Zmiany w promieniotwórczości ciał aktywnych

Zmiany wskutek rozpuszczania. Polon, jak to już poprzednio wspomniałam, zmniejsza z czasem swą aktywność. Zmniejszenie to jest jednakże powolne i, o ile się zdaje, nie przebiega z tą samą prędkością we wszystkich próbkach. Preparat z azotanu bizmutu polononośnego stracił połowę swej promieniotwórczości w ciągu 11 miesięcy, a 95% w ciągu 33 miesięcy: inna próbka zachowywała się podobnie.

Zasadowy azotan bizmutowy, o 100000 razy większej aktywności od uranu, dał po kilku latach kawałek metalu o promieniotwórczości 2000 razy zaledwie silniejszej niż uranowa. W ciągu 6 miesięcy metal ten stracił 67% ze swej aktywności.

Strata na aktywności nie zdaje się być ułatwianą przez reakcje chemiczne. Po szybko wykonywanych reakcjach chemicznych nie zaobserwowano w ogólności znacznej straty promieniowania.

W przeciwieństwie do polonu sole radonośne posiadają aktywność stałą, niezmniejszającą się nawet po kilku latach.

Sól radowa w stanie stałym, świeżo wydzielona z roztworu, nie objawia promieniotwórczości niezmiennej; przeciwnie, jej aktywność wzrasta powoli, zbliżając się w ciągu mniej więcej miesiąca do wartości granicznej. Natomiast roztwór tej soli jest bardzo silnie aktywny zaraz po przygotowaniu, lecz pozostawiony w powietrzu wolnym, traci szybko promieniotwórczość i wreszcie przyjmuje wartość graniczną, znacznie mniejszą od początkowej. Te zmiany w promieniotwórczości najpierw zaobserwowane zostały przez Giesela1. Tłumaczą się one z łatwością za pomocą emanacji. W stałej soli radowej emanacja nagromadza się i nie może wychodzić z niej swobodnie, gdy natomiast z roztworu na powietrzu wolnym ulatuje z łatwością. Roztwór zawarty w przestrzeni zamkniętej nie traci tak szybko swej promieniotwórczości i w ogóle jest bardziej aktywny niż pozostawiony w powietrzu wolnym.

Przytoczmy kilka doświadczeń.

Roztwór chlorku baru radonośnego, pozostawiony w powietrzu wolnym, stał się po 2 dniach 300 razy mniej aktywny. Mianowicie wykazywał natychmiast po wyjęciu z przestrzeni zamkniętej promieniotwórczość 67, po 2 godzinach — 20, a po 2 dniach już tylko 0,25.

Natomiast roztwór pozostawiony najpierw w powietrzu wolnym, a następnie zamknięty w rurze szklanej, posiadał aktywność: zaraz po zamknięciu w rurze 27; po 2-ch dniach 61; po 3-ch dniach 70; po 4-ch dniach 81; po 7-miu dniach 100 i po 11-tu dn. 100.

Wielkość zmniejszenia promieniotwórczości preparatu radonośnego, po rozpuszczeniu go w wodzie i następnym wysuszeniu, zależy od ilości dni, w ciągu których roztwór pozostawał na powietrzu wolnym. Niechaj np. promieniotwórczość graniczna danego chlorku równą będzie 800; po rozpuszczeniu i natychmiastowym wysuszeniu stanie się ona równą 440; po 5-ciu dniach pozostawania roztworu na powietrzu: 130; po 18 dniach: 120 i po 32 dniach: 114. W doświadczeniach tych roztwór przechowywany bywał wprost w naczyniu przykrytym szkiełkiem.

Strata promieniotwórczości przez rozpuszczenie jest tym większa, im rozcieńczenie soli jest większe; energia radioaktywna przenoszona do roztworu musi nasycić wtedy większą objętość płynu i napełnić większą przestrzeń.

Strata promieniotwórczości w roztworach rozcieńczonych następuje bardzo szybko, jak to wskazuje doświadczenie następujące: trzy jednakowe próbki soli radonośnej o aktywności granicznej 470 rozpuszczono w jednakowych ilościach wody w stosunku 100 na 0,5 soli. Po godzinnym staniu próba a miała promieniotwórczość początkową 145,2; próba b, przez którą w ciągu tej samej godziny przepuszczano prąd powietrza: 141,6; oraz próba c po 13 dniach: 102,6. A więc w ciągu pierwszej godziny większa część działania została dokonana, a prąd powietrza nie wywierał tu prawie żadnego skutku.

