Promieniotwórczość wzbudzona

Udzielanie promieniotwórczości ciałom z natury swej nieczynnym. W ciągu naszych badań nad substancjami promieniotwórczymi p. Curie i ja1 zauważyliśmy, że wszystkie ciała stają się promieniotwórczymi, skoro przez pewien czas przebywać będą w sąsiedztwie soli radonośnej. W pierwszej naszej publikacji o tym przedmiocie staraliśmy się dowieść, że radioaktywność, w ten sposób powstała w ciałach z natury swej nieczynnych, nie polega na przeniesieniu i osadzaniu pyłu promieniotwórczego na powierzchni ciał. Potwierdzają to nie tylko całe szeregi doświadczeń, lecz także prawa, według jakich promieniotwórczość, wywołana w ciałach pierwotnie nieczynnych, znika, kiedy usunie się je spod wpływu radu.

Nowemu temu zjawisku nadaliśmy nazwę promieniotwórczości wzbudzonej (indukowanej).

W badaniach posługiwaliśmy się blaszkami z różnych substancji i umieszczaliśmy je w pobliżu soli radonośnej; następnie mierzyliśmy ich promieniotwórczość wzbudzoną za pomocą metody elektrycznej. W taki sposób doszliśmy do twierdzeń następujących:

1. Promieniotwórczość blaszki wystawionej na wpływ radu powiększa się wraz z czasem ekspozycji, zbliżając się asymptotycznie do pewnej granicy.

2. Promieniotwórczość blaszki aktywowanej przez rad i następnie usuniętej spod jego wpływu, znika po kilku dniach, zbliżając się asymptotycznie do zera.

3. Promieniotwórczość wzbudzona przez jeden i ten sam produkt radonośny w rozmaitych blaszkach nie zależy od natury blaszek; szkło, papier, metale aktywują się jednakowo silnie.

4. Promieniotwórczość wzbudzona w jednej i tej samej blaszce przez rozmaite sole radonośne przyjmuje wartość graniczną tym wyższą, im sól jest bardziej aktywna.

Wkrótce potem Rutherford2 ogłosił, że związki toru są również zdolne do wzbudzania promieniotwórczości w ciałach; przy czym odnalazł te same co powyżej prawa, a jednocześnie zauważył fakt bardzo znamienny, że ciała naelektryzowane odjemnie aktywują się silniej niż inne. Rutherford również zaobserwował, że powietrze przepuszczone nad tlenkiem toru, zachowuje w ciągu 10 minut znaczne jeszcze przewodnictwo i w tym stanie udziela promieniotwórczości substancjom nieczynnym, a nade wszystko naładowanym odjemnie. Rutherford dla wytłumaczenia objawów powyższych przyjął, że związki torowe, a zwłaszcza tlenek, wydzielają szczególniejszego rodzaju emanację promieniotwórczą, którą może uprowadzać prąd powietrza i która naładowana jest dodatnio. Emanacja ta ma być przyczyną promieniotwórczości wzbudzonej.

Dorn3 powtórzył z solą barową doświadczenia wykonane przez Rutherforda nad tlenkiem toru i stwierdził jego spostrzeżenia. Debierne4 przekonał się, że aktyn wzbudza silną promieniotwórczość w ciałach umieszczonych obok niego. Podobnie jak dla toru, prąd powietrza unosi ze sobą promieniotwórczość.

Aktywowanie w przestrzeni zamkniętej. Jeżeli doświadczenie nad wzbudzaniem promieniotwórczości za pomocą radu wykonywać będziemy na wolnym powietrzu, to otrzymamy rezultaty niejednakowe. P. Curie i Debierne5 zauważyli natomiast, że zjawisko to przebiega prawidłowo i zawsze w tenże sam sposób, jeżeli odbywa się w naczyniu zamkniętym, a jednocześnie promieniotwórczość wzbudzona jest intensywniejsza. Niechaj substancja promieniotwórcza znajdzie się w buteleczce szklanej a otwartej w o (rys. 11) i umocowanej w środku naczynia. Rozmaite płytki A, B, C, D, E rozmieszczone wewnątrz naczynia, stają się promieniotwórczymi już po jednym dniu ekspozycji. Promieniotwórczość płytek będzie jednakowa bez względu na substancję płytki (ołów, miedź, szkło, ebonit, wosk, tektura, parafina), a tylko dla tej powierzchni okaże się większą, pod którą większa będzie wolna przestrzeń.

