаливания до 3000° по Цельсию.

Произошло нечто весьма удивительное. Прежде всего, кислород образовал пленку на поверхности нити. Пленка эта была такой прочной, что могла бы выдержать даже нагревание до 1500° по Цельсию в течение нескольких лет, и ее нельзя было восстановить водородом. Я наткнулся еще на несколько подобных явлений. Я обнаружил, что молекулярный слой окиси тория на вольфраме может увеличить эмиссию электронов из вольфрамовой нити в вакууме в 100 тысяч раз».

Капля маслянистого вещества, помещенная на поверхности жидкости, может вести себя двояко: сохраниться как компактный шарик или разлиться по поверхности в чрезвычайно тонкую пленку. Ленгмюр впервые высказал идею о том, что такая пленка будет распространяться по поверхности жидкости, пока не достигнет толщины в одну молекулу. Сила сцепления молекул не позволит пленке растекаться дальше этого предела.

«Прибором ему служил таз с водой, – пишет М. Уилсон. – На поверхности воды плавал легкий стержень. Когда образовывалась маслянистая пленка, Ленгмюр перемещал стержень боком, сжимая пленку. Динамометр – прибор для измерения силы – показывал ему, какая сила требовалась, чтобы сжать пленку. Даже самое ничтожное усилие можно было измерить. При передвижении стерженька Ленгмюр обнаружил, что до определенного предела площадь маслянистой пленки уменьшается почти без приложения силы. Однако при сокращении площади наступал момент, когда пленка оказывала существенное сопротивление. Динамометр регистрировал резкое возрастание силы.

Первые опыты Ленгмюр ставил с органическими кислотами – длинными углеводородными молекулами, представлявшими собой цепи от 14 до 34 атомов углерода в каждой. Больше всего Ленгмюра поразило то, что критическое усилие было одним и тем же для всех кислот – длина молекул не играла роли!»

Ленгмюр рассуждал следующим образом:

«Для наглядности представьте молекулу, являющуюся длинным углеводородом с атомами углерода в ней и с группой на конце, имеющей сродство к воде. Концевые группы стремятся погрузиться в воду. Если же у вас есть чистый углеводород без этих групп… он образует маленькие шарики на поверхности воды.

Я думаю о молекулах на воде как о реальных предметах. Видите ли, в тот момент, когда вы пытаетесь представить их себе, как представляет химик‑органик, вы думаете о них как о чем‑то, имеющем форму, длину, объем. Не следует рассматривать эти углеводородные цепи как твердые негнущиеся цепочки. Их надо представлять себе, как куски обычной железной якорной цепи… Молекула… может принимать различные формы, в которых атомы углерода всегда расположены в одну линию. Поэтому, когда вы сжимаете пленку… цепи приобретают вертикальное положение.

Тогда молекулы займут минимальную площадь; и когда молекулы сжаты вместе и растянуты до максимальной длины, измерение этой площади дает возможность высчитать их поперечное сечение.

Что же происходит затем? Ну, прежде всего, когда вы увеличиваете длину цепи, покрывая воду пленкой, составленной из молекул, имеющих более длинную углеводородную цепь, это не изменяет площади пленки, но изменяет ее толщину. Объем, поделенный на площадь, равен толщине, так что можно высчитать толщину».

Однако толщина пленки в этом случае равна длине одной молекулы. «Общая площадь, поделенная на количество молекул, равна площади, занимаемой каждой молекулой», – заявил Ленгмюр.

Подобные измерения, начатые в 1917 году, позволили Ленгмюру точно определить размеры многих молекул и дали новые сведения о группировке молекул в сложных молекулах белка.

Так, при помощи небольшого металлического таза с водой и несложных измерительных приборов ученый сумел получить сведения, которые позже удалось получить повторно только с помощью сложнейших рентгеновских аппаратов и вычислений!

На долгие годы методы Ленгмюра стали образцом для современных исследований: в биологии – для изучения сложных вирусов, в химии – для изучения гигантских молекул.

В 1932 году Ирвинг Ленгмюр был удостоен Нобелевской премии по химии «за открытия и исследования в области химических процессов, протекающих на поверхности тел».