Energia promieniotwórcza pod formą emanacji przebija się z trudnością przez stałą sól radonośną i nie tylko w otoczeniu powietrza, lecz także w otoczeniu wodnym; siarczan baru radonośny np. oblany wodą po jednym dniu nie zmienił swej aktywności.

Sól radonośna traci w próżni całkowitą rozporządzalną emanację. Jednakże promieniotwórczość jednej z moich próbek chlorku radonośnego po 6-ciu dniach leżenia w próżni nie została w sposób dostrzegalny zmieniona. Doświadczenie powyższe wskazuje, że promieniotwórczość soli polega głównie na energii radioaktywnej, zamkniętej wewnątrz ziarn i niedającej się tak łatwo stamtąd wydobyć.

Strata aktywności, jakiej doświadcza sól radowa, przechodząc ze stanu stałego do roztworu, dotyczy bardziej promieni przenikliwych niż promieni pochłanianych.

Sól radonośna rozpuszczona i następnie wysuszona posiada w pierwszej chwili tak samo własność wzbudzania promieniotwórczości (czyli tak samo wytwarza emanację) jak po dojściu do swej aktywności; a jednak w tym ostatnim stanie sól jest 5 razy aktywniejsza niż w początkowym.

Zmiana aktywności wskutek ogrzania. Jeżeli ogrzewać będziemy sól radonośną, to ona wydzieli swą emanację i straci na radioaktywności. Strata jest tym większa, im ogrzewanie jest silniejsze i bardziej długotrwałe. Ogrzewanie soli radonośnej w ciągu jednej godziny do 130° pociąga za sobą stratę 10% całkowitego promieniowania; przeciwnie, ogrzewając w ciągu 10 minut do 400°, nie powodujemy przez to widocznej straty. Natomiast prażenie do czerwoności w ciągu kilku godzin niszczy 11% całkowitej promieniotwórczości.

Strata radioaktywności przez ogrzewanie bardziej dotyczy promieni przenikliwych niż pochłanianych; w ostatnim z podanych wyżej przykładów zniszczone zostały prawie wszystkie (99%) promienie zdolne do przechodzenia przez warstwę 3 cm powietrza i blaszkę glinową o grubości 0,1 mm. Można powiedzieć, że promienie przenikliwe przestają istnieć w stopniu widocznym po silnym i długotrwałym prażeniu.

Sól radonośna, która straciła część swej aktywności przez ogrzanie, regeneruje tę część w temperaturze zwykłej, zbliżając się wciąż do pewnej wartości granicznej. Przy tym zauważyłam fakt niezwykle charakterystyczny; oto wartość graniczna, przynajmniej dla chlorków, po ogrzaniu jest wyższa niż przed ogrzewaniem. Tak na przykład: próbkę chlorku baru radonośnego o stałej promieniotwórczości 470 ogrzewano do czerwoności w ciągu kilku godzin. W dwa miesiące po ogrzaniu próbka dosięgła promieniotwórczości równej 690.

Ogrzewanie soli radonośnych wpływa również silnie na ich zdolność wzbudzania promieniotwórczości, podczas ogrzewania wydziela się więcej emanacji niż w warunkach zwykłych, ale po ogrzewaniu sól posiada mniejszą zdolność do wzbudzania promieniotwórczości. Gdy radioaktywność soli po ogrzaniu wraca powoli do normy pierwotnej i może ją nawet przekroczyć, to własność wzbudzania aktywności odzyskuje się jedynie częściowo, a nawet po wyprażeniu długotrwałym do czerwoności zanika całkowicie i nie może być przez pozostawienie w spokoju na czas dłuższy z powrotem odzyskana. Jedynie tylko rozpuszczenie soli w wodzie i wysuszenie w 120° przywraca jej dawną własność wzbudzania promieniotwórczości. Zdaje się, że podczas ogrzewania zachodzi w soli jakaś zmiana fizyczna, która utrudnia wydobywanie się emanacji na zewnątrz, tym się również tłumaczy wyższa promieniotwórczość graniczna soli po ogrzaniu.

