Det aktive atomet

Citation preview

ALFRED ROMER

Det aktive atomet AJL

MM AV

FRA røntgen

CAPPELENS REALBØKER

Det aktive atomet

CAPPELENS REALBØKER

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Robert Galambos: Nerver og muskler. C. V. Boys: Fysikk med såpebobler. Donald J. Hughes: Det fantastiske neutronet. C. G. Jung: Det ubevisste. Alfred Romer: Det aktive atomet. Goran Bergman: Fuglenes liv. Donald G, Fink og David M. Lutyens: Fjernsynets fysikk. Michael W. Ovenden: Liv i universet.

Alfred Romer

Det aktive atomet *

Oversatt av Tor Bjerkmann

E Nasjonalbiblioteket •

Depotbiblioteket

OSLO 1963

J. W. CAPPELENS FORLAG

¥

Originalens ti tel: The Restless Atom. Copyright © 1960 by Educational Services Incorporated. Norsk utgave: © 1963 J. W. Cappelens Forlag A/S, Oslo. Trykt i Nationaltrykkeriet, Oslo.

Cappelens Realbøker

Den moderne naturvitenskap har forandret vårt liv, vår kultur og vårt verdensbilde. Hver dag bringer forsk­ ningen nye resultater som får få år siden bare eksisterte i fantasirike fremtidsskildringer. Men for hver dag synes også gapet mellom naturvitenskapens og legmannens viten å bh større, og det blir stadig vanskeligere å følge med i den forskning som forandrer vår verden. Det er populærvitenskapens oppgave å slå bro over dette gapet. Det er en viktig oppgave, som må løses hvis ikke vår kultur skal rakne, en oppgave som er like viktig som forskningen selv. Cappelens Realbøker er en nyskapning innenfor norsk populærvitenskapelig litteratur. Seriens hovedformål er å gi en oversikt over moderne naturvitenskap i en populær form, og utgiverne håper at bøkene vil gi støtet til fort­ satte studier hos leserne. Forfatterne av Cappelens Real­ bøker er ikke bare eksperter på sine spesielle områder, de er også valgt på grunn av sine evner til å fremstille sin viten på en fengslende måte. Dels er bøkene hentet fra den amerikanske populærvitenskapelige Science Study Series, som er anerkjent som verdens fremste serie i sitt slag, dels er det andre bøker av norske og uten­ landske forfattere av tilsvarende høy kvalitet som presen­ teres for det norske publikum i Cappelens Realbøker. 5

Den faglige kvalitet i Cappelens Realbøker garanteres av et veiledende kunsulentråd bestående av professor, dr. med. Alf. Brodal, professor Knut Fægri, direktør Gunnar Randers og professor Harald Wergeland. Etter hvert vil serien danne et moderne fagbibliotek som spenner over emner fra fysikk til psykologi, fra medisin til geologi. Det er vårt håp at serien vil være til nytte for alle dem som ønsker å holde seg orientert om den moderne naturvitenskaps fremskritt, for derigjennom bedre å kunne forstå den verden vi lever i.

Innhold

Forord. 1. Hvordan det begynte................ .......................................

11

Rontgens fotografier av menneskets ben, og grunnen til at en bok om atomfysikk ikke kan begynne med atomer. 2. Henri Becquerels gjennomtrengende stråler .................

20

Hvordan Becquerel forsøkte å lage røntgenstråler av lys, og dermed oppdaget de gjennomtrengende, merkelige strålene som kom fra uran. 3. Ekteparet Curie og deres to nye grunnstoffer..............

24

Hvordan Becquerels stråler førte Marie og Pierre Curie til polonium og radium. 4. Ernest Rutherford .............................................................

32

Hvordan hans interesse for gasser som ledet elek­ trisitet førte til oppdagelsen av to usynlige og merke­ lige stoffer som ikke kunne veies. 5. Uran X og thorium X .......................................................

45

Hvordan Sir William Crookes renset radioaktivi­ teten fra uran, og hvordan Rutherford og Soddy greide det nesten like godt med thorium. 6. Thorium X og grunnstoffomdanningen .........................

53

Hvordan voksende radioaktivitet best kunne for­ klares ved å anta at det ene grunnstoffet ble om­ dannet til et annet. 7. Stråler og omdanninger ...................................................

60

Hvordan alfapartiklene var uavhengige av betapartiklene, hva som skjedde med et atom når det ble omdannet, og hva alfapartiklene bestod av. 8. Grunnstoffomdanninger og energi .................................

72

Hvordan omdanningsteorien viste sin verdi, og hvor­ dan atomenergiens størrelse ble kjent. 7

9. Radium og helium

78

.......................

Hvordan helium ble funnet i radium, hvor den måtte være kommet ved en omdanning. 10. Varme og radiums alfabet ..............................................

81

Hvordan endog varmemålinger kunne følge radio­ aktivitetens utvikling, og hvordan seks etterkommere fra radium ble identifisert. 11. Radiums ættetavle

...........................................................

92

Hvordan det kunne eller ikke kunne bevises at radium stammet fra uran, og hvordan Boltwood opp­ daget ionium, forløperen for radium. 12. Tall, alfapartikler og helium ..........................................

97

Hvordan Rutherford telte alfapartikler, og hvordan han beviste og demonstrerte at de var heliumatomer. 13. Spredning av alfapartikler ................... '.......................... 111

Hvordan avdreining hos en alfapartikkel som pas­ serte gjennom et atom kunne fortelle noe om hvor­ dan atomet egentlig så ut. 14. Litt radiokjemi

.................................................................

122

Hvordan et radioaktivt grunnstoff etterlignet et annet med hensyn til kjemisk oppførsel. 15. De radioaktive grunnstoffene finner veien hjem

.... 131

Hvordan Fajans og Soddy utarbeidet regler for et radioaktivt grunnstoffs vandringer i det periodiske system. 16. Atomet får kjerne ............................................................. 139

Hvordan Niels Bohr forbedret Rutherfords atom så det passet bedre til radioaktivitetens fakta. 17. Etterskrift om bly ............................................................. 145

Hvordan bly med merkelige atomvekter ble funnet i forskjellige radioaktive mineraler. 18. Sluttord

..............................................................................

149

De kjemiske grunnstoffene ..................................................... 151 Register ..................................................................................... 156 8

Forord

Alt det vi vet om fysikk, har vi lært av eksperimenter uendelig mange eksperimenter. Bak hvert fragment av kunnskap kan det ligge dusinvis av dem. Og de forsøk vi har lært mest av, er de som gikk galt. Ikke alltid var det særlig gode forsøk, ikke alltid var det klart for for­ skeren hva han hadde til hensikt da han satte i gang, eller hva han egentlig gjorde mens han holdt på. Det vesentlige er at forsøket resulterte i noe han ikke kunne forklare, ga ham en gåte. Han ble nødt til å tenke gjennom problemet, prøve nye forsøk, og tenke igjen, for å finne ut hva som egentlig hadde foregått. Etter hvert som det hele klarnet for ham, begynte han å forstå hva han burde forsøke å oppnå, og hvordan han skulle greie det. Hvis alt gikk bra, kunne han slutte med et perfekt arbeid. Det siste forsøket hans ville være omhyggelig planlagt, beundringsverdig utført, krystallklart i opplegget; det ville gi nøyaktig de resultater han hadde forutsagt. Et mesterverk ville det være, og det ville gi ham visshet for hva han allerede ante: at hans begreper var riktige, og at han forsto problemet. Denne boka handler om eksperimenter som har gitt oss en del av våre kunnskaper om atomene og hvordan de oppfører seg. Den beskriver alle typer forsøk - forsøk som forvirrer og forsøk som kaster lys over problemet, lette og vanskelige, store og små forsøk, og noen få virkelige mesterverk. Innimellom forsøkene vil leseren finne argumentene for forskjellige tolkninger, tanke­ gangen som binder dem sammen, og de begreper som måtte skapes for å gi mening til det som så uforståelig ut. 9

Dette er en bok om hvordan en del av fysikken utviklet seg. Det er alltid en vanskelighet ved å fortelle en historie fra virkeligheten, og den ligner problemet med å lage det perfekte kart. Det var en gang et Ute land som planla et slikt perfekt kart, som skulle vise alt akkurat slik som det var, i målestokk 1:1. Men da kartet var laget, fant de til sin sorg ingen steder hvor de kunne folde det ut og beundre det. Som kartet forsøker en beretning å bringe sammen beskrivelser av store ting på liten plass. Som kartet må beretningen utelate noen detaljer for å gjøre sammen­ hengen klarere. Slik har det gått med denne boka også. Det har ikke vært mulig å beskrive hvert eneste forsøk eller nevne alle som har brakt utviklingen fremover, heller ikke har det vært plass til å fortelle om dem som hindret utviklingen, om alle de mislykkede forsøkene. Men med denne begrensningen er beretningen så sann som det gikk an å gjøre den. Den er satt sammen av den moderne fysikks råmateriale, forskernes egne rapporter. Forfatteren er meget takknemlig for at det finnes bibliotek der alle disse rapporter er ordnet, klare til bruk for alle som ønsker å bruke dem. Jeg skylder også mine mange hjelpere takk, særlig tre stykker; professor John F. Smith ved St. Lawrence University, som beredvillig lot meg prøve mine idéer i klasserommet; dr. Donald C. Peckham, som alltid har oppmuntret meg; og aller mest min kone, som har hørt på meg når jeg ville diskutere, skrevet for meg når jeg hadde et manuskript ferdig, og alltid satt meg i stand til å fortsette arbeidet.

Alfred Romer

1

Hvordan det begynte

I begynnelsen av året 1896 leste folk over hele verden i sine aviser en liten historie fra Wien. En tysk professor ved navn Routgen hadde oppdaget en måte å fotografere skjulte ting på, helt inn til skjelettet i en levende menneske­ hånd. Det var en forbløffende historie, særlig fordi den tilfeldigvis var sann. I løpet av noen ganske få uker be­ gynte laboratorier over hele verden å fremstille bilder av ben; ben i hender og ben i føtter, ben i armer og legger, kort sagt av alle de ben som fantes i det menneskelige legeme. Kirurgene oppdaget fort betydningen av denne merkelige fotograferingen, og professor Wilhelm Conrad Rontgen fra universitetet i Wiirzburg - hans navn var i mellomtiden blitt rettet - ble en av tidens mest berømte menn. Vi skal i denne boka behandle atomfysikken, eller i det minste en del av den. Vi skal beskjeftige oss med atomer som forandrer sin innerste natur, og som oppfyller den gamle alkymistiske drøm ved å omdannes fra å være atomer i et grunnstoff til å bli atomer i et annet. Det ser kanskje merkelig ut at vi da begynner med et kapitel av medisinens historie, men det har sine gode grunner. Ingen kan drive vitenskapelig forskning over et emne man ikke tror eksisterer. 1 1896 var det ikke mange fysikere som trodde på atomenes eksistens, og slett ingen som trodde på muligheten av omdanning fra det ene grunn­ stoff til det andre. Slike transmutasjoner hadde sett 11

rimelige ut i tidligere tider, da man mente at bare en liten fargeendring kunne forvandle et grått metall som bly til skinnende gull. Verden var full av slike merkelige forandringer. Bly kan glødes til et gulrødt pulver, blyglette; gull kan oppløses i den riktige syreblandingen. Men blyglette kan bare gi bly tilbake, og syreblandingen bare gull. På et eller annet vis var det alltid noe som manglet i alkymistenes «omdanninger», og etter hvert måtte drømmen om å forandre grunnstoffer på denne måten legges vekk. De nye vitenskapsmennene (som helst kalte seg kjemik­ ere) så i stedet på gull og bly og jern og svovel som ufor­ anderlige elementer, grunnstoffer som alle verdens stoffer var sammensatt av. Og etterhvert som kjenn­ skapet til grunnstoffene økte, ble den gamle forestillingen om atomer tatt i bruk igjen. Den viste seg å være så nyttig, at kjemikeren i 1896 kunne holde lange forelesninger om atomene og deres oppførsel. Han ville da si at hvert grunnstoff bare hadde ett slags atomer. Disse atomene kunne gå sammen i spesielle mønstre slik at det oppstod molekyler av mer kompli­ serte stoffer. For eksempel var et vannmolekyl satt sammen av to hydrogenatomer og ett oksygenatom; tre oksygenatomer og to jernatomer gikk sammen til ett jernrust-molekyl, og et molekyl sukker bestod av 12 karbonatomer1, 22 hydrogenatomer og 11 oksygenatomer. Det som atskilte atomer i et grunnstoff fra atomer i et annet, var deres kjemiske egenskaper, det vil si den måte de gikk sammen med andre grunnstoffers atomer på, og de stoffer som ble dannet av slike sammensetninger. Dessuten hadde atomene i hvert grunnstoff sin spesielle vekt, atomvekten. Det vil ikke si at man kunne veie hvert atom, dertil *) Karbon er det korrekte navnet på det grunnstoffet som før het kullstoff (kjemisk tegn C). Se forøvrig fortegnelsen over de kjemiske grunnstoffer, s. 151. 12

var de altfor små. Men ved hjelp av eksperimenter kunne man veie hvor meget av hvert enkelt grunnstoff som gikk inn i en kjemisk sammensetning. Hvis man brant hydro­ gen for å fremstille vann, ville to gram hydrogen gå sammen med 16 gram oksygen, og resultatet ville bli 18 gram vann. Når nå vannmolekylet består av to hydro­ genatomer og et oksygenatom, vil det si at oksygenatomet er 16 ganger tyngre enn hydrogenatomet. Et annet forsøk: Hvis man gjorde kobber rødglødende, ville det trenges 63,6 gram kobber for å absorbere 16 gram oksygen og danne 79,6 gram rent kobberoksyd. Eller 63,6 gram kobber og 32,1 gram svovel ville gi 95,7 gram kobbersulfid. Hundrevis av slike forsøk gjorde det mulig å utarbeide en rekke tall, som ikke anga vekten av hvert enkelt atom, men deres tyngde i forhold til hverandre. Hvis man satte atomvekten til hydrogen lik 1, ville oksygen som vi så få tallet 16, svovel 32,1 og kobber 63,6. Disse atomvektene var konstante for hvert enkelt grunnstoff. Dette var nok til å gjøre atomvektene interessante for forskerne, men dessuten spilte atomvektene en viktig rolle i en merkelig oppdagelse som ble gjort i 1869 av russeren Dmitri Mendelejev ved universitetet i Petersburg (nå Leningrad). Mendelejev utarbeidet en liste over alle grunnstoffer, ordnet etter atomvekt fra den laveste til den høyeste, og etter hvert som han satte dem i riktig rekkefølge, fant han at grunnstoffer med like kjemiske egenskaper kom igjen med jevne mellomrom. Han satte hydrogen i en klasse for seg først på listen, og begynte så med litium, et metall hvis oksyd oppløst i vann dannet en sterk base. Sju trinn lenger ned på lista kom natrium, et annet basedannende (alkalisk) metall, og ytterligere sju trinn etter kom kalium, et tredje alkalisk metall. Det grunnstoffet som fulgte etter litium, var beryllium; etter natrium fulgte magnesium og etter kalium kalsium, og disse tre hadde også svært Uke egenskaper, kjemisk 13

14

sett. Mendelejev førte nå de første sju grunnstoffene inn på en vannrett rad, en periode, de neste sju på en ny rad under denne o.s.v., og fikk på den måten ordnet de grunnstoffene som var kjemisk like i loddrette grupper under hverandre. For eksempel kom litium, natrium og kalium i den første gruppen; beryllium, magnesium og kalsium i den andre. De tyngre grunnstoffene skapte imidlertid vanskeligheter, og han ble nødt til å sette inn rekker med ti grunnstoffer i stedet for sju, men fortsatt fikk han grupper med grunnstoffer som tydeligvis hørte sammen (fig. 1). Strengt tatt var ikke Mendelejevs tabell helt korrekt. Her og der ble han nødt til å gjøre vold på systemet. Etter kalsium fulgte på listen hans titan som det neste grunnstoff. Men titan hører kjemisk sett sammen med karbon og silisium, og for å få det på rett plass oppfant han et nytt grunnstoff som han kalte «eka-bor» og som han plasserte under bor og aluminium. I rekken under hadde han samme problemet. Han hadde plasert sink under beryllium, magnesium og kalsium, og kom så til arsen, som ganske opplagt hørte sammen med nitrogen, fosfor og vanadium. To nye oppkonstruerte grunn­ stoffer, «eka-aluminium» og «eka-silisium», måtte til for å fylle det mellomrommet som oppstod. Fig. 1. Det periodiske system. Den store russiske kjemikeren Dmitri Ivanovitsj Mendelejev (1834-1907) oppdaget i 1869 at de grunn­ stoffer som da var kjent kunne arrangeres i rekkefølge etter deres atomvekter slik at de dannet et periodisk system som uventet avslørte en symmetri i stoffenes kjemiske egenskaper. Figuren viser dette periodiske system slik det så ut i 1898. De tomme plassene i systemet førte til den hypotese at de ukjente grunnstoffene med egenskaper som svarte til plasseringen måtte finnes, og jakten etter disse grunnstoffene spilte en betydelig rolle for oppdagelsen av radioaktiviteten. I dette systemet er grunnstoffenes navn erstattet med de vanlige kjemiske tegn. Bak i boka (side 151) finnes en for­ tegnelse over de grunnstoffene vi nå kjenner, deres symboler, oppdagelsesår, og navnenes opprinnelse. 15

Dette var dristig nok, men Mendelejev gikk lenger: han beskrev disse nye grunnstoffene, oppga den atom­ vekt de hadde og hvilke kjemiske forbindelser de ville inngå. Og etter hvert som årene gikk, dukket det ene etter det andre av disse grunnstoffene som Mendelejev hadde «laget» opp, og alle sammen stemte forbløffende godt med hans beskrivelse. Fran^ois Lecoq de Boisbaudran fant eka-aluminium i 1875 og ga det navnet gallium, Lars Fredrik Nilson oppdaget eka-bor i 1879 og kalte det scandium, og til slutt kom Clemens Winkler i 1886 over eka-silisium, som han døpte germanium. Mendelejevs tabell, hans periodiske system av grunn­ stoffer, måtte etter dette tas helt alvorlig. Kunne ikke et grunnstoff plasseres i systemet slik at atomvekten og stoffets kjemiske egenskaper stemte med de andre grunn­ stoffene i samme gruppe, da var det vanskelig å se på det som et helt respektabelt grunnstoff. Når nå kjemikerne visste så meget om atomene, hvor­ for var fysikerne stadig skeptiske? De var jo fortrolige med molekylene, og hadde ingen vanskeligheter med å forestille seg dem lenket sammen til faste stoffer, lett glidende ved siden av hverandre i væsker, eller i uavhengig flukt gjennom rommet i gasser. Slike ting kunne de tenke seg, og de kunne også gjøre forsøk som viste hvor godt forestillingene passet med molekylenes faktiske opp­ førsel. Men atomene stemte ikke med noen slike fore­ stillinger. Ingen kunne gjette hvilke krefter som bandt dem sammen til molekyler, eller hvorfor surstoff kunne danne forbindelser med jern, men ikke med gull. Det var umulig å forstå hvorfor atomenes vekt skulle ha så stor betydning, hvorfor forskjellig atomvekt svarte til for­ skjellige kjemiske egenskaper, eller hvorfor gruppene i det periodiske system samlet grunnstoffer som lignet hverandre kjemisk sett. Alt det kjemikerne visste, var likevel ikke nok for fysik­ erne. De kunne ikke på grunnlag av det danne seg et 16

bilde av atomet. Det syntes umulig å bringe dets virk­ somhet inn under de vanlige fysiske lover, og heller ikke var det lett å finne nye lover som passet for det. Man følte seg tvunget til å stenge det helt ute fra fysikken og det man stenger ute, tror man ikke meget på. Atomfysikk eksisterte altså ikke, og grunnstofftransmutasjoner var en umulighet. Hvordan kunne en slik holdning gi grunnlag for utviklingen av en hel fysikkgren om grunnstofftransmutasjoner? Vi kan bare svare at det skjedde, den vokste fram av seg selv, på grunn av rene tilfeldigheter og nysgjerrighet. Én ble oppmerksom på noe som så merkelig ut, en annen ble interessert og gjorde flere undersøkelser. Tilsynelatende uten grunn samlet uforklarlige data seg opp, og en dag ble det klart at forestillingen om grunnstoffbmdanninger kunne gi forklaringen på dem alle. Det er derfor ikke lett å fortelle denne historien. Den begynner ikke på noe spesielt sted, den vandrer om i uventede retninger og ender på de merkeligste steder, uten noensinne å komme fram til noe som ligner et bestemmelsessted. Men den som følger de merkelige krumspringene, oppdager tilslutt at man hele tiden var på rett vei. Så la oss vende tilbake til Rbntgen. Vi vet ikke hvordan han først kom på sporet av sine stråler; sannsynligvis skjedde det ved et tilfelle mens han var travelt opptatt med å undersøke noe annet. Han trengte ikke andre apparater for å lage dem enn slike som fantes i de fleste * vanlige universitetslaboratorier. Han fikk høyspent elek­ trisitet fra en gnistinduktor, og lot utladningen skje gjennom et katodestrålerør. Det var det hele. Røret var en ganske enkel glassbeholder - rund, sylindrisk eller pæreformet - som var pumpet nesten lufttom, og det var satt inn et par metallelektroder i glasset. Mellom disse elektrodene passerte den elektriske strømmen (fig. 2). Katodestrålene ble dannet ved den ene av elektrodene, 2. Atomet

17

Fig. 2. Enkelt katodestrålerør. Røret er en lufttom glassbeholder med en negativ elektrode, eller «katode», og en positiv elektrode, eller «anode», smeltet inn i glassveggen. Det spiller ikke noen vesentlig rolle hvor anoden befinner seg. Når man kobler til elektrisk strøm med høy spenning, sender katoden ut katodestråler - strømmer av elektroner - vinkelrett på katodens overflate. Der disse strålene treffer glassveggen, oppstår det fluorescerende lyset.

katoden, hvor negativt ladde partikler strømmet ut i den tynne gassen som var igjen i røret. Strålene gikk ut vinkel­ rett på katodens overflate. Hvis den andre glassveggen ikke var for langt unna, ble det stedet der katodestrålene traff glasset, opplyst av et fluorescerende skinn, grønt i rør som var laget av engelsk kalkholdig glass og blått i blyholdige tyske glass. Fluorescenslyset var ikke røntgen­ stråler, for disse er usynlige for det menneskelige øye, 18

men det var fra det fluorescerende området at røntgen­ strålene ble sendt ut. Hvordan Rdntgen enn oppdaget disse strålene, bestod hans viktige innsats i at han begynte å undersøke dem. Han fant ut hvor de oppstod, oppdaget at de gikk i rette linjer, at de skapte fluorescens i et spesielt stoff som het bariumcyanoplatinitt, og at de trengte gjennom enkelte stoffer, men ble stoppet av andre, slik at velkjente ting kastet sterke skygger. Han fant at strålene svertet en fotografisk plate (film var oppfunnet, men ikke tatt i bruk i forskning), og han begynte å fotografere skyggene. Resultatet var de merkelige nye bildene av tingenes indre. I de siste to månedene av 1895 arbeidet han på spreng, og ved juletider var han klar til å offentliggjøre sin opp­ dagelse. Det er vanlig i vitenskapen at den som først offentlig­ gjør en oppdagelse, får æren og rettighetene som følger med. Men han har ikke krav på mer enn det han offentlig­ gjør, og når det først er kommet så langt, er oppdagelsen knyttet til hans navn for bestandig, med rette eller urette. Rdntgen var nå sikker i sin sak, og han valgte den hurtigste metode han kjente for å få den trykt. Vitenskapsselskapet i Wiirzburg publiserte sine forhandlinger etter først å ha drøftet dem på sine møter. Lørdag etter juledagene henvendte Rdntgen seg til dette selskapets sekretær, fikk akseptert sin avhandling og sendte den til trykkeriet. Og alt nyttårsdagen kunne han sende sitt lille 10-siders hefte til de ledende europeiske fysikere sammen med et lite utvalg av de bildene han hadde tatt - verdens første røntgenbilder. Den avhandlingen som kom til Wien, falt også i pressens hender, og slik gikk det til at denne viktige tyske oppdagelsen ble offentliggjort fra Østerrike.

2

Henri Becquerels gjennomtrengende stråler

Vi skal imidlertid følge det som hendte med avhandlingen som kom til Paris, til den franske matematiker og fysiker Henri Poincaré. Vitenskapsselskapet i Paris, Académie des Sciences, hadde 78 av Frankrikes fremste vitenskaps­ menn som medlemmer, og utgjorde midtpunktet i den franske naturvitenskap. Hver mandag møttes man for å diskutere nye avhandlinger (som så ble publisert i løpet av to uker). Om kvelden den 20. januar 1896 hadde de lærde herrer gleden av å se de første franske røntgen­ bilder av bena i en menneskehånd, fremstilt av to fysikere ved navn Oudin og Barthélemy. Bildene vakte diskusjon, og diskusjonen reiste spørsmål, som Poincaré selvfølgelig kunne svare på. Blant de interesserte tilhørere var Henri Becquerel. Han var akademiker som sin far og farfar, og lik dem var han professor i fysikk ved det naturhistoriske museum i Paris. Han ble særlig interessert da han hørte at røntgen­ strålene ble dannet ved den fluorescerende flekken på glassveggen i katodestrålerøret. Hans far hadde under­ søkt fluorescens fremkalt av vanlig lys, og han hadde også arbeidet litt med dette problemet selv. Hvis fluorescensen fra katodestrålene frembrakte røntgenstråler, var det kanskje en mulighet for at fluorescens laget på annen måte også ga slike stråler. Rbntgens avhandling hadde alt gitt resultater. En annen vitenskapsmann hadde fått en ny idé på grunn av Rbnt20

gens arbeid. Becquerel vendte tilbake til sitt museum for å sette sin teori på prøve. En hel måned gikk uten at han fant noe resultat. Men så begynte han en ny forsøksrekke med et nytt fluorescerende stoff, noen krystaller avkaliumuranylsulfat. Dette er en komplisert forbindelse mellom kalium, uran, oksygen og svovel. Han visste fra før at disse krystallene fluorescerte når de ble bestrålt med ultrafiolett lys. For å kunne oppdage de gjennomtrengende strålene som han stadig håpet på, satte han inn en fotografisk plate, som han viklet inn i tykt svart papir for å avskjerme den fra vanlig lys. Det ultrafiolette lyset valgte han å få fra sol­ lyset, som også inneholder ultrafiolette stråler, og han stilte opp platen utenfor vinduet sitt med krystallen liggende oppå det svarte papiret. Noen timer senere tok han platen inn, og da han fremkalte den i det røde lyset i mørkerommet, så han til sin store glede gråaktige flekker nøyaktig der krystallen hadde ligget. Han gjorde forsøket om igjen, og la nå en gjennomhullet mynt eller et metallstykke under hver krystall. Ved fremkallingen kunne han se disse metallgjenstandenes silhuetter som lyse bilder mot mørkegrå bakgrunn på platene. I et tredje forsøk la han krystallene på en tynn glassplate, for å hindre at damper forårsaket av sol­ varmen skulle trenge gjennom papiret og sverte platen ad kjemisk vei, men likevel ble platen mørkere der krystallene hadde ligget. Nå var Becquerel forvisset om at han hadde funnet en gjennomtrengende stråle fremkalt av lys, og på det neste møtet i akademiet den 24. februar la han fram resultatet. Legg merke til hvor fint det hele gikk. Becquerel hadde laget en hypotese om at røntgenstråler var en normal del av fluorescens. Denne hypotesen ga støtet til et eksperiment, som ga nøyaktig de resultater han hadde forutsagt. Man kunne ikke tenke seg et mer vellykket forsøk - som likevel var misvisende! Heldigvis fortsatte 21

Becquerel med nye forsøk, og endog før hans rapport var trykt, hadde han lært en god del mer om strålene sine, og var blitt atskillig mer forvirret. De tre neste dagene ble været dårligere. Platene fra onsdag var akkurat satt ut, da himmelen ble overskyet, og Becquerel la de innpakkete platene, krystallene og det hele ned i en skuff. Slik lå de til søndag, og i mørket i skuffen kunne ingenting hende, som Becquerel visste. Krystallene ville bare fluorescere når de ble bestrålt med ultrafiolett lys; ble den belysningen avbrutt, opphørte fluorescensen i løpet av et hundredels sekund. Og likevel fremkalte Becquerel de ubrukte platene på søndag, drevet av en slags metodisk utålmodighet. Til hans forbløffelse hadde platene flekker som før - ja, flekkene var endog mørkere enn han noensinne hadde sett. Selv uten lys kunne krystallene tilsynelatende sende ut sine stråler. Han var ikke sen om å gjenta forsøket, nå i det full­ stendige mørket i mørkerommet, og det stemte: krystallene sendte ut sine egne stråler uavhengig av forutgående lysbestråling. Det var ingen tvil, men likefullt uforklarlig, og det eneste han kunne gjøre, var å eksperimentere videre. Han la noen av krystallene unna i mørkerommet for å se hvor lang tid det gikk før strålingen døde ut. Men hver eneste gang han prøvde dem i ukene som fulgte, fant han like kraftig stråling. Han forsøkte med andre fluore­ scerende stoffer, og fant alltid stråling fra stoffer som inneholdt uran. Var stoffene sammensatt med sink eller kalsium, fant han ingenting. Han forsøkte uranforbindelser som ikke fluorescerte, og merkelig nok; strålene dukket opp igjen. Det forbløffende med alt dette var den energien som ble utviklet. Det måtte energi til for å sverte den foto­ grafiske platen, og på en eller annen måte måtte denne energien være lagret i krystallene. Becquerel ville gjerne ha rede på hvordan den energien slapp inn i krystallene, 22

og hva han skulle gjøre for å starte en energistråling. Men ingen av de krystallene han hadde, syntes å miste sin strålingsevne. Han lukket seg inne på mørkerommet, og forsøkte å oppløse en urannitratkrystall i dens eget krystallvann - ved forsiktig oppvarming frigjøres de vannmolekylene som er innebygd i krystallen. På denne måten mente han å frigjøre den lagrede energien. Men når reagensrøret ble avkjølt og urannitratet krystalliserte seg igjen, var strålingen Uke sterk som før. I virkeligheten hadde stoffet beholdt sin stråleevne hele tiden - Becquerel fant tilslutt ut at oppløsningen sendte ut like energirik stråling som krystallene. Det eneste fellestrekket ved alle disse forsøkene, var at uranet var tilstede. Sålenge det stoffet han undersøkte var uranholdig, spilte det ingen rolle om det var fluore­ scerende eller ikke, om det lå i lys eller mørke, om det var et fast stoff eller en oppløsning. Becquerel syntes nå det var god grunn til å forsøke om rent metallisk uran også sendte ut de mystiske strålene. Rent uran eksisterte på den tiden hverken i naturen eller i laboratoriene, men tilfellet ville at Henri Moissan ved den farmakologiske høyskolen i Paris nettopp da arbeidet med en ny prosess for å få rent uran fra uranforbindelser. Becquerel ventet, og da Mois­ san i begynnelsen av mai 1896 greide å fremstille uran, ble det øyeblikkelig underkastet Becquerels forsøk. Han fant stråler sterkere enn noen av de han hittil hadde regi­ strert. Det var altså ubestridelig, men høyst forbløffende noe Becquerel påpekte - at et rent metall hadde kraft til å sende ut konstant stråling fra en eller annen ukjent energikilde.