Jeżeli doświadczenie powyższe powtórzy się wobec zamkniętej buteleczki, to nie zauważymy nawet śladów promieniotwórczości wzbudzonej. Promienie radu nie biorą bezpośrednio udziału w wytworzeniu promieniotwórczości. Do podobnego wniosku prowadzi eksperyment z blaszką D; jest ona oddzielona grubym ekranem ołowianym PP od buteleczki, a jednak okazuje taką samą promieniotwórczość, jak B i E.

Radioaktywność rozsiewa się w powietrzu stopniowo, od substancji promieniującej, aż do ciała indukowanego; może ona nawet przebywać rurki włoskowate niezwykle wąskie. Jeżeli zastąpimy sól radonośną przez jej roztwór wodny, to promieniotwórczość wzbudzona objawi się w ciałach intensywniej i bardziej prawidłowo.

Ciecze są również zdolne do nabywania promieniotwórczości wzbudzonej. Można na przykład czystą wodę uczynić promieniotwórczą, jeżeli się ją pomieści w naczyniu zamkniętym obok roztworu soli radonośnej.

Niektóre substancje zaczynają świecić po wstawieniu ich do podobnej przestrzeni aktywnej (substancje fosforyzujące i fluoryzujące, a także szkło, papier, bawełna, roztwory soli). Siarczek cynku fosforyzujący szczególnie w tych warunkach błyszczy.

Jakąkolwiek będzie substancja, którą aktywujemy w przestrzeni zamkniętej, zawsze jej promieniotwórczość wzbudzona wzrastać zacznie z początku aż do pewnej granicy, zawsze tej samej, jeżeli tylko doświadczenie prowadzimy z tym samym preparatem radonośnym i w tym samym przyrządzie.

Wartość graniczna promieniotwórczości wzbudzonej jest niezależna od natury i od ciśnienia gazu zawartego w przestrzeni aktywnej (powietrze, wodór, dwutlenek węgla).

Wartość graniczna promieniotwórczości wzbudzonej w ciałach w tej samej przestrzeni zależy wyłącznie od ilości radu, jaka znajduje się w stanie rozpuszczonym, i zdaje się być do niej proporcjonalna.

Zachowanie się gazów w zjawisku promieniotwórczości wzbudzonej. Emanacja. Gazy zawarte w przestrzeni zamkniętej wobec soli radu lub jej roztworu, stają się promieniotwórczymi. Własność ta nie ustępuje z gazu, nawet jeżeli się go wyciągnie pompką i zbierze oddzielnie w probówce. Ścianki probówki okażą się jednocześnie promieniotwórczymi i szkło probówki zacznie świecić w ciemności. Aktywność i świecenie probówki znikają po pewnym czasie całkowicie, choć bardzo powoli; jeszcze po miesiącu można w nich zaobserwować promieniotwórczość.

Z początku naszych badań p. Curie i ja6 wydobyliśmy gaz z blendy smolistej przez jej ogrzewanie; był on bardzo silnie radioaktywnym, lecz również, jak w doświadczeniach poprzednich, aktywność jego zmniejszała się powoli aż do całkowitego zaniku.

Zarówno dla toru, jak dla radu i aktynu, objaw promieniotwórczości wzbudzonej rozprzestrzenia się powoli od substancji czynnej poprzez gaz aż do ścianek naczynia, gdzie gaz jest zawarty; własność aktywowania przenosi się wraz z gazem, gdy się go wypompowuje i przeprowadza do innego naczynia. Energia promieniotwórcza jest więc zawarta w gazie pod jakąś postacią szczególną. Rutherford przypuszcza, że pewne ciała promieniujące wydzielają emanację, czyli gaz materialny, który posiada promieniotwórczość. Ten to gaz posiada własność udzielania promieniotwórczości ciałom, z któremi jest w styczności. Ciała wysyłające emanację są: rad, tor i aktyn.

Zanikanie promieniotwórczości wzbudzonej. Ciało stałe, aktywowane przez rad w przestrzeni zamkniętej, traci stopniowo swą aktywność, skoro wydobyte zostanie na wolne powietrze. Prawo zaniku jest z początku nieco skomplikowane, lecz upraszcza się po 2 lub 3 godzinach i od tej chwili aktywność zmniejsza się o połowę swej wartości co każde 28 minut7; prawo to graniczne jest charakterystyczne dla ciał stałych, aktywowanych przez rad.

