III. FEJEZET
A rádióaktív elemek sugárzásai. α-, β- és γ-sugarak. – Az áthatolóképesség vizsgálata. – Kísérletek a nagy áthatolóképességű β- és γ-sugarakkal. – A csekély áthatolóképességű α-sugarak. – Kísérlet annak kimutatására, hogy a levegő az α-sugarakat elnyeli. – A sugárzás fizikai természete. – Az éterföltevés szüksége – Testecskék kilövelléséből és rezgésszerű mozgásokból keletkező sugárzás. – Az α- és a β-sugarakat részecskék kilövellése okozza. – Lehetséges-e egyetlen α-részecskét észlelni ? – A szpintariszkóp. – A rádiumból kilövellt α-részecskék megszámlálása.
Utolsó előadásunkban láttuk, hogy a rádium és a rádióaktív anyagok magukból folytonosan energiát termelnek és rámutattunk azokra az új területekre, a melyeket ez a fölfedezés a fizikai tudomány számára meghódított. Ma este tárgyunknak egyik különös részével akarunk foglalkozni, nevezetesen azoknak a sugárzásoknak a természetével, a melyeket a rádióaktív elemek bocsátanak ki és a melyeknek a hatása vezetett a rádióaktivitás fölfedezésére. Magukkal e sugárzásokkal hatásaiktól függetlenül, eddig még nem foglalkoztunk, pedig lényeges szerepük lesz abban az elméletben, a melylyel a rádióaktív elemek hatásait magyarázzuk.
A rádióaktivitás főbb hatásait, a milyen a fotografáló, a fluoreszkáltató, az elektromos és a hőhatás, már meglehetős korán határozott
sugárzásoknak tulajdonították és éppen e sugárzások fölismerésének lényeges része volt a fölfedezésben. Viszont gyakran fordult elő az a tévedés, hogy valamely anyagot, azért mert néhány sugárzásra képes volt, rádióaktív anyagnak tekintettek. Az új sugárzások pontos tanulmányozása természetesen első sorban a fizikusok föladatává lett. Nekik sikerült azután nemcsak az összetett sugárzásokat élesen megkülönböztetett fajtákra bontani és mindegyiknek önálló szerepét megállapítani, hanem meglehetősen messzire tudtak haladni a különböző sugárfajták valódi lényegének megállapításában is. Ennek az utóbbi munkának legnagyobb része azonban olyan elmélkedéseken alapul, a melyek bonyolult voltuknál fogva nem alkalmasak szélesebb körben való ismertetésre; minthogy pedig ezek az előadások első sorban a nagyközönségnek szólnak, azért úgy gondolom, hogy csak a teljesen elfogadott, legáltalánosabb érdekű végeredményekre kell figyelmünket fordítanunk.
Ha maguk az elmélkedések nehezek is, azért főbb eredményeik igen egyszerűek, könnyen követhetők és úgy illeszthetők a rádióaktivitás okainak és természetének ismertetésébe, hogy az egészet világosabbá és áttekinthetőbbé teszik.
A rádióaktív elemek – uránium, tórium és rádium – szolgáltatta összetett sugárzást először RUTHERFORD bontotta föl elemeire. A következők nagy része az ő műve és az ő ismert kísérletező találékonyságáról és kitartásáról tesz tanuságot. ő a sugaraknak három főfajtáját különböztette meg: α-‚ β- és γ-sugarakat, a melyek egymástól első sorban az anyagokon való áthatolóképességükben igen jelentékenyen különböznek. Már itt kimondhatjuk, hogy a rádium α-sugarai áthatolóképességük alapján könnyen megkülönböztethetők az uránium és tórium α-sugaraitól és ez utóbbiak ismét egymástól. Sőt maguk az α-sugarak ismét nem kevesebb, mint négy, jól megkülönböztethető sugárzásból vannak összetéve. Ugyanez áll a rádium β- és γ-sugarairól is, melyek szintén összetettek és az uránium meg a tórium β- és γ-sugaraitól különbözők. De a többféle α-sugarak különbözősége aránylag igen kicsiny és nem is fontos ahhoz az óriási különbséghez képest, a mely bármely α-, és bármely β-, végre bármely γ-sugár között van. A legerősebben áthatoló α-sugár alig van kétszer áthatolóbb, mint a leggyöngébben áthatoló α-sugár; míg a β-sugarak átlag mintegy százszor áthatóbbak, mint az α-sugarak és a γ-sugarak ismét százszor annyira
áthatolók, mint a β-sugarak. Magának az átsugárzott anyag minőségének is van némi csekély hatása az áthatolóképességre; ez a hatás különböző a sugarak fajtái szerint, de szerepe általában csak másodrendű. Mert ezeket a sugarakat, épp úgy, mint a Röntgen-sugarakat, az anyagok nagyjából sűrűségükkel arányosan nyelik el, tekintet nélkül optikai átlátszóságukra.
