Promieniotwórczość naturalna



Pobieranie 423.16 Kb.
Strona1/6
Data07.05.2016
Rozmiar423.16 Kb.
  1   2   3   4   5   6

Promieniotwórczość naturalna

Wstęp


Przyjmujemy, że 4,6109 lat temu powstało Słońce i nasz Układ Planetarny. Większość z olbrzymiej ilość pierwiastków promieniotwórczych znajdującej się w tym czasie w pyle gwiezdnym wybuchów gwiazd supernowych, z biegiem czasu się rozpadła, tworząc pierwiastki stałe, będące dzisiaj podstawowym składnikiem Układu Planetarnego Słońca. W skorupie Ziemi pozostały jeszcze pewne ilości pierwiastków promieniotwórczych, których czas połowicznego zaniku jest porównywalny lub dłuższy od wieku życia Ziemi. Jądra tych atomów i nietrwałe jądra, produkty ich rozpadu, są źródłem promieniotwórczości naturalnej Ziemi. Innym źródłem promieniotwórczości naturalnej jest promieniowanie kosmiczne oraz pierwiastki promieniotwórcze wytwarzane przez nie w atmosferze i na powierzchni Ziemi.

Historia


W roku 1852 odkryta została przez Stokesa luminescencja soli uranu a w roku 1867 fotograf francuski Abel Niepce z Saint-Victor zauważył, że jeżeli pod kliszą fotogra­ficzną owiniętą w sposób nieprzepuszczający światło, znajduje się sól uranu, to powoduje ona zaczernienie kliszy. Jednak fakty te wówczas mylnie zinterpretowano.

W tym czasie H. Becquerel zajmował się fluores­cencją substancji, które pod wpływem naświetlania światłem sło­necznym zaczynają wypromieniowywać charakterystyczne światło. Becquerel zwrócił uwagę, że zaobserwowane przez Roentgena żółtawozielone świecenie rurki szklanej z której wychodzi promieniowanie X, przypomi­na światło substancji fluoryzujących. Zarówno promienie X jak i to charakterystyczne świecenie wychodziło z tego samego miejsca szklanej rurki. W doświadczeniach Roentgena żółtawozielone świecenie szkła zawsze towarzyszyło powstawaniu promieni X. Becquerel przypuszczał, że promieniowanie X pojawia się wszędzie tam, gdzie występuje fluorescencja. Ponieważ w tym czasie przyczyna powstawania promieni X były nieznana, hipoteza Becquerela wydawała się całkiem naturalna.



Rys. 1. Henri Becquerel (fot-0132)

Do sprawdzenia swej hipotezy Becquerel użył przypadkowo podwójny siarczan uranowo – potasowy, którego fluorescencję badał jego ojciec Aleksander Edmund Becquerel. Na opakowanej w czarny papier nieprzezroczysty dla światła widzialnego kliszy fotograficznej umieszczał preparat uranowy i całość wystawiał na działa­nie silnego promieniowania słonecznego. Po upływie kilku godzin, po wywołaniu kliszy, znajdowała się na niej ciemna plama o kształcie przypominającym kontur substancji fluoryzującej. Pomiary kontrolne wykazały, że ciemna plama powstaje w wyniku działania na kliszę fotograficzną promieniowania, pochodzącego od użytej soli uranowej. Promieniowanie to przechodziło przez nieprzeni­kliwy dla światła słonecznego czarny papier. W innych doświadczeniach pomiędzy warstwą a kliszą umieszczał płytki metalowe o różnych otworach, których zarys był również widoczny po wywołaniu. Umieszczał również pomiędzy solą fluoryzującą a kliszą płytkę szklaną, co miało wyeliminować ewentualność działania chemicznego, wywołanego ciepłem promieniowania słonecznego. W wyniku tych doświadczeń był pewien, że ma do czynienia z pro­mieniami X i swoje wyniki przedstawił na posiedzeniu Akademii Nauk w Paryżu w dniu 24 lutego 1896 roku.