Naczynie zamknięte, aktywowane przez rad, który następnie został z niego usunięty, traci swą aktywność daleko powolniej aniżeli przedmioty pozostawione na wolnym powietrzu Można na przykład wykonać doświadczenie z rurką szklaną, połączyć ją z naczyniem zawierającem roztwór soli radu, następnie przeciąć komunikację przez zalutowanie końców rury. Mierzy się natężenie promieniowania wysyłanego przez zewnętrzne ścianki rury. Pomiary stwierdziły, że natężenie w tych warunkach zmniejsza się do połowy co każde 4 dni, i to niezależnie od warunków doświadczenia (rozmiarów naczynia, natury ścianek, charakteru gazu wewnątrz rury, czasu trwania komunikacji itp.). Temperatura nie ma tu również żadnego znaczenia, jak to potwierdziły doświadczenia czynione w temperaturach od -180° do +450°.

Niektóre jednak ciała stanowią wyjątek; do nich należą: celuloid, parafina, kauczuk itp. W powietrzu tracą one swą wzbudzoną przez rad promieniotwórczość daleko powolniej.

Ciała stałe z promieniotwórczością wzbudzoną przez aktyn tracą ją podobnie jak poprzednie, tylko nieco powolniej8, ciała aktywowane przez tor tracą promieniotwórczość znacznie wolniej, mianowicie połowę co każde 11 godzin.

W doświadczeniach tych energia radioaktywna zawarta w gazie powoduje promieniotwórczość ścianek. Jeżeli usunie się gaz z wnętrza rury, czyniąc w niej próżnię, zauważy się od tej chwili daleko szybszy zanik aktywności ścianek, które wtedy zmieniają swą promieniotwórczość według prawa poprzednio przytoczonego, tj. o połowę co każde 28 minut. Ten sam rezultat ma miejsce, skoro się gaz czynny wewnątrz rurki zastąpi przez świeży gaz obojętny. Prawo zmniejszania się o połowę co każde 4 dni jest zatem charakterystycznym dla energii radioaktywnej zawartej w gazie aktywowanym przez rad. Przyjmując sposób wyrażania się Rutherforda, powiedzieć można, że co każde 4 dni znika połowa emanacji.

Emanacja toru jest nieco innej natury i zanika daleko szybciej, zmniejszając się do połowy co minutę i 10 sekund. Emanacja aktynu niszczeje jeszcze prędzej, gdyż obniżenie do połowy następuje już w ciągu kilku sekund.

Powietrze atmosferyczne, według badań Elstera i Geitla, zawiera w małej ilości emanację radioaktywną, podobną do tych, które pochodzą od ciał promieniotwórczych. Emanacja ta zdaje się być identyczną z emanacją radu.

Gazy wydzielające się z niektórych wód mineralnych zawierają trochę emanacji, podczas gdy powietrze zawarte w wodach morskich i rzecznych nie zdaje się jej zawierać.

Natura emanacji. Według Rutherforda9 emanacja ciała radioaktywnego jest to gaz radioaktywny, który wydziela się z tego ciała. Pod wielu względami emanacja istotnie zachowuje się jak gaz materialny. Tak np., jeżeli połączymy naczynie zawierające emanację z naczyniem, które jej nie zawierało, to emanacja dyfunduje z pierwszego naczynia do drugiego i podział emanacji między naczyniami odbywa się jak dla zwykłego gazu, który idzie za prawem Mariotta i Gay Lussaca, jeżeli przyjmiemy, że promieniowanie każdego naczynia jest proporcjonalne do ilości zawartej w nim emanacji.

Emanacja dyfunduje wzdłuż rurki długiej i cienkiej według praw dyfuzji gazu zwykłego; współczynnik dyfuzji emanacji w powietrzu jest niezbyt różny od współczynnika dla dwutlenku węgla.

Rutherford i Soddy dowiedli, że emanacje radu i toru kondensują się w temperaturze powietrza płynnego jak gazy skraplające się. Weźmy dwa naczynia (rys. 12) B i C komunikujące ze sobą za pomocą kranu R’ i z roztworem radu za pomocą kranu R. Oba te naczynia zawierają emanację. Zamknijmy kran R i otoczmy naczynie C powietrzem skroplonym. Po pewnym czasie cała ilość emanacji będzie skondensowana w naczyniu C i jeżeli wówczas przetniemy komunikację R’, a potem wyjmiemy przyrząd z powietrza ciekłego, to zobaczymy, że naczynie B nie zawiera emanacji, a naczynie C zawiera jej więcej niż poprzednio. Doświadczenie to jest bardzo piękne, jeżeli naczynia szklane B i C są wewnątrz pokryte warstwą siarczku cynkowego fosforyzującego, który przepysznie świeci pod wpływem emanacji.

