Kazimierz Fajans - pionier badań nad radioaktywnością, badacz budowy molekuł i cząsteczek

Opracowanie: dr Maciej Kluza

Naukowe szlify – Warszawa, Lipsk, Heidelberg

Kazimierz Fajans urodził się w Warszawie 27 maja 1887 roku. Był synem kupca Hermana Fajansa (1853–1937) i Wandy Wolberg. Rodzina Fajansa miała korzenie żydowskie, jednak dzieci wychowywane były w polskich tradycjach patriotycznych. Dbano również o edukację dzieci. Kazimierz uczył się w gimnazjum przy ulicy Nowolipki w Warszawie. Szkołę ukończył w 1904 roku i wyjechał do Lipska, gdzie chciał rozpocząć studia biologiczne. Jednak szybko skierował swoje zainteresowania ku chemii, którą w Lipsku wykładał Wilhelm Ostwald (1853–19032), jeden z najwybitniejszych uczonych tego czasu, laureat Nagrody Nobla z 1909 roku. Studia kontynuował w Heidelbergu, gdzie w 1909 roku pod kierunkiem Georga Brediga (1868–1944) obronił pracę doktorską dotyczącą stereoselektywnej syntezy związków chiralnych. Praca Fajansa została przyjęta „z najwyższym wyróżnieniem” (Summa cum laude) i przyniosła młodemu uczonemu nagrodę Viktora Meyera. W Heidelbergu poznał studentkę medycyny, Salomeę Kapłan (1889–1982), którą poślubił w 1910 roku.

Badania radioaktywności – Manchester, Karlsruhe

Po obronie doktoratu Fajans na krótko przeniósł się do Zurychu, gdzie zamierzał pogłębić swoją wiedzę w dziedzinie chemii organicznej. Jednak po kilku miesiącach napisał do Ernesta Ruthenforda (1871–1937) list z prośbą o możliwość odbycia stażu w jego laboratorium, które było jednym z najlepszych na świecie ośrodków badających odkryte kilkanaście lat wcześniej zjawisko promieniotwórczości. Prośba została zaakceptowana i w jesienią 1910 roku rodzina Fajansów zjawiła się w Manchesterze. Podczas rocznego pobytu Fajans zaznajomił się z nową dla siebie dziedziną nauki oraz rozpoczął samodzielnie badania. Fajans dzielił pokój z Jamesem Chadwickiem (1891–1974), późniejszym odkrywcą neutronu. Fajans uczestniczył także w historycznym wykładzie, podczas którego Ruthenford przedstawił wyniki eksperymentów, w których udowodniono istnienie jądra atomowego. W Manchesterze Fajans dokonał pierwszego odkrycia w nowej dla siebie dziedzinie – wykazał, że Rad C (czyli Bizmut 214) może przejść w Rad D (czyli Ołów 210) poprzez dwie przemiany (alfa i beta) dwiema różnymi drogami. Po zakończeniu rocznego stażu rodzina Fajansów powróciła do Niemiec, do Karlsruhe, gdzie na politechnice katedrę objął promotor Kazimierza Georg Bredig. Pod koniec 1912 roku Fajans przygotował pracę habilitacyjną na podstawie badań wykonanych w Machesterze. W wygłoszonym 17 grudnia wykładzie habilitacyjnym przedstawił aktualny stan wiedzy o budowie atomu. Tekst tego wykładu został także opublikowany w języku polskim w czasopiśmie „Wszechświat”.

Pod koniec 1912 roku dokonał swego największego odkrycia. Niezależnie od Fredericka Soddy’ego (1877–1956) sformułował prawo przesunięć określające, jakie nuklidy promieniotwórcze powstaną podczas przemiany radioaktywnej. W przemianie alfa powstaje nuklid o liczbie atomowej mniejszej o 2 (co oznacza przesunięcie w układzie okresowym o dwie pozycje w lewo) oraz o liczbie masowej mniejszej o 4. W przemianie beta minus powstaje nuklid o liczbie atomowej większej o 1, a w przemianie beta plus nuklid o liczbie atomowej mniejszej o 1. W przemianie beta liczba masowa nie ulega zmianie. Obecnie wiemy o tym, że jądro atomu zbudowane jest z protonów i neutronów. Liczba protonów to liczba atomowa, która oznacza, z jakim pierwiastkiem chemicznym mamy do czynienia, a łączna liczba protonów i neutronów wyznacza masę jądra. W fizyce jądrowej jądro o określonej liczbie protonów i neutronów nazywamy nuklidem. Jednak stan wiedzy w 1912 roku był inny. Fajans odkrył prawo przesunięć w drodze analizy własności produktów powstających w reakcjach jądrowych.  