RUTHERFORD vizsgálatainak az volt az első eredménye, hogy az α-sugarakat tolták előtérbe, a melyek eleinte mellékeseknek látszottak és aránylag háttérbe szorultak a β-sugarakkal szemben, a melyeket legnagyobb fotografáló hatásuk miatt kezdetben legfontosabbaknak tartottak. Az α-sugarakat már igen vékony rétegek is tökéletesen elnyelik, pl. egy lap papiros vagy 6 cm. vastag rendes nyomású levegő; a fényérző lemezre is kisebb a hatásuk, mint a β-sugaraknak, a melyek egy névjegyen vagy egy vékony fémlemezen könnyen áthatolnak. Elektromos hatásukban azonban – a selyembojt vagy az elektroszkóp kisütésében – az α-sugarak sokkal hatásosabbak, mint a β- és γ-sugarak együttvéve. Ebből aztán RUTHERFORD azt következtette, hogy a szerény megjelenésű és csak gyöngén áthatoló α-sugarak energiája sokkal nagyobb, mint a másik két fajtáé összesen és e következtetését további vizsgálatai igazolták is. Valóban a β- és γ-sugarak energiája legföljebb néhány százaléka az egész sugárzásbeli energiának; ebből az alapvető szempontból tehát nekik kisebb a szerepük, mint az előbb mellőzött α-sugaraknak. Bár előadási kísérletezésre nem is olyan alkalmasak, mint a többi jobban áthatoló fajták, mégis az α-sugarak bizonyultak a legtanulságosabbaknak és legfontosabbaknak a rádióaktív változások elméletében.
Ezt a kis hüvelyt, a melyben az én rádiumom van, elzártam egy vékony csillámlemezzel, mely teljesen föltartóztatja az α-sugarakat, úgy, hogy e hüvelylyel dolgozva, csak a β- és a γ-sugarak hatása érvényesülhet. A platincziánidsók tündökölve fluoreszkálnak a β-sugarak hatása alatt. Ha mind vastagabb réz-, vagy aluminiumlemezkéket iktatok közbe, akkor a fluoreszkálás gyöngül és pedig először igen gyorsan, de nemsokára elérünk egy vastagsági határt, melyen túl a megmaradt gyönge fluoreszkálást nem tudjuk újabb lemez közbeiktatásával gyöngíteni. Ez onnan van, mert a β-sugarak mind elnyelettek már és csak a gyönge, de rendkívüli áthatolóképességű γ-sugarak hatnak. Ezek a γ-sugarak mindenütt igen gyöngék és
aránylag kevéssé fontosak; főérdekességük, hogy a jelenleg ismert sugarak közül ők a legáthatóbbak. Ha a hüvelyt egy czentiméter vastag aczéldobozba teszszük és föléje tartjuk a platincziánidkristályt, akkor azok, a kik elől ülnek, jól láthatják, hogy a kristály még mindig fluoreszkál és csak akkor szűnik meg a fluoreszkálása, ha a rádiumot elveszszük alóla. Tizenkét darab egykoronásból vagy kétfilléresből álló oszlopon át még észrevehető ez a hatás, sőt érzékeny elektroszkóppal ki lehet mutatni, hogy ezekből a sugarakból valamennyi még 30 cm. vastag vasdarabon is keresztül hatol.
7. rajz. Zárt körzőkészletnek a rádium γ-sugaraival felvett képe.
A rádium sugarai nem igen alkalmasak olyan rádiográfiák készítésére, a milyeneket a Röntgen-sugarakkal készíthetünk. A β-sugarak áthatolóképessége ugyanis nem elég nagy erre a czélra, úgy, hogy például a kéznek nemcsak a csontjai, de a húsa is sötét árnyékot vetne. Viszont a γ-sugarak annyira áthátolók, hogy hatásuk alatt a csontok sem vetnének elég sötét árnyékot. A 7. rajzon
mégis bemutatunk egy γ-sugarakkal készített szép fölvételt. Rátettünk az asztalra egy kicsiny körzőkészletet, lecsukva. Erre rátettük érzékeny oldalával lefelé a Röntgen-lemezt, fekete papírba burkolva. Lenn a padlón, a lemeztől mintegy 50 cm.-nyire volt körülbelül 3 mg. rádiumbromid egy lezárt üveghüvelyben. A rádiumot CURIE-né utasítása szerint elektromágnes sarkai közé tettük, hogy a β-sugarakat, a melyek a kép élességét veszélyeztetnék, félretérítsük. Ilyen módon csak a γ-sugarakat használtuk föl. A besugárzás öt napig tartott. Látjuk, hogy a fadoboz vetette árnyék alig vehető észre, de azért a fémkörzők és a doboz foglalata sem állták útját teljesen a sugaraknak. Az eredeti negatívon a fémrészek csak nagyon kevéssé sötétebbek, mint a lemez többi védetlen részei, azért a negatívot másolás előtt lekicsinyítettük és megerősítettük.
A γ-sugarak úgy tünnek föl, mintha a β-sugaraktól termelt és velük mindig együttjáró sugárzások volnának, éppen úgy, a mint az X-sugarak a katódsugarak termékei és mindig velük együtt jelentkeznek. Itt is lényeges az, hogy a β- és a γ-sugarak mindig együtt járnak. A β-sugarak bármely változásának megfelel a γ-sugarak valamilyen változása. Ez utóbbiaknak igazi mibenléte még nyílt kérdés, különböző fölfogások küzdenek e tekintetben egymással. Minthogy továbbá ezeknek a γ-sugaraknak jelenleg nincs is olyan nagy jelentőségük, elégedjünk meg egyelőre a bemutatott kísérletekkel és az eddigi megjegyzésekkel és elhagyva őket, térjünk át a két nevezetesebb sugárzásfaj részletesebb tárgyalására.
