Betekintés: A radioaktivitás felfedezése

Figyelem! Ez itt a doksi tartalma kivonata.
Kérlek kattints ide, ha a dokumentum olvasóban szeretnéd megnézni!


A RADIOAKTIVITÁS FELFEDEZÉSE
100 évvel ezelőtt néhány alapvető és teljesen váratlan kísérleti felfedezés forradalmasította a
fizikai világképet.
A19-ik század folyamán a vegyészek és fizikusok egyre inkább elfogadták az atomok létezését.
Az első lépést 1803-ban Jobn Dalton tette meg Manchesterben - ő a kémiai elemek és vegyületek
tulajdonságai alapján felújította és átfogalmazta a görög filozófusok atomhipotézisét. Idő kellett
ahhoz, hogy a francia J.L. Proust és L.J. Gay-Lussac, valamint az olasz A. Avogadro és S.
Cannizzaro erőfeszítései nyomán elfogadják az atommodellt, megkülönböztessék az atomokat a
molekuláktól. Az 1890-es évek elejétől a tömör anyag makroszkopikus tulajdonságainak
leírásában már szerepeltek atomok, de még nem tudták kísérletileg vizsgálni az anyagot alkotó
atomokat, sem szerkezetüket felderíteni. Később jelentősen fejlődtek a tudományos eszközök és
a kísérleti módszerek; ki tudtak mutatni egészen kis mennyiségit elektromos töltést,
üvegcsövekben nagyvákuumot hoztak létre, felhasználták a nagyfeszültségű elektromos
kisüléseket.
Váratlanul néhány olyan alapvető és teljesen meglepő kísérleti felfedezés történt, amely
forradalmasította a fizikai világképünket, és lehetővé tette, hogy behatoljunk az atom belsejébe,
és amelyek következményei megdöbbentőek voltak.
1895. novemberben a würzburgi egyetemen Wilhelm C. Röntgen felfedezte a röntgensugárzást.
1896. január 1-jén több vezető európai tudósnak elküldte eredményei leírását és az első
radiográfiás felvételek másolatát. Henri Poincaré 1895. január 20-án a párizsi Tudományos
Akadémián bemutatta kollégáinak az egyik felvételt, és a Franciaországban készült első orvosi
röntgenfelvételeket. Röntgen bebizonyította, hogy a sugárzás az üvegcső falának arról a helyéről
indul ki, ahová a katódsugarak becsapódnak. Az üvegfal itt erősen lumineszkál, és Poincaré
feltételezte, hogy a röntgensugárzás és a lumineszcencia rokon jelenségek.
Becquerel-sugárzás
Henri Becquerel akadémikusnak, a Muséum d Histoire Naturelle professzorának lumineszcencia
volt a szakterülete, és felfigyelt arra a megjegyzésre, hogy kapcsolat lehet a lumineszcencia és a
röntgensugárzás között. A Cuvier-utcai laboratóriumában megtervezett egy kísérletet, amellyel a
röntgensugárzás és a lumineszcencia kapcsolatáról szóló hipotézist akarta vizsgálni. Az
[SO4(UO)K+H2O] sót használta fel; hogy lássa, vajon egy foszforeszkáló test bocsát-e ki
röntgensugárzást. Ezt az anyagot korábban Bordry írta le; néhány évvel korábban ugyanis Henri
apjával, Edmond Becquerellel - a múzeumban a lumineszcencia ismert specialistájával - együtt
készítette el. Február 20-án Henri Becquerel a só egy átlátszó kristályát két vastag réteg fekete
papírba csomagolt fényképező lemezre helyezte, és néhány órára kitette a napfényre. Előhívás
után a kristály fekete körvonalai jelentek meg a lemezen, és Becquerel arra következtetett, hogy
az anyag olyan sugárzást bocsát ki, amely képes a fekete papíron áthatolni.
Becquerel szerette volna megismételni a kísérletet többféle minőségű és vastagságú abszorbeáló
anyaggal. Párizsban azonban sem 2G-án szerdán, sem 27-én csütörtökön nem sütött a nap,
betette ezért az előhívatlan lemezt a sóval együtt a fiókjába. Mivel még március 1-jén sem sütött
ki a nap, ezért a lemezt előhívta, hogy lássa mennyire csökkent a foszforencia (a fényérzékeny
emulzió ugyanis a sugárzást időben összegezi). Meglepetéssel tapasztalta, hogy a
foszforeszcencia nem csökkent, hanem még erősebb volt, mint az első napon. Azonnal arra