Prawo przesunięć pozwoliło zrozumieć naturę przemiany pierwiastków w reakcjach jądrowych. Wiele z nich ma charakter łańcucha, w którym, w wyniku kolejnych przemian, powstają nowe nuklidy. Łańcuchy takie rozpoczynają się od pierwiastków o bardzo długim czasie rozpadu, a kończą się na nuklidach trwałych. Wcześniej kolejne produkty przemian radioaktywnych nazywano od pierwiastka, który był początkiem łańcucha przemian – np. radu i oznaczano je literami alfabetu (np. rad A, rad B itd.). Prawo przesunięć pozwoliło zidentyfikować te produkty jako nuklidy znanych pierwiastków o różnej masie i umieścić je w odpowiednim położeniu w układzie okresowym pierwiastków. Fajans zaproponował, aby takie grupy nuklidów o tej samej liczbie atomowej, czyli dzielące jedno miejsce w układzie okresowym, a różniące się masą, nazwać plejadami na wzór gromady gwiezdnej. Jednak w literaturze naukowej upowszechniło się pojęcie izotopy zaproponowane przez Soddy’ego.

W 1913 roku Fajans wraz ze swoim doktorantem Oswaldem Helmuthem Göhringiem (1899 – ok. 1915) odkryli pierwszy izotop nieznanego pierwiastka o liczbie atomowej 91, który nazwali brevium (czyli krótkożyciowy). Ostatecznie pierwiastek nazwano jednak protaktynem, zgodnie z propozycją odkrywców innego izotopu o znacznie dłuższym czasie rozpadu. Prawo przesunięć stosowano do nuklidów radioaktywnych. W 1914 roku Fajans na podstawie obliczeń postawił hipotezę, że ołów będący ostatecznym produktem rozpadów radioaktywnych w szeregu uranowo-radowym różni się masą od ołowiu pochodzącego z szeregu torowego. Hipoteza ta, która przewidywała istnienie dwóch różnych trwałych izotopów ołowiu, została potwierdzona przez doktoranta Fajansa, Maxa Ernsta Lemberta (1891–1925), który wykonał pomiary w pracowni Theodore’a Williama Richardsa (1868–1925) na Uniwersytecie Harvarda. Ukoronowaniem jego dokonań w dziedzinie badania radioaktywności był podręcznik zatytułowany „Promieniotwórczość i najnowszy rozwój nauki o pierwiastkach radioaktywnych”. Było to podsumowanie ówczesnego stanu wiedzy na temat pierwiastków radioaktywnych. Książka miała kilka wydań i została przetłumaczona na język angielski i rosyjski.

Badania wiązań atomowych i cząsteczek – Monachium, Ann Arbor

W 1917 roku Fajans przeprowadził się do Monachium, gdzie zaproponowano mu posadę profesora chemii fizycznej. Lata spędzone w Monachium należały do najlepszych w życiu Fajansa. W Monachium działało wtedy wielu wybitnych fizyków i chemików, zatem łatwo było o wymianę myśli i pomysłów, co sprzyjało pracy naukowej. Był to też ważny ośrodek życia artystycznego, w którym organizowano wiele wystaw, spektakli i koncertów. Fajans był wielkim miłośnikiem muzyki. Wspominał, że na pomysł prawa przesunięć wpadł, słuchając opery Tristan i Izolda. Okolice miasta umożliwiały aktywny wypoczynek. Rodzina Fajansów wolny czas spędzała w pobliskich Alpach, odkrywając nową pasję, jaką było narciarstwo.

