A háromféle rádióaktív sugárzás kimutatása egyszerű anyagokkal és eszközökkel¹)

Öveges József
Áll. Ped. Főiskola, Budapest.

1896-ban és az utána következő években lett ismeretes, hogy az urán- és thóriumtartalmú anyagokból önmagától, természetesen, háromféle érdekes sugárzás indul ki.

1. Egy a röntgen-sugárzással teljesen azonos viselkedést mutató sugárzás, a sugárzás. A röntgensugár többek között áthatol a fény számára átlátszatlan anyagokon és hat a fényképező lemezre. Ezt teszi a sugár is. Kimutatása ezen az alapon történik.
2. Különálló parányi részecskékből álló atomlövedékeket lövellenek ki magukból az U és Th tartalmú anyagok. A lövedékek sebessége másod percenkint 14 000-20 000 kilométer. Erről a részecskéről kiderült, hogy a héliumatom magjával azonos. A részecskét a résznek nevezzük. A részecske pályáját pedig a sugárnak.

Ha acélgolyó acélfalba ütközik, szikrázik. Hasonlóképpen felvillanást okoznak az a részecskék is, ha pl. cinkszulfidkristálynak ütköznek. Feketedést okoznak a fényképező lemezen is. Nagymértékben vezetővé teszik a levegőt. Mi elsősorban felvillanást okozó hatásuk segítségével figyeljük meg őket.

3. A fémdrótban mozgó elektronok alkotják az elektromos áramot. Az U és Th tartalmú anyagok ezeket az elektronokat magukból majdnem másod percenkint 300 000 km sebességgel lövellik ki. Az áramtól átfolyt vezető elmozdul mágneses térben. Eltérnek irányuktól a kilövelt elektronok is mágneses térben. A rádióaktív anyagokból kilövelt elektronokat ß részecskének, pályájukat pedig ß sugárnak nevezzük. Megfeketítik a fényképező lemezt. Az eltéríthetőség és a fényképező lemezre gyakorolt hatás alapján fogjuk kimutatni őket.

A rádióaktivitás felfedezését követő 16 év alatt rájöttek arra, hogy mintegy 40 féle radióaktívanyag van. De ezek - 3 kivételével - mindnyájan az U és Th elemekből keletkeznek természetes atombomlás útján. Közülük 18 elem sugároz a részeket. A többi elektronokat és ß sugárzást bocsát ki.

Ha tehát bármely U vagy Th tartalmú anyag sugárzását vizsgáljuk, akkor tulajdonképpen mintegy 40 féle sugárzó elem együttes sugárzását figyeljük (az urántartalmú anyagban mindig van thórium is és fordítva). Ezért kísérleteinkben nem egyetlen elem egyfajta sugárzása, hanem néhány tucat elemből kiinduló háromféle sugárzás fog hatni. De ez csak még érdekesebbé teszi feladatunkat. - Lesz-e a sugárzásban pl. rádium által kibocsátott sugárzás ? Igen! Hiszen a 40 féle elem között ott van a rádium is. Ezt ugyancsak egyszerű kísérlettel lehet igazolni, de erre most nem térünk ki.

Legkönnyebben a thóriumhoz jutunk hozzá, a hosszú gázharisnya formájában. A gázharisnyának kb. 3/4 része thórium. Kísérleteinkhez teljesen elegendő ennek rádióaktivitása.

Sokkal nagyobb mértékben sugároz a világító óramutató vagy óralap magától világító (aktív) festékje. Különösen a régebben készült világító órák mutatóját, számlapját ajánljuk. Eldobott, rossz ébresztőórák kincset érnek a kísérletezőknek.

1. ábra. Szurokércdarab a fekete papíron át lefényképezi önmagát a láthatatlan -sugárzással. A képen jól látható hogy az ércnek vannak uránban gazdagabb helyei. Ezeken a helyeken legvilágosabb a kép. Az elmosódott helyek a rögös felületű ásványnak a lemeztől távolabb eső mélyedéseitől származnak. A szerző felvétele. Exp. idő: 2 hét.