Kilka dni później, gdy chciał ponownie wykonać doświadczenia, dzień był pochmurny i bezsłoneczny i sól uranu prawie nie fluoryzowała. Schował do szuflady przygotowaną kliszę razem ze preparatem uranu gdzie klisza przeleżała w ciemności kilka dni. 1 marca przed rozpoczęciem nowych doświadczeń klisza została na wszelki przypadek wywołana i Becquerel ze zdumieniem stwierdził, że klisza jest zaciemniona, a ciemna plama stanowi odbicie kształtu soli uranu. Zaczernienie było o wiele bardziej intensy­wne niż w poprzednich doświadczeniach i były widoczne zarysy kryształków soli uranowej o niezwykłym natężeniu. Ponieważ w ciemnej szufladzie sól uranowa na pewno nie fluoryzowała, obserwowany efekt nie mógł być z nią związany, gdyż wpływ fluorescencji który zaniknąłby już po 1/100 s nie mógł wywołać takiego efektu. Wynikało stąd, że był to jakiś nowy rodzaj promieniowania. W kolejnych doświadczeniach z fosforyzującymi związkami uranowymi i nie fosforyzującymi zwią­zkami uranylu za każdym razem klisza była naświetlona. Natężenie tych naświetleń było funkcją czasu trwania ekspozycji i zawartości uranu w związku. W referacie w Akademii Nauk 2 marca przedstawił wyniki swojego odkrycia i użył wówczas terminu radiations actives.

Rys. 2. Zaczernienia klisz fotograficznych pod wpływem promieniowania z minerałów zawierających uran (S-1377)

W dalszych badaniach Becquerel stwierdził, że zaczernienie kliszy występuje niezależnie od fluorescencji, dla wszystkich związków zawierających uran a uran metaliczny zaczernia najmocniej. Udowodnił również, że zaczernienie kliszy występuje dla próbek uranu, które przez szereg lat w ogóle nie były wystawione na działanie promieniowania słonecznego. Przykłady naświetlonych klisz fotograficznych minerałami promieniotwórczymi pokazane są na rys.2. Umieszczanie pomiędzy związkami uranu a kliszą warstw z aluminium, miedzi itp. zmniejszało zaczernienie.

Becquerel wykazał również, że odkryte promieniowanie rozładowuje naładowany elektroskop i jo­nizuje gazy podobnie jak promieniowanie X. Stosując prymitywny elektroskop zaprojektowany przez D.Hurmuzesena, wyznaczając szybkość rozładowania elektroskopu, wykonał półilościowe pomiary natężenia promieniowania. Metoda ta była szybsza i wygodniejsza, niż metoda oparta na zaczernieniu kliszy fotograficznej.

Promienie odkryte przez Becquerela pod pewnymi własnościami przypo­minały promienie X, ale nie wymagały przyłożenia napięcia elektrycznego oraz niepotrzeb­ny był rozrzedzony gaz. W jednym ze sprawozdań ogłoszonych w 1896 roku H. Becquerel stwierdził, że używany przez niego związek uranu po ośmiu miesiącach promieniował tak samo jak na początku. Wówczas po raz pierwszy postawił pytanie skąd bierze uran niewyczerpaną energię, by promieniować bez przerwy przez bardzo długi czas.

Wkrótce nowe promienie nazwano „promieniami Becquerela” a w dwa lata później Maria Skłodowska-Curie nadała całej grupie zjawisk ostateczną nazwę promieniotwórczość radioactivite, który zaproponowała na posiedzeniu Akademii.


