Pierre Curie

Pierre Curie là một nhà vật lý – hóa học người Pháp, cùng vợ là Marie Curie được trao giải Nobel Vật lý năm 1903. Ông và vợ mình đã khám phá ra radium và polonium trong quá trình nghiên cứu về phóng xạ. Bên cạnh đó, ông cũng là một trong những người đặt nền móng chính cho vật lý hiện đại.

Pierre Curie sinh ngày 15 tháng 5 năm 1859 tại Paris, Pháp trong gia đình có cha là một bác sĩ. Do vậy, ngay từ khi còn nhỏ, ông đã có niềm đam mê mãnh liệt với toán học, đặc biệt là hình học không gian. Năm 16 tuổi, ông đỗ vào Khoa Khoa học tại Sorbonne. Pierre lấy bằng Cử nhân Vật lý vào năm 1878 và tiếp tục làm trợ giảng trong phòng thí nghiệm vật lý cho đến năm 1882 khi ông được phụ trách tất cả các công việc thực hành tại Trường Vật lý và Hóa học Công nghiệp. Năm 1895, ông lấy bằng Tiến sĩ Khoa học và được bổ nhiệm làm Giáo sư Vật lý. Ông được thăng chức Giáo sư tại Khoa Khoa học vào năm 1900, và đến năm 1904, ông trở thành Giáo sư chính thức.

SỰ NGHIỆP KHOA HỌC

Nghiên cứu về tinh thể

Trong những năm làm trợ giảng trong phòng thí nghiệm vật lý sau tốt nghiệp, Curie đã thực hiện công trình đầu tiên của mình về tính toán bước sóng của sóng nhiệt. Sau đó, ông bắt đầu nghiên cứu về tinh thể với sự giúp của người anh trai là Jacques. Vào năm 1880, Pierre cùng anh trai đã chứng minh rằng điện thế được tạo ra khi tinh thể bị nén, tức là hiệu ứng áp điện. Để hỗ trợ công việc này, họ đã phát minh ra máy đo điện áp thạch anh áp điện. Vào năm sau, họ chứng minh được hiệu ứng ngược lại: tinh thể có thể bị biến dạng khi chịu tác dụng của điện trường. Hầu hết các mạch điện tử kỹ thuật số hiện nay đều dựa vào hiệu ứng này dưới dạng thạch anh dao động.

Vấn đề phân bố vật chất tinh thể theo quy luật đối xứng trở thành một trong những mối quan tâm chính của ông. Anh em nhà Curie liên kết hiện tượng điện áp beryl với sự thay đổi thể tích của tinh thể nơi nó xuất hiện, và do đó họ đã khám phá ra ra hiện tượng áp điện. Sau đó, Pierre xây dựng nguyên lý đối xứng, nói về sự bất khả thi của việc tạo ra một quá trình vật lý cụ thể trong một môi trường thiếu một sự bất đối xứng tối thiểu đặc trưng cho quá trình đó. Hơn nữa, sự bất đối xứng này không thể được tìm thấy trong hiệu ứng nếu nó không tồn tại trước trong nguyên nhân. Do vậy, ông tiếp tục định nghĩa sự đối xứng của các hiện tượng vật lý khác nhau.

Nghiên cứu về từ tính

Được bổ nhiệm làm giám sát viên (năm 1882) tại Trường Vật lý và Hóa học Công nghiệp Paris, Curie tiếp tục nghiên cứu của riêng mình và đã hoàn thiện được cân phân tích bằng cách tạo ra một loại cân không dao động với khả năng đọc trực tiếp các trọng lượng cuối cùng. Sau đó, ông bắt đầu các nghiên cứu nổi tiếng về từ tính. Ông bắt tay viết luận án tiến sĩ với mục đích khám phá xem có sự chuyển tiếp nào giữa ba loại từ tính: sắt từ, thuận từ và nghịch từ. Để đo các hệ số từ tính, ông đã chế tạo một loại cân xoắn có thể đo 0,01 mg, loại cân này vẫn được sử dụng và được gọi là cân Curie. Ông phát hiện ra rằng các hệ số từ tính hút của các vật thể thuận từ thay đổi tỉ lệ nghịch với nhiệt độ tuyệt đối – định luật Curie. Sau đó, ông thiết lập sự tương tự giữa các vật thể thuận từ và khí hoàn hảo, và do đó, giữa các vật thể sắt từ và chất lỏng ngưng tụ.