2. ábra. Az előbbi szurokércdarab -sugárzásával készült átvilágítási (röntgen) kép. Egy gyufaskatulya fedele alá biztonsági zár lapos kulcsát ragasztottuk azután a fekete papírba burkolt lemezre fektettük. A falemezke fölé helyeztük a szurokércdarabot. A szerző felvétele. Exp. idő: 2 hét.

3. ábra. A gázharisnya önmagát fényképezi le a belőle kiinduló -sugárzással a fekete papíron át. A gázharisnyát nem szabad kiizzítani, mert szétporlik! A gyári új gázharisnyából kivágott darabot a beburkolt lemezre fektetjük és ez egészet egy könyvlapjai közé szorítjuk hogy el ne mozduljon a harisnya. Az előző képeket az U sugárzása okozta, ezt a képet a Th sugárzása. A szerző felvétele. Exp. idő: 3 hét.

4. ábra. Egy olcsó ébresztőóra eldobott világítólapja a belőle kiinduló -sugárzással lefényképezi önmagát az átlátszatlan fekete papíron át. A kép ugyanúgy készült mint az előző. Az óralap festékes fele fekszik a papírra a lemez érzékeny oldala felé. Az olcsó óra számlapjáról gyári hiba miatt hiányzik a 8-as szám. A 12-es szám csonkasága pedig attól ered, hogy ott volt a világítófestékkel be nem vont kis számlap a csengőbeállító számára. Az alsó teljes kisebb óralap egy karóráé. A szerző felvétele. Exp. idő: 1 nap.

5. ábra. 80 gramm gázharisnyaport tartalmazó vánkossal készült kép. Figyeljük meg, milyen szépen kirajzolódik a gyufaskatulya falap alakja minden részletképen. A fa vastagsága 1 mm. Az önborotvapengéé 0,1 mm. A tízezer vékonyabb fém mégis mennyivel jobban elnyeli a -sugárzást, mint a falemez. A szerző felvétele. Exp. idő: 1 hét.

6. ábra. Klinikai röntgengéppel készült átvilágítási kép. Figyeljük meg, hogy a túlságosan erős sugárzás számára a falemez nem jelentett akadályt. Nem vet árnyékot. A fémek már erős árnyékot vetnek. De az önborotvapenge árnyéka sokkal világosabb, mint a 10-szer vastagabb keresztbefektetett két fémlemez árnyéka. Ezek már fekete árnyékot vetnek átvilágításkor A röntgenklinika felvétele. Exp. Idő: 1/10 mp.

7. ábra. Gázharisnyapor-vánkossal készült felvétel. A -sugarak áthatolása annál kisebb mértékű, minél vastagabb az anyagréteg. A képen egy önborotvapenge, három, majd hat keresztbefektetett penge átvilágítási képe látható. A hárompengés képen észrevehetjük, hogy a 2, 3 pengével fedett helyek egyre erősebb árnyékot adnak. A szerző felvétele. Exp. idő: 2 hét.

Világítóanyaguk 100-1000-szer hatásosabb, mint az ugyanakkora tömegű gázharisnya.

Esetleg hozzájuthatunk néhány szem uránnitrát kristályhoz. Fényképészek használták erősítésre. Gombostűfejnyi darab már elegendő a felvillanások megfigyelésére.

Kereskedelmi fényképező lemezt vagy filmet beburkolunk fekete papirosba és a lemez érzékeny oldalát fedő papírosra helyezzük azt a testet, amelyből kiinduló sugárzást vizsgálni akarjuk. A testből kiinduló sugárzás áthatol a papíron és megfeketíti a lemezt. Bizonyos idő mulva előhívjuk a lemezt. Ahol erősebb a sugárzás, ott erősebb a feketedés. Képeinken pozitív másolatokat látunk. Ezeken a képeken tehát az erősebb sugárzás helyein úgy látszik, mintha erősebb fény érte volna a lemezt.

