VII. FEJEZET
Az atómbomlás és a periódusos rendszer. – Néhány mesterszó. – A chemiai atóm fogalma. – Különbség az atóm és a chemiai vegyület között. – A chemiai módszerek elégtelensége több rádióaktív vizsgálatban. – Föltevések vagy gondolt képek. – Az atómbomlás két lehetséges képe. – Az atómbomlásnak kitörés-szerű jellege. – A rádióaktív változások törvénye. – A bomlás sorrendjének valószínűsége. – A fölbomló atómok átlagos és várható élettartama. – Az atómbomlásnak csak a "miként"-jét magyarázhatjuk meg, nem a "miért"-jét. – Az atómok átlagos élettartamának meghatározása. – Önálló rádióelemek és rövid életű átmeneti alakok. – Rádióaktív egyensúly. – A rádium átlagos élettartama. – A rádium összes energiája, a mit teljes fölbomlása alatt kifejt.
Hogyan lehetséges egyáltalában, hogy elem, vagy elem atómja megváltozhassék? E kérdés sok vitára adott alkalmat, de e viták szerintünk inkább etimológiai természetűek voltak, semmint természettudományiak. Most már biztosan tudjuk – mert a rádióaktivitás megtanított rá – először is azt, hogy bizonyos elemek valóban változnak, másodszor, hogy ezek az elemek milyen módon változnak. A rádium, mint elem, egy atóm hélium elveszítésével átalakul emánáczióvá, a mely a rádiumtól chemiailag annyira különbözik, a mennyire csak két elem egymástól különbözhetik. Az egyik az alkáliföldek családjába tartozik, a másik az argoncsoportba.
De hiszen éppen ezt várhattuk. Ha az elemeket atómsúlyuk szerint rendezzük el – ilyen elrendezés vezetett az ismert periódusos rendszerre – a legföltünőbb különbség mindig két egymásra következő elem között van. Chlór, kálium és argon három egymásra következő elem ilyen összeállításban és nincs közöttük semmi hasonlóság. A közül a kilencz egymásra következő átalakulás közül, a melyen a rádium keresztülmegy, a legtöbb, de nem valamennyi olyan bomlás, melynél az elem egy héliumatómot veszít el. Az eredeti atóm nehezebb része, a mely egy, két, három, stb. héliumatóm elveszítése után visszamarad, adja az egymásután keletkező, közbeeső testeket, a milyenek az emánáczió, a rádium A, a rádium B, a rádium C. (*) Azt kell tehát várnunk, hogy ezek az egymásután keletkező átmeneti alakok, jellemvonásaikban telje~n különbözők lesznek egymástól, a mit eddigi vizsgálataink teljesen igazolnak is.
Lássuk már most azt a kérdést, a mely olyan sokaknak okozott már fejtörést. Hogyan lehetett arra az eredményre jutni, hogy
(*) A mai elnevezéseket ld. a 122. oldalhoz csatolt ábrán. [NF]
elemek, illetőleg elemek atómjai egyáltalában megváltozhatnak? Az atóm szó ugyanis a görög nyelvből származik és első sorban fölbonthatatlant, oszthatatlant jelent. Hosszú ideig ennek a szónak csak szubjektiv értelme volt, a mennyiben inkább az elképzelhető legkisebb részt jelentette, mintsem az elérhetőt, az előállíthatót és így nem is tartozott a fizikához, hanem inkább a metafizikához. Az atóm szónak először DALTON adott tárgyi értelmet. Ő kimutatta, hogy chemiai átalakulás két elem között csakis az elemeknek meghatározott súlyarányai szerint történhetik. Ha az egyikből egységnyit veszünk, azzal a másiknak vele vegyülő mennyisége is meg van határozva. De előfordul az is, hogy ugyanaz a két elem többféle vegyületet is alkot különböző súlyarány szerint. Ilyenkor, ha egyszerűség kedvéért az egyikből megint egységnyit veszünk, a másiknak, a különböző vegyületekben előforduló mennyiségei egymásnak egyszerű többszörösei vagy törtrészei, azt mutatva ezáltal, hogy az elemek nem vegyülnek akármilyen arányban, hanem "atómok szerint", vagyis azok szerint az állandó egységek szerint, a melyeknek meghatározott viszonylagos súlyuk van. A chemiai egyesülésnek ezek a meghatározott viszonylagos súlyú egységei a chemikusnak az atómjai. Az anyagnak mindazon változásaiban, a melyekkel a chemia foglalkozik, elégséges volt minden vegyületet úgy fölfogni, mint a mely egész atómok szerint történik, de az atómok törtrészeire, vagy osztóira nem volt szükség. Vegyületekben az összetevő atómok megtartják egyéniségüket és azonosságukat annyiban, hogy a vegyületeket mindig ugyanazokra az elemekre lehet fölbontani, melyekből összetettük őket és sohasem más újakra. Ezekben a változásokban az összetevő atóniok semmiféle mélyebbreható változást nem szenvednek. A mennyiben legújabb időkig a chemiai változások voltak az anyagnak leggyökeresebb változásai, a chemikus atómjai átvitt értelemben betöltötték azt a hivatást is, mint a régiek legkisebb létező részecskéi. Ez a legkisebb mennyiség természetesen csak arra az egy meghatározott elemre vonatkozik, a melyhez az atóm tartozik. Azt mondjuk például, hogy az uránium atómja körülbelül 24O-szer nagyobb tömegű a hidrogén atómjánál; ez úgy értendő, hogy az urániumatóm az urániumnak a legkisebb része, van azonban olyan atóm is, a mely ennél 240-szer könnyebb, de ez nem az urániumé, hanem a hidrogéné.