Rys. 3. Maria Skłodowska-Curie i Piotr Curie (fot-0133)

W 1897 roku Maria Skłodowska-Curie wybrała promieniowanie Becquerela jako temat swojej pracy doktorskiej. Wkrótce potwierdziła wyniki Becquerela, badając różne związki uranu. Stwierdziła, że natężenie promieniowania w każdym przypadku odpowiada dokładnie zawarto­ści uranu w danym związku i nie ma żadnego znaczenia, jakie inne atomy są z nim związane. Promieniowanie uranowe okazało się również zupełnie niezależne od stanu skupienia substancji, ciśnienia i temperatury. Natężenie promieniowania nie zależało od jakichkolwiek zmian w stanie fizycznym czy chemicznym badanych próbek, co w rezultacie doprowadziło do wniosku, że promieniotwórczość jest własnością atomową.

Rys. 4. Komora jonizacyjna z elektrometrem kwadrantowym (S-0760)

Do badań Maria Skłodowska - Curie stosowała nową metodę jonizacyjną, w której do kompensacji prądu jonizacyjnego wykorzystywała własności piezoelektryczne kwarcu, wykryte poprzednio przez braci Jakuba i Piotra Curie. Podstawową częścią aparatury pomiarowej był płaski kondensator o średnicy 8 cm i o zmiennej odległości, najczęściej 3 cm. Na dolnej płytce, połączonej z jednym z biegunów baterii, umieszczano warstwę substancji o grubości od 0,25 do 6 mm. Druga płytka połączona była z jedną parą kwadrantów elektrometru oraz z jedną z okładek piezokwarcu (rys.4).

Pod wpływem promieniowania, w kondensatorze płynął prąd elektryczny, rzędu 10-11 A, rejestrowany przez elektrometr kwadrantowy. Ten prąd można było skompensować odpowiednim ładunkiem powstałym okładkach piezokwarcu w wyniku odpowiedniego obciążenia. W tej metodzie prąd jonizacyjny był proporcjonalny do obciążenia kwarcu a elektrometr spełniał jedynie rolę przyrządu zerowego. Widok stosowanego układu pokazuje rys.5.

Stosując opisaną metodę Maria Skłodowska - Curie przebadała w bardzo prymitywnych warunkach (rys.6) olbrzymią liczbę próbek skał i minerałów w celu stwierdzenia, czy istnieją inne materiały promieniotwórcze. W rezultacie tych badań wykryła podobne zjawisko dla związków toru, które ogłosiła 12 kwietnia 1898.

Rys. 5. Komora jonizacyjna z piezokwarcem (rysunek z roku 1904) (S-1100)

Identycznego odkrycia niezależnie od M. Skłodowskiej - Curie dokonał w Erlangen G.C.Schmidt, który opublikował swoje odkrycie kilka tygodni wcześniej (14 lutego 1898). Jednak poza uranem i torem, żaden inny ze znanych pierwiastków nie wykazał podobnych właściwości.

Rys. 6. Laboratorium Marii Skłodowskiej-Curie (S-0822)

Niektóre minerały wykazywały, jak to stwierdziła M. Skłodowska - Curie znacznie silniejsze promieniowanie aniżeli sam uran. W tych samych warunkach (w jednostkach 10-11A), natężenie prądu jonizacyjnego wywołanego przez uran było 2,3 podczas gdy minerały dla uraninitu (blenda smolista) w zależności od miejsca jego pochodzenia natężenie wynosiło od 1,6 do 8,3, i odpowiednio dla chalkoliu 5,2, autunitu 2,7 i karnotytu 6,2. Natomiast sztucznie wyhodowany kryształ chalkolitu (fosforan miedziowo-uranylowy) wykazywał jonizację zgodną ze składem chemicznym.

Dlatego też powstała hipoteza istnienia jakiegoś silnie jonizującego pierwiastka o nieznanych własnościach chemicznych, która 12-go kwietnia 1898 roku była zreferowana w Akademii Francuskiej i ogłoszona w jej sprawozdaniach. Piotr Curie który ocenił doniosłość tego odkrycia, przerwał swoje prace nad kryształami i przyłą­czył się do prac nad promieniotwórczością.

