IV. FEJEZET
A β-sugarak. – Mágnes okozta kitérésük. – A β-sugarak mibenléte. – Hasonlóságuk a katódsugarakhoz vagy a sugárzó anyaghoz. – A β-sugarak sebessége. – Az α-részecskék mibenléte. – Sebességük. – Keresztül tudnak-e hatolni az útjukba eső atómokon? – Lehetnek olyan α-részecskék is, melyekről nem szerezhetünk tudomást.
A rádióaktív testek háromfajta sugarainak elemzésében és valódi mibenlétük meghatározásában, áthatolóképességüknek különböző voltán kívül igen jó szolgálatokat tett egy másik tulajdonságuk is: az ugyanis, hogy bizonyos sugárfajtákat a mágnes erősen kitérít irányukból, másokat kevésbbé, vagy egyáltalában nem. Ha pl. valamely rádióaktív anyag β-sugarait hajtjuk keresztül valamely mágnes sarkai között, e sugarak nagyon erősen kitérnek eredeti irányukból, sőt ha a mágnes elég erős, esetleg zárt körökbe, illetőleg spirális vonalakba csavarodnak össze.
12. rajz. A rádiumos szelenczét úgy helyezték az elektromágnes sarkai közé, hogy a sugarak az erővonalakra merőleges irányba haladva a tulsó oldalon lévő ernyő felé törekedjenek. |
FARADAY minden mágnes északi és déli sarkai közé mágneses erővonalakat képzelt és valódi létet tulajdonított nekik. Ezen az elektromágnesen (12. rajz) itt az asztalon a két sark egymással szemben van és az erővonalak a két sarkot összekötő egyenes vonalak. FARADAY példájára ezekről az erővonalakról ma is úgy beszélünk, mintha valóban léteznének. Elektromágnesnek olyan készüléket nevezünk, a melyben egy darab lágy vasat mágnessé tehetünk az által, hogy elektromos áramot bocsátanak át a köréje csavart dróttekercsen. A jó minőségű lágy vas, az aczéltól eltérően, nem tart meg számbavehető maradandó mágnességet, úgy, hogy míg egyrészt elektromos árammal könnyen megmágnesezhető, másrészt mágnessége csak addig tart, a míg az áram folyik és úgyszólván teljesen megszűnik, a mint az áramot megszakítjuk.
Már most tegyük föl, hogy a mágnes sarkai között, az erővonalakra merőlegesen a β-sugaraknak egy nyalábja halad át. A sugarak megváltoztatják irányukat, köralakba igyekeznek csavarodni a mágneses erővonalak körül. Tekintsünk az erővonalak irányában az északi pólustól a déli pólus felé, azaz, képzeljük el, hogy szemünk az északi sarkban van és a déli sark felé tekint, akkor a β-sugarakat olyan irányban látjuk elhajolni, a mely az óramutató járásával ellenkező. Ha viszont a déli sarkból nézünk az északi felé, akkor a keringés iránya az óramutató járásával
13. rajz. A rádium β-sugarainak eltérítése mágneses térben. (A fölső rajz esetében az elektromágnes árama meg van szakítva.) |
megegyezik. Ha tehát rádiumot teszünk a mágnes sarkai közé alul, és föléjük egy báriumplatincziánid ernyőt, a távolságokat pedig úgy alkalmazzuk az elektromágnes erősségéhez, hogy a β-sugarakat kisebb átmérőjű körökbe csavarja, mint a rádium és az ernyő távolsága, akkor az ernyőt egyetlen β-sugár sem éri. A 13. rajzon mindezt jól láthatjuk. Ezen a rajzon a szemet a déli sarkba kell képzelnünk, a mint az északi sark felé tekint. A fölső rajzon a szem és az északi sark között áthaladó egyenes β-sugarak még érik az ernyőt. Az alsó rajzon a mágnes már működik, a sugarakat az óramutató járásával megegyező irányban körökbe kényszeríti és egy sugár sem éri az ernyőt.
A rádium a csillámlemezzel elzárt hüvelyben van, tehát csak a β- és a γ-sugarak érvényesülhetnek, az α-sugarak elnyeletnek. Az ernyő gyönyörűen tündöklik a sötétben mindaddig, a míg az elektromágnes nem működik. Most zárom az áramot és az ernyő világítása szinte teljesen megszűnik. Az a gyönge fény, a mi megmarad, a γ-sugaraktól ered, a melyeket eddigi tudomásunk szerint a legerősebb mágneses erő sem képes kitéríteni. Ha egy kis pénzdarabot teszek
közbe, úgy, hogy a γ-sugaraknak előbb ezen kelljen átmenniök, mielőtt az ernyőt érhetnék, a gyönge fény alig változik. Most kikapcsolom az áramot, a mágnes rögtön elveszti mágnességét, a β-sugarak körpályájukból egyenes vonalú pályájukra pattannak vissza, beleütköznek az ernyőbe, mely ismét fölragyog. Ha ezután iktatom közbe a pénzdarabot, ez majdnem teljesen megszünteti az előbbi ragyogást és csak az a gyönge fény marad, a mely a γ-sugaraktól származik.