gondolt, hogy a só a sötétben is aktív maradt. Észrevette ezen kívül annak a fémdarabnak az
árnyékát is, amelyet a só és a lemez közé helyezett. Világos volt, hogy nincs szükség napfényre
az áthatoló sugarak kibocsátásához. Becquerel azonnal megértette a röntgensugárzás és az általa
felfedezett sugárzás közötti hasonlóságot, illetve különbséget. Az uránsó aktivitása időben, még
néhány hónap alatt sem csökkent. Arra gondolt Becquerel, hogy amit észlelt, az nagyon kemény
röntgensugárzás, vagy hosszú időtartamú foszforencia. Elektroszkóppal kimutatta, hogy a
sugárzás a levegőt "elektrifikálja" (ma úgy mondjuk, hogy ionizálja). A sugárzás intenzitása
akkor sem változott, amikor a sót megolvasztotta vagy átkristályosította. Május 18-án észlelte
hogy egy nemfoszforeszkáló uránsó is sugarakat bocsát ki (rájött arra, hogy az uránelem szerepe
a lényeges).
November 23-án Becquerel feljegyezte a következőt: "Még nem tudjuk, hogy honnan veszi az
urán az ilyen tartós sugárzáshoz szükséges energiát." Elnevezte a sugárzást uránsugárzásnak,
míg mások Becquerel-sugárzásnak hívták. 1897. április 12-én azt észlelte, hogy az intenzitás egy
év elteltével sem csökkent. Átmenetileg felfüggesztette az uránnal végzett kísérleteket, mert új
témával, a néhány hónappal előbb felfedezett Zeeman-effektussal kezdett foglalkozni.
Polónium és rádium
Néhány hónappal később, 1897 végén első lányának Irénnek a megszületése után Marie CurieSklodowska el akarta kezdeni a munkát a fizikai állami doktorátus (doctorat détat) cím
megszerzésére (ő volt az első nő Franciaországban, aki ezt a fokozatot megkapta). Varsóból azért
jött Párizsba, hogy a Sorbonne-on tanuljon, mivel akkor még Lengyelországban nők nem
járhattak egyetemre. Hozzá ment Pierre Curie-hez, aki már tekintélyt szerzett a
piezoelektromosság, szimmetria és mágnesség területén végzett kutatásaival. Megbeszélte a
férjével, és úgy döntött, hogy tanulmányozni fogja a Becquerel-sugárzást. Pierre Curie engedélyt
kapott annak az École de Physique et Chimie Industrielle de la Ville de Paris (Párizs Város Ipari
Figyelem! Ez itt a doksi tartalma kivonata.
Kérlek kattints ide, ha a dokumentum olvasóban szeretnéd megnézni!


Fizikai és Kémiai Iskolája). igazgatójától, ahol tanárként működött, hogy felesége használhasson
egy a technikumhoz tartozó üres műhelyt. Marie Curie decemberben dolgozni kezdett, és
felállított egy berendezést az új sugárzás kvantitatív mérésére. A készülék elektrométerből,
ionizációs kamrából és egy piezoelektromos kvarckristályból állt, amelyet Pierre és fivére
Jacques fejlesztett ki. A kvarckristályban keletkezett elektromos töltés bizonyos idő után
kompenzálta az ionizációs kamrában a sugárzás által keltett töltést.
Marie Curie számos elemet, kémiai vegyületet és ásványt tanulmányozott; a Becquerel által
felfedezettel azonos típusú sugárzást keresett. Függetlenül G. Smidttől ő is rájött, hogy a tórium
is úgy viselkedik, mint az urán. A sugárzás kibocsátása tehát az anyag általános tulajdonságai
közé tartozik, és leírására Marie Curie a "radioaktivitás" szót találta ki. Arra is rájött, hogy
bizonyos uránásványok, így a szurokérc és a kalkolit sokkal aktívabbak, mint maga az urán, míg
a szintetikus ásványok aktivitása azonos volt az uránéval. Arra következtetett, hogy az
ásványokban egy nagyon aktív ismeretlen elem van jelen. Megjegyezte, hogy úgy látszik, a
radioaktivitás atomi tulajdonság.
Pierre Curie abbahagyta a kristályokkal végzett kísérleteit, csatlakozott feleségéhez, hogy együtt
keressék az ismeretlen radioaktív elemet. Úgy tűnt, hogy az elem, amely kémiai rokonságot
mutatott a bizmuttal, igen kis mennyiségben van jelen, és csak sugárzásméréssel lehetett nyomon
követni az ismételt kémiai elválasztások során (a radioaktivitás egyre erősebb lett, míg az
uránénak több, mint 400-szorosát is elérte). Az új elemet Marie Curie hazájának tiszteletére
polóniumnak nevezték el.
A polóniumnak és bizmutnak az eltávolítása után a visszamaradt folyadék radioaktív maradt.
Úgy látszott, hogy a szurokérc egy másik nagyon aktív, a polóniumétól különböző, a báriuméhoz
hasonló kémiai tulajdonságokat mutató ismeretlen elemet is tartalmaz; a Curie házaspár Gustave