Poszukiwanie nowego pierwiastka metodami czysto chemicznymi nie znając nawet w przybliżeniu jego właściwości chemi­cznych było zadaniem prawie beznadziejnym. Zastosowano metodę frakcyjną a wzrost natężenia promienio­wania pokazywał, w której części wyodrębnionej chemicznie substancji znajduje się nieznany, silnie promieniujący pierwiastek. Okazało się, że znajduje się on w wyodrębnionej części o własnościach chemicznych bizmutu. M.Skłodowska-Curie na cześć swego kraju nazwała go polonem. Odkrycie to zostało ogłoszone w lipcu 1898 roku.

Po odkryciu polonu było prawie pewne, że blenda smolista zawiera jeszcze inny, różny od polonu, lecz nie mniej silnie promieniujący pierwiastek. Wykryto go przy udziale G.Bemonta, współpracownika P. Curie, który pomagał w żmudnym chemicz­nym wyodrębnianiu go w substancji wykazującej właściwości chemicz­ne baru. Odkrycie tego pierwiastka, który państwo Curie nazwali radem, zostało ogłoszone w grudniu 1898 roku. Nowo odkryty pierwiastek wykazywał własności promieniotwórcze około 2,5 miliona razy większe od uranu.

Podstawową tezą doświadczeń M.Skłodowskiej-Curie i P.Curie było, że obserwowana promieniotwórczość jest związana z atomową budową materii a natężenie promieniowania maleje po przejściu przez dowolną substancję. Pochłanianie promieniowania przez materię było jednym z najważniejszych zjawisk wykorzystywanych w badaniach.

Stwierdzenie odrębności chemicznej nowo wykrytych pierwiastków było możliwe w momencie, gdy metodą wielokrotnej krystalizacji frakcjonowanej udało się wytworzyć stężenie chlorku radu w roztworze chlorku baru wystarczające do identyfikacji spektroskopowej. W grudniu 1898 E.Demarçay wykazał istnienie w nadfiolecie nieznanej poprzednio silnej linii o długości fali 381,4 nm.

W czasie badań Maria i Piotr Curie zauważyli szkodliwe działanie promieniowania na organizm. P.Curie doznał ciężkiego poparzenia od promieniowania z rurki z radem, którą włożył do kieszeni kamizelki. Celem potwierdzenia, umyślnie poparzył się radem, uzyskując podobny efekt.

M.Skłodowska-Curie po przerobieniu, przy współudziale A.Debierne’a, wielu ton odpadków blendy smolistej z Jachymowa, uzyskała około 8 kg chlorków baru i radu, w wyniku czego udało się wydzielić około 0,1 g chlorku radu o czystości prawie spektroskopowej. Wyznaczony dla tej próbki ciężar atomowy radu wynosił 225; obecnie przyjmowana wartość, wyznaczona w roku 1934 przez O.Hoenigschmidta, wynosi 226,05.

Wkrótce okazało się, że promieniowanie większości znanych wówczas preparatów promieniotwórczych jest mieszaniną różnych rodzajów promieni. Jedne z nich zostają całkowicie pochłonięte już przez bardzo cienkie warstwy substancji stałych, inne wyka­zują zmniejszenie intensywności dopiero po przejściu przez grubsze warstwy materii.

Pod koniec 1898 roku Rutherford badając promieniowanie wysyłane przez różne ciała stwierdził istnienie dwu jego rodzajów. Jednym było promienie „miękkie”, zatrzymywane przez kartkę papieru lub przez kilkucentymetrową warstwę powietrza, drugim promieniowanie „twarde” przechodzące przez kilka milimetrów aluminium. Niedługo potem te dwa rodzaje nazwano promieniami  i . W roku 1900 P.Villard w laboratorium Curie w Paryżu wykrył trzeci rodzaj promieniowania emitowany przez rad i nazwał je promieniami .