Annak, a ki a fizikában csak kissé is járatos, rögtön föltűnik, hogy itt ugyanaz történt, a mi az elektromos árammal történik, ha erős elektromágnes sarkai között kell keresztül áramlania. Ha közönséges drótban vezetjük az áramot, a drót ugyanolyan körökbe igyekszik kanyarodni, a milyenekbe a β-sugarak; küzdelem áll elő a drót természetes merevsége, meg a kitérítő mágnes-erő között és az eredményt az erők viszonylagos nagysága szabja meg. Egy kis ügyességgel azonban az áramot folyadékszálon vezethetjük át, a melynek nincs merevsége. Ugyanis, ha vékony aluminiumdróton igen erős áramot bocsátunk át, a drót fölmelegszik, majd meg is olvad, de nem szakad el, hanem súlyánál fogva nagyon szép izzó aluminium ív lesz belőle. Ez az ív igen érzékeny műszer a mágnes és az áram egymásra való hatásának tanul-
mányozására. Láthatjuk, milyen erősen kitér irányából, ha az elektromágnes sarkai közé akasztjuk és a mágnest működésbe hozzuk. A β-sugarak e szerint teljesen úgy viselkednek útjukban, mint valamely elektromos áram. Ha roppant nagy sebességgel mozgó részecskékből állanának, – a melyek elektromossággal vannak töltve –‚ akkor is, tudjuk, hogy ugyanúgy viselkednének a mágnessel szemben, mint hajlékony vezetőben haladó áram.
A β-sugarak haladás-irányát már ismerjük, nevezetesen tudjuk, hogy útjuk a rádiumból indul ki; de nem tudjuk, vagy legalább eddig nem tudtuk, hogy az elektromosság az elektromos áramban milyen irányban mozog? Mégis – tisztán csak megállapodás-szerű szokásból – szoktunk az áramvezető drótnak a pozitiv és negativ végéről beszélni. Igaz ugyan, hogy azt se tudjuk biztosan, hogy kétféle elektromosság van-e: pozitiv és negativ, vagy pedig csak egyfajta van-e igazában és a másik fajta látszatát valami elektromos hiány féle vagy elektromos vákuum okozza. Olyanféleképpen vagyunk vele, mint a meleggel és a hideggel, csakhogy ez esetben tudjuk, hogy a melegség az igazán létező és a hidegség csak ennek hiánya (helyesebben kisebb foka) a melegnek. A fizikus beszélhet ennyi meg annyi melegről, mondhatja, hogy valamely testben több hő van, mint a másikban, de nem szokott ennyi meg ennyi hidegről beszélni, vagy arról, hogy egyik testben több hideg van, mint a másikban, pedig ez sokszor nem is vezetne félreértésre. Éppen így egészen helyesen beszélhetünk, a nélkül, hogy félreértésre adnánk okot, kétféle elektromosságról: pozitivról és negativról. Ha elektromos áram halad át valamely dróton, akkor mondhatjuk azt is, hogy pozitiv elektromosság áramlik a végétől a vége felé, vagy pedig, hogy negativ elektromosság áramlik a – végétől a + vége felé. A két kifejezésmód egyenértékű és ebben az esetben e két fölfogás egyre megy. Ha azonban azt teszszük föl, hogy csak egyfajta elektromosság van, a negativ, akkor a pozitiv töltésű testen vagy atómon egyszerűen olyat értünk, a melyen kevesebb a negativ elektromosság, mint a közömbös, vagyis töltés nélküli testen szokott lenni.