В 1919 году Ленгмюр сделал один из важнейших научных докладов года – о причинах возникновения химических реакций и соединения атомов в молекулы. Американский ученый предложил модель атома, отвечающую потребностям химиков.

В атоме Ленгмюра, так же как и в модели Бора–Резерфорда, ядро находится в центре. Это ядро, словно сердце жемчужины, является центром концентрических оболочек. Каждая оболочка может иметь только строго определенное количество электронов. Самая первая внутренняя оболочка способна вместить всего два электрона. Водород имеет один электрон, так что его оболочка заполнена лишь наполовину. Поэтому водород химически активен, так как он стремится привлечь еще один электрон, даже если последний уже входит в другой атом. По мнению Ленгмюра, именно тот факт, что водород проявляет тенденцию присоединить один электрон, определяет его валентность, равную единице.

В гелии, имеющем два электрона, внутренняя оболочка заполнена, и это объясняет инертность гелия.

Ленгмюр утверждал, что, когда внутренняя оболочка заполняется до отказа, атом, имеющий большее количество электронов, располагает их на следующей оболочке, способной вместить восемь электронов.

Подобное объяснение Ленгмюр распространил на все соединения и реакции, известные в химии. Молекулы, составленные из атомов, которые используют электроны друг друга, чтобы заполнить свои оболочки, чрезвычайно прочны. Чтобы разрушить их, требуется большое количество энергии.

Огромная работа Ленгмюра была, конечно, впоследствии дополнена новыми открытиями. Но именно учение Ленгмюра легло в основу трудов Л. Полинга, исследовавшего природу химических связей.

Страсть Ленгмюра к альпинизму вызвала в нем интерес к метеорологии и структуре облаков. Занимаясь исследованиями по созданию искусственного снегопада и дождя в переохлажденных облаках, ученый пришел к выводу, что кристаллы определенных веществ могут стать ядром для цепной реакции конденсации. В 1949 году теория прошла успешную апробацию.

Ленгмюр женился в 1912 году на Мэрион Мерсеро. Супругов объединяли такие увлечения, как походы в горы, морские путешествия, авиация, любовь к классической музыке. Ленгмюры воспитывали приемных сына и дочь.

Умер Ленгмюр 16 августа 1957 года.

ИРЕН ЖОЛИО‑КЮРИ

(1897–1956)

ФРЕДЕРИК ЖОЛИО‑КЮРИ

(1900–1958)

Супругам Жолио‑Кюри принадлежит большая заслуга в исследовании строения атома, особенно атомного ядра. Они сделали одно из величайших открытий двадцатого столетия – искусственной радиоактивности.

Ирен Кюри, дочь великих ученых Марии и Пьера Кюри, родилась 12 сентября 1897 года в Париже. Вначале девочка училась в частной школе, но впоследствии мать нашла лучший способ обучения и воспитания дочери. Вместе с несколькими друзьями, профессорами различных научных дисциплин, она организовала коллективное обучение детей. Математику преподавал выдающийся ученый П. Ланжевен, а химию вел будущий Нобелевский лауреат Ж. Перрен.

Проучившись два года в замечательной кооперативной школе, Ирен поступила в коллеж Севинье. В результате она легко выдержала вступительные экзамены и в семнадцать лет стала студенткой Сорбонны.

Во время Первой мировой войны, продолжая учебу, Ирен одновременно помогала матери в организации радиологической службы. Для этого она прошла обучение на курсах по обслуживанию медицинских радиологических установок и подготовки медицинских сестер.

Она была и водителем, и рентген‑техником, и лаборантом, и сестрой милосердия. Одновременно девушка продолжала учиться в Сорбонне, которую закончила в 1920 году. После окончания учебы Ирен стала работать ассистентом Марии Кюри в Институте радия. Мать и дочь делили радости и трудности в работе, предпринимали совместные путешествия, выступали на международных конгрессах.