Charakter i przyczyna zjawiska promieniotwórczości. W badaniach początkowych nad ciałami promieniotwórczymi, kiedy własności tych ciał zaledwie były poznawane, samodzielna ich promieniotwórczość stanowiła zagadkę, budzącą u fizyków żywe zainteresowanie. Dziś jesteśmy już bardzo posunięci w poznawaniu ciał radioaktywnych i zdołaliśmy wydzielić ciało nowe o niezwykle silnej zdolności promieniotwórczej — pierwiastek rad. Niezwykle silne jego własności aktywne pozwoliły lepiej zbadać charakter tych promieni i upodobnić rozmaite ich grupy z grupami, wytwarzanymi w rurce Crookesa, a więc z promieniami katodalnymi, röntgenowskimi i kanałowymi. Są to również te same promienie, jakie rozpoznajemy w promieniowaniu wtórnym, wywołanym przez promienie Röntgena2 i jakie są wysyłane przez ciała z radioaktywnością wzbudzoną.

Lecz choć charakter tych promieni jest obecnie dobrze już poznany, przyczyna jednak podobnej promieniotwórczości samodzielnej ma jeszcze postać zagadkową; zjawisko samo pozostaje czymś dotąd niewytłumaczonym i wzbudza podziw głęboki.

Substancje samodzielnie promieniotwórcze, a przede wszystkim rad, są źródłem energii. Ten wypływ energii objawia się w postaci promieni Becquerela, przez skutki chemiczne i świetlne oraz przez wydzielanie ciepła.

Na tych faktach pp. Curie i Debierne3 zbudowali ogólną teorię radioaktywności, pozwalającą uporządkować objawy promieniotwórczości wzbudzonej i wolną od wszelkich hipotez. Przedstawia się ona w sposób następujący:

Każdy atom radu jest źródłem stałym i niezmiennym energii. Energia radioaktywna, nagromadzająca się w radzie, rozprasza się w sposób dwojaki: 1) przez promieniowanie (promienie naładowane i nienaładowane elektrycznością), 2) przez przewodnictwo czyli przez przenoszenie energii na coraz to dalsze ciała otaczające za pośrednictwem gazów lub cieczy (wydzielanie emanacji i zamiana jej na promieniotwórczość wzbudzoną).

Strata energii radioaktywnej, czy to przez promieniowanie, czy też przez przewodnictwo, wzrasta z ilością energii nagromadzonej w ciele radioaktywnym. Równowaga ustala się wtedy dopiero, kiedy obie powyżej wymienione straty energii wciąż będą kompensowane przez produkcję, mającą swe źródło w ciele radioaktywnym. Podobne zapatrywanie na zjawisko promieniotwórczości dużo ma wspólnego z poglądem na zjawiska cieplne. Jeżeli we wnętrzu jakiegoś ciała, z jakiegokolwiek bądź powodu zachodzi stałe i niezmienne wydzielanie się ciepła, to gromadzi się ono wewnątrz ciała i podnosi jego temperaturę dopóty, dopóki strata ciepła przez promieniowanie i przez przewodnictwo nie dorówna ilości ciepła dostarczanej przez nieustanną produkcję.

W ogólności, z wyjątkiem niektórych warunków specjalnych, radioaktywność nie udziela się poprzez ciało stałe do coraz to dalszych punktów. Gdy zamkniemy roztwór promieniotwórczy w rurce, jedynie strata przez promieniowanie będzie zachodziła i własność promieniotwórcza roztworu przez to wzrośnie. Jeżeli natomiast roztwór przeniesiemy na wolne powietrze, to strata aktywności przez przewodnictwo stanie się znaczną i zdolność promieniowania po dojściu do swej wartości granicznej będzie już wtedy bardzo mała.