Mielőtt az α-sugarakkal kísérleteket végeznénk, érintenünk kell bizonyos meggondolásokat, melyek azzal kapcsolatosak, milyen rendkívül nagy mértékben nyeletnek el e sugarak, ha valamely anyagon áthaladnak. Mindenekelőtt megjegyezzük, hogy a rádióaktivitás tömegbeli, vagy térfogatbeli jelenség. Ezzel azt akarjuk mondani, hogy a rádiumsó minden részecskéje, nemcsak a fölületén lévők, hanem a belsők is bocsátanak ki α-‚ β- és γ-sugarakat. Mindezeket a sugarakat már maga a rádiumsó anyaga is nagy mértékben elnyeli, mert a rádiumsóknak nagy a sűrűsége. Természetesen ez az elnyelés nem vonatkozik annyira az erősebben áthatoló sugarakra, mint a gyengébb áthatolóképességű α-sugarakra. Az utóbbi fajtából azok, a melyek az anyag belsejében keletkeznek, egyáltalában nem tudnak kiszabadulni belőle. Így az
észlelhető α-sugarakat csak egy nagyon vékony fölszíni réteg szolgáltatja. Ennek az a következménye, hogy míg ilyen kevés rádium esetében, a mennyivel mi kísérletezünk, az áthatolóbb sugarak erőssége nagyjából a rádium tömegével arányos, addig az α-sugarakról ez nem áll. Rájuk nem az anyag mennyisége a döntő, hanem a szabad fölület nagysága. A rádium igen kis mennyisége mondjuk egy milligrammja lényegesen több α-sugarat ad, ha nagy fölületre vékonyon kiterítjük, mintha kristály alakjában van. Hogy a β- és a γ-sugarakat elkülönítsük az α-sugaraktól vagy egymástól, ahhoz elégséges növekedő vastagságú lemezeket – ernyőket – közbeiktatni mindaddig, míg a könnyebben elnyelhető fajtát teljesen föl nem tartóztattuk. De fizikai módszerekkel nem olyan könnyű a β- és γ-sugarakat az α-sugaraktól úgy elkülöníteni, hogy az utóbbiak maradjanak vissza. Közelítőleg azonban elég egyszerűen meg lehet oldani a föladatot úgy, hogy igen kevés rádiumsót, igen nagy fölületre terítünk ki; ekkor a csekély tömeg miatt a β- és γ-sugarak olyan gyöngék lesznek, hogy gyakorlatilag elhanyagolhatók, míg az α-sugarak éppen ilyen körülmények között érik el legnagyobb erősségüket. Tehát a gyakorlatban tiszta rádiumsó vékony rétegét használhatjuk arra, hogy csupán α-sugarakat kapjunk β- és γ-sugarak nélkül.
Kísérleteinkhez igen vékony réteget készítettem. Ebben a lapos platinacsészében, melynek fölülete 5 cm2, bepárologtattam körülbelül egy milligramm rádiumbromid-oldatot; a csészét a levegővel érintkező drága bevonatával gondosan elzárom – mikor nincs használatban – egy szárító csőbe, hogy a nedvesség ne ártson neki. Így kelletlen veszteség nélkül most rendelkezésemre áll egy rádiumsóréteg és én megmutathatom vele önöknek az α-sugarakat. A réteg fölé tartom a megelektromozott selyembojtot. Egyszerre összeesik és pedig gyorsabban, mintha az egész 30 mg. rádiumbromid fölé tartanám, a mely a csillámfödte hüvelyben van. Tehát egy milligramm rádium α-sugarainak nagyobb az elektromos hatása, mint 30 mg. β- és γ-sugarainak együttvéve. Most befödöm a rádiumréteget egyetlen ív vékony írópapírral, amely az α-sugarakat egészen föltartóztatja, a β- és a γ-sugarakat meg egyáltalában nem. A mint látjuk, most a bojt töltve marad, éppen úgy, mint ha a rádium ott se volna. Ilyen kevés rádiumnak β- és γ-sugarai nem tudják kisütni.
Ha azonban a papírt egy kissé félrehúzom és szabadon hagyom a rétegnek csak egy kis részét, a bojt szálai rögtön összeesnek. Ezekből a kísérletekből és abból, hogy a rádióaktív anyagok fölfedezésének módja éppen a velök való ilyenféle kísérletezés, már most könnyen megérthetjük, hogy miért maradtak ezek a nagyon hatásos, de gyönge áthatolóképességű α-sugarak eleinte figyelmen kívül.
