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 słabym1.

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 stałe2.

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 odsetek3.

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 związki4. Przeprowadzone jednocześnie odpowiednie badania i mnie także dały wynik takiż sam. Ogłosiłam to spostrzeżenie, nie znając jeszcze komunikatu p. Schmidta5.

Mówimy, że uran, tor i ich związki wysyłają promienie Becquerela. Ciała, które są źródłem emisji tego rodzaju, nazwałam radioaktywnymi6 (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 polaryzacji7.

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. Sagnac8, 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 sposób9, 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 fizyków10. Studium bardzo szczegółowe nad tym przedmiotem zostało ogłoszone przez p. Rutherforda11.

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 kondensatora12. Prąd graniczny może zatem być otrzymany tylko w tym razie, kiedy wpływy jonizujące nie przekraczają pewnej wielkości; inaczej mówiąc, prąd taki odpowiada polom, które jeszcze nie mogą dawać początku jonizacji gazu wywołanej przez uderzenia jonów. Ten warunek był właśnie zachowywany w moich doświadczeniach.

Porządek wielkości prądów nasyconych, otrzymywanych ze związkami uranu, wyraża się przez 10–11 amperów, kiedy talerze kondensatora mają średnicę 8 cm, a odległość między nimi wynosi 3 cm. Związki torowe wytwarzają prądy tegoż samego porządku wielkości i aktywność tlenków uranowych i torowych jest bardzo zbliżona.

Radioaktywność związków uranowych i torowych. — Z rozmaitymi związkami uranu otrzymałam liczby, które podaję niżej; przez i oznaczam natężenie prądu w amperach.

Uran metaliczny (zawierający w sobie cokolwiek węgla)2,3 Tlenek uranu czarny, U2O4,2,6 Tlenek uranu zielony, U2O41,80 Kwas uranowy (wodzian)0,6 Uranian sodu1,2 Uranian potasu1,2 Uranian amonu1,3 Siarczan uranowy0,7 Siarczan uranylowo-potasowy0,7 Azotan uranylu0,7 Fosforan uranylowo-miedziowy0,9 Tlenosiarczek uranu1,2

Grubość użytej warstwy związku uranowego wywiera wpływ niewielki, z warunkiem, żeby ta warstwa była ciągła. Oto kilka doświadczeń w tym względzie:

Grubość warstwy Tlenek uranu0,5 mm2,7 Tlenek uranu3,0 mm3,0 Uranian amonu0,5 mm1,3 Uranian amonu3,0 mm1,4

Stąd możemy wyprowadzić wniosek, że pochłanianie promieni uranowych przez ciała, które je wysyłają, jest bardzo silne, ponieważ promienie pochodzące z warstw głębszych nie wywierają na pomiar ważniejszego wpływu.

Liczby otrzymane z doświadczeń ze związkami torowymi13 pozwoliły mi stwierdzić:

1. że grubość użytej warstwy ma wpływ znaczny, szczególniej w przypadku tlenku torowego;

2. że zjawisko przebiega prawidłowo tylko w tym razie, kiedy użyto cienkiej warstwy działającej (np. 0,25 mm). Przeciwnie, kiedy warstwa jest gruba (6 mm), liczby otrzymane wahają się w granicach szerokich, szczególniej dla tlenku:

Grubość warstwy Tlenek toru0,25 mm 2,2 Tlenek toru2,5 mm2,5 Tlenek toru0,5 mm4,7 Tlenek toru3,0 mm3,5 (średnio) Tlenek toru0,25 mm0,8 Siarczan torowy 0,25 mm 0,8

Istnieje więc w naturze zjawiska przyczyna nieprawidłowości, jakiej nie ma w przypadku związków uranowych. Liczby otrzymane z warstwą tlenku toru grubą na 6 mm wahają się pomiędzy 3,7 a 7,3.

Doświadczenia, które przeprowadziłam nad pochłanianiem promieni uranowych i torowych, dowiodły, że promienie torowe są bardziej przenikliwe od uranowych, i że promienie wysyłane przez tlenek toru użyty w warstewce grubszej przenikają silniej niż promienie pochodzące od warstewki cieńszej. Oto, na przykład, liczby przedstawiające ułamek promieniowania, jaki przepuszcza blaszka glinowa, gruba na 0,01 mm.