Do roku 1904 odkryto około nowych 20 substancji promieniotwórczych, głównie dzięki pracom Rutherforda prowadzonym często przy współpracy Soddy’ego. Maria Skłodowska - Curie odkryła gaz promieniotwórczy - emanację radu, natomiast Rutherford i Soddy inny gaz promieniotwórczy - emanację toru. Stwierdzono również, że istnieją trzy rodziny promieniotwórcze. Pierwiastek macierzysty trzeciej rodziny - aktyn - został odkryty w r. 1899 przez Debierne’a i niezależnie w r. 1901 przez F.Giesela.

Rys. 7. Analiza promieniowania preparatu promieniotwórczego w polu magnetycznym (odchylenia są przesadnie narysowane) p – połączenie z pompą próżniową (S-0779)

W roku 1899 O.Gisel, S.Meyer i E.v.Schweidler oraz niezależnie Becquerel stwierdzili, że promienie  ulegają odchyleniu w polu magnetycznym, podobnie jak promienie katodowe. Odchylając je o 1800 i kierując je na kliszę fotograficzną, stwierdził, że mają one charakter ciągły, gdyż dochodzą do kliszy w pewnym obszarze, wynikającym z różnych promieni krzywizny. Umieszczając na ich drodze różnego rodzaju absorbenty stwierdził, że mają one różną przenikliwość, najmniejszą dla promieni najmniej odchylonych (rys.7). W roku 1900 Becquerel i E.Dorn wykazali, że promienie , podobnie jak promienie katodowe, odchylają się w polu elektrycznym. W tym samym roku Maria Skłodowska-Curie i Piotr Curie stosując puszkę Faraday’a stwierdzili, że promienie  mają ładunek ujemny, natomiast Becquerel badając stosunek e/m dla tych promieni wykazał, że ten stosunek jest tego samego rzędu co e/m dla promieni katodowych. W.Kaufman badając stosunek e/m dla różnych prędkości promieni  stwierdził, że jest on dla różnych prędkości różny (od 0,63107 jes/g dla prędkości 2,831010 cm/s do 1,31107 jes/g dla prędkości 2,361010 cm/s), czyli, że jest on zgodny ze stosunkiem e/m wyznaczonym przez J.J.Thomsona dla promieni katodowych (0,7107 jes/g dla prędkości 0,31010 cm/s). Przyjęto, że promienie  są tej samej natury, co promienie katodowe, czyli jest to wiązka ujemnie naładowanych korpuskuł i ostatecznie stwierdzono, że są to elektrony. W tym czasie nie istniał zadawalający model budowy atomu i pochodzenie tych elektronów wydawało się dość oczywiste. Do badania tego promieniowania stosowano zarówno metodę jonizacyjną jak i odchylanie w polu magnetycznym. Pojawiające się różnice w wynikach uzyskanych tymi dwoma metodami doprowadziły po kilkunastu latach do sformułowania hipotezy neutrina i stwierdzenia, że elektrony  powstają w czasie określonej przemiany w jądrze atomowym. W wyniku tych badań stwierdzono również, że istnieje specyficzne oddziaływanie elementarne, nazwane oddziaływaniem słabym.

Początkowo sądzono, że promienie  i  mają podobną naturę, gdyż nie obserwowano ich odchylenia w polach magnetycznym i elektrycznym. Dopiero w roku 1902 udało się Rutherfordowi w silnym polu elektrycznym odchylić promienie . Stwierdził, że odchylają się one w stronę przeciwną niż promienie , czyli są to cząstki dodatnio naładowane.

