Physics | Studies, essays, thesises » A radioaktivitás felfedezése

A RADIOAKTIVITÁS FELFEDEZÉSE 100 évvel ezelőtt néhány alapvető és teljesen váratlan kísérleti felfedezés forradalmasította a fizikai világképet. A19-ik század folyamán a vegyészek és fizikusok egyre inkább elfogadták az atomok létezését. Az első lépést 1803-ban Jobn Dalton tette meg Manchesterben - ő a kémiai elemek és vegyületek tulajdonságai alapján felújította és átfogalmazta a görög filozófusok atomhipotézisét. Idő kellett ahhoz, hogy a francia J.L Proust és LJ Gay-Lussac, valamint az olasz A Avogadro és S Cannizzaro erőfeszítései nyomán elfogadják az atommodellt, megkülönböztessék az atomokat a molekuláktól. Az 1890-es évek elejétől a tömör anyag makroszkopikus tulajdonságainak leírásában már szerepeltek atomok, de még nem tudták kísérletileg vizsgálni az anyagot alkotó atomokat, sem szerkezetüket felderíteni. Később jelentősen fejlődtek a tudományos eszközök és a kísérleti módszerek; ki tudtak

mutatni egészen kis mennyiségit elektromos töltést, üvegcsövekben nagyvákuumot hoztak létre, felhasználták a nagyfeszültségű elektromos kisüléseket. Váratlanul néhány olyan alapvető és teljesen meglepő kísérleti felfedezés történt, amely forradalmasította a fizikai világképünket, és lehetővé tette, hogy behatoljunk az atom belsejébe, és amelyek következményei megdöbbentőek voltak. 1895. novemberben a würzburgi egyetemen Wilhelm C Röntgen felfedezte a röntgensugárzást 1896. január 1-jén több vezető európai tudósnak elküldte eredményei leírását és az első radiográfiás felvételek másolatát. Henri Poincaré 1895 január 20-án a párizsi Tudományos Akadémián bemutatta kollégáinak az egyik felvételt, és a Franciaországban készült első orvosi röntgenfelvételeket. Röntgen bebizonyította, hogy a sugárzás az üvegcső falának arról a helyéről indul ki, ahová a katódsugarak becsapódnak. Az üvegfal itt erősen

lumineszkál, és Poincaré feltételezte, hogy a röntgensugárzás és a lumineszcencia rokon jelenségek. Becquerel-sugárzás Henri Becquerel akadémikusnak, a Muséum d Histoire Naturelle professzorának lumineszcencia volt a szakterülete, és felfigyelt arra a megjegyzésre, hogy kapcsolat lehet a lumineszcencia és a röntgensugárzás között. A Cuvier-utcai laboratóriumában megtervezett egy kísérletet, amellyel a röntgensugárzás és a lumineszcencia kapcsolatáról szóló hipotézist akarta vizsgálni. Az [SO4(UO)K+H2O] sót használta fel; hogy lássa, vajon egy foszforeszkáló test bocsát-e ki röntgensugárzást. Ezt az anyagot korábban Bordry írta le; néhány évvel korábban ugyanis Henri apjával, Edmond Becquerellel - a múzeumban a lumineszcencia ismert specialistájával - együtt készítette el. Február 20-án Henri Becquerel a só egy átlátszó kristályát két vastag réteg fekete papírba csomagolt fényképező lemezre helyezte, és néhány

órára kitette a napfényre. Előhívás után a kristály fekete körvonalai jelentek meg a lemezen, és Becquerel arra következtetett, hogy az anyag olyan sugárzást bocsát ki, amely képes a fekete papíron áthatolni. Becquerel szerette volna megismételni a kísérletet többféle minőségű és vastagságú abszorbeáló anyaggal. Párizsban azonban sem 2G-án szerdán, sem 27-én csütörtökön nem sütött a nap, betette ezért az előhívatlan lemezt a sóval együtt a fiókjába. Mivel még március 1-jén sem sütött ki a nap, ezért a lemezt előhívta, hogy lássa mennyire csökkent a foszforencia (a fényérzékeny emulzió ugyanis a sugárzást időben összegezi). Meglepetéssel tapasztalta, hogy a foszforeszcencia nem csökkent, hanem még erősebb volt, mint az első napon. Azonnal arra gondolt, hogy a só a sötétben is aktív maradt. Észrevette ezen kívül annak a fémdarabnak az árnyékát is, amelyet a só és a lemez közé helyezett. Világos

volt, hogy nincs szükség napfényre az áthatoló sugarak kibocsátásához. Becquerel azonnal megértette a röntgensugárzás és az általa felfedezett sugárzás közötti hasonlóságot, illetve különbséget. Az uránsó aktivitása időben, még néhány hónap alatt sem csökkent. Arra gondolt Becquerel, hogy amit észlelt, az nagyon kemény röntgensugárzás, vagy hosszú időtartamú foszforencia. Elektroszkóppal kimutatta, hogy a sugárzás a levegőt "elektrifikálja" (ma úgy mondjuk, hogy ionizálja). A sugárzás intenzitása akkor sem változott, amikor a sót megolvasztotta vagy átkristályosította. Május 18-án észlelte hogy egy nemfoszforeszkáló uránsó is sugarakat bocsát ki (rájött arra, hogy az uránelem szerepe a lényeges). November 23-án Becquerel feljegyezte a következőt: "Még nem tudjuk, hogy honnan veszi az urán az ilyen tartós sugárzáshoz szükséges energiát." Elnevezte a sugárzást uránsugárzásnak, míg

mások Becquerel-sugárzásnak hívták. 1897 április 12-én azt észlelte, hogy az intenzitás egy év elteltével sem csökkent. Átmenetileg felfüggesztette az uránnal végzett kísérleteket, mert új témával, a néhány hónappal előbb felfedezett Zeeman-effektussal kezdett foglalkozni. Polónium és rádium Néhány hónappal később, 1897 végén első lányának Irénnek a megszületése után Marie CurieSklodowska el akarta kezdeni a munkát a fizikai állami doktorátus (doctorat détat) cím megszerzésére (ő volt az első nő Franciaországban, aki ezt a fokozatot megkapta). Varsóból azért jött Párizsba, hogy a Sorbonne-on tanuljon, mivel akkor még Lengyelországban nők nem járhattak egyetemre. Hozzá ment Pierre Curie-hez, aki már tekintélyt szerzett a piezoelektromosság, szimmetria és mágnesség területén végzett kutatásaival. Megbeszélte a férjével, és úgy döntött, hogy tanulmányozni fogja a Becquerel-sugárzást. Pierre Curie engedélyt

kapott annak az École de Physique et Chimie Industrielle de la Ville de Paris (Párizs Város Ipari Fizikai és Kémiai Iskolája). igazgatójától, ahol tanárként működött, hogy felesége használhasson egy a technikumhoz tartozó üres műhelyt. Marie Curie decemberben dolgozni kezdett, és felállított egy berendezést az új sugárzás kvantitatív mérésére. A készülék elektrométerből, ionizációs kamrából és egy piezoelektromos kvarckristályból állt, amelyet Pierre és fivére Jacques fejlesztett ki. A kvarckristályban keletkezett elektromos töltés bizonyos idő után kompenzálta az ionizációs kamrában a sugárzás által keltett töltést. Marie Curie számos elemet, kémiai vegyületet és ásványt tanulmányozott; a Becquerel által felfedezettel azonos típusú sugárzást keresett. Függetlenül G Smidttől ő is rájött, hogy a tórium is úgy viselkedik, mint az urán. A sugárzás kibocsátása tehát az anyag általános tulajdonságai

közé tartozik, és leírására Marie Curie a "radioaktivitás" szót találta ki. Arra is rájött, hogy bizonyos uránásványok, így a szurokérc és a kalkolit sokkal aktívabbak, mint maga az urán, míg a szintetikus ásványok aktivitása azonos volt az uránéval. Arra következtetett, hogy az ásványokban egy nagyon aktív ismeretlen elem van jelen. Megjegyezte, hogy úgy látszik, a radioaktivitás atomi tulajdonság. Pierre Curie abbahagyta a kristályokkal végzett kísérleteit, csatlakozott feleségéhez, hogy együtt keressék az ismeretlen radioaktív elemet. Úgy tűnt, hogy az elem, amely kémiai rokonságot mutatott a bizmuttal, igen kis mennyiségben van jelen, és csak sugárzásméréssel lehetett nyomon követni az ismételt kémiai elválasztások során (a radioaktivitás egyre erősebb lett, míg az uránénak több, mint 400-szorosát is elérte). Az új elemet Marie Curie hazájának tiszteletére polóniumnak nevezték el. A polóniumnak és

bizmutnak az eltávolítása után a visszamaradt folyadék radioaktív maradt. Úgy látszott, hogy a szurokérc egy másik nagyon aktív, a polóniumétól különböző, a báriuméhoz hasonló kémiai tulajdonságokat mutató ismeretlen elemet is tartalmaz; a Curie házaspár Gustave Bémont vegyésszel együtt igyekezett ezt leválasztani. Sikerült egy igen aktív báriumkloridot előállítani, amelyet többször feloldottak, majd az oldatból kicsaptak, miközben a báriumklorid aktivitása egyre nagyobb lett. Eugčne Demarçay fizikust kérték meg, hogy vizsgálja meg az aktív anyag optikai spektrumát. Amikor az anyag az uránnál már 50-szer aktívabb volt, Demarçay egy nagyon gyenge ismeretlen vonalat talált; a dúsítás folyamán a vonal egyre erősebb lett; végül az anyag 900szor volt aktívabb az uránnál. A Curie házaspár az új elemet rádiumnak nevezte el. A rádium a legaktívabb volt azok között az újonnan felfedezett radioelemek között,

amelyeket közvetlenül lehet megfigyelni, illetve lemérlegelni (körülbelül 2,8 tonna természetes uránban 1 gramm rádium van). A rádiumnak a radioaktív sorozatok megismerésében kulcsszerepe volt A rádium és leányelemeinek sugárzása nagyon hatásos eszköz volt az anyag és az atom belső szerkezetének mikroszkopikus tanulmányozására. Új kutatási területeket tárt fel, és olyan gyakorlati alkalmazásokat tett lehetővé, amelyekről a radioaktivitás felfedezése előtt nem is álmodhattak. Sugárzás, emanáció és gerjesztett radioaktivitás Számos tudós, köztük Becquerel, Pierre és Marie Curie hozzáláttak az egyes radioelemek által kibocsátott sugárzások tulajdonságainak tanulmányozásához. 1899 januárban Ernest Rutherford kimutatta, hogy az urán által kibocsátott sugárzás összetett; egy könnyen elnyelődő () és egy nagyobb áthatolóképességú (ß) sugárzást tartalmaz. 1900-ban P Villard észlelte a rendkívül áthatoló

-sugárzást. Európában néhány évig a ß-sugárzást (mivel mágneses térrel el lehetett téríteni) eltéríthető, míg az a-sugárzást nem eltéríthető sugárzásnak nevezték. Más radioelemeket is felfedeztek, így 1899-ben André Debierne az aktíniumot és 1900-ban William Crookes az urán-X-et (az urán közvetlen leányelemét). A U urán-rádium bomlási sor kezdeti szakasza, az első közvetlen leányelem származékokkal (eredeti jelölésük: UX1, UX2, UII és Io). A Becquerel által észlelt uránsugárzás, amely lehetővé tette, hogy 234 234 m felfedezze a radioaktivitást, valójában az UX1 ( Th) és az UX2 ( Pa ) ß-sugárzása volt. 238 Összehangolt német, osztrák és francia vizsgálatok alapján arra a következtetésre jutottak, hogy a ß-sugárzást nagy energiájú elektronok alkotják. Nem sokkal később Rutherford bizonyította be, hogy az a-sugárzás teljesen ionizált, két pozitív töltést hordozó héliumatomokból áll. Érdekes,

hogy Becquerel soha nem ismerte el, hogy az urán -sugárzást bocsát ki.1903 decemberében tartott Nobel-előadásában hangsúlyozta, hogy ő már kimutatta, hogy "az urán még vákuumban is csak ß-sugárzást bocsát ki", vagy talán nagyon kis mértékben -sugárzást. Becquerel próbálta vizsgálni az urán -sugárzását, de sikertelenül, mivel kísérleti berendezései nem voltak megfelelőek. A Becquerel által észlelt uránsugárzás, amely lehetővé tette, hogy felfedezze a radioaktivitást, valójában a 238U-nal radioaktív egyensúlyban lévő közvetlen leányelem származékoknak, az UX1-nek (234Th) és az UX2-nek (234Pam) a ß-sugárzása volt (lásd az ábrát). 1899. novemberben Pierre és Marie Curie azt a meglepő felfedezést tette, hogy bármely anyag, például cink-, alumínium- vagy ólomlemez, még egy papírlap is, ha erősen aktív rácdiumforrás közelébe kerül, radioaktívvá válik. Az új tulajdonságot "indukált

radioaktivitásnak" nevezték Ez lassan megszűnik; két vagy három óra után az aktivitás a kezdeti érték tizedére csökken. Megkísérelték lemosni a fémlemezekről az aktivitást, de nem sikerült; a jelenséget jobban tudták reprodukálni, és a hatás is erősebb volt, amikor a kísérletet lezárt edényben végezték. Körülbelül ugyanebben az időben Rutherford, aki ekkor Montreálban dolgozott, tóriumvegyületekkel kezdett el kísérletezni. Felfedezte, hogy tóriumoxidból valamilyen radioaktív "gőz" szabadul ki, amelyet ő "emanációnak" nevezett el. Követte a hosszú üvegcsövön átáramló gáz útját, és azt észlelte, hogy körülbelül egy perc után az emanációnak fele eltűnt (valóban radioaktív gázként viselkedett). Azt is megfigyelte, hogy ha tárgyakat emanáció hatásának teszi ki, akkor úgy tűnik, mintha egy radioaktív anyag láthatatlan rétegével vonódtak volna be. Ezt "gerjesztett

radioaktivitásnak" nevezte; csiszolópapírral viszont az aktivitást el lehetett távolítani a felületről. A gerjesztett radioaktivitás nagyon hasonlított a Curie által leírt indukált radioaktivitáshoz; intenzitása exponenciálisan csökkent, és a felezési ideje - a kifejezést Rutherford alkotta meg - 11 óra volt. 1901-ben Rutherford ezt írta anyjának: "Mostani munkámat amilyen gyorsan csak tudom, publikálni fogom, hogy ne maradjak le a versenyben. A legjobb sprinterek ezen a pályán Becquerel és a Curie házaspár Párizsban, akik az utóbbi néhány évben a radioaktiv testekkel kapcsolatban rendkivül sok nagyon fontos munkát végeztek." Pierre Curie nem fogadta el Rutherford magyarázatát. Fenntartotta saját elképzelését a radioaktivitás természetéről több, mint két évig, és csak 1903. júniusban fogadta el Rutherford álláspontját. Időközben Rutherford sokféle új kísérletet végzett el hipotézisének bebizonyítására,

bevonta ezekbe a fiatal vegyészt Frederick Soddyt azért, hogy újabb vizsgálatok révén értse meg a radioaktivitást. Radioaktív átalakulások Rutherford és Soddy hamarosan számos új tény birtokába jutott. A nagyon aktív emanáció valóban egy kis mennyiségben jelenlévő inert gáz volt. Mind a tórium, mind a rádium termelt emanációt (a rádiumemanációt először Ernst Dorn észlelte 1900-ban). A tények alapján megbizonyosodtak arról, hogy mindkét emanáció kondenzálódik a folyékony levegő hőmérsékletén, és hogy jól definiált illási és kondenzációs hőmérsékletük van. A két tudós kémiai módszerekkel új radioelemet tudott elválasztani a tóriumtól, amelyet tóriumX-nek neveztek el. Ennek a tóriumnak az aktivitása kevesebb, mint a fele volt az eredeti (szeparálás előtti) tóriuménak, az emanáció tehát a tórium-X-től és nem a tóriumtól származott. Azt is felfedezték, hogy a leválasztott tórium-X aktivitása időben

csökken; a felezési idő valamivel kisebb volt, mint négy nap; ugyanezen idő alatt az eredeti tórium aktivitása és időállandója nem változott, és a két aktivitás összege állandó maradt. Nem volt kétséges, hogy a tórium átváltozik tórium-X-szé, ez gázalakú tóriumemanációvá, és az emanáció képez aktív szilárd lerakódást, eredményezi a gerjesztett radioaktivitást. A radioaktivitás tehát szubatomos változás - sugárzással együttjáró spontán átalakulás. Úgy tűnt, hogy a radioaktív átalakulások energiája néhány százezerszer nagyobb, mint bármely kémiai (tehát molekuláris) reakcióé. A harmadik fizikai Nobel-díjat 1903-ban közösen kapta Henri Becquerel valamint Pierre és Marie Curie. Pierre Curie 1905-ben Stockholmban tartott Nobel-előadásában a jövőbe látóan vonta le a következtetést: "Elképzelhető, hogy a rádium, bűnözők kezébe kerülve igen nagy veszélyt jelent; felvetődik a kérdés, hogy

előnyös-e az emberiség számára, ha megismeri a természet titkait és elég érett-e ahhoz, .hogy jóra használja, nem válik-e ártalmára ez a tudás? Nobel felfedezése jó példa erre: nagyerejű robbanóanyagokkal csodálatos munkát lehet végezni, ugyanakkor szörnyű eszköz bűnözők kezében, akik a népek között háborúkat robbantanak ki. Azok közé tartozom, akik Nobellel együtt úgy gondolják, hogy új felfedezésekből több jó származik, mint rossz." Ernest Rutherford 1908-ban kémiai Nobel-díjat kapott, Marie Curie pedig 1911-ben a második Nobel-díját kapta, szintén kémiából, a rádium leválasztásáért és tulajdonságainak meghatározásáért. Első alkalmazások A radioaktivitás lehetővé tette, hogy "belenézzünk" az atom belsejébe, és először észlelhessük, hogy hogyan bocsát ki egyenként részecskéket. Segítségével ellenőrizni lehetett a speciális relativitás és a kvantummechanika állításait, és

bizonyítékokat lehetett találni elméleti alapon előrelátott jelenségekre. 1901. júniusban - miután értesült arról, hogy Németországban Walkhoff és F Giesel a saját bőrükre helyezve próbálták ki a radioaktív anyagok fiziológiai hatását - Pierre Curie 10 órán keresztül tartott a karján egy rádiumforrást azért, hogy meghatározza az okozott károsodást. Észleléseit közölte a párizsi Saint-Louis kórház orvosaival, és javasolta a bőrbetegségek sugárkezelését. Ez volt a kezdete a "curieterápiának" Pierre Curie és André Laborde 1903-ban azt észlelte, hogy a rádium folyamatosan hót fejleszt, és az egy óra alatt termelt hő elég ahhoz, hogy vele azonos tömegű jeget megolvasszon.1903-ban általánossá vált az a felismerés, hogy szinte mindegyik, a Föld kérgét alkotó ásvány tartalmaz igen kicsiny mennyiségben radioaktív elemeket, és Rutherford megállapította, hogy ez a nagy tömegű, termikus egyensúlyban lévő

radioaktív anyag aktivitásából eredő hő kompenzálja a sugárzási veszteséget. Ezzel magyarázható, hogy a Föld hőmérséklete nagyon hosszít időn keresztül állandó maradt, ami elősegítette az élet kifejlődését. Rutherford javaslatára B.B Boltwood amerikai fizikus, bányamérnök 1904-1905-ben elvégezte az első méréseket uránásványokat tartalmazó kőzetek kormeghatározására a héliumtartalom, és két évvel később az ólom/urán arány alapján. Bizonyos elsődleges ásványok korára 400 és 2200 millió évet állapítottak meg. Sok más, a radioaktivitáshoz kapcsolódó vizsgálathoz és felfedezéshez hasonlóan, ezeket a geológiai méréseket sok évvel az atommag felfedezése előtt végezték. Forrás: Fizikai Szemle 1996/11. 369o