A β-sugarakban az elektromossággal töltött részecskéknek olyan mozgásával van dolgunk, a mely a rádiumból indul ki; kérdés már most, vajjon ezek a részecskék pozitiv vagy negativ
töltésűek-e, ha a pozitiv és negativ szavakat a szokott értelemben használjuk. Ha a sugarak abban az irányban térnének ki, a melyben egy a + és – vég között a sugarakkal egy irányban haladó áram kitér, akkor azt kellene következtetnünk, hogy a β-sugarak pozitiv töltésűek. Tényleg azonban éppen az ellenkező eredményre jutottak. Ha ugyanis a mágnes a β-sugarakat az óramutató járásával megegyező irányba tereli, akkor az a pozitiv áramot az óramutató járásával ellenkező irányba téríti. Hogy tehát a β-sugarak kitérési irányát utánozhassa, az áramnak negativnak kell lennie, azaz vagy negativ elektromosságnak kell a β-sugarak iránya mentén áramolnia, vagy pedig pozitiv elektromosságnak az ellenkező irányban. Minthogy végre semmi okunk sincs abban kételkedni, hogy a β-sugarak a rádiumból indulnak ki, kell, hogy az az elektromosság, a melyet e sugarak magukkal hordanak, negativ legyen.
Minden újkori fölfogás megegyezik abban, hogy ha csak egyféle elektrornosság van, akkor az éppen az a fajta, a melyet szerencsétlenül negativnak neveztek el. A pozitiv, ilyen módon, éppen úgy, mint a hideg, csak a másik fajtának a hiányát jelenti, vagy ha csakugyan van, akkora másik fajtának valami tükörképe. Én magam azt ajánlanám, hogy nevezzük el a negativ elektromosságot "elektromos meleg"-nek és a pozitiv elektromosságot "elektromos hideg"-nek. Különben erre a kérdésre az igazi feleletet megtalálni, igen nagy haladást jelentene, azért jó ideig ez nem is várható. (*)
A β-sugarak viselkedése a mágnes-térben egyszerre rokonságba hozza őket néhány régebben ismeretes sugárzással, a melyeket igen nagy légritkítású csövekben történő elektromos kisülések hoznak létre; e csöveket első módszeres kutatójukról, CROOKES-féle csöveknek nevezik. Ebbe a kérdésbe nem akarunk mélyen belemenni, mert a rádióaktivitásról megjelent újabb népszerű könyvek éppen ezt tárgyalják legalaposabban. Meg fogunk elégedni egy rövid összefoglalással.
A β-sugarak nagyon hasonlítanak CROOKES WILLIAM "sugárzó anyagához" (katódsugaraknak, vagy katódáramlásnak is nevezik őket), mely akkor keletkezik, ha elektromosságot igen erős ritkítású edényen át sütünk ki. A szükséges légritkítást kis fáradsággal elérhetjük higanyos szivattyúval, a mely ugyanazon az elven alapul, a melyen TORRICELLI híres kísérlete a barométercsővel. Mostanában azonban sokkal gyorsabb és eredményesebb mód-
(*) A kérdés nem olyan egyszerű, amilyennek máról visszatekintve látszik. Az elektromos jelenségek magyarázata, mint Soddy is említi, összefér mindkét fajta elektromos alaprészecske létének feltevésével. Másrészt tudjuk (Anderson, 1932), hogy az elektronnak létezik a pozitron nevű antirészecskéje is, amely magreakciókban megfigyelhető, s amely földi körülmények között igen hamar léte végére ér. Protont először 1919-ben sikerült atommagból kilökni (Rutherford). [NF]
szereket is használnak. Egyik ilyen eljárás abban áll, hogy a levegőnek utolsó nyomait kókuszdióból készült faszénnel nyeletjük el, melyet előbb DEWAR JAMES módszerével a folyékony levegő hőmérsékletére hűtünk le. Másik eljárás szerint, melyet itt a fizikai-chemiai laboratóriumban fedeztek föl, a levegő végső maradványait, a kálcziumfém gőzével nyeletjük el, a melyet külön e czélra szolgáló vákuumkályhában igen magas hőfokra hevítettünk. A magasfokú vákuumban a katód, azaz a negativ sark körül a kisülés világító részecskék áramaiból áll, a melyek egyenes vonalakban röpülnek és ott, a hol az edény falába ütköznek, élénk zöldszínű fluoreszkálást keltenek. Az útjukba helyezett akadály éles árnyékot vet és az üveg ott, a hol az akadály megvédi a részecskék bombázásától, nem fluoreszkál. Ezek a részecskék is negativ elektromos töltésűek, energiájuk igen nagy, a mennyiben fehér izzásba hozzák a platinalemezt, ha útjukba teszszük és erős fluoreszkálásra késztetik a willemitet, éppen úgy, mint a rádium sugarai. Őket is eltéríti a mágnes irányukból éppen oly irányba, mint a β-sugarakat, csakhogy még könnyebben. Itt van egy CROOKES-cső, a melylyel megmutathatom, hogyan térnek ki a katódsugarak a mágnes hatására. Elektródjai fémlemezek, melyek indukcziós tekercscsel, vagy elektromos géppel, vagy akármilyen elég nagy feszültségű elektromos forrással kötendők össze (14. rajz.). Kössük össze az
14. rajz. Katódsugarak.