Aparatura stosowana przez Rutherforda do badania niewielkiego odchylenia pod wpływem pola magnetycznego i elektrycznego promieni , emitowanych przez rad była bardzo prosta a zarazem bardzo dobrze przemyślana (rys.8). Pod elektroskopem listkowym umieszczono około dwadzieścia odizolowanych od siebie równoległych płytek mosiężnych. Pole magnetyczne B równoległe do płaszczyzny płytek lub pole elektryczne E prostopadłe do powierzchni płytek zakrzywiało tory cząstek . Zwiększanie natężenia pola doprowadzało do momentu, w którym odchylenie było tak duże, że promienie  padały na sąsiednie płytki i nie dochodziły do elektroskopu. Znając odległość płytek i natężenie pola można było wyznaczyć graniczne wartości promieni krzywizny i wyznaczyć mv/e oraz mv2/e2. Kierunek zakrzywienia wyznaczono stosując odpowiednie daszki przy zakończeniach płytek, które powodowały wyraźną różnicę rejestrowanego efektu w zależności od kierunku przyłożonego pola. W trakcie pomiaru powstałą w komorze emanację radu usuwano za pomocą strumienia wodoru. To doświadczenie wykazało, że cząstki  radu odchylają się jak ładunki dodatnie, mają prędkość około 2,5109 cm/s i stosunek e/m rzędu 6103 jes/g (obecna wartość 4850 jes/g).

Rys. 8. Doświadczenie Rutherforda z odchylaniem promieniowania  w polu magnetycznym (S-0759)

W roku 1903 T.des Coudres do badania zakrzywienia w polach elektrycznym i magnetycznym zastosował metodę kliszową i wyznaczył prędkość cząstek  emitowanych przez bromek radu ( 1,65109 cm/s) oraz stosunek e/m ( 6,4103 jes/g). Badania te, mimo mniej czułej metody, wykazały, że promienie  mają określone energie, a więc ich widmo nie jest widmem ciągłym.

W 1903 roku Rutherford i Soddy wysunęli tezę, że promienio­twórczość naturalna jest wynikiem samorzutnego przechodzenia jednych atomów w drugie. Była to bardzo śmiała hipoteza, gdyż od czasów Daltona uważano atomy są nie­podzielne i niezmienne. Nieco wcześniej J.J. Thomson wykazał możliwo­ści wyrwania elektronu z atomu, co podważało w pewnym stopniu twierdze­nie o niepodzielności atomu. Jednak usunięcie elektronu nie powodowało dostrzegalnych zmian masy atomu i jego własności chemicznych, gdyż atom przyłączając napotkane wolne elektrony wracał szybko do poprzedniego stanu. W procesach promieniotwórczych obserwowane istotne zmiany w atomach były jednak nieodwracalne.

Doświadczenia wykonane przez P.Curie wykazały również, że przy rozpadzie promieniotwórczym wydziela się ciepło; przy rozpadzie radu wydzielane ciepło wynosi 136 cal/g.

Stwierdzenie identyczności cząstki  z jądrem helu było wynikiem różnych doświadczeń. Hel był wykryty metodą spektroskopową w widmie słonecznym w roku 1868 przez J.N.Lockyera. W roku 1895 Ramsay badając widma gazów wydzielanych przez rudy, zawierające uran zaobserwował nieznane widmo gazu cięższego od wodoru. Crookes, stwierdził, że nieznane widmo jest widmem helu. Stwierdzono również, że wszystkie rudy, meteoryty, wody, zawierające uran, a tym samym będące źródłem promieniowania , wydzielają hel. Powstała więc hipoteza, że cząstka  jest jądrem helu, udowodniona ostatecznie przez Rutherforda i Roydsa w roku 1909.

W roku 1906 Rutherford wspólnie z O. Hahnem wykazali, że cząstki  emitowane przez tor, charakteryzowały się podobną wartością stosunku e/m jak cząstki  emitowane przez rad. Przyjęto założenie, że wszystkie cząstki  mają taki sam ładunek, czyli mają identyczną masę. Wyznaczony stosunek e/m dla cząstki  porównano ze stosunkiem e/m wyznaczonym dla jonu wodoru, wydzielanego podczas elektrolizy wody. Przyjmując, że ładunek cząstki  jest równy ładunkowi jonu wodoru, masa cząstki  powinna być około dwa razy większa niż masa atomu wodoru, natomiast gdyby przyjąć, że ładunek cząstki  jest dwukrotnie większy od ładunku jonu wodoru, masa cząstki  byłaby w przybliżeniu równa masie atomu helu. Rutherford proponował przyjąć drugą możliwość na podstawie obserwacji występowania helu w minerałach zawierających uran i rad, zarówno własnych jak i Ramsay’a i Soddy’ego,