Bémont vegyésszel együtt igyekezett ezt leválasztani. Sikerült egy igen aktív báriumkloridot
előállítani, amelyet többször feloldottak, majd az oldatból kicsaptak, miközben a báriumklorid
aktivitása egyre nagyobb lett. Eugčne Demarçay fizikust kérték meg, hogy vizsgálja meg az
aktív anyag optikai spektrumát. Amikor az anyag az uránnál már 50-szer aktívabb volt,
Demarçay egy nagyon gyenge ismeretlen vonalat talált; a dúsítás folyamán a vonal egyre
erősebb lett; végül az anyag 900szor volt aktívabb az uránnál. A Curie házaspár az új elemet
rádiumnak nevezte el.
A rádium a legaktívabb volt azok között az újonnan felfedezett radioelemek között, amelyeket
közvetlenül lehet megfigyelni, illetve lemérlegelni (körülbelül 2,8 tonna természetes uránban 1
gramm rádium van). A rádiumnak a radioaktív sorozatok megismerésében kulcsszerepe volt. A
rádium és leányelemeinek sugárzása nagyon hatásos eszköz volt az anyag és az atom belső
szerkezetének mikroszkopikus tanulmányozására. Új kutatási területeket tárt fel, és olyan
gyakorlati alkalmazásokat tett lehetővé, amelyekről a radioaktivitás felfedezése előtt nem is
álmodhattak.
Sugárzás, emanáció és gerjesztett radioaktivitás
Számos tudós, köztük Becquerel, Pierre és Marie Curie hozzáláttak az egyes radioelemek által
kibocsátott sugárzások tulajdonságainak tanulmányozásához. 1899 januárban Ernest Rutherford
kimutatta, hogy az urán által kibocsátott sugárzás összetett; egy könnyen elnyelődő () és egy
nagyobb áthatolóképességú (ß) sugárzást tartalmaz. 1900-ban P. Villard észlelte a rendkívül
áthatoló -sugárzást. Európában néhány évig a ß-sugárzást (mivel mágneses térrel el lehetett
téríteni) eltéríthető, míg az a-sugárzást nem eltéríthető sugárzásnak nevezték. Más radioelemeket
is felfedeztek, így 1899-ben André Debierne az aktíniumot és 1900-ban William Crookes az
urán-X-et (az urán közvetlen leányelemét).

A

U urán-rádium bomlási sor kezdeti szakasza, az első közvetlen leányelem származékokkal (eredeti
jelölésük: UX1, UX2, UII és Io). A Becquerel által észlelt uránsugárzás, amely lehetővé tette, hogy
234
234
m
felfedezze a radioaktivitást, valójában az UX1 ( Th) és az UX2 ( Pa ) ß-sugárzása volt.

238

Összehangolt német, osztrák és francia vizsgálatok alapján arra a következtetésre jutottak, hogy a
ß-sugárzást nagy energiájú elektronok alkotják. Nem sokkal később Rutherford bizonyította be,
hogy az a-sugárzás teljesen ionizált, két pozitív töltést hordozó héliumatomokból áll. Érdekes,
hogy Becquerel soha nem ismerte el, hogy az urán -sugárzást bocsát ki.1903 decemberében
tartott Nobel-előadásában hangsúlyozta, hogy ő már kimutatta, hogy "az urán még vákuumban is
csak ß-sugárzást bocsát ki", vagy talán nagyon kis mértékben -sugárzást. Becquerel próbálta



