Badanie ciał radioaktywnych ebook

Maria Skłodowska-Curie

Badanie ciał radioaktywnych

Ta lektura, podobnie jak tysiące innych, jest dostępna on-line na stronie wolnelektury.pl.

Utwór opracowany został w ramach projektu Wolne Lektury przez fundację Nowoczesna Polska.

ISBN 978-83-288-3922-9

Badanie ciał radioaktywnych

Wstęp

Celem niniejszej rozprawy jest opisanie poszukiwań, które prowadzę od lat przeszło pięciu nad substancjami promieniotwórczymi. Badania te rozpoczęłam od studyów nad promieniowaniem uranowym, odkrytym przez p. Becquerela. Okazało się, że wyniki, do jakich mnie ta praca doprowadziła, odsłaniają widoki tak ciekawe, że pan Curie, odstępując od swych robót, będących w biegu, przyłączył się do mnie i odtąd wspólne nasze usiłowania skierowaliśmy ku wydobyciu nowych ciał promieniotwórczych i ich zbadaniu.

Od początku naszych doświadczeń uważaliśmy za rzecz właściwą udzielać próbek ciał przez nas odkrytych i otrzymanych kilku fizykom, a przede wszystkim p. Becquerelowi, któremu zawdzięczamy odkrycie promieni uranowych. W taki sposób ułatwialiśmy innym badania nad nowymi ciałami promieniotwórczymi. W następstwie pierwszych naszych publikacji p. Giesel w Niemczech zaczął również przygotowywać te ciała i udzielił ich próbek kilku uczonym niemieckim. Następnie przetwory te ukazały się w sprzedaży we Francji i w Niemczech i sprawa, przybierając coraz to większe znaczenie, stała się punktem wyjścia ruchu naukowego, tak że — zwłaszcza poza Francją — ukazały się i ukazują nieustannie liczne komunikaty o ciałach radioaktywnych. Wyniki tych różnych badań francuskich i zagranicznych z konieczności są jeszcze zagmatwane, jak to bywa zawsze z przedmiotem badań nowym i pozostającym jeszcze w opracowaniu. Stan kwestii zmienia się, można powiedzieć, z dnia na dzień.

Jednakże z punktu widzenia chemicznego jest jedna rzecz udowodniona w sposób niezbity, to jest istnienie nowego pierwiastku w wysokim stopniu promieniotwórczego — radu. Przygotowanie czystego chlorku radu i oznaczenie ciężaru atomowego samego radu stanowi część najważniejszą mojej pracy osobistej. Do szeregu dokładnie poznanych pierwiastków chemicznych praca ta dorzuciła nowe ciało proste z własnościami bardzo ciekawymi, a jednocześnie ustaliła i uzasadniła nową metodę poszukiwań chemicznych. Metoda, o której mówię, oparta na promieniotwórczości uważanej za własność atomów materii, pozwoliła właśnie p. Curiemu i mnie odkryć istnienie radu.

O ile zadanie, pierwotnie przez nas podjęte, możemy uznać za rozwiązane z punktu widzenia chemicznego, badanie własności fizycznych ciał promieniotwórczych znajduje się w pełnym rozwoju. Pewne szczegóły ważne są już ustalone, lecz znaczna liczba wniosków ma jeszcze dotąd cechy tymczasowości. Nic w tym dziwnego, jeżeli zwrócimy uwagę na zawiłość zjawisk, którym promieniotwórczość daje początek, i na różnice we własnościach rozmaitych ciał radioaktywnych. Badania różnych fizyków, którzy studiują te ciała, spotykają się ze sobą i krzyżują nieustannie. Mając ustawicznie na widoku cel właściwy niniejszej rozprawy i opisując przede wszystkim własne swoje poszukiwania, musiałam jednak współcześnie wzmiankować i o rezultatach prac innych, których znajomość jest niezbędna.

Pragnęłam nadto z rozprawy tej uczynić rzecz ogólniejszą, obejmującą całkowity stan współczesny przedmiotu.