Az alsó rajzon látható, hogyan téríti el a katódsugarakat a mágneses tér.
egyik elektródot, A-t az áramforrásnak a pozitiv, B-t a negativ sarkával és figyeljünk a negativ elektródra, a melyet katódnak is neveznek. Ebből a csőből is előbb a levegőt annyira kiszivattyúzták, hogy az eredeti levegőnek csak a százezredrésze maradt benne,, aztán beforrasztották. A cső gyönyörűen fluoreszkál, ha elektromosságot sütünk ki rajta keresztül. Ezt a fluoreszkálást azok a sugarak okozzák, a melyek merőlegesen állanak a katód fölületére egyenes vonalban terjednek a csőben és a cső falába ütköznek.
A katód előtt csillámlemez van, közepén egy kis réssel, a mely az összes sugarakból csak egy keskeny nyalábot bocsát keresztül. A cső mentén, hosszában, fluoreszkáló ernyő van – egy lap, poralakú willemittel bevonva. Ha a keskeny sugárnyaláb az ernyőt éri, az ernyő a sugarak útját fényes fluoreszkáló sáv alakjában mutatja. Hozzunk most egy mágnest a cső közelébe: a sugarak élesen kitérnek és pedig jobbra, vagy balra, a szerint, a mint a mágnes északi vagy déli sarka van közelebb. A kitérés iránya ugyanaz, mint a β-sugaraknál volt. Mikor még a β-sugarakról mit sem tudtunk, CROOKES katódsugarairól már bebizonyosodott, hogy negativ elektromossággal töltött roppant kicsiny részecskékből állanak, melyek a katódból hihetetlen sebességgel röpülnek ki.
Mik ezek a részecskék? CROOKES azt hitte, hogy az anyagnak a részei és pedig valami új, negyedik halmazállapotban. Most e részecskék "elektron" néven ismeretesek. Az elektron új és meglepő fogalom azoknak, a kik a régi fogalmakat megszokták, pedig nyomát már FARADAY-nél megtalálhatjuk akkor, a mikor az elektrolízis törvényeit földerítette. Az elektron az elektromosságnak, közönséges értelemben vett anyag nélkül való, tőle leválasztott, önálló, egyéni atómja. Ilyen elektronokból állanak a katódsugarak; az elektronokat a negativ elektród féméből a nagy elektromos feszültség taszítja ki és a léghijás [!] térben szédítő sebességet érnek el. Bármilyen is az elektronok keletkezésének módja, bármilyen körülmények között jönnek is létre, főbb jellemvonásaikban azonosak maradnak. Töltésük mindig ugyanakkora, tehát "tömegük" is, csak sebességük változik tág határok között, a körülmények szerint. Az elektronok, illetőleg mozgásaik, a legváltozatosabb, egymással látszólag semmi összefüggésben nem lévő természeti tüneményeknek az okai és közönséges, kézzel fogható anyaggal
szemben olyanféle a szerepük, a milyen a naprendszerekben a bolygóké a középponti napokéhoz képest. Az elektron tömege az eddig ismert legkönnyebb atómnak, a hidrogénatómnak alig ezredrésze. (*)
Bizonyos tekintetben sokkal többet tudunk az elektronról, mint az anyag atómjairól. Az elektron csakis úgy mozoghat, hogy zavart okoz abban a közegben, a mely mindent folytonosan tölt ki és a melyet – bár sokat igazi mibenlétéről nem tudunk – éternek neveztünk el. Az elektron mozgása, illetőleg mozgásának megváltozása szolgáltatja nekünk a fényt, a Röntgen-sugarakat és azokat a hosszú éterhullámokat, a melyeket a drótnélküli telegráfiában használunk. Az éternek a mozgó elektronra való visszahatása adja az elektron "tömegét". (**) Ezt a kifejezést: "az elektron tömege", a melyet itt az elektromosságnak az anyagtól teljesen ment atómjára vonatkozólag használunk, nagyon világosan és gondosan kell értelmeznünk, ha teljes ellentmondásba nem akarunk jutni a közönséges anyagra vonatkozó eddigi fölfogásunkkal. A "tömeg" szónak itt semmi köze sincs a súlyhoz, vagy a nehézségerőhöz, minthogy egyáltalában nem tudjuk, vajjon az elektronok követik-e a nehézkedés törvényeit?