Ciało promieniujące Ułamek promieniowania przepuszczany przez blaszkę Uran 0,18 Tlenek uranu U2O30,20 Uranian amonowy0,20 Fosforan miedziowo-uranowy0,21 Tlenek toru — warstwa gruba na 0,25 mm0,38 Tlenek toru — warstwa gruba na 0,5 mm0,47 Tlenek toru — warstwa gruba na 3,0 mm0,70 Tlenek toru — warstwa gruba na 6,0 mm0,70 Siarczan toru — Tlenek toru — warstwa gruba na 0,25 mm 0,38

W doświadczeniach ze związkami uranu okazuje się, że pochłanianie jest zawsze jednakowe, niezależnie od tego, jaki mianowicie związek zostanie użyty; stąd wnioskować należy, że promienie wysyłane przez związki różne są jednakiej natury.

Odrębności promieniowania torowego były przedmiotem komunikatów bardzo szczegółowych. P. Owens14 wykazał, że tutaj stałość prądu otrzymuje się dopiero po upływie dość znacznego czasu i tylko w przyrządzie zamkniętym, a natężenie prądu zmniejsza się bardzo pod wpływem strumienia powietrza, czego nie mamy dla związków uranowych. P. Rutherford powtarzał doświadczenia podobne i objaśnia je przez przypuszczenie, że tor i jego związki wydzielają nie tylko promienie Becquerela, lecz nadto jeszcze i emanację, składającą się z cząstek niesłychanie małych, która zatrzymuje w sobie radioaktywność w ciągu pewnego czasu, a może być unoszona przez strumień powietrza15

Właściwości promieniowania torowego, które zależą od wpływu grubości użytej warstwy i działania strumienia powietrza, okazują wielostronny związek ze zjawiskiem radioaktywności wzbudzonej i jej rozprzestrzeniania się z miejsca na miejsce. Zjawisko to po raz pierwszy było zauważone na radzie i będzie opisane poniżej.

Promieniotwórczość związków uranu i toru przedstawia się jako własność atomowa. Już p. Becquerel stwierdził, że wszystkie związki uranowe są aktywne i zawnioskował, że ich aktywność jest spowodowana przez obecność w ich składzie pierwiastku uranu; dowiódł także, że sam uran jest bardziej aktywny niż jego sole16. Badałam w tym względzie związki uranowe i torowe i wykonałam znaczną liczbę pomiarów ich aktywności w rozmaitych warunkach. Z całości tych pomiarów okazuje się, że radioaktywność tych ciał jest rzeczywiście własnością atomową. Wydaje się, że tutaj jest ona związana z obecnością atomów dwu pierwiastków rozważanych i nie bywa niweczona ani przez zmiany stanu fizycznego, ani przez przemiany chemiczne. Związki chemiczne i mieszaniny zawierające w sobie uran lub tor są o tyle bardziej aktywne, o ile stosunek znajdujących się w ich składzie owych metali jest większy. Każda przymieszka nieczynna działa jako materia obojętna i zarazem — jako ciało pochłaniające promieniowanie.

Czy radioaktywność atomowa jest zjawiskiem powszechnym? — Jak już było mówione poprzednio, badałam, czy inne ciała oprócz związków uranu są radioaktywne. Przedsięwzięłam to poszukiwanie z przekonaniem, że mało podobnym do prawdy wydaje się przypuszczenie, ażeby promieniotwórczość, uważana jako własność atomu, miała być własnością pewnego rodzaju materii z wyłączeniem wszystkich innych jej rodzajów. Pomiary dokonane przeze mnie uprawniają mnie do twierdzenia, że związki pierwiastków chemicznych obecnie za takie uznawanych, rozumiejąc w ich liczbie najrzadsze i najbardziej nawet hipotetyczne, zbadane przeze mnie, wykazywały wszystkie w mym przyrządzie aktywność co najmniej sto razy słabszą niż uran metaliczny. Mając do czynienia z ciałami bardziej rozpowszechnionymi, badałam liczne ich związki; w przypadku ciał rzadkich musiałam poprzestawać na tych, w jakie udawało mi się zaopatrzyć.