В 1925 году Ирен защитила докторскую диссертацию на тему «Исследование испускания X‑лучей полонием». Во время работы в Институте радия она познакомилась с Фредериком Жолио, который в то время также был ассистентом Марии Кюри.

Жан Фредерик Жолио родился 19 марта 1900 года в Париже, в многодетной семье процветающего торговца железом. Он был младшим из шести братьев и сестер. В 1908 году мальчика отдали учиться на полный пансион в лицей Лаканаль. Незадолго до его окончания Фредерика призвали на военную службу. Лишь завершение войны спасло его от направления на поле боя.

После окончания гимназии для лучшей подготовки к поступлению в «Ecole de physique» в Париже Фредерик Жолио занялся естественными научными дисциплинами в Институте имени А. Лавуазье.

Поступив в «Ecole de physique», Фредерик занимается физикой под руководством знаменитого ученого П. Ланжевена. В 1923 году он получает диплом инженера и решает сначала пройти инженерную практику на сталелитейных заводах Арбеда в Эш‑сюр‑Альзетт. Тут его снова призывают в армию.

Наконец в 1925 году Фредерик поступил на работу в Институт радия в качестве препаратора к Марии Склодовской‑Кюри.

Первые работы, проведенные Фредериком, посвящены исследованию электрических свойств тонких металлических пленок. Не только Кюри поражена остротой инженерной мысли молодого препаратора. Так, знаменитый английский физик Томсон взял на вооружение разработанный Фредериком метод приготовления тонких пленок золота и в одной из своих статей выразил ему благодарность.

В Институте радия Жолио познакомился с Ирен Кюри. 4 октября 1926 года в мэрии четвертого округа Парижа был зарегистрирован их брак. Ирен и Фредерик отныне стали работать вместе по совершенствованию методов получения сильных радиоактивных препаратов.

Всего за свою научную карьеру Фредерик опубликовал около ста двадцати научных работ. Из них более половины были выполнены вместе с Ирен.

В 1930 году Фредерик был удостоен докторской степени за исследование электрохимических свойств полония. Он занимался в то время совершенствованием камеры Вильсона и сконструировал несколько ее разновидностей. Камеру эту супруги использовали для измерений свойств нейтронного излучения.

Работая под руководством Марии Кюри, Ирен и Фредерик стали со временем выдающимися учеными. В период с 1927 по 1932 год они получили большое количество полония, исследовали свойства так называемых лучей Боте и Беккера и провели большую работу, в значительной мере подготовившую в 1932 году открытие нейтрона Дж. Чедвиком. Ирен и Фредерик Жолио‑Кюри получили фотографии (1932), которые впервые показали превращение гамма‑лучей в электроны и позитроны.

Их выступление в 1933 году на Сольвеевском конгрессе в Брюсселе вызвало оживленную дискуссию. Особенно большой интерес к результатам работы супругов Жолио‑Кюри проявили Н. Бор и В. Паули. Радость большого научного успеха молодых ученых еще успела разделить с ними Мария Кюри. В 1934 году Ирен и Фредерик Жолио‑Кюри открыли искусственную радиоактивность.

О том, как это произошло, подробно рассказали в своей книге К. Манолов и В. Тютюнник:

«Супруги Жолио‑Кюри установили, что после бомбардировки альфа‑частицами некоторые легкие элементы – магний, бор, алюминий – испускают позитроны. Ученые попытались установить механизм этого испускания, которое отличалось по своему характеру от всех известных в то время случаев ядерных превращений. Они поместили источник альфа‑частиц (препарат полония) на расстоянии 1 мм от алюминиевой фольги и подвергали ее облучению в течение примерно 10 минут. Поместив затем эту фольгу над счетчиком Гейгера–Мюллера, они заметили, что фольга испускает излучение, интенсивность которого падает во времени по экспоненциальной зависимости с периодом полураспада 3 минуты 15 секунд. В экспериментах с бором и магнием периоды полураспада составили 14 и 2,5 минут соответственно.