Jednakże emanacja radu różni się od zwykłego gazu w tym, że niknie sama przez się w zalutowanym naczyniu szklanym. Dotąd nie stwierdzono jeszcze ani ciśnienia emanacji, ani charakteryzującego ją widma. Przenika ona także z wielką łatwością przez szparki, przez które zwykłe gazy dyfundują bardzo powoli. Wreszcie nie zauważono dotąd, aby temperatura kondensacji zależała od ilości emanacji zawartej w naczyniu danej objętości, jak to ma miejsce dla gazów.

Ramsay i Soddy znaleźli, że gazy wydzielane przez rad zawierają hel i że ten gaz tworzy się stopniowo wobec emanacji radu10. Odkrycie to nasuwa wniosek, że emanacja jest gazem nietrwałym i że hel jest jednym z produktów jej dezagregacji.

Emanacje radu i toru nie ulegają wpływowi różnych energicznych odczynników chemicznych. Rutherford i Soddy porównywają je z tej przyczyny do gazów z grupy argonu.

Promieniotwórczość cieczy i roztworów radu. Ciecz każda staje się promieniotwórczą, skoro umieścimy ją w przestrzeni aktywowanej; wyjmijmy ją stamtąd na otwarte powietrze, a płyn straci bardzo szybko swą aktywność. Natomiast w naczyniu zamkniętym tracić będzie swą własność powoli, zmniejszając ją co każde 4 dni do połowy; wynik ten każe przypuszczać, że energia radioaktywna nagromadza się zarówno w cieczy, jak i w gazie pod postacią jednakową. Roztwór soli radonośnej zachowuje się w sposób analogiczny. Najpierw trzeba zwrócić uwagę na fakt, że roztwór soli radowej nie jest bardziej promieniotwórczy od czystej wody, umieszczonej razem z nim w przestrzeni zamkniętej, o ile naturalnie równowaga między nimi się już ustaliła. Gdybyśmy wydobyli teraz roztwór soli radonośnej na otwarte powietrze, to stałby się prawie inaktywnym; lecz zamknijmy go znów w naczyniu, to pocznie nabierać powoli promieniotwórczości i po jakichś piętnastu dniach dojdzie do swej wartości granicznej, która może być bardzo znaczna. Natomiast roztwór aktywowany, niezawierający radu, traci promieniotwórczość na powietrzu i nie nabiera jej już z powrotem, kiedy go zamkniemy w naczyniu jakimkolwiek.

O promieniotwórczości wzbudzanej w roztworach radonośnych. Po odkryciu radioaktywności wzbudzonej Giesel spróbował po raz pierwszy aktywować zwykły bizmut nieczynny, rozpuszczając go w roztworze radonośnym i następnie strącając. Otrzymał bizmut radioaktywny11, skąd wyciągnął wniosek, jakoby polon, wykryty przeze mnie w blendzie smolistej, miał być tylko bizmutem aktywowanym wskutek sąsiedztwa z radem. W ten sam sposób co i Giesel, otrzymałam również bizmut aktywowany. Trudności tego rodzaju doświadczeń polegają na niezwykłej staranności, z jaką najmniejsze nawet ślady radu usuwać trzeba z roztworu.

Jeżeli się pomyśli, że już nieskończenie mała ilość radu wystarcza do wywołania bardzo znacznej promieniotwórczości w gramie materii, to nigdy niepodobna uwierzyć w dostateczne przemycie i oczyszczenie produktu aktywowanego; po każdem jednak oczyszczeniu promieniotwórczość preparatu zmniejsza się, czy to z powodu, że coraz to mniejsze pozostają w nim ślady radu, czy też że promieniotwórczość wzbudzona nie jest w stanie oprzeć się przemianom chemicznym.

Rezultaty, jakie otrzymałam, zdają się jednak stwierdzać z całkowitą pewnością, że promieniotwórczość mego bizmutu aktywnego wytwarza się i nie ustępuje nawet po usunięciu radu. Frakcjonując przez strącanie wodą azotan bizmutu tego, przekonałam się, że po najstaranniejszym nawet jego oczyszczeniu zachowuje się jak polon, tj. część najbardziej aktywna strąca się najpierwej.

Jeżeli oczyszczenie jest niedostateczne, to w tym razie daje się spostrzec skutek przeciwny, co wskazuje, że jeszcze ślady radu znajdują się w podobnym bizmucie aktywnym. Otrzymałam nawet bizmut aktywowany, którego stopień czystości był bardzo znaczny i którego promieniotwórczość była 2000 razy większa od promieniotwórczości uranu. Bizmut ten z biegiem czasu zmniejszał swą promieniotwórczość. Jednak znów inna część tego samego produktu, spreparowana z tymi samymi ostrożnościami i odfrakcjonowana w sposób powyżej przytoczony, zachowuje swoją aktywność bez znaczniejszego zmniejszenia już blisko od trzech lat. Jej promieniotwórczość jest 150 razy większa od promieniotwórczości uranu.

