Mark Twain żartował, że imię największego odkrywcy wszech czasów to „Przypadek”. Ale, jak wskazywałem już we wpisie Przypadkowe odkrycie, w którym opisywałem szczęśliwe odkrycie antybiotyku penicyliny przez Alexandra Fleminga, oprócz wstąpienia interesującego przypadku ważnie jest jeszcze, aby umieć go zaobserwować i właściwie naukowo zinterpretować. Oraz ewentualnie posiadać następców, którzy to odkrycie twórczo rozwiną.
Antoine Henri Becquerel (1852-1908) był trzecim kolejnym członkiem rodziny naukowców (po swoim dziadku i ojcu), który zajmował stanowisko profesora fizyki w Muzeum Historii Naturalnej (Muséum national d’Histoire naturelle) w Paryżu. Z bliżej nieznanego powodu, podobnie jak swoi przodkowie, był zafascynowany zjawiskiem fluorescencji i fosforescencji i kontynuując rodzinną tradycję starał się ustalić, jakie są przyczyny tych efektownych zjawisk – którymi sami fascynujemy się patrząc jako dzieci przed snem na świecące w ciemności zabawki czy naklejki lub spoglądając w ciemnym kinie na wskazówki tradycyjnych zegarków.
Fluorescencja i fosforescencja to emitowanie światła przez substancję wzbudzoną przez pochłonięcie światła zewnetrznego lub promieniowania magnetycznego. Są to odmiany fotoluminescencji – czyli właśnie tego charakterystycznego i znanego nam świecenia niektórych przedmiotów po wystawieniu ich na działanie jasnego światła. Różnica pomiędzy nimi polega na tym, że fosforescencja trwa znacznie dłużej niż fluorescencja – ta druga ma raczej charakter towarzyszący źródłu, które je wzbudza (np. światłu) i wygasa wraz z nim.
Przez lata badań rodzinie Becquerelów udało się zgromadzić znaczną kolekcję minerałów i substancji chemicznych, które posiadały właściwości fotoluminescencyjne. Henri miał więc – choć jeszcze o tym nie wiedział – odpowiednie narzędzia do tego, aby dokonać epokowego odkrycia i zapewnić sobie w przyszłości Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki. I paradoksalnie odkrycie to miało wcale nie dotyczyć fotoluminescencji.
Becquerel słyszał, jak wszyscy w jego czasach, o głośnym odkryciu Wilhelma Röntgena, który w 1895 roku zidentyfikował promieniowanie X (nazwane odtąd jego nazwiskiem) i stał się z miejsca naukowym celebrytą. Pod wpływem tej wiadomości Becquerel zaczął zastanawiać się, czy fotoluminescencyjne materiały, które tak lubił, emitują zarówno światło widzialne, jak i być może także to tajemnicze i modne promieniowanie X. Postanowił to sprawdzić i w 1896 roku rozpoczął serię eksperymentów, które (po odpowiednim dalszym rozwinięciu) miały mieć prawdziwie epokowe znaczenie.
Przygotował sobie w tym celu fotograficzną kliszę (zwaną bardziej fachowo „błoną”) – czyli celuloidową formę z naniesioną na nią emulsją światłoczułą i owinął ją w czarny papier, aby światło zewnętrzne nie mogło mieć do niej dostępu. Następnie kładł na czarnym papierze próbki materiałów ze swojej kolekcji, które chciał przetestować i wystawiał cały zestaw na działanie jasnego światła słonecznego, aby wzbudzić luminescencję.
Logika eksperymentu była czytelna – jeśli dany minerał emitowałby w trakcie widzialnej luminescencji również niewidzialne promieniowanie rentgenowskie, to powinno ono bez trudno przedostać się przez czarny papier i odznaczyć się na światłoczułej kliszy – podobnie jak stało się to w eksperymencie Röntgena, gdzie emitentem tajemniczego promieniowania była jednak tak zwana rura Crookesa (rodzaj lampy wyładowczej, w której elektrony przepływały w próżni między podłączonymi do prądu elektrodami).