W ciągu rozprawy wyszczególniam kwestie, któremi sama zajmowałam się specjalnie, oraz te, które badałam wspólnie z p. Curie.

Roboty swoje przeprowadziłam w pracowniach Szkoły Fizyki i Chemii stosowanej (Ecole de Physique et de Chimie industrielles) miasta Paryża za zezwoleniem Schützenbergera, nieodżałowanego dyrektora tej Szkoły, i p. Lautha, dyrektora obecnego. Miło mi wyrazić na tym miejscu wdzięczność za uprzejmą gościnność, jaka mnie spotykała w tej Szkole.

Część historyczna

Odkrycie zjawisk radioaktywności jest związane z poszukiwaniami prowadzonymi od czasu odkrycia promieni Röntgena, a dotyczącemi działań fotograficznych ciał fosforyzujących i fluoryzujących.

Pierwsze rurki wytwarzające promienie röntgenowskie nie posiadały antykatody metalicznej. Źródło promieni Röntgena znajdowało się w ścianie szklanej, uderzanej przez promienie katodalne. Ścianka ta jednocześnie fluoryzowała bardzo silnie. Można więc było przypuszczać, że emisja promieni röntgenowskich nieodłącznie towarzyszy fluorescencji, powstającej pod jakimbądź wpływem. Myśl tę powziął pierwszy p. Henryk Poincaré1.

Wkrótce potem p. Henry doniósł, że otrzymał obrazy fotograficzne pod działaniem siarczku cynku fosforyzującego przez papier czarny2. P. Niewęgłowski wywołał to samo zjawisko siarczkiem wapnia, który poprzednio był wystawiony na działanie światła3. Na koniec p. Troost otrzymał silne obrazy fotograficzne, działając sztucznie otrzymaną blendą heksagonalną fosforyzującą poprzez papier czarny i grubą tekturę4.

Przytoczone powyżej doświadczenia nie mogły być powtórzone, pomimo wielu w tym kierunku usiłowań. Niepodobna więc żadną miarą uznać za rzecz dowiedzioną, że siarczek cynku i siarczek wapnia pod wpływem światła wysyłają promienie niewidzialne, które mogą przechodzić przez papier czarny i działać na płytę fotograficzną.

P. Becquerel wykonywał doświadczenia podobne z solami uranu, z których pewna część okazywała fluorescencję5. Otrzymał on obrazy fotograficzne przez papier czarny, używając siarczanu uranylowo-potasowego. P. Becquerel sądził zrazu, że ta sól, która posiada fluorescencję, zachowuje się tak jak siarczek cynku i siarczek wapnia w doświadczeniach panów Henry’ego, Niewęgłowskiego i Troosta. Ale dalszy bieg doświadczeń przekonał go, że zjawisko uważane nie ma żadnego związku z fluorescencją. Nie ma konieczności, żeby sól była naświetlona, a, co więcej, uran i wszystkie jego połączenia działają w jednakowy sposób, a uran metaliczny jest najbardziej czynny. P. Becquerel spostrzegł następnie, że związki uranowe, pomimo przechowywania ich w całkowitej ciemności, zachowują własność działania na płyty fotograficzne przez papier czarny w ciągu lat całych. P. Becquerel przyjął, że uran i jego związki wysyłają szczególniejsze promienie: promienie uranowe. Dowiódł, że promienie te mogą przechodzić przez cienkie zasłony metalowe i że wyładowują ciała naelektryzowane. Poczynił też doświadczenia, z których wywnioskował, że promienie uranowe ulegają załamaniu, odbiciu i polaryzacji.

Badania innych fizyków (Elstera i Geitla, lorda Kelwina, Schmidta, Rutherforda, Beattiego i Smoluchowskiego) potwierdziły i rozszerzyły wyniki poszukiwań p. Becquerela za wyjątkiem odbicia, załamania i polaryzacji promieni uranowych, które zachowują się w tym względzie jako promienie röntgenowskie, co przede wszystkim zostało wykazane przez p. Rutherforda, a następnie i przez samego p. Becquerela.

