VI. FEJEZET

Az α-részecskék szerepe a rádióaktív változásokban. – Az α-részecskék és a hélium. – A hélium fölhalmozódása geológiai idők alatt. – A hélium fölfedezése a napban és a földön. – Kapcsolat a rádióaktivitással. – Hélium keletkezése rádiumból. – Az α-részecskék héliumatóm. – A rádium első változásának mibenléte.

Mult héten a rádium átváltozása bizonyítékainak első részével ismerkedtünk meg és részletesen tárgyaltuk azokat a főbb okokat, a melyek lehetővé tették ennek a változásnak a fölfedezését, nevezetesen, hogy a változás nem egyszerre történik, hanem fokozatosan, lépésről-lépésre, hogy közben rövid életű átmeneti alakok keletkeznek, a melyeknek egyike a rádiumemánáczió; ezeknek ugyan igen kicsiny a tömegük, de átalakulásukkal annyi energiát fejtenek ki,

20. rajz.

hogy mégis könnyen követhetők és tanulmányozhatók. Megvizsgáltuk a rádium változásának első termékét, az emánácziót, tanulmányoztuk mibenlétét, tulajdonságait és keletkezésének folytonosságát. De szándékosan elhalasztottuk annak a kapcsolatnak a megvilágítását, a mely az emánáczió és a rádium között van. Ma a rádium emánácziójáról való tudásunkat egybe akarjuk vetni az α-részecskékről (a III. és IV. fejezetben) szerzett ismereteinkkel.

Vízben föloldunk rádiumsót és a fogva tartott emánácziót, a mely hosszú hónapok alatt az egész anyagban fölgyülemlett, ez által kiszabadítjuk. Magára hagyjuk a rádiumot, mely állandó sebességgel tovább termeli az emánácziót. A külön választott emánáczió pedig lassan elveszti rádióaktivitását. Fordítsuk figyelmünket előbb csak a rádiumra.

Ha a rádiumot ilyen módon meg is szabadítottuk az egész emánácziótól, a melyet eddig termelt, még mindig lövell ki α-részecskéket, igaz, hogy csak negyedrészét annak, a mennyit akkor szolgáltat, a mikor az emánáczió és minden egyéb terméke még együtt van vele. Úgy képzelhetjük, hogy a rádium ugyanazzal az átalakulással hozza létre az α-részecskéket, a melylyel az emánácziót (20. rajz). Viszont az emánácziót úgy tekinthetjük, mint egy α-részecskétől megfosztott rádiumot.


77

Ezt a fölfogásunkat már öt évvel előbb igazolta az a kísérleti bizonyítékhalmaz, a melyet a tóriumelem hasonló változásával kapcsolatban gyüjtöttünk össze, de e kísérletek legnagyobb resze túllépi előadásaink keretét. Azóta oly bizonyítékokat találtunk, melyekkel sokkal egyszerűbben juthatunk el ugyanahhoz az eredményhez, elég lesz tehát csak az utóbbiakkal foglalkoznunk. Az atómbomlás elméletére vonatkozó akkori meggondolásainkat – bármennyire teljesek voltak is és bármennyire meg is győzhették azokat, a kik az egész kísérleti anyagot át tudták tekinteni – most már sokkal egyszerűbb, közvetetten bizonyítással helyettesíthetjük.

Az α-részecskék mibenlétének vizsgálata alkalmával láttuk, hogy héliumatómok rajainak tekinthetjük őket, melyeket a rádium szinte fölfoghatatlan nagy sebességgel – egészen 20000 km. sebességgel másodperczenként – lövell ki magából. Jóval az α-részecskék fölfedezése előtt már megjósolták és később kísérleti úton is bebizonyították, hogy a rádium változásának termékei között ott van a hélium és tárgyunk fejlődésének ez a fejezete nem csupán történeti érdekű.

Mielőtt tovább mennénk, kissé jobban ki akarjuk fejteni azt a nézetünket, hogy mikor egy rádiumatóm fölbomlik, egy atóm hélium és egy atóm emánáczió lesz belőle. A két terméknek, a héliumnak és emánácziónak azokról a viszonylagos mennyiségeiről kell szólnunk, a melyeket a folyamat eredményeképpen várhatunk. Tudjuk, hogy a hélium nem rádióaktív, tehát nem is alakulhat tovább át és így ezt az elemet a változás egyik végső termékének kell tekintenünk. Viszont az emánáczió oly gyorsan változik, hogy egész átalakulását egyetlen hó alatt befejezettnek tekinthetjük. Hogy milyen testekké alakul át, arról eddig nem igen beszéltünk, de ez egyelőre nem is érdekel bennünket.