3

Ekteparet Curie og deres to nye grunnstoffer

Becquerels stråler kunne ikke gi bilder av skjelettdeler, og de var derfor ikke på langt nær så interessante som Rdntgens stråler. Ingen andre så noen grunn til å studere de mystiske gjennomtrengende strålene fra uran. Det var kanskje derfor de fanget Marie Curies oppmerksomhet i slutten av 1897, etter at de i halvannet år hadde vært nesten glemt. Fru Curie var født Marie Sklodowska, datter av en matematikk- og fysikklærer i Warszawa, som da lå i det russiske Polen. Full av iver etter å studere disse fagene hadde hun reist til Paris, hvor hun tok sine eksamener ved Sorbonne-universitetet, og hvor hun traff og giftet seg med Pierre Curie, som var professor i fysikk ved en tek­ nisk høyskole i Paris. Hun hadde fått en datter, og hadde lyst til å fortsette sine studier. Det første skritt var å ta doktorgraden, en akademisk bedrift som i Frankrike krevde langvarig og omhyggelig selvstendig forskning. Hun trengte et emne som ingen andre interesserte seg for, fordi det da ville være liten fare for at en ukjent kon­ kurrent i et annet laboratorium skulle komme til samme resultater før henne, og derfor valgte hun strålene til Becquerel. Hun ville ikke arbeide med fotografiske plater som Becquerel hadde gjort. Hennes plan var å oppspore strålene ved hjelp av deres merkelige evne til å utlade elektrisk ladde gjenstander, en egenskap som også var 24

oppdaget av Becquerel. Det var som om strålene om­ dannet den luften de passerte gjennom fra å være en isolator til å bli en elektrisk leder, og ved hjelp av denne virkningen mente hun å kunne måle deres intensitet. Skulle hun greie det, måtte hun kunne måle ytterst svake strømmer, og hun hadde et glimrende måleinstru­ ment til dette bruk, et forbedret elektrometer som Pierre Curie og hans bror Jacques hadde konstruert (fig. 3). Hun begynte å arbeide med Moissans uran i metallisk form, og forsøkte i likhet med Becquerel å finne fram til stoffets energikilde. Men hverken oppvarming, lysbestråling eller røntgenbehandling forandret strålingens styrke. I februar 1898 begynte hun derfor en ny forsøksrekke. Becquerel hadde vist at strålingen fra uran er uavhengig av stoffets form, og hun kom på den tanke at andre metaller kunne ha samme strålingsevne. Nå begynte en systematisk undersøkning av forskjellige stoffer, tilsynelatende uten resultat. Av og til forsøkte hun med rene metaller, av og til med mineraler rett fra gruvene, av og til med omhyggelig rensete kjemiske stoffer fra fabrikker. Om og om igjen var forsøkene resultatløse, med et eneste unntak: det merkelige tilfellet med bekblende. Bekblende, eller uranbekerts, er et uranholdig mineral, hvis krystaller også inneholder oksygenatomer. En skulle tro at når uranet i dette stoffet måtte dele plass med oksygenatomer, og dessuten med en rekke forskjellige urenheter, så ville strålingen fra bekblende bli svakere enn fra det rene metallet. Men til fru Curies store for­ bauselse kunne hun måle en stråling fra bekblende som var betraktelig sterkere enn fra rent uran. Nå foretok hun en hel rekke målinger med forskjellige uranforbindelser, og fant oftest det hun ventet: at desto mer uranet var oppblandet med andre grunnstoffer, desto svakere var strålene. Bare i bekblende og i enkelte andre uranmineraler var strålingen sterkere. Kunne den innviklede 25

krystallstrukturen hos et mineral forsterke strålingen på et eller annet vis? Et enkelt forsøk viste at det ikke var riktig: hun fremstilte krystaller av kobberuranfosfat i laboratoriet, og fant snart ut at uranet ikke strålte sterkere i krystallform enn det gjorde i ukrystallinsk form. Den kunstig frembrakte krystallen var endog svakere enn naturkrystaller av kobberuranfosfat. Den muligheten som nå gjenstod, var at den ekstra strålingen kunne komme fra en forurensning i mineralet. Hun gjennomgikk det periodiske system fra ende til annen, men fant bare to stoffer som ga fra seg stråling, uran og thorium - og det var ikke noe thorium av be­ tydning i de mineralene hun gjorde forsøk med. Kunne forurensningen være et ukjent grunnstoff? Denne tanken kom ikke konkret til uttrykk i den av­ handlingen Marie Curie utarbeidet om sine forsøk, og som ble forelagt for akademiet av professor Gabriel Lippmann fra Sorbonne på hennes vegne. Men at den Fig. 3. Pierre Curies elektrometer. Det var dette apparatet Marie Curie brukte for å måle intensiteten av de strålene som ble sendt ut fra uranmalmer og bekblende. Innretningen til høyre er en slags ionekollektor. Den bestod av to isolerte plater, og på den underste ble stoffet som sendte ut stråler plassert. Det egentlige elektrometer, i midten og til venstre, bestod av åtte metallplater formet som sirkelkvadranter, festet på isolerte stenger slik at de dannet fire dobbelte kvadranter. Mellom det øverste og nederste sett av disse platene svingte en tynn aluminiumsnål som satt fast på en tynn tråd i en glasskolbe, og kunne rotere fritt. Et lite speil var festet til tråden under nålen, og svingte med denne. Det lyset som ble re­ flektert fra speilet, viste hvor stor dreiningen var. Den nederste av de isolerte platene i innretningen til høyre ble ladd av et batteri som ga høy spenning, og strålene fra stoffet på denne platen satte i gang elektrisk strøm til den øverste platen, som var forbundet til en av stengene i elektrometeret. Aluminiumsnålen ble ladd gjen­ nom tråden fra en annen strømkilde, og dreide rundt etter som den ble tiltrukket eller frastøtt av de ladde kvadrantene. Dreiningsvinkelen kunne nå måles ved å iaktta bevegelsen av det lyset som ble reflektert fra speilet. 27

var nokså nærliggende, kunne man se av det periodiske system. Gallium, scandium og germanium hadde ikke fylt alle hullene i systemet. Det var en stor og betydnings­ full luke mellom vismut nesten nederst i tabellen, og uran og thorium helt til slutt. Disse to tunge metaller, oppkalt etter glemte guder, var de eneste kjente grunnstoffer som avga stråling. Hvis det virkelig eksisterte et ukjent grunn­ stoff med samme egenskap, var det høyst sannsynlig at det befant seg i nærheten. Å spore opp et ukjent grunnstoff er en jobb for en kjemiker, en erfaren kjemiker som kjenner alle de opp­ dagede grunnstoffers oppførsel ut og inn. Men hverken Marie eller Pierre Curie var kjemikere, og Gustave Bémont, som de vendte seg til for å få hjelp, var bare laborant ved den tekniske høyskolen. Likevel ville det grunnstoffet de var ute etter, bli lett å finne. Det ville nemlig avgi stråler, og var det bare forskjellig fra uran og thorium, så måtte det være et nytt grunnstoff. Pierre Curie var gradvis blitt dratt inn i arbeidet med elektrometer-målingene og alle de gåter som fulgte med, og nå gikk han som en likeverdig partner inn i arbeidet med å finne det nye elementet. De to skaffet seg en god del bekblende, løste det opp i syre og gikk i gang med arbeidet. De måtte nå skille ut de forskjellige grunnstoffer som kunne finnes i mineralet, og for å greie dette tok de i bruk filteret. Hver gang de fikk en blanding som inne­ holdt uoppløste korn av et eller annet stoff, helte de det i en trakt kledd med filtrerpapir. Det uoppløste stoffet ble da liggende i trakten, mens væsken trengte gjennom porene i filtrerpapiret. Slik fikk de to forskjellige sub­ stanser på to forskjellige steder, og på denne måten kunne de etter hvert skille de forskjellige bestanddelene i bek­ blende fra hverandre. For eksempel lot de den ubehagelige, men meget nyttige gassen hydrogensulfid boble gjennom oppløsningen, og den reagerte med enkelte metaller og dannet uoppløselig 28

sulfider som ble utfelt i en grøtet masse og kunne filtreres fra. I denne massen var det hverken uran eller thorium, men likevel kom det stråler - «radioaktiv stråling» begynte de nå å kalle det - fra filtrerpapiret. De var på sporet. Nå var det bare en rutinesak - stadig ny opp­ løsning, felling og filtrering - til den grøtete massen var delt i enkelte grunnstoffer. Snart lå det fem forskjellige metaller i fem forskjellige skåler, og det var lett å kon­ statere at strålingen fulgte med metallet vismut. Men det kunne ikke være vismut som sendte ut strålene, for de visste jo at dette ikke var tilfellet - de prøvde for sikkerhets skyld om igjen. Noen eksperimenter til, og så fant de en måte å skille det radioaktive stoffet og vismut fra hverandre. De laget på ny forbindelser med svovel, la blandingen i et lufttomt glassrør og opphetet røret sterkt. Det radioaktive stoffet fordampet, og fortettet seg igjen i den kaldeste enden av røret, mens vismutsulfidet ble liggende igjen midt i røret. Det var ikke stort å bygge videre på, men det syntes klart at dette radioaktive stoffet hverken var uran, thorium eller vismut. Man måtte her ha påvist enda et nytt grunnstoff, og i sin nye rapport, som denne gang ble lest opp av Becquerel, foreslo de å kalle det polonium. Det må kanskje kalles en tåpelig følelse som fikk dem til å kalle det nye grunnstoffet opp etter en utslettet nasjon. Det polske kongeriket var for lenge siden delt mellom Østerrike, Russland og Preussen, og det var ikke store utsikter til at disse mektige riker noensinne ville miste sin makt så Polen igjen ble fritt. Men dette skjedde alt i Marie Curies levetid, som et lignende resultat av en sta og romantisk patriotisme. «Vismut-strålingen» til polonium var imidlertid ikke den eneste radioaktivitet ekteparet Curie fant i bekblende. En annen ble skilt ut sammen med barium, og dette stoffet lot seg behandle ad kjemisk vei. Metoden var å lage klorider av barium og det fremmede stoffet, løse så 29

mye som mulig av kloridene opp i vann, og så helle alko­ hol opp i den mettede løsningen. Dermed ble en del av det oppløste stoffet skilt ut som et hvitt bunnfall, som kunne filtreres vekk, og det klare «filtratet» som var gått gjennom, kunne kokes til stoffet ble tørt. Når de sammen­ liknet disse to delene, var det alltid mer radioaktivitet i det stoffet som var blitt igjen på filtrerpapiret enn i filtratet. Dette var bare en delvis utskilling, men ved å gjenta prosessen om og om igjen, samlet de mer og mer av det aktive metallet i en stadig mindre blanding, inntil de til sist hadde noen få korn av et hvitt stoff som var nihundre ganger mer radioaktivt enn uran. For å kunne bevise at dette nye stoffet var et grunn­ stoff, måtte de finne dets atomvekt, og derfor ble de nødt til å samle så meget av stoffet at de kunne veie det. Det var ennå langt fram til de kunne greie dette, og i mellomtiden kunne de skaffe seg et indisium ved å ta dets spektrum. Dette «spektret» er et slags karakteristisk, atomært fingeravtrykk. Om man fordamper et stoff i en varm flamme eller med en elektrisk gnist, og stoffets atomer derved blir tilstrekkelig energirike, sender de ut merkelig farget lys. Når dette lyset spres i et prisme, får man ikke et kontinuerlig bånd av regnbuens farger som glir over i hverandre fra rødt til fiolett. Hvert enkelt stoff har et spesielt mønster av klare, smale fargelinjer, atskilt av større helt mørke felter. De enkelte grunnstoffer har også sine spesielle spektre, og selv om mønstrene blir blandet sammen når flere grunnstoffer finnes i det stoffet man prøver, så kan en ekspert med omhyggelig tålmodig­ het skille det ene fra det andre. I Paris var det en slik ekspert, kjemikeren Eugene Demar^ay, som hadde hjulpet Marie Curie tidligere, og lånt dem prøver av noen av de mer sjeldne grunn­ stoffene til bruk i jakten på radioaktive grunnstoffer. Etter hvert som deres stoffer var blitt mer konsentrerte, 30

tok ekteparet dem stadig med til Demargay. I spektret til deres siste, mest aktive stoff, fant han en enkelt linje i det ultrafiolette båndet i spektret som hverken kunne skrive seg fra barium, som utgjorde hovedbestanddelen av prø­ ven, eller fra platinatråden som han fikk gnistene fra, eller fra noe annet kjent grunnstoff. Dette bevismaterialet, stoffets radioaktivitet, dets del­ vise utskilling fra barium og den enkle linjen i spektret, måtte være tilstrekkelig. I slutten av året 1898 kunngjorde ekteparet Curie funnet av sitt andre nye grunnstoff, som de kalte radium på grunn av den sterke strålingen det sendte ut. Og så var det på tide å begynne igjen. De hadde ikke råd til å kjøpe mer bekblende, men heldigvis fant de en billigere erstatning. Gjennom den østerrikske regjering fikk de som gave noen hundre kilo av avfallet fra urangruvene i Joachimsthal i Bohmen, nå Jåchymov-gruvene i Tsjekkoslovakia. I denne brunaktige massen var det selvfølgelig ikke noe uran, men til gjengjeld var det litt radium, og de vendte tilbake til kjemien, oppløste, felte og oppløste igjen. Det var godt at de to ikke visste hvor mange tonn avfall de måtte ha arbeidet seg gjennom for å samle sammen så meget rent radiumklorid at de kunne veie det!

4

Ernest Rutherford

Nå har De truffet uran i Becquerels hender, og polo­ nium og radium hos ekteparet Curie, men De har hittil hørt lite om det fjerde radioaktive grunnstoffet, thorium. Men samtidig som Becquerel i slutten av 1898 - det var den 26. desember, for å være helt korrekt - la fram ekteparet Curies oppdagelse av radium for Académie des Sciences, ble thorium undersøkt i en helt annen del av verden, av R. B. Owens, professor i elektroteknikk ved McGill-universitetet i Montreal. Owens var kommet til Canada fra universitetet i Nebraska samme høst. Han var 28 år gammel, og ble øyeblikkelig venner med en annen jevnaldrende ny­ kommer, Ernest Rutherford, som var 27 år og professor i fysikk. Det var Rutherford som foreslo at han skulle studere thorium, og det var Rutherfords metoder han brukte i arbeidet. Vi må introdusere Rutherford litt mer formelt. Han kom fra New Zealand, hvor han hadde fått ry som litt av et vidunderbarn. Da han tok eksamen ved den høyere skolen i Nelson, vant han priser ikke bare i matematikk, fysikk og kjemi, men i latin, fransk, engelsk litteratur og historie også. Hans universitetsresultater var like frem­ ragende. Han tok eksamen etter eksamen, og de magne­ tiske forsøkene han begynte i sitt fjerde studieår, skaffet ham et forskerstipendium ved universitetet i Cambridge før han var ferdig med det femte. Høsten 1895 kom han 32

til Cambridge for å begynne arbeidet i dets Cavendishlaboratorium, og da oppstusset om røntgenstrålene brøt løs noen få måneder senere, hadde han alt skaffet seg ry som en glimrende vitenskapsmann. I begynnelsen av februar 1896 oppdaget professor J. J. Thompson, som ledet Cavendish-laboratoriet, at røntgen­ strålene kunne gjøre den luften de passerte gjennom til en elektrisk leder. Siden han var en spesialist på ledende gasser, trodde han å forstå hvordan strålene virket, og de undersøkelsene han satte i gang, gikk utmerket. Etter to måneder ba han Rutherford bli sin personlige assistent, for å sette fart på arbeidet, og før sommeren var slutt hadde de to skaffet seg et godt oversiktsbilde av hva som foregikk. Så skilte de lag for å arbeide med detaljene. I løpet av halvannet år finpusset de sin oppfatning. De kom til at når en røntgenstrålebunt passerte gjennom luft (eller en hvilken som helst annen gass), var de i stand til enkelte ganger å rive løs fra et av molekylene en meget liten partikkel ladd med negativ elektrisitet. Thompson oppdaget disse partiklene halvveis ute i under­ søkelsen, og kalte dem «korpuskler», men siden gikk de over til å bruke navnet elektroner. Et molekyl som hadde mistet et negativt elektron, hadde tilbake en positiv ladning, og hvis intet annet forstyrret, ville disse to ladde partiklene, som Thompson kalte «ioner», bh tiltrukket av hverandre igjen av vanlige elektriske krefter, og gjen­ forene seg til et nøytralt eller uladd molekyl. Hvis det i nærheten fantes ladde metallplater, kunne disse tiltrekke seg de løsrevne ionene som var spredt rundt i gassen, slik at de positive ionene ville gå til de negativt ladde platene, og der plukket de opp frie elektroner som erstatning for dem de hadde mistet. De negative ionene, de frie elektronene i gassen, ville selvfølgelig bli trukket mot den positivt ladde platen, og slå seg ned der for å nøytralisere noe av dens ladning (fig. 4). Hvis man knyttet et elektrometer til en av disse platene, ville den vise for3. Atomet

33

Fig. 4. Oppsamling av ioner fra lufta. Øverst ser vi fem positive ioner (merket +) som beveger seg mot katoden til høyre, og fem negative ioner (merket -F) som går mot anoden til venstre. Dessuten finnes det fem nøytrale molekyler (merket +4-). (I virkeligheten ville det være milliarder av slike nøytrale molekyler for hvert ionepar). Nederst har de fem frie elektronene (de negative ionene) nådd anoden og nøytralisert deler av dens ladning, og de fem positive ionene har tatt elektroner fra katoden og blitt nøytrale molekyler. Dette resultatet gjør at det ser ut som om fem elektroner har krysset luftrommet mellom elektrodene.

andringen tydelig: nålen ville svinge mot nullstreken etter hvert som platen ble utladd, eller med andre ord: opptok ioner fra gassen. 34

Rutherfords del av dette arbeidet var å finne ut så meget som mulig om de ionene røntgenstrålene pro­ duserte; hvor hurtig de ble dannet, hvor raskt de gjen­ forente seg hvis de forble uforstyrret, og hvor fort de ville bevege seg gjennom gassen på grunn av tiltrekningen fra de ladde samleplatene. Dette arbeidet tok et drøyt år, og da det var gjort, byttet han røntgenrøret ut med en skål uranoksyd, og brukte enda et år på å studere de ionene uranstrålingen frembrakte. Det var bemerkelses­ verdige forskjeller mellom disse to strålingene, oppdaget Rutherford,men de ionene de laget, var fullstendig identiske. Sommeren 1898, da Marie og Pierre Curie var travelt opptatt med undersøkelsen av polonium, fikk man i Cambridge høre om åpningen av McGill-universitetet. Rutherford, som ville gifte seg, søkte og fikk stillingen med Thompsons entusiastiske anbefaling. Så hurtig som mulig fullførte han sin avhandling om uranstrålingen, og i september reiste han over til sin nye stilling. Vel fremme skrev han til sin forlovede i New Zealand, Mary Newton, at man ventet av ham at han skulle danne en forskningsskole som kunne ta luven fra yankeene! Dette var en utfordring og en enestående sjanse, men en ung student blir ikke professor fra den ene dag til den andre, og 4 dager senere så han anderledes på saken, og skrev: «Det er nesten komisk å tenke på at jeg skal overvåke andres forskerarbeid, men jeg håper jeg kan greie det.» Og nå kommer vi tilbake til Owens undersøkelser av thorium. Planen var at han skulle undersøke ioniseringen som thoriums stråler frembrakte, slik Rutherford alle­ rede hadde gjort det med røntgenstråler og uranstråler. Det eneste virkelige problem var en slags uregelmessighet som Rutherford allerede hadde oppdaget ved strålingen fra thoriumoksyd. Av og til var strålingen sterk, av og til svak, og den kunne forandre seg plutselig midt under en måling. Etter hvert fant Owens ut hva som skapte 35

vanskelighetene: thoriumoksydet tålte ikke trekk! Han måtte lukke stoffet inne i en lufttett beholder, vente et kvarters tid til den siste lille strømning i luften var dødd ut, og så begynne målingene. Slapp han aldri så lite luft inn i beholderen, sank thoriumoksydets ioniserende evne øyeblikkelig, og gjenvant ikke sin tidligere styrke før et nytt kvarter var gått. Men kunne han bare holde luften i ro, var målingene stabile, og utpå våren gjorde Owens seg ferdig med arbeidet. Strålene fra thoriumoksyd frem­ brakte nøyaktig samme slags ioner som røntgen- og uranstrålene, og på nesten samme måte. Så dro Owens til England for å besøke Thompsons laboratorium, og Rutherford fortsatte på egen hånd for å finne svaret på et spørsmål som hadde fanget hans interesse. Hvordan kunne et lite vindpust svekke thorium­ oksydets ioniseringsevne så alvorlig? Han fant svaret før vinteren satte inn, men det var et usedvanlig svar, som forutsatte eksistensen av to fremmede stoffer som hadde midlertidig radioaktivitet. Det var faktisk et ytterst merkelig svar, for selv om han ikke kunne se disse to stoffene, og slett ikke lukte, smake eller veie dem, hadde omstendighetene gjort det klart for ham at det ene var en gass og det andre et fast stoff. For å finne dette svaret, bestemte han seg til å følge «medvinden»; ikke undersøke selve thoriumoksydet, men i stedet konsentrere seg om den luftningen som passerte. Han konstruerte et apparat (fig. 5) med en ionekollektor i den ene enden av et langt rør, og en innpakket thoriumoksydplate i den andre. Papirinnpakningen hindret støv fra oksydet i å følge med luften, men Owens hadde opp­ daget at papir ikke var noen hindring for oksydets på­ virkning av luften. Som ventet kom det ingen ioner inn i kollektoren så lenge luften i apparatet ble holdt i ro, og selv etter at en luftstrømning var satt i gang, skjedde det intet i kollek­ toren før strømningene hadde beveget seg det lille stykket 36

Fig. 5. Rutherfords «medvindsapparat». Luftstrømmen kommer inn i åpningen til venstre på innretningen, tar med seg emanasjonen fra thoriumoksydet på platen og fører den med seg til ionekollektoren til høyre. Veggene i kollektoren får spenning fra et 100-volts batteri, og ionene fører ladningen med seg til den isolerte stangen i sentrum av kollektoren. Denne stangen er forbundet med et elektrometer.

fra thoriumoksydpakken til ionekollektoren. Dette var greit nok - det betydde at oksydet bare virket på luften umiddelbart over. Det som så hendte, var mer interessant. Når Rutherford stengte av luftstrømningen, og lot kol­ lektoren stå full av luft som hadde passert den radio­ aktive pakken, tok det omtrent 10 minutter før ioni­ seringen døde ut. All den stund det bare vil ta et par sekunder å dra samtlige ioner ut av en gass i kollektoren, måtte dette bety at det stadig var blitt dannet nye ioner. Et eller annet inne i kollektoren hadde sendt ut ioniserende stråler, og det så altså ut som om et radioaktivt stoff var blitt transportert med luften fra thoriumoksydpakken. Hva kunne dette være for et stoff? Det kunne trenge gjennom porene i papiret og gjennom et tykt lag av pulverisert thoriumoksyd. Det kunne ikke stanses av fibrene i en bomullsdott, og ikke vaskes vekk ved å la luftstrømmen passere gjennom vann eller svovelsyre. Det måtte være finere enn støv, og Rutherford antok at det måtte være en gass eller en damp, men for å være på den sikre siden, kalte han det en «emanasjon», en utstråling. 37

Fig. 6. Grafisk fremstilling av radioaktiviteten fra emanasjon. Denne kurven viser hvordan radioaktiviteten fra thoriumoksyd-emanasjon dør ut etter som tiden går. De små sirklene tilsvarer Rutherfords målinger. Kurvens høyde faller til halvparten hvert minutt.

Stilt overfor et slikt mysterium var det ikke annen råd enn å forske videre. Emanasjonen var radioaktiv, og den mistet sin radioaktivitet etter en tid. Rutherford satte seg fore å finne ut hvordan dette skjedde. Han målte ioniseringen i et kammer med luft i fullstendig ro, om og om igjen, og fant ut at radioaktiviteten døde ut etter en geometrisk rekke i tid: for hvert minutt som gikk, ble den redusert til det halve (fig. 6). Dette er en merkelig oppførsel. Når halvparten av det du har forsvinner i løpet av et minutt, betyr det at du taper meget når du har meget, men når du har lite igjen, så vil du også bare miste svært lite. Rutherford omsatte 38

dette til matematikk, og oppdaget et eksperiment som kunne prøve resultatet. Hva ville skje om han førte en godt innpakket plate med thoriumoksyd inn i en ionekollektor og lukket den? Emanasjonen ville langsomt trenge gjennom papiret, og ville gradvis fylle kollektoren. Straks emanasjonen var kommet ut, vil den miste litt av sin radioaktivitet, men til å begynne med, når kollektoren inneholdt Ute emanasjon, ville tapet være lite, fordi radioaktiviteten fra den emanasjon som stadig trengte ut fra oksydet, oppveide tapet og vel så det. I virkelig­ heten ville den totale radioaktiviteten øke i begynnelsen. Men etter hvert ville imidlertid den halvdelen av radio­ aktiviteten som ble borte hvert minutt, bli en stadig større mengde (fig. 7).

Fig. 7. Grafisk fremstilling av radioaktivitetens økning. Søylen A tilsvarer den nye radioaktiviteten som stammer fra den nye emana­ sjon som hvert minutt blir frigjort fra thoriumoksyd. Den totale radioaktiviteten (søylene B, C, D, E og F) svarer til denne radio­ aktiviteten pluss halvparten av den radioaktivitet som var tilstede minuttet før. F består derfor av en viss mengde ny radioaktivitet som tilsvarer A, og dessuten halvparten av den totale radioaktivitet minuttet før, det vil si halvdelen av E. 39

Fig.8. Grafisk fremstilling av radioaktivitetens økning i et lukket rum. Sirklene tilsvarer Rutherfords målinger av den mengden radio­ aktivitet som sendes ut fra en thoriumoksydplate i en lukket ionekollektor. Kurven viser at for hvert minutt som går, blir forskjellen mellom den eksisterende radioaktivitet og den endelige sluttverdi halvert.