Aktywność soli stałej radonośnej, pozostawionej w powietrzu wolnym, nie zmniejsza się widocznie, gdyż jedynie warstwa powierzchniowa, bardzo cienka, bierze udział w zjawisku promieniotwórczości wzbudzonej. W soli stałej energia wciąż się nagromadza, uchodzi bowiem prawie jedynie przez promieniowanie. Gdy sól podobną rozpuścimy w wodzie, nagromadzona energia promieniotwórcza rozdzieli się pomiędzy wodą a solą; jeżeli wodę oddestylujemy, to ona zatrzyma znaczną część promieniotwórczości, sól stała stanie się natomiast mniej aktywną (10 i 15 razy) niż przed rozpuszczeniem. Powoli jednak sól stała powraca do swej poprzedniej radioaktywności.

Można jeszcze bardziej uzupełnić teorię powyższą, jeżeli się wyobrazi, że promieniotwórczość radu powodowana jest przez energię radioaktywną, wydzielaną przez rad pod postacią emanacji.

Można więc przyjąć, że każdy atom radu jest źródłem stałym i niezmiennym emanacji. W tej samej chwili, kiedy powstaje ta forma energii, doświadcza ona stopniowej transformacji w energię promieniejącą w postaci promieni Becquerela; prędkość podobnej zamiany proporcjonalna jest do ilości nagromadzonej emanacji.

Jeżeli roztwór radonośny zamknięty jest w przestrzeni ograniczonej, to emanacja może się w niej rozszerzać i przechodzić na ścianki. Tam się ona zamienia w promienie, podczas gdy sam roztwór wydziela zaledwie niewielką ilość promieni Becquerela; promieniotwórczość jest w pewien jakoby sposób wydalona na zewnątrz radu. Przeciwnie, ze stałej soli radu emanacja nie może wydzielić się łatwo na zewnątrz; nagromadza się w niej przeto i przemienia się na miejscu w promienie Becquerela; promieniowanie soli osiąga zatem wartość wyższą4.

Jeżeli sól radową ogrzejemy, to wydzielanie się emanacji przebiega szybciej i zjawiska promieniotwórczości wzbudzonej są wtedy bardziej intensywne, aniżeli w temperaturze zwykłej. Lecz jeżeli teraz sól doprowadzimy z powrotem do temperatury zwykłej, to zachowywać się będzie podobnie jak po rozpuszczeniu, tj. posiadając z początku mniej emanacji, niewielką wskazywać będzie promieniotwórczość. Powoli jednak radioaktywność nagromadzi się na nowo w soli stałej, promieniowanie się zwiększy.

Jeżeli ogrzewać będziemy sól do czerwoności, to straci ona większą część swojej własności aktywowania; innymi słowy wypływ emanacji będzie utrudniony; w następstwie tego ilość emanacji wewnątrz ciała wzrośnie, i sól dojdzie do wyższej niż poprzednio promieniotwórczości granicznej.

Gdyby powyższa teoria promieniotwórczości miała być ogólną, należałoby się spodziewać, że wszystkie ciała promieniotwórcze wydzielają emanację. Tymczasem wypływ jej stwierdzono dla radu, toru i aktynu; to ostatnie ciało wydziela bardzo silnie emanację nawet w stanie stałym. Uran i polon, o ile się zdaje, nie wydzielają emanacji, choć wysyłają promienie Becquerela. Ciała te nie wytwarzają promieniotwórczości wzbudzonej w przestrzeni zamkniętej, jak te czynią rad, tor i aktyn. Fakt ten zresztą nie znajduje się w absolutnej sprzeczności z poprzednią teorią. Bardzo bowiem być może, że emanacja uranu i polonu rozkłada się niezwykle szybko, a wtedy byłoby bardzo trudnym zaobserwowanie podobnej emanacji w powietrzu lub stwierdzenie promieniotwórczości przez nią wzbudzonej w ciałach sąsiadujących. Podobny pogląd nie jest niemożliwy; wiadomo bowiem, że czasy, w jakich emanacje radu i toru zmniejszają się do połowy, odnoszą się do siebie jak 5000 do 1. Zdaje się zresztą, że w pewnych warunkach (mianowicie w roztworze) uran może wzbudzać w ciałach promieniotwórczość.

Można by się teraz zapytać, czy energia powstaje w samych ciałach promieniotwórczych, czy też raczej jest pobierana przez te ciała ze źródeł zewnętrznych? Żadna z licznych hipotez dotyczących tego przedmiotu nie znalazła jeszcze stwierdzenia doświadczalnego.