Már most olyan változó anyag, a milyen az emánáczió, az idő folyamában nem halmozódliatik föl egy meghatározott, igen kicsiny mennyiségnél nagyobb tömegben. Igaz ugyan, hogy a rádium épp olyan állandóan termeli az emánácziót, mint a héliumot, de míg a héliumnak, mint állandó anyagnak mennyisége egyenes arányban növekszik az idővel, addig az emánáczióé bizonyos határt sohasem haladhat túl. Mert igen rövid idővel azután, hogy az emánáczió fölhalmozódása megkezdődött, adott idő alatt ugyan-


78

annyi emánáczió fog átalakulni, a mennyi ugyanez idő alatt keletkezik és ettől a pillanattól kezdve az emánáczió mennyisége állandó marad. Ekkor azt mondjuk, hogy beállt a "rádióaktív egyensúly" a rádium és az emánáczió között, vagyis az emánáczió mennyisége elérte azt a maximumot, a melyen túl az idő folyamában nem nőhet. Az emánáczió esetében ez az egyensúly már néhány hét alatt bekövetkezik. Tehát akármennyi ideje van is a rádiumnak, hogy zavartalanul fölhalmozza emánáczióját, ez utóbbi sohasem lesz több egy gyakorlatilag rendkívül kicsiny mennyiségnél, mert a rádium átváltozása igen rövid idő alatt hozza létre ezt a lehető legnagyobb mennyiséget. Ez pedig olyannyira kicsiny, hogy ha nem változnék maga az emánáczió is és nem fejtene ki energiát, csak igen nehezen szerezhetnénk róla tudomást.

Viszont azt is kimondhatjuk, hogy ha a rádium atómbomlása által olyan elem keletkezik, a mely maga nem változik tovább, hanem állandó elem, akkor egyrészt nem várhatjuk, hogy termelése rövid idő alatt rendes chemiai módszerekkel kimutatható hegyen, de másrészt idők multával akármennyire fölszaporodhatik.

A mint mult héten láttuk, az atómbomlás első bizonyítéka dinámikus volt, azaz csak azon az energián alapult, a mely a folyamat alatt keletkezett. Arra a kérdésre, hogy mik az atómbomlásnak a végső termékei, más módon kell a feleletet keresnünk. De a chemia és fizika sztatikai módszereivel sem fedezhetők föl ezek a végső termékek, mert észlelhető idők alatt igen kis mennyiségben keletkeznek, bár különben idővel végtelenül föl is halmozódhatnak.

Minthogy azokban az ásványokban, a melyekben rádióaktív elemek találhatók, az átalakulás tudomásunk szerint folytonosan tart, a végső termékeknek egyik geológiai korszaktól a másikig föl kell bennök halmozódnia. Úgy, hogy jelenleg már ezeknek a végső termékeknek a rádióaktív ásványokban olyan mennyiségben kellene előfordulniok, hogy a rendes chemiai módszerekkel is ki lehessen őket mutatni.

Már most a rádióaktív ásványok mindig igen bonyolult összetételűek, az összes ismert elemek nagy részét magukban foglalják, úgy, hogy legtöbb esetben ezen az úton sem megyünk sokra. Mindazonáltal föllépett egy tisztán meghatározott kivétel: éppen maga a hélium.