Itt is, az új eszmék e birodalmában, úgy látszik, nagyobb nehézséget okoznak azok a jelentések, a melyeket a használt szóknak tulajdonítanak, mint maguk a tisztázandó fogalmak. A tömeget gyakran a súlylyal cserélik föl. Ezt itt nem szabad megtennünk. A tömeg, vagy az anyag mennyisége alapfogalom, míg a súly csak leszármaztatott, vagy másodrendű fogalom, a menynyiben csak nehézségi erővel kapcsolatban van értelme. Bizonyos anyagnak, bárhol a mindenségben, a tömege ugyanakkora marad, de a súlya attól is függ, mekkora távolságban vannak tőle az őt vonzó világok. A földön a tömeget valóban a súlyával mérik, mert így a legkényelmesebb, de mi legyen a tömeg mértéke, ha súlylyal nem mérhetjük meg? Ha a térben mindentől elszigetelve, az összes világoktól igen nagy távolságban kellene valamely test tömegét megmérnünk, vagy eldöntenünk például azt, vajjon egy ólomgolyónak vagy vele egyenlő térfogatú fagolyónak nagyobb-e a tömege: ez sem ütköznék leküzdhetetlen nehézségbe. A tömegek különböző voltát ugyanis tehetetlenségük különböző voltáról ismerhetnők föl. Ha mind
(*) A mai pontosabb érték: 1/1837-edrésze. [NF]
(**) A könyv megírásának idejében még volt ok arra, hogy az anyag tehetetlenségének és gravitációs tulajdonságának két jellemzőjét, a "súlyos" és "tehetetlen" tömeget Newton intuitív azonosítási elve ellenére is megkülönböztessék, mert Eötvös Loránd híres kísérletei (1888-tól) makroszkopikus anyagra vonatkoztak – a mikrorészecskék világában pedig a gravitációs kölcsönhatás rendszerint eltörpül a többi mellett, így gyakorlatilag megmérhetetlen. Albert Einstein általános relativitáselmélete (1916) óta a fizikusok feltételezik, hogy a kétféle tömeg még mikrorészecskék esetében is egyenlőnek vehető. [NF]
a két golyót ugyanazzal az erővel ütnők meg, akkor a fagolyó körülbelül húszszor nagyobb sebességgel indulna, mint az ólomgolyó. A hiányzó nehézségerő helyett tehát, a leírt körülmények között a tehetetlenség volna arányos a tömegekkel. Két "súlytalan" vonat összeütközése ugyanakkora pusztulást okozna a vonatokban, mintha az összeütközés a földön történt volna ugyanakkora sebességgel. Ha tehát a fizikus a β-sugár vagy a katód-sugár részecskéjének "tömeg"-éről beszél, egyáltalában nem gondol a súlyra.
THOMSON J. J. mutatta meg, először a katód-, majd a β-sugarak körében, hogyan lehet e sugarak sebességét, töltését és az őket alkotó részecskék tömegét meghatározni.
Az ő módszereivel be lehet bizonyítani, hogy a β-részecskék töltése és tömege egyenlő a léghíjas térben keletkezett katód-sugár-részecskék töltése és tömegével, de a β-részecskék sebessége sokkal nagyobb, mint az ismert leggyorsabb katód-sugaraké. Kitünt tehát, hogy ily β-részecskék, a melyeket a rádium lövell ki, már a rádium előtt ismeretesek voltak. Igaz ugyan, hogy a rádium nagyobb sebességet ad a részecskéknek, bármely eddig ismert ily sebességnél, de a lényeges jellemzőkben: töltésükben, tömegükben azonosak azokkal a részecskékkel, melyeket CROOKES WILLIAM 30 évvel ezelőtt légüres csövekben előállított. Egy prófétai pillanatban "sugárzó anyag"-nak nevezte el őket és – mint sok más prófétát – őt is kigúnyolták fáradozása jutalmául.
További vizsgálatokból kitünt, hogy a katód-sugarak és a β-sugarak részecskéinek a töltése ugyanakkora, a mekkora az elektromossággal töltött hidrogén-atómé. Tehát minden β-részecske egyetlen negatív elektromosság-atóm, bármit is képzeljünk ez alatt. Minthogy ezek a részecskék kisebbek, mint bármely anyagi részecske, sebességük összehasonlíthatatlanul nagyobb bármely anyagi részecske eddig tapasztalt sebességénél. Közel jár a fény sebességéhez, a mely 300000 km. másodperczenként. Míg a katód-sugarak részecskéinek sebessége a léghíjas térben 8000 és 16000 km. között váltakozik, addig a rádium leggyorsabb β-részecskéjének sebessége eléri a 275000 km.-t másodperczenként.