vizsgálni az urán -sugárzását, de sikertelenül, mivel kísérleti berendezései nem voltak
megfelelőek. A Becquerel által észlelt uránsugárzás, amely lehetővé tette, hogy felfedezze a
radioaktivitást, valójában a 238U-nal radioaktív egyensúlyban lévő közvetlen leányelem
származékoknak, az UX1-nek (234Th) és az UX2-nek (234Pam) a ß-sugárzása volt (lásd az ábrát).
1899. novemberben Pierre és Marie Curie azt a meglepő felfedezést tette, hogy bármely anyag,
például cink-, alumínium- vagy ólomlemez, még egy papírlap is, ha erősen aktív rácdiumforrás
közelébe kerül, radioaktívvá válik. Az új tulajdonságot "indukált radioaktivitásnak" nevezték. Ez
lassan megszűnik; két vagy három óra után az aktivitás a kezdeti érték tizedére csökken.
Megkísérelték lemosni a fémlemezekről az aktivitást, de nem sikerült; a jelenséget jobban tudták
Figyelem! Ez itt a doksi tartalma kivonata.
Kérlek kattints ide, ha a dokumentum olvasóban szeretnéd megnézni!


reprodukálni, és a hatás is erősebb volt, amikor a kísérletet lezárt edényben végezték.
Körülbelül ugyanebben az időben Rutherford, aki ekkor Montreálban dolgozott,
tóriumvegyületekkel kezdett el kísérletezni. Felfedezte, hogy tóriumoxidból valamilyen
radioaktív "gőz" szabadul ki, amelyet ő "emanációnak" nevezett el. Követte a hosszú
üvegcsövön átáramló gáz útját, és azt észlelte, hogy körülbelül egy perc után az emanációnak
fele eltűnt (valóban radioaktív gázként viselkedett). Azt is megfigyelte, hogy ha tárgyakat
emanáció hatásának teszi ki, akkor úgy tűnik, mintha egy radioaktív anyag láthatatlan rétegével
vonódtak volna be. Ezt "gerjesztett radioaktivitásnak" nevezte; csiszolópapírral viszont az
aktivitást el lehetett távolítani a felületről. A gerjesztett radioaktivitás nagyon hasonlított a Curie
által leírt indukált radioaktivitáshoz; intenzitása exponenciálisan csökkent, és a felezési ideje - a
kifejezést Rutherford alkotta meg - 11 óra volt. 1901-ben Rutherford ezt írta anyjának: "Mostani
munkámat amilyen gyorsan csak tudom, publikálni fogom, hogy ne maradjak le a versenyben. A
legjobb sprinterek ezen a pályán Becquerel és a Curie házaspár Párizsban, akik az utóbbi
néhány évben a radioaktiv testekkel kapcsolatban rendkivül sok nagyon fontos munkát végeztek."
Pierre Curie nem fogadta el Rutherford magyarázatát. Fenntartotta saját elképzelését a
radioaktivitás természetéről több, mint két évig, és csak 1903. júniusban fogadta el Rutherford
álláspontját. Időközben Rutherford sokféle új kísérletet végzett el hipotézisének bebizonyítására,
bevonta ezekbe a fiatal vegyészt Frederick Soddyt azért, hogy újabb vizsgálatok révén értse meg
a radioaktivitást.
Radioaktív átalakulások
Rutherford és Soddy hamarosan számos új tény birtokába jutott. A nagyon aktív emanáció
valóban egy kis mennyiségben jelenlévő inert gáz volt. Mind a tórium, mind a rádium termelt
emanációt (a rádiumemanációt először Ernst Dorn észlelte 1900-ban). A tények alapján
megbizonyosodtak arról, hogy mindkét emanáció kondenzálódik a folyékony levegő
hőmérsékletén, és hogy jól definiált illási és kondenzációs hőmérsékletük van.
A két tudós kémiai módszerekkel új radioelemet tudott elválasztani a tóriumtól, amelyet tóriumX-nek neveztek el. Ennek a tóriumnak az aktivitása kevesebb, mint a fele volt az eredeti
(szeparálás előtti) tóriuménak, az emanáció tehát a tórium-X-től és nem a tóriumtól származott.
Azt is felfedezték, hogy a leválasztott tórium-X aktivitása időben csökken; a felezési idő
valamivel kisebb volt, mint négy nap; ugyanezen idő alatt az eredeti tórium aktivitása és
időállandója nem változott, és a két aktivitás összege állandó maradt. Nem volt kétséges, hogy a
tórium átváltozik tórium-X-szé, ez gázalakú tóriumemanációvá, és az emanáció képez aktív
szilárd lerakódást, eredményezi a gerjesztett radioaktivitást. A radioaktivitás tehát szubatomos
változás - sugárzással együttjáró spontán átalakulás. Úgy tűnt, hogy a radioaktív átalakulások
energiája néhány százezerszer nagyobb, mint bármely kémiai (tehát molekuláris) reakcióé.
A harmadik fizikai Nobel-díjat 1903-ban közösen kapta Henri Becquerel valamint Pierre és
Marie Curie. Pierre Curie 1905-ben Stockholmban tartott Nobel-előadásában a jövőbe látóan