Rutherford tok matematikken til hjelp, og fant at radioaktiviteten i kollektoren ville vokse mot sin største verdi på en helt spesiell måte. Visste man hvor meget radioaktivitet som manglet på denne største verdien på et spesielt tidspunkt, kunne man være sikker på at et minutt senere ville halvparten av det som manglet være nådd, og enda et minutt senere halvparten av denne halv­ parten igjen. Når han på denne måten hadde regnet ut hvordan eksperimentet skulle gå, satte han det ut i livet, og resultatet ble nøyaktig hva han hadde forutsagt (fig. 8). Lenge før dette hendte, mens han begynte å bli for40

trolig med emanasjonen, hadde han støtt på en komplika­ sjon. Den ionekollektoren han brukte, fikk plutselig en elektrisk «lekkasje», og en ny isolator som han satte inn, var ikke til noen hjelp. Vanskeligheten viste seg å være forbløffende - det virket som om metalldelene i ionekollektoren var blitt radioaktive. Noe slikt hadde aldri skjedd under forsøkene med røntgenstråler eller uranstråler. Evnen til å fremkalle radioaktivitet i omliggende stoffer syntes å være spesiell for thorium. Ettersom denne «induserte» radioaktivi­ teten bare fulgte «medvind», og dertil kunne bøye rundt hjørner, var det lett å vise at den ikke kunne være frem­ kalt av thoriumoksydets direkte stråling. Den induserte radioaktiviteten kunne oppstå selv om oksydet var skjermet av en tykk bunke av papir, og dette tydet på en sammenheng med emanasjonen. Thoriumoksydet frem­ kalte i virkeligheten radioaktivitet bare hvis emanasjonen var sterk. Hvis oksydet ble gjort hvitglødende, mistet det emanasjonsevnen, og samtidig bortfalt evnen til å indusere radioaktivitet. En annen eiendommelighet var den måten den induserte radioaktiviteten ble påvirket av elektriske krefter på. Negativ ladning syntes å tiltrekke radioaktiviteten så sterkt, at den kunne konsentreres fullstendig på en liten krok av en negativt ladd metalltråd. Dette ga anledning til nok et interessant eksperiment. Rutherford laget en lang kasse av tre, som en luftstrømning kunne bære en meget langsom emanasjonsbølge gjennom - så langsom at en stor del av radioaktivi­ teten ble borte underveis gjennom kassen. Langs bunnen av kassen la han en positivt ladd plate som støtte den induserte radioaktiviteten vekk, og øverst i kassen satte han opp fire atskilte plater, den ene bak den andre, med negativ ladning, slik at radioaktiviteten ville konsen­ trere seg på disse. Det som oppstod på disse platene, ville altså være all den radioaktivitet som emanasjonen 41

kunne indusere når den passerte platene. Da han under­ søkte platene etter at eksperimentene var gjennomført, fant Rutherford en god del radioaktivitet på den første platen, og en gradvis minking ned til ganske lite på den siste. I virkeligheten var den induserte radioaktiviteten som ble fremkalt av emanasjonen på hver plate propor­ sjonal med den mengde radioaktivitet som emanasjonen beholdt etter å ha passert platen. Han forsøkte å legge metallfolier over de platene som hadde fått indusert radioaktivitet, og fant at de strålene som ble sendt ut, var noe mer gjennomtrengende enn hva han hadde registrert hos uran og Owens hos thorium. Strålene syntes å komme fra selve overflaten av platene, for hvis han skrubbet dem med sandpapir, ble strålingen straks svakere. På samme måte som emanasjonens radioaktivitet var den induserte radioaktivitet ikke permanent, men døde ut etter en geometrisk rekke i tid. Den eneste forskjell var hastigheten; det gikk 11 timer i stedet for et minutt før aktiviteten ble redusert til det halve. Når Rutherford utsatte en negativ ladd plate for emana­ sjonen fra en skål med thoriumoksyd, og tok den ut av og til for å foreta målinger, viste det seg at den induserte radioaktivitet på platen vokste mot en høy, konstant verdi, og brukte 11 timer på å ta igjen halvparten av det som manglet på å nå denne verdien (fig. 9). Selv om Rutherford kalte dette «indusert radioaktivi­ tet», var han slett ikke sikker på om den virkelig var indu­ sert eller fremkalt av emanasjon. Det var meget som tydet på at strålene kom fra en slags utfelling som emanasjonen fremkalte på overflaten av de stoffer den berørte, men det var aldri mulig å se noen slik utfelling i mikroskopet, og heller ikke var det mulig å påvise noen vektforskjell. I et av sine forsøk forsøkte han å «indusere» en hel rekke forskjellige stoffer: kobber, bly, platina, aluminium, tinn, messing, kartong og papir. Hvis det virkelig ble 42

0

//

22

33

44 55 66 Tid (i timer)

77

88

99

Fig. 9. Den induserte radioaktivitet. Den ene kurven viser hvordan den induserte radioaktiviteten vokser, svarende til hvor mange timer staven i Rutherfords apparat (fig. 5) blir utsatt for emana­ sjonen fra thoriumoksyd. Den andre kurven viser hvordan radio­ aktiviteten faller etter at staven er tatt vekk fra apparatet. Også her er tiden målt i timer. Sirklene svarer til Rutherfords målinger, mens kurvene er idialiserte.

indusert radioaktivitet direkte i alle disse stoffene, og hvis de på en eller annen måte hadde tatt energien fra emana­ sjonen, burde man ventet at stoffene ville ha sendt ener­ gien ut igjen på forskjellige måter, karakteristiske for hvert av dem. Men i virkeligheten sendte de alle ut stråler med nøyaktig samme gjennomtrengningsevne, akkurat som en bestemt slags utfelling, forårsaket av emanasjonen, ville ha gjort det. Hvis det virkelig var et belegg på platene, måtte det 43

gå an å fjerne det. Rutherford fant fort ut at en sterk luftstrømning ikke fjernet det - derfor var det antakelig ikke noe slags støv. Han kunne ikke brenne det vekk altså neppe noen form for «dugg» av fortettet emanasjon. Han kunne ikke vaske det av en platinatråd hverken med kaldt eller varmt vann. Han greide ikke å løse det opp i en sterk base og ikke i konsentrert salpetersyre. Men med fortynnet svovelsyre eller fortynnet saltsyre ble det borte i løpet av et par sekunder. Nå nærmet han seg. Til sin store interesse fant han, at når han fordampet syren, ble det ukjente radioaktive stoffet liggende på bunnen av skålen nøyaktig på samme måte som salt eller sukker fra sine oppløsninger. I september 1899 hadde Rutherford gjort seg ferdig med emanasjonen og sendt en avhandling over til England til utgivelse der. I november hadde han gjort ferdig en avhandling om den induserte radioaktiviteten. Disse to avhandlingene ble gitt ut i de to første månedene av det nye århundret. Men lenge før dette - umiddelbart etter at Rutherford hadde gjort ferdig forsøkene - hadde ekte­ paret Curie sendt ut en avhandling om en radioaktivitet indusert fra radium. De visste selvfølgelig intet om Rutherfords arbeid, og den nye radioaktiviteten de fant hadde så kort levetid, og stod i så stor kontrast til den permanente strålingen fra radium og polonium, at de ikke kunne tro den kom fra noe spesielt stoff. For dem var den nye radio­ aktiviteten virkelig indusert, et resultat av en slags over­ føring av energi som kanskje kom fra radiumstrålene. Fordi de så saken på denne måten, var de eksperimentene de gjennomførte, fullstendig forskjellige fra Rutherfords. Kanskje var de to formene for radioaktivitet like, og kanskje de ikke var det, selv om det er verdt å merke seg at ekteparet Curie aldri hadde sett noen form for emana­ sjon. Vitenskapen om radioaktiviteten var sannelig ikke blitt enklere av dette! 44

5

Uran X og thorium X

Det vil ha fremgått av de første kapitlene i denne boka at vitenskap er en lek som alle kan leke når det passer dem. Da Rdntgen oppdaget sine stråler, satte han Becquerel i gang med å finne stråler fra uran, og J. J. Thompson med å finne fram til en teori for ionisering av gasser. Becquerels oppdagelser om uran førte til at Marie og Pierre Curie fant polonium og radium. Ruther­ fords interesse for ioner førte ham gradvis til oppdagelsen av emanasjonen fra thorium og det eiendommelige stoff som dette frembrakte, og som sendte ut indusert radio­ aktivitet. Det som holder denne leken i gang, er utgivelsen av avhandlingene, for selv om en forsker publiserer sin oppdagelse for å få æren av den, har hele den vitenskape­ lige verden nytte av de opplysningene han bringer til veie. Fra disse opplysningene kan hvem som helst finne en idé om å prøve enda en ny mulighet. Det er derfor ikke overraskende at nye vitenskaps­ menn nå ville bli med på leken om radioaktiviteten. En av disse var sir William Crookes, som kom med fra slutten av 1899. Han var kjemiker og bosatt i London, hvor han hadde en privat praksis som konsulent, og ga ut et ukentlig tidsskrift. Han var en malerisk person, med et velpleiet spisst skjegg og hvite mustasjer som han vokset og tvinnet til lange, nydelige spisser. Han var også en mann med penger, som likte forskning og hadde råd til å holde et moderne privatlaboratorium i sitt eget hus. 45

Som kjemiker ville han forsøke å skille radium ut fra bekblende, og han visste at det ville bli et trettende arbeid. Han måtte følge med i alle prosesser, og måle radio­ aktiviteten i alle utfellinger for å være sikker på at radiumet alltid havnet der han ville ha det. Crookes var også pionér på fotograflens område, og i stedet for å fuske med et så skrøpelig instrument som elektrometret, bestemte han seg for å måle radioaktiviteten på en måte som han kunne forstå - ved hjelp av fotografiske plater. Han var klar over at dette ville føre med seg vanskelig­ heter. En plate kunne bli svertet av andre årsaker enn radioaktiv stråling, og svertingen kunne være avhengig av følsomheten av emulsjonen som dekket platen, eller av styrken på fremkallervæsken. Intet av dette kunne han kontrollere med sikkerhet. Likevel kunne disse vanskelig­ hetene overvinnes ved at han sammenlignet hver plate i forsøksserien med en standardeksponering, fremkalt av et stoff hvis radioaktivitet han kjente. Han bestemte seg for å bruke uran som et slikt standardstoff, men fant det tryggest å bruke rent uran, og han var kjemiker nok til å vite at han ikke kunne kjøpe uran med den renheten han ønsket. Han skaffet seg noen kilo urannitrat av ganske vanlig kvalitet, og gikk i gang med rensingen selv. Han la litt av stoffet i en skilletrakt som var korket i toppen og hadde en kran nederst, helte på litt eter og ristet det til en blanding. Urannitratet begynte å oppløse seg i eteren, og samtidig ble krystallvannet frigjort. Ettersom vann ikke blander seg med eter, samlet det seg i små dråper, og under ristingen vasket det ut av blandingen litt av urannitratet og størstedelen av for­ urensningene. Etter en stund sluttet han å riste, lot det tyngre vannet renne ut gjennom kranen og slo det i vasken. Så fordampet han eteren for å få tilbake sitt rensede urannitrat, og var klar for neste skritt. Dette var en brutt krystallisering. Han løste uran­ nitratet i den minst mulige mengde vann, og lot opp­ 46

løsningen langsomt avkjøles. Etterhvert begynte nye krystaller av enda renere urannitrat å danne seg, og urenhetene ble atter en gang tilbake i vannet, og kunne slås ut sammen med det når avkjølingen var ferdig. Etter å ha gjentatt dette et par tre ganger, var Crookes fornøyd. Man måtte nå anse hans urannitrat som kjemisk rent. Endelig var han klar til å begynne det egentlige, alvorlige arbeid. Men da han nå prøvde sitt rene standarduran, ble de fotografiske platene fullstendig blanke! Enten hadde den kjemiske behandlingen ødelagt uranet, eller så hadde han greid å rense det for dets radioaktivitet. Det lot seg snart vise at uran ikke var lett å ødelegge. Han forsøkte å vaske en ny urannitratklump med eter, og nå fant han radioaktiviteten hvor han ventet den: i vaskevannet. Selvfølgelig inneholdt dette litt urannitrat også, så hans neste problem var å finne en kjemisk metode for å skille det radioaktive stoffet helt fra enhver uranblanding. Det var enkelt nok når han først fant ut av det: Crookes løste litt urannitrat i vann, og rørte i blandingen mens han helte oppi ganske mye ammoniumkarbonat. Til å begynne med ble uranet felt ut, men etterhvert løste bunnfallet seg og det ble bare tilbake en liten rest som han kunne filtrere fra. Den var brun og loete når den lå på filtrerpapiret, og han fant ut at det var aluminiumhydroksyd farget med litt jern. Det fantes ikke uran i resten, men det laget vakre svarte tegninger på platene i løpet av fem minutter. Det kunne ikke lenger være tvil. I denne lille resten, sammen med vanlig aluminium og jern, lå den «uren­ heten» som urans radioaktivitet egentlig skrev seg fra. Dets kjemiske egenskaper tydet på at det ikke kunne være polonium, og det så heller ikke ut til å være radium. Sannsynligvis var det nytt og forbløffende gåtefullt, og Crookes ga uttrykk for sin forundring og forvirring med det navnet han ga stoffet: uran X. 47

I mai 1900 hadde han innrapportert det hele til Royal Society i London, og i juli ble hans oppdagelse bekreftet i en avhandling som Becquerel la fram for akademiet i Paris. Becquerel hadde lånt en rensemetode fra André Debierne, en tidligere student som nå gjorde kjemiske undersøkelser for ekteparet Curie, men metoden var neppe så effektiv som den Crookes hadde brukt. Becquerel greide aldri å fremstille helt inaktivt uran, men ved å utvise stor utholdenhet under rensingen oppnådde han å skille fem sjettedeler av radioaktiviteten ut av den flittig brukte prøven. Denne sommeren var Rutherford i New Zealand for å gifte seg, etter å ha vært borte fra sin kjæreste i nesten fem år, og paret dro på bryllupsreise jorden rundt. Og det var denne sommeren at unge Frederick Soddy dukket opp i Montreal som arbeidssøkende. Soddy var ikke fylt 23 år, og var fra sørøstkysten av England. Han hadde tatt sin kjemieksamen i Oxford for litt over ett år siden, og hadde reist til Canada for å få en bestemt jobb. Men det gikk ikke, og under oppholdet i Montreal ble han så imponert av de flotte laboratoriene som tobakksmillionæren Sir William MacDonald hadde bygd til McGilluniversitetet, at han var lykkelig over å få arbeide der som laboratorieassistent i kjemi. Dermed hadde han helt tilfeldig funnet sin lykke, for da Rutherford kom tilbake, ble Soddy «oppdaget» og fikk del i arbeidet med thorium. Rutherford arbeidet nå også med radium. Et tysk kjemisk firma hadde nemlig sendt ut på markedet ganske svake radiumpreparater, og radium var interessant fordi det nå var kjent at stoffet sendte ut emanasjon på samme måte som thorium. Dette ble oppdaget av professor Ernst Dorn ved universitetet i Halle i Tyskland, og fenomenet vakte Rutherfords nysgjerrighet. Han ville finne ut hvordan denne nye emanasjonen egentlig var. Det ble snart klart at han kunne øke strømmen av emana­ sjon ved å oppvarme stoffet, og varmet han det meget opp, 48

kom et kraftig utbrudd, og senere var det, særlig med thoriumoksyd, vanskelig å få fram mer. Dette syntes å tyde på at hvert fast stoff med thorium og radium hadde en bestemt mengde emanasjon bundet, og når den var fri­ gjort, var den borte for godt. Men Rutherford fant også ut at både radium og thoriumoksyd ved forsiktig opp­ varming sendte ut emanasjon i timevis, slik at det tilsammen ble mer enn hva sterk oppheting frembrakte. Dette kunne tyde på at emanasjonen ble produsert etter hvert, for eksempel ved en kjemisk reaksjon. Ved årsskiftet 1900/1901 gikk Rutherford og Soddy sammen om arbeidet. Rutherford fant stadig nye spørs­ mål, hurtigere enn han kunne finne hjelp til å besvare dem. Særlig i forbindelse med emanasjonen var det en rekke ting en kjemiker kunne finne ut av. Det var ikke vanskelig å få Soddy interessert, og de satte opp 5 spørs­ mål som han skulle finne svaret på: 1. Kom emanasjonen virkelig fra thoriumoksyd, eller var det et eller annet skjult stoff som frigjorde den? 2. Var thoriumoksydet skadet for alltid etter så sterk oppheting at det mistet evnen til å sende ut emana­ sjon, eller fantes det en kjemisk behandling som kunne gi det denne evnen tilbake? 3. Hva slags gass var emanasjonen? 4. Kunne omhyggelig veiing av et stoff som sendte ut emanasjon vise at stoffet minsket i vekt? Eller kunne det slås fast at et stoff som samlet opp den induserte radioaktiviteten, tiltok i vekt? 5. Hvilken kjemisk eiendommelighet hos thorium mulig­ gjorde utsending av emanasjon? Noen av disse spørsmålene var lette, men andre var uhyre vanskelige. Det fjerde kunne for eksempel løses med enkel aritmetikk. Et vanlig elektrometer kunne rea­ gere på en elektrisitetsmengde på bare 0,000 000 000 000 3 coulomb. Dette er en meget liten mengde. Det må mer enn 3 tusen milliarder slike ladninger til for å lage en 4. Atomet

49

coulomb, som er lik den elektrisitetsmengde som i løpet av et sekund går gjennom et tverrsnitt av en ledning som fører en strøm på en ampere. En 60-watts glødelampe bruker en coulomb på mindre enn fire sekunder når spenningen er på ca. 240 volt. Ved elektrolyse av vann kreves det mer enn 100 000 coulomb for å frigjøre et eneste gram hydrogen. Vi forstår av dette at elektrometret kan avsløre en elektrisitetsmengde som bæres av tre trilliondeler av et gram med hydrogen (eller 3xl0~18, som det skrives). Det er klart at det antall ioner som ble samlet under en vanlig måling tilsvarte en ufattelig liten stoffmengde, og at de radioaktive stoffene som frem­ brakte ionene, eksisterte i ytterst små mengder, flere millioner ganger under vektens måleevne. Man kan se spor av vanskeligheter og merkelige episoder i Rutherford og Soddys endelige rapport når det gjelder de andre spørsmålene. Men det Soddy kom fram til var: Han for­ søkte en rekke anerkjente metoder for å skille thorium ut fra blandingen av andre grunnstoffer, og fant at hans rene thorium alltid sendte ut emanasjon. Dette syntes å løse det første spørsmålet. Han forsøkte i en hel rekke av omhyggelig planlagte kjemiske reaksjoner å fange emana­ sjonen fra en strømmende gass og stenge den inne i et fast stoff. Alle disse forsøkene slo feil, til tross for at han skulle ha vært i stand til å fange hver enkelt av de gassene han kjente. Det var derfor sannsynlig at emanasjonen tilhørte argon-familien av inaktive gasser, som professor William Ramsay fra University College, London, hadde oppdaget i løpet av de siste 7 årene. Dette syntes å gi svaret på det 3. spørsmålet. For å finne svaret på det 2. spørsmålet, konstruerte Soddy en anstrengende, men praktisk rutine som satte ham i stand til å løse det over­ opphetede thoriumoksydet i vann, og så gjenvinne det som et stoff som sendte ut emanasjon. Men her dukket de merkelige tingene opp igjen. Det var aldri mulig å bringe det skadede thoriumoksydet 50

fullstendig tilbake til dets opprinnelige form, men når Soddy omdannet det til thoriumhydroksyd, fikk han enda bedre emanasjon enn før. Rett etter at stoffet var helt ut fra oppløsningen, sendte thoriumhydroksyd ut like mye emanasjon som de beste oksydene som var i handelen, og etter hvert som tiden gikk ble det bedre og bedre, til emanasjonen 9 dager etter utfellingen var blitt 2x/2 gang så stor som opprinnelig. Like interessant som dette, var et annet eksperiment som Soddy gjorde: Han delte en oppløsning av thoriumnitrat i to nedfellinger, en med thoriumhydroksyd og en annen med thoriumkarbonat. Sammenlignet han samme mengder av disse to nedfallene, ga hydroksydet 12 ganger så mye emanasjon som vanlig oksyd, mens karbonatet nesten ikke sendte ut emanasjon i det hele tatt. Dette var ikke bare interessant, men meget forvirrende, fordi det kom fram gjennom en ubevisst feil i Soddys eksperimenter. Men gjennom den arbeidskjede det satte i bevegelse, ble Soddy snart ført fram til en annen for­ bløffende oppdagelse. Han fikk thoriumhydroksyd ved å løse thoriumnitrat opp i vann og sette til ammoniakk, slik at hydroksydet ble utfelt. Etter å ha filtrert vekk hydroksydet, sparte han for en gangs skyld filtratet, fordampet det, og fant en meget liten rest, som ikke inne­ holdt noe thorium, men som sendte ut emanasjon. Og uheldigvis var det samme tilfelle med det hydrok­ sydet han nettopp hadde filtrert fra. Nå syntes det best å forlate emanasjonen, og gå til­ bake til de enklere målingene av radioaktiviteten, hvor Rutherford kjente seg mer hjemme. Og da kom de endelig fram til et ukomplisert svar. Soddy gikk gjennom de samme kjemiske operasjonene igjen, og nå var det sterk radioaktivitet i den thoriumfrie resten som var tilbake i oppløsningen, mens det nedfelte hydroksydet hadde mistet meget av sin radioaktivitet. Midt under arbeidet kom en av dem over Crookes’ av­ 51

handling i Proceedings of the Royal Society, og det ble klart at det de hadde funnet var en thorium X. Riktignok var det urent, men etter deres beregning av mengdene, kunne det ikke være en vanlig forurensning. Det thoriumnitratet de hadde, var visselig ikke rent. Crookes hadde i sin avhandling nevnt et meget rent thoriumnitrat som kunne kjøpes i Tyskland, og det syntes lettere å kjøpe noe av dette stoffet til de neste eksperimentene enn å forsøke å rense sitt eget stoff. Men julen nærmet seg, og de to vitenskapsmennene syntes de kunne trenge en pause. De var nesten ferdig med en avhandling som beskrev Soddys systematiske undersøkelser. De føyde til sin siste oppdagelse som en overraskende slutt, og sendte den til London sammen med et brev til Crookes med spørsmål om det tyske thoriumnitratet. Så stengte de laboratoriene for ferien. Temmelig nøyaktig en uke tidligere hadde Rdntgen fått den første Nobelprisen i fysikk for sin oppdagelse av røntgenstrålene.

6

Thorium X og grunnstoffomdanningen

I de samme høstmånedene i 1901 arbeidet Henri Becquerel fortsatt i Paris, og også han hadde støtt på vanskelig­ heter. Det var ingen tvil om at urans radioaktivitet kunne fjernes ved enkle kjemiske prosesser. Men det var heller ingen grunn til å tvile på at uran alltid var radioaktivt. Alle de som hadde arbeidet med stoffet, hadde funnet denne egenskapen, uansett hvor uranet kom fra, hvordan det var blitt skilt ut fra mineralet, eller hvilke spesielle sammensetninger som hadde vært undersøkt. I alle disse forskjellige tilfellene var det merkelig at ingen hadde kommet over en eneste ren, inaktiv prøve av uran. Men det fantes en logisk vei ut av motsigelsen. Det var lett å rense vekk radioaktiviteten til uran, men til slutt ble stoffet allikevel alltid radioaktivt igjen. Derfor måtte det rene uran ha evnen til å reaktivisere seg selv. Dette var logisk selv om det så uantagelig ut. Og man kunne prøve teorien eksperimentelt, for Becquerel hadde omhyggelig gjemt på alle sine gamle preparater fra sommeren 1900, hver enkelt avaktiviserte uranprøve og alle de radio­ aktive forurensningene. Det var bare å pakke dem ut og prøve dem. Dette gjorde han, og han fant at hver eneste uran­ prøve nå hadde fått igjen det samme høye radioaktivitetnivå, enten han hadde tatt meget eller lite vekk fra prøven ved forrige forsøksserie. Og ikke bare det: Alle de radioaktive forurensningene var nå radioaktivt sett døde. 53

Dette var både tilfredsstillende og forvirrende. Becque­ rel hadde alltid tenkt seg radioaktivitet som en utsendelse av lagret energi, og når den nå var kommet tilbake, måtte dette ganske enkelt bety at uranet hadde gjen­ vunnet sitt lager fra den samme mystiske kilde. På den andre siden visste han at radioaktiviteten var fjernet ved en kjemisk operasjon, og dette sa ham at den var forsvun­ net sammen med en ?ller annen form for molekyler. Becquerel var for meget av en fysiker til å snakke om atomer. Og når den nå var kommet tilbake, måtte dette innebære en eller annen form for molekylær forandring. Han hadde selv vist at strålene fra uran var hurtige elek­ troner. Hvis elektronene, slik J. J. Thompson hevdet, var små materiepartikler, var det ikke umulig at de var innblandet i den forandringen han forestilte seg. Så mye luftig spekulasjon var for meget for ekteparet Curie, og de publiserte en sterk kritikk av Becquerels idéer. Inntil man hadde vunnet større kunnskap på dette feltet, var det bare én trygg vei å gå: Å holde seg til energiteorien, uten å forsøke å utmåle detaljerte prosesser. De hevdet dessuten at radioaktivitet var et spørsmål om atomer, det vil si om grunnstoffer, og ikke et spørsmål om de molekylære kombinasjoner som atomene gikk inn i. Becquerel forutsatte at det foregikk atomære forandringer. Men ekteparet Curie hadde aldri sett noe tegn til noe slikt. I løpet av måneder hadde deres radiumpreparater aldri vist noen forskjell hverken i vekt eller i spektrum. (Dette var et argument som Rutherford og Soddy allerede hadde motbevist, men deres manuskript var ennå ikke kommet lenger enn til trykkeriet i London). Men lenge før dette hadde Becquerel skrevet til Crookes, og bedt ham undersøke sitt eget rene uran, og Crookes hadde sendt beskjeden videre til Montreal sammen med melding om at han hadde ekspedert Rutherfords ordre på rent thoriumnitrat til Kndffler, den tyske produsenten. Så da Rutherford og Soddy kom tilbake til laboratoriet 54

rett over nyttår 1902, fant de brevet fra Crookes, avhand­ lingen til Becquerel og thoriumnitrat fra Kndffler liggende og vente på dem. De fant også ut at deres thoriumhydroksydfellinger var meget radioaktive, og at radio­ aktiviteten hos thorium X var sporløst borte. De hadde tydeligvis ikke ventet noe slikt før jul, selv om de når de nå tenkte tilbake må ha hatt følelsen av at de merkelige forandringene i emanasjonsevnen skulle ha advart dem. Nå visste de imidlertid nøyaktig hva de skulle gjøre. Nitratet fra Kndffler viste seg å inneholde thorium X, og dette viste at det ikke kunne dreie seg om noen vanlig forurensning. Nå måtte de skille thorium og thorium X enda en gang, og så følge omhyggelig alle forandringer i radioaktivitet som hvert av disse stoffene viste. Det de fant, brakte dem rett tilbake til det Ruther­ ford hadde sett 2 år tidligere. Thorium X mistet sin radioaktivitet ved en geometrisk rekke i tid, og ble redusert til halvparten hver 4. dag. I løpet av de samme 4 dagene økte thoriumhydroksydets radioaktivitet, som til å be­ gynne med var Uten, til en verdi som var 4 ganger så stor som utgangsverdien. (Fig. 10). Og hvis kurvene var de samme måtte det ligge nær å tro at forklaringen også var den samme. I thoriumhydroksydet ble det stadig dannet thorium X, og når dette stoffet først var dannet, begynte det straks å miste sin radioaktivitet slik den fallende kurven viser. Til å begynne med ble det dannet lite thorium X, og den halvparten av stoffet som mistet sin radioaktivitet var meget mindre enn den mengden , thorium X som ble dannet i hydroksydet. Thoriums radioaktivitet ville først stabilisere seg når tapet av radio­ aktivitet oppveide produksjonen av nytt radioaktivt materiale. Spørsmålet var nå: Hvor kom thorium X fra? Det kunne enten komme ingensteds fra, eller det kunne komme fra thorium. Begge disse løsningene var absurde, men den første var også utrolig. Hvis thorium X i det hele 55

Fig. 10. Forsøk med thoriumhydroksyd. Den fallende kurven viser hvordan radioaktiviteten avtar i det thorium X som Rutherford og Soddy skilte ut fra thoriumhydroksyd. Den stigende kurven til­ svarer økningen i radioaktivitet fra thoriumhydroksydet etterhvert som dets thorium ble omdannet til thorium X. Som i de tidligere diagrammene er det sirklene som viser de virkelige målinger, mens kurvene er idealiserte.

tatt var et stoff, måtte det være laget av materie, og den eneste materie det kunne komme fra, var thorium. Men siden de to stoffene kjemisk sett var forskjellige, måtte de være bygd opp av forskjellige slag atomer. Med andre ord: Thorium var et grunnstoff, thorium X var et annet, og thoriumatomene måtte stadig omdanne seg til thorium X-atomer. Ingen annen konklusjon var mulig. Rutherford og Soddy måtte nå først overbevise seg selv (ikke minst på grunn av det skeptiske ekteparet Curie), og de måtte dessuten overbevise hele resten av verden. De sa til seg selv at økningen i radioaktiviteten i 56

thoriumhydroksyd kom av at thorium X uavbrutt ble produsert der inne. Men da skulle dette nydannete thorium X være like lett å skille ut som det opprinnelige stoffet hadde vært. De tok en gammel hydroksydprøve som thorium X tidligere var utskilt fra, løste den opp i salpetersyre, og tilsatte ammoniakk for å felle thorium ut igjen. I filtratet fant de den vanlige mengden av thorium X. 24 timer senere løste de hydroksydet opp igjen, og felte enda en gang. Denne gangen inneholdt filtratet en 6. del av den vanlige mengden av thorium X, akkurat så meget som man kunne vente etter 24 timer. 6 timer senere prøvde de igjen, og denne gangen var det nydan­ nede thorium X nede i en 30. del av det opprinnelige, stadig i overensstemmelse med det man kunne vente seg. Men selv om mengden av thorium X økte, betydde ikke dette nødvendigvis at det var et atomært produkt. Det kunne muligens skrive seg fra en vanlig kjemisk for­ andring, og hvis det var tilfelle, ville produksjonshastigheten være avhengig av de ytre omstendighetene. Kjemiske reaksjoner som skjer raskt i oppløsninger, kan være umulige å sette i gang med faste stoffer; oppvarming vil som regel føre til at de foregår fortere, og avkjøling til at de går langsommere. Men Rutherford og Soddy fant i en serie nye forsøk ut at thorium X ikke oppførte seg på denne måten. Det ble dannet like meget thorium X om hydroksydet var vått eller tørt, varmt eller kaldt, i oppløsning eller i fast form. Om thorium ble omdannet til thorium X, var det meget sannsynlig at thorium X kunne omdannes til emanasjon. Det var i det minste riktig at thorium X frigjorde emana­ sjon direkte proporsjonalt med dets egen radioaktivitet. Grunnstoffomdanning ga den enkleste forklaringen på alt de hadde sett i sine forsøk, men det var en radikal forestilling, og de var meget forsiktige da de skrev den avhandlingen hvor de satte fram denne teorien. Særlig gjorde de seg flid med et argument basert på energien. 57

Den nye teorien, sa de, passet utmerket med de vanlige forestillinger om energi. Ettersom radioaktiviteten syntes å være evigvarende, måtte man nødvendigvis tenke seg en måte den energien som forsvant i strålene kunne vende tilbake til radium eller uran eller thorium på. Nå kunne man i stedet anta at et thoriumatom inneholdt en viss mengde lagret energi. Det ble omdannet til et thorium X-atom, og en del av dets energi ble frigitt. Denne frigitte energien ville forsvinne ganske langsomt, og de strålene som bar den vekk, ville gradvis avta ettersom den frigitte energien i atomet ble mindre og mindre. Så ville en ny omdanning frigjøre en ny porsjon energi som emanasjonen kunne føre vekk, og deretter ville emanasjonen utløse ytterligere en energimengde til bruk for den induserte radioaktivi­ teten. På denne måten kunne «permanent» radioaktivitet forklares som en meget langsom energiforbrukende pro­ sess. Antallet av radium- eller thoriumatomer som ble omdannet ville være så lite, at det ikke ville bli noen merk­ bar forandring i det tallet som var tilbake. Det var imidlertid enda noen gåter som måtte løses, og den verste av disse var at thoriums radioaktivitet var så vedholdende. Crookes hadde greid å rense sin uranmengde helt for uran X, og dermed var hele uranets radioaktivitet borte. Soddy kunne også skille ut thorium X - tydeligvis alt det thorium X som fantes - fra thorium, men hydroksydnedfallet beholdt alltid mellom en tredje­ del og en fjerdedel av dets opprinnelige aktivitet. Dette, og et par andre detaljer, trodde de likevel ville forklares etter hvert. Etter at de nå hadde diskutert energiproblemene og gått rundt de uløste gåtene, var de klare til å gå i den fellen som deres strenge logikk hadde lagt for dem. For det første slo de fast at radioaktivitet var et fenomen som hang sammen med atomene, og dette var jo også ekteparet Curies faste overbevisning. For det andre, fortsatte de, var den «en manifestasjon av en særlig slags materie i 58

små mengder». (Denne idéen var Rutherfords spesielle bidrag til avhandlingen.) Derfor - og her gikk de i fellen måtte radioaktiviteten være et «utslag av subatomære kjemiske forandringer». Med dette hadde de gjort sitt beste. De avsluttet sin avhandling med et par avsnitt til for å gjøre den over­ bevisende, og sendte den til Chemical Society i London. For sikkerhets skyld skrev Rutherford også til Crookes som hadde hjulpet dem med thoriumnitratet, og ba om Crookes’ hjelp for å få redaktøren til å anta avhandlingen.