8. rajz. Készülék az α-sugarak levegő- |
Most egy igazán meglepő kísérletet akarok bemutatni; ez BRAGG, Adelaide-i tanár mélyenjáró kutatásain alapul, melyekre lesz még alkalmunk visszatérni. Az α-sugarakat olyan könnyen föl lehet tartóztatni, hogy néhány cm. levegőréteg már teljesen elnyeli őket. De az α-sugarak ezt a tulajdonságukat olyan különös módon mutatják, a hogyan egyetlen más sugárfajta sem. Minden egyes, ugyanazon fajtához tartozó α-sugár pontosan ugyanannyira hatol bele az elnyelő közegbe és teljesen megáll, ha egy meghatározott vastagságon már keresztülhatolt. Ennek az a következménye, hogy ha egy homogén α-sugárnyalábbal dolgozunk, akkor ezen a vastagságon túl semmi hatás sem mutatkozik, míg ezen a vastagságon innen a hatás igen jelentékeny. Említettük már, hogy a rádium α-sugarai összetettek és négy különböző fajtából állanak; ezek mindegyikének megvan a maga határozott hatótávolsága, azaz tartozik hozzá bizonyos rétegvastagság, melyen még éppen keresztül tud hatolni. A mi kísérletünkhöz nekünk csak a legjobban áthatoló sugarakra van szükségünk, melyek BRAGG vizsgálatai szerint 71 mm. vastag, rendes nyomású és szobai hőmérsékletű levegőn képesek keresztülhatolni, vastagabb rétegen nem. Már most ez a palaczk (8. és 9. rajz), melynek átmérője valamivel nagyobb 140 mm.-nél, fönt,
9. rajz. Az α-sugarak levegőben való |
a belső felületén, vékony rétegben, foszforeszkáló czinkszulfiddal van bevonva. Ezekre az α-sugarakra ugyanis sokkal érzékenyebb a kristályos czinkszulfid, vagy miként nevezik, a Sidot-féle hatszögű fényle, mint a platinocziánid, a willemit, vagy más foszforeszkáló anyag, melyeket a α- és a γ-sugarak kimutatásánál szoktak használni. Ezt a palaczkot úgy állítom, hogy alulról beletolhassam az én platinacsészikémet, rádiumrétegével fölfelé és egy dugó segélyével a palaczk közepében tarthassam. Ha a palaczk tele van levegővel, akkor a sötétben alig veszünk észre benne valami fényt. Az a 70 mm. vastag levegő ugyanis, a mely a rádiumréteget minden oldalról körülveszi, elég arra, hogy minden α-sugárnak útját állja; a kevés rádiumnak β- és γ-sugarai pedig nagyon kis hatást mutatnak a czinkszulfidon. De én a palaczkot egy légszivattyúval kötöttem össze és kiszivattyúzhatom belőle a levegőt. Alig indítom meg a szivattyút, már az egész palaczk világít lumineszkáló fényben és a mint a szivattyúzást folytatom, a világosság mind erősebb lesz és közvetlen környezetét is bevonja kedves, fehér fénynyel. Most újra beengedem a levegőt és a fény éppen oly gyorsan eltűnik, mint a hogy jött. Látjuk tehát, hogy megfelelő elrendezés mellett, ha ugyanis figyelemmel vagyunk az α-sugarak sajátos tulajdonságaira, a melyeket a fizikusok nagy gonddal megállapítottak, igen kevés rádiumbromidból is nyerhetünk elég erős fényt, míg ugyanannyi rádium, ha nem rendezzük el olyan ügyesen,
nagyon kevés hatást mutat. Közben megjegyzem, hogy ha valakinek valamilyen rádiumvegyülete van, ne hagyja szabad levegőn, mert nedvességet szí magába, olvadni törekszik és ez által az α-sugarak elvesztik hatóképességüket.
Tudvalevőleg azok a kérdések, a melyek a sugárzás mibenlétére vonatkoznak, a fizikának legalapvetőbb kérdései közé tartoznak és talán mélyebben magukban hordják azt a metafizikai kapcsolatot, a mely a természeti tünemények külső világa és ama szubjektiv lelki folyamatok között fönnáll, a melyekkel a tünemények megvilágítására és észszerű magyarázatára igyekszünk. Vegyük például a fény mivoltának folyton előttünk lebegő nagy problémáját. Van-e valami, a mi ennél nehezebben volna fölfogható? A nehézségeket nem csökkenti, hanem fokozza az energiáról, mint olyan szálló valamiről való határozott fölfogásunk, melynek fizikai létet tulajdonítunk.