A rádióaktivitás terén tett fölfedezések az atóm szónak ezt az értelmét változatlanul meghagyták. A rádiumatóm most is a rádiumnak a létező legkisebb részét jelenti és egységül használható mindama chemiai átalakulásokban, a melyekben a rádium résztvesz. Ha azonban a rádiumatóm az eddig ismerteknél gyökeresebb változásokon ment át, akkor már nem a rádium atómja többé. A keletkező anyag annyira különbözik a rádiumtól, a mennyire egyáltalában különbözhetik tőle. Ha tetszik, tekinthetjük a rádium atómját oly elemek vegyülete gyanánt, a melyek bomlás által belőle származnak, tehát tekinthetjük az emánáczió és hélium egy-egy atómja vegyületének; akkor azonban tisztában kell lennünk, hogy itt nem közönséges chemiai vegyülettel van dolgunk, a melyet tetszésünk szerint fölbonthatunk alkotó elemeire, vagy összetehetünk belőlük. Ha a rádium a hélium vegyülete volna, akkor, a mint HUGGINS WILLIAM újabban velem szemben megjegyezte, a hélium színképét kellene mutatnia. De egészen új színképet mutat, a mely hasonló ugyan legközelebbi rokonának, a báriumnak színképéhez, de nem azonos vele. A hélium színképe csak akkor jelentkezik, ha a rádium már atómbomlást szenvedett. De a rádium színképében a hélium egyetlen vonalát sem találjuk meg.
Elem és közönséges értelemben vett chemiai vegyület között a lényeges különbséget következőképpen mondhatjuk ki: kétségtelen, hogy végeredményben mindegyik összetett test; de az az energiakifejtés, a mely valamely elemnek alkotórészeire való bomlásával jár, milliószor nagyobb, mint az, a mely a közönséges chemiai vegyület föloszlását kíséri. Igaz ugyan, hogy ez csak fokozatbeli, rendbeli különbség, de ennek a különbségnek nagysága olyannyira jelentékeny, hogy a kétféle összetett testet teljesen elkülöníti egymástól és csak zavart okozna, ha mindkettőnek ugyanazt a nevet adnók. A rádium éppen olyannyira elem, mint a többi nyolczvan. Ha a rádium összetett test, akkor több-kevesebb valószínűség szerint a többi elem is ilyen. Ha a rádium megváltozik, akkor lehetséges, hogy a többiek is változnak (és talán valóban változnak is). De az elemek belső szerkezete egészen más, mint a chemiai vegyületeké, azért legtanácsosabb az "atóm" és "elem" szavakat abban az értelemben megtartanunk, a melyben őket DALTON óta használják, a helyett, hogy ezekkel a jól kipróbált és a szakembernek annyira megszokott kifejezésekkel szakí-
tanánk. A chemikus atómja pontosan ugyanaz maradt, a mi volt, minek tehát a nevét megváltoztatnunk? Miért neveznők molekulának, hiszen nem tudnók megkülönböztetni a chemia molekulájától, melynek szintén megvan a maga jól értelmezett, a chemiai atómtól különböző jelentése?