7 Stråler og omdanninger

Den nye teorien var tilsynelatende riktig og løfterik, men for å være helt ærlig, så hadde Rutherford og Soddy bare gitt den én grundig prøve, nemlig når det gjaldt thoriums forvandling til thorium X. Uran X ville sann­ synligvis bli dannet etter de samme reglene og Soddy gikk derfor i gang med å gjenta Crookes’ eksperimenter, men bare for å mislykkes fullstendig. Uranet forble uforandret, og det var ikke spor etter noe uran X - det var forbløffende hvor regelmessig hvert eneste nytt eks­ periment med uran ble mislykket. Dette var umulig. Crookes’ var en førsteklasses kje­ miker, og Soddy var ganske dyktig han også, men han fant ikke grunnen til sine vanskeligheter før han i des­ perasjon hadde påbegynt en nøyaktig kopiering av Crookes’ prosedyre. Crookes hadde brukt en fotografisk plate for å avsløre radioaktiviteten, og på en fotografisk plate kunne Soddy også vise at uran ikke utsendte noen stråler, mens uran X sendte ut alle. Men når han målte ioniseringen slik han hadde lært av Rutherford, fant Soddy bare stråler hos uran, og ingen hos uran X. Da Rutherford studerte ioniseringen frembrakt av Becquerels stråler i Cambridge, hadde han oppdaget at strålene fra uran var en blanding av to forskjellige slag, og han hadde gitt dem de fullstendig meningsløse navnene alfa- og betastråler. Alfastrålene produserte 60

sterk ionisering, men de hadde så liten gjennomslagsevne at et enkelt papirark kunne stoppe dem. Betastrålene, derimot, var like gjennomtrengende som røntgenstrålene og frembrakte svak ionisering. Den papirinnpakningen som hadde skjermet Crookes’ plater for det vanlige lyset, hadde stoppet alfastrålene, men hadde latt betastrålene slippe igjennom, mens Soddys ionekollektor hadde rea­ gert på alfastrålene, men ikke på betastrålene. Det så med andre ord ut som om uran sendte ut alfastråler, og uran X bare betastråler. Nå hadde Thompson vist at katodestrålene var strøm­ mer av hurtige elektroner, og Becquerel hadde litt senere oppdaget at de gjennomtrengende strålene fra radium og uran var elektroner av nøyaktig samme slag. Katode­ strålene frembrakte røntgenstråler når de traff glass­ veggen i katoderøret, og man antok at elektronene i betastrålene også frembrakte røntgenstråler, når de ble stoppet ved kollisjoner inne i det radioaktive stoffet de kom fra. Det var sannsynlig at det var disse røntgen­ strålene som svarte til den «bløte», ioniserende strålingen som Rutherford hadde kalt alfa. Samtidig med dette arbeidet en ung fysikklærer som het A. G. Grier ved McGill-universitetet med en under­ søkelse av sammenhengen mellom alfa- og betastråler hos de forskjellige radioaktive stoffene. (Grier var egent­ lig elektroingeniør, men Rutherford hadde ansatt ham like useremonielt som han hadde knyttet Soddy til seg.) Grier hadde laget et spesielt ioniseringskammer for beta­ stråler, og med det kunne han slå fast det Soddy alt hadde gjettet, at uran bare sendte ut alfastråler og uran X bare betastråler. Etter at Soddy hadde gjort unna kjemien, gikk Grier over til thoriumproduktene, og fant at thorium X sendte ut stråler av begge slag, mens thorium var hk uran og sendte ut bare alfastråler. Nå var mesteparten av arbeidet den siste vinteren slått i stykker, for hvis hver av strålene kunne dukke opp uten den andre, var det 61

tydeligvis ingen forbindelse mellom dem. Men den nye oppdagelsen var fascinerende nok i seg selv. Soddy var kjemiker, og for å skaffe seg den berømmel­ sen han ennå ikke hadde fått, hadde han sendt* de to lange avhandlingene om emanasjonen og produksjonen av thorium X til et kjemisk tidsskrift. Det betydde at ingen fysiker noensinne ville se dem, og derfor ble av­ handlingene sent på våren 1902 bearbeidet for Englands ledende fysikktidsskrift, som bar det gammeldagse navnet The Philosophical Magazine. Tidsskriftet begynte med den andre avhandlingen, som var den viktigste, og først etter omkring 6 uker ble de interessante delene av den første avhandlingen trykt. Det var på slutten av semesteret, og forelesningene var slutt. Flesteparten av de gamle eksperimentene var av­ viklet, og man hadde ennå ikke begynt på noen nye. De hadde hatt det travelt, og nå tok de det med ro en stund. Det er nettopp ved slike anledninger at idéene forandrer seg, gamle forestillinger revideres og får ny skikkelse og biter av informasjoner som tidligere syntes uavhengige av hverandre, viser seg å ha nær sammenheng. Det var noe slikt som hendte Rutherford og Soddy. Etter at de var ferdige med å beskrive de første eksperi­ mentene med emanasjon, skiftet de plutselig emne, og avsluttet avhandlingen med en ny versjon av teorien om grunnstoffomdanning. Det så ikke ut til å være noen svært stor forandring, men det var forbløffende hvor mye sterkere deres teori nå var blitt. Tidligere hadde de forestilt seg omdanningsprosessen slik: Det skjedde en forandring inne i et atom, en for­ andring i den måten det var satt sammen på, og dette førte også til at dets kjemiske oppførsel ble annerledes. Forandringen medførte en viss energimengde, som det omdannede atomet brukte til å sende ut en lang strøm av langsomt utdøende stråler. I stedet antok de nå at energien kom i et enkelt stråleutbrudd, i samme øye62

blikk som atomet omdannet seg. Utsendelsen av stråler sto med andre ord i intim forbindelse med omdanningsprosessen. Tidligere hadde de trodd at strålene var signaler som varslet at enkelte atomer allerede var omdannet. Det var da en gåte hvorledes uforandret uran og thorium kunne sende ut alfastråler. I den nye teorien ble disse strålene vitnesbyrd om de omdanninger de førte med seg. Hver alfastråle fra thorium fortalte at et atom var omdannet til thorium X. Hver stråle fra thorium X kjennetegnet at et emanasjonsatom var dannet. Strålene fra emanasjonen markerte videre at emanasjonen var omgjort til det be­ legget de kalte «indusert radioaktivitet», og strålene fra denne induserte radioaktivitet viste at det foregikk ytter­ ligere forandringer i atomstrukturen i det faste stoffet. En følge av dette var at strålingsintensiteten svarte til det antall omdanninger som foregikk. Da ble det rimelig å vente, slik deres eksperimenter alt hadde vist, at når radioaktiviteten i thorium X var høy, ville det bli en rask produksjon av emanasjon, og når emanasjonen var aktiv, ville store mengder indusert radioaktivitet bli dannet. Og endelig kunne den nye teorien gi fullstendig for­ klaring på den geometriske rekken som viste hvordan radioaktiviteten avtok. Det var ikke mulig å forandre denne nedgangen gjennom forskjellige ytre omstendig­ heter, det hadde Pierre Curies eksperimenter vist enda klarere enn Rutherford og Soddys. Det kunne altså ikke foregå noe samarbeid mellom et atom og et annet ved utsendelsen av strålene. Hadde det nemlig vært slik, ville oppvarming av atomene for å bringe dem oftere i kontakt med hverandre ha forandret deres radioaktivitet, og det samme skulle bli resultatet av krystallisering av et radio­ aktivt stoff for å holde atomene fra hverandre. Siden utsendelsen av stråler var en prosess som hvert atom utførte separat, og siden denne prosessen var ensbe­ tydende med atomomdanningen, skulle det ikke meget 63

regning til for å vise at omdanningen og utsendelsen av stråler måtte skje ved en geometrisk rekke. En teori er nyttig når den forklarer ting som allerede er kjent, men den er like nyttig når den peker på nye forsøk som kan gjøres. Den nye omdanningsteorien greide begge deler. Den foreslo et hittil uprøvet forsøk som Rutherford fant uimotståelig: Å undersøke hva alfastrålene egentlig var. Så lenge de var ansett som en bivirkning av betastrålene, hadde de knapt vært verd å undersøke. Men nå visste han at de spilte en rolle i de aller første omdanningene, både hos uran og thorium. Og videre forstod han at de ikke nødvendigvis behøvde å være røntgenstråler. Det faktum at alfastrålene tok med seg energien fra et omdannet atom i et enkelt utbrudd, kunne tyde på at de slett ikke var stråler, men heller korpuskler - det vil si en slags flyvende subatomære artikler som betastråleelektronene. Ettersom den induserte radioaktiviteten ble tiltrukket av negativt ladde plater, måtte de atomer som sendte den ut selv være positivt ladde. Disse atomene kom fra emanasjonsatomer, som hver hadde mistet en alfastråle, og det syntes derfor sannsynlig at alfastrålene hadde fjernet den manglende negative ladning. Hvis dette var tilfelle måtte disse hurtiggående negativt ladde partiklene bli påvirket av et magnetisk felt. Når en elektrisk ladning beveges gjennom et magnetisk felt, blir den påvirket av en mekanisk kraft som står loddrett på kraftlinjene i det magnetiske feltet og også står loddrett på ladningens bevegelsesretning. En ladd partikkel blir derfor avbøyd når den går gjennom et magnetisk felt, men graden av avbøyningen vil avhenge (på en ganske komplisert måte) av hva slags ladning den bærer, hvor stor masse den har, den hastighet den beveger seg med, og styrken av det feltet den går igjennom, (fig. H). Litt over 2 år tidligere hadde Pierre Curie prøvet 64

Magnetisk felt

Fig. 11. Ioner i et magnetisk felt. Når et ion beveger seg gjennom et elektrisk felt, blir det også påvirket av en kraft som står vinkelrett på feltets kraftlinjer og på ionets bevegelsesretning. Kraftens retning er avhengig av om ionet er positivt eller negativt ladd.

virkningen av et magnetfelt på strålene fra radium. Han fant at betastrålene ble sterkt avbøyd fordi de elektronene som utgjorde strålene ble avbøyd, og alfastrålene fort­ satte rett fram. Strengt tatt hadde imidlertid hans eksperi­ menter bare vist at alfastrålene ikke ble meget avbøyd, og Rutherford gjorde undersøkelsen nøyaktigere. Han plasserte litt radium i den ene enden av et smalt kammer og satte sin ionekollektor opp i den andre enden. Han monterte kammeret mellom polene i laboratoriets elektromagnet, og forsøkte så å finne ut om flere stråler 5. Atomet

65

slapp gjennom hvis magneten var slått av. Vanskelig­ heten med dette forsøket var at hvis han gjorde kammeret svært smalt, ville det ikke slippe gjennom så mange stråler at ionekollektoren kunne registrere dem, og hvis han utvidet kammeret for å øke ioniseringen, ville en alfapartikkel kunne bli avbøyd uten å treffe kammerets vegger. Forsøket kunne lett forbedres ved å øke styrken av strålingen. Med hjelp av Pierre Curie overtalte han en fransk produsent til å selge seg en blanding av barium og radiumklorider som inneholdt mer radium enn vanlig. En annen forbedring var å gjøre kammeret både vidt og smalt, og dette greidde Rutherford ved å konstruere en Uten metallboks oppdelt i åpninger med et sett av lange parallelle plater som skapte et stort antall meget smale passasjer ved siden av hverandre. En tredje forbedring var å øke følsomheten i stråledetektoren, og dette greide han ved å bytte ut den vanlige ionekollektoren og elektrometeret med et gullbladselektroskop av ny konstruksjon som han plasserte rett over platene. (Dette elektroskopet, som vises på fig. 12, besto ganske enkelt av en smal metallplate som var festet i en isolasjonsplugg øverst, og et tynt gullblad som var hengslet til metallplaten nær toppen. Om metallplaten ble ladd, fikk gullbladet den samme ladningen, og ettersom like ladninger frastøter hverandre, ville det lette gullbladet bli skjøvet ut fra platen slik at det dannet en vinkel. Ioner som var dannet av alfastråler og kom opp mellom platene ville bli tiltrukket av bladet, og etter hvert som de støtte sammen med det og utladet det ville bladet gradvis synke. Rutherford kunne iaktta dette fallet gjen­ nom et mikroskop som han så inn gjennom et glassvindu i beholderen med, og han kunne måle den tiden bladet brukte når det beveget seg nedover en skala som var malt på mikroskopets okular. Slik fikk han målt gullbladets fallhastighet, som var et uttrykk for strålenes intensitet.) 66

Hydrogen inn

Fig. 12. Rutherfords alfastråledetektor. Hydrogen ble blåst inn i røret øverst for å feie vekk emanasjonen fra radium, og blyplaten be­ skyttet elektroskopet fra de gjennomtrengende strålene fra radium. Den bøyde elektroden som stikker ut av elektroskopet øverst kunne dreies vekk fra metallbladene etter at disse var ladd, og hindret dermed elektrisk lekkasje. Alfastrålene kommer opp gjennom spaltene nederst, lufta blir ionisert og gullbladet utlades. For å undersøke den virkning et magnetfelt har på alfastrålene, arrangerte Rutherford apparatet slik at spaltene kom mellom polene på en elektromagnet.

67

Når nå nytt radium ble spredd ut over bunnen av apparatet, og magneten som hadde polene på begge sider av beholderen med platene, var skrudd av, så sank gullbladet på en meget tilfredsstillende måte. Og når Rutherford skrudde på magneten, var det tydelig at bladet falt langsommere, og han visste at alfastrålene ble avbøyd litt. Men dette var alt han kunne oppnå med den sterkeste strømmen han turde bruke i fysikkavdelingens magnet, og nå kom Owens ham til hjelp. De to tok fra hverandre den største dynamoen i det elektrotekniske instituttets laboratorium, og byttet ut dens poler med mindre, som de satte nærmere sammen. Så satte de inn beholderen, skrudde på strømmen og gullbladet sto ubevegelig. Alle alfastrålene ble kastet inn i plateveggene på grunn av det magnetiske feltet, og de kunne derfor ikke være annet enn hurtige, ladde partikler. På slike dager, da allting lyktes for ham, kunne man høre Ruther­ ford løpe opp og ned i hallen mens han triumferende sang «fremad, kristne soldater». Den neste oppgaven var å bestemme strålenes ladning, om den var positiv eller negativ. I et bestemt magnetisk felt vil positive og negative ladninger bli tvunget i for­ skjellige retninger, slik at det eneste Rutherford behøvde å finne ut, var hvilken vei alfastrålene ble avbøyd. For dette formålet konstruerte han en ny boks som besto av plater med en liten vinkel øverst (se fig. 13), slik at den ene siden av korridoren mellom platene ble lukket og den andre fortsatt sto åpen. Nå kunne han stoppe ioniseringen ved gullbladet med et svakere magnetfelt, men bare hvis dette bøyde alfapartiklene inn under taket i korridoren. Hvis strålene ble avbøyd den andre veien, mot åpningen i korridoren, ville de fremdeles komme gjennom, og gull­ bladet ville fortsette å falle. Da Rutherford prøvde denne nye beholderen fant han til sin store overraskelse at alfa­ partiklene hadde positiv ladning. Med andre ord måtte emanasjonsatomet, når det ble 68

I

Fig. 13. Rutherfords triumf. Med denne innretningen, som er en forbedring av boksen nederst i det apparatet som ble vist på forrige figur, oppdaget Rutherford at alfapartiklene hadde positiv ladning. Når alfapartiklene kom fra radium under spaltene og passerte gjennom et elektrisk felt, ble de avdreid i spaltene. For å finne ut i hvilken retning de ble dreid - og dermed hvilken ladning de hadde lukket Rutherford de øverste åpningene i spaltene slik at de ble meget smale. Ble partiklene dreid mot venstre, ville de støte mot dette «taket», dreide de mot høyre, ville de passere gjennom de små åpningene. 69

omdannet, miste positiv ladning med alfapartiklen som ble utsendt. Likevel kunne det nydannede grunnstoffets atomer bli positive, fordi et visst antall negative elek­ troner kunne bli slitt løs under prosessen, og ta med seg negativ ladning som til sammen overveide den positive ladningen som alfastrålene førte med seg. Alfapartiklene var forbløffende vanskelige å påvirke i magnetfeltet, så enten måtte de bevege seg med enorm hastighet, eller så var de meget tunge sammenlignet med elektroner. Det var ikke mulig å skille disse to faktorene fra hverandre med magnetfeltet alene, men dersom partiklenes retning kunne endres også med et sterkt elektrisk felt mellom to ladde plater, mente Rutherford at man kunne avgjøre saken med matematikkens hjelp. Dette nye eksperimentet var enkelt nok i prinsippet, for det eneste som var nødvendig var å lage beholderen av ebonitt og så koble platene slik at de vekselvis fikk positiv og negativ ladning. Vanskeligere var det å få dette til å virke i praksis, for alfapartiklene ioniserte luften kraftig, og de strømmer av ioner som oppsto mellom de ladde platene, hadde lett for å gå over i gnister før det elektriske feltet var sterkt nok til å kunne påvirke partiklenes baner. Han ble til slutt nødt til å nøye seg med en gjetning. Lengden og avstanden mellom platene, og den hastig­ heten gullbladet falt med, ga ham en forestilling om den kurven alfapartiklene fulgte. Når han nå beregnet dette, fant han at alfapartiklenes hastighet var omtrent 25 millioner meter i sekundet, eller omtrent 1/10 av lysets hastighet. Forholdet mellom den ladning hver partikkel bar, og dens masse, var omtrent 6 000 coulomb pr. gram. Dette fortalte mer enn en kunne tro, for nøyaktig det samme forholdet mellom ladning og masse hos en par­ tikkel hadde man konstatert ved elektrolyseforsøk. Når man sendte 9 650 coulomb gjennom passende oppløs­ ninger, ville den skille ut 108 gram sølv, 32 gram kobber, 70

eller 1 gram hydrogen. Ettersom ionene i en oppløsning var av samme slag, ville man finne forholdet mellom ladning og masse for de enkelte ionene ved å dividere denne totale elektriske ladning med massen av det stoffet som var skilt ut. Når man regner dette ut, finner man at tallet blir litt mindre enn 90 for sølv, nesten nøyaktig 300 for kobber, og 9 650, eller under 10 000, for hydrogen. Disse tallene gjør det klart at forholdet mellom ladning og masse stiger dess lettere ionene er. For elektroner hadde man høsten 1902 beregnet forholdet til å være omtrent 10 000 000, og dette store tallet var et av de indisier som tydet på at elektronene måtte være subatomære partikler - det vil si bare små deler av atomer. Man kunne nå lett forstå at alfapartiklene ikke kunne være noe i likhet med elektroner, men at de minst måtte være så tunge som vanlige lette atomer. Ettersom det tallet Rutherford hadde kommet fram til, 6 000, bare var en gjetning, var det ingen vits i å forfølge denne tanke­ gangen for å forsøke å bestemme om alfapartiklene var atomer som tilhørte et av de kjente elementene eller om de var et eller annet nytt stoff som ikke før var oppdaget. Det som hittil var slått fast, var interessant nok. Det var bare disse fakta Rutherford tok med da han skrev rapporten om sine eksperimenter. Men det sto nå helt klart at denne positivt ladde alfapartiklen, på størrelse med et atom, svarte nøyaktig til det den nye versjonen av omdanningsteorien krevde. Et atom som sendte ut en alfapartikkel måtte ganske opplagt bli meget forandret selv.

8 Grunnstoffomdanninger og energi

Men var nå denne omdanningsteorien sann ? Dette spørs­ målet kunne nok være berettiget, men bedre ville det være å spørre om den var nyttig. Vi har en tilbøyelighet til å føle oss spesielt bundet til de tingene vi kaller sanne, og vi synes det er vanskelig å slippe disse forestillingene. Det er til og med vanskelig å diskutere dem rolig når de blir dratt i tvil. Men i vitenskapen har den bitre erfaring lært oss at teorier ikke alltid varer lenge, og når en teori ikke lenger er til nytte, er det bedre at den erstattes av en annen. Omdanningsteorien hadde hittil gjort god nytte for seg, og i løpet av vinteren 1902-1903 fortsatte den å vise seg verdifull for de undersøkelser som Rutherford og Soddy foretok. Nå visste de hvilke stråler som var hvilke, og Soddy skilte litt uran X fra uran. I 4 måneder fulgte de så betastrålene fra de to preparatene. Uran X mistet sin radioaktivitet akkurat som thorium X hadde gjort det, og lik thorium syntes uranets aktivitet å øke ettersom økt betastråling viste at det inneholdt mer og mer uran X. Den eneste forskjellen var tiden: Det tok 22 dager før omdanningen av uran X var halvferdig, eller med andre ord: Uran X hadde en halveringstid på 22 dager, mens halveringstiden til thorium X bare var 4 dager. Hittil hadde emanasjonen vært en nokså mystisk forete­ else, for det finnes ikke noe mer ubestemmelig enn en 72

gass som ikke kan sees eller fornemmes på annen måte. Men nå viste Rutherford og Soddy at både radium- og thoriumemanasjonen kunne kondenseres på en tilstrekke­ lig kald flate. Maskiner som lagde flytende luft var akkurat kommet på markedet, og en av dem var innkjøpt til McGill. Så fort den var installert, lenge før den formelt ble tatt i bruk, la Rutherford og Soddy beslag på den til sine eksperimenter. De forsøkte nå å blåse luft blandet med emanasjon gjennom et spiralformet rør og under­ søkte blandingens ioniseringsevne når den kom ut av røret. Ioniseringen tok brått slutt når røret var senket ned i flytende luft, og begynte igjen når det ble varmet opp, og det var derfor god grunn til å tro at emanasjonen kondenserte i det kalde røret. Soddy brukte det nye radiumpreparatet, og greidde å samle så meget emanasjon fra radium at han kunne prøve dets kjemiske egenskaper. Ettersom heller ikke denne emanasjonen ville inngå kjemiske forbindelser, måtte den tilhøre argonfamilien den også. Produksjonen av emanasjon var den eneste radio­ aktive omdanning som ble påvirket av de ytre forhold. Radiumklorid sendte ut mer emanasjon når det var opp­ varmet eller i oppløsning enn det gjorde i sin vanlige tilstand. Og thoriumoksyd viste omtrent samme reak­ sjoner. Nå behøvde ikke dette nødvendigvis bety at pro­ duksjonen av emanasjon var endret. Det kunne godt tenkes at emanasjonen ble produsert med samme jevne hastighet, men at fuktigheten eller oppvarmingen for­ andret selve frigjøringen fra det faste stoffet emanasjonen var dannet i. Dette spørsmålet visste de nå hvorledes de skulle få klarhet over. I fast tilstand sendte radiumklorid ikke ut noen emana­ sjon. Men om emanasjonen likevel ble produsert i stoffet med jevn hastighet, så ville mengden av den emanasjonen den inneholdt vokse mot en grense fastsatt av den geo­ metriske rekken vi kjenner, hvis stoffet ble krystallisert 73

fra en oppløsning og fikk stå urørt. Rutherford og Soddy hadde nå funnet ut at emanasjonen hadde en halverings­ tid på 4 dager, og de antok derfor at radiumkloridet etter en måneds tid ville inneholde så mye emanasjon som det var mulig. Det var ikke vanskelig å finne ut hvor meget dette var. De tok en korket flaske, helte vann i den, slapp radium­ kloridet opp i vannet og blåste luft gjennom oppløsningen og inn i en gassbeholder til de var sikre på at all den emanasjonen som var innestengt var ført ut med luften. Så satte de korken godt på flasken, satte den til side, og målte den emanasjonen de hadde ført ut ved å måle den ioniseringen strålene produserte. En time og et kvarter senere blåste de igjen luft gjennom flasken, og målte på nytt den emanasjonen som fulgte med. Målingene viste nøyaktig det omdanningsteorien hadde forutsatt ut fra antakelsen av at radium ble omdannet til emanasjon med jevn hastighet. Produksjonen av radiumemanasjon var nøyaktig lik enhver annen radioaktiv omdanning. Vinteren gikk, og ut på vårparten fikk Soddy tilbud om en stilling i Ramsays laboratorium i London. Før kom­ paniskapet mellom de to vitenskapsmennene ble oppløst, skrev Rutherford og Soddy en siste avhandling som summerte opp det de hittil hadde funnet ut om radio­ aktivitet og sluttet med litt atomær aritmetikk. Dersom man kjenner massen og hastigheten til en partikkel i bevegelse, kan man beregne den energien dens bevegelse gir partikkelen. Rutherford hadde anslått alfapartiklenes hastighet når de ble sendt ut av radium, og den massen disse partiklene hadde kunne med stor sannsynlighet beregnes fra forholdet mellom deres ladning og masse. Rutherford brukte da den verdien Thompson hadde funnet fram til for et enkelt ions ladning, som var på 2 ganger 1CT20 (= 0,000 000 000 000 000 000 02) cou­ lomb. Dette betydde at hver enkelt alfapartikkel hadde en bevegelsesenergi på 10“5 (= 0,000 01) erg. (En erg 74

er en energi-mengde som omtrent svarer til det som trenges for å løfte en flue en cm i været.) Den kinetiske gassteorien sier at antallet atomer i et gram radium er 1020, og Rutherford og Soddy visste nå om 5 fortløpende omdanninger som hvert radiumatom kunne gjennomgå. Når de la disse 5 omdanningene sammen kom de fram til et tall på 108 (eller 100 000 000) gramkalorier; dette tallet svarte til den varmen et enkelt gram av radium ville gi fra seg før dets radioaktivitet var helt utdødd. (En gramkalori er den varmemengde som trenges for å oppvarme et gram vann 1°C, og dette svarer til 42 000 000 erg i energi. De kaloriene vi bruker når vi snakker om mat, svarer til 1000 gramkalorier.) Selv om hele denne be­ regningen var bygget på gjetninger, så var 100 000 000 gramkalorier uten sammenligning større enn de 4 000 som ble produsert når 1 gram vann ble dannet ved for­ brenning av hydrogen i rent oksygen. Radioaktive for­ andringer medførte betraktelig større energimengder enn de molekylære forbindelsene i den vanlige kjemien. Men den aritmetikken Rutherford og Soddy utførte var ikke slutt med dette. En annen beregning, som var litt mer komplisert, tok utgangspunkt i den samlede strøm av ioner som emanasjonen fra det nye radiumpreparatet produserte. Ut fra dette regnet de seg fram til at 1 gram radium som holdt sin emanasjon innestengt, og derfor også beholdt den induserte radioaktiviteten i sin masse, måtte sende ut energi med en hastighet på 20 000 erg pr. sekund, eller 15 000 gramkalorier i året. Det var ganske klart, at hvis radium forbrukte energi med en slik hastighet, ville det ikke ta så mange tusen år før selv det store lageret på 100 000 000 gramkalorier var forbrukt. Det radiumet som var utvunnet fra bek­ blende måtte derfor være meget yngre enn det mineralet det lå i. Da radium ble omdannet så raskt geologisk sett, var det klart hvorfor så lite radium fantes i de mineralene 75

det var utvunnet fra. Før eller siden måtte transmutasjonene ta slutt, og radiumets atomer måtte bli omdannet til de vanlige elementers stabilitet. Og hva nå disse stabile sluttproduktene enn var, så måtte de finnes i mineralet ved siden av radium. Her påpekte Rutherford og Soddy det pussige faktum at helium, den letteste i Ramsays familie av inaktive gasser, alltid ble funnet innesluttet i radioaktive mineraler. Så gikk de over til mer omfattende spekulasjoner. Radioaktive atomer ga fra seg energi, og det i meget store mengder. Men det var ingen grunn til å tro at disse atomene til radium, thorium og uran var svært forskjellige fra vanlige grunnstoffers atomer, og heller ikke at hele deres indre energi ble forbrukt ved utstrålingen. Det var sannsynlig at de stabile atomene også inneholdt et lager av energi, og hvis det fantes subatomære prosesser som kunne åpne døren for disse energiforrådene, kunne man kanskje finne forklaringen endog på den uhyre utstrål­ ingen av energi fra solen. Dette var store slutninger å trekke av så lite aritmetikk, men ennå før tallene deres ble trykt, skulle det vise seg at de ikke hadde overdrevet. I Paris begynte opplysningene om radium å samle seg opp. 21. juli 1902 bekjentgjorde Marie Curie at radiumets atomvekt var 225, og dette passet glimrende inn i det periodiske system under barium, på samme rekke som thorium og uran, akkurat som stoffets kjemiske opp­ førsel tilsa. Ved siden av dette radiumpreparatet, som var fullstendig rent, hadde Curie-laboratoriet andre prøver hvor radium og barium ennå ikke var skilt fra hverandre. Med en av disse, som veide omtrent et gram og kanskje inneholdt 1 del radium til 5 deler barium, gjorde Pierre Curie en interessant oppdagelse. Prøven med radium var varmere enn luften rundt. Han fikk hjelp av en ung forsøksassistent som het Albert Laborde, og begynte en omhyggelig undersøkelse. 76