Tekintsük át, a mennyire tudjuk, egy szempillantásra minden erőnek forrását, a mely a földön vagy a tengeren, vagy az égen bármit is mozgásra késztet. Elenyészően kevés, gyakorlatilag elhanyagolható mozgás kivételével – a milyenek az árapály, a vulkános erők és hogy el ne felejtsük, a rádióaktív anyagok keltette mozgások – minden test mozgását közvetlenül vagy közvetve annak a sugárzásnak az energiája okozza, a melyet földünk a naptól nyer fény és hő alakjában. Nagy tömegek mozognak ide-oda olyan események miatt, a melyek a napon, tehát tőlünk 150 millió km. távolságban, többé-kevésbbé régen mentek végbe. A mint a sugárzás jelenségén gondolkozni kezdünk, elkerülhetetlen annak a kutatása, hogy mi az a közeg, a mely a légüres teret is kitölti és a melynek közvetítésével az energiának nevezett valami a távoli világokból hozzánk eljuthat? Elnevezzük ezt a közeget éternek és fölruházzuk mindenféle anyagi és álanyagi tulajdonságokkal. KELVIN lord, úgy látszik, minden pihenőidejét azzal töltötte, hogy az anyagot mintegy éterré finomítsa. Igyekezett ugyanis a legkülönfélébb szellemes összeállításokkal, hasonlatokkal, anyagi mintákkal – mert hiszen csak ezeket tudjuk fölfogni – olyan szerkezeteket alkotni, a melyek a megfoghatatlan és mindent betöltő és áthatoló étert legalább némiképpen utánozzák. Mások viszont – a kik abból az elvből indultak ki, hogy ha mindent a fejetetejére állítanak, de azt elég következetesen és elég általánosságban teszik, végre is olyan rendszerhez jutnak, a mely semmivel
sem kevésbbé logikus és észszerű, mint az eredeti volt – az éternek óriási sűrűséget tulajdonítottak és az anyag atómjaít úgy fogták föl, mint hiányokat vagy lyukacsokat ebben az éterben. A drótnélküli telegráfia jelenlegi korában senki sem tagadhatja egy mindent betöltő és átjáró közeg – éter – létezésének szükségességét, de valódi mibenlétéről annyira elágaznak a vélemények, a mennyire csak elágazhatnak. (*)
Ma különben a legújabb fizikának inkább az a törekvése, hogy az anyag jelenségeit vezesse le és értse meg az éter tulajdonságai alapján, semmint hogy az étert szerkeszsze meg anyagi, vagy álanyagi minták után. Persze mindezideig nagyon keveset tudunk az éter tulajdonságairól. Egyetlenegyet tudunk biztosan és ezt már jó régen tudjuk, azt ugyanis, hogy mekkora sebességgel terjednek az éteren át a reá gyakorolt hatások. Ez a sebesség 300000 km. másodperczenként, a fény terjedéssebessége. Eddigi tudomásunk szerint az éterben minden hatás ugyanezzel az egy határozott sebességgel terjed tova. A fény, az elektromágneses sugarak, melyeket a drótnélküli telegráfiában használnak, a mágnességi viharok, melyek a napról érkeznek hozzánk, és valószínűleg a Röntgen-sugarak is ugyanezzel a sebességgel futnak az éteren át.
NEWTON nagy szelleme már két évszázaddal ezelőtt teljességében fölfogta azt a nehézséget, a melybe a sugárzás megmagyarázása ütközik és megmutatta azt az egyetlen utat, a melyen át ki lehet kerülni az újabb éterelméletet, a mely különben tudtommal mindig előtérben állott.
A fényt, NEWTON föltevése szerint, roppant kicsiny anyagi részecskék, az ú. n. korpuszkulumok okozzák, a melyeket az izzó test óriási sebességgel lövell ki magából. Ez a korpuszkuláris elmélet, legalább a fény esetében, közelebbi vizsgálatok alapján tarthatatlannak bizonyult és helyet adott a mai hullámelméletnek, mely szerint a fény nem más, mint annak az éternek a keresztrezgése, a melynek föltevése éppen oly szükséges a grávitácziós, mágnességi, a földünkre kívülről jutó minden energia tovaterjedéséhez, mint magához a sugárzáshoz. Különös dolog mégis, hogy éppen a korpuszkuláris elmélet, a mely a fényjelenségek körében helytelennek bizonyult, most mint NEWTON szellemének egyik legértékesebb fölcsillanása mutatkozik előttünk, mely két évszázaddal
(*) A mai álláspont szerint éter nem létezik, a fény pedig külön számára rendelt közeg nélkül terjed a térben. [NF]
előzte meg a kísérleti fölfedezéseket. Ma hála a rádióaktivitásnak a természettudomány az α-‚ β- és γ-sugarakkal gazdagodott és ezek közül legalább két fajta, az α- és a β-sugárzás, nem az éter rezgéséből ered, mint a fény, hanem igen apró anyagi részecskéknek (atómoknak és korpuszkulumoknak) óriási sebességgel való kilövelléséből. Ez egyike annak a két főbizonyítéknak, hogy a rádióaktivitás az "atómbomlás"-nak egyik kísérő jelensége.
De ma este még nem lesz ajánlatos, tárgyunknak ebbe a részletébe belemélyednünk. Helyesebb lesz azt későbbre halasztanunk. Egyelőre elég annyit megjegyeznünk,hogy az α- és a β-sugarak, vagy a mint ezután mondani fogjuk, az α- és a β-részecskék a rádióaktív anyag bomlást szenvedő, "dezintegrálódó" atómjainak könnyebb részét alkotják. Rendes körülmények között úgy látszik, mintha a rádium egyszerre α- és β-részecskéket is lövellne ki, de később látni fogjuk, hogy ez csak annak tulajdonítandó, hogy egymás után többféle atómbomlás megyen végbe és hatásukat együtt tapasztaljuk. A szóbanforgó sugarak annyira különböznek a fénysugaraktól, hogy érdemes lesz egy kissé közelebbről megvizsgálnunk, miben is áll ez a különbség?