При проведении опытов с водородом, литием, углеродом, бериллием, азотом, кислородом, фтором, натрием, кальцием, никелем и серебром таких явлений не обнаруживалось. Но даже эти отрицательные результаты позволили супругам Жолио‑Кюри сделать вывод о том, что излучение, вызванное бомбардировкой атомов алюминия, магния и бора, нельзя объяснить наличием какой‑либо примеси в полониевом препарате. Анализ излучения бора и алюминия в камере Вильсона показал, что оно представляет собой поток позитронов. Стало ясно, что ученые имеют дело с новым явлением, существенно отличавшимся от всех известных случаев ядерных превращений. Известные до того времени ядерные реакции носили взрывной характер, тогда как испускание «положительных электронов» некоторыми легкими элементами, подвергнутыми облучению альфа‑лучами полония, продолжается в течение некоторого более или менее продолжительного времени после удаления источника альфа‑лучей. В случае бора, например, это время достигает получаса.

Супруги Жолио‑Кюри пришли к выводу, что здесь речь идет о самой настоящей радиоактивности, проявляющейся в испускании позитрона.

Нужны были новые доказательства, и прежде всего требовалось выделить соответствующий радиоактивный изотоп. Опираясь на исследования Резерфорда и Кокрофта, супругам удалось установить, что происходит с атомами алюминия при бомбардировке их альфа‑частицами полония. Сначала альфа‑частицы захватываются ядром атома алюминия, положительный заряд которого возрастает на две единицы, вследствие чего оно превращается в ядро радиоактивного атома фосфора, названного учеными «радиофосфором». Этот процесс сопровождается испусканием одного нейтрона, вот почему масса полученного изотопа возрастает не на четыре, а на три единицы и становится равной 30. Устойчивый изотоп фосфора имеет массу 31. «Радиофосфор» с зарядом 15 и массой 30 распадается с периодом полураспада 3 минуты 15 секунд, излучая один позитрон и превращаясь в устойчивый изотоп кремния.

Единственным и неоспоримым доказательством того, что алюминий превращается в фосфор и потом в кремний с зарядом 14 и массой 30, могло быть только выделение этих элементов и их идентификация с помощью характерных для них качественных химических реакций. Для любого химика, работающего с устойчивыми соединениями, это было простой задачей, но у Ирен и Фредерика положение было совершенно иным: полученные ими атомы фосфора существовали чуть больше трех минут. Химики располагают множеством методов обнаружения этого элемента, но все они требуют длительных определений. Поэтому мнение химиков было единодушным: идентифицировать фосфор за такое короткое время невозможно.

Однако супруги Жолио‑Кюри не признавали слова «невозможно». И хотя эта «неразрешимая» задача требовала непосильного труда, напряжения, виртуозной ловкости и бесконечного терпения, она была решена. Несмотря на чрезвычайно малый выход продуктов ядерных превращений и совершенно ничтожную массу вещества, претерпевшего превращение, лишь несколько миллионов атомов, удалось установить химические свойства полученного радиоактивного фосфора.

О своих исследованиях Ирен сразу же сообщила матери. Выделенный в лаборатории Марии Склодовской‑Кюри полоний внес весомый вклад в новое выдающееся открытие.

Обнаружение искусственной радиоактивности сразу было оценено как одно из крупнейших открытий века. До этого радиоактивность, которая была присуща некоторым элементам, не могла быть ни вызвана, ни уничтожена, ни как‑нибудь изменена человеком. Супруги Жолио‑Кюри впервые искусственно вызвали радиоактивность, получив новые радиоактивные изотопы. Ученые предвидели большое теоретическое значение этого открытия и возможности его практических приложений в области биологии и медицины».

За эту работу супруги Жолио‑Кюри были удостоены в 1935 году Нобелевской премии по химии. Ирен уже однажды присутствовала на церемонии вручения этой престижнейшей научной награды. Член Шведской королевской академии наук К.В. Пальмайер, представляя лауреатов, напомнил Ирен о том счастливом дне, когда она разделила в Стокгольме радость своей матери. «В сотрудничестве с вашим мужем вы достойно продолжаете ее блестящую традицию», – сказал Пальмайер.