Do doświadczeń swoich wciągnęłam pod postacią pierwiastków lub związków ciała następujące:

1. Wszystkie metale i niemetale pospolitsze i niektóre rzadsze, w stanie czystym, wchodzące w skład zbioru p. Etarda w Szkole Fizyki i Chemii Przemysłowej miasta Paryża;

2. Następujące ciała rzadkie: gal, german, neodym, prazeodym, niob, skand, gadolin, erb, samar, rubid (okazy użyczone przez p. Demarçay’a), yttr, yterb, erb „nowy” (okazy użyczone przez p. Urbaina17;

3. Znaczną liczbę skał i minerałów.

W granicach czułości mojego przyrządu nie znalazło się ani jedno ciało proste, które by posiadało promieniotwórczość atomową, z wyjątkiem uranu i toru. Należy jednak wspomnieć pokrótce o pewnej okoliczności, odnoszącej się do fosforu. Fosfor biały zwilżony, umieszczony pomiędzy talerzami kondensatora, nadaje powietrzu zawartemu między tymi talerzami własność przewodzenia18. Ciała tego jednak nie uważam za radioaktywne na wzór uranu lub toru. Fosfor, w rzeczy samej, w warunkach przytoczonych utlenia się i wytwarza światło, gdy tymczasem związki uranowe i torowe są aktywne, jakkolwiek nie doświadczają żadnej zmiany chemicznej, dającej się dostrzec za pomocą środków znanych. Co więcej, fosfor nie jest aktywny ani w odmianie czerwonej, ani w swych związkach.

W rozprawie niedawno ogłoszonej p. Bloch wykazuje, że fosfor, utleniając się w powietrzu, daje początek jonom bardzo słabo ruchliwym i wywołującym zgęszczanie się pary wodnej19.

Uran i tor są to dwa pierwiastki, które posiadają najwyższe ciężary atomowe (240 i 232); często spotykamy je w jednych i tych samych minerałach.

Minerały radioaktywne. — Zbadałam w swoim przyrządzie znaczną liczbę minerałów20; niektóre spomiędzy nich wykazały aktywność, szczególniej blenda smolista, chalkolit, autunit, monacyt, toryt, oranżyt, fergusonit, kleweit itd. W tabliczce poniższej i przedstawia wyrażone w amperach natężenie prądu, otrzymane z uranem i z różnymi minerałami:

Uran2,3 Blenda smolista z Johanngeorgenstadu8,3 Blenda smolista z Joachmistahlu7,0 Blenda smolista z Pribramu6,5 Blenda smolista z Kornawalii1,6 Kleweit1,4 Chalkolit5,2 Autmit2,7 Toryty różne0,1; 0,3; 0,7; 1,3; 1,4 Oranżyt 2,0 Monacyt0,5 Ksenotym0,03 Eschinit0,7 Fergusonit, 2 okazy0,1; 0,1 Samarskit1,1 Niobit, 2 okazy 0,1; 0,3 Tantalit0,02 Karnotyt215,2

Prąd wytwarzający się za użyciem oranżytu (minerał zawierający tlenek toru) zmieniał się bardzo w zależności od grubości warstwy minerału. Zmieniając tę grubość od 0,25 mm do 6 mm, otrzymano prąd od 1,8 do 2,3.

Wszystkie minerały, które się okazały promieniotwórczymi, zawierają tor lub uran; aktywność ich była oczekiwana, lecz natężenie zjawiska dla niektórych minerałów wydało się nam zdumiewającem. Tak, znaleziono blendy smoliste (minerały zawierające tlenek uranu) cztery razy bardziej aktywne od uranu metalicznego. Chalkolit (fosforan miedziowo-uranowy krystaliczny) jest dwa razy bardziej aktywny od uranu metalicznego. Autunit (fosforan uranowo-wapniowy) jest równie aktywny jak uran. Fakty te nie zgadzają się z uwagami poprzednimi, według których żaden minerał nie powinien był się okazać bardziej aktywnym od uranu i toru.

Ażeby ten punkt wyjaśnić, przygotowałam chalkolit sztuczny według sposobu Debray’a, wychodząc z materiałów pierwotnych czystych. Metoda polega na zmieszaniu roztworu azotanu uranylowego z roztworem fosforanu miedzi w kwasie fosforowym i ogrzaniu mieszaniny do 50 lub 60°. Po upływie pewnego czasu w cieczy tworzą się kryształy chalkolitu22. W taki sposób wytworzony chalkolit posiada aktywność zupełnie normalną, jeżeli uwzględnimy skład jego: jest on półtrzecia23 raza mniej aktywny od uranu.

Od tej chwili stało się rzeczą bardzo prawdopodobną, że tak wysoka aktywność blendy smolistej, chalkolitu, autunitu zależy od zawartości w tych ciałach małej ilości substancji bardzo silnie promieniotwórczej, odmiennej od uranu, toru i w ogóle od pierwiastków poprzednio znanych. Wydało mi się, że o ile tak jest w istocie, mogę mieć nadzieję wydobycia z minerału tego ciała za pomocą postępowania zwyczajnego analizy chemicznej.