A fény hullámelméletét rendesen azzal a mozgással szokták magyarázni, a mely akkor keletkezik, ha álló vízbe követ dobunk. Onnan, a hol a víz nyugalmát megzavartuk, közös középpontú körökben hullámok terjednek kifelé. A víz ott, a hová a hullámzás elért, rendes szintje fölé emelkedik, majd ismét alája száll. Ez a hullámzás kereszt-(transzverzális) hullámzás, azaz míg a továbbterjedés vízszintes síkban történik, addig a víz fölszíne függőlegesen mozog föl- és lefelé. A víz fölszíne föltárja a hullámzás mozgása természetét, de a hullámmozgás a fölszín alatt is végbe megyen, úgy, hogy minden körhullám tulajdonképpen egy félgömbhullámnak egyik metszete. Olyan éterfelületet, a milyen a víz fölülete, nem létesíthetünk, mert az éter minden irányban kiterjed. A fény is, a fénylő pontból minden irányban, gömbhullámokban terjed, úgy, hogy az ide-oda rezgés iránya merőleges a fény terjedésének irányára. Állítsuk ezzel szembe azt, a mit valamely rádióaktív anyagból kilövellt α- és β-sugarakról gondolunk. A sugarak itt is egyenletesen mennek minden irányban, de nem gömbhullámok egymásutánjában, hanem mintha parányi lövedékeknek rengeteg rajai repülnének ki a rádióaktív anyagból. Rövidség kedvéért ezt "diszkrét elmé-
letnek" * fogjuk nevezni, ellentétben a hullámelmélettel, mert itt a sugárzást annak tulajdonítjuk, hogy egymástól független, diszkrét (különálló) részecskék repülnek rajokban a rádióaktív anyagból mindenfelé, miként valamely kerék küllőinek irányai. Alig lehet két elütőbb jelenséget találni. Hogy hatásukat még sem könnyű egymástól megkülönböztetni, azt semmi sem bizonyítja jobban, mint hogy hosszú ideig folyt a vita a két elmélet között magára a fényre vonatkozólag is.
Nagyobb világosság kedvéért itt előlegeznem kell valamit. Régi dolog, hogy az anyag legparányibb részében is még elképzelhetetlen sok különálló atóm van. Ebben a 30 mgr. rádiumbromidban például, a mint azt hozzávetőleg megmondhatjuk, 50 milliószor billió (5·1019) különálló rádiumatóm van, föltéve, hogy a vegyület tiszta. Be van bizonyítva, hogy ezek közül évenként egy kétezredrész szenved atómbomlást. Minthogy egy évben kereken 32000000 másodpercz van, tehát minden másodperczben nem kevesebb, mint ezer millió rádiumatóm bomlik föl α- és β-részecskékre, a melyek száma az összes számnak bizony elég csekély része. Könnyű elképzelni, hogy ha ilyen hatalmas sereg repül kifelé minden irányban, az oly tökéletesen betölti a teret mindenütt, mintha folytonos gömbhullám haladna előttünk. Más szóval, hacsak a kilövellt részecskék száma elég nagy, akkor a diszkrét sugárzás sok általános hatásában és terjedésbeli törvényében megegyezik a hullámzó sugárzással. Igaz, hogy ilyen diszkrét sugárzás nem mutathat sem szabályos visszaverődést, sem szabályos törést, vagy polározást, olyat, a milyet a fény, de éppen ezeknek a jelenségeknek a hiányzása egyik főbizonyítéka az α- és a β-sugárzás diszkrét voltának. (*) Ha viszont a kilövellt részecskék számát folyvást kisebbítjük, az által, hogy a rádium mennyiségét mind kisebbre veszszük, el kell érnünk ahhoz a határhoz, a melyen túl a diszkrét sugárzás már nem kelti a hullámzó sugárzás látszatát. Itt meg kell szakadnia a folytonosságnak és szakadásoknak kell mutatkozniok, hasonlóan azokhoz a folytonos fényfoltokhoz az égen, a melyeket ködfoltok neve alatt ismerünk és a melyek, a mint erősebb és erősebb messzelátóval nézzük őket, mindjobban szétfeslenek, folytonossági hiányokat mutatnak, míg végre
* Korpuszkuláris elméletnek is nevezik az irodalomban.
(*) 1927-ben Davisson és Germer bebizonyította (katódsugaraknak kristálylemezre való ejtésével és ernyőn való felfogásával), hogy a felgyorsított és koncentrált elektronáradatnak hullámsajátosságai vannak. Ezen az elven működik az elektonmikroszkóp. Hasonló kísérletek igazolták, hogy protonokat, α-részecskéket és egész ionokat is fel lehet gyorsítani annyira, hogy hullámként legyenek észlelhetők. Ezen jelenségek az anyag kettős természetét tanúsítják, és velük a kvantummechanika foglalkozik. [NF]
megszámlálhatatlan csillagok rajára bomlanak föl. Föl lehet-e vajjon ilyenféleképpen bontani az α-sugarak valamely raját is?