Rozdział I. Promieniotwórczość uranu i toru. Minerały promieniotwórcze

Promienie Becquerela. Promienie uranowe, odkryte przez p. Becquerela, działają na płytę fotograficzną bez dostępu światła; mogą przenikać przez wszelkie ciała stałe, ciekłe i gazowe, o ile ich warstwa jest odpowiednio cienka; przechodząc przez gazy, nadają im własność przewodzenia elektryczności w stopniu słabym6.

Własności powyższe związków uranowych nie są zależne od żadnego bodźca znanego. Promieniowanie zdaje się być samoistnym; natężenie jego nie zmniejsza się bynajmniej, jeżeli związki uranu są przez całe lata przechowywane w zupełnej ciemności; zjawisko nie jest więc wcale jakąś fosforesceneją szczególną, wzbudzoną przez światło.

Samoistność i trwałość promieniowania uranowego stanowią zjawisko fizyczne nader osobliwe. P. Becquerel przechowywał w ciemności kawałek uranu przez lat kilka i przekonał się, że po upływie tego czasu działanie na płytkę fotograficzną nie zmieniło się w sposób dający się dostrzec. Pp. Elster i Geitel wykonali doświadczenie podobne i przekonali się również, że działanie jest stałe7.

Natężenie promieniowania uranu mierzyłam, korzystając z działania tego promieniowania na przewodnictwo elektryczne powietrza. Otrzymałam w taki sposób liczby, które stwierdzają stałość promieniowania w granicach dokładności doświadczeń, to jest aż do 2 lub 3 mniej więcej odsetek8.

Do pomiarów tych była używana płytka metaliczna, pokryta warstwą uranu sproszkowanego; płytki tej nie przechowywano w ciemności, gdyż warunek ten, według spostrzegaczy wyżej przytoczonych, nie ma znaczenia. Liczba pomiarów wykonanych z tą płytką jest bardzo wielka i obecnie odnoszą się one do okresu czasu wynoszącego już pięć lat.

Były czynione poszukiwania, mające na celu dowiedzieć się, czy i inne ciała mogą działać tak, jak związki uranowe. P. Schmidt pierwszy ogłosił, że tę właściwość posiada również tor i jego związki9. Przeprowadzone jednocześnie odpowiednie badania i mnie także dały wynik takiż sam. Ogłosiłam to spostrzeżenie, nie znając jeszcze komunikatu p. Schmidta10.

Mówimy, że uran, tor i ich związki wysyłają promienie Becquerela. Ciała, które są źródłem emisji tego rodzaju, nazwałam radioaktywnymi11 (promieniotwórczymi) i nazwa ta odtąd została przyjęta ogólnie.

Promienie Becquerela przez swoje działanie fotograficzne i elektryczne zbliżają się do promieni Röntgena. Mają też, na równi z tymi ostatnimi, zdolność przenikania wszelkich substancji . Różnią się jednak bardzo pod względem siły przenikania: promienie uranowe i torowe zostają powstrzymane po przebyciu drogi wynoszącej kilka milimetrów w materii stałej, a w powietrzu przebyć nie mogą odległości większej nad kilka centymetrów; tak jest przynajmniej dla znaczniejszej części promieniowania.

Badania różnych fizyków, a przed innymi p. Rutherforda, dowiodły, że promienie Becquerela nie ulegają ani prawidłowemu odbiciu, ani załamaniu, ani polaryzacji12.

Słaba zdolność przenikania promieni uranu i toru zbliżałaby je raczej do promieni wtórnych, które są wytwarzane przez promienie Röntgena, a których badaniem zajął się p. Sagnac13, aniżeli do samych promieni Röntgena.

Z drugiej strony można by poszukiwać zbliżenia pomiędzy promieniami becquerelowskimi a promieniami katodalnymi rozchodzącemi się w powietrzu (promienie Lenarda). Wiadomo nam dzisiaj, że różne te zbliżenia są wszystkie uprawnione.