Az 5. és a 6. ábrák érdekes összehasonlításra adnak alkalmat. Mind a kettő röntgen-kép; azaz átvilágítási kép. Gyufaskatulya két falemeze közé egyik esetben önborotvapengét ragasztottunk, a másik esetben pedig két keresztbe fektetett fémszalagot. Hogy mi van a két összeragasztott falemez között, azt csak a falemezeken áthaladó sugárral történő átvilágítás mutathatja meg. A 6. ábra a röntgen-klinika röntgen-gépével készült, az 5. ábra pedig a gázharisnyatörmelékből kiinduló sugárzással.

Egy kisebb névjegyborítékot megtöltöttünk gázharisnyatörmelékkel, azután ezt a vánkost borítottuk afölé a tárgy fölé, amelynek átvilágítási képét meg akartuk kapni a fényképező lemezen. Ha ilyen 40-800 gramm tömegű gázharisnyaport alkalmazunk, akkor a sugárzóhatás megfelelően nagyobb lesz, mint egyetlen alig 1 grammos gázharisnya esetén, tehát rövidebb expozíciós idő is elegendő.

A 7. ábrán több egymásra tett önborotvapengét kellett átvilágítani. A kép egyszerű gázharisnyaréteg alkalmazása esetén talán évek alatt készült volna el, thóriumvánkossal pedig 2 hét alatt.

Megjegyezzük, hogy a 7. képen a hat önborotvapenge alatt gyengébb feketedés mutatkozott, mint vártuk, tehát valamiképpen megerősödött a sugárzás hatása a lemezre. Ennek a jelenségnek is megvan a kellő magyarázata (másodlagos sugárzás).

1. Ugyancsak közismert kísérlet az is, hogy a gázharisnya (és a többi sugárzó anyag) vezetővé teszi a levegőt, tehát a megtöltött elektroszkóp elveszíti töltését. A gázharisnyát ne az elektroszkóp tányérjára tegyük, hanem vegyük le az elektroszkópról tányérját, a gömbjét és csak a puszta rúdja álljon ki az elektroszkóp házából. Ezáltal az elektroszkóp kapacitása lehetőleg kicsiny lesz. Minél kisebb az elektroszkóp kapacitása, annál sebesebben esik a mozgó lemeze ugyanakkora töltésvesztés esetén. A gázharisnyát tegyük az elektroszkóp házára a rúd mellé. - Az elektroszkóp lemeze szemmel látható sebességgel esik. - De ha a rúdtól a harisnya felé fújunk, a kisülés megáll, illetve igen meglassul, mert ezáltal elfujjuk a rúdtól a kisülést okozó ionokat.

Az a kérdés, hogy a háromféle sugárzás közül melyik teszi vezetővé a levegőt. Melyik hatása okozza főleg az elektroszkóp kisülését? Vajjon az előbb megismert sugárzás-e, vagy a többi sugárzás egyike? Erre felel a következő kísérlet.

Töltsük meg megint az elektroszkópot. És tegyük a rúd mellé a gázharisnyát. Miközben a lemez esik, borítsunk egy írópapírból készült süveget a gázharisnyára. - Meglepve vesszük észre azt, hogy a kisülés megáll vagy legalábbis nagyon meglassul.

A kísérletet úgy is végezhetjük, hogy megmérjük azt az időt, amíg a lemez, mondjuk 10 osztályrészt esik papírsüveggel és papírsüveg nélkül.

Mivel a papírlap is felfogja a gázharisnyából kiinduló és a levegőt erősen vezetővé tevő sugárzást, azért ez a sugárzás nem lehet a sugár.

1. Mikroszkópi tárgylemezre ragasszunk köralakú kivágással ellátott papírszeletet. Tisztítsuk meg gondosan a környílás fenekén az üvegfelületet és lehelletvékonyan kenjük be valamilyen ragasztó anyaggal. Azután hintsünk a környílásba, (pl. írótoll hegyére vett) gombostűfejnyi cinkszulfidport. A cinkszulfidkristályok így az üvegfelületre ragadnak, de nem merülnek el a ragasztóban. Így készül el felvillanó ernyőnk.