Ha valakit, azok közül az idősebb fizikusok közül, a kik először állapították meg gondos számításaik alapján egyetlen atóm súlyát és méreteit, és először határozták meg az atómok billióit, melyek az anyagnak érzékeinkkel fölfogható legkisebb részecskéjében vannak, komolyan megkérdeztük volna, lehetséges lesz-e valaha valamely anyagnak egyetlen atómját külön észlelnünk, bizonyára még a gondolatot is visszautasította volna, mint legnagyobb képtelenséget. Egyetlenegy anyagi atóm! Nem tudom elfelejteni ezt a fölkiáltást, a melyet egy előkelő vendégünk, a ki éveket töltött a mikroszkóp mellett az észrevehető és észrevehetetlen határán, mindenféle változatban és hangnemben elismételt, midőn a British Association egyik ülésén éppen ezt a kérdést vitattuk.
Végezzünk csak egy kis számvetést és lássuk, van-e valami reménység, hogy a rádiumból kilövellt egyetlen α-részecske hatását külön észrevehessük, éppen úgy, a hogy a csillagászatnak sikerült a ködfoltokat alkotó csillagokat egyenként észlelni.
Első előadásomban már megemlítettem (17. l.) a rádiumnak azt a legkisebb mennyiségét, a melyet az aranylemezes elektroszkóppal még kimutathatunk, a kilövellt α-sugarak hatása alapján. Ez a mennyiség egy ötvenmilliomod milligramm. A mint láttuk, 30 mgr. minden másodperczben néhány ezer millió α-részecskét bocsát ki. E szerint a közönséges elektroszkóppal kimutatható legkisebb rádiummennyiség csak egynéhány α-részecskét lövellhet ki másodperczenként. RUTHERFORD ez alapon nem is tartotta lehetetlennek, hogy az α-sugarakban folytonossági hiányt lehet majd fölfedezni, ha igen kis mennyiségű rádiumot használunk.
A föladatot egészen váratlanul CROOKES WILLIAM oldotta meg egy készülékkel, melyet maga szerkesztett és "szpintariszkóp"-nak nevezett el. Ez a készülék az egyetlen rádiummal dolgozó készülék, melyet műszerésznél vásárolni lehet és pedig mindenestől, rádiummal együtt néhány koronáért. Ennek az olcsóságnak az okát éppen abban kell keresnünk, hogy itt a czél az volt: a rádiumnak lehető legkisebb mennyiségét használni; ez a különös követelés lehetővé tette szinte végtelen sok szpintariszkóp készítését a rádiumbromidnak alig látható mennyiségéből. Egy-egy készülékben lévő rádiumbromid teljességgel megmérhetetlen kicsiny és
10. rajz. CROOKES |
11. rajz. CROOKES szpintariszkópja. |
láthatatlan. CROOKES az A tűt (10. és 11. rajz) rádiumoldatba mártotta, azután beleerősítette egy sárgarézcső közepébe, a mely akkora, mint egy gyűszű és a melynek a fenekén a B foszforeszkáló ernyő van czinkszulfiddal bevonva. A cső másik végén a C nagyító lencse van; a D csavarral pedig a tű hegyét kívülről közelebb vagy távolabb tolhatjuk az ernyőhöz. Ha már most sötét szobában az ernyőt a lencsén át megfigyeljük, látjuk, hogy világít és világosságát egy pontba gyüjthetjük, vagy szétteríthetjük a szerint, a mint a tűt az ernyőhöz közelebb vagy távolabb csavarjuk. A mint szemünk a sötétséghez hozzászokott, észreveszszük, hogy az ernyő világítása nem folytonos, nyugodt fényű. Részekre szakadozott és folytonossági hiányokat mutat éppen úgy, mint a ködfoltok. Hasonló a hulló csillagrajokhoz. Pillanatnyi fényes fölvillanások tűnnek föl és húnynak el látóterünkben olyan nagy számban, hogy megszámlálni nem tudjuk őket. Ezeket a villanásokat a rádium α-részecskéi hozzák létre. Az a parányi rádium bizonyára α-részecskéket lövell ki magából és bármily hihetetlennek látszik, folytonosan bombázza az ernyőt, sőt ha egy hónap mulva újra megnézzük készülékünket, a fölvillanásokat éppen oly szaporáknak, éppen oly fényeseknek fogjuk találni, mint ma. Körülbelül egy év alatt aztán az ernyő hasznáhódik el, a folytonos bombázás alatt elveszti érzékenységét és ki kell cserélni. De ha újat tettünk helyébe, a rádiumot ugyanolyan erőteljesnek találjuk, mint azelőtt. A készülék tulajdonosa el fog húnyni, örököseit, azok utódait, de talán egész faját is rég elfelejtették már, a mikor a rádium még mindig nem mutat semmi észrevehető kimerülést.
Egy α-részecskének rendkívül kicsinynek kell lennie, különben nem bocsáthatna ki ilyen csöpp rádium szakadatlanul annyi és oly sok egyénből álló rajt. Az α-részecske, miként ki fogjuk mutatni, minden valószínűség szerint hélium atóm, a hidrogén után a legkönnyebb az összes ismert atómok közül. 30 mgr. rádium minden másodperczben körülbelül ötezermillió α-részecskét bocsát ki és ha száz és száz éven át minden másodperczben kilövellt rajokat összeszámítjuk, akkor lehet valamelyes fogalmunk róla, hány atóm lehet 30 mgr. anyagban és milyen kicsiny tehet egy atóm. Csak tíz évvel ezelőtt is nevetségeánek tartották volna azt remélni, hogy valaha is egy nagyítón át egyetlen atóm hatását figyelhessük meg, pedig a szpintariszkóp egy-egy fölcsillanása semmi egyéb, mint éppen egy atóm ütközésének következménye.