Ez a rádiumnak egyik legnevezetesebb és legáltalánosabb tulajdonsága. Azok a hatások, a melyeket sugarai keltenek, sőt maguk a sugarak sem egészen újak. Mesterségesen utánozhatjuk
is őket bizonyos fokig. De azért a mesterségesen keltett és a rádiumból eredő hatások között nagy a hasonlatosság, de nagy a különbség is. Igen erős elektromos hatók segélyével, tekintélyes energia árán némileg utánozhatjuk a β-sugarakat is, de mindezideig nincs az a mechánikus, a ki bármi módon is képes volna a CROOKES-csőben keletkező katód-sugarak elektrónjainak nagyobb sebességet adni, annak a sebességnek a kis törtrészénél, a melylyel a rádium az ő β-sugarainak elektrónjait kiröpíti. (*) Más tekintetben is így vagyunk. A legnagyobb eredmény is, a mit a rendelkezésünkre álló eszközökkel elérhetünk, igen-igen messze esik attól, a mire egy parányi anyag képes, a melynek atómjai bomlást szenvednek.
15. rajz. |
16. rajz. STRUTT rádium-órája. |
Nem hagyhatom el a β-sugarak tárgyalását a nélkül, hogy be ne mutassam STRUTT tanár egy készülékét, a melynek népszerű neve: rádium-óra. (15. rajz) Ez mindenféle szerkezetnél jobban megközelíti az örök mozgót, pedig csak egy aranylemezkés elektroszkópból áll, melyet a rádium β-sugarainak negatív elektromos sága tart működésben. Néhány milligramm rádiumsó van egy vékonyfalú üvegedényben, A-ban, melyen a β-sugarak könnyen áthatolhatnak; ezt a csövet szigetelő kvarcz-fonál, B tartja, igen erős légritkítású üvegedényben. A cső aljáról két aranyfüst-lemez, C függ alá, éppen úgy, mint az elektroszkópban. A rádiumtól kilövellt β-sugarak negatív elektromosságot visznek magukkal, tehát a visszamaradt rádium pozitív elektromos töltést kap. A mint ez a töltés lassan nő, a csövön függő aranylemezek mind széjjelebb hajlanak mindaddig, míg az edény falait nem érintik, ekkor beáll a kisülés és a játék újból kezdődik. Ez a készülékem (16. rajz) itt az asztalon, körülbelül 5 éve van meg és azóta 3 perczenként újra kezdve, folyton működik. Semmi okunk sincs föltenni, hogy ha valamivel lassabban is, ne működnék ugyanígy ezer évnél tovább.
Az ismertetett módszerek, a melyek a β-sugarak mibenlétére
(*) Ezt a sebességet csak a részecskegyorsítókkal tudták túlszárnyalni. [NF]
fényt derítettek melyekkel a kilövellt részecskék tömegét, töltését, sebességét meghatározták – alkalmasaknak bizonyultak az α-sugarak mibenlétének kiderítésére is, bár itt a kísérletek végrehajtása hasonlíthatatlanul nagyobb nehézségekbe ütközött. RUTHERFORD-nak, a kinek e tárgyra vonatkozó tudásunkat köszönhetjük, hosszú ideig tartó munkájába került, míg a legerősebb mágneseknek némi hatását is fölfedezhette az α-sugarakra, olyan kicsiny e hatás a β-sugarakra gyakorolt hatáshoz képest. Végre mégis sikerült kimutatnia, hogy az α-sugarakat is kitérítik a mágneses és elektromos erők, csakhogy egyenlő körülmények között körülbelül ezerszer kisebb mértékben, mint a β-sugarakat. Azon kívül az α-sugarak eltérítése ellentétes irányú a β-sugarakéval. A hol pl. a β-sugarak az óramutató járásával megegyező irányban kanyarodnak körbe, ott az α-sugarak az óramutatóval ellenkező irányba igyekszenek. Ebből és sok más kísérletből az tünt ki, hogy az α-sugarak pozitiv elektromos töltésű részecskékből állanak. De az α-részecske nem pusztán anyagtalan elektromos töltés, mint a β-részecske, (*) hanem elektromossággal töltött anyagi atóm. Eredetileg azon föltevés alapján, hogy ez az anyagi atóm egy pozitív elektromos atómmal van töltve, azt hitték, hogy kétszer nehezebb a hidrogén atómjánál. Most azonban már bizonyos, hogy két pozitív elektromos atómot hord magával, pedig négyszer nehezebb a
(*) Soddy az "anyagtalan" szót abban az értelemben alkalmazza, hogy az elektron gravitációnak való alávetettsége (mint már láttuk) előtte kétséges volt. Tehetetlen tömegét pedig – mai ítéletünk szerint helytelenül – az nem az elektron anyagiságával, hanem az éterrel indokolta, így legalább magával következetes maradhatott. Ma azonban nem nevezzük az elektront "anyagtalan töltésnek." [NF]
hidrogén atómjánál. Ez összhangzásban van a rádióaktív változásokra vonatkozó további vizsgálatokkal, a melyekkel még meg kell ismerkednünk és a melyek ha nem is közvetlenül, de minden kétségen kívül megállapították, hogy az α-részecske a héliumelem egy atómja. A hélium atómsúlya 4, a mi azt jelenti, hogy a héliumatóm 4-szer súlyosabb, mint az egységül választott hidrogénatóm.