Rys. 9. Urządzenie Rutherforda i Geigera do pomiaru ładunku cząstki (S-0585)

W roku 1908 Rutherford i Geiger wykonali bezpośredni pomiar ładunku elektrycznego cząstek  za pomocą urządzenia pokazanego na rys.9. W naczyniu próżniowym umieszczone było silne źródło promieniowania  (rad C) oraz specjalna komora jonizacyjna. Aby do komory jonizacyjnej nie dochodziły atomy odrzutu oraz jony o mniejszych energiach, na drodze promieni umieszczono odpowiednie filtry aluminiowe. Całe urządzenie umieszczone było w stosunkowo silnym polu elektrycznym celem wyeliminowania promieniowania  emitowanego przez źródło. Elektrometr mierzył zebrany ładunek, a znając liczbę cząstek, emitowanych w jednostce czasu przez preparat promieniotwórczy, wyznaczono dokładnie ładunek cząstki . Ładunek ten, co do wartości, był dokładnie równy podwojonemu ładunkowi elektronu.



Rys. 10. Pierwszy licznik Geigera (S-0284)

Potwierdzeniem tego stwierdzenia były wyniki innych doświadczeń, wykonanych przez nich w tym samym roku, polegających na jednoczesnym pomiarze liczby cząstek  emitowanych w określonym czasie przez rad C oraz ich ładunku. W tym eksperymencie po raz pierwszy zastosowany został przez Geigera licznik (rys.10) do rejestracji liczby cząstek , emitowanych w ciągu określonego czasu. Cząstki  powodowały zaburzenie przepływu prądu jonizacyjnego elektrometru, które rejestrowano fotograficznie (rys.11).

Rys. 11. Impulsy zarejestrowane pierwszym licznikiem Geigera (S-0349)

Z doświadczenia tego wynikało, że strumień cząstek  emitowanych przez rad wynosi średnio 3,41010 g-1s-1 a ładunek jednej cząstki  wynosi 9,3·10-10 jes. W tym czasie znano wartości ładunku elektronu otrzymane przez 'I'homsona (3,410-10 jes), Wilsona (3,110-10 jes) oraz Millikana i Begemana (4,610-10 jes). Rutherford i Geiger przyjęli, że ładunek cząstki  jest całkowitą wielokrotnością ładunku elektronu, czyli wynosi albo 2e albo 3e. Analizując wszystkie doświadczenia doszli do wniosku, że jest on równy 2e. Obliczony przy tym założeniu ciężar atomowy cząstki  był 3,84, podczas, gdy znany ciężar atomowy helu był 3,96. Stwierdzili więc, że „biorąc pod uwagę możliwe błędy eksperymentalne przy wyznaczeniu wartości e/m dla cząstki  możemy stwierdzić, że cząstka  jest atomem helu, lub - dokładniej - że cząstka  po wyzbyciu się swego dodatniego ładunku jest atomem helu”.

Ostateczne i decydujące stwierdzenie tożsamości cząstek  opierało się na doświadczeniu wykonanym przez Rutherforda i T.Roydsa w 1909 roku przy użyciu metod spektroskopii optycznej. Niewielka ilość emanacji radu (86Rn) w postaci roztworu bromku radu, była zatopiona w szklanej rurce o cienkich ściankach przenikliwych dla promieniowania , i umieszczona współosiowo w typowej próżniowej rurze do badań spektroskopowych (rys.12). Grubość ścianek rurki wewnętrznej wynosiła jedną setną milimetra, co odpowiada dwucentymetrowej warstwie powietrza, podczas gdy zasięg cząstek  emitowanych z radonu wynosi w powietrzu około 4 cm, radu A około 4,6 cm. Dwa dni po wprowadzeniu emanacji do cienkościennej rurki szklanej stwierdzono żółtą linię helu w widmie emitowanym przez zewnętrzną rurę do wyładowań. Jeśli hel był w emanacji radu, jego widmo powinno pojawić się już na początku doświadczenia. Na początku doświadczenia emanację radu skraplano w ciekłym powietrzu i zaraz po skropleniu nie obserwowano widma helu. Natomiast po upływie czterech dni stwierdzono występowanie wszystkich silniejszych linii widma helu. Przeprowadzono także eksperymenty kontrolne, polegające na wprowadzeniu helu do cienkościennej rurki wewnętrznej. Stwierdzono jednak, że hel nie przenikał do zewnętrznej rury próżniowej i nie obserwowano jego widma.