Becquerel twórczo rozwinął zatem badania bystrego Niemca pod kątem swoich własnych zainteresowań, sprawdzając, czy emitentem promieniowania X mogą być także „pasywne” źródła – minerały występujące w przyrodzie lub substancje uzyskane na drodze reakcji chemicznych. Metodycznie testował pod tym kątem każdy materiał ze swojej kolekcji.
Ku swojemu rozczarowaniu, żadna z posiadanych przez niego próbek nie dawała oczekiwanych rezultatów. Aż w końcu doszedł do soli uranu – a dokładnie siarczanu potasu-uranylu K2[UO2(SO4)2](H2O)2).
Ta sypka próbka uranu, ciężkiego i bardzo egzotycznego wówczas metalu, zostawiła na kliszy fotograficznej wyraźny ślad. Uradowany, że jego eksperyment zaczyna zmierzać w interesującym kierunku, Becquerel postanowił poddać sól uranową dalszym badaniom. Najpierw jednak – w ekscytacji mało charakterystycznej dla wielbiciela świecących skał (i jak się zaraz przekonamy przedwcześnie) – ogłosił swoim kolegom naukowcom, że odkrył powiązanie między fotoluminescencją, a emisją promieniowania rentgenowskiego.
W kolejnych dniach Becquerel przygotował sobie zatem standardowy zestaw badawczy, który opisałem wyżej i wyszedł na dwór, aby go naświetlić i potwierdzić swoje wcześniejsze wnioski. Wówczas jednak niebo okazało się zachmurzone i eksperyment trzeba było odłożyć do następnego dnia. Becquerel schował więc uran i kliszę do szuflady i zajął się czymś innym. Można zaryzykować twierdzenie, że gdyby tego konkretnego dnia pogoda w Paryżu była lepsza, losy świata mogłyby potoczyć się zupełnie inaczej.
Kolejnego dnia chmury nie ustępowały, a Becquerel zaczął się niecierpliwić. Postanowił kontynuować eksperyment przy sztucznym świetle gazowych lamp i spodziewał się, że da to mimo wszystko jakiś niewielki obraz na kliszy. Ku jego zaskoczeniu, po odwinięciu opakowania światłoczuła klisza była zaczerniona bardzo silnie – znacznie mocniej, niż mogłoby to tłumaczyć naświetlenie soli uranu skromnymi domowymi sposobami.
W tym momencie, znając już oczywiście właściwości uranu (co nie było jeszcze dane Becquerelowi), zaczynamy domyślać się co się stało – najwyraźniej to uran pozostawiony w spokoju na dłuższy czas w pobliżu kliszy naświetlił ją. Henri Becquerel z kolei zdał sobie sprawę, że popełnił błąd w założeniu i źle przeprowadził eksperyment – przyjął bowiem wyjściową tezę, że sól uranu (swoją drogą posiadająca właściwości fluorescencyjne – wzbudzona świeci niepokojącym zielonym światłem – można to zjawisko obejrzeć na przykład zwiedzając muzeum Kopalni Uranu w Kletnie na Dolnym Śląsku) wymagała ekspozycji na światło, aby naświetlić kliszę, na której się znajdowała.
Becquerel – niestrudzony, choć może nieco niezdarny eksperymentator, zmienił więc podejście – tym razem zakrył przed światłem również samą sól uranu. I ku swojemu zaskoczeniu odkrył, że nie zmieniło to niczego – na światłoczułej błonie nadal widać było odbity obraz granulek minerału, który przebijał się przez dzielący je od niej papier.