79

Ennek az elemnek fölfedezése története is igen érdekes. Maga az elem neve (ηλιος Nap szóból) arról tanúskodik, hogy előbb ismertük föl ezt az elemet a nap alkotórészei között, mintsem bizonyosan tudtuk, hogy a földön egyáltalában előfordul-e? Színképelemzővel fedezték föl a nap kromoszférájában 1868-ban, színképének jellemző, fényes sárga vonaláról, a melyet "D3"-mal szokás jelölni. Később, 1895-ben RAMSAY WILLIAM megtalálta a földkéreg bizonyos ásványaiban is és rendszeres vizsgálatokat végzett fizikai és chemiai tulajdonságaira nézve. A hélium légnemű test, a legkönnyebb gázak között a második, csak kétszer sűrűbb a hidrogénnél és az egyetlen gáz, a mely minden hidegség és nyomás mellett is sokáig ellenállt a cseppfolyósító kísérleteknek. * Ásványaiból elég könnyen nyerhető akár hevítéssel, akár oldással, de ha egyszer előállítottuk, semmiféle anyaggal többé nem egyesül. Abban tehát megegyezik az argónnal, hogy vegyülőképessége teljesen hiányzik, szabadon marad, önálló atómok alakjában és semmiféle ismert vegyületet nem alkot. Atómsúlya 4 (ha a hidrogénét egynek veszszük). RAMSAY arra is figyelmeztetett, hogy minden ásványban, a melyben hélium van, urániumot és tóriumot is talált. Ez még a rádióaktivitás napjai előtt történt, tehát jóval előbb, mintsem a hélium származásán gondolkodtak volna, melyet akkor mint nem cseppfolyósítható, nem vegyülő gázat ismertek s mely így sokféle értelmezésnek és elmélkedésnek tárgya volt. Előfordul, hogy a hélium térfogata több százszor nagyobb, mint azé az ásványé, a melyből előállították.

Az atómbomlás elmélete lehetővé tette, hogy egy időben RUTHERFORD tanár és én valószínű magyarázatát adhassuk a jelenségeknek és magyarázatunk azóta csak helyesnek bizonyult. Mi a héliumot a rádióaktív elemek, a rádium, uránium és tórium egyik végső bomlástermékének tekintettük. A multak hosszú korszakai alatt az ásványoknak, sokszor üvegjellegű, egész tömegéből nem tudott kiszabadulni, a míg az ásvány nem melegedett föl, vagy nem oldódott és lassan-lassan fölgyülemlett. Mi már akkor kimon-

*) KAMMERLINGH ONNES csodálatraméltó kísérletező ügyességével és kitartásával mégis cseppfolyósította, miközben minden eddig ismertnél mélyebb hőmérsékletet, ugyanis 270 C°-ot állított elő, a mi már csak 3 C°-nyira van az abszolut nullaponttól. (1908. szeptember havában készült lábjegyzék.)


80

dottuk, hogy a hélium a rádióaktív változás egyik végső terméke, a mely a rádiumból, urániumból és tóriumból igen lassan fejlődik, de elég gyorsan ahhoz, hogy minden ásványban, a melyben az említett rádióelemek előfordulnak, hélium is legyen. Ez a jóslatunk később be is igazolódott. Innen kezdve aztán a munka két irányban folytatódott.

21. rajz. Kicsiny színképcső, melylyel RAMSAY és SODDY a rádiumemánácziónak héliummá való átalakulását kimutatták.

RUTHERFORD az α-sugarakról kimerítő kísérletek során megállapította, hogy nagy sebességgel kilövellt pozitív elektromos töltésű atómok. Azon föltevés alapján, hogy csak egy elektromos atóm a töltésük, atómsúlyukat először kétszer akkorának vette föl, mint a hidrogéné, később azonban (1908.) azzal a gyönyörű számláló kísérletezéssel, a melyet már említettünk, kimutatta, hogy minden α-részecskének két elektromos-atómnyi töltése van, tehát az α-részecskék atómsúlya 4, azaz annyi, mint a héliumé. Ez már nagyon valószínűvé tette, hogy az α-részecske nem egyéb héliumatómnál.

Azt a jóslatunkat pedig, hogy a hélium a rádióaktív változás terméke, RAMSAY WILLIAM és én 1903-ban közvetetlen módszerrel igazoltuk be. Alapul a rádiumemánáczió változását választottuk; egyrészt, mert gyors lefolyású, másrészt mert tisztán tudtuk előállítani az által, hogy folyékony levegőben cseppfolyósítottuk, a többi gázt pedig, minthogy nem csapódott le, kiszivattyúztuk. Így megtisztítva, kis színképcsőbe forrasztottuk, hogy a mikor akarjuk, megvizsgálhassuk színképét; aztán magára hagytuk. Eleinte semmi hélium sem mutatkozott. A cső leforrasztásakor hélium nem is lehetett jelen, mert hiszen a hélium nem csapódhatott le a folyékony levegőben. Három-négy nap mulva azonban, midőn az emánáczió