Można by mniemać, że energia promieniotwórcza była już uprzednio nagromadzona i że ona wydziela się powoli, podobnie jak to ma miejsce z fosforescencją o bardzo długim trwaniu. Można także wyobrazić sobie, że wydzielaniu się energii promieniotwórczej towarzyszy pewna przemiana w atomie ciała promieniującego; fakt, że rad wydziela ciepło w sposób ciągły, przemawia na korzyść podobnej hipotezy. Można również sądzić, że przemiana taka atomu połączona jest ze stratą w ciężarze i z wydzieleniem cząstek materialnych, tworzących promieniowanie. Źródeł energii niektórzy doszukują się w sile ciężenia. Wreszcie można sobie wyobrazić, że w przestrzeni istnieją stale promieniowania nieznane, które zatrzymywane są przez ciała promieniotwórcze i zamieniane w energię promienistą.

Różne dowody przytoczyć można za i przeciw powyższym poglądom; najczęściej jednak próby stwierdzenia na drodze doświadczalnej konsekwencji tych hipotez dawały rezultaty ujemne. Energia promieniotwórcza uranu i radu, o ile dotąd wiadomo, nie ulega z upływem czasu wyczerpywaniu lub nawet zmianie dostrzegalnej. Demarçay badał w spektroskopie próbkę chlorku radu czystego i nie znalazł żadnej zmiany w widmie w ciągu 5 miesięcy. Główna linia baru, widoczna w widmie i wskazująca obecność śladów tego ciała, nie wzmocniła się w trakcie tych badań; rad nie zmienił się ani na bar, ani na inne ciało w sposób dostrzegalny.

Zmiana ciężarów związków radu zaobserwowana przez Heydweillera5 nie może być uważana za fakt stwierdzony.

Elster i Geitel znaleźli, że promieniotwórczość uranu nie zmienia się na głębokości 850 m pod powierzchnią ziemi; a zatem warstwa ziemi tej grubości nie zmieniałaby owego hipotetycznego promieniowania pierwotnego, mającego wytwarzać promieniotwórczość uranu.

Myśmy mierzyli radioaktywność uranu w południe i o północy, sądząc, że jeżeli hipotetyczne promieniowanie pierwotne ma swe źródło w słońcu, w takim razie musiałoby mieć miejsce częściowe jego pochłanianie przez ziemię. Doświadczenie nie uwydatniło żadnej w tych pomiarach różnicy. Najnowsze badania przemawiają za hipotezą atomowego przekształcania się radu. Hypoteza podobna była wypowiedziana w początku badań nad promieniotwórczością uranu (M. Curie, „Revue Générale des Sciences”, styczeń 1899). Hypotezą tą posługiwał się następnie Rutherford, przyjmując, że emanacja radu jest gazem materialnym, który stanowi jeden z produktów rozkładu atomu radu. Nowsze badania Ramsay’a i Soddy’ego zdają się wykazywać, że emanacja radu jest gazem nietrwałym, który rozkłada się, wytwarzając hel. Zresztą ilość ciepła wytwarzanego przez rad nie da się wytłumaczyć przez żadną zwykłą reakcję chemiczną, ale mogłaby może być wytłumaczona przez przemianę atomową.

Zauważmy wreszcie, że nowe substancje radioaktywne znajdują się jedynie w minerałach zawierających uran; tak np. na próżno szukaliśmy radu w związkach baru znajdujących się w handlu. Obecność radu zdaje się być w związku z obecnością uranu. Minerały zawierające uran zawierają zresztą również argon i hel, i między wszystkimi tymi faktami istnieje prawdopodobnie związek. Jednoczesna obecność różnych tych ciał w tych samych minerałach prowadzi do przypuszczenia, że obecność jednych może być potrzebna do utworzenia się drugich.

Zamiast przypuszczać, że atom radu przekształca się, można by również przypuścić, że atom ten jest trwały, ale działa na otoczenie, wywołując w nim przekształcenia atomowe. Podobna hipoteza prowadzi również do uznania możności przemiany atomów, ale rad nie byłby w takim razie pierwiastkiem zanikającym.