A β-sugarakon kívül, a melyek inkább elektromos, mintsem anyagi természetűek, kétségtelenül az α-sugarak mutatják a legcsodálatosabb jelenségeket. Ha a rádium mást nem tenne, minthogy ezeket az α-részecskéket kilövelli: ez önmagában új korszakot jelentene a természet megismerésében. Vegyük például az α-részecskék sebességét; ha el is marad a β-sugarak sebessége mögött, némely esetben mégis eléri a 20000 km.-t másodperczenként, a mi elég jelentékeny érték. Ez több százszor nagyobb, mint az anyag legnagyobb sebességei, a melyeket eddig égen vagy földön ismertek. Az eddig ismeretes legnagyobb sebesség némely hullócsillag sebessége volt, a mely 32–64 km.-rel ment másodperczenként és éppen ez a nagy sehességük mentette meg földünket pusztításuktól, e sebesség mellett ugyanis a levegő ellenállása folytán gőzzé változtak. Az alatt, hogy az ilyen hullócsillag a földtől a holdig eljut, egy α-részecske – ha semmi akadályra nem találna – már a napnál járna.
Ha ezt a sebességet önmagával megszorozzuk, azaz négyzetre emeljük, akkor megkapjuk az α-részecskék energiájának a mértékét. Ha ez a sebesség mondjuk félezerszer nagyobb, mint az eddig ismert sebességek, akkor az energia, egyenlő tömeg mellett, negyedmilliószor nagyobb, mint bármely testé, a melylyel eddigelé a természettudománynak dolga volt. Ebben keresendő a rádium sok csodálatos sajátságának a nyitja. Ha azt állítjuk, hogy egyetlen α-részecskének hatását, tehát egyetlen atómot is észre tudunk venni, akkor ez alatt az α-részecske energiájának az észrevehetőségét értjük, a mely negyedmilliószor nagyobb bármely ismert atóm energiájánál. Hasonlóképpen, ha kimondhatjuk, hogy rádióaktív módszerekkel néhány másodpercz alatt létrejött oly kis változást is fölfedezhetünk, a melynek geológiai korszakon át kellene folytatódnia, hogy hatása a legérzékenyebb chemiai módszerrel megállapítható legyen: akkor ennek az az oka, hogy először
nem is a változást magát állapítjuk meg, hanem csak az általa termelt energiát, másodszor pedig ez az energia a mellett, hogy aránylag igen nagy, sokkal könnyebben észlelhető, mint bármilyen más eddig ismert energiakitörés.
Másodperczenként 20000 km.-nyi sebességgel mozgó anyag olyan új és szokatlan nekünk, hogy kétséges, találunk-e számára megszokott fogalmaink körében helyet vagy hasonlóságot. Az ágyúgolyó kezdő sebessége például a km.-nek csak törtrésze másodperczenként. Láttuk már, hogy az α-részecskék vékony aluminiumlemezen vagy néhány cm. levegőn képesek keresztülhatolni; érdekes lesz most megvizsgálnunk, mi történik akkor, ha az α-részecske valamely gáz- vagy fématómba ütközik. Ezeknek az ütközéseknek legalább egy része föltétlenül teljes és egyenes összeütközés lesz, nem pedig súrolás vagy érintkezés; és első pillanatra nehéz elhinnünk, hogy az a molekula, a melynek az α-részecske egyenesen neki megy, föl ne tartóztassa, akármilyen sebességgel jön is neki. Pedig nem tartóztatja föl. Ebbe a kérdésbe BRAGG és munkatársainak kutatásai hoztak világosságot. Eredményeik éppen oly nevezetesek, a milyen határozottak. Minden ex-részecske egyenes vonalban mozog, mindegy, akármi kerül is útjába; keresztülmegy minden atómon, melylyel találkozik, akár szilárd, akár légnemű testhez tartozik (valószínűleg a folyékony test sem kivétel), nem szenved semmi eltérítést * az ütközés következtében, legföljebb pályája végén. Ha elég vékony fémlemezt tartunk az α-részecskék áradata elé, akkor az megfoszthatja az α-részecskéket energiájok egy részétől, de egyetlenegy ily részecske sem jő nyugalomba az ütközés folytán és az áradatban lévő részecskék száma változatlan marad. Ez az α-rajok repüléséről rajzolt élénk kép alkalmas arra, hogy új életre keltse a régi scholastikusoknak azt a metafizikai kérdését, vajjon az anyag két részecskéje lehet-e egyszerre ugyanazon a helyen. Mert BRAGG eredményeinek egyetlen lehetséges értelme az, hogy az α-részecskének azon az atómon, a melynek neki megy, egyenesen keresztül kell mennie, tehát az ütközés pillanatában a két atóm ugyanazon a helyen van. Az atómokon való ez az áthatolóképesség egyik különös tulajdon-
* A sugárnak igen gyenge (körülbelül 3 ívfoknyi) eltérítése, szétszóródása később mégis kimutatható volt.