Aktywowałam również ołów i srebro, rozpuściwszy je razem z radem. W większości przypadków promieniotwórczość wzbudzona nie zmniejsza się z czasem, lecz, ogólnie powiedziawszy, nie jest ona w stanie oprzeć się reakcjom chemicznym, dokonywanym z ciałem samym.

Debierne12 aktywował bar, pozostawiając go w roztworze z aktynem. Ten bar aktywowany nie traci swej własności nawet podczas przemian chemicznych; jego promieniotwórczość jest więc własnością atomową dość trwałą. Chlorek baru aktywowany frakcjonuje się podobnie jak chlorek baru radonośny; części bardziej aktywne są mniej rozpuszczalne w wodzie lub rozcieńczonym kwasie solnym od części mniej aktywnych. Chlorek ten w stanie wysuszonym świeci i jego promieniowanie jest podobne do promieniowania chlorku baru radonośnego. Debierne otrzymał nawet w ten sposób chlorek baru, którego aktywność przewyższała 1000 razy promieniotwórczość uranu. Bar ten nie okazywał jednak wszystkich własności radu, gdyż nie dawał w spektroskopie linij bardzo charakterystycznych dla radu; również promieniotwórczość jego zmniejszała się z czasem i po trzech tygodniach zmniejszyła się do trzeciej części.

Promieniotwórczość wzbudzona w ciałach będących w roztworze obok substancji promieniotwórczych może być zaliczona do tej samej kategorii objawów, co promieniotwórczość wzbudzona w przestrzeni zamkniętej. Tylko że promieniotwórczość wzbudzona z odległości ogranicza się jedynie na warstwie powierzchniowej, bardzo cienkiej, gdy natomiast substancja strącana z roztworu jest aktywowana w całej swej masie.

Nie tylko rad aktywuje w roztworze, lecz podobną własność objawia także uran. Doświadczenie wykonano z barem. Jeżeli, jak to stwierdził Debierne, dolejemy kwasu siarczanego do roztworu zawierającego uran i bar, to strącony siarczan baru zabierze ze sobą część promieniotwórczości, gdy tymczasem sól uranowa straci część swojej. Becquerel przekonał się, że, powtórzywszy kilkakrotnie powyższą operację, otrzymuje się wreszcie uran zaledwie aktywny. Można by więc z powyższego mniemać, że nareszcie udało się wydzielić z uranu ciało promieniotwórcze, odmienne od tego metalu i powodujące swoją obecnością promieniowanie uranu. Tak jednak nie jest, gdyż po kilku miesiącach uran odzyskuje z powrotem utraconą swą promieniotwórczość, gdy siarczan baru traci swą aktywność nabytą.

Zjawisko podobne powoduje również tor. Rutheford strącił amoniakiem z roztworu soli torowej wodzian toru mało aktywny, gdy tymczasem roztwór, odparowany do suchości, dał maleńką resztkę, bardzo silnie promieniotwórczą. Ta resztka aktywna, w której promieniotwórczą częścią składową ma być według Rutherforda tor x, traci po pewnym czasie własność promieniowania, gdy jednocześnie wodzian toru strącony wraca do swej pierwotnej aktywności13.

Radioaktywność wzbudzana bez współudziału substancji promieniotwórczych. Znamy kilka przykładów podobnego objawu. Villard14 poddał działaniu promieni katodalnych kawałek bizmutu, umieściwszy go w rurce Crookesa naprzeciwko katody; bizmut stał się aktywnym co prawda w bardzo małym stopniu, bowiem dopiero po 8 dniach ekspozycji dał odbitkę na kliszy fotograficznej.

Mac Leennan15 wystawiał rozmaite sole na wpływ promieni katodalnych i ogrzewał je następnie lekko. Sole powodowały wtedy rozbrajanie elektroskopu naładowanego.

Badania w tym kierunku wzbudzają znaczne zainteresowanie. Gdyby za pomocą obecnie nam znanych czynników fizycznych udało się stworzyć substancje bardzo radioaktywne z nieaktywnych, bylibyśmy w stanie wytłumaczyć wtedy przyczynę promieniotwórczości samodzielnej niektórych substancji .