De sammenlignet blandingen av radium og bariumklorid med en tilsvarende vekt av rent bariumklorid i nøyaktig de samme omgivelser, og fant at radiumprøven holdt seg P/2 grad varmere enn den andre. For å finne ut hvor meget varme radiumprøven sendte ut, surret de en ledning som førte elektrisk strøm til den fikk omtrent samme størrelse som den kolbe radiumpreparatet lå i, og begynte å måle varmemengden. Som en ekstra kontroll foretok de en tilsvarende måling i et Bunsen-kalorimeter, der varmen fra radium smeltet litt is. Volumforskjellen når isen gikk over til vann, viste nøy­ aktig hvor meget is som var blitt borte. Det tallet de endelig kom fram til, var 14 gramkalorier pr. time. Dette var ikke meget, men det var heller ikke svært meget radium i den prøven de hadde. På grunnlag av en beregning av dette, antok de at 1 gram rent radium ville produsere omtrent 100 gramkalorier pr. time. Et lite over­ slag viser at dette blir nesten 880 000 gramkalorier i året, eller nesten 60 ganger så meget som Rutherford og Soddy hadde kommet fram til. Kanskje hadde de to vært for forsiktige i sine beregninger, men i så fall ga de virkelige fakta bare større tyngde til deres argumenter.

9

Radium og helium

Helium var en virkelig fabelaktig gass. Den første an­ tydningen om at den eksisterte hadde man fått i 1868 under en solformørkelse, da et spektroskop innfanget lyset fra et utbrudd nær solens rand. I det spektrum man da fikk, fantes en ny gul linje, som lå nær opptil den velkjente linjen fra natrium. Etter at den franske astronomen Pierre Jules César Janssen hadde funnet fram til en måte å få solens utbrudd til å skille seg ut fra den hvite lysflaten fra selve solskiven under regi­ streringen, oppdaget han at den gule linjen og natriumlinjen fra solen ikke befant seg på nøyaktig samme sted i spektret. Det viste seg at den gule linjen tilhørte den gruppe av forskjelligfargede linjer som alle forandret intensitet samtidig med at solutbruddene flammet opp og døde vekk, og derfor syntes å henge sammen med disse. Det forbløffende var at ingen av de grunnstoffene som man kjente ga nøyaktig denne gruppen av linjer i spektret. Astronomen Norman Lockyer og kjemikeren Edward Frankland slo seg sammen for å undersøke dem nærmere, men etter en meget omhyggelig jakt måtte de innrømme at de ikke kunne finne noe grunnstoff på jorden som disse linjene kunne stamme fra. Likevel syntes det å være et grunnstoff på solen som frembrakte linjene, og på grunn av dette kalte de det nye grunnstoffet for helium, etter det greske ordet Helios, solguden. Så i 1895, da man undersøkte den første av de inaktive, 78

eller edle, gassene som nettopp var oppdaget, argon, fikk Ramsay rede på at et mineral som het cleveitt ga fra seg en gass som sannsynligvis var argon når den ble oppløst i syre. Ramsay fant raskt fram til gassen, og med Crookes’ hjelp fikk han tatt dets spektrum. Det viste seg da at gassen ikke var argon, men helium, grunnstoffet fra solen, som aldri før var funnet på jorden. Nå antydet Rutherford og Soddy at helium kunne være et av sluttproduktene fra radioaktiviteten, et av de grunnstoffene som uran og radium omdannet seg til. Etter som uran, radium og helium ble funnet sammen, var de høyst sannsynlig i slekt, og da Rutherford og Soddy skilte lag våren 1903, delte de mellom seg oppgaven å undersøke dette slektskapsforholdet. Soddy ville for­ søke å få radium fra uran, og Rutherford å få helium fra radium. I den tyske byen Braunschweig arbeidet det på den tiden en kjemiker som het Fredrich Giesel ved kininfabrikken til Buchler und Compagnie. Inspirert av den første avhandlingen til Marie Curie hadde Giesel begynt å undersøke avfallet fra raffinert uran. Han hadde på egen hånd oppdaget både polonium og radium, men alltid kort tid etter ekteparet Curie. Nå hadde han imidlertid funnet ut at bromidene arbeidet fortere enn kloridene i de utfellingene som skilte radium fra barium. I 1903 kunne han fra kininfabrikken tilby meget rent radiumbromid til rimelige priser. Ramsay hadde kjøpt noe av dette stoffet, og så snart Soddy var kommet fra Montreal, ble han satt til å kon­ struere apparaturen for å få tatt spektret til radiumemanasjonen. Dette var meget fornuftig. Ramsay hadde oppdaget argon sammen med fysikeren Lord Rayleigh, men de andre gassene i samme familie - helium, neon, krypton og xenon - hadde han funnet fram til alene. Han visste hvorledes han skulle få tatt spektret til mini­ male gassbobler, mens Soddy var den som hadde erfar79

ingen med radium. Sammen måtte de kunne hamle opp med denne nye edle radioaktive gassen som Rutherford hadde gitt navnet emanasjon. Uheldigvis gikk dette eksperimentet svært dårlig. Det eneste spektret de fikk, tilhørte karbondioksyd, som de uheldigvis hadde fått med ved en forurensning. Denne gassen kunne de imidlertid fryse vekk med flytende luft, men dermed fortettet selvfølgelig også emanasjonen seg. Soddy ventet likevel tillitsfullt, og plutselig flammet den berømte gule linjen til helium opp. Rutherford var på ferie den sommeren, og ved et rent tilfelle befant han seg den dagen i London. Han hadde kjøpt med seg litt radiumbromid fra Giesel til bruk hjemme i McGill-universitetet, men han var mer enn villig til å låne stoffet ut til Ramsay og Soddy så de kunne gjøre et nytt forsøk. Denne gangen så de det fullstendige spektret til helium et halvt dusin linjer, som sprer seg fra rødt til fiolett. Dette kunne bare tolkes på en måte. Helium hørte med til de gassene som ikke forbandt seg med noe. Radium kunne derfor ikke ha bragt gassen med seg fra den opp­ rinnelige malmen, og kunne heller ikke ha absorbert gassen fra luften. Den gassen som lyste under Ramsays gnister måtte være født som en gass innenfor radiumbromidets faste krystaller, og siden gassen var innfanget på den måten, måtte den ha blitt dannet etter at krystallene var utfelt fra den siste, rensende oppløsningen. Radium var nå et grunnstoff, et fullverdig grunnstoff med sin egen kjemi, sitt eget spektrum, og egen atom­ vekt. Helium var også et grunnstoff, på nøyaktig de samme betingelser. Og nå hadde man klart og liketil bevist at helium ble dannet av radium, at et grunnstoff ble om­ dannet til et annet. Hvem kunne etter dette trekke i tvil den teorien som Rutherford og Soddy så forsiktig hadde foreslått for bare 15 måneder siden?

10

Varme og radiums alfabet

Fra London reiste Rutherford til Paris, hvor han traff ekteparet Curie på samme dag som Marie Curies doktor­ avhandling var blitt akseptert ved Sorbonne-universitetet. Så slo han seg ned i Wales for en tid, men der regnet det ustanselig, og til slutt dro han tilbake til Montreal med 30 mg radiumbromid som var innkjøpt fra Giesel. Det første han forsøkte å gjøre i Montreal var å måle dette stoffets varmeproduksjon, og finne årsaken til uoverenstemmelsen mellom hans estimat og Pierre Curies målinger. Selv om denne uoverensstemmelsen godt kunne bety at han og Soddy bare hadde vært forsiktige i sine gjetninger, kunne det også bety at de hadde misforstått det som foregikk, og at de radioaktive stoffene forbrukte energi også på andre måter enn ved å sende ut alfapartikler. Rutherford ville derfor finne ut hvor godt radiums varmeproduksjon tilsvarte den ioniserende stråling stoffet sendte ut. Han slo seg sammen med Howard Barnes, som var spesialist på de varmemålinger som Hugh L. Callendar, Rutherfords forgjenger, hadde innført ved McGill. De opphetet radiumbromidet meget sterkt for å drive ut all den innesperrede emanasjonen, fortettet emanasjonen ved hjelp av flytende luft, samlet den i et lite glasskar og forseglet glasset så emanasjonen ble hermetisk innelukket. Så målte de vekselsvis den varmen som ble produsert av radium uten emanasjon, og av 6. Atomet

81

emanasjonen uten radium. I de første timene sank varme­ utviklingen fra radium etter hvert som det aktive pro­ duktet som emanasjonen hadde etterlatt seg døde ut dette aktive produktet var det Rutherford tidligere hadde kalt «indusert radioaktivitet». Samtidig økte varmeutstrålingen fra emanasjonen etter hvert som et nytt aktivt produkt ble nedfelt på glassrørets vegger. Etter hvert begynte imidlertid ny emanasjon å bli dannet i radiumbromidet, og strålingen derfra økte, mens den emanasjonen som var adskilt fra begynnelsen, gradvis døde ut. I glassrøret med emanasjonen døde varmeutstrålingen ut etter en geometrisk rekke, og i radium­ bromidet økte utstrålingen på samme måte, begge steder med en halveringstid på 4 dager. Dette var nøyaktig hva man kunne vente av disse to radioaktive stoffene når man regnet med at de sendte ut alfapartikler. Det var derfor ikke tvil om at alfapartik­ lene var de viktigste bærere av den radioaktive energien, og at denne energien ble frigjort fra atomene i samme øye­ blikk som de ble omdannet. Det var også meget tilfreds­ stillende for Rutherford og Barnes å se at selv om varmeutstrålingen i et rør økte og i et annet døde ut, så forble summen av de to konstant. Den nydannede emanasjonen som var innfanget i radiumbromidet erstattet nøyaktig det som var blitt omdannet til inaktive produkter i det andre røret akkurat slik omdanningsteorien forutsa. (Omtrent samtidig med at disse målingene ble av­ sluttet, i desember 1903, ble det kunngjort i Stockholm at Nobelprisen i fysikk for det året ville bli delt mellom Becquerel og ekteparet Curie.) Nå vendte Rutherford og Barnes seg mot det aktive produktet som radiumemanasjonen skilte ut. Også her var varmeproduksjonen nøyaktig i overensstemmelse med alfapartikkel-radioaktiviteten, og denne radioaktiviteten døde ut på en meget komplisert måte, noe Rutherford hadde visst siden han kjøpte sin første radiumprøve. 82

Tid (i minutter)

Fig. 14. Alfa- og betapartikkel-radioaktivitet fra det belegget som ble dannet av radiumemanasjon.

Til å begynne med døde den ut etter en geometrisk rekke med en halveringstid på 3 minutter. Også mot slutten fulgte nedgangen i radioaktivitet en geometrisk rekke, men nå med en halveringstid på omtrent 30 minutter. Mellom disse periodene forble radioaktiviteten konstant i 20 til 30 minutter, (fig. 14). Mye tydet på at to forskjellige stoffer var innviklet i denne prosessen 3-minutters stoffet i begynnelsen (som emanasjonen tyde­ ligvis ble omdannet til), og 30-minutters stoffet som dukket opp mot slutten av prosessen. Man kunne også anta, etter omhyggelig gransking av kurven, at et tredje stoff ble dannet mellom disse to. 30-minutters stoffet ble ikke dannet like raskt som 3-minutters stoffet forsvant. Derfor ble de atskilt på kurven med en jevn periode, som måtte tilsvare en tid da det første stoffet langsomt døde ut og det siste stoffet fremdeles ble dannet. 83

Det hele blir klarere om man også følger betapartiklenes aktivitet. Fra først av sendte det aktive stoffet ikke ut noen betapartikler i det hele tatt, og det var derfor tydelig at 3-minutters stoffet bare sendte ut alfapartikler. Hvis det grunnstoffet emanasjonen ble omdannet til hadde en halveringstid på 3 minutter, så kunne man vente at det nye grunnstoffet som ble dannet, det andre grunnstoffet i rekken, måtte bh halvveis ferdigdannet i løpet av de samme 3 minuttene. Man kunne vente at betapartikkel-aktiviteten ville stige like raskt som alfa­ partiklene døde ut, men i virkeligheten steg kurven lang­ sommere og først gradvis gikk den over til 30-minuttersstoffets avtagende kurve. Den konklusjon man nødvendigvis måtte trekke av alt dette var at det første elementet i det aktive belegget, det som ble dannet direkte fra emanasjon, sendte ut alfapartikler men ingen betapartikler, og hadde en hal­ veringstid på 3 minutter. Det andre grunnstoffet sendte hverken ut alfa- eller betapartikler, men ble i løpet av 34 minutter stille omdannet til det halve. Det tredje grunnstoffet i denne rekken sendte ut både alfa- og betastråler, og hadde en halveringstid på 28 minutter. Pierre Curie hadde svært nødig akseptert omdanningsteorien. Han kunne ikke avfinne seg med de forgjengelige stoffer denne teorien opererte med, og han foretrakk å forklare midlertidig radioaktivitet som en prosess for overføring av energi. Han forandret ikke sitt syn på dette før han med stort hell gjentok Ramsay og Soddys eksperi­ ment, og så at helium ble dannet i en prøve av det radium han hadde i Paris. (Dette hadde ikke vært noen helt lett oppgave, og han hadde fått hjelp både fra Sir James Dewar ved Royal Institution i London, og fra Henri Deslandres ved det astrofysiske observatoriet i Meudon for å få et spektrum som ikke var forstyrret av forurens­ ninger i radiumprøven). Og da han nå hadde akseptert omdanningsteorien, 84

begynte han øyeblikkelig å måle og analysere alfapartikkel-aktiviteten fra radiumemanasjonens utfelling på omtrent samme måte som Rutherford gjorde. Han kom fram til at emanasjonen ble omdannet til et stoff A med en halveringsperiode på 2,6 minutter, som så ble omdannet til stoffet B med en halveringsperiode på 21 minutter, og igjen ble omdannet til stoffet C med en halverings­ periode på 28 minutter. Bokstavene var praktiske for å skille det ene grunn­ stoffet fra det andre, og sommeren 1904 hadde også Rutherford tatt disse betegnelsene i bruk, og kalte de tre stoffene radium A, radium B og radium C. De matematiske argumentene omkring disse tre grunn­ stoffene var enda mer overbevisende enn de vi hittil har holdt oss til. Det var ikke vanskelig å sette opp ligninger («differensialligninger» i det matematiske språket) som fastslo økingen av et radioaktivt grunnstoff etter hvert som det foregående stoffet ble omdannet, og grunn­ stoffets samtidige omdanning til det neste element i kjeden. Disse to prosessene kunne så balanseres mot hverandre. Og når ligningene var satt opp, kunne de lett løses, og man kunne dra kurver etter disse løsningene som viste hvor meget det fantes av et grunnstoff på et bestemt tidspunkt. Rutherford antok, for å ta et enkelt eksempel, at han begynte med radium A alene. Fra denne begynnelsen kunne han utarbeide 3 kurver som viste hvor hurtig radium A ble omdannet, hvor hurtig radium B vokste fram, og hvor hurtig radium C fulgte etter, (fig. 15). Rutherford hadde antatt at radium A og radium C var de eneste som sendte ut alfapartikler. Hvis disse partiklene hadde samme ioniserende evne, ville han få den kurven som tilsvarte den samlede alfapartikkelstrålingen for hele stoffet ved å legge sammen de kurvene han nettopp hadde tegnet for radium A og radium C. Den kurven han kom fram til var stort sett hk den han hadde tegnet etter de tidligere eksperimentene, som vi 85

1000

86

har vist på fig. 14. Et nøyere studium av disse 2 kurvene forklarer forskjellen. «Pukkelen» på den matematiske «radium A pluss radium C» kurven er meget høyere enn den i eksperimentkurven og dette betyr at radium C ioniserte svakere enn radium A i de tidligere målingene. På eksperimentkurven begynner også pukkelen noe tid­ ligere, og dette kan forklares ved at oppsamlingen av det aktive belegget hadde tatt lang tid, slik at radium C hadde begynt å bli samlet før målingene tok til. Det aktive belegget fra radium døde ut i løpet av noen få timer, og i begynnelsen ble det antatt at dette betydde slutten på radiums-radioaktivitet. Men så oppdaget ekte­ paret Curie at det gamle bunnfallet ble aktivt på nytt, og etter at Rutherford nå - i begynnelsen av 1904 hadde gjort seg ferdig med radium A, B og C, begynte han å undersøke dette fenomenet. Han hadde noen ganske rike bunnfall i emanasjonsrørene fra sine oppvarmingseksperimenter, løste dem ut og begynte å følge med i hva som skjedde. Fra dette nye stoffet kom både alfa- og betapartikler i en radioaktivitet som døde meget langsomt ut - hvis den da ikke holdt seg konstant. Dette nye stoffet kunne kanskje være polonium, for ettersom polonium ble skilt ut fra de samme malmer som radium, kunne det muligens stamme fra radium. Pussig nok var denne nokså tvilsomme påstanden det eneste som med sikkerhet kunne sies om polonium. Marie Curie hadde skilt polonium ut sammen med vismut, og ifølge henne sendte polonium ut bare alfa­ partikler i en meget langvarig radioaktivitet. Giesel Fig. 15. Forutsigelse av omdanninger. Kurvene øverst viser det beregnede antall atomer radium A, radium B og radium C som ville finnes i et bestemt øyeblikk i omdanningsprosessen om man begynte med 1000 atomer radium A. Den nederste kurven laget Rutherford ved å legge sammen kurvene for radium A og radium C i det øverste diagrammet. Den skulle vise det radioaktive beleggets samlede alfapartikkelstråling. 87

(som hadde fremstilt det rene radiumbromidet som Rutherford nå brukte og også det som Ramsay og Soddy hadde brukt til å lage det første spektrum fra helium) var også vant til å skille polonium ut sammen med vismut, men hans stoffprøve sendte ut betapartikler og hadde ganske kort varighet. Og dernest hadde man det såkalte radiotellur som var funnet av professor Willy Marckwald fra universitetet i Berlin da han undersøkte noe avfall fra Joachimsthal. I likhet med Curienes polonium sendte dette stoffet bare ut alfapartikler, og Marckwald hevdet at det hadde konstant radioaktivitet. Han hadde anstrengt seg for å vise at stoffet ikke var vismut (og derfor sann­ synligvis heller ikke polonium), og hans mest overbe­ visende demonstrasjon av dette var, at når en vismutstang ble dyppet i en oppløsning som inneholdt radio­ tellur, ble radiotellufet øyeblikkelig utskilt på overflaten av vismutstangen. (En jernspiker forholder seg på samme måten om den blir dyppet opp i en oppløsning som inne­ holder kobber; kobberet vil da danne et belegg på spikeren. Dette betyr at det metallet som dyppes opp i oppløsningen, lettere vil løse seg opp i vann eller svake syrer enn det metallet som skilles ut). Forsøket til Marckwald var det enkleste kjemiske forsøk som kunne tenkes, og når Rutherford dyppet en vismutstang opp i sin oppløsning av det aktive bunnfallet, ble stangen dekket med dette stoffet og sendte ut alfa­ partikler. Enda viktigere var det at disse alfastrålene svarte nøyaktig til strålene fra en tilsvarende prøve innkjøpt radiotellur når det gjaldt gjennomtrengningsevne. Meget snart oppdaget han også at oppløsningens alfaaktivitet langsomt steg, og dette tydet på at det betastrålende stoffet oppløsningen inneholdt, kunne være opphavet til radiotellur. Et annet forvirrende stoff var radioaktivt bly. Det stammet fra bekblende ved de kjemiske prosessene som frembrakte bly, og de rapporter som var laget om dette 88

stoffets radioaktivitet var minst like forbløffende som rapportene om polonium. Rutherford hadde fått en prøve som var fremstilt av Bertram B. Boltwood, en tidligere kjemiker fra Yaleuniversitetet som nå var travelt opptatt med forskning i sitt eget private laboratorium. Når Rutherford løste denne prøven opp og dyppet vismutstangen opp i oppløsningen, fikk han på ny et alfautstrålende stoff på stangen, og det som ble igjen sendte ut betastråler. Samtidig med disse undersøkelsene samlet Rutherford opplysninger om det aktive bunnfallet. Hans metode var nå å utsette en negativt ladd platinastrimmel for emanasjon i 4 dager. Etter dette ville betapartikkelutstrålingen fra strimmelen stige på den velkjente geo­ metriske måten, slik at strålingen hver 6. dag hadde tatt igjen halvparten av det som manglet for at den skulle nå en fremtidig, jevn verdi. Dette måtte bety at det var noe på platinastrimmelen som ikke sendte ut beta­ stråler, men som omdannet seg med jevn hastighet til et stoff som gjorde det. Dette nye stoffet, som sendte ut betastrålene hadde en halveringstid på 6 dager. Til slutt sendte strimlen ut alfapartikler, og hvis han nå varmet den opp, ville denne utstrålingen ta slutt, og det måtte bety at det stoffet som sendte dem ut, hadde fordampet. Samtidig ville betastrålingen også stoppe og i stedet gå over til en vanlig geometrisk av­ tagende rekke med 6 dagers halveringstid, og dette måtte bety at betastrålingens forløper også hadde fordampet. Og ventet han enda litt, ville alfapartiklene komme til syne igjen etter hvert som betapartiklene fra strimlen døde vekk, og dette gjorde det klart at betastrålesenderen ble omdannet til et stoff som sendte ut alfastråler. La oss nå sette inn alfabetiske navn. Det så altså ut som om radium C ble omdannet videre til et stoff radium D, som ikke sendte ut stråler og hadde nokså lang levetid. Radium D ble omdannet videre til radium E, som sendte 89

6-

Radium 1300 år

£

Radium A 3 min.

Emanasjon 4 døgn

Radium C 28 min.

Radium B 1 21 min.

Radium E 6 døgn

Radium D 40 år

j

Radium F 143 døgn

Fig. 16. Radiums omdanningsrekke.

ut betapartikler og hadde en halveringstid på 6 dager, og radium E til radium F, som sendte ut alfapartikler og hadde en halveringsperiode på 143 dager (fig. 16). Et meget dyktig team av radioaktivitetsforskere arbeidet på denne tiden ved universitetet i Wien. Det var fysikeren Stefan Meyer og Egon von Schweidler, som var spesialist på fysikalsk kjemi. Disse to hadde studert radiotellur, og de oppga at dette stoffets halveringstid var 135 dager. Marckwald hadde etter en offentlig debatt med Soddy innsett at ingen radioaktivitet kunne være fullstendig permanent og han hadde satt to unge fysikere ved navn Heinrich Greinacher og Karl Herrmann til å undersøke radiotellur nærmere. Disse 2 fant fram til en halverings­ tid på 139,8 døgn. Det var nå sikkert at radium F og radiotellur var samme stoff. Det var fremdeles tvilsomt om polonium var et tredje navn på det samme stoffet. Marie Curie påstod dette, men Marckwald forble tvilende inntil hennes målinger med polonium utskilt ved hjelp av hennes egne kjemiske metoder ga en halveringstid på 140 dager. Da ga han seg, og trakk navnet radiotellur tilbake. «... a rose by any other name would smell as sweet,» erklærte han, og denne Shakespearske overgivelse ble Rutherford så begeistret for at han pratet om det i sitt laboratorium i dagevis. Det viste seg også at Giesels betastrålende polonium hadde en halveringstid på 6 dager og derfor trolig var det samme som radium E. Radium E viste seg å være det stoffet-som ble utskilt som radiobly, og ettersom det 90

opprinnelige radium D alltid ble omdannet til radium E, som igjen nokså raskt ble til radium F, var de tidligere kjemikeres forvirring forholdsvis lett å forklare. Jo lengre de ventet mellom sine forsøk, jo mer komplisert ble stoffprøvene. Våren 1905 hadde Rutherford utarbeidet hele rekken av omdanninger, selv om diskusjonen om polonium fortsatte helt til sommeren 1906. Omdanningsteorien hadde vist seg glimrende egnet til å løse problemene i radiokjemien, men det skulle vise seg at dette ikke be­ tegnet grensen for hva den kunne greie. Omdannings­ teorien kunne også identifisere den ikke-radioaktive etter­ kommer av radium F på en fornuftig måte. Boltwood hadde analysert radioaktive mineraler med stor omhu, og den betraktelige andel bly de alle inne­ holdt forekom ham meget interessant. Det var grunn til å tro at dette var en opphoping av det forbrukte radium som hadde omdannet seg gjennom emanasjonen og hele alfabetet fra A til F, og også Rutherford mente at dette var høyst sannsynlig. Om man regnet med radium, emanasjonen, radium A, radium C og radium F, fikk man en samlet utstråling på 5 alfapartikler fra hele rekken. Ramsay og Soddy’s eksperiment hadde gitt god grunn til å tro at alfapartiklene kunne være heliumatomer, og etter som helium hadde en atomvekt på 4, ville fem alfa­ partikler ta vekk 20 enheter atomvekt. Nå hadde radium en atomvekt på 225, og det grunnstoffet som ble tilbake etter at radium F hadde omdannet seg, ville da ha en atomvekt på 205. Dette stemte meget godt med den atomvekten kjemikerne oppga for bly, 206,7. Hvem skulle tro at rørleggerens tunge grå bly kunne ha hatt en radioaktiv fortid? Det var virkelig en for­ bløffende tanke.