81

atómbomlása már folyamatban volt, lassan föltünt a hélium színképének egy-egy része is, végre pedig a cső a héliumot jellemző teljes színképét mutatta. A 21. rajz mutatja az egyiket azok közül az eredeti színképcsövek közül, a melyekkel a héliumnak rádiumból való keletkezését kimutattuk. A héliumelemnek a rádium emánácziójából, illetőleg (minthogy az emánáczió a rádiumból származik) a rádiumból való keletkezését azóta több kutató is bebizonyította a világ legkülönbözőbb részén. DEBIERNE a színképelemzővel végzett egyik hasonló kísérletével azt is kimutatta, hogy hélium aktiniumból is származhatik; ez utóbbi szintén rádióaktív anyag, melyet őállított elő szurokérczből. DR. GIESEL-nek sikerült a rádiumból keletkező gázaknak színképét le is fotografálni. Az ő fotográfiái közül mutatunk be nehányat a 22. rajzon.

22. rajz. A rádiumból fejlődött gázak színképeinek GIESEL dr. készítette fotográfiái (II. 20 percznyi, III. 5 percznyi besugárzással készült). I. és IV. a hélium és hidrogén színképei és összehasonlításra valók.

Négy különböző színkép látható ezen a képen, egymás alatt, vízszintes szalagok szerint elrendezve. A legfölső (I.) a rendes héliumszínkép. A II. és III. a rádiumból keletkező gázak szolgáltatta színképek. A II-ikat 20, a III-ikat 5 percznyi besugárzással kapta. A legalsó színkép (IV.) a hidrogéné. Láthatjuk, hogy több héliumvonal benne van a rádiumból származó gázak színképében is. A többiek kétségkívül a hidrogénből származnak, a mi egy kis nedvesség révén jutott


82

a színképcsőbe. A kép fölött és alatt lévő jelzések a II. színképben élénkebben látszó hélium- és hidrogénvonalakat jelentik. Ezek a jelek ANGSTRÖM-féle egységekben (10–10 méter, 1 milliméter tízmilliomod része) kifejezett hullámhosszakra vonatkoznak. Meg kell jegyeznünk, hogy a legfényesebb sárga vonal, a D3, a fotográfiában színe miatt kevésbbé fényesen látszik, mint a kék és ibolya vonalak.

Négy év óta foglalkozom egy kísérlettel, a melynek czélja a hélium keletkezését az ős rádióelemekből, az urániumból és a tóriumból kimutatni. Legújabban ez sikerült is mindkét esetben és a mi a fő, a keletkezés sebessége pontosan megegyezik azzal, a mit az atómbomlás elmélete alapján előre vártam. Az évenként keletkező mennyiség az uránium vagy a tórium tömegének csak egy ötszázezermilliomod része. Egyik használt össze állításnak, a mely most a fizikai-chemiai laboratóriumban van, a fotografiáját mutatja a 23. rajz. Hét teljesen hasonló készülék látható rajta, a melyek egymással nincsenek összekötve, teljesen függetlenek egymástól. Lényegében mindegyik egy nagy palaczkból áll, a melybe a kísérlet alapjául vett anyagból elég sok belefér oldat alakjában. Mindegyiknek egy-egy sajátságos elzárókészüléke van higanyból, mely az üveget igen hosszú időre elzárja a levegőtől; de az üveg bármely pillanatban ki is nyitható, csak a higanyt kell a barométercsőben leeresztenünk; így a fölgyülemlett gázt a levegő beengedése nélkül a palaczkból el lehet távolítani és megvizsgálni, van-e már benne hélium? Legtöbb bajt kísérleteinkben a levegő okozta. Egy gombostűfej térfogatú levegő, ha bennmaradna akármelyik nagy üvegben vagy az oldatban, vagy beszivárogna kísérlet közben, meghiusítaná az egész kísérletet. A készülékeknek egészen különös berendezést kellett adni, hogy belőlük a levegő kísérlet előtt tökéletesen el legyen távolítható. A hélium kimutatásának a módszerei is egészen újak voltak. Ezek a kálcziumfémnek általam fölfedezett ama tulajdonságán alapultak, hogy magas hőmérsékletre hevítve, minden gáz legutolsó nyomát is elnyeli, kivéve a hélium- és az argon-család gázait. Ilyen módon sikerült a keletkező héliummennyiséget (a mely rendesen nem volt több a köbmilliméter ezredrészénél) megszabadítanom minden gáznak és vízgőznek még a nyomától is. Végre higany segélyével belenyomtam a legkisebb színképcsőbe, a melyet csak készíteni tudtam


83

23. rajz. Készülék a rádiumnak urániumból és tóriumból való keletkezése igazolására.