Becquerel zauważył następnie, że nawet posiadane przez niego próbki uranu, które nie wykazywały widzialnej fotoluminescencji, dawały taki sam efekt na kliszy. Światło nie było zatem konieczne – wystarczyła sama obecność atomów uranu, aby osiągnąć ten interesujący efekt. Becquerel był skonfundowany, ale ostatecznie wyciągnął ze swojego eksperymentu prawidłowy wniosek – przynajmniej co do głównej zasady, bo w szczegółach nadal jeszcze błądził, przypisując odkrytemu promieniowaniu cechy takie same, jak światłu słonecznemu. Atomy uranu musiały spontanicznie emitować jakiś rodzaj niewidzialnego promieniowania, których właściwości musiały być z kolei co najmniej podobne do promieni rentgenowskich – które tak efektownie przenikały przez ludzkie ciało, tworząc na błonie fotograficznej szokujące i zapadające w pamięć obrazy kości.
Widzialna fluorescencja i tajemnicze, niewidzialne promieniowanie musiały być zatem dwoma różnymi zjawiskami fizycznymi i jedynie przypadkiem sól uranu wykazywała obie te właściwości łącznie. Ten właśnie przypadek (czy może ich zbieg, co zaraz podsumujemy) doprowadził Becquerela do odkrycia zjawiska promieniotwórczości.
Ale jak już podkreślałem na tych łamach – szczęście to okazja, która napotyka na przygotowany umysł. I to najlepiej niejeden – tak się przy tym bowiem ciekawie złożyło, że badaniami Becquerela zainteresowała się niespełna 30-letnia, bardzo zdolna doktorantka z Sorbony, urodzona w Warszawie w Królestwie Polskim. Nazywała się Maria Skłodowska-Curie.
Skłodowska-Curie (1867-1934) kontynuowała później eksperymenty Becquerela, używając jednak zamiast kliszy fotograficznej elektrometru – zbudowanego przez swojego męża Pierre’a Curie. Miało ją to doprowadzić do dalszych przełomowych wniosków – między innymi tego, że emisja promieniowania przez niektóre materiały zawierające uran jest znacznie silniejsza, niż wskazywałaby na to sama obecność tego pierwiastka. Musiało być tam coś jeszcze.
Standardowa międzynarodowa jednostka pomiaru aktywności promieniotwórczej nazywa się obecnie, za nazwiskiem Henri’ego, bekerelem (Bq) – zastąpiła ona kiura (Ci), od nazwiska Marii i jej męża. Sam Henri Becquerel został w 1903 roku uhonorowany Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki za badania nad promieniotwórczością – razem z małżeństwem Curie, które wykonując ciężką fizyczną i intelektualną pracę wyodrębniło z blendy uranowej (rudy uranu) nowy pierwiastek (który, jak wskazałem wyżej spodziewali się tam zastać) – rad (radium). Maria Skłodowska-Curie miała jeszcze otrzymać drugą nagrodę w 1911 roku – tym razem w dziedzinie chemii.
Henriemu Becquerelowi nigdy nie było natomiast dane dostąpić sławy wybitnego, acz bardzo skromnego Röntgena oraz kolorowego małżeństwa Curie. Jego odkrycie nie wydawało się mieć jeszcze praktycznego znaczenia. Promienie rentgenowskie zostały bardzo szybko zaadoptowane przez medycynę – pierwszym człowiekiem, który miał na nich skorzystać był niejaki Toulson Cunning, nieszczęśliwie postrzelony w nogę w grudniu 1895 roku (za pomocą wynalazku Röntgena udało się namierzyć pocisk w jego nodze i uratować go przed amputacją). Fizyczne właściwości radu, odkrytego w 1898 roku również zostały zaadoptowane. Nie dostrzegano jeszcze natomiast wyjątkowości samego uranu, który pół wieku później miał stać się paliwem do stworzenia najbardziej przerażającej broni wszech czasów, a także niezwykle efektywnym napędem wielkich elektrowni.