A mesterszavak e megválasztásának talán nincs is nagy, vagy tartós jelentősége, de annyira elvonta a figyelmet a kísérleti igazságoktól és a rádióaktivitás fiatalabb munkásai körében annyi vitára adott alkalmat, hogy czélszerűnek tartottam kissé ezzel is foglalkozni. Nagy szerencsétlenség volt azonkívül a rádióaktivitás új és viruló tudományára nézve, hogy úgy tüntették föl, mintha nem tudna megállani a maga lábán, csak néhány az anyag mibenlétére vonatkozó, túlságosan képzeleti és nagyralátó elmélet társaságában, vagy ilyennek védőszárnyai alatt. Nyíltan azzal vádolták a rádióaktivitás munkásait, hogy a legvadabb és leghajmeresztőbb föltevések közé kalandoznak el, még mielőtt magukról a jelenségekről valami biztosat is tudnának. Ezeknek a kritikusoknak abban, sajnos, igazuk lehetett, hogy a szóbanforgó elméletek közül némelyiknek semmi köze sem volt a rádióaktivitás jelenségeihez, melyeket állítólag támogattak; viszont a rádióaktivitás tüneményeit magukon a fölfedezőkön kívül nem igen ismerték szélesebb körökben.
SMITHELLS tanár, a ki az új tudománynak egyáltalában nem ellensége, még csak rosszakaratú kritikusa sem, Leicesterben 1907-ben, a British Association chemiai osztályát megnyitó elnöki beszédében a következőket mondotta:
"Nem kellemes érzés tudni azt, hogy a chemikusra nézve nagyfontosságú következtetéseket vontak le az anyagnak oly csekély mennyiségein végzett kísérletekből, a melyek kicsinységük miatt szinte teljesen észrevehetetlenek. A színképelemzés a mérleg birodalma fölé emelte a chemiát, de azokat az új anyagokat, a melyeket kimutatott, legalább kézzelfogható mennyiségben lehetett összegyüjteni. A rádióaktivitás, a súlyos tömegek chemiájával szemben szinte a kísérletek chemiáját alkotta meg és a kísérleti anyagnak folytonos kisebbítése, karöltve ijesztő matematikai elmélkedések tömkelegével a melyek az anyag természetére, vagy inkább természetellenességére vonatkoznak alkalmas arra, hogy teljesen megzavarja a józan és földön járó természetbúvárt, a ki eddig
az anyagnak aránylag nagy tömegeihez és néhány egyszerű mechánikai képhez volt hozzászokva."
Erre csak azt felelhetjük, hogy a chemikus mérlege, a mely olyan sokáig volt szívének büszkesége és tudományának diadalmas eszköze, a rádióaktivitás terén munkálkodónak körülbelül annyit ér, a mennyit a chemikusnak érne az a készülék, a melylyel lokomotivok súlyát szokták lemérni. Hiszen az az emánáczió, a melylyel kísérleteztünk, 30 mg. rádiumbromidból keletkezett néhány nap alatt, olyan mérleget pedig sohasem fognak készíteni, a mely ennek a súlyát megérezze. És mégis Önök közül a legtávolabb ülők is szabad szemmel észrevehették ezt a kis anyagot, a mint az előadóasztal hosszában szeliden ide-oda fujtam, vagy a mint a folyós levegő hőmérsékletén lecsapódva fagyott állapotban fogva tartottam.
Azt is mondták nekünk, hogy képtelenség a rádióaktivitás terén valami határozott eredményre jutni mindaddig, a míg annyi anyagot nem tudunk előállítani, a mennyi rendes chemiai vizsgálathoz elegendő. Ez a kijelentés arra a kérdésre késztet bennünket, hogy talán a kritikus urak a saját módszereiknek csak a szubjektiv használati módjával vannak tisztában, de kívánságuk objektiv lehetőségét megbírálni képtelenek? Azoknak a módszereknek, a melyekkel könnyű szerrel kimutathatjuk és pontosan lemérhetjük a rádiumemánáczió egy milligrammjának billiomodrészét, olyan tudományos az alapvetésük, hogy a chemia bármely módszerével bármily testre és bármely mennyiségre vonatkozólag, kiállja az összehasonlítást. Nem szeretném, ha félreértenének. A rádióaktivitás kifejtésében a chemikusoknak ugyanakkora részük van, mint a fizikusoknak, de hazánkban a hivatásos chemiában annyira lábrakapott az olyanféle kritika, a mely mindent ócsárol, a mit meg nem ért, hogy egy szerény óvást szükségesnek tartottam. Ilyenféle kritikát nem tűrhetünk. Ilyenektől származik aztán az a furcsa vád is, hogy a rádióaktivitást csak a fizikusok találták ki a chemikusok bosszantására.