11

Radiums ættetavle

Grunnstoffet radium var ikke funnet andre steder enn i uranmineralene, og siden stoffets levetid kunne måles i årtusener - geologisk sett meget kort tid - måtte det ha blitt dannet innenfor dette mineralet og dets stoffer. Og det eneste sannsynlige utgangspunkt for dannelsen av radium, var uranet selv. En ting var å forestille seg en slik årsaksrekke, en annen å bevise den. Soddy hadde tillitsfullt begynt på dette så snart han var innstallert i Ramsays laboratorium i London. Han løste opp et kilogram uranylnitrat i vann, blandet oppløsningen med svovelsyre, og dråpe for dråpe satte han til en oppløsning av bariumnitrat. Man kunne nå vente at det bariumsulfatet som øyeblikkelig ble utfelt, ville ta med seg det radiumet som ville være til stede, og for sikkerhets skyld gjentok han denne prosessen flere ganger. Så tettet han flasken, ventet en uke til emana­ sjonen var samlet opp fra den siste rest av radium, blåste luft gjennom oppløsningen for å feie ut emana­ sjonen, og målte dens radioaktivitet med et fint gullbladelektroskop. I en annen flaske gjorde han ferdig en oppløsning med en omhyggelig utveid liten mengde rent radiumbromid, blåste luft gjennom oppløsningen, og målte emanasjonen på samme måte. Da han sammen­ lignet resultatene, ble han overbevist om at det nå ikke var mer igjen enn 10-11 gram radium i det opprinnelige kiloet uranylnitrat, og med denne overbevisning satte 92

han flasken til side for at uranet skulle danne radium igjen. Uheldigvis var Ramsay på samme tid i full gang med sine emanasjonseksperimenter, og veggene og taket i laboratoriet, så vel som alle delene i apparatene, hadde fått et radioaktivt belegg, som stammet fra den emana­ sjonen han slapp ut i luften, og fra den som ganske enkelt unnslapp under forsøkene. Elektroskopet og elektrometrene ble ladd ut på egen hånd, og fine målinger ble umulige. Ikke før høsten 1904 da Soddy etablerte seg i et rent laboratorium for seg selv i universitetet i Glasgow, kunne han komme videre. Men da fant han til sin skuffelse at det lille gram radium han kunne oppspore i uranylnitratet, var mindre enn en femhundredel av det han ventet seg. Nå var det en annen brukbar fremgangsmåte for å undersøke om radium stammet fra uran, og det var å finne ut om forholdet mellom radium og uran i for­ skjellige mineraler var det samme eller ikke. Grunnlaget for denne tankegangen var loven om en bestemt halv­ eringstid ved all radioaktiv omdanning. I allminnelighet uttrykte man denne ved å si at en halvdel av et bestemt element ble omdannet i løpet av en viss mengde minutter, timer eller døgn. Denne halvdelen var valgt av praktiske grunner - i virkeligheten kunne man komme med samme slags utsagn selv om man brukte andre deler. (Radiumemanasjonen hadde en halveringstid på 4 døgn, en sjette­ del av stoffet ble omdannet hver 25. time, og en tiendedel hver 14,5 time. Loven kunne også uttrykkes slik at en bestemt del av et grunnstoff alltid blir omdannet i en bestemt tidsperiode (en time, et sekund eller en annen tidsenhet). For radiumemanasjon ville tallet her bh 72 titusendeler hver time, eller 42 tusendeler i døgnet. For uran var imidlertid denne delen utrolig Uten over en rimelig tidsperiode. Praktisk sett kunne man si at fra år til år, eller endog fra århundre til århundre, forble 93

antallet av uranatomer som ble omdannet det samme. Som vi flere ganger har sett blir det en gradvis oppsamling (opp mot en bestemt verdi) av det neste grunnstoff i kjeden, når det foregår en jevn omdanning av et radio­ aktivt grunnstoff. Denne faste verdien blir nådd når like mange atomer thorium X blir omdannet til emanasjon som de blir nydannet fra thorium, eller når like mange radium E-atomer blir til radium F som de blir produsert fra radium D. Og etter som antallet av omdannede atomer alltid var en bestemt del av antallet av eksisterende atomer, var følgen at den mengden av et grunnstoff som til slutt ble oppsamlet, var omvendt proporsjonal med den delen av stoffet som ble omdannet. Dette forholdet ser enklere ut når man tar mate­ matikken til hjelp, og det var alt sammen helt klart for Herbert N. McCoy, en ung kjemiker ved universitetet i Chicago. Han begynte på de nødvendige målingene i løpet av vinteren 1903-04, samtidig som Soddy i London forberedte seg på å få dannet radium direkte. Men mål­ ingene tok lang tid, for han måtte forsikre seg om at ioniseringskamrene virkelig målte det han ønsket, og da måtte han ta med i beregningen de alfapartiklene som ble absorbert av den prøven han arbeidet med. Da han endelig var ferdig våren 1905, kunne han med stor autoritet si at i de 5 forskjellige bekblendemineralene han hadde studert, var den samlede radioaktivitet nøy­ aktig proporsjonal med den mengde uran prøven inne­ holdt. Det betydde at alle de radioaktive grunnstoffene i malmen, radium inkludert, fantes i et bestemt forhold til uran, og derfor alle måtte stamme fra det. Boltwood hadde i New Haven oppdaget det samme i Rutherford og Soddy’s omdanningsteori som McCoy, men Boltwood greidde å konsentrere angrepet mer direkte om radium. Han oppløste mineralet i syre, kokte oppløsningen, målte radioaktiviteten i den emanasjonen som ble ført vekk med dampen, og bestemte på den måten 94

den mengden av radium mineralet inneholdt. Han fant i likhet med McCoy at radium og uran fantes i bestemte forhold til hverandre, først i 5 forskjellige mineraler, så i 8, og til slutt i 16 mineraler fra de forskjelligste deler av jordoverflaten. Det var nå klart at radium stammet fra uran, men ettersom Soddy ikke hadde kunnet danne noe direkte, kunne det ikke være noen enkel forbindelse mellom dem. Et annet grunnstoff med en meget lang omdanningsperiode måtte finnes mellom dem. Denne forestillingen interesserte Boltwood, og først tenkte han på actinium. Dette var et annet av de grunn­ stoffene man fikk fra bekblende, som var blitt oppdaget i Joachimsthalavfallene av André Debierne i 1899 da han først begynte å arbeide for ekteparet Curie. Boltwood hadde også litt actinium, som han en gang hadde skilt ut ved hjelp av Debiernes prosess fra et mineral han fant i Colorado, karnotitt. Han undersøkte dette stoffet om­ hyggelig, og fant til sin glede at han kunne koke vekk en betraktelig mengde radiumemanasjon fra en oppløsning av stoffet. Deretter renset han det omhyggelig, forseglet det i et glasskar, og satte det vekk for sommeren 1906. 6 måneder senere brøt han seglet, og nå fortalte emana­ sjonen det sendte ut at 8,5-10—9 gram radium var blitt dannet i glassrøret i løpet av det halve venteåret. Dette var i virkeligheten for vellykket, for Boltwood hadde målt den samlede radioaktivitet fra uranmalmene, og hans egne tall viste at actinium bidro meget lite til denne radioaktiviteten, meget mindre enn radiums stamfar nødvendigvis måtte gjøre. Det var Rutherford som fant årsaken til denne vanskeligheten da han selv forsøkte å gjenta Boltwood’s eksperiment. Det viste seg at det var en hel rekke omdanninger også fra actinium. Rekken gikk gjennom et radioactinium og et actinium X til en meget kortlevd emanasjon og et aktivt belegg (fig. 17). Rutherford fulgte nøye med i veksten og minkingen i 95

I Actinium

fr b

6-

fr

'I

Actinium X 10 døgn

i

Actinium A 36 min.

i ..

Radio-actinium 19 døgn

Emanasjon 4 sek.

Actinium B 2 min.

Fig. 17. Actiniums omdanningsrekke.

aktivitet i de forskjellige oppløsningene, og han fant at radium ble dannet i en løsning som ikke inneholdt actinium, men bare radioactinium, og for å gjøre det enda verre, at radium ble dannet langsommere enn radio­ actinium ble omdannet. Siden radiums stamfar nødvendigvis måtte være der radium ble dannet, så måtte dets kjemi være lik radioactiniums kjemi. Ved å følge denne tanken greide Bolt­ wood å oppspore stoffet tidlig i 1907. Det stammet virkelig fra uranmalmer, kunne utskilles på samme måte som thorium, hadde en høy radioaktivitet med utstråling av alfapartikler, og sendte ut stadig økende mengder av radiumemanasjon. Stoffets alfapartikler hadde en for­ bløffende lav gjennomtrengningsevne, og hele sammen­ setningen av stoffets kjemiske og radioaktive oppførsel var virkelig så annerledes fra alt annet at Boltwood følte seg sikker på at han kunne gi det et nytt navn, kalte det ionium, og hevdet at han hadde funnet et nytt grunnstoff. Sommeren 1908 ble det klart at han hadde rett. Marck­ wald og en student ved navn Bruno Keetman bekreftet oppdagelsen ved å skille ut noe som opplagt var Bolt­ wood^ ionium fra et annet uranmineral. Det eneste merkelige ved dette stoffet var dets kjemiske oppførsel, som var forbløffende lik thoriums. 96

12

Tall, alfapartikler og helium

Mens eksperimentene med radium D, E og F pågikk i 1905, lyktes det Rutherford å måle den positive elek­ trisitet som en strøm av alfapartikler førte med seg. Teoretisk sett var dette et enkelt forsøk. Han løste opp en liten mengde radiumbromid i meget vann, lot litt av denne oppløsningen fordampe fra en metallplate, slik at det ble liggende igjen et belegg med radiumbromid som var tynt nok til å la mesteparten av alfapartiklene gå gjennom, og så satte han opp en annen metallplate rett imot den første for å fange alfapartiklene og å registrere de lad­ ningene de førte med seg. Men i praksis var dette nokså vanskelig. Platene måtte stilles opp i et førsteklasses vakuum, ettersom luft mellom platene ville bidra med ekstra ioner og ødelegge målingene. Selv etterat denne vanskeligheten var unngått, viste det seg at alfapartiklene ikke bar med seg positive ladninger likevel, og grunnen var ganske merkelig. Bare halvparten av alfapartiklene ble skutt ut fra platen, fordi radium­ bromidet sendte ut partikler i alle retninger. Den andre halvdelen ble skutt innover i platen, som et slags atomært regn, og løsrev mengder av langsomme elektroner. Når Rutherford først var blitt klar over dette, fikk han brakt elektronene under kontroll med et sterkt magnetfelt, som avbøyde dem slik at de vendte tilbake til den platen de kom fra. Nå kom alfapartiklene alene, og de kunne måles. 7. Atomet

97

På den første platen lå 0.484 milligram radiumbromid, et tall som ikke var funnet ved veiing - dertil var mengden for liten - men ved å sammenligne stoffets gammastråling med tilsvarende stråling fra en større og mer håndterlig prøve. (Gammastrålene var en gjennom­ trengende art stråler, som bare ble sendt ut av noen få radioaktive stoffer. De hadde liten ioniseringsevne og var nokså vanskelige å oppdage, men på grunn av deres store gjennomtrengingsevne var de glimrende egnet til sammenligninger som denne, siden det ikke spilte noen rolle om den prøven man målte var innelukket i et rea­ gensrør eller lå åpent på en plate). Alfapartiklene fra den prøven Rutherford forsøkte med, førte med seg elektrisk strøm med hastigheten 9,8 • 10~13 coulomb i sekundet. Om vi antar at hver alfapartikkel hadde den vanlige ioneladningen (som etter Thompsons siste mål­ inger var 1,13-10-19 coulomb), så kan vi på grunnlag av dette forsøket regne ut at et gram rent radium hvert sekund sendte ut 6,2* 1020 alfapartikler. Dette er riktig­ nok et meget høyt tall (1020 er det samme som hundre milliarder milliarder, eller hundre trillioner), men det antallet atomer som utgjør et gram radium er enda større. Ifølge disse beregningene ville bare 54 av 100 000 radiumatomer bli omdannet hvert sekund, og halveringstiden for radium kunne da settes til 1280 år. Dette var den beste beregning noen til da hadde gjort, men det var ennå alt for mange gjetninger som lå til grunn. Skulle Rutherford kunne gjøre dette bedre, måtte han vite mer om alfapartiklene, og hans neste opp­ gave ble derfor å forbedre målingene av forholdet mellom deres ladning og masse. Den beste metoden å få alfa­ partikler fra den radiumprøven han nå hadde, var å utsette et stykke platinatråd for emanasjon, vente til radium A på tråden hadde omdannet seg, og bruke de partiklene som radium C sendte ut. Hvis han monterte en slik tråd under en metallskjerm med en smal spalte, 98

Til vakuumpumpe

Fig. 18. Måling av forholdet mellom ladning og masse hos alfa­ partiklene. Alfapartiklene kommer fra en platinatråd dekket med radium C, som er plassert på en V-formet blokk i bunnen av en lufttom beholder. De passerer gjennom spalten i metallskjermen, går inn i et magnetisk felt og blir registrert på den fotografiske platen øverst. Spalten har skilt ut en partikkelstråle, som blir avdreid i det magnetiske feltet (antydet ved piler). Når han visste beliggenheten for platinatråden, spalten i metallskjermen og den svertede linjen på den fotografiske platen, kunne Rutherford beregne den kurven partikkelstrålen hadde fulgt.

og i et magnetisk felt, ville en fotografisk plate som var oppstilt over alt dette, vise en smal svart linje, og på grunn av trådens, spaltens og denne linjens stilling, var 99

det lett å regne ut hvilken kurve alfapartiklene hadde fulgt (hg. 18). Dette var halvdelen av forsøket, men den andre halv­ delen var vanskeligere: å lage et elektrisk felt som kunne avbøye alfapartiklene uten at det slo gnister mellom polene. Delvis ble problemet løst med et virkelig godt vakuum, og delvis ved Rutherfords oppfinnsomhet. Det elektriske feltet han trengte kunne dannes mellom to metallplater som hadde motsatt ladning. Ved å gjøre disse platene ganske lange, slik at alfapartiklene måtte bevege seg en viss distanse mellom dem, sikret han seg at hver alfapartikkel oppholdt seg en rimelig tid i feltet. Ettersom partiklene hele tiden mens de passerte feltet ble skjøvet til siden, kunne meget forsiktige krefter fra et lite felt likevel føre til en ganske stor avbøyning. Etter hvert som han utviklet dette apparatet, fant han også ut at det lønte seg å sette de ladde platene svært nær hverandre. Forsøk fra over tretti år tilbake hadde nemlig vist, at elektriske gnister trenger en viss avstand for å utvikle seg i et godt vakuum, og at de ikke passerer over svært små avstander. Sommeren 1906 var han ferdig. Han beregnet for­ holdet mellom ladningen og massen til omtrent 5 100 abcoulomb pr. gram. Dette var ikke mer enn halvparten av forholdet fra det enkleste ionet som da var kjent, hydrogenionet fra elektrolyse, og dette var et ion som hadde fått positiv ladning ved å gi fra seg et elektron. Nå kan man halvere et bestemt forhold mellom ladning og masse enten ved å halvere ladningen - telleren i brøken - eller ved å fordoble massen - nevneren i brøken. Men det var ikke lett å tenke seg noe av dette med utgangs­ punkt i hydrogenionet. Telleren kunne neppe halveres, for det var ingen grunn til å tro at det eksisterte halve elektroner. Man kunne fordoble nevneren ved å tenke seg at to hydrogenatomer var bundet sammen til et hydrogenmolekyl, men det var vanskelig å skjønne hvor100

Alfapartikkelkilde

Fig. 19. Annet trinn i samme måling. Alfapartiklene går gjennom den smale spalten mellom to ladde plater og treffer en fotografisk plate. Underveis blir de avbøyd av det elektriske feltet.

ledes et hydrogenmolekyl kunne overleve påkjenningene ved en radioaktiv omdanning uten å bryte opp i enkelte atomer. En kunne også tenke seg at heliumatomet ble delt i to, men halve atomer var ikke særlig mer sannsynlig enn halve elektroner. Nå er 2/4 jevngodt med 1/2 i alle brøker, og vi kunne 101

kanskje tenke oss en alfapartikkel som førte med seg to ganger den ladningen et hydrogenion hadde, og sam­ tidig hadde fire ganger så stor masse. Forholdet mellom ladning og masse ville da stemme. Denne forestillingen tilsvarte et heliumatom som var blitt ionisert ved å gi fra seg to elektroner, og det var selvfølgelig en ganske fornuftig gjetning. Men det synes som om Rutherford var plaget av at han var nødt til å gjette. Han hadde allerede halvparten av de opplysningene som kunne gjøre ham sikker i sin sak, for han visste den samlede ladning som alfapartiklene tok med seg fra et gram radium. Alt han manglet var en opptelling av alfapartiklene etter hvert som de ble sendt ut. Tre år før dette hadde Crookes arbeidet med en skjerm som var dekket av fluoriscerende sinksulfid, og dette be­ legget lyste opp når det ble bombardert med alfastråler. Giesel hadde oppdaget dette, og stoffet kunne kjøpes ferdig fra Buchler und Compagnie. Ved et rent uhell hadde Crookes forurenset denne skjermen med en liten mengde radiumnitrat, og da han satte platen under mikroskopet for å lokalisere den ubudne gjesten, opp­ daget han til sin forbløffelse at lyset ikke spredde seg med et jevnt skinn over hele skjermen, men oppstod som korte serier av adskilte, ørsmå lysende glimt. Da han nå var blitt oppmerksom på dette, skulle det bare noen få forsøk til å få foreteelsen under kontroll. Radi­ umet behøvde ikke å befinne seg på skjermen, bare det fantes i nærheten, og det var tilstrekkelig med en sterk lupe for å oppdage lysglimtene. Rutherford kjente denne effekten meget godt i 1906. Han hadde brukt den regelmessig sammen med sine studenter ved McGill for å oppspore alfapartikler og finne ut hvor langt de kunne bevege seg. Det var ingen tvil om at hvert enkelt lysglimt markerte at en partikkel hadde truffet platen, men det fantes ingen garanti for 102

at hver eneste partikkel som nådde skjermen resulterte i et glimt. Det var ingen som visste ordentlig hvordan lyset ble produsert, om sinksulfidet var følsomt over hele flaten eller bare på enkelte steder. Rutherford visste imidlertid at et følsomt elektro­ meter ville gi et merkbart utslag om det ble utsatt for alle de ionene som en enkelt alfapartikkel kunne pro­ dusere. Han forsøkte derfor flere oppfinnelser som samlet ioner, men forskjellen mellom det som burde skje og det som virkelig skjedde var nesten for liten. Man kunne ikke stole fullstendig på et elektrometer. I begynnelsen av 1907 ble undersøkelsene avbrutt. Professor Arthur Schuster ved universitetet i Man­ chester i England ville svært gjerne tre tilbake, og han var like ivrig etter å få Rutherford som sin etterfølger. Rutherford hadde gjort det bra ved McGill. Han hadde nå en sikker posisjon, og helt fra begynnelsen av hadde han hatt nok tid og penger til sin forskning. Ikke desto mindre lå McGill-universitetet avsides. Verdens viten­ skapelige sentrum lå fremdeles i Europa, og over hele det nordamerikanske kontinentet forble forskning i fysikk en luksus som selv rike universiteter knapt hadde råd til å drive. For å komme begivenhetenes sentrum nær­ mere, bestemte Rutherford seg til å flytte, og i midten av mai, etter at undervisningsåret var avsluttet, dro han med skip fra Quebec til sin nye stilling i England. I Manchester hadde en ung tysker ved navn Hans Geiger, som nettopp hadde fått sin doktorgrad ved uni­ versitetet i Erlangen, allerede slått seg ned. Geiger hadde et rent forskerstipend; han skulle hverken undervise eller studere ved universitetet, hans eneste oppgave var å drive forskning. Rutherford var alltid full av prosjekter, og snart var Geiger i full gang med å utvikle ioniseringsmetoden til en praktisk måte å telle alfapartikler på. Dette viste seg ganske enkelt å være et spørsmål om oppfinnsomhet, men det vil ikke si at det var noen lett 103

oppgave. Grunnlaget for prosjektet var imidlertid kjent. Det skrev seg fra en oppdagelse av John S. Townsend, en gammel venn av Rutherford fra Cambridge-tiden, og fra den tiden da Rutherford nettopp var kommet til Montreal. Rett før dette, da Rutherford og Townsend hadde arbeidet sammen med røntgenstråle-ioniseringen, hadde de funnet en ganske lettvint måte å samle alle ionene i et rom mellom to ladde plater like raskt som røntgenstrålene produserte dem. Når denne tilstanden først var nådd, kunne ingen økning i spenningen mellom de oppsamlende platene bringe flere ioner inn i rommet, og de pleide da å si at ionestrømmen var «mettet». Men så hadde Townsend oppdaget at en virkelig stor økning i spenningen kunne øke ionemengden utover, dette «metningspunktet». Det var ikke så vanskelig å forklare hva som skjedde. Under vanlige forhold ville et ion som beveget seg fra det stedet det ble fremstilt til oppsamlingsplaten støte borti nøytrale molekyler i lufta nokså mange ganger, men det ville bestandig bevege seg så langsomt at det ganske enkelt prellet av mot molekylet og fortsatte sin bane. Men med den høye spenningen Townsend brukte, ble det elektriske feltet som beveget ionene så sterkt at det øket deres hastighet mellom kollisjonene. Dette med­ førte at ionene nå og da traff et molekyl med en slik kraft at et elektron ble løsrevet. Dermed ble det dannet to nye ioner i tillegg til det opprinnelige antallet, og ettersom også disse ionene kunne ionisere de molekylene de støtte sammen med, ble det ikke vanskelig å bygge opp en ionisering som var hundrede eller endog tusen ganger større enn den opprinnelige. (Etter dette kan vi forresten forstå afdet var en fordel at Rutherford satte de ladde platene tett ved hverandre i eksperimentet for å finne ut forholdet mellom ladning og masse hos alfapartikkelen. I et godt vakuum ville det være ganske få gassmolekyler tilbake i den smale spalten 104

mellom platene. Et ion som tilfeldigvis befant seg i dette rommet, kunne vanligvis passere mellom platene uten å møte et eneste molekyl, og hadde dermed ingen sjanse til å øke antallet av ioner så meget at det kunne dannes en gnist). Rutherford og Geiger lånte noen detaljer fra Townsend, eller rettere sagt fra en ung matematiker ved navn P.J. Kirkby, som hadde arbeidet under ham. De tok et langt tynt messingrør, satte ebonittkorker i begge ender, og strakk en tynn metalltråd tvers igjennom røret og proppene. Gjennom et hull i en av korkene, dekket med en tynn glimmerplate, strømmet alfapartiklene inn i røret, og et 1400 volts batteri gjorde metalltråden positiv og røret selv negativt. I dette røret hadde Kirkby vist at bare de frie elektronene, som ble drevet innover mot tråden, ville samle nok energi til å ionisere når de kolli­ derte. De positive ionene ville bevege seg langsomt og uskadelig utover, mens en stadig økende elektronsky ville storme sammen mot sentrum. Når de samtidig nådde tråden, ville dennes ladning plutselig falle sterkt, og dette

Fig. 20. Det vellykkede tellerøret. Alfapartiklene kommer inn i dette messingrøret gjennom glimmervinduet til venstre. Røret har negativ ladning, mens tråden i rørets sentrum er positivt ladd og knyttet til et elektrometer. Dette er den opprinnelige modell til vår tids velkjente Geigerteller. 105

ville gi sterkt utslag på et elektrometer som var for­ bundet til tråden. Deretter ville batteriet langsomt gjenopplade tråden, og røret ville være klart til å ta imot neste alfapartikkel. Det første røret som ble bygd etter dette prinsippet telte utmerket da alfapartiklene ble sluppet inn - og fortsatte like godt når partikkelstrømmen ble stanset. Feilen syntes å ligge i rørets «naturlige radioaktivitet», og denne ble ganske enkelt redusert ved at det neste røret ble laget kortere og smalere. Dermed ble dets metallmasse redusert, slik at faren for andre alfapartikler enn dem som ble sendt inn utenfra, minsket sterkt. Etter at de hadde funnet fram til en pålitelig form på røret, begynte de å telle. Det gikk langsomt fordi elektrometret brukte god tid på å registrere hver enkelt partikkel, og de kunne ikke greie å holde regning med mer enn 5 alfapartikler i minuttet. De trengte ikke meget radium C for å holde tellerøret med arbeid, men det spilte ingen rolle, for om de ønsket å bestemme prøvens mengde, kunne de bare sammenligne dens gammastråling med gammastrålingen fra en større, nøye veid prøve radiumbromid. Da de var ferdig med målingene, kunne de si med en ganske stor grad av sikkerhet at et gram rent radium ville sende ut 3,4- 1O10 alfapartikler pr. sekund. Ruther­ ford hadde to år tidligere, i Montreal, trodd at antallet var dobbelt så stort, men da hadde han gått ut fra at hver alfapartikkel hadde like stor ladning som et enkelt elektron. Tellingen hadde gått så glimrende at Rutherford fant det umaken verdt å måle alfapartikkelstrømmen igjen. Når han først hadde funnet fram til det tallet, ville en enkel divisjon av det totale antall alfapartikler med sum­ men av den ladning de førte med seg, gi hver enkelts ladning. Dette viste seg å bli 9,3-10—10 «elektrostatiske enheter». 106

Elektronets ladning (som ganske bestemt måtte være ladningsenheten i den atomære verden) var blitt målt flere ganger i løpet av de fem foregående år. J. J. Thompson hadde kommet fram til tallet 3,4- 1O~10 (i elektrostatiske enheter), og H. A. Wilson, også ved Cavendishlaboratoriet, hadde anslått ladningen til 3,1 • 10“10. Senere mål­ inger som R. A. Millikan og Louis Begeman ved uni­ versitetet i Chicago hadde foretatt, anslo ladningen til å være 4,06-10-10. Det var mulig (men lite sannsynlig) at alfapartikkelen hadde en enkelt elektronladning, og det var meget trolig (og svært sannsynlig) at det hadde to slike ladninger, men det kunne ikke fornuftigvis ha flere. Rutherford og Geigers tall slo fast at alfapartikkelen hadde dobbelt ladning, og den ble dermed for godt definert som et heliumatom. Videre førte disse målingene med seg at elektronets ladning måtte økes til 4,65-10~10 elektrostatiske enheter, og dette svarer til l,55-10—19 coulomb. Dette at man hadde bestemt elektronets ladning og det antall alfapartikler som ble sendt ut av et gram radium, gjorde det mulig å utføre alle slags interessante beregninger med en helt ny grad av presisjon. Vi nevner bare en av disse: Rutherford og Geiger kunne definitivt slå fast at radiums halveringstid var 1760 år. Og likevel er ikke dette slutten på historien. Da Ruther­ ford og Geiger var ferdige sommeren 1908, var det inn­ lysende for alle som ville gå med på argumentasjonen at alfapartiklene virkelig var heliumatomer. Saken var forsåvidt avgjort, men tre måneder senere fikk Rutherford en sjanse til å gjøre saken klar for selv den mest skeptiske. Rutherford hadde nå fått tak i nesten en tredjedels gram radium, som var utlånt til ham fra vitenskaps­ akademiet i Wien. En av Rutherfords studenter, Thomas Royds, var utdannet i spektroskopi hos Schuster, og hadde nå tilstrekkelig greie både på radium og på spektro­ skopet til å kunne delta i de eksperimentene som forestod. 107

0

Fig. 21. Apparat for spektrum-eksperimentet. Emanasjonen ble pumpet inn i det innerste, tynnveggede røret. De alfapartiklene som emanasjonen sendte ut, gikk gjennom veggene i dette røret og ut i det tykkveggede ytre røret, og kvikksølvet drev dem opp i det kapillære utladningsrøret øverst. Kapillarrøret hadde elektroder for høy spenning, og spektret ble dannet her. 108

Rutherford og Roy ds samlet emanasjonen fra en for­ holdsvis stor radium-mengde i oppløst stand. De pumpet emanasjonen inn i et fint tynnvegget glassrør, som hadde gitt laboratoriets glassblåser, her Baumbach, en god del vanskeligheter før det var ferdig (fig. 21). En scintillasjons-skjerm viste at alfapartiklene gikk utmerket gjen­ nom glasset. Så lukket de dette emanasjonsrøret inn i et større rør av tyngre glass, pumpet ut luften mellom de to til det oppstod et godt vakuum, og etter et par timer lot de kvikksølv trenge inn i mellomrommet for å drive de oppsamlede alfapartiklene inn i et utladningsrør som var montert øverst. Det var ikke spor av helium å se i spektret, og i løpet av de første to dagene ble det heller ingen forandring i det. Men så viste de første spor av en gul linje seg, og to dager senere dukket den grønne opp. Men det full­ stendige spektret til helium dukket ikke opp før en uke var gått. Til tross for at dette tok tid, måtte det heliumet som viste seg på spektret ha kommet gjennom den tynne glassveggen som alfapartikler, for når de to forskerne pumpet ut emanasjonen og fylte det innerste røret med helium i stedet, viste det seg intet spor av helium i spekterrøret selv etter at 8 dager var gått. Forsinkelsen kunne forklares ved at alfapartiklene som hadde trengt gjennom den tynne glassveggen, også ville trenge et godt stykke inn i veggen i det ytre, tunge glassrøret. De ville altså befinne seg i det faste glasset når de falt til ro, og det var ikke rart at de trengte tid til å arbeide seg ut. Hvis denne forklaringen var riktig, ville en blyinnfatning stoppe dem fortere, og returnere dem raskere, fordi de ville falle til ro nærmere overflaten. Følgelig gjorde Rutherford og Royds forsøket om igjen, denne gang med en tynn blyfolie rundt emanasjonsrøret, og nå viste den gule og den grønne linjen seg etter en dag, og hele spektret ble tydelig etter to dager. Som en avsluttende demonstrasjon gikk de gjennom 109

forsøket enda en gang med renset bly, og etter et par timer smeltet de blyet i et lufttomt rom for å se hva slags gasser som ble frigjort. I løpet av 4 timer ville en blyinnfatning ha samlet nok helium til å frembringe en svak gul linje i spektret, og i løpet av et døgn ville den gule og den grønne linjen være klar. Et annet stykke av den samme blyfolien, som ikke hadde vært i nærheten av emanasjonsrøret, viste overhodet intet tegn til helium. Dette var et like dramatisk forsøk som Ramsay og Soddys. I virkeligheten betegnet det fullendelsen av et tidligere eksperiment, for det gjorde det innlysende, klart hvorledes det heliumet som radium omdannet seg til, var oppstått. Og akkurat da forsøket var ferdig, kom det melding fra Stockholm om at Rutherfords arbeid med grunnstoffomdanningene var belønnet med Nobelprisen i kjemi for 1908.

13

Spredning av alfapartikler

Men vitenskapen om radioaktivitet var ikke på noen måte ferdig utformet i 1908. Det var fremdeles problemer i forbindelse med de forskjellige omdanningsseriene, med varmeproduksjonen, med den avstand en alfapartikkel ville bevege seg før hele dens energi var forbrukt til ionisering. Likevel vil det være nyttig for oss å gjøre et sidesprang til spørsmålet om spredning av alfapartikler, som Hans Geiger var beskjeftiget med fra tid til annen i årene fra 1908 til 1912. Dette fenomen, som ikke så ut til å ha noen større be­ tydning, ble først oppdaget av Rutherford da han var opptatt med å måle forholdet mellom ladning og masse hos alfapartikler med fotografiske plater. Med mindre han hadde et fullstendig vakuum i apparatet, fikk han aldri fram en skarp linje der alfapartiklene traff den foto­ grafiske platen; de viste seg på platen som en slags uklar tåkeflekk. Selv med et meget godt vakuum viste denne tåkeflekken seg hvis han la'en liten bit glimmer over den smale spalten som plukket ut alfapartikkelstrålen som skulle registreres. Det synes som om de ble avbøyd litt fra den bevegelseslinje de hadde fulgt, når de passerte nær (eller kanskje gjennom) atomer i luft eller glimmer. Avbøyningen var ikke stor, bare en brøkdel av en grad, men når man tenker over - og det gjorde Rutherford det enorme momentet en alfapartikkel i bevegelse har, og den bitte lille diameteren i atomet, var det vanskelig 111

å forstå hvordan noen avdreining i det hele tatt kunne oppstå på så kort tid eller avstand, med mindre det innen­ for atomet fantes et elektrisk felt med en ganske utrolig intensitet. Det skulle vise seg at denne spredningen av alfapartikler kunne fortelle en god del om innsiden av atomet. Proble­ met var å tenke ut en plan for å studere dette fenomenet, og finne fram til et eksperiment som kunne klargjøre i hvilke retninger alfapartiklene ble avbøyd, og hvor mange som ble sendt ut i de forskjellige retninger, når de passerte gjennom en bestemt luft- eller glimmermengde. Det var alvor den gangen Rutherford sammen med Geiger begynte å telle alfapartikler. Han trengte den beste informasjon som kunne skaffes, og han hadde ikke råd til å fuske med metoder som muligens ikke var på­ litelige. Slike krav hindret ikke den unge fysiker Erich Regener ved universitetet i Berlin. Da hans professor, Heinrich Rubens, foreslo at han skulle studere alfapartiklenes scintillasjoner, var han villig til å ta på seg oppgaven, og å finne ut hvor pålitelig sinksulfidskjermen kunne være som detektor. Regener var hendig med apparater, og han utarbeidet et beundringsverdig ar­ rangement, som var omhyggelig planlagt i alle detaljer. Hans alfapartikler kom fra en liten polonium-mengde som lå på en kobberplate, og de falt inn mot et lag sinksulfid som var malt på fronten av en glassplate. På den andre siden av glassplaten kunne han gjennom et mikro­ skop iaktta de lysglimtene som oppstod. Så begynte han å telle, om og om igjen, så lenge han kunne feste opp­ merksomheten mot skjermen, og fant til slutt fram til at hans fille poloniumstykke sendte ut omtrent 1 800 alfapartikler i sekundet. Deretter forsøkte han å beregne det samme tallet ved å gå ut fra den ioniseringen strålene produserte (han antok da at hver alfapartikkel hadde dobbelt så stor ladning som elektronet) og fant nå et 112

tall på 2 000 partikler pr. sekund - en ganske god overenstemmelse. Dette var i begynnelsen av 1908, samtidig med at Rutherford og Geiger hadde funnet fram til pålitelige tellerør. Så snart de hørte om Regener’s suksess, satte de selv opp en scintillasjonsskjerm, og de fant fram til samme verdier enten de baserte seg på lysglimtene fra skjermen eller svingningene til nålen i elektrometret. Denne scintillasjonsskjermen syntes å være glimrende egnet til å studere spredningseffekten, og endog samtidig med deres siste, riktige tellinger foretok Geiger også et forsøk for å se hva slags spredning skjermen ville vise. Han brukte et smalt, kjegleformet glassrør med et glimmervindu i den ene enden, og fylte det med radiumemanasjon for å skaffe tilveie alfapartiklene. Det kjegleformede røret ble montert i den ene enden av et større glassrør, som han pumpet så lufttomt som overhode mulig. Nær midten av røret satte han opp en metallplate med en horisontal spalte, og i den andre enden befant sinksulfidskjermen seg. Når emanasjonsrøret var fylt, viste det seg en enkel smal lysstripe på scintillasjons­ skjermen, en omvendt silhuett av spalten i metallplaten. Men hvis nå Geiger åpnet det store røret, satte et tynt gullblad over spalten, og pumpet røret lufttomt igjen, ble det lysende båndet på skjermen spredd fordi gullbladet spredde alfapartiklene, og forandret deres rette bevegelseslinjer. Bak scintillasjonsskjermen hadde Geiger satt opp et mikroskop, som var innstilt på et meget lite område av skjermen, og slik at det kunne flyttes opp og ned langs en millimeterskala. Gjennom dette mikro­ skopet kunne Geiger telle antallet av lysglimt i minuttet som traff sentret, nær det eller lenger vekk, og dermed kunne han temmelig nøyaktig beskrive hvorledes spred­ ningen skjedde (fig. 22). De kurvene han fikk ved å tegne opp tellingene sine på et diagram, viste klart at spredningen var virkelig. Selv 8. Atomet

113

Fig. 22. Geigers spredningsapparat. Det kjegleformede glassrøret til venstre i innretningen ble fylt med radiumemanasjon og for­ seglet med et glimmervindu. Det nesten 2 meter lange røret ble pumpet lufttomt. Alfapartiklene fra emanasjonen strømmet ned­ over i røret, gjennom spalten i metallplaten og mot en scintillasjonsskjerm av sinksulfid og glass i rørets høyre ende. Partiklene laget en smal, skarp lysstripe på skjermen, men hvis et gullblad ble plassert over spalten, ble stripen tåket. Gjennom et mikroskop bak scintillasjonsskjermen kunne Geiger telle lysglimtene og måle spredningen.

om bare få partikler ble avdreid så mye som en halv grad, så ble 2/3 av dem spredd til den ene eller den andre siden utenfor den rektangulære silhuetten av spalten (fig. 23). I begynnelsen av 1909, omtrent 6 måneder senere, ba Rutherford Geiger ansette en ung student ved navn Ernest Marsden, og sette ham i gang med en læreoppgave ved universitetet. (Rutherford passet godt på «guttene» sine, og de kalte ham til gjengjeld «pappa»). Marsden hadde tidligere på vinteren arbeidet for Geiger, men dette skulle være en selvstendig oppgave, for å undersøke om det fantes noen «diffus refleksjon» av alfapartikler fra overflaten av en metallfolie. Det var neppe sannsynlig at det fantes noen slik spredning, når man tok i betrakt­ ning hvor liten spredning Geiger allerede hadde sett, 114

Den vertikale høyde viser antall spredte alfapartikler i minuttet.

Fig. 23. Spredning av alfapartikler. Grafisk fremstilling av resul­ tatene med apparatet fra fig. 22. Den horisontale skala svarer til avstanden i millimeter mellom lysglimtene og sentret i det lyse båndet på scintillasjonsskjermen. Kurven A (sirkler rundt kors) viser hvordan partiklene oppførte seg når spalten i metallplaten ikke var tildekket. Kurven B (hvite sirkler) viser spredningen med to gullblader over spalten, og kurven C (svarte sirkler) med et gullblad over spalten.

115

Metallplate

Fig. 24. Geiger og Marsdens forsøk for å undersøke «diffus reflek­ sjon» av alfapartikler fra en metallplate. Fra det kjegleformede røret strømmet partiklene på skrå mot platen. Blyblokken skjer­ met scintillasjonsskjermen fra partikler som kom direkte fra røret. Gjennom mikroskopet bak skjermen kunne de to vitenskapsmenn se om platen virkelig «reflekterte» partiklene mot skjermen.

men dette ville jo bare medføre at jobben ville bli kort­ varig. Marsden satte opp et emanasjonsrør slik at alfa­ partiklene falt inn på skrå mot metallfolien, og i rett vinkel med denne stod sinksulfidskjermen som skulle fortelle om eventuelle alfapartikler som ble slått tilbake fra folien. En blyblokk mellom partikkelkilden og skjer­ men fanget opp de partiklene som var rettet direkte mot skjermen. Og så satte Marsden og Geiger seg ned i et mørkerom med sitt mikroskop, og det utrolige skjedde. Lysglimtene viste seg stikk imot forventningene (fig. 24). Med dette ble prosjektet avgjort mer interessant, og 116

de begynte å gå det nærmere etter i sømmene. Alfa­ partiklene ble reflektert fra folier av bly og gull, fra platina, tinn, sølv, kobber, jern og aluminium, og dess høyere atomvekten til metallet i folien var, dess flere alfapartikler ble sendt tilbake. De forsøkte å sette opp flere tynne gullblad bak hverandre, og etter målinger med 6 slike plater fant de ut at antallet spredde alfa­ partikler vokste proporsjonalt med tykkelsen av gullet. Dette gjorde det sannsynlig at det ikke dreide seg om noen overflatevirkning, at alfapartiklene trengte inn i og ble spredd innenfra selve metallegemet. Til slutt holdt de opptelling over det antallet partikler som ble spredd, og fant at omtrent en partikkel av hver 8 000 som falt på folien ble reflektert til scintillasjonsskjermen. Slik gikk det til at Ernest Marsden da han ble ut­ eksaminert fra universitetet i Manchester sommeren 1909 med utmerkelser i fysikk, også fant seg selv som juniorforfatteren av en avhandling som ble opplest for the Royal Society. Det gikk et halvt år til, og i februar 1910 sendte Geiger inn en egen avhandling som beskrev en lang rekke forsøk over alfapartikler som ble spredd etter å ha gått gjennom en metallfolie. Det var et detaljert og omhyggelig arbeid han hadde gjort, og avhandlingen kunne fortelle en rekke ting om alfapartiklene. Hver enkelt partikkel som gikk gjennom metallet, ville passere nær (eller gjennom) mange atomer, og hvert atom den møtte, ville avbøye partikkelen litt. I hvilken retning denne avbøyningen skjedde, var helt tilfeldig, og det samme var størrelsen; store og små avbøyninger, avbøyninger oppover, nedover og på skrå skjedde om hverandre. En representativ middelverdi for gull var 1/200 av en grad for hver enkelt avbøyning. De matematiske beregningene som fulgte disse antag­ elsene stemte glimrende overens med alle de data Geiger hadde samlet. Den eneste uoverensstemmelsen lå i Marsdens eksperiment. 117

Marsden hadde kommet fram til at en partikkel av 8 000 ville bli spredd fra folien gjennom en rett vinkel, og dette syntes å være en forholdsvis liten del. Men de nye målingene til Geiger viste at det riktige antallet skulle bli langt mindre. Når han antok at gjennomsnittsavbøyningen hver enkelt gang var 1/200 av en grad, måtte det 18 000 avbøyninger etter hverandre i samme retning til for å utgjøre en rettvinklet refleksjon, og dette var ganske enkelt utrolig. Og likevel var både Marsden’s og Geiger’s observasjoner riktige, enten det nå fantes en måte å få dem til å stemme overens på eller ikke. Slik stod sakene fra februar til desember. Masser av andre lovende undersøkelser holdt forskerne travelt opp­ tatt. Men så forsøkte Rutherford å finne fram til en for­ klaring på problemet, og det gikk ikke lenge før han lykkelig fortalte alle han traff at nå visste han hvorledes atomet så ut. Hans nøkkelforestilling var slik: Den folien alfapartik­ kelen ble skutt inn i, var bokstavelig talt nesten tom. Det var ikke sannsynlig at partikkelen ville komme nær noe som var så fast at det kunne snu dens bevegelses­ retning, og ytterst usannsynlig at dette ville skje mer enn en gang for hver enkelt partikkel i tynne folier. Hver enkelt av de storvinklede refleksjonene Marsden hadde registrert, var kommet fra et enkelt sammenstøt mellom en alfapartikkel og en eller annen form for spredningssenter i metallfolien. Rutherford forsøkte å forestille seg hva slags krefter et atom kunne utøve, og det mest rimelige var å anta at det dreide seg om elektriske krefter. Å snu en alfa­ partikkel plutselig ville kreve en meget stor elektrisk kraft, og dette betydde sansynligvis at alfapartikkelen kom meget nær spredningssentret i det øyeblikk den ble dreid rundt. La oss for å være mer konkret tenke oss at en alfa­ partikkel fra radium C ble skutt ut rett mot sprednings118

sentret i et gullatom med den vanlige hastighet av 2,09-109 centimeter pr. sekund. Hvis vi videre antar at dette spredningssentret har en positiv ladning på 100 elektronenheter, og videre at Coulombs lov kunne brukes til å beregne det elektriske tilbakestøtet mellom en positiv ladd alfapartikkel og sentret, var det lett å komme fram til at alfapartikkelen ville bli stanset først når den hadde nådd et punkt som befant seg bare 3,4-10~12 cm fra spredningssentret. Atomets radius slik det befant seg i en krystall eller i en gass kunne beregnes til omtrent 10~8 cm. Det punktet der alfapartikkelen til slutt ble dreid tilbake ville med andre ord befinne seg 3 000 ganger lenger borte fra atomets ytterste områder enn fra spredningssentret. Om spredningssentrene virkelig var så små, så var det ikke rart om alfapartiklene passerte dem nesten alle sammen på så vidt god avstand at deres bevegelse ikke ble nevneverdig påvirket. Men hvis partikkelen nærmet seg et direkte treff, kunne et slikt spredningssenter avdreie alfapartikkelen avgjørende. Coulombs lov sier at kraften mellom to elektrisk ladde legemer er omvendt proporsjonal med kvadratet av av­ standen mellom dem. På denne måten ligner den gravita­ sjonskraften, men den er meget sterkere, og kan virke frastøtende så vel som tiltrekkende, En alfapartikkel som passerte nær et bestemt spredningssentrum ville likevel oppføre seg forbløffende fikt en hurtig komet nær solen. Lovene for planetbevegelser ville passe ganske godt, og ifølge disse lovene ville kometen bevege seg langs en hyperbel. Det interessante er at hyperbelbanen ville være formet på samme måte enten partiklen ble dreid rundt et negativt ladd, tiltrekkende sentrum, eller den ble avbøyd foran et positivt ladd spredningssentrum. Vinkelen mellom den innfallende bevegelsesretning og den retning partiklen fulgte på vei utover ville avhenge av hvor nær den ville ha passert spredningssentret om den hadde fulgt en rett linje (fig. 25). 119

Fig. 25. Spredning av alfapartikler. Spredningsvinkelen avhenger av hvor nær partikkelen ville ha kommet det positivt ladde spredningssentret (den lille sirkelen) om den ikke var blitt avbøyd. De store konsentriske ringene til høyre illustrerer virkningen av spred­ ningen. Partikler som følger en bane rettet mot den ytre ringen avbøyes i en vinkel på 45°. Partikler rettet mot neste ring blir av­ bøyd 90og partikler som har retning mot ringen i sentrum blir avbøyd hele 135°.

Etter at Rutherford var kommet fram til dette, fant han snart ut hvordan han skulle konstruere et forsøk for å sette denne atommodellen på prøve. I hvert atom kunne han tenke seg en rekke ringer rundt spredningssentret, som i en skyteskive. Om han nå tok for seg alle ringene som hadde en bestemt radius, ville de tilsvare en bestemt liten del av hele den spredende platens areal. Forholdet mellom denne delen og hele platens areal 120

ville da tilsvare forholdet mellom antall alfapartikler som var rettet mot en av de utvalgte ringene, og hele antallet av alfapartikler som falt på platen. Ettersom disse alfa­ partiklene alle var rettet mot punkter som lå like langt fra spredningssentret, så ville de alle bli avbøyd i samme vinkel. Dermed ville forholdet mellom områdene også bli lik forholdet mellom det antall alfapartikler som ble avbøyd i en bestemt vinkel, og det totale partikkeltall som ble skutt mot platen. Etter dette kunne Rutherford utarbeide en formel som forutsa hvorledes hvilket som helst spredningseksperiment med alfapartikler ville falle ut. Det antall partikler man kunne vente i en bestemt retning, ville være av­ hengige av platens tykkelse, av den ladning hvert av spredningssentrene hadde, og av den hastighet partiklene ble skutt ut med. Og Rutherfords formel dekket alle disse faktorene. I februar 1911 var den ferdig, og nå ba Ruther­ ford Geiger om hjelp til å gjøre noen tellinger og se hvorledes antallet av spredte partikler var avhengig av den vinkelen man valgte å telle for. Allerede i mars hadde Geiger noen pålitelige tall klare for «proffen» (han var altfor tysk til å bruke klengenavnet «pappa»), og i april hadde Rutherford skrevet ned alle sine oppfatninger, be­ skrevet hvorledes det atomet som spredde alfapartiklene så ut, og demonstrert hvordan en kunne komme fram til formlen for spredningen. I mai - det hele foregikk nesten i avistempo - ble avhandlingen trykt i The Philosophical Magazine, og dermed var det gjort. Geiger og Marsden slo seg nå sammen på egen hånd, og begynte en om­ hyggelig og samvittighetsfull kontroll av hver detalj i spredningsformlen. De rent foreløpige tallene som Geiger hadde kommet fram til, ble holdt tilbake til denne jobben var ferdig, og Rutherford tok til med andre forsøk. Hans revolusjonerende atom-modell hvilte trygt og nesten ubemerket i de trykte sidene i en strengt teoretisk av­ handling. 121

14

Litt radiokjemi

Nå er det på høy tid at vi går tilbake til thorium, og da er vi nødt til å begynne med Otto Hahn. Han hadde begynt som organisk kjemiker i Marburg i Tyskland, og dukket opp i Ramsays laboratorium høsten 1904 for å lære seg engelsk sammen med andre nyttige erfaringer. Ramsay hadde straks satt ham i gang med å skille ut radium fra en bariumholdig del av et nytt radioaktivt mineral som var funnet ved Ceylon. Hahn hadde lite greie på den kjemien som skulle brukes til dette, men han fant fram Giesels avhandlinger, og gjorde et forsøk. Det tok ikke lang tid før han hadde funnet radium, og dessuten fant han et enda mer aktivt stoff med stikk motsatt oppførsel, som ikke ble krystallisert med bromidene, men fortsatte å holde sammen med den opprinnelige oppløsningen. Dette nye stoffet sendte ut emanasjon med en halverings­ tid på ett minutt, og emanasjonen gav et aktivt belegg med en halveringstid på 11 timer. Dette lignet svært på thorium, men det fantes ikke noe thorium som var så kraftig radioaktivt som det stoffet Hahn nå arbeidet med. På grunn av alle likhetene og på grunn av den ene slående forskjellen, døpte Hahn dette stoffet, som han følte seg sikker på var nytt, for radiothorium. Ramsay var mektig imponert, og han overtalte øye­ blikkelig professor Emil Fischer ved universitetet i Berlin til å ansette Hahn som radioaktivitetsekspert ved forsk­ ningsinstituttet der. Dette gikk litt for fort for Hahn, 122

og sommeren 1905 tok han en tur til Montreal for a samle litt erfaringer for sitt nyervervede spesialfelt. Straks etter at han var kommet, greide han å overbevise Rutherford om at radiothorium eksisterte, og at dette stoffet, og ikke thorium, var forgjenger til thorium X. Deretter fortsatte han å arbeide omtrent et års tid med forskjellige fysikalske og kjemiske problemer forbundet med thorium og actinium, og endelig drog han tilbake til sin nye stilling i Berlin. Det var ingen tvil om at radiothorium eksisterte. Både dets alfastråling og den måten det dannet thorium X på viste dette, men som kjemisk grunnstoff begynte det fort å lage vanskeligheter. Stoffet stammet fra thorium, noe både Boltwood og McCoy beviste ved å demonstrere at den samlede radioaktivitet i thorium-mineraler var strengt proporsjonal med det thorium mineralene inne­ holdt. (McCoy arbeidet nå sammen med en student fra Nova Scotia som het W. H. Ross). I Berlin gjorde Hahn en avtale med firmaet Kndffler, et kjemikaliefirma som både Rutherford og Soddy hadde kjøpt det reneste thoriumnitratet hos, og i arbeidet for dette firmaet opp­ daget han et virkelig forbløffende faktum. Forholdet mellom radiothorium og thorium forble det samme i alle de prøvene han undersøkte i firmaet, gjennom hele fremstillingsprosessen fra råmateriale til det mest raffinerte sluttprodukt. Av en eller annen merkelig grunn fjernet ikke Kndfflerprosessen radiothorium, til tross for at det i Ramsays laboratorium var blitt utskilt med stor letthet. Nå kom et brev fra Boltwood med den nyheten at han hadde et radiothoriumpreparat som hadde holdt konstant radioaktivitet over en periode på to år. Hahn visste fra sine egne målinger at to år var svært nær den tiden radio­ thorium brukte til halvveis omdanning. Derfor måtte Boltwoods prøve nødvendigvis bli selvfornyet, hvilket betydde at den sannsynligvis inneholdt en forgjenger med meget høy levetid, som ble omdannet til radiothorium 123

uten å sende ut stråler. Med dette utgangspunktet var han snart i stand til å skille ut et stoff som ikke var thorium og ikke sendte ut stråler, men som etter hvert som det ble stående, langsomt begynte å utvikle en alfapartikkelaktivitet og frigjøre spor av emanasjonen med et minutts halveringstid. Dette var opplagt det stoffet som falt mellom thorium og radiothorium, og Hahn foreslo derfor å kalle det mesothorium. Ettersom Hahn hadde fått all mulig hjelp fra Knbfflerbedriften, og mesothorium muligens kunne ha en kommer­ siell fremtid, passet han godt på ikke å si noe om stoffets kjemi. Men Boltwood forstod et tips like godt som han kunne gi et, og han skjønte at hvis radiothorium lignet meget på thorium, så kunne mesothorium utmerket godt ligne thorium X. Derfor fant han fram en gammel prøve av thorium X, som på grunn av halveringstiden på 4 dager forlengst skulle ha vært død som stein. Men det var ikke tilfellet. Nå sendte det ut en emanasjon som ikke var til å ta feil av. Thorium X måtte derfor være dannet på nytt fra radiothorium, som for sin del var kommet fra litt mesothorium i det opprinnelige preparatet. Etter dette pekte Boltwood på at den radiumprøven han hadde under­ søkt hos Ramsay hadde inneholdt mesothorium da den var ny, og at det radiothorium som Hahn så lettvint hadde skilt ut, sannsynligvis var blitt dannet mens prøven ventet på Ramsays hyller. I mellomtiden hadde McCoy og Ross arbeidet iherdig for å skille radiothorium ut fra thorium. De forsøkte alle de kunster med utfelling og krystallisering som de kjente, og gjentok noen av prosessene 40 og 100 ganger etter hverandre. Men ikke i noe tilfelle forandret forholdet mellom radiothorium og thorium seg i de materialene de arbeidet med. I slutten av 1907 gav de til slutt opp, og innrømmet likefram: «Direkte separasjon av radio­ thorium fra thorium ved kjemiske prosesser er bemerk­ elsesverdig vanskelig om ikke umulig». 124

OC^-d-d-d Mesothorium 2 6,2 døgn 1

Mesothorium I 5,5 år

,

I

।

\

Thorium X 4 døgn

i

Radiothorium 737 døgn

i

.

Emanasjon 54 sek.

Fig. 26. Thoriums omdanningsrekke.

Plutselig fant Hahn betastråleaktivitet i sin mesothoriumprøve, og med en god del komplisert matematisk omdanningsteori ble han i stand til å arbeide ut hele omdanningsrekken. Han tok for seg alle de målingene som til da var gjort av Boltwood, av McCoy og Ross, og av G. A. Blanc i Roma, og sammenlignet dem med sine egne, og han kom fram til følgende thoriumserie: Thorium sendte ut alfapartikler og ble stadig omdannet til mesothorium I. Dette ble uten å avgi stråler forandret til det andre mesothorium, og hadde en halveringstid på ca. 5,5 år. Mesothorium II, hvis halveringstid var 6,2 døgn, sendte ut betapartikler og ble omdannet til radiothorium. Radiothorium gav alfapartikkelstråling, hadde omtrent to års halveringstid, og ble til thorium X (fig. 26). Nå - sommeren 1908 - hadde oppdagelsen av ionium gitt enda en «thoriumgåte». Ionium stammet fra uran og produserte radium. Det hadde ingenting å gjøre med omdanningsserien til thorium. Da han isolerte dette stoffet, hadde Boltwood likevel oppdaget at alle de kjem­ iske reaksjoner som passet for thorium, stemte like godt med ionium. Hahn fulgte samme spor, og oppdaget det i det reneste thoriumnitratet Kndffler hadde, til tross for at det mineralet som var brukt, var meget fattig på uran, og derfor neppe hadde inneholdt et grann ionium. Og Keetman, Marckwalds student, støttet dem begge to. 125

For å få en streng kjemisk prøving, hadde han med hensikt blandet ionium med thorium, og forsøkte så å skille dem igjen. Han hadde ikke funnet noen kjemisk måte å forandre forholdene mellom de to stoffene i blandingen på. Ionium var forbløffende likt thorium. Keetman la til at den prosessen som skilte ut ionium fra mineralene også førte med seg uran X. Leseren vil kankje ha lagt merke til en viss monotoni i disse radioaktive grunnstoffenes kjemiske oppførsel. Thorium og radiothorium og ionium og uran X var alle bemerkelsesverdig like hverandre, og mesothorium I liknet thorium X. I tillegg til dette kan vi nevne andre par. I Marie Curies laboratorium ved Sorbonne (hvor hun hadde etterfulgt sin mann Pierre Curie) hadde kjemikerne Szilard og Herchfinkel gjort to forskjellige forsøk på å skille radium D fra vanlig bly, og begge var mislykkede. Og endelig oppdaget Marckwald i Berlin at det radium som forurenset Hahns første mesothorium, var nesten umulig å rense ut. Etter at Soddy hadde forlatt Ramsays laboratorium i 1904, hadde han i seks år gjort små framskritt. Hans uranoppløsninger hadde stadig ikke dannet noe radium, og når han i stedet forsøkte å arbeide med uran X, hadde han funnet at dette var et meget unnvikende stoff. Av og til ble det utfelt, av og til ikke, og han kunne ikke slå fast noe avgjort om dets kjemiske oppførsel. Så i 1910 trengte han litt mesothorium, og etter som Kndffler ennå ikke hadde brakt dette stoffet på markedet, kjøpte han litt thorianitt og begynte å skille stoffet ut selv. Han husket hva Boltwood hadde sagt, tilsatte barium til sin egen oppløsning (for å kopiere Ramsays forsøk) og felte mesothorium ut sammen med bariumsulfat. Men så viste det seg at mesothorium og barium var uventet vanskelig å skille fra hverandre. Han ble nødt til å bruke ekteparet Curies gamle metode med fraksjonell felling med alkohol. Det gikk utmerket, mesothoriumklorid 126

krystalliserte ut som han ventet, men det gjorde også en viss mengde radiumklorid, for hans thorianitt hadde inne­ holdt nesten x/3 så meget uran som thorium. Dette var helt i sin orden inntil han oppdaget at i hver eneste prøve, gjennom hele fellingsprosessen, var forholdet mellom radium og mesothorium alltid det samme, og de to stoffene ble alltid fulgt av thorium X. McCoy, Hahn eller Marckwald kunne ha tatt dette med ro, men for Soddy, som var vant til sitt unnvikende uran X, var slik likefram og bestemt oppførsel den rene åpen­ baring. Mens de andre hadde snakket om at kjemien til disse stoffene var «ytterst lik» eller «svært lik», så erklærte Soddy rett ut at mesothorium I, thorium X og radium var «identiske i kjemisk oppførsel». Han visste imidlertid godt at han ikke hadde grunnlag for å hevde så meget, og han gikk derfor straks løs på vanskelighetene. Ettersom alfapartiklene var heliumatomer, ville enhver alfapartikkel som ble sendt ut i en grunnstoffomdanning senke stoffets atomvekt med 4. Thorium hadde atomvekten 232,4 og derfor måtte meso­ thorium ha 228,4 og thorium X 224,4. Radium hadde etter direkte målinger atomvekten 226,5. Etter kjemiens ved­ tatte lover var tre stoffer med tre forskjellige atomvekter også tre forskjellige kjemiske grunnstoffer, og de kunne neppe ha «identisk» oppførsel. Soddy innrømmet dette, men regler eller ikke regler; han hadde sett det han hadde sett, og han forsterket sin argumentasjon ved å peke på den kjemiske identiteten i thoriumrekken, nemlig mellom thorium, ionium og radiothorium, hvis atomvekter var 232,4, 230,5 og 228,4. Videre var radiobly med atom­ vekten 210,5 identisk med vanlig bly som hadde 207,1. I lys av alt dette fortsatte han med å antyde at slike grupper kunne ventes også blant vanlige grunnstoffer, og at de ville vise samme heltallige forskjell i atomvekt. Når vitenskapen ikke kjente disse stoffene, var det bare fordi deres kjemiske identitet alltid holdt dem sammen. 127