Mierzenie natężenia promieniowania. Metoda używana w tym celu polega na mierzeniu przewodnictwa nabytego przez powietrze pod wpływem ciał promieniotwórczych; metoda, o której mowa, posiada tę zaletę, że jest pośpieszna i dostarcza liczb odpowiednich do porównywania między sobą. Przyrząd używany przeze mnie w tym celu, składa się głównie z kondensatora o dwu talerzach AB (fig. 1). Substancja czynna, drobno sproszkowana, jest umieszczona na talerzu B; nadaje ona własność przewodzenia warstwie powietrza pomiędzy talerzami. Chcąc zmierzyć przewodnictwo, doprowadzamy talerz B do wysokiego potencjału, łącząc go z jednym z biegunów baterii małych akumulatorów P, której biegun drugi jest połączony z ziemią, zatem pomiędzy tymi talerzami wytwarza się prąd elektryczny. Potencjał talerza A jest wskazywany przez elektrometr E. Jeżeli zerwiemy połączenie z ziemią w punkcie C, talerz A ładuje się, a ładunek jego odchyla elektrometr. Szybkość tego odchylenia jest proporcjonalna do siły prądu i może służyć do jej mierzenia.

Lepiej jednak dokonywać tego pomiaru, kompensując ładunek talerza A tak, żeby elektrometr pozostawał na punkcie zero. Ładunki, o które tu idzie, są nadzwyczaj słabe; mogą one być kompensowane za pomocą kwarcu piezoelektrycznego Q, którego jedno uzbrojenie jest złączone z talerzem A, drugie zaś — z ziemią. Blaszkę kwarcową poddajemy wyciąganiu, którego wielkość jest znana i oznaczona przez ciężarki, umieszczane na talerzyku Π; obciążenia dokonywa się stopniowo, a następstwem tego jest stopniowe wytworzenie pewnej znanej ilości elektryczności w ciągu czasu, który mierzymy. Czynność tę możemy regulować w taki sposób14, żeby ilość elektryczności przechodząca przez kondensator i ilość elektryczności ze znakiem przeciwnym, dostarczana przez kwarc, równoważyły się między sobą w każdej chwili. Można także mierzyć w wartościach bezwzględnych ilość elektryczności, przechodzącą w pewnym czasie przez kondensator, to jest mierzyć siłę prądu. Pomiary są tu niezależne od czułości elektrometru.

Wykonywając szereg pomiarów tego rodzaju, przekonywamy się, że radioaktywność jest zjawiskiem, które można mierzyć z pewną dokładnością. Mało zmienia się ona z temperaturą, a wahania w stanie ciepła środowiska otaczającego prawie nie wywierają na nią wpływu; stopień oświetlenia substancji czynnej nie ma żadnego znaczenia. Natężenie prądu przepływającego przez kondensator wzrasta razem z powierzchnią talerzy. Dla danego przyrządu i danej substancji prąd wzrasta odpowiednio do różnicy potencjału na dwu talerzach, do ciśnienia gazu napełniającego kondensator i do odległości talerzy (pod warunkiem, żeby ta odległość nie była zbyt wielka w stosunku do średnicy). W każdym razie, wobec dużych różnic potencjału prąd dąży do pewnej wartości granicznej, która, praktycznie biorąc, jest wartością stałą. Nazywamy ją prądem nasyconym, albo prądem granicznym. Tak samo wobec pewnej, dostatecznie wielkiej odległości między talerzami kondensatora prąd nie zmienia się wcale z dalszymi zmianami tej odległości. Prąd otrzymany w powyższych warunkach, z dodatkiem, że kondensator pozostaje w powietrzu pod ciśnieniem atmosferycznym, był w doświadczeniach moich używany do mierzenia promieniotwórczości.

Dla przykładu podaję krzywe wyobrażające natężenie prądu w funkcji pola średniego, wytworzonego pomiędzy talerzami kondensatora, wobec dwu różnych odległości tych talerzy między sobą. Talerz B był pokryty cienką warstewką sproszkowanego uranu metalicznego; talerz A, połączony z elektrometrem, był zaopatrzony w pierścień ochronny.