sága azoknak az anyagoknak, a melyek ilyen, szinte anyagontúli sebességgel mozognak. Biztosan tudjuk, hogy ez nem általános tulajdonsága az anyagnak. Az α-részecskék atómokon való áthatolásának egyik eredménye az, hogy az atómok ez által ionizálódnak, azaz részint pozitív, részint negatív töltést kapnak. Nagyon valószínű, hogy ezzel az α-részecskék pozitív töltése is meg lesz magyarázható. Míg a β-részecske maga az elektromos atóm, addig az α-részecskének pozitív elektromos töltése, minden valószínűség szerint csak annak a nagy sebességnek a másodrendű következménye, a melylyel mozog. (*) Legalább annyi egészen bizonyos, hogy 20000 km. sebességgel mozgó atóm nem marad tartósan töltés nélkül, hiszen a legelső ütközés "kitaszíthat" belőle egy elektrónt és ez által a mozgó részecske máris pozitív lesz.
BRAGG tanár azt a kérdést, hogy mi történik az α-részecskékkel az ütközés után, csak a folyamat legelejére nézve vizsgálta meg. Az α-részecskék további sorsát homály borítja. Csak RUTHERFORD követte az α-részecskék sebességének kisebbedését, a mely akkor áll be, ha a részecskék mind vastagabb testeken hatolnak át és azt találta, hogy még akkor is másodperczenként 8000 km. sebességgel mozognak, a mikor már hatásuk nem észlelhető. Minden erőfeszítés hiábavaló volt: ezen a kritikus sebességi határon alul nem lehetett az α-részecskéket követni. A fluoreszkáltató, a fotografáló és az elektromos hatás is egyszerre megszűnt. Lehet, hogy e határon az α-részecske egyszerre megáll, bár semmi bizonyítékunk sincs reá, de az is lehet, hogy tovább mozog, a nélkül, hogy az atómokat, melyekkel összeütközik ionizálná. (**)
Minket, akik főképpen azt a határt kísérjük figyelemmel, a mely a régi és az új tudományt egymástól elválasztja, ebben a dologban első sorban az érdekel, hogy biztos tudomásunk szerint semmi módszerrel sem lehet olyan α-részecskét kimutatni, a melynek sebessége másodperczenként 8000 km.-en alul van. Lehetséges tehát, hogy állandónak látszó, azaz nem rádióaktív elemek is szenvednek atómbomlást és lövellnek ki α-részecskéket, de minthogy e részecskék sebessége a határsebességen alul marad, eddig semmi bizonyítékunk sincs erre nézve. Hogy tehát α-részecskékről egyáltalában valamit tudunk, azt annak a sebességtöbbletnek köszönhetjük, a melylyel e sebességhatár fölé emelkedtek. De a világos-
(*) Ez tévedés, amit csak a későbbi magfizikai felfedezések birtokában lehetett volna kiküszöbölni. Az α-részecskéken már a kilépéskor sincsenek elektronok. [NF]
(**) A jelenség kvantummechanikai okokkal (az atombeli elektronok megszabott energiaszintjeivel) magyarázható. [NF]
ság, a melyet megismerésük gyujtott, csak sűrűbbé tette a homályt, a mely mindenfelől körülvesz bennünket. Lehetséges, hogy körülöttünk mindenütt vannak a rádióaktivitáshoz hasonló, de valamivel kevesebb energiát termelő folyamatok és semmi hatásukat sem tudjuk fölfedezni. A rádióaktivitás tehát a mellett, hogy az atómbomlás szükségképpeni kísérője, egyszersmind a természet jóakaró ujjmutatása olyan titkok felé, a melyekről különben sejtelmünk sem lehetne.