A szóbanforgó cinkszulfidpor világító festék néven ismeretes. (Vigyázat, nem mindenfajta világító festék villan fel az a részecskék ütközésére. Házilag nem készíthető.) Borítsunk a környílás fölé egy darabka gázharisnyát (vagy tegyünk az ernyőre néhány morzsa uránnitrátot) a gázharisnya fölé egy cellofánpapírdarabot, (hogy védje a gázharisnyát a sérüléstől) és föléje ragasszunk egy újabb környílással ellátott papírlapot. Így tetszetős formájú preparátumot nyerünk, amely lényegében: gázharisnya-darab cinkszulfid felett.

Figyeljük sötétben a cinkszulfid ernyőt 10-50szeres nagyítón át. Másodpercenként 6-10 felvillanást látunk.

Tehát valami kirepül a gázharisnyából (uránnitrátból), ami a cinkszulfidnak ütközik és fényt ad. Minthogy a felvillanások különállóak, diszkrétek, különálló, diszkrét részecskékből áll az is, ami a felvillanásokat okozza.

2. Egy papírlap is megakadályozza a felvillanásokat.

Készítsünk egy másik üveglapra villanó ernyőt és az ernyő fölé tegyünk gázharisnya-darabot. De most helyezzünk a gázharisnyadarab és a cinkszulfidréteg közé egy papírlapot is. - Nem fogunk a sötétben felvillanásokat látni.

Ez a kísérlet valószínűvé teszi, hogy az a sugárzás, amely olyan nagymértékben vezetővé tette a levegőt, azonos a felvillanásokat okozó sugárzással.

Megjegyzés: Felvillanásokat vizsgáló kísérleteinkben az ernyőnek legalább félóráig teljes sötétségben kell lennie a vizsgálat előtt, hogy elveszítse előző megvilágításból eredő fénylését, szemünknek pedig legalább tíz percig, hogy alkalmazkodjék a sötétséghez.

Mivel a felvillanásokra vonatkozó vizsgálatainkat igen erős félhomályban kell végezni (legfeljebb olyan világosság lehet, mint amilyen világos van szobánkban éjtszaka holdvilágos éjjelen), azért nagyon alkalmas a tanulómikroszkópot használni nagyítónak. Ebbe az ernyőt könnyen beletehetjük, befoghatjuk és a nagyító lencsén át biztosan láthatjuk az ernyőt. Vigyázzunk, hogy mindig a lemez üvegoldala - a cinkszulfidréteg - essék szemünk felé.

3. Felvillanópor készítése gázharisnyatörmelékből és cinkszulfidporból.

A nagyító alatt sem a gázharisnyapor nem mutat felvillanásokat önmagában, sem a cinkszulfidpor. De keverjünk össze gombostűfejnyi cinkszulfidot és ugyanannyi gázharisnyaport és a keveréket öntsük felvillanó ernyőnk fölé a papírnyílásba. Ragasszuk le cellofánlappal és egy másik papírszelettel. Nagyítónk alatt másodpercenkint 8-10 felvillanást figyelhetünk meg. Ha nem gázharisnyaport, hanem ezerszer aktívabb anyagot kevernénk össze a világítóporral, akkor az ezerszer nagyobbszámú felvillanás már szabadszemmel is látható fénylésben tartaná a keveréket.

1 gramm Th másodpercenként 30 000 részt lövel ki. l gramm mezothórium pedig kb. ezermilliószor többet. Az önmagától világító festék rendszerint úgy készül, hogy cinkszulfid-porba parányi mezothóriumot kevernek.

Helyezzünk bármilyen anyagot az üveglemezen levő cinkszulfid ernyő fölé. Ragasszuk át cellofánnal vagy papírral, hogy le ne essék róla. Ha felvillanás mutatkozik, akkor anyagunk uránt vagy thóriumot tartalmaz. Nagy megközelítésben: 5 mm átmérőjű ernyőt feltételezve, amelyet teljesen befed a vizsgált anyag, másodpercenként egy felvillanás akkora fokú rádióaktivitást árul el, mintha anyagunkban 2% urántartalom lenne. Látható, hogy egy tanulómikroszkóp és egy felvillanó ernyő birtokában bármilyen gyanuba fogott kőzetet percek alatt megvizsgálhatunk rádióaktivitására nézve. A felhasználásra érdemes anyagok másodpercenkénti sok felvillanással árulják el magukat. Pl. két mákszemnyi urán-szurokérc morzsa másodpercenkint 8-12 felvillanást okoz ernyőnkön.