Sự khác biệt hoàn toàn giữa thuận từ và nghịch từ do Curie chứng minh sau đó được Paul Langevin giải thích về mặt lý thuyết. Năm 1895, Curie bảo vệ luận án về từ tính và lấy bằng tiến sĩ khoa học.

Nghiên cứu về phóng xạ

Vợ chồng Curie trong phòng thí nghiệm (nguồn: illvid.dk)

Vào mùa xuân năm 1894, Curie gặp Marie Skłodowska, và cuộc hôn nhân của họ (ngày 25 tháng 7 năm 1895) đã đánh dấu sự khởi đầu của một thành tựu khoa học nổi tiếng thế giới, bắt đầu với việc phát hiện ra polonium (1898) và sau đó là radium. Hiện tượng phóng xạ, được Henri Becquerel phát hiện (năm 1896), đã thu hút sự chú ý của Marie Curie, và bà cùng Pierre quyết định nghiên cứu khoáng vật pitchblende, hoạt động riêng của nó vượt trội hơn urani nguyên chất. Trong khi làm việc với Marie để chiết xuất các chất tinh khiết từ quặng, bản thân Pierre tập trung vào việc nghiên cứu vật lý (bao gồm cả hiệu ứng phát sáng và hóa học) của bức xạ mới. Thông qua tác động của trường từ lên các tia do radium phát ra, ông đã chứng minh sự tồn tại của các hạt tích điện dương, âm và trung tính; Ernest Rutherford sau này gọi chúng là tia alpha, beta và gamma. Sau đó, Pierre nghiên cứu các bức xạ này bằng phương pháp đo nhiệt lượng kế và cũng quan sát các tác động sinh lý của radium

Công trình của cặp vợ chồng Curie trong thời kỳ này đã tạo nên nền tảng cho nhiều nghiên cứu tiếp theo về vật lý hạt nhân và hóa học hạt nhân. Cả hai người được trao Giải Nobel Vật lý năm 1903 nhờ nghiên cứu về bức xạ tự phát cùng với Henri Becquerel. Ngoài ra, cũng vào năm 1903, Pierre Curie cùng vợ mình được trao tặng Huân chương Davy của Hội Hoàng gia London. Năm 1905, ông được bầu vào Viện Hàn lâm Khoa học.

Công trình nghiên cứu của Pierre Curie được ghi chép trong nhiều ấn phẩm trên Comptes Rendus de l’Académie des Sciences, Tạp chí Vật lý (Journal de Physique) và Biên niên sử Vật lý và Hóa học (Annales de Physique et Chimie).

Chi tiết về nghiên cứu các chất phóng xạ

Marie Curie đã nghiên cứu các khoáng chất chứa urani hoặc thor – những khoáng chất đều có tính phóng xạ. Nhưng khi thực hiện các phép đo, bà phát hiện ra rằng một số chất này hoạt động mạnh hơn dự kiến dựa trên hàm lượng urani hoặc thori. Sau đó, Marie đưa ra giả định rằng những chất này chứa các nguyên tố hóa học phóng xạ chưa được biết đến. Do vậy, cặp vợ chồng nhà Curie đã cố gắng tìm ra những chất giả thuyết mới này trong một loại quặng urani, pitchblende. Bằng cách tiến hành phân tích hóa học khoáng chất này và phân tích độ phóng xạ của từng mẻ được tách ra trong quá trình xử lý, trước tiên, cả hai đã tìm thấy một chất có tính phóng xạ cao với các tính chất hóa học gần giống bismuth mà họ gọi là poloni, và sau đó (hợp tác với Bémont), một chất thứ hai có tính phóng xạ cao gần giống bari mà chúng tôi gọi là radium. Cuối cùng, Debierne sau đó đã tách ra một chất phóng xạ thứ ba thuộc nhóm đất hiếm, actini.