84

és megvizsgáltam színképét. Sok kísérletből kitűnt, hogy a hélium színképének D3 vonalát biztossággal ki lehet mutatni, ha a csőben egy köbczentiméter milliomodrésze, vagy egy gramm ötezermilliomodrésze van a héliumból. Ez bizonyára a legkisebb mennyiség, melyet valamely anyagból színképelemzővel valaha is kimutattak.

Ha a kísérletet többször megismételjük, akkor minden palaczkra nézve találunk egy meghatározott időtartamot, a mennyi legalább is szükséges ahhoz, hogy az eltávolított gázban héliumot fedezhessünk föl, így aztán a hélium keletkezésének sebességéről is fogalmat lehetett alkotnunk. Ezzel az eljárással ismételten urániumsókból is, tóriumsókból is nyertem héliumot és a keletkezés-sebességek – bár a mérések nincsenek végleg lezárva – nagyjából megegyeznek azzal, a melyet az atómbomlás elmélete alapján előre kiszámítottam. Például ezer tonna urániumból évenként körülbelül két milligramm hélium keletkezik.

A helyzet tehát most a következő: bebizonyosodott, hogy a hélium keletkezhetik különböző rádióaktív elemekből, – a milyen a rádium, tórium, uránium, aktínium – a melyeknek közös vonásuk az, hogy α-részecskéket lövellnek ki. Ezeknek az α-részecskéknek meghatározták a tömegét és azt találták, hogy megegyezik a héliumatóm tömegével. Minden α-részecskéről kimutatták, hogy tömegük egymással egyenlő, legföljebb sebességük különböző, akár maga a rádium, akár az emanáczió, akár az aktínium, akár a tórium vagy az uránium lövelli ki őket. Ezekből jogosan lehetett következtetni, hogy az α-részecske nem lehet más, mint héliumatóm, vagy legalább is héliumatómmá lesz, mihelyt nagy sebességét elveszti.

A kísérletek e hosszú, összevágó sorában újabban még valami tűnt föl, a mi ezt az elméletet támogatja. Láttuk, hogy az α-részecskék áthatolóképessége nem nagy ugyan, de igen meghatározott értékű. Már most az üveg olyan anyag, a melyet igen vékonyra lehet fujni, anélkül, hogy gázáthatatlan voltát elveszítené. Nekem sikerült olyan üvegablakocskákat fujnom, a melyek elég vékonyak arra, hogy az α-részecskéket még keresztülbocsássák, de azért elég erősek arra, hogy bár egyik oldalukon igen magasfokú léghíjas tér van, mégis tudjanak ellenállni a másik oldalukon való levegő nyomásának. Ha tehát az α-részecske tényleg héliumatóm és én a rádióaktív


85

anyagot ilyen elég vékony üvegedénybe teszem bele, el kell érnem azt, hogy ezen az edényen kívül legyen kimutatható a hélium, annak ellenére, hogy ebből az üvegedényből se hélium, se más gáz, mint ilyen, el nem távozhatik. Ezt a kísérletet RUTHERFORD végezte azzal a nagy rádiummennyiséggel, a melyet az osztrák kormány bocsátott használati rendelkezésére. A rádiumemánácziót, a mely α-részecskéket lövell ki és a melyről ki akarta mutatni, hogy héliumot termel, belezárta egy igen vékonyfalú, de még mindig gázáthatatlan edénybe, ezt pedig egy nagyobb üvegpalaczkba. Néhány nap mulva azt tapasztalta, hogy a külső edényben hélium van. Külön meggyőződött róla, hogy ha a belső edénybe csak héliumot tett, abból a külső edénybe semmi sem jutott át. Ez a kísérlet végérvényesen bebizonyította, hogy az α-részecske héliumatóm, mely csak a nagy sebesség mellett tudott a belső edényből a külsőbe jutni.

Jogunk van ezek után az első atómbomlást, a melyet a rádium szenved, a következőképpen jelképezni:

24. rajz.

Nagyon valószínű, hogy a rádióaktív testnek egy atómja csak egy α-részecskét szolgáltat. Ebből következik, hogy mivel a rádium atómsúlya 226, a héliumé pedig 4, az emánáczió atómsúlya 222.