Po objęciu katedry w Monachium Fajans ponownie zmienił obszar zainteresowań naukowych. Zajął się teoretycznym i eksperymentalnym badaniem budowy cząsteczek i kryształów. Tej tematyce pozostał wierny do końca swojej kariery naukowej. Pierwszym ważnym osiągnięciem w tym obszarze były obliczenia dotyczące energii sieci w kryształach utworzonych przez cząsteczki powiązane wiązaniem jonowym (np. kryształy soli kuchennej). Pod koniec 1919 roku w podwójnym numerze czasopisma „Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft” ukazały się trzy prace autorstwa Fajansa, Maxa Borna (1882–1970) i Fritza Habera (1868–1934), których autorzy, niezależnie od siebie, podali zależności pomiędzy różnymi parametrami opisującymi tworzenie kryształu jonowego, takimi jak energia sieci, ciepło dysocjacji czy energia jonizacji. Model ten do dzisiaj znajduje zastosowanie jako cykl Borna-Fajansa-Habera. Niestety nazwisko Fajansa często bywa pomijane. W 1923 roku Fajans opublikował ważną pracę dotyczącą deformacji powłok elektronowych w kryształach jonowych. Jego dokonania zostały zauważone w świecie naukowym. Kilkukrotnie był wysuwany jako kandydat do Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki (1923) i chemii (1924, 1928, 1934). W 1924 roku, w przeddzień ogłoszenia laureatów, w szwedzkiej prasie pojawiły się doniesienia, że nagroda w dziedzinie chemii zostanie przyznana Fajansowi, jednak ostatecznie nagroda w tej dziedzinie nie została przyznana. Wyrazem uznania wobec uczonego było również powołanie go na członka Rosyjskiej Akademii Nauk (1924) i Bawarskiej Akademii Nauk (1927).

Pomimo pracy w Niemczech Fajans utrzymywał kontakty ze środowiskiem naukowym w Polsce. Wiele jego prac było drukowanych w polskich czasopismach naukowych. W 1927 roku postanowiono otworzyć na Uniwersytecie Warszawskim katedrę chemii fizycznej. Z propozycją jej objęcia zwrócono się do Fajansa. Jego kandydatura została zaakceptowana zarówno przez Radę Wydziału, jak i przez Senat uczelni. Uczony był gotów opuścić doskonale wyposażoną placówkę w Monachium, uzależnił jednak objęcie katedry od zapewnienia warunków do pracy naukowej – odpowiednich pomieszczeń, wyposażenia, a także finansowania. Niestety wymagań uczonego nie udało się spełnić i Fajans pozostał w Monachium. W 1929 roku został członkiem zagranicznym Polskiej Akademii Umiejętności, a 2 lipca tego roku wygłosił wykład inauguracyjny na Zjeździe Chemików Polskich. Natomiast w Monachium Fajans uzyskał środki z Fundacji Rockefellera i przy wsparciu rządu bawarskiego przystąpił do budowy nowoczesnego Instytutu Chemii Fizycznej, który otwarto w 1932 roku. Fajans został jego dyrektorem. W 1933 roku, po objęciu w Niemczech władzy przez Hitlera nastały trudne czasy dla osób pochodzenia żydowskiego. W 1935 roku Fajans został decyzją władz przymusowo przeniesiony w stan spoczynku.

Pojawiła się wówczas propozycja objęcia katedry Chemii Nieorganicznej na Uniwersytecie Jana Kazimierza we Lwowie. Kandydatura Fajansa została poparta przez Radę Wydziału, ale z uwagi na panujące w Polsce coraz silniejsze nastroje antysemickie została odrzucona przez Senat uczelni.

Na początku marca 1936 roku uczony otrzymał propozycję profesury chemii ogólnej i fizycznej na Uniwersytecie Stanu Michigan w Ann Arbor, gdzie pracował do emerytury w 1956 roku. Początkowo, na krótko, powrócił do badania promieniotwórczości. Wykorzystując cyklotron, wraz ze swoimi doktorantami, odkrył kilka nowych radioizotopów. Jednak później znowu zajął się badaniem budowy cząsteczek. Wraz z doktorantem Theodorem Berlinem (1917–1962) opracował kwantykułową teorię wiązań chemicznych. Kwantykułami nazwane zostały wyróżnione grupy elektronów powiązanych ze sobą. Kwantykuły oddziałują elektrostatycznie ze „zrębami atomowymi”, którymi są jądra o dodatnim ładunku częściowo neutralizowanym przez całkowicie zapełnione powłoki elektronowe. Fajans rozwijał tę teorię do końca kariery, również po przejściu na emeryturę. Choć użycie kwantykuł pozwoliło w prosty sposób wyjaśnić kilka zjawisk, miało ograniczone zastosowanie i nie zostało dobrze przyjęte przez środowisko naukowe. Wyjaśnienie własności wiązań chemicznych stało się domeną chemii kwantowej.

Kazimierz Fajans zmarł 18 maja 1975 roku w szpitalu uniwersyteckim w Ann Arbor.