Những chất này chỉ tồn tại trong pitchblende dưới dạng dấu vết, nhưng chúng có độ phóng xạ khổng lồ, gấp khoảng 2 triệu lần so với urani. Sau khi xử lý một lượng lớn vật liệu, Pierre và Marie Curie đã thành công trong việc thu được một lượng đủ muối bari chứa phóng xạ để có thể chiết xuất radium từ nó dưới dạng muối tinh khiết bằng phương pháp phân đoạn. Radium là đồng đẳng trạng thái cao hơn của bari trong dãy kim loại kiềm thổ. Trọng lượng nguyên tử của nó được xác định bởi Marie là 225. Radium được đặc trưng bởi một quang phổ riêng biệt được Demarçay phát hiện và nghiên cứu đầu tiên, sau đó là Crookes và Runge và Precht, Exner và Haschek. Phản ứng quang phổ của radium rất nhạy, nhưng nó kém nhạy hơn nhiều so với tính phóng xạ để phát hiện sự hiện diện của radium.

Radium

Một chất phóng xạ như radium là một nguồn năng lượng liên tục. Năng lượng này được biểu hiện bằng việc phát ra bức xạ. Pierre cùng đồng nghiệp cũng đã chứng minh rằng radium giải phóng nhiệt liên tục lên đến khoảng 100 calo trên mỗi gam radium mỗi giờ. Rutherford và Soddy, Runge và Precht, và Knut Ångström cũng đã đo lượng nhiệt giải phóng bởi radium, lượng nhiệt này dường như không đổi sau vài năm và tổng năng lượng được giải phóng bởi radium theo cách này là đáng kể.

Ba Loại Tia Phóng Xạ

Công trình của nhiều nhà vật lý cho thấy các chất phóng xạ có thể phát ra các tia thuộc ba loại khác nhau được Rutherford đặt tên là tia α-, β- và γ-. Chúng khác nhau bởi tác dụng của từ trường và điện trường làm thay đổi quỹ đạo của các tia α- và β-. Các tia β-, tương tự như tia catốt, hoạt động như các vật thể tích điện âm có khối lượng nhỏ hơn 2000 lần so với một nguyên tử hydro (electron). Vợ chồng Curie đã nhận thấy rằng các tia β mang theo điện tích âm. Các tia α-, tương tự như tia dương cực của Goldstein, hoạt động như các vật thể nặng gấp 1.000 lần và mang điện tích dương. Các tia γ- tương tự như tia X.

Khí Phóng Xạ

Một số chất phóng xạ như radium, actinium và thorium cũng hoạt động theo cách khác ngoài bức xạ trực tiếp của chúng; không khí xung quanh trở nên phóng xạ, và Rutherford cho rằng mỗi chất này phát ra một loại khí phóng xạ không ổn định mà ông gọi là emanation, lan truyền trong không khí xung quanh chất phóng xạ.

Hoạt tính của các khí bị biến thành phóng xạ theo cách này biến mất tự phát theo quy luật hàm mũ với hằng số thời gian đặc trưng cho mỗi chất hoạt động. Do đó, có thể nói rằng emanation từ radium giảm đi một nửa cứ sau 4 ngày, từ thorium giảm đi một nửa cứ sau 55 giây và từ actinium giảm đi một nửa cứ sau 3 giây.

Các chất rắn được đặt trong sự hiện diện của không khí hoạt động bao quanh các chất phóng xạ, bản thân chúng cũng trở nên tạm thời phóng xạ. Đây là hiện tượng phóng xạ cảm ứng mà Pierre và Marie đã phát hiện. Các chất phóng xạ cảm ứng, giống như emanation, cũng không ổn định và bị phá hủy tự phát theo các quy luật hàm mũ đặc trưng cho mỗi loại.

Tác Động của Phóng Xạ

Tầm quan trọng của những hiện tượng này đối với vật lý học là hiển nhiên. Radium tạo thành một công cụ nghiên cứu mới trong các phòng thí nghiệm, một nguồn bức xạ mới. Nghiên cứu về tia β đã mang lại nhiều kết quả. Người ta đã phát hiện ra rằng nghiên cứu này xác nhận lý thuyết của J. J. Thomson và Heaviside về khối lượng của các hạt chuyển động, mang điện tích; theo lý thuyết này, một phần khối lượng là kết quả của các phản ứng điện từ của êther chân không. Các thí nghiệm của Kauffmann trên tia β của radium dẫn đến giả định rằng một số hạt có vận tốc chậm hơn ánh sáng rất nhỏ, theo lý thuyết, khối lượng của hạt tăng theo vận tốc đối với các vận tốc gần bằng vận tốc của ánh sáng, và toàn bộ khối lượng của hạt có bản chất điện từ. Hai giả thuyết được vợ chồng Curie đặt ra gồm:

Giả thuyết thứ nhất: Giả sử các chất phóng xạ lấy năng lượng mà chúng giải phóng từ một bức xạ bên ngoài, và bức xạ của chúng sẽ là bức xạ thứ cấp. Không vô lý khi cho rằng không gian liên tục bị xuyên qua bởi các bức xạ rất mạnh mà một số chất nhất định có khả năng bắt giữ khi bay. Theo các công trình gần đây của Rutherford, Cooke và McLennan, giả thuyết này dường như hữu ích trong việc giải thích một phần bức xạ cực yếu phát ra từ hầu hết các chất.

Giả thuyết thứ hai: Giả sử các chất phóng xạ lấy năng lượng mà chúng giải phóng từ chính bản thân chúng. Các chất phóng xạ sau đó sẽ đang trong quá trình tiến hóa, và chúng sẽ tự biến đổi dần dần và chậm chạp mặc dù trạng thái của một số chất dường như không thay đổi. Lượng nhiệt do radium giải phóng trong vài năm là rất lớn nếu so sánh với lượng nhiệt giải phóng trong bất kỳ phản ứng hóa học nào với cùng trọng lượng vật chất. Tuy nhiên, lượng nhiệt giải phóng này chỉ đại diện cho năng lượng liên quan đến sự biến đổi của một lượng radium quá nhỏ đến mức không thể nhận thấy ngay cả sau nhiều năm. Điều này dẫn đến giả định rằng sự biến đổi này sâu sắc hơn các biến đổi hóa học thông thường, sự tồn tại của nguyên tử thậm chí còn bị nghi ngờ, và chúng ta đang chứng kiến sự biến đổi của các nguyên tố.

Giả thuyết thứ hai tỏ ra hiệu quả hơn trong việc giải thích các đặc tính của các chất phóng xạ theo đúng nghĩa. Cụ thể, nó đưa ra một lời giải thích trực tiếp cho sự biến mất tự phát của poloni và sự tạo ra heli bởi radium. Lý thuyết về sự biến đổi của các nguyên tố này đã được Rutherford và Soddy phát triển và xây dựng với sự táo bạo tuyệt vời. Họ cho rằng có một sự phân tách liên tục và không thể đảo ngược các nguyên tử của các nguyên tố phóng xạ. Trong lý thuyết của Rutherford, các sản phẩm phân tách sẽ là, một mặt, các tia phóng và mặt khác, các emanation và các chất phóng xạ cảm ứng. Các chất sau này sẽ là các chất phóng xạ dạng khí hoặc rắn mới thường có quá trình biến đổi nhanh và có khối lượng nguyên tử thấp hơn khối lượng nguyên tử của nguyên tố ban đầu mà chúng được tạo ra. Theo cách nhìn này, tuổi thọ của radium sẽ bị hạn chế khi chất này được tách ra khỏi các nguyên tố khác. Trong tự nhiên, radium luôn được tìm thấy cùng với urani, và có thể giả định rằng nó được tạo ra bởi urani.