Figura 2 wskazuje, że natężenie prądu osiąga wielkość stałą wobec znacznych różnic potencjału na dwu talerzach. Figura 3 przedstawia też same krzywe w innej skali i zawiera wyłącznie rezultaty, odnoszące się do małych różnic potencjału. Początek krzywej jest linią prostą; iloraz z natężenia prądu przez różnicę potencjału jest wielkością stałą dla napięć słabych i przedstawia przewodnictwo początkowe między talerzami. Możemy tedy odróżniać dwie ważne staje charakterystyczne zjawiska uważanego: 1. przewodnictwo początkowe w przypadku małych różnic potencjału; 2. prąd graniczny w przypadku wielkich różnic potencjału. Prąd graniczny został przyjęty za miarę promieniotwórczości.

Obok różnicy potencjału, którą wywołujemy pomiędzy talerzami kondensatora, istnieje nadto pomiędzy nimi siła elektrobodźcza zetknięcia, a wyniki tych dwu źródeł prądu dodają się do siebie. Z tego powodu wartość bezwzględna natężenia prądu zmienia się razem ze znakiem różnicy potencjału zewnętrznego. W każdym jednak razie wobec wielkich różnic potencjału skutki siły elektrobodźczej zetknięcia mogą być pominięte, a natężenie prądu jest wtedy jednakowe bez względu na znak pola pomiędzy talerzami.

Badania nad przewodnictwem powietrza i innych gazów, poddanych wpływowi promieni Becquerela, były dokonane przez wielu fizyków15. Studium bardzo szczegółowe nad tym przedmiotem zostało ogłoszone przez p. Rutherforda16.

Prawa przewodnictwa, wywołanego w gazach przez promienie Becquerela, są takież same, jak prawa znalezione dla odpowiedniego działania promieni Röntgena. Mechanizm zjawiska, o ile się zdaje, w obu razach jest jednakowy. Teoria jonizacji gazów przez promienie czy to röntgenowskie, czy becquerelowskie doskonale objaśnia zjawiska dostrzegane. Teorii tej wykładać tutaj nie będę, przypomnę tylko wnioski, do których ona prowadzi:

1. Liczba jonów wytworzonych w gazie w ciągu sekundy jest uważana za proporcjonalną do pochłoniętej przez gaz energii promieniowania.

2. Dla otrzymania prądu granicznego, odpowiadającego danemu promieniowaniu, należy, z jednej strony, doprowadzić do całkowitego pochłonięcia przez gaz energii promieniowania, a to przez użycie masy pochłaniającej odpowiednio wielkiej; z drugiej strony, do wytworzenia prądu należy zużytkować wszystkie wydzielone jony, wywołując pole elektryczne o tyle silne, ażeby liczba jonów, łączących się na powrót, była nieznaczną częścią liczby całkowitej jonów wydzielonych w tym samym czasie, które prawie wszystkie zostają przez prąd porwane i doprowadzone do elektrod. Pole elektryczne, niezbędne do otrzymania takiego wyniku, musi być tym silniejsze, im jonizacja jest znaczniejsza.

Według świeżych poszukiwań p. Townsenda zjawisko staje się bardziej złożonym, gdy ciśnienie gazu jest niskie. Zdaje się, że wtedy prąd zrazu dąży do wartości granicznej stałej w miarę wzrastania różnicy potencjału, ale, począwszy od pewnej wielkości tej różnicy, prąd zaczyna znowu wzrastać razem z polem i to z szybkością bardzo znaczną. P. Townsend przyjmuje, że ten przyrost zależy od nowej jonizacji, spowodowanej przez same jony, gdy one, pod wpływem pola elektrycznego nabędą szybkości wystarczającej do tego, ażeby cząsteczka gazu, znajdująca się na drodze takiego pocisku, została przez jego uderzenie zdruzgotana i rozbita na swoje jony. Pole elektryczne silne obok ciśnienia słabego dopomagają jonizacji przez jony już istniejące i w chwili, kiedy jonizacja taka się rozpoczyna, natężenie prądu zwiększa się statecznie wraz z siłą pola pomiędzy talerzami kondensatora17