Nekem az a czélom, hogy tőlem telhefő pontossággal, általános vonásokban képet nyujtsak Önöknek a rádióaktív folyamatokról, nem pedig, hogy részletesen beszámoljak azokról a kutatásokról, a melyek a kép megalkotásának alapját szolgáltatták. Értsük meg jól, milyen vonatkozásban vannak a fölfedezett jelenségek,
a rólok alkotott gondolatbeli képekkel. Lehet, hogy ezek a képek nem is helyesek, de elég az, hogy mindeddig nem bizonyultak hamisaknak. Képeinket, igen sok esetben, a nélkül, hogy tévedéstől kellene tartanunk, alkalmazhatjuk arra, a mi történik, akkor aztán bizonyos következtetésekhez jutunk és ezek a következtetések az összes ismeretes esetekben megegyeznek a bekövetkező tüneményekkel. Ilyen általános képek, vagy föltevések nélkül senki sem tájékozódhatnék, egyetlenegy tudomány legkisebb fejezetében sem. Azért egy pillanatig se tartsuk e föltevéseket abszolut igazaknak, ha a belőlük vont következtetések a jelenségekkel meg is egyeznek és még ha arra is fölhasználhatók, hogy tüneményeket jósoljunk meg velük, a melyek még ismeretlenek és így emlékezőtehetségünket kíméljük. Csak addig használhatá a föltevés, a míg minden ismert tünemény úgy történik, mintha a föltevés igaz volna, de egészen bizonyos, hogy eljő az idő, midőn ezt a föltevést mélyebb fölfogással fogjuk helyettesíteni, a mely az abszolut igazsághoz megint közelebb lesz.
A rádióaktivitás atómjelenség és a rádióelemek lassú változást szenvednek. Hogy mit értsünk itt "lassú" alatt, arra nézve tárgyunk régebbi történetében két fölfogással ismerkedtünk meg. A lassú változás vagy úgy értendő, hogy a rádióaktív elemnek minden atómja folytonosan, minden hirtelen vagy ugrásszerű változás nélkül változik, fokozatosan fejti ki belső energiáját és fokozatosan megy át valamely új anyagfajtába. Vagy pedig a változás az anyag tömegére csak mint egészre nézve lassú és fokozatos, de gyors és kitörésszerű minden egyes atómra nézve, mihelyt a bomlásban reá kerül a sor. Az első fölfogás nem tudott egy pillanatig sem helyt állani, hanem a második bizonyult egyedül lehetségesnek, mert csak ez van összhangban mindazzal, a mit az atómbomlásról, vagy az α-részek kilövelléséről tudunk. A rádióaktív változások lépcsőzetesen folynak le, lépésről-lépésre nyilvánulnak az anyagon és minden következő lépés megtételéig egy határozott középidőnek kell elmulnia. De egy-egy fölbomló atómra nézve a változás hirtelen történik meg, olyanféleképpen, mint valami robbanás, vagy kitörés, óriási sebességgel kiröpül belőle egy α-részecske és ezzel már a régi atómból új elem atómja lett, melynek az atómsúlya a régiénél négy egységgel kevesebb. Egyetlen rádiumatómocskát tekintve például, nem látunk fokozatos
fölbomlást emanáczióra és héliumra; a rádium egész tömegében azonban már ilyen fokozatos a fölbomlás, a mennyiben minden időegységben az egész tömegnek egy kicsiny, de meghatározott hányadrésze szenved atómbomlást.
Ez e szerint az atómbomlásnak elég élénk szellemi képe, a melyet a rádióaktivitásra vonatkozó részletes kutatások alapján alkothatunk magunknak. Ha bármely rádióaktív elemet, mondjuk a rádiumot, valamely pillanatban megfigyelhetnénk, azt látnók, hogy megszámlálhatatlan atómjai közül a melyeknek némelyike talán több száz vagy ezer évig el fog élni – abban a pillanatban csak egy igen kicsiny hányadrész változik át emánáczióvá, α-részecskéket röpítve ki magából. A következő pillanatban az atómok más csoportjára kerül a bomlás sora. Így folyik ez aztán tovább; az α-részecskék olyan számban röpülnek, mintha folytonos rajt alkotnának és az egésznek mégis olyan kis része alakul át, hogy a rádium esetleg száz év mulva is változatlannak fog látszani. Ha most az emánáczió atómjait figyeljük meg, azt látjuk, hogy átlag sokkal kevesebb ideig maradnak változatlanok, mint a rádiumatómok. Nagyobb hányadrészük bomlik föl másodperczenként α-részecskékre és egy új testre, melyről ma még nem szólunk részletesen.