В нобелевской лекции Фредерик, в частности, сказал: «Не следует считать, будто несколько сотен атомов, образующих нашу планету, были созданы все одновременно и будут существовать вечно».

После открытия искусственной радиоактивности Ирен Жолио‑Кюри перестала заниматься экспериментальной работой, так как она за время долголетних исследований получила слишком большую дозу облучения. У нее появилось немного больше времени для воспитания детей – дочери Элен и сына Пьера. Помимо выполнения вместе с мужем многочисленных научных работ Ирен Жолио‑Кюри с 1932 года руководила Институтом радия, а с 1934 года стала профессором в Сорбонне. Вместе с сербским химиком Павле Савичем в 1938 году Ирен открыла один из продуктов деления урана – лантан.

В 1936 году Ирен назначили товарищем министра народного просвещения. В этой должности она курировала все научно‑исследовательские работы, которые проводились во Франции.

Фредерик же занял кафедру на факультете точных наук Парижского университета, а также кафедру ядерной химии в «Коллеж де Франс» в 1937 году. Здесь он организовал лабораторию ядерной химии, где исследовал процессы, протекающие в уране под влиянием действия нейтронов. В результате он обнаружил возможность получения очень больших энергий при ядерных реакциях.

В 1939 году Фредерик начинает работы по сооружению ядерного реактора на тяжелой воде, который запатентовал совместно с Ж. Перреном. Из Бельгии было получено 9 тонн оксида урана, из Норвегии – весь мировой запас тяжелой воды – 185 килограммов. Однако в мае 1940 года оккупация Франции фашистами прервала эти работы.

Во время гитлеровской оккупации супруги остались в Париже. Фредерик при полной поддержке жены работал в комитете интеллектуалов‑антифашистов, переправил ядерные препараты, научное оборудование и документацию своего института в Англию. Во время фашистской оккупации Франции он укрыл Ланжевена от гестаповцев в надежном месте. В 1941 году Фредерик Жолио‑Кюри был среди основателей Национального фронта освобождения Франции. В 1942 году он вступил в Коммунистическую партию Франции, активно поддерживал партизан. В 1944 году, когда гестапо вышло на след Фредерика, он ушел в подполье, а Ирен вместе с детьми бежала в нейтральную Швейцарию.

В послевоенные годы Ирен Жолио‑Кюри возглавила кафедру общей физики и радиоактивности в Парижском университете, совмещая этот пост с директорством в Институте радия.

В 1946 году Фредерик Жолио‑Кюри был назначен руководителем Комиссариата по атомной энергии Франции. Ирен в 1946–1951 годах помогала мужу в создании и пуске французского атомного реактора «Зоэ». Она принимала также участие в создании Центрального института ядерной физики в Орси.

В 1949 году супруги Жолио‑Кюри одними из первых подписали обращение о необходимости созыва Всемирного Совета Мира. Ирен вошла в состав Всемирного Совета Мира, возглавляемого супругом, и принимала участие в многочисленных конференциях и конгрессах сторонников мира.

Эта антивоенная деятельность не понравилась французскому правительству. В 1951 году Ирен было запрещено участвовать в разработке атомного реактора, а годом раньше Фредерик Жолио‑Кюри был смещен с поста верховного комиссара по атомной энергии. Однако оба ученых продолжили свои исследования, направленные на благо человечества, и остались верны своим политическим убеждениям.

В пятидесятые годы здоровье Ирен Жолио‑Кюри стало резко ухудшаться. Она умерла 17 марта 1956 года от острой лейкемии.

После смерти жены Фредерик взял на себя руководство кафедрой ядерной физики в Парижском университете.

В 1958 году Фредерик Жолио‑Кюри заболел вирусным гепатитом и 14 августа скончался. В его память назван один из лунных кратеров.

Ф. Жолио‑Кюри писал: «Чисто научные знания приносят мир в наши души и вместе с тем твердую веру в будущее человечества, изгоняя пережитки и страх перед невидимыми силами. Они дают нам веру в светлое завтра, и помимо этого научные знания представляют основной элемент единства мышления всех людей, рассеянных на поверхности нашей планеты».

Поиск по сайту: