Główne tory współczesnych badań nad promieniotwórczością
| <<< Dane tekstu >>> | |
| Autor | |
| Tytuł | Główne tory współczesnych badań nad promieniotwórczością |
| Pochodzenie | Dwa odczyty Marji Skłodowskiej-Curie |
| Wydawca | Komitet Daru Narodowego dla Marji Skłodowskiej-Curie |
| Data wyd. | 1926 |
| Miejsce wyd. | Warszawa |
| Źródło | Skany na Commons |
| Inne | Cała broszura |
| Indeks stron | |
Celem tego odczytu jest przedstawić w streszczeniu obecny stan nauki o promieniotwórczości i zadania, nad któremi dziś pracują lub pracować pragną uczeni, którzy się tej gałęzi wiedzy poświęcają. Musimy odrazu wstąpić bez wahania w świat atomów i elektronów. Teorje molekularne i atomowe fizyki i chemji istniały oczywiście i przed odkryciem zjawisk radjoaktywnych, lecz odkrycie to przyczyniło się najwięcej do nadania teorjom tym charakteru realnego i odegrało również ważną rolę w utworzeniu pojęcia elektronu, który, jak wiadomo, jest maleńką cząsteczką o naboju ujemnym, wchodzącą w skład wszystkich atomów. Jeżeli więc pojęcie materji jest dziś nieodłączne od jej budowy cząsteczkowej, to dlatego, że nauka o promieniotwórczości stała się źródłem pierwszych konkretnych danych co do budowy atomów, i że metody jej pozwoliły po raz pierwszy obserwować indywidualnie niektóre atomy i przeprowadzić ich liczenie. Tak więc materja składa się z atomów, których połączenia tworzą molekuły, a których budowę wyobrażamy sobie według szematu Rutherforda i Bohra. Każdy atom stanowi niejako system planetarny, posiadający jądro o ładunku dodatnim i nadzwyczaj małych wymiarach, koncentrujące w sobie masę atomu a naokoło jądra krążą elektrony, których ilość jest taka, że ujemny ładunek ich równoważy ładunek jądra. Samo jądro nie jest jednolite, lecz, jak nas uczy teorja promieniotwórczości, najmniejsze jądra — wodoru i helu — wchodzą w skład wszystkich następnych, przy pomocy elektronów. Ładunek elektronu jest jedną z najważniejszych danych współczesnej fizyki i przedstawia najmniejszą niepodzielną jednostkę elektryczności. Ładunek jądra wynosi tyle jednostek dodatnich, ile atom ma zewnętrznych elektronów, a liczba ta daje jednocześnie numer miejsca zajmowanego przez odnośny atom w klasyfikacji pierwiastków chemicznych, czyli numer atomowy.
Ciała promieniotwórcze, których znamy blizko 40, należą do ogólnej klasyfikacji pierwiastków, lecz znajdują się przy końcu takowej, na miejscach od numeru 81 do 92 włącznie, z wyłączeniem numerów 85 i 87. Każdej z pozycji odpowiada kilka ciał promieniotwórczych o różnej masie, lecz o tych samych własnościach chemicznych; ciała takie nazywamy izotopami. Pod tym względem jednak, jak wiadomo z prac Astona, pierwiastki nie promieniotwórcze zachowują się podobnież, gdyż mamy dwa gatunki chloru, 4 gatunki cynku i t. d. Możemy mieć nawet na tem samem miejscu ciała promieniotwórcze obok zwykłych; tak np na 82-em miejscu znajduje się kilka typów ołowiu radjoaktywnego i kilka typów ołowiu nieaktywnego. Jaka jest różnica między ciałami zwykłemi i aktywnemi? Otóż polega ona na tem, że ciała aktywne ulegają przemianie atomowej z wydawaniem promieni, podczas gdy ciała zwykłe nie wykazują żadnej przemiany. Wszystkie przemiany atomowe, o ile dziś wiadomo, sprowadzają się do dwu typów. Przetwarzając się, atom wysyła ze swego jądra z wielką szybkością, albo cząsteczkę α — czyli jądro helu, albo cząsteczkę β — czyli elektron. W pierwszym wypadku ciężar atomowy zmniejsza się o 4, w drugim wypadku pozostaje prawie niezmienny, ze względu na niezmiernie drobną masę elektronu. Jednocześnie z wydaniem promienia α lub β, pozostałość rozbitego atomu ulega odskokowi, którego prawa znane nam są głównie z prac Wertensteina i jego współpracowników.
Przemiany radjoaktywne tworzą system, którego główne zarysy są znane. Uran i tor są pierwiastkami pierwotnymi, z których każdy daje szereg pochodnych, tworząc tak zwane rodziny, lub szeregi uranu i toru. Pomiędzy pochodnemi uranu znajdujemy—rad i polon, pierwsze z nowych ciał promieniotwórczych odkrytych za pomocą ich promieniowania. Istnieje również trzecia rodzina — aktynu, jest jednak prawie pewnem, że jest ona w związku genetycznym z uranem. Rodziny tu wzmiankowane przedstawione są, na odnośnych tablicach, na których można poznać, że niektóre atomy mają dwojaki sposób przetwarzania się, większość jednak przetwarza się jednolicie. Szybkość przetwarzania może być duża lub mała, charakteryzuje się przez perjod, czyli stały czas potrzebny na to, aby ilość substancji zmniejszyła się do połowy. Jak wiadomo, wynika stąd, że prawo zaniku jest wykładnicze, a wykładnik jest zasadniczą własnością pierwiastku promieniotwórczego. Dla różnych ciał, wykładniki te mają wartości różniące się w ogromnym zakresie. Tak np. czas zaniku do połowy wynosi—4,5 miljardów lat dla uranu, 1.600 lat dla radu, 140 dni dla polonu, 3,8 dni dla radonu czyli emanacji radu, kilka lub kilkanaście sekund dla pochodnych radonu, a nawet tylko miljonową część sekundy dla jednego z pierwiastków pochodnych.
Tak więc ciała promieniotwórcze, z punktu widzenia chemji, dają pierwszy przykład grupy pierwiastków, których atomy nie są niezmienne, lecz ulegają samoistnej przemianie według praw, które do dziś dnia okazały się niezależne od warunków zewnętrznych. Że przemiana ta jest niewątpliwą, wynika między innemi stąd, że produkty ostateczne tejże,—hel i ołów, mogą być otrzymane w ilościach dostępnych pomiarom, wychodząc ze starannie oczyszczonych soli radu. Wiadomo także, że gatunek ołowiu wytwarzany przez rad ma ciężar atomowy 206 — znacznie mniejszy niż ciężar zwykłego ołowiu 207,2, ale zupełnie odpowiedni hypotezie, że atom radu—o ciężarze 226—traci przez wysyłanie promieni α kolejno 5 cząsteczek helu, których całkowity ciężar jest 20. Zdolność samoistnego przetwarzania się, a zatem własność promieniotwórcza jest co do istoty swojej zagadką. Wiemy jednakowoż, że jest ona związana z budową jądra, podczas gdy własności chemiczne tychże pierwiastków zależą tylko od całkowitego ładunku jądra, tak jak dla zwykłych pierwiastków nieaktywnych. Jak wyżej mówiłam, obok nieaktywnych form ołowiu istnieję aktywne, i tak samo rzecz się ma z bizmutem i talem. Nietrwałość budowy jądra, która się objawia w promieniotwórczości, wydaje się związana z wielkim ciężarem atomowym, ponieważ grupa pierwiastków aktywnych znajduje się na końcu klasyfikacji ogólnej. Jednakże wysyłanie promieni β przez potas i rubid wydaje się dowodem, że przemiana atomowa może zachodzić także dla niektórych pomniejszych mas atomowych. Jak dotąd jednak nie widzimy żadnego związku między tymi alkalicznymi pierwiastkami, a szeregami uranu i toru, i dziś o nich powiedzieć można, że bardzo warto badać naturę ich aktywności; pracownie fizyko-chemiczne, gdzie nie ma ciał silnie radjoaktywnych nadają się najlepiej do tych badań, gdyż chodzi tu o promieniowanie nader słabe. Byłoby rzeczą ważną upewnić się, że w związkach potasu i rubidu można stwierdzić choćby bardzo powolne tworzenie się helu.
Jakże przedstawia się grupa ciężkich pierwiastków aktywnych i jakie są szanse powiększenia ich liczby, która dziś jest 38? Teoretycznie dalsze powiększenie jest do przewidzenia, ponieważ niema powodu, abyśmy już dziś poznali wszystkie izotopiczne pierwiastki należące do każdego z możliwych typów. Jednakowoż pewne ograniczenia wynikają ze ścisłego związku, który zachodzi między członkami szeregów. Soddy i Fajans wykazali, że przy wysyłaniu promieni α numer atomowy pierwiastku pochodnego jest o dwie jednostki mniejszy, niż numer pierwiastku pierwotnego, odpowiada przesunięciu o dwa miejsca w klasyfikacji. Podobnie przy wysyłaniu promieni β numer atomowy zwiększa się o jedną jednostkę, co odpowiada przesunięciu o jedno miejsce. Przesunięciom tym towarzyszą zmiany własności chemicznych, które dają nam cenne wskazówki w poszukiwaniu ciał jeszcze nieznanych. A zatem poszukiwanie to dziś może być robione metodycznie. Należy jednak zauważyć, że szeregi uranu i toru stanowią nieprzerwany łańcuch, co do którego wiadomo, że zwykle wszystkie lub prawie wszystkie atomy jednego gatunku przetwarzają się w atomy również jednego tylko gatunku. Można to stwierdzić – czy to przez liczenie wysyłanych promieni – czy to przez porównanie aktywności ciał promieniotwórczych zawartych w minerałach, gdzie są one w tak zwanej równowadze radioaktywnej. Ta równowaga wymaga, aby ilość przetwarzanych w tym samym czasie atomów była ta sama dla pierwiastku pierwotnego i dla jego bezpośrednich pochodnych. Weźmy przykład radu i polonu, z których każdy wydaje promienie α. Jeżeli przemiana radu prowadzi prawie wyłącznie do polonu, to całkowita jonizacja, którą można otrzymać z radu i z polonu zawartego np. w pechblendzie ma być w tym samym stosunku większa dla polonu, niż dla radu, w jakim liczba jonów utworzonych przez jeden promień α polonu, jest większa od ilości jonów utworzonych przez jeden promień radu. Ponieważ tak jest istotnie, można twierdzić, że bardzo niewiele atomów radu przetwarza się, nie prowadząc do polonu. Jednakowoż, wiadomo, że między radem i polonem istnieje tak zwane rozwidlenie; jeden z pochodnych radu, rad C przetwarza się przeważnie w rad C’ wydając promienie β, lecz mała proporcja atomów radu C przetwarza się w rad C’’, przy wydawaniu promieni α. Podobne rozwidlenia istnieją i w innych wypadkach i one to pozwalają przewidywać odkrycie nowych pierwiastków zapewne wytwarzanych w małej ilości. Szczególnie zwraca uwagę fakt, że nie mamy dotąd żadnego pierwiastku z numerem atomowym 85 lub 87, i że miejsca odnośne w klasyfikacji pozostają puste.
Jednem z najważniejszych zadań klasyfikacji jest genealogia rodziny aktynu. Jeżeli bowiem genealogia rodziny uranu i radu jest ustalona dzięki temu, że znamy ciężar atomowy radu, to nie mamy tej samej pewności co do rodziny aktynu, gdyż nie znamy żadnego z ciężarów atomowych. Określenie ich jest w zasadzie możliwe dla protaktynu i dla aktynu, które są długotrwałe; trudności przygotowania tych ciał w stanie czystym, jakkolwiek bardzo poważne, mogą być przezwyciężone przy odpowiednim wysiłku i koszcie. Pomiar ciężaru atomowego aktynonu (emanacji aktynu) przez prędkość effuzji mógłby doprowadzić do tego samego celu, lecz wydaje się bardzo trudny ze względu na prędki zanik tego gazu.
Badanie chemicznych własności ciał radjoaktywnych zostało znacznie uproszczone przez ich klasyfikację. Uczy nas ona bowiem, że należą one do 10 typów chemicznych, z których 5 są dobrze znane. Są to – uran, tor, tal, ołów i bizmut. Z pozostałych 5-u, rad jest również znany dość dokładnie, gdyż został otrzymany w stanie czystych soli i w stanie metalu, a ciężar atomowy jego jest dokładnie określony. Gazy radjoaktywne, czyli emanacje — zaliczone zostały do grupy gazów bez własności chemicznych. Pozostają zatem do dokładnego zbadania 3 nowe typy: polon, aktyn i protaktyn, z numerami atomowymi – 84, 89 i 91, a zatem pokrewne do telluru, do lantanu i do tantalu. Pokrewieństwo to nie jest absolutne, gdyż nie ma tu izotopji, tak że studja chemiczne i elektrochemiczne są bardzo wskazane. Tak np. polon, nad którym wiele pracowano u mnie w ostatnich latach, jest pod wielu względami więcej zbliżony do bizmutu niż do telluru. Aktyn nie daje prawie żadnego promieniowania, a pomiar jego przez promieniowanie pochodnych przedstawia liczne komplikacje; stąd najlepsza metoda polega w tym wypadku na studjum Mezotoru 2, który jest izotopem aktynu, a produkowany jest przez Mezotor 1, lecz potrzebny tu jest pośpiech, bo ciało to zanika do połowy w 6 godzin. Protaktyn otrzymuje się z najmniej rozpuszczalnych części pechblendy i, jak dotąd można sądzić, jest dość podobny do tantalu.
Jakkolwiek charakter chemiczny większości ciał radjoaktywnych jest znany, to jednak przygotowanie ich wymaga zwykle dodatkowych studjów, gdyż ciała, stanowiące tak drobną przymieszkę do ciał obcych, wykazują niejednokrotnie pod względem chemicznym zachowanie zależne od środowiska. Jestto więc rzecz ważna ustalić technikę ich wydobycia, a to tembardziej, że niejedne z nich mogą służyć nietylko do badań ich natury i promieni lecz także do zastosowań medycznych. Z tego powodu grupa chemiczna prac w mojem laboratorjum obejmuje nietylko studja nad nowymi typami, ale również techniki takie jak np. regularna preparacja uranu ϰ z roztworów uranu lub preparacja polonu i radu E z rostworów ołowiu radjoaktywnego otrzymanego w bardzo małej ilości, jako osad wynikający z rozpadu radonu w rurkach przygotowywanych dla użytku lekarskiego. Rurki te po zużyciu są drobno skruszone, a rad D oddziela się od szkła w kwaśnym rostworze, poczem zachowuje się ten rostwór w małych kwarcowych naczyniach; od czasu do czasu wydobywamy nagromadzony polon, osadzając go na srebrnej blaszce, obracającej się powoli w płynie.
W ścisłej łączności z grupą prac chemicznych znajduje się grupa mająca związek z mineralogią, geologią i meteorologią. Polega ona na studjach nad minerałami radjoaktywnymi i nad rozprzestrzenieniem materii radjoaktywnej na powierzchni ziemi, w gruncie, w wodach i w atmosferze. Analizy minerałów, połączone z oznaczeniem ciężaru atomowego składników, prowadzą do wniosków co do zależności genetycznej pierwiastków i co do wieku formacji geologicznych. Zaś studja nad zawartością materji radjoaktywnej na powierzchni ziemi prowadzą do wniosków wielkiej wagi dotyczących wytwarzania ciepła i elektryczności na ziemi i w słońcu, jakoteż wymiany tych czynników. Jeżeli jednak badania minerałów należą do laboratorjów radjoaktywnych, to badania radjoaktywności, rozpylonej na ziemi i w przestrzeni, należą raczej do laboratorjów meteorologicznych. Obliczono, że ciepło wytwarzane w ziemi przez rozkład ciał radjoaktywnych, mogłoby, sądząc z warunków na powierzchni, nietylko pokryć utratę ciepła ziemi przez promieniowanie w przestrzeń, lecz nawet przewyższyć tę utratę, spowodowując powolny wzrost temperatury. Do grupy badań geologicznych należy również analiza gazów, wydzielających się z ziemi, a mianowicie helu i związku jego z przemianami radjoaktywnemi.
Niemniej blisko grupy chemicznej stoi grupa prac fizjologicznych, która zaczyna się rozwijać na gruncie ściśle naukowym, nie ograniczając się do terapji o charakterze empirycznym. W ostatnich latach opracowano metody dokładnego pomiaru ciał radjoaktywnych wprowadzonych do organizmu i przebywających tam czas pewien. Analiza ta pozwala ustalić związek między zachowaniem się tych ciał i obserwowanymi skutkami. Tak np. polon osadza się na komórkach pewnych tkanek i wywołuje w nich określone zmiany. Tkanka nerki może dać na kliszy fotograficznej autoreprodukcję swojej struktury przez promieniowanie zaabsorbowanego polonu. Ciała radjoaktywne izotopowe z bizmutem lub ołowiem mogą służyć do określenia sposobu zachowania tych pierwiastków w organizmie. Takie badania chemiczno-fizjologiczne prowadzone są w Paryskim Instytucie Radowym w formie współpracownictwa między sekcją fizyko-chemiczną i sekcją biologiczno-lekarską.
Wypada nam obecnie zwrócić się do stanu studjów o charakterze więcej fizycznym. Polegają one oczywiście na badaniu promieni α, β i γ i mogą się dzielić na grupy. Pierwsza z nich obejmuje promienie α — same w sobie, druga — promienie β i γ, trzecią zaś wypada utworzyć dla bardzo już dziś rozległych prac nad promieniami atomowymi, otrzymanymi pod działaniem promieni α, głównie z wodoru.
Promienie α mogą być studjowane za pomocą jonizacji, którą wywołują w gazach i która pozwala przeprowadzić przez gaz prąd elektryczny, za pomocą działania na klisze fotograficzne i za pomocą metody scyntylacyjnej t. j. obserwacji pod mikroskopem świetlnych punkcików, z których każdy jest wywołany chwilowo przez promień α, uderzający ekran pokryty siarczkiem cynku. Metoda scyntylacyjna daje zatem możność liczenia promieni α. Metoda jonizacyjna daje zwykle obserwację globalną promieniowania; jednak może ona również być zastosowana w formie tak czułej, że przewodnictwo udzielone powietrzu przez jeden promień α da chwilowy prąd elektryczny, wystarczająco zamplifikowany, aby go można było obserwować za pomocą odchylenia elektrometru, lub za pomocą telefonu, a zatem liczyć promienie α i registrować to liczenie. Metoda fotograficzna powinnaby także w zasadzie módz służyć do indywidualnej obserwacji promieni, jednak do tej pory trudności napotkane w tym kierunku nie zostały przezwyciężone; służy ona zatem głównie do pomiaru odchylenia wiązki promieni przez pole magnetyczne lub elektryczne. Odchylenie to pozwala określić stosunek ładunku do masy, jakoteż szybkość promieni, tak samo jak w pracach Astona nad oznaczeniem masy atomów i cząsteczek o ładunku dodatnim.
Szczególnie interesującą formę zużytkowania jonizacji widzimy w znanej metodzie Wilsona, która polega na obserwacji promieni w atmosferze zawierającej parę wodną w stanie chwilowego przesycenia. Każdy promień produkuje w tem otoczeniu na drodze swojej jony, na których się skrapla para, tak że każdy jon otacza się kropelką wody. Przy silnem oświetleniu kropelki te mogą być fotografowane, wobec czego otrzymujemy fotografję przebiegu promienia, czyli niejako jego materjalizację.
Dla studjów nad promieniami β i γ możemy używać tych samych metod jak dla promieni α, z wyjątkiem metody scyntylacyjnej, która zawodzi dlatego zapewne, że energia indywidualna nie jest wystarczająca dla wywołania scyntylacji. Co do trzeciej grupy studjów nad promieniami atomowymi, to są one w tak małej liczbie, że można jedynie stosować tu metodę scyntylacyjną, a także metodę Wilsona. Rozpatrzmy kolejno najnowsze zdobycze w każdej z grup wzmiankowanych.
Wiadomo było już z dawniejszych badań, że promienie α są jądrami helu — He — o czem świadczą: odchylenie promieni tych w polu magnetycznem i elektrycznem, wytwarzanie helu przez ciała wydające te promienie, jakoteż pomiar ładunku znanej ilości promieni. Wiadomo było również, że poszczególne ciała radjoaktywne mogą wydawać każde — jedną tylko grupę promieni α których przebieg w powietrzu jest prostolinijny. Granica długości kilka centymetrów w powietrzu o gęstości normalnej jest charakterystyczną daną odnośnej substancji. Gdy takowa jest użyta w, tak cienkiej warstwie, że absorbcja jest prawie żadna, wszystkie promienie opuszczają tę warstwę z tą samą prędkością, która jest zatem również charakterystyczna dla rozpadu tego gatunku atomów.
Badania z lat ostatnich nad promieniami α polonu przez Irenę Curie za pomocą metody Wilsona dowiodły, że wahania długości są bardzo małe, w obrębie 2 do 3 % mniejwięcej. Badania Rutherforda i jego współpracowników wykazały, że każda cząsteczka α — w czasie swojej podróży — żyje nie ciągle jako jądro helu, ale może chwytać elektrony napotkanych atomów i być raz jonizowanym, albo nawet neutralnym atomem helu. Przebieg jest w prostej linji prawie do końca, lecz w samym końcu jednolitość ta jest zakłócona i każdy promień traci ostatecznie ładunek i szybkość w cokolwiek różnych warunkach. Kapica otrzymał nader interesujące fotografje tych zakończeń promieni w polu magnetycznem wielkiej siły (blisko milion gauszów), otrzymanem przez nową metodę, polegającą na nagłem wyładowaniu baterji akumulatorów. Energja promieni α — przy przebiegu przez gaz — rozprasza się przeważnie w tworzeniu wielkiej ilości jonów. Zdolność jonizacyjna jest charakteryzowana przez tak zwaną krzywą Bragga w stosunku do pozostającej drogi; przechodzi ona przez maximum kilku milimetrów przed zakończeniem tejże. Dokładne wyznaczenie krzywej Bragga w różnych gazach — jest jednym z warunków do postawienia teorji stopniowej absorbcji energji i do porównania licznych prób teorji takiej z doświadczeniem. W próżni promienie α nie tracą energji ani prędkości. W każdym gazie działanie hamujące jest proporcjonalne do gęstości, a gdy porównamy ze sobą różne ciała absorbujące – gazowe, ciekłe lub stałe, znajdujemy, że działanie hamujące jest mniej więcej proporcjonalne do kwadratowego korzenia ciężaru atomowego lub numeru atomowego. Ilość grup promieni α wydawanych przez różne ciała jest — dwadzieścia kilka, z których większość odpowiada przetworzeniu wszystkich, lub niemal wszystkich atomów danego gatunku, lecz niektóre odpowiadają przetworzeniu pewnej tylko proporcji, to jest rozwidleniu.
Tak więc normalny przebieg promieni α w gazach jest geometrycznie prosty prawie do końca. Fotografje za pomocą metody Wilsona pokazują jednak, że od czasu de czasu zachodzi katastrofa, która nagle zmienia kierunek drogi. Fakt ten ma doniosłe znaczenie dla teorji budowy atomów, gdyż on to jest podstawą teorji planetarnej atomu, którą wyżej przypomniałam, a która postawiona przez Rutherforda, rozwinięta została przez Bohra, Rutherford przypisał te nagłe zwroty bliskiemu zetknięciu cząsteczki α z jądrem atomu i pokazał, że obserwując za pomocą scyntylacji rozproszone przy przebyciu materji cząsteczki α można określić ładunek jądra, a zatem numer atomowy dla tej materji. Moseley dowiódł następnie, że numer ten jest również numerem miejsca zajmowanego przez odnośny pierwiastek w klasyfikacji. Wiadomo, że na zasadzie teorji izotopji numer ten określa własności chemiczne atomów, których ciężary atomowe mogą być różne; określa on również charakterystyczne grupy promieni natury elektromagnetycznej, które dana materja może wysyłać — a także wiele innych własności tej materji. Rozważając tę imponującą syntezę, wspomnijmy, że źródło jej jest w punkciku świetlnym zauważonym na ekranie siarczku cynku w takiem miejscu, w którem się go nie spodziewano.
Gdy mowa o promieniach α, nie zapominajmy, że liczenie ich daje nam możność określać czas zaniku ciał długotrwałych jak rad, gdyż każdy promień α odpowiada rozkładowi jednego atomu. Rezultaty w tym kierunku nie osiągnęły jeszcze takiej dokładności, jakiejby się można spodziewać, należy zatem czynić nowe wysiłki. Tak np. mamy obecnie w toku w laboratorjum mojem pomiar ładunku promieni α radu w celu kontroli szybkości zaniku. Miło mi zaznaczyć, że praca ta, wymagająca wielkiej staranności, powierzona jest młodemu polakowi, który, mam nadzieję, dokończy jej pomyślnie.
Przechodzimy obecnie do grupy prac nad promieniami β i γ. Rozważamy je w tej samej grupie, ponieważ mimo różnicy natury, promienie β i γ mają ścisłą łączność, tak samo jak promienie katodowe z promieniami Roentgena. W obu wypadkach mamy do czynienia z formami energji, które mogą się przetwarzać jedna w drugą. Promienie β (lub katodowe) są to elektrony o ładunku ujemnym; masa ich przy prędkości małej lub żadnej jest 1800 razy mniej więcej mniejsza, niż masa atomu wodoru. Lecz gdy szybkość staje się znaczną częścią szybkości światła, masa powiększa się razem z szybkością, i wyrazić ją można za pomocą formuły Lorentza i Einsteina:
gdzie β znaczy stosunek szybkości elektronu do szybkości C światła, Mo — jest masa w spoczynku, a M — masa przy szybkości β. Szybkość światła stanowi zatem granicę, której nie może dosięgnąć elektron, gdyż masa jego musiałaby stać się nieskończenie wielką.
Jak wiadomo, formuła powyższa sprawdzona została przez doświadczenia nad odchyleniem promieni β radu i promieni katodowych w polu magnetycznem i elektrycznem.
Promienie γ — zarówno jak promienie Roentgena — są natury elektromagnetycznej i długość fali może być mierzona dla nich przez dyfrakcję na kryształach, o ile długość ta jest zawarta w odpowiednich granicach. Przenikliwość promieni Roentgena i promieni γ wobec materji wzrasta, gdy zmniejsza się długość fali. Istnieją promienie γ bardzo przenikliwe, a zatem o bardzo krótkiej fali, dla których siatki kryształów nie są dość drobne, tak że długość fali nie może być zmierzona. Jednakowoż zobaczymy, że rezultat ten może być osiągnięty na drodze pośredniej. Ciała radjoaktywne wysyłają wiele grup promieni β, które można scharakteryzować w pierwszem przybliżeniu przez współczynnik absorbcji, dla której można otrzymać prawa – w mniejszem lub większem przybliżeniu — wykładnicze, czyli, że stała proporcja promieni jest zatrzymana przez daną ilość absorbującej materji. Analiza taka nie jest jednak bardzo subtelna, bo mechanizm absorbcji nie jest bynajmniej prosty, a dany współczynnik absorbcji odpowiada grupie promieni, które nie mają bynajmniej tej samej szybkości. Dokładna analiza promieni β może być przeprowadzona w próżni przez odchylenie w polu magnetycznem, przyczem wiązka promieni o tym samym pierwotnie kierunku rozkłada się na tak zwane widmo magnetyczne za pomocą fotografji. Widmo takie dla danego ciała radjoaktywnego zawiera zwykle część ciągłą i pewną ilość mniej lub więcej ostrych linji. Każda linja odpowiada promieniom danej szybkości, a część ciągła promieniom szybkości zmiennej między pewnemi granicami. Nazwisko Jana Danysza przywiązane jest do pierwszych ważnych rezultatów otrzymanych z radem i jego pochodnemi. Rezultaty te są bardzo zawiłe, gdy je porównamy z tem co wiemy o promieniach α, gdzie jedna tylko linja stanowi widmo megnetyczne danego ciała. Jednakowoż za pomocą liczenia promieniami β można stwierdzić, że rozpad atomu odpowiada wysłaniu jednego tylko mniejwięcej promienia β. Do zrozumienia widma przyczyniły się badania nad promieniami β, otrzymanymi, jako promienie wtórne promieni Roentgena, dzięki przetworzeniu energji tychże w korpuskularną energię elektronów w napotkanej materji. Przeobrażenie energji odbywa się według prawa Einsteina jak następuje:
gdzie W znaczy — energję cynetyczną elektronu wypchniętego z materji przez promienie Roentgena o częstości v, h jest stała Plancka, a zatem hv jest quantum energji promieni Roentgena. Zaś hvi jest quantum energji potrzebne, aby oderwać elektron od atomu, do którego on należy. Równanie powyższe znaczy zatem, że różnica energji między quantum do rozporzędzenia — a quantum niezbędnem — objawia się jako energja cynetyczna elektronu. Taż sama energja pisze się podług formuły Lorentza jak następuje:
gdzie Mo, β i C — są litery, których znaczenie już było wyżej podane. Widmo magnetyczne promieni wtórnych daje nam wartość β a zatem W dla każdej linji. Jeżeli zatem znamy v, możemy obliczyć vi. Doświadczenia de Broglie i innych uczonych wykazały, że wartości otrzymane dla hvi są te same, jakie charakteryzują, podług teorji Bohra, pracę oderwania elektronu z orbit zwanych K, L, M, N etc. Odwrotnie, jeżeli przypuszczamy, że oderwany elektron pochodzi z orbity K, to znając dla danego atomu hνk, możemy określić hv, a zatem długość fali, lub częstość promieni pierwotnych. Jest we zwyczaju wyrażać również energję elektronów w funkcji potencjału ν potrzebnego dla udzielenia elektronowi tej energji — według równania W = eν, gdzie e — jest ładunek elektronu. Podobnież quantum energji elektromagnetycznej bywa mierzone przez równoważny potencjał według formuły hv = eν.
Badania widm magnetycznych promieni β przez Ellisa i L. Meitner wykazały, że linje tych widm tłómaczą się najczęściej jako należne do promieni β wtórnych, uformowanych przez elektrony wyrwane z orbit K, L etc. atomów radjoaktywnych przez promienie γ, pochodzące z jąder tychże atomów. Ztąd wynikła teorja — przyznająca jednemu gatunkowi atomów radjoaktywnych pewną ilość grup promieni γ, którym odpowiadają w jądrze tak zwane poziomy energji, analogiczne do poziomów energji dla elektronów zewnętrznych, które są właśnie hνK, hνL, etc. Teorja ta jest w pełnym rozwoju, ale wiele punktów jest jeszcze ciemnych; tak np. stosunek do widma promieni β, których wydawanie jest związane z przemianą radjoaktywną atomu — nie jest jeszcze dobrze znany; części ciągłe widma także nie są wyjaśnione. Według niektórych autorów mogłyby one pochodzić z dyfuzji promieni γ przez elektrony według hypotezy Comptona. Prace, które są w toku w mojem laboratorjum wykazały, że widma magnetyczne zawierają linje i grupy linji, odpowiadające ogromnym szybkościom i bardzo wysokim potencjałom (około 10 miljonów voltów). Określenie roli tych promieni β o wielkiej energji jest, mam nadzieję, kwestją bliskiej przyszłości. Są może między nimi i promienie β pierwotne; przypomnijmy bowiem, że potencjał równoważny energji promieni α jest kilka miljonów voltów, a można przypuszczać, że energja odpowiadająca rozkładowi atomów radjoaktywnych jest tego samego porządku dla obu kategoryj rozkładu.
Nowe pomiary absorbcji promieni β radu E w mojem laboratorjum okazały, że współczynnik absorbcji jest funkcją linearną numeru atomowego. Pomiary współczynnika absorbcji dla promieni Roentgena jednolitych o znanym potencjale byłyby bardzo pożądane w dziedzinie jaknajwyższych napięć, gdyż pomogłyby do identyfikacji promieni γ, których nie jesteśmy w możności otrzymać dowolnie w oddzielnych grupach. Obserwacje wykonane za pomocą metody Wilsona okazują jasno, zgodnie z dawnemi przypuszczeniami, że promienie β produkują o wiele mniej jonów niż promienie α, i że droga ich w powietrzu zbacza nieustannie od kierunku prostolinijnego; zapewne tylko bardzo szybkie promienie β mogą na pewnej części drogi kierunek pierwotny zachować. Co do promieni γ, to jest rzeczą niemal pewną, że dają się one poznać tylko za pośrednictwem wtórnych promieni β, które wywołują w napotkanej materji, same zaś przez się jonów nie tworzą. Niektóre z tych wtórnych elektronów noszą nazwę fotoelektrycznych, a mechanizm ich wydawania stosuje się do prawa Einsteina, powyżej wzmiankowanego; inne są o względnie małej szybkości i tłómaczone są przez mechanizm dyfuzji opisany przez Comptona, to jest, że quantum pierwotne, odbite niejako przez elektron, ulega zmniejszeniu, a część jego energji przechodzi na elektron, który niejako odskakuje pod uderzeniem. Stosunek fotoelektronów do elektronów odskoku nie jest jeszcze wyjaśniony.
Przejdźmy obecnie do 3-ej grupy badań, które zajmuje się promieniami atomowemi o ładunku dodatnim, wytwarzanymi w materji poddanej bombardowaniu przez promienie α. Promienie takie powstają łatwo w wodorze. Jeżeli cząsteczka α przebiega bardzo blisko jądra atomu wodoru, następuje tak zwane uderzenie wyjątkowe: cząsteczka jest odchylona ze swej drogi o pewien kąt, a napotkane jądro, oddzielając się od towarzyszącego mu elektronu, jest wprawione w ruch z dodatnim ładunkiem i tworzy promień, mogący przebyć w gazie pewną drogę – przy utworzeniu pewnej ilości jonów. Metoda scyntylacyjna pozwala obserwować te promienie wodoru, których przebieg może być dłuższy niż przebieg promieni α, które je wytworzyły. Metoda Wilsona zaś daje nam w tym wypadku obraz rozwidlenia, którego dwa ramiona stanowią drogi obu cząsteczek po uderzeniu i biorą początek tam, gdzie się kończy prostolinijna droga pierwotnego promienia. Promienie atomowe można otrzymać również w innych gazach, np. w helu, w tlenie, w azocie, w argonie. Gdy atom uderzony ma większą masę niż cząsteczka α czyli atom helu, to cząsteczka α może być zupełnie w tył odrzucona, ale przebieg atomów większej masy jest krótszy niż przebieg promieni wodoru.
Studjując te interesujące zjawiska, Rutherford zrobił odkrycie wielkiej wagi. Pokazał on, że w azocie bombardowanym przez promienie α większej szybkości (około 20000 km. na sekundę) tworzą się w bardzo małej ilości promienie wodoru o nienormalnie długim przebiegu. Promienie te nie tworzą się w tlenie. Rutherford przyszedł do przekonania, że promienie te są jądrami wodoru, oderwanemi od jąder azotu przez rozbicie tychże, że jest to zatem pierwszy przykład dowolnie wywołanej przemiany atomowej. Tak samo udało się rozbić w maleńkiej proporcji jądra wielu innych atomów o niewielkiej masie — jak bor lub glin, podczas gdy inne jądra okazały się dotąd oporne. Metody obserwacji wydoskonalają się stopniowo i opracowywane są w kilku laboratorjach. I u mnie są w toku prace, których obecnym celem jest technika rozróżniania między promieniami dezyntegracji, a ubocznemi zjawiskami, które obserwację utrudniają. Metoda Wilsona — stosowana automatycznie do otrzymania wielkiej ilości fotografji — okazała, że jądro azotu, rozbite przez uderzenie, może na miejscu utraconego jądra wodoru włączyć w siebie napotkaną cząsteczkę α, tworząc w ten sposób atom izotopowy tlenu, o ciężarze atomowym 17, który nie istnieje w naturze w ilości dostępnej dotychczasowej obserwacji.
Jeżeli rozbijać możemy niektóre małe atomy, to czemuż nie możemy rozbić atomów radjoaktywnych, które same w sobie nie są stałe? Na to pytanie trudno odpowiedzieć, gdyż mało jeszcze bardzo wiemy o budowie atomów, a nic zupełnie o przyczynach samoistnego rozpadu. Badania nad możnością wywarcia wpływu w tym kierunku były przez ostatnie lata prowadzone niemal nieustannie w mojem laboratorjum w tej formie, że ciała radjoaktywne były poddawane działaniu promieni — czy to własnych, czy to ciał pokrewnych. Jedna tylko z tych prac była ogłoszona; dotyczyła ona bardzo skoncentrowanej emanacji, która zanika tak samo jak mniej skoncentrowana z dokładnością przynajmniej 1:2000.
Z polonem bombardowanym przez promienie β i γ radu — otrzymałam różnice, które jednak w dalszych doświadczeniach nie dały się ustalić z zupełną pewnością. Inne ciała dały również rezultaty żadne, albo wątpliwe. Należy jednak pamiętać, że precyzja tu otrzymana, jakkolwiek wysoka, nie dałaby poznać efektów tak maleńkich, jak w doświadczeniach Rutherforda, a metoda w tychże stosowana mniej się nadaje do badania ciał aktywnych. Tak więc nie wiemy jeszcze, jaka jest istota radjoaktywności, należy jednak spodziewać się, że i w tym wypadku tajemnica natury odsłoni się z czasem przed cierpliwym wysiłkiem badacza.