Most már szükséges, hogy a rádióaktív változás mibenlétét es törvényeit, ha röviden is, de pontosabban megfogalmazzuk. E törvényeknek levezetése a matematikus föladata. Mi megelégszünk a munkájukból leszűrődött végeredményekkel. Először e törvények közül a legfontosabbat fogjuk szavakba önteni, kihámozva a matematikai formulákból: annak a valószínűsége, hogy valamely atóm valamely másodperczben fölbomlik, állandó szám, nem függ semmiféle belső vagy külső körülménytől, különösen pedig nem növekszik az által, hogy a szóban forgó atóm már hosszabb idő óta él. E szerint a rádióaktív változásokban, a menynyire mi ismerjük őket, a mult eseményeinek semmi hatásuk sincs a jövőben történendőkre. Ez viszont egy általános matematikai törvényből következik, melyet az atómbomlásnak eddig ismert összes esetei követnek. Szerencsére a törvény maga igen egyszerű. Határozott esetekre való alkalmazása ugyan gyakran bonyolult, de én csak a legegyszerűbb és legáltalánosabb érvényű, fontos következtetésekre szorítkozom. A chemikusnak sok mindenféle változással van dolga, melyek mind más-más törvényt
követnek. Néhol az összváltozás sebessége az átalakuló anyag mennyiségével, másutt ismét e sebesség valamely hatványával arányos. A rádióaktív változásokban az átváltozás sebessége egyszerűen egyenesen arányos az átváltozó anyag mennyiségével. Ez nagyon egyszerűnek látszik, de rögtön figyelmeztetnem kell a kevésbbé beavatottakat, meg ne feledkezzenek arról a fontos körülményről, hogy a bomlás folyamán az átváltozó anyag mennyisége is folytonosan változik, úgy hogy a változás sebessége, a mely ezzel a folyton változó mennyiséggel arányos, maga sem lehet állandó szám. * Itt aztán közönséges számtannal, vagy algebrával nem megyünk sokra. A folytonosan változó mennyiségek matematikájának legalább egy kis része szükséges a rádióaktív változások e törvényének levezetéséhez. Minthogy azonban én minden matematikai fejtegetést el akarok kerülni, egyszerűen levezetés nélkül fogok mindent közölni.
A változás sebessége – a mint mondottuk – az atómbomlás minden esetében a változást szenvedő anyag mennyiségével arányos. Azt a számot, a mely megmondja, hogy az összes agyagnak hányadrésze alakul át egy másodpercz alatt, "rádióaktív állandó"-nak szokás nevezni és λ-val jelölni. A λ kisebb vagy nagyobb törtszámot jelent, aszerint a mint a különböző esetekben a bomlás folyamata lassúbb vagy gyorsabb. Fontos az, hogy a λ valódi, jellemző állandó minden esetben, a mely tehát az anyag multjától, jövőjétől és minden más körülménytől is független szám. Például rádiumemánáczióra nézve ennek a λ rádióaktív állandónak az értéke 1/500000; ez azt jelenti, hogy a létező emánáczió egész tömegének 1/500000 része változik át minden másodperczben. A legközelebbi lépés, matematikai fejtegetés mellőzésével az, hogy valamely rádióaktív atóm átlagos élettartama, ** vagyis a másodperczek száma, a mennyit valamely atóm átlag él, míg reá nem
* Az olyan lassú változás esetében, a milyen a rádiumé, midőn a rádium mennyisége egy emberélet alatt sem változik észrevehetőleg az átalakulás által, el lehet hanyagolni az átalakulás sebességének az idővel való megváltozását és állandónak lehet tekinteni, hiszen kis időközre nézve nagyjából az is.
** Tudtommal az átlagos élettartamot először INGLIS J. K. H. határozta meg, a kinek én vetettem föl a kérdést.kerül a fölbomlás sora, egyszerűen a rádióaktív állandónak fordított értéke, azaz 1/λ. Igy tehát a rádiumemánáczió átlagos élettartama 500000 másodpercz, azaz 53 nap.
Minthogy a rádióaktív változás minden pillanatban olyan sebességgel megyen végbe, a mely az anyagnak csak attól a mennyiségétől függ, a mely abban a pillanatban még változatlan és minthogy mi nem az abszolut mennyiséget fejezzük ki, hanem csak azt, hogy mekkora törtrésze az egész anyagnak alakul át, kell, hogy a λ-nak ugyanaz legyen az értéke a folyamat elején, mint a végén. Ebből meg az következik, hogy az a megmaradt atómok átlagos élettartama, nem fog – mint az ember első pillanatra hihetné – az idővel kisebbedni. Azoknak az atómoknak, a melyek először bomlanak föl, kisebb volt az életkoruk, azoknak pedig, a melyek a legvégén fognak fölbomlani, nagyobb az élettartamuk, mint az átlagos élettartam. Ha azonban bármely pillanatban az összes még változatlan atómokat tekintetbe veszszük, az átlagos élettartam mindig ugyanaz, 1/λ.