4-5 centiméter hosszú ólomcsövet vagy rézcsövet vágjuk két részre. A rövidebb esőrész legfeljebb l cm hosszú legyen. A cső belső nyílása ne legyen nagyobb, mint 2-3 mm. A két csődarab közé helyezzünk 2-3-szorosan írópapírlapot. A papírlap oldalt kiálló részeit vágjuk le, vagy hajlítsuk a cső oldalára, azután a két csődarabot erősítsük össze a köréjük tekert enyvespapírral. A rövidebb csőrész üregébe töltsünk gázharisnyaport. Azután ragasszuk le papírral a cső nyílását, hogy a gázharisnyapor ki ne essék belőle. - Készítsünk két ilyen teljésen egyforma csövet.

8. ábra. A -sugárzás kimutatása. A világosabb kör felett álló cső nem volt mágneses térben. A teljes erejű és -sugárzás hatott a lemezre. A sötétebb kör felett álló cső igen erős mágnes sarkai között állott. A mágnes eltérítette a -sugárzást. A fényképező lemezt gyengébb sugárzás éri, mint előbb. A szerző felvétele. Exp. idő: 4 hét.

Beburkolatlan fényképező lemez fényérzékeny rétegére fektessünk egy erős és széles patkómágnest. A patkómágnes sarkai közé, a legerősebb mágneses térbe állítsuk fel az egyik csövet, szabad nyílásával lefelé. A másik csövet ugyanígy állítsuk a patkómágnes hajlatába, ahol nincsen számbavehető erősségű mágneses tér. Természetesen mindez a megfelelő fényképészeti megvilágítás mellett történik. Célszerű a lemezt egy alkalmas nagyságú dobozba fektetni és így összeállítani a berendezést. Utána lágy rongyokkal, összegyűrt papírral kitömködjük a dobozt, hogy a mágnes és a csövek elmozdulását megakadályozzuk. Azután az összeállítást még fekete szövetbe burkoljuk és sötét helyre zárjuk. 2-4 hét mulva előhívhatjuk a lemezt. Mindkét cső nyílása alatt köralakú feketedést okoz a gázharisnya sugárzása. De ha eltaláltuk a kellő expozíciós időt (lehet, hogy több lemezt kell feláldozni a jó képhez, miközben változtatjuk a két csőrészt elválasztó papírlapok számát, hogy az elektronokat kellőképpen lelassítsuk), azt vesszük észre, hogy a mágneses térbe helyezett cső alatt kisebb mértékű a feketedés. Ez azt mutatja, hogy a mágneses térben kevesebb rádióaktív sugárzás jutott le a cső fenekére.

A jelenség magyarázata a következő: A felső csőrészben levő gázharisnyaporból háromfajta sugárzás indul ki. A papírlap elfogja az a sugárzást. Ez nem jut le a fenékre. De a sugárzás szinte gyengítetlenül ér a fenékre. A papírlap előtte nem akadály és a mágneses tér sem téríti el. Ha csak ez a kétféle sugárzás indulna ki a thóriumporból, akkor mindkét cső alatt ugyanakkora mértékű lenne a feketedés. Ámde, mivel a mágneses térbe helyezett eső alatt a feketedés kisebb mértékű, a eső fenekére érkező sugárzás hatása gyengébb, ebből az következik, hogy kevesebb sugárzás ért le a cső fenekére, mert a mágneses térben a sugárzás egy része elhajolt és elnyelte a cső fala.

Hasonló kísérletekkel még az elhajlítás irányát is meg lehet állapítani és kiderül, hogy ez a sugárzás úgy hajlik el, mintha negatív töltések áramlanának a cső szabad vége felé.

Ez a mágneses térrel eltéríthető sugárzás, amely azonban egy-két papírlapon még alig gyengülve hatol át, - a negatív elemi töltésekből, elektronokból álló ß sugár.

1) A TTT fizikai szakosztályában tartott előadás.