Hệ quả của Phóng Xạ

Do đó, đây thực sự là một lý thuyết về sự biến đổi của các nguyên tố, mặc dù không giống như cách hiểu của các nhà giả kim. Vật chất vô cơ sẽ cần phải phát triển theo thời đại và phù hợp với các định luật bất biến.

Do một hệ quả bất ngờ, các hiện tượng phóng xạ có thể đóng vai trò quan trọng trong địa chất. Ví dụ, người ta đã phát hiện ra rằng radium luôn đi kèm với urani trong khoáng vật. Thậm chí người ta còn thấy rằng tỷ lệ radium với urani là không đổi trong tất cả các khoáng vật (Boltwood). Điều này xác nhận ý tưởng về sự tạo ra radium từ urani. Lý thuyết này có thể được mở rộng để cố gắng giải thích cả các mối liên kết khác giữa các nguyên tố thường xảy ra trong khoáng vật. Có thể tưởng tượng rằng một số nguyên tố đã được hình thành tại chỗ trên bề mặt Trái đất hoặc chúng bắt nguồn từ các nguyên tố khác trong thời gian có thể bằng cấp độ của các kỷ địa chất. Đây là một góc nhìn mới mà các nhà địa chất học sẽ phải tính đến.

Elster và Geitel đã chứng minh rằng emanation của radium rất phổ biến trong tự nhiên và tính phóng xạ có thể đóng vai trò quan trọng trong khí tượng học, với sự ion hóa của không khí gây ra sự ngưng tụ hơi nước.

Cuối cùng, trong khoa học sinh học, tia radium và emanation của nó tạo ra những hiệu ứng thú vị đang được nghiên cứu hiện nay. Tia radium đã được sử dụng trong điều trị một số bệnh (bệnh lupus, ung thư, bệnh thần kinh). Trong một số trường hợp, tác dụng của chúng có thể trở nên nguy hiểm. Nếu để một hộp gỗ hoặc các tông chứa một ống thủy tinh nhỏ chứa vài centigam muối radium trong túi trong vài giờ vẫn có thể không cảm thấy gì. Nhưng 15 ngày sau, sẽ xuất hiện mẩn đỏ trên lớp biểu bì, sau đó là một vết loét rất khó lành. Tác động kéo dài hơn có thể dẫn đến tê liệt và tử vong. Radium phải được vận chuyển trong hộp chì dày.

CUỘC SỐNG CÁ NHÂN 

Ảnh chụp vợ chồng Curie cùng con gái cả – Irene (nguồn: Library of Congress Blogs)

Năm 1895, Pierre kết hôn với Marie Sklodowska và họ có với nhau hai cô con gái. Con gái đầu lòng, Irene, kết hôn với Frederic Joliot và họ cùng nhau nhận Giải Nobel Hóa học năm 1935. Con gái út, Eve, kết hôn với nhà ngoại giao Mỹ H. R. Labouisse. Cả hai đều rất quan tâm đến các vấn đề xã hội, và với tư cách là Giám đốc Quỹ Nhi đồng Liên Hiệp Quốc, ông đã thay mặt Quỹ nhận Giải Nobel Hòa bình tại Oslo vào năm 1965. Eve là tác giả của cuốn tiểu sử nổi tiếng về mẹ mình, Madame Curie (Gallimard, Paris, 1938), được dịch sang nhiều ngôn ngữ.

Pierre qua đời trong một tai nạn giao thông ở Paris vào ngày 19 tháng 4 năm 1906.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

The Nopel Prize

Britannica