Az emberiség átlagos élettartama már egészen más, sokkal bonyolódottabb törvényeknek hódol. Ennek minden egyes életkorra vonatkozó értékét meghatározni a biztosító társaságok érdeke. De általában ismeretes például az, hogy ez az érték a születés után, a gyermekbetegségek miatt kisebb, mint néhány évvel később, aztán lassan elér egy legnagyobb értéket, majd az életkorral mindig kisebb és kisebb lesz. A rádióaktív atómnak "a várható élettartama" független a már elért kortól, tehát a legegyszerűbb törvényt követi. Ebből a törvényből majd néhány szép következtetést fogunk levonni.
Ezzel megadtuk a feleletet arra az általános kérdésre, hogyan változik valamely elem? Önök talán azt is tudni szeretnék, miért változik éppen így? Ezt már nem tudom megmondani Önöknek. Érzem, hogy itt nagyon óvatosnak kell lennem, mert már egyszer nagyon kikaptam egyik kritikusomtól azért, mert azt mertem írni egyik könyvemben, hogy az atómbomlás közvetetlen oka, "úgy látszik a véletlen, azaz valamely atómnak egyik pillanatban való irányítása, viselkedése nem módosítja ugyanannak az atómnak a visel-
kedését a következő pillanatban." Ha a halál angyalának minden másodperczben előre meghatározott számú embert kellene az élők közül elragadnia, tekintet nélkül öreg vagy fiatal voltukra, ha semmi mást nem venne tekintetbe, csak az áldozatok számát és innen is, onnan is venne egyet-egyet teljesen találomra, hogy csak a szükséges szám beteljék, akkor a mi valószínű életkorunk ugyanolyanféle volna mint a rádióaktív atómoké. Ezt akartam ama megjegyzésemmel mondani, hogy az atómbomlás sorrendje úgy látszik csak a "véletlen" játéka.
Azt is szeretnők természetesen tudni, hogy miért követi a változás éppen ezt a különösen egyszerű törvényt. Erre a kérdésre mindeddig semmi fölvilágosítást nem adhatunk. Hiszen mindig van "a végső oknak is oka." Az atómbomlás mindenesetre egyik végső oka a rádióaktivitásnak. Semmivel sem gyöngíti ezt a fölfogásunkat az, hogy az atómbomlás további okát nem tudjuk. Sok lehetséges megoldásról esett már szó erre nézve, közülök legtöbb, nem hogy a »miért"-ről adna fölvilágosítást, még a »miként"-re sem felel kielégítő módon. Elég az hozzá, hogy a rádióaktív változások törvénye világosan kimondja, hogy az atóm multja nem nagyobbítja a jövőben való fölbomlásának valószínűségét. Ez elég mélyenjáró eredmény, ha a végső föladatot nem is oldja meg.
A rádióaktív változás törvényét úgy is kifejezhetjük, hogy míg az idő számtani sor szerint nő, addig a föl nem bomlott anyag mennyisége mértani sor szerint fogy. Tegyük föl ugyanis, hogy τ számú másodpercz alatt az egész tömegnek a fele átváltozott és a másik fele változatlan maradt. Akkor a következő τ másodperczben, tehát 2τ számú másodpercz végével a maradéknak a fele, azaz az egésznek a negyede változott át és a negyede maradt meg változatlanul. Szóval 2τ idő elmultával az egésznek 1/22 része marad meg, nτ másodpercz alatt pedig, a hol n egész vagy törtszám lehet, a változatlanul maradt anyag az eredetinek 1/2n része lesz. Fölemlítem még, micsoda összefüggés van ama τ idő között, a mely az egész anyag felének átváltozásához szükséges és a fölemlített 1/λ átlagos élettartam között. Kettőjök között
meghatározott arány van, a mennyiben az utóbbi mindig 1.45-szor nagyobb az előbbinél. Az átlagos élettartammal, ugyanis az 1/λ-vel egyenlő idő végén megmaradó anyag mennyisége pedig O.368 része az eredeti mennyiségnek. (*)
Ezek az eredmények különben nem igen érdekelnének bennünket, ha segítségükkel nem lehetne kiszámítani néhány rádióaktív elem átlagos élettartamát, nemcsak az emánáczióét, a mely olyan gyorsan változik, hogy változását magunk megfigyelhetjük néhány hét alatt, hanem olyan rádióelemét is, a melynek több ezer millió évre van szüksége, hogy teljesen bevégezze átalakulását. A rádióaktív elem átlagos élettartama, mint valódi természeti állandó, ennek az elemnek egyik legfontosabb jellemzője. Az, hogy a magunk élettartama korlátolt, nagy hatással van a rádióelemek életkoráról alkotott nézetünkre. Ha például valamely anyag átlagos élettartama néhány nap, mint az emánáczióé, akkor a testet rövid életű átmeneti alaknak tekintjük. Ha viszont néhány ezer év az élettartama, akkor már önálló, eredeti, nagyon hosszúéletű elemnek vagyunk hajlandók tekinteni. A különbség tehát nem valami nagyon éles. Czélszerűség okából azonban mégis tanácsos két csoportba osztani a rádióelemeket, az egyikbe azokat sorozni, a melyeknek átlagos élettartama, a miénkhez képest rövid, a másikba pedig azokat, a melyeké a miénkhez képest hosszú. Mert az a módszer, a melylyel e jellemző és végtelenül fontos állandójukat meghatározzuk, a két csoportnál teljesen különböző lesz. Az első csoportnál czélhoz vezet a közvetetlen megfigyelés. Ha például meghatározzuk, hogyan kisebbedik a rádiumemánáczió mennyisége és azt találjuk, hogy idővel geometriai sor szerint fogy eredeti tömegének felére 3.7 nap alatt, akkor, minthogy az átlagos élettartam ennél 1.45-szor nagyobb: 5.3 nap lesz a keresett állandó. Ha azonban olyan testtel van dolgunk, a melynek évenként csak ezred- vagy ezermilliomodrésze változik, a közvetetlen megfigyeléssel nem sokra megyünk. Vajjon milyen módszert használjunk itt?