A szpintariszkóp csak a kezdet volt, most már több bizonyítékunk van reá, hogy az α-sugárzás nem folytonos jelenség és hogy miben áll egy α-részecske. Ma már több rádióaktív anyagot ismerünk, a melyek – mint pl. a polónium – idővel lassanként teljesen elvesztik rádióaktivitásukat. Ennek okát már előre is abban kereshetjük, hogy a polónium atómbomlása igen gyors, néhány év alatt teljesen bevégződik. Ha ez a folyamat csak valamelyest is hasonlítana, mondjuk, a forró test kihűléséhez, akkor azt várhatnók, hogy idő multával a erősségének fokozatos kisebbedésével, jellegének fokozatos megváltozása fog beállani; pedig a sugárzás jellege itt ugyanaz marad, mint eredetileg volt, akkor is, mikor már majdnem teljesen kialszik. Ezt abból a föltevésből érthetjük meg, hogy az α-részecskék száma az aktivitással együtt fogy ugyan, de egy-egy α-részecske sebessége és jellege ugyanaz marad, akár a folyamat elején keletkezett, akár a végén. BRAGG tanárnak az a fölfedezése, hogy minden α-részecskének megvan a maga jellemző hatótávolsága (áthatolóképessége), a hullámelmélet alapján egyáltalában nem magyarázható meg. A polóniumból származó α-részecskék hatótávolsága pl. 38 milliméter levegő és bár a polónium α-sugárzása néhány év alatt teljesen megszűnik, azért az α-részecskék hatótávolsága mindvégig pontosan ugyanaz marad.
Ezzel kapcsolatban föl kell említenünk RUTHERFORD-nak és munkatársának, GEIGER DR.-nak valóban csodálatos kísérletét, melylyel adott rádiummennyiségből másodperczenként keletkező α-részecskéket közvetlenül megszámlálták. Ismeretes dolog, hogy
az elektromos gép két gyüjtője, vagy más elektromos forrás két pontja között megfelelő körülmények között szikra ugrik át. Tegyük föl, hogy a két pont éppen annyira van egymástól, hogy az adott feszültség mellett már nem keletkezik szikra, aztán hozzunk közelükbe egy kis rádiumot. Akkor egyszerre szikra ugrik át. A rádium sugarai ugyanis a levegőt jobb elektromos vezetővé teszik, úgy, hogy hatásuk alatt a kisülés nagyobb távolság mellett is beáll, mint különben. A szikraképződés ezen durva módját helyettesítsük annak a roppant érzékeny eszköznek a kisülésével, a melyet elektrométernek neveznek, – a melyen egy tű tér ki a kisülés pillanatában, a tűre tükör van erősítve, erről egy fénysugár verődik vissza, éppen úgy, mint a galvánométeren és akkor már kész is van nagyjából RUTHERFORD kísérleti elrendezése. Ilyen elrendezést aztán olyan érzékennyé tudtak tenni, hogy egyetlen α-részecske haladásának a szikraközre való hatása elég volt arra, hogy az elektrométer tűjéről jövő fénysugár, hirtelen lökéssel, elmozduljon. A kísérlet már most abban áll, hogy adott idő alatt meg kell számlálni az elektrométer tűje kilendüléseinek számát, ha ismeretes mennyiségű rádiumot adott távolságra helyezünk el a készüléktől. A rádiumot a készüléktől néhány méternyire helyezték el és az α-részecskék egy hosszú légüres csövön repültek ki, melynek végén kis nyílás volt, hogy az α-részecskéknek csak egy igen kis, kiszámítható hányadát bocsássa át. A végzett kísérletekben úgy választották meg a rádium távolságát és az α-részecskéknek utat adó nyílás nagyságát, hogy körülbelül mmden 100 millió közül csak egy α-részecske jutott el a készülékhez. Az eredmény az volt, hogy 60 mgr. rádium egy másodpercz alatt rendes körülmények között mintegy tízezermilhió α-részecskét lövell ki. Pontosabb érték: egy milligrammra 136 millió másodperczenként. Ezeket az eredményeket azzal is ellenőrizték, hogy a szpintariszkópnak egy módosított alakjában megolvasták a fölvillanások számát másodperczenként. Mindig voltak tudósok, a kik az atómot és az atómelméletet bizonyos gyanúval nézték és sohasem mulasztották volna el hangoztatni, milyen sok bennök a feltevés. Éppen azért joggal tekinthetjük a természettudomány egyik legnagyobb diadalának, hogy most a természetbúvár egy készülék előtt ülve, órájával kezében a szó szoros értelmében megszámlálhatja az atómokat, a melyek készülékébe a rajta kívül fekvő rádiumból berepülnek.