Dette var en fascinerende teori, og han forlot for en stund laboratoriet for å gjennomsøke «litteraturen» etter alt som var skrevet om radiokjemi. Hele 1911 lette og leste han, og samlet det han fant i en tynn, brun bok med titelen «Radiogrunnstoffenes kjemi». Det var vel verd bryderiet, for gjennom dette arbeidet gjorde han en interessant oppdagelse om en spesiell egenskap ved det periodiske system. Når kjemikerne snakket om et grunnstoffs valens, mente de det antall bånd som et av stoffets atomer kunne knytte til andre atomer i et sammensatt stoff. Oksygen var toverdig (det vil si hadde valensen to), og hvert oksygenatom sendte ut to bånd som knyttet til seg to atomer av enverdig hydrogen og dannet et vannmolekyl. Karbon var fireverdig, og et karbonatom kunne derfor knytte til seg fire hydrogenatomer i et metanmolekyl, eller to oksygenatomer, hver med to bånd, til et karbondioksydmolekyl. Alle grunnstoffene i en vertikal gruppe i det periodiske system hadde samme valens. I første og sju­ ende gruppe fantes de grunnstoffene som var enverdige, og valensen økte etter hvert som man beveget seg fra yttersidene i systemet og innover, til stoffene i den fjerde gruppen i midten, som var fireverdige (fig. 27). Det Soddy la merke til var, at alle de radioaktive grunn­ stoffene hvis kjemi var fastlagt, hadde som valens et like tall, og det hørte derfor til en av de gruppene i tabellen som hadde like tall. Den fireverdige trioen thoriumionium-radiothorium hørte hjemme i gruppe fire (under karbon,) den toverdige trioen radium-mesothorium-thorium X i gruppe to (under beryllium). De ikke-aktive emana­ sjonene som ikke hadde noen valens, tok plass under

Fig. 27. Det periodiske system fra 1912. Forskjellen mellom dette og utgaven fra 1898 (fig. 1) er bare at det er opprettet en 0-gruppe for edelgassene, at radium er satt inn i den nederste rekken og at noen av atomvektene er forandret. 128

9. Atomet

129

medlemmene av argonfamilien i gruppe 0. Polonium hadde Marckwald plassert under tellur i gruppe seks, og det blyet som polonium ble omdannet til, fikk plass i gruppe 4. Hver gang et atom sendte ut en alfapartikkel, flyttet denne omdanningen grunnstoffet to plasser til venstre i det periodiske system. For eksempel skjedde dette når thorium ble omdannet til mesothorium I, eller thorium X til emanasjon. Men det fantes også flytninger som gikk den andre veien, fra mesothorium i gruppe to til radio­ thorium i gruppe fire for eksempel, eller fra radiobly i gruppe fire opp til polonium i gruppe seks, og så (antage­ lig) ned til gruppe fire igjen. Soddy hadde nå lært seg det som var kjent, og han hadde også oppdaget hvor man manglet kjemisk kunnskap om disse stoffene. I begynnelsen av 1912 ansatte han en ung kjemiker fra Glasgow som het Alexander Fleck til å arbeide med disse hullene i systemet, og i løpet av sommeren kom Fleck fram til resultater. I likhet med hva Keetman allerede hadde hevdet (skjønt Soddy hadde funnet det vanskelig å tro), hadde uran X samme kjemi som thorium, og ifølge Fleck også som radioactinium. Og enda en likhet: Thorium B og bly hadde samme kjemi.

15 0

De radioaktive grunnstoffene finner veien hjem

Året 1912 foreleste en ung vitenskapsmann som het Kasimir Fajans i fysikalsk kjemi ved instituttet for teknologi i Karlsruhe i Tyskland. Han var som Marie Curie født i Warsjawa i det russiske Polen, men hadde valgt Tyskland i stedet for Frankrike for sin utdannelse. Etter at han hadde tatt doktorgraden ved Heidelberg, hadde han studert og drevet forskning i Zurich et år, og deretter i Rutherfords laboratorium i Manchester et år til. Som et resultat av dette hadde han store kunnskaper om radioaktivitet, og forstod alt som Soddy hadde tatt med i sin bok. Dessuten hadde hans ferske utdannelse i kjemi gitt ham et prinsipp som så ut til å kunne bringe alle rekkene av radioaktive omdanninger i orden. Hvis vi ikke tar med de inaktive gassene, begynner en full rekke i det periodiske system til venstre med alkalier, som er «elektropositive» siden de i oppløsninger danner positive ioner, og systemet slutter med halogener, som danner negative ioner og derfor er «elektronegative». Mellom disse ytterrekkene går grunnstoffene over fra den ene ytterlighet til den andre, slik at man alltid kan si at et bestemt grunnstoff er mer «elektronegativt» enn naboen til venstre. Elektrolytisk utfelling gav en brukbar prøve på dette. Som vi vet blir polonium felt ut fra en oppløsning på en vismutstang som stikkes ned i opp­ 131

løsningen, og polonium må derfor være mer elektronegativt enn vismut, og må høre hjemme lenger til høyre i det periodiske system. o Soddy hadde allerede laget en fortegnelse over en del radioaktive grunnstoffer, som var så godt undersøkt kjemisk sett at det ikke var tvil om at de hadde plass i det periodiske system. Når det gjaldt de resterende radio­ aktive grunnstoffene, visste man i det minste hva for et stoff i et par som var mest elektronegativt. For eksempel var radium C mer elektronegativt enn radium B, radium F mer enn radium E, som igjen var mer elektronegativt enn radium D. Dette var det materialet Fajans hadde å gå ut fra, og etter hvert som han satte det sammen, skjønte han at alle de radioaktive omdanningene kunne sammenfattes under to regler. Når en betapartikkel ble sendt ut, ble det nye grunnstoffet mer elektronegativt enn det gamle, eller med Fajans’ ord, produktet var «edlere» enn mors-stoffet. (Nokså mange av de «strålefrie» for­ andringene hadde vist seg å foregå ved utstråling av langsomme betapartikler, så Fajans førte også resten av dem inn under denne regelen). Når derimot en alfa­ partikkel ble sendt ut, var det opprinnelige elementet edlere enn det nye (fig. 28). Når han brukte disse to reglene, fant Fajans plass til alle de kjente radiogrunnstoffene i det periodiske systemet, hvis han bare som Soddy hadde antydet lot være å be­ kymre seg om at flere grunnstoffer med identisk kjemi og forskjellig atomvekt måtte føres opp på samme plass. Bare på ett eller to punkter måtte han bruke sin fantasi for å løse vanskelighetene. Uran X i gruppe fire (se fig. 29) sendte ut en beta­ partikkel og skulle derfor omdannes til et grunnstoff i gruppe fem eller seks. Boltwood hadde et par år tidligere oppdaget at uran sendte ut dobbelt så mange alfapartikler som det skulle, og det kunne derfor utmerket godt finnes to forskjellige «uraner» i rekke seks. Det andre 132

133

Fig. 28. Omdanninger fra uran og radium.

0

I Au 197.2

AcEm 218.5 ThEm 220.4 RaEm 222.5

AcX2 218.5 ThX2 220.4 RaX 222.5

II

III

IV

V

TI 204.4 AcD 206.5 ThD 208.4 RaC2 210.5

Pb Bi 206.5 208.4 ThD2 RaE 208.4 210.5 RaD AcC 210.5 210.5 AcB ThCi 210.5 212.4 ThB RaCj 212.4 214.5 RaB 214.5 AcX Ac RaAc UrX» 222.5 226.5 226.5 234.5“ ThX MsTh2 RaTh 224.4 228.4 228.4 Ra IO 226.5 230.5 MsThl Th 228.4 232.4 UrX 234.5 Hg 200.6

VI RaF 210.5 ThC2 212.4 RaC 214.5 AcA 214.5 ThA 216.4 RaA 218.5 Urll 234.5 Url 238.5

Fig. 29. Det periodiske systemet til Fajans.

uranet kunne ikke komme direkte fra uran X, for det sendte ut alfapartikler, og uran X’s produkt gjorde ikke det. Fajans måtte derfor anta at Crookes’ uran X, som han nå kalte uran X15 ble omdannet til et annet, uran X2, med lang levetid, og dette sendte igjen ut langsomme beta­ partikler og ble omdannet til uran II. Det andre problemet stammet fra emanasjonene. Hvis disse ble produsert ved alfapartikkelomdanninger fra radium og fra thorium X, måtte de være mindre «edle», og dette skulle bety at de var ytterst elektropositive. Det var ikke meget man visste om de radioaktive beleggenes kjemi, men det var i hvert fall meget som tydet på at de var sterkt elektronegative, og disse beleggene kunne derfor ikke være dannet gjennom alfapartikkelomdanninger fra en elektropositiv emana134

135

Fig. 30. Omdanninger fra thorium.

sjon. Dette problemet løste Fajans ved å finne et argu­ ment for å klassifisere emanasjonene som meget elektronegative, og deretter finne opp mellomgrunnstoffer som kunne gjøre overgangen mulig. Han antok for eksempel at radium sendte ut sin alfapartikkel og ble til radium X i første gruppe. Dette nye stoffet ville være meget elektropositivt. Deretter ville radium X sende ut en betapartikkel og danne den elektronegative emanasjonen. (I thoriumserien ville et nytt stoff, thorium X2, gjøre det samme kunststykket. Fig. 30). Etter hvert som grunnstoffene kom på plass, skjønte Fajans at han kunne utvide sine regler, og ikke bare angi retningen, men også hvor langt et grunnstoff ble flyttet ved hver omdanning. Utsendelse av en alfa­ partikkel medførte flytning to plasser lenger ned (dette hadde Soddy allerede påpekt). Utsendelsen av en beta­ partikkel flyttet stoffet en plass lenger opp. Dette passet glimrende med oppfinnelsen av uran X2, men alfapartikkelregelen viste seg utilstrekkelig i tilfellene thorium X2 og radium X. Fajans brukte to lange avhandlinger til å argumentere seg fram til dette, og de ble trykt i midten av februar 1913, samtidig med at Soddy avsluttet et eget manuskript på nøyaktig det samme feltet. Han hadde allerede funnet fram til alfapartikkelregelen, og Flecks kjemiske under­ søkelser hadde vist ham veien til betapartikkelregelen. Han og Fleck visste nå at radium B hadde samme kjemi som bly, og at radium C og radium E lignet vismut kjemisk, og dette gav disse to grunnstoffene plass nøy­ aktig der Fajans hadde hatt følelsen av at de burde være. Soddy hadde også oppfunnet et uran X2 (men kalte det eka-tantal) som skulle plasseres i femte gruppe. Han støttet seg til kjemiske reaksjoner og ikke til elektro­ kjemi, og han ble derfor spart for den forvirringen emanasjonene hadde ført til for Fajans. I følge Soddys regler falt stoffet ganske enkelt to plasser tilbake hver 136

gang en alfapartikkel ble skutt ut. Radium i annen gruppe dannet derfor sin emanasjon i gruppe 0, og denne frem­ brakte igjen radium A i gruppe seks. Radium X og radium X2 ble utelatt i all stillhet. Soddy hadde kastet bort atskillig tid med disse reglene sine da han plutselig oppdaget at grunnstoffer med for­ skjellig atomvekt og ulik radioaktiv oppførsel likevel kunne ha samme kjemi, og derfor kjemisk sett måtte ansees som variasjoner av et enkelt grunnstoff. Nå hadde han en annen vanskelighet å greie opp med et problem angående Boltwoods ionium. Man hadde diskutert hva halveringstiden for denne transmutasjonen kunne være, men nå, når eka-tantal sannsynligvis eksi­ sterte, var det gode grunner for å tro at den kunne være så høy som hundre tusen år. Om det var tilfelle, ville ionium være til stede i mineraler i betraktelig større mengder enn radium. Det kinkige var at ionium ikke hadde noe spektrum. Franz Exner (en gammel venn av Rdntgen som hadde fått hans hefte om røntgenstrålene) ved universitetet i Wien hadde gjort et forsøk på å fotografere dette spektret sammen med Eduard Haschek. Disse to var kjente eksperter på spektroskopi, og de brukte en prøve av thorium og ionium som var utskilt fra 10 tonn avfall fra Joachimsthal av den store østerrikske kjemiker Auer von Welsbach. I spektret fant de thorium, mindre mengder scandium og cerium, og gjenkjennelige linjer fra fem andre sjeldne jordmetaller, men de fant ikke spor etter noe som kunne være ionium. Ved Rutherfords labora­ torium i Manchester gjorde Roberto Rossi (som var blitt trent i spektroskopi av Schuster) og A. S. Russell (en tidligere elev av Soddy) et annet forsøk med en tilsvarende prøve som Boltwood hadde skilt ut fra Joachimsthalavfall. Etter at Russell hadde renset prøven to ganger, fant de bare linjer fra thorium og svake spor etter scand­ ium. 137

Alle var enige om hvorledes dette skulle tolkes: det hadde vært meget mindre ionium i disse prøvene enn antatt, og ionium måtte derfor være et grunnstoff med meget kort levetid. Men med sin nye teori kunne Soddy foreslå en bedre løsning: ioniums spektrum hadde virke­ lig vært tilstede! Hvor forvirrende det enn var, så hadde ionium og thorium, trass i forskjeller i atomvekt, iden­ tiske spektre, på samme måte som de kjemisk sett opp­ førte seg identisk. Men det var, på grunn av deres radioaktivitet, likevel mulig å skille det thorium-produktet man kalte ionium fra det thoriumproduktet som hadde fått navnet uran X, og disse to kunne igjen skilles fra det thoriumproduktet som het radiothorium! Det var nå svært praktisk å innføre et navn for grupper av slike stoffer med identisk kjemi, som, til tross for at de var ett og samme grunnstoff, likevel kunne holdes fra hverandre, og litt etter litt kom Soddy fram til betegnelse «isotoper», fra to greske ord som betydde «på samme sted». Dette var avgjort et nyttig begrep, siden det nå var meget lettere å reise det problem som Soddy allerede tidligere hadde stilt, men som det da ikke fantes noe svar på: Kunne ikke de vanlige grunnstoffer også bestå av isotoper med forskjellige atomvekter?

16 Atomet får kjerne

Våren 1912, da Soddys bok bare var et par måneder gammel, dukket en ung dansk gjest ved navn Niels Bohr opp i Rutherfords laboratorium. Han var sønn av en professor i fysiologi i København, hadde nettopp tatt doktorgraden i fysikk samme sted, og nå avsluttet han et studieår i utlandet. Geiger og Marsden var fremdeles ivrig opptatt med de siste langvarige tester for spredningsformelen, men Bohr oppdaget at Rutherfords atommodell allerede var akseptert i Manchester. Alle visste med andre ord at atomet var så godt som tomt, at elek­ troner beveget seg i dets ytterkant i det elektriske feltet som ble dannet av et ørlite, massivt spredningssenter med positiv ladning, og at dette elektriske feltet minsket proporsjonalt med kvadratet av avstanden utover. Bohr gled lett inn i arbeidsrytmen ved laboratoriet, pratet, kom med idéer og forslag, lyttet med begge ører, skrev en teoretisk avhandling om alfapartiklenes passering gjennom stoff, og fire måneder etter vendte han tilbake til København. Mot slutten av hans gjesteopptreden i Manchester fikk det positive spredningssentret i atomets hjerte sitt endelige navn - «kjernen». To måneder senere reiste Geiger tilbake til Tyskland etter nærmere seks års opphold i Manchester. Spredningsforsøkene var endelig avsluttet, og i oktober 1912 var avhandlingen om dem ferdig. Men manuskriptet måtte vente, for ettersom forsøkene var blitt utført med radium 139

fra Wien, skulle den av høflighetshensyn publiseres sam­ tidig i Wien og London. Først i april året etter passet dette inn i den rolige østerrikske timeplanen, og da var Bohr forlengst i gang med den oppgaven han hadde tatt med seg hjem fra Manchester. Rutherford hadde gitt atomet kjernen bare for å finne forklaring på dets spredning av alfapartikler, og dette fenomen ble virkelig glimrende forklart av hans teori (se fig. 31), som Geiger og Marsden endelig hadde vist til fulle. Bohrs ønske var å gjøre teorien mer nyttig i sin alminnelighet, å oppdage hvordan elektronene ble holdt på plass rundt kjernen, og å finne ut om et atom bygd på denne måten kunne behandles slik at det frembrakte spektre fra forskjellige grunnstoffer og forklarte deres kjemi og deres radioaktivitet. Dette var en temmelig umulig oppgave fra begynnelsen av, for det fantes ingen brukbar forklaring på disse elektronenes plass. Bohr tenkte seg dem først plassert i bestemte baner rundt kjernen, men da kunne det ikke bli stabilitet i atomet. Om ikke den frastøtende kraften mellom elektronenes negative ladninger drev dem ut av atomet, så ville tiltrekningen fra den positive kjernen sik­ kert dra dem innover. En kunne tenke seg elektronene sirkle rundt kjernen som planeter rundt solen, men da ville frastøtingen (som jo ikke finnes i solsystemet) igjen komme inn og vanskeliggjøre matematikken. Enda verre var denne nøtten: Hvis elektronet virkelig sirklet rundt kjernen, så måtte det hele tiden forandre sin hastighet; ladde legemer som aksellererer, sender ut energi i form av elektromagnetiske bølger; og hvis et sirklende elektron mistet energi, måtte det tilslutt falle inn i en spiralbane mot kjernen, og igjen ville systemet i atomet falle sammen. Hvordan Bohr løste disse problemene er det ikke vår sak å gå inn på i denne boken. Det krevde en ganske ekstraordinær oppfinnsomhet å tenke ut nye lover som samtidig var antagelige og nyttige. Som en ekstra vanske140

Fig. 31. Spredningsvinkel. I dette apparatet ble blyblokken som inneholdt røret med radiumemanasjon, og metallplaten holdt fast, slik at innfallsvinkelen ble konstant. Beholderen med mikroskopet og scintillasjonsskjermen kunne dreies slik at spredning i for­ skjellige vinkler kunne måles. To spredningskurver er fremstilt grafisk.

lighet påtok han seg å bygge inn i sin atommodell den nye kvante-teorien for stråling som Max Planck hadde funnet fram til, og som Albert Einstein hadde funnet god anvendelse for. I løpet av høsten 1912 og 141

vinteren 1913 puslet Bohr med sine idéer, gikk først gjennom én tankerekke og fant siden fram til det samme, brukbare svar gjennom en annen tankebane, for å være helt sikker på at hans argumentasjon var pålitelig. I mars hadde han endelig sin første avhandling klar, i april ble den antatt og i juli 1913 kom avhandlingen ut. Den handlet utelukkende (og meget tilfredsstillende) om hydrogenatomet, som han antok bestod av ett elektron som sirklet rundt en enkelt, tung kjerne. To måneder senere kom Bohrs annen avhandling, som tok for seg problemer i forbindelse med mer kompliserte atomer. Et bestemt elektrontall ville selvfølgelig kreve en tilsvarende stor positiv ladning i kjernen for at atomet skulle være nøytralt, men det var opp til enhver å gjette hvor mange elektroner det kunne være i et atom nitrogen, tinn eller uran. Den mest populære teori om dette stammet fra J. J. Thompson, som antok at elektrontallet tilsvarte halvparten av atomvekten, men Bohr bestemte seg for en annen løsning. I Nederland bodde en amatørforsker ved navn Van den Broek, som var utdannet sakfører, men hadde forelsket seg i kjemikernes periodiske tabell over grunnstoffene. Han hadde alltid drømt om en enkel, underliggende regel som kunne forklare hele systemet i et blunk. Nå hadde Rutherford en gang antydet, for å gjøre logikken fullstendig, at et halvt heliumatom ville ha samme forhold mellom ladning og masse som en alfa­ partikkel, og denne idéen forekom Van den Broek glimrende; her var den ideelle byggesten for alle grunn­ stoffer. Den hadde nemlig ladning en (etter elektronskalaen) og atomvekten to, og ga derfor Thompsons regel for antall elektroner i et atom direkte, og dessuten: enkel aritmetikk viste, at grunnstoffenes atomvekter gjennomsnittlig bestod av like tall. Hans argumentasjon var fantastisk, men en del av teorien var virkelig lovende, og Bohr foreslo å tildele hvert atom dets kvote av elektroner ved å nummerere 142

grunnstoffene etter den rekkefølge de hadde i det peri­ odiske system. Det nummeret de da fikk, skulle være atomets elektrontall. Hydrogen fikk på denne måten ett elektron, helium to (og en alfapartikkel ble dermed en ren heliumkjerne), litium fikk tre, beryllium fire og så videre nedover tabellen. Kjernen hadde nesten hele atomets masse, men den var så liten at det var nærmest umulig å forestille seg det, og avstanden fra kjernen til atomets ytterste deler ble tilsvarende enorm. Bohr påpekte at det var disse ytre deler som ville gi atomet dets spesifikke kjemiske opp­ førsel eller dets spesielle spektrum. Disse egenskaper ved atomet ville derfor hovedsakelig være avhengig av det totale elektrontall i atomet. Men atomer som så fike ut kjemisk sett, og som derfor hadde samme elektrontall, kunne likevel ha kjerner med forskjellig masse og for­ skjellig radioaktivitet, selv om de hadde samme positive ladning i kjernen. Den nye atommodellen ga en utmerket forklaring på problemet med isotoper. Dette argumentet kunne følges enda lenger. Hvis en kjerne sendte ut en alfapartikkel ved radioaktiv stråling, ville denne ta med seg to enheter positiv ladning. Den nye kjernen ville få en ladning som vai to enheter mindre enn den opprinnelige. To elektroner mindre ville sirkle omkring denne nye kjernen, og dermed ville atomet flyttes nøyaktig to plasser tilbake i det periodiske system, som Soddys regel krevde. Men sendte kjernen ut en betapartikkel - et negativt elektron - ville kjernens positive ladning øke med en enhet, og det nye grunn­ stoffet måtte følgelig plasseres et trinn lenger fram i systemet, slik Fajans og Soddy hadde hevdet. Dette nye atomet, som var oppfunnet av Rutherford og forbedret av Bohr, syntes i 1913 å være meget løfte­ rikt. Det ga utmerket forklaring på hydrogens spektrum, og man kunne vente at det ville passe like godt for de andre grunnstoffene, bare detaljene om elektronenes 143

arrangement var nærmere utarbeidet. Det hadde gitt gode grunner for den fullstendige skilnad mellom vanlig kjemi og radioaktivitet som Rutherford og Soddy hadde insistert på første gang de foreslo sin omdanningsteori i 1902. Det nye atomet hadde radioaktiviteten samlet i kjernen og det var nå klart, at hvor ørsmå og fjernt­ liggende disse kjernene enn var, måtte de bli undersøkt nøyere om man noensinne skulle kunne forstå radio­ aktiviteten. Men her må vi avslutte vår historie. Ikke alle de pro­ blemer som var knyttet til radioaktiviteten var løst ennå, men de undersøkelser vi har sett på her, interesserte andre forskere og satte nye og forskjelligartede forsøk i gang. En ny vitenskapsgren var stiftet, og den skulle få stor betydning i fremtiden: kjernefysikken. Men før vi slutter av for godt, må vi ta for oss et kapitel til av historien.

17 Etterskrift om bly

Radioaktivitet og kjemi var ennå i 1913 to vidt forskjellige ting. For den vanlige kjemiker, som ikke hadde fulgt den innviklede kombinasjon av genial tenkning og glim­ rende forsøk som lå til grunn, synes omdanningsteorien å være et eventyrlig fantasiprodukt, altfor spekulativt til å kunne stole på. Men på dette tidspunkt skulle de mest «vitenskapelige» av alle kjemikere, de som arbeidet med tall av høyeste presisjon, nemlig ekspertene på atom­ vekter, gi denne teorien en ny dramatisk bekreftelse. I de omdanningsrekkene som begynte med uran og thorium, var de siste radioaktive grunnstoffer henholdsvis radium F (eller polonium) og thorium D. Fajans og Soddys nye regler krevde at de stoffene disse to ble omdannet til, radium G og thorium E, måtte være isotoper av bly. Videre skulle det bare enkel subtraksjon av alfapartiklenes vekt til å vise at radium G måtte være bly med en atomvekt på 206 (eller litt lavere) og thorium E bly med atomvekt 208 (eller litt høyere). Vanlig bly hadde en atomvekt på litt over 207, eller med andre ord midt mellom disse. Radium G og thorium E hadde samlet seg opp i mine­ raler i det minste siden disse ble avsatt i fjellet, og de skulle derfor finnes i ganske betraktelige mengder nå. Hvis man nå kunne finne et uranmineral med svært lite thorium og et thoriummineral nesten fritt for uran, og hvis begge disse mineralene inneholdt Ute vanlig bly, 10. Atomet

145

så skulle man med ganske vanlig kjemi kunne finne fram til noen usedvanlige atomvekter. Denne argumentasjonen var jo ganske enkel, og det var ikke rart at nokså mange vitenskapsmenn gikk i gang med målinger samtidig. I Glasgow begynte Soddy med hjelp av sin assistent Hyman å rense blyet i en thorittprøve fra Ceylon. I Paris tok Maurice Curie, sønn av Pierre Curies bror Jacques, for seg en håndfull forskjel­ lige mineraler. I Karlsruhe gikk Fajans forsiktigere til verks. Han visste hvor nøyaktig arbeid målinger av atom­ vekter krevde, og fant det best å overlate dette til ekspert­ ene. Derfor sendte han Max Lembert, en av studentene, over Atlanterhavet til T. W. Richards’ laboratorium i Harvard, og Lembert fikk med seg to blyprøver, en fra Colorado (karnotitt) og en annen fra Joachimsthal (bekblende). Og endelig ble bly fra Joachimsthal under­ søkt i Praha, som da var en østerriksk by, av kjemikeren Otto Hdnigschmid og hans assistent Stefanie Horowitz. Sommeren 1914 var de alle ferdige med sine under­ søkelser. Soddy og Hyman hadde kommet fram til atomvektene 208.3 og 208.5 for bly fra thorium, men deres eksperimenter var foreløpige, og de hadde altfor lite materiale for nøyaktige undersøkelser. Målinger med bly fra uranmalmer viste en rekke forskjellige verdier. Richards og Lembert fikk hele 206.86 for bly fra engelsk bekblende som var sendt dem fra Ramsay, Hdnigschmid og Horowitz fikk atomvekten 206.736, og Maurice Curie fikk det laveste tallet, 206.36. Fem andre målinger falt mellom disse ytterpunktene. For en erfaren radiokjemiker var dette rimelig nok. Ingen av uranprøvene hadde inneholdt rent radium G, men i alle prøvene var det dannet så meget av dette stoffet at blandingens atomvekt ble trukket atskillig ned fra den vanlige verdien. Men Richards fant dette fullstendig forbløffende. Under hans ledelse var kjemikerne i Harvard blitt skeptiske, og de nektet å anta uten videre at sølv, 146

natrium eller jern alltid hadde samme atomvekt, men insi­ sterte på å undersøke prøver av disse grunnstoffene fra alle fire verdenshjørner. Hittil hadde de imidlertid alltid funnet som et eksperimentelt faktum, at uansett hvor råmaterialet var hentet fra, så hadde et grunnstoff alltid en bestemt, identisk atomvekt. Men nå måtte Richards akseptere 8 pålitelige og forskjellige atomvekter for åtte forskjellige prøver som alle uten tvil var så rent bly som man kunne ønske seg. Han kastet seg øyeblikkelig ut i en rekke forsøk for å finne ut om bly og radium G kunne skilles fra hverandre ved hjelp av andre egenskaper enn ved forskjell i vekt. I slutten av 1915 hadde han fått fatt i bly fra et australsk malm som avgjort var lettere enn vanlig bly. Og året etter fikk han tilsendt bly fra noen krystaller av meget rent cleveitt fra den norske kjemiker Ellen Gleditsch, som få år tidligere hadde arbeidet hos Boltwood i New Haven. Det norske blyet var enda lettere enn det austral­ ske, og da han høsten 1916 endelig hadde bestemt deres atomvekter, ga den australske prøven tallet 206.34 og den norske 206.08. Disse forskjellene var interessante nok, men likhetene var nesten enda viktigere. Det viste seg at tettheten for