Lássuk először az uránium és a rádium esetét. Azt meg lehet határozni, hogy a rádium hányszor rádióaktivabb, mint az uránium. Meg tudjuk ugyanis állapítani meglehetős biztossággal az egyenlő mennyiségű uránium és rádium által ugyanazon idő alatt szol-
* 1.45 ≈ 1/ln(2), 0.369 ≈ 1/e [NF]
gáltatott α-részecskék számának egymáshoz való viszonyát. Az arány 1:1000000, ha a rádiumnak csak az első változását veszszűk tekintetbe. Minthogy eléggé megokolt az a föltevésünk, hogy minden atóm csak egy α-részecskét lövellt ki bomlása közben, az következik belőle, hogy az uránium egymilliószor lassabban bomlik mint a rádium, tehát az uránium átlagos élettartama egymilliószor nagyobb, mint a rádiumé. Ha az utóbbi ismeretes, akkor az urániumét is megbecsülhetjük, bár itt néhány ezermillió évről van szó.
Már most van egy igen szép, általános tétel, a melyről már röviden említést tettem és a melyet egy hasonlat alapján majd részletesen is ki fogok fejteni és ennek a tételnek segélyével a második csoportba tartozó, tehát hosszúéletű, rádióelemek átlagos élettartama is a megmérhető mennyiségek sorába hozható. Ha az egymás után következő atómbomlások egy sorozatában valamely tagnak ismerjük az átlagos élettartamát, akkor a többi tagé is kiszámítható, föltéve, hogy bizonyos adatokat ismerünk, a melyeket nem éppen lehetetlen meghatározni. A föladat megértését nagyon elő fogja segíteni, ha az alapgondolatot a rádium és emánácziójának esetében világítom meg. Azt már említettem, hogy az emánáczió gyors változása miatt nem halmozódhatik föl tetszés szerinti mennyiségben, hanem bizonyos idő mulva olyan állapot keletkezik, mikor az eltünő emánáczió tömege pontosan ugyanakkora lesz, mint a mekkora a rádiumból keletkező új emánáczióé.
Ezt az állapotot rádióaktív egyensúly-nak neveztük el. Hogy ilyen állapot létezik, annak fontosságát nem is lehet eléggé megbecsülnünk. Látni fogjuk, hogy sok olyan föladat, a melyet rövid életünk miatt megoldhatatlannak hittünk, mivel olyan rengeteg hosszú időkre vonatkoznak, hogy hozzájuk képest a mi életünk csak egy pillanat: közvetetlenül megoldást nyert a rádióaktív egyensúlyról szóló tapasztalati törvény alkalmazása útján. Lássuk e nagy általánosságú törvény következményeit legalább alapvonásaikban.
A rádióaktív változás törvénye szerint, ha λ1 a rádium rádióaktív állandója, vagyis az egész változásnak egy másodperczre eső része és N a szóban forgó rádium összes atómjainak a száma, akkor azoknak a rádiumatómoknak száma, a melyek másodperczenként átalakulnak és így egyszersmind a másodperczenként
keletkező emánáczióatómok száma is λ1N. De mihelyt a rádióaktív egyensúly beállott, ennek egyenlőnek kell lenni az eltünő emánáczióatómok számával. Ha az emánáczió rádióaktív állandója λ2 és az egyensúly beálltakor az összes emánáczióatómok száma x, akkor az egy másodpercz alatt tovább átváltozó emánáczióatómok száma λ2x. Felírhatjuk tehát:
λ2x = λ1N vagy
x
N
=
λ1
λ2
. A rádióaktivitás e legfontosabb törvénye azt fejezi ki, hogy egymásután következő két változásban, a melyek közül az egyik gyorsabb a másiknál, a gyorsabban változó elem tömege csak addig szaporodik, a míg az ő és az anyaelem tömege fordítottan arányos nem lesz a megfelelő rádióaktív állandókkal, vagy egyenesen arányos a megfelelő átlagos élettartamokkal. A két összehasonlított változásnak a mellett nem is kell közvetetlenül egymásután lefolyni.