S-0584.doc

Rys. 12. Rura do wyładowań do wykazania zgodności widm optycznych cząstek  i helu (S-0584)

Wyniki doświadczeń użyciu metod spektroskopii optycznej uzasadniały wniosek, że widmo, którego źródłem są cząstki  jest identyczne z widmem helu, a więc cząstki  są źródłem helu. Badania te pozwoliły również oszacować, że 1 g radu wydziela w ciągu roku około 160 mm2 helu. Dalsze badania wykazały, że w pobliżu radu powstaje inny gaz - radon, który w odróżnieniu od helu, jest gazem promieniotwórczym.

Natura promieniowania  została zbadana stosunkowo późno. Najpierw stwierdzono, że promieniowanie to nie zostaje odchylone ani w polu magnetycznym ani elektrycznym, a ponadto, że jest najbardziej przenikliwe spośród promieniowania emitowanego przy przemianach promieniotwórczych. Już w roku 1903 Becquerel przypuszczał, że te nie odchylające się promienie miały wiele cech wspólnych z promieniami X. Pogląd, że natura promieni  i promieni X wydaje się podobna podzielali Rutherford i Barkla, ale inni, głównie F.Paschen oraz W.H.Bragg przypuszczali, że są to raczej cząstki poruszające się z bardzo dużymi prędkościami. Jeszcze w roku 1896 L.Fomm wykazał, że promienie X ulegają dyfrakcji na szczelinie, ale z promieniami  takiego eksperymentu nie udało się powtórzyć. Dopiero w roku 1912 na podstawie eksperymentów M.von Lauego, W.Friedricha i P.Knippinga oraz W.H.Bragga i W.L.Bragga, ustalono z wszelką pewnością, że promienie  są falami elektromagnetycznymi podobnymi do światła, o znacznie mniejszej długości fali (rys.13).

W roku 1914 Rutherford i E.N.Costa da Andrade zastosowali kryształ soli kuchennej do badania dyfrakcji promieni . W wyniku tych badań nie tylko potwierdzili, że promienie  mają naturę podobną do promieni X, lecz także wyznaczyli długości fali promieni  emitowanych przez rad B i rad C.

Jeszcze w roku 1906 B.Boltwood odkrył bardzo silnie promieniotwórczy pierwiastek, jon, którego własności chemiczne były niemal identyczne z torem i żadnymi metodami chemicznymi nie dało się tych pierwiastków rozdzielić. Wkrótce stwierdzono, że inny pierwiastek promieniotwórczy - mezotor, również nie daje się oddzielić chemicznie od radu. Gdy w roku 1912 H.N.Russel stwierdził, że widma optyczne jonu i toru są identyczne, trzeba było przyjąć, że te dwa pierwiastki różnią się jedynie promieniotwórczością. Był to pierwszy sygnał wskazujący na istnienie izotopów. Ostateczne uporządkowanie tablicy układu periodycznego pierwiastków nastąpiło po sformułowaniu, niezależnie przez K.Fajansa i Soddy’ego w roku 1913, tzw. prawa przesunięć promieniotwórczych. Soddy wprowadził również nazwę izotop.


Rys. 13. Jedno z pierwszych zdjęć prześwietlenia promieniami X (S-1310)


  1   2   3   4   5   6


©absta.pl 2016
wyślij wiadomość

    Strona główna