Prawdę mówiąc, Becquerel rychło zajął się innymi eksperymentami – myśląc, że wszystko co istotne w dziedzinie promieniotwórczości zostało już odkryte. Ostatnią publikację w tym temacie poczynił w 1897 roku, pozostawiając dalsze pole do podpisu małżeństwu Curie i innym badaczom. O tym, że zjawisko to może mieć swoją ukrytą, bardzo niebezpieczną naturę przekonał się tylko raz (w odróżnieniu od Skłodowskiej-Curie, która zmarła na niedokrwistość aplastyczną, wywołaną wieloletnią ekspozycją na promieniowanie) – wkładając fiolkę z solą uranu na kilka godzin do kieszeni marynarki. Po jej wyjęciu zauważył na swojej skórze, nie bez strachu, silne oparzenia.
Dziś wiemy, że promieniotwórczość, zwana również radioaktywnością, to zdolność atomów danego pierwiastka do spontanicznego emitowania wysokoenergetycznych cząstek (alfa lub beta) lub promieniowania gamma – również bez konieczności zewnętrznej stymulacji przez światło, elektryczność czy inną formę energii. Uran (uranium) był pierwszym pierwiastkiem chemicznym, w którym odkryto tę właściwość i do dziś pozostaje on najbardziej znanym, ale oczywiście zdolności te posiadają również liczne inne pierwiastki – zwane zbiorczo izotopami promieniotwórczymi lub radioizotopami. Maria Skłodowska-Curie zauważyła radioaktywne właściwości toru (thorium), a odkryć miała i wyizolować wspomniany już rad oraz polon (polonium – nazwany tak na część Polski – będącej wówczas pod zaborami).
Niektóre z radioizotopów stanowią podstawowe cegiełki życia – jak na przykład węgiel (chodzi tu izotop 14C – używa się go do oznaczania daty śmierci danego organizmu, co miało przełomowe znaczenie w archeologii). Wszyscy jesteśmy w pewnym sensie radioaktywni.
Do opisywanego dziś odkrycia Becquerela przyczyniło się kilka interesujących zbiegów okoliczności. Po pierwsze, gdyby sól uranu nie miała właściwości fluorescencyjnych, to Becquerel nie posiadałby jej zapewne w swojej kolekcji (dobieranej przecież z dziada-pradziada pod tym kątem) i nie odkryłby jej zdolności promieniotwórczych. Gdyby pogoda w dniu decydującego eksperymentu była lepsza, to Becquerel być może nie zauważyłby swojego błędnego założenia i nie skorygował eksperymentu – mógłby po prostu tkwić w przekonaniu, że promieniotwórczość jest pobocznym skutkiem fluorescencji, a nie niezależnym zjawiskiem. Po trzecie, gdyby nie bystrość i pracowitość Marii Skłodowskiej-Curie, która szukała akurat tematu do doktoratu i zainteresowała się badaniami Becquerela, być może z eksperymentu nie wynikłoby ostatecznie nic praktycznie istotnego.
I jest jeszcze jedna sprawa, o której Becquerel nie wiedział, a okazała się ona mieć właśnie ogromne znaczenie praktyczne. Uran jest jednym z niewielu radioaktywnych pierwiastków, które zgromadzone w odpowiedniej masie mogą podlegać spontanicznemu rozpadowi atomów (nuclear fission), który jest podstawą reakcji łańcuchowej, mogącej wyzwolić niewyobrażalne ilości energii – w sposób mniej lub bardziej kontrolowany. Wrócimy jeszcze do tego tematu w kolejnych wpisach.
Ten zbieg przypadków można interpretować jako jeden z najbardziej szczęśliwych lub nieszczęśliwych (w zależności od punktu widzenia) zbiegów okoliczności w historii nauki. Można postawić tezę, że gdyby radioaktywne właściwości uranu nie zostały odkryte w 1896 roku, to jest bardzo mało prawdopodobne, aby bomba atomowa została stworzona i skutecznie użyta w trakcie II Wojny Światowej, kończąc wojnę na Pacyfiku. Oraz, paradoksalnie, aby stała się tuż po niej kluczowym czynnikiem odstraszającym, który miał na lata zapobiec kolejnej wojnie światowej.
Ale to już temat na inną historię.