λ2-t közvetetlen megfigyelésből ismerjük; ha még az x/N-et, az emánáczió és rádiumatómok hányadosát meghatározhatjuk, akkor kiszámíthatjuk λ1-et is és vele együtt a rádium átlagos élettartamát is, 1/λ1-et. És éppen erre van szükségünk, a rádium átlagos élettartamára, vagy arra a sebességre, a melylyel a rádium változik; ebből aztán sok fontos következmény vonható le. A rádiumra nézve, a mely igen lassan változik, a másodpercz nagyon kicsiny egység, kényelmesebb lesz az évet használnunk. Az tehát a kérdés, mennyi rádium változik meg átlag egy év alatt. Az x/N, vagyis az emánáczió és a rádium atómjainak hányadosa, az egyensúly beálltával, a rendes fizikai és chemiai módszerekkel megállapítható, ha adott mennyiségű rádiumból származó emánáczió térfogatát az egyensúly beállta után meg tudjuk határozni. A mint már említettem (68. l.), ezt a térfogatot RAMSAY és én határoztuk meg először 1904-ben. Az emánáczió térfogata ugyan nagyon kicsiny volt, de még sikerült a lemérése. Eredményeinkből az következik, hogy a rádiumnak 1/1150-része változik át évenként, úgy hogy e szerint a rádiumatóm átlagos élettartama 1150 év
volna. Tekintve a térfogatnak roppant kicsiny voltát, módszerünk nem adhatott teljesen pontos eredményt, mert ha csak nyoma is maradt az emánáczióban valamely gáznak, akkor már túlságos nagy térfogatot, tehát túlságos kicsiny átlagos élettartamot kellett kapnunk. Idővel más, ha nem is közvetetlen, de pontosabb módszereket használtak. RUTHERFORD legújabban összevetve a kérdésre vonatkozó igen sok adatot, melyet részint maga, részint mások munkálataiból gyüjtött, arra az eredményre jutott, hogy a rádium átlagos élettartama nem igen lehet eltérő a 2550 évtől; vegyük tehát ezt alapul, mint legvalószínűbbet. Lehet, hogy ez a szám újabb adatok alapján valamelyest változni fog, de nem valószínű, hogy valami nagy hiba legyen benne. Csekély hiba megengedésével kerek számban 2500 évnek vehetjük a rádium átlagos élettartamát. (*)
Ennek az állandónak ismerete alapján már most megmondhatjuk azt is, hogy adott tömegű rádium mennyi energiát szolgáltat az alatt, míg teljesen átalakul, tehát néhány ezer év alatt. Láttuk, hogy 60 mgr. tiszta rádium óránként mintegy 6 grammkalória hőt szolgáltat. (**) Egy évben 8760 óra van, úgy hogy 60 mgr. rádium egy év alatt körülbelül 50000 grammkalória hőt ad. Egy év alatt csak 1/2500 része változik át a rádiumnak, tehát teljes átalakulása alatt nem kevesebb, mint 125000000 grammkalóriát termel. A rádium átváltozása által keletkező energia átlag körülbelül milliószor nagyobb, mint bármely vele egyenlő tömegű anyagnak akármilyen, a rádióaktivitás fölfedezése előtt ismeretes változása által létrehozott energia. 60 mgr. szén például csak körülbelül 500 grammkalóriát ad teljes elégése alatt. Nem csoda tehát, hogy a csillagos égen folyó energiapazarlás megoldhatatlan rejtély volt az előtt a fizikus előtt, a ki nem ismert magasabbrendű energiakifejtést, mint a szénét. (***)
(*) A mai adatokat lásd a 122. oldalhoz csatolt ábrán, ahol azonban nem az átlagos élettartamok, hanem a felezési idők találhatók. [NF]
(**) 1 grammkalória az a hő, amely 1 gramm víz hőmérsékletét 0-ról 1 Celsius-fokra emeli. [NF]
(***) Lord Kelvinről, illetve kortársairól lehet szó, akik ezen az alapon a Napot százezer évnél fiatalabbnak mondták. [NF]