vonta le a következtetést: "Elképzelhető, hogy a rádium, bűnözők kezébe kerülve igen nagy
veszélyt jelent; felvetődik a kérdés, hogy előnyös-e az emberiség számára, ha megismeri a
természet titkait és elég érett-e ahhoz, .hogy jóra használja, nem válik-e ártalmára ez a tudás?
Nobel felfedezése jó példa erre: nagyerejű robbanóanyagokkal csodálatos munkát lehet végezni,
ugyanakkor szörnyű eszköz bűnözők kezében, akik a népek között háborúkat robbantanak ki.
Azok közé tartozom, akik Nobellel együtt úgy gondolják, hogy új felfedezésekből több jó
származik, mint rossz."
Ernest Rutherford 1908-ban kémiai Nobel-díjat kapott, Marie Curie pedig 1911-ben a második
Nobel-díját kapta, szintén kémiából, a rádium leválasztásáért és tulajdonságainak
meghatározásáért.
Első alkalmazások
A radioaktivitás lehetővé tette, hogy "belenézzünk" az atom belsejébe, és először észlelhessük,
hogy hogyan bocsát ki egyenként részecskéket. Segítségével ellenőrizni lehetett a speciális
relativitás és a kvantummechanika állításait, és bizonyítékokat lehetett találni elméleti alapon
előrelátott jelenségekre.
1901. júniusban - miután értesült arról, hogy Németországban Walkhoff és F. Giesel a saját
bőrükre helyezve próbálták ki a radioaktív anyagok fiziológiai hatását - Pierre Curie 10 órán
keresztül tartott a karján egy rádiumforrást azért, hogy meghatározza az okozott károsodást.
Észleléseit közölte a párizsi Saint-Louis kórház orvosaival, és javasolta a bőrbetegségek
sugárkezelését. Ez volt a kezdete a "curieterápiának".
Pierre Curie és André Laborde 1903-ban azt észlelte, hogy a rádium folyamatosan hót fejleszt, és
az egy óra alatt termelt hő elég ahhoz, hogy vele azonos tömegű jeget megolvasszon.1903-ban
általánossá vált az a felismerés, hogy szinte mindegyik, a Föld kérgét alkotó ásvány tartalmaz
igen kicsiny mennyiségben radioaktív elemeket, és Rutherford megállapította, hogy ez a nagy
tömegű, termikus egyensúlyban lévő radioaktív anyag aktivitásából eredő hő kompenzálja a
sugárzási veszteséget. Ezzel magyarázható, hogy a Föld hőmérséklete nagyon hosszít időn
keresztül állandó maradt, ami elősegítette az élet kifejlődését.
Rutherford javaslatára B.B. Boltwood amerikai fizikus, bányamérnök 1904-1905-ben elvégezte
az első méréseket uránásványokat tartalmazó kőzetek kormeghatározására a héliumtartalom, és
Figyelem! Ez itt a doksi tartalma kivonata.
Kérlek kattints ide, ha a dokumentum olvasóban szeretnéd megnézni!


két évvel később az ólom/urán arány alapján. Bizonyos elsődleges ásványok korára 400 és 2200
millió évet állapítottak meg. Sok más, a radioaktivitáshoz kapcsolódó vizsgálathoz és
felfedezéshez hasonlóan, ezeket a geológiai méréseket sok évvel az atommag felfedezése előtt
végezték.

Forrás: Fizikai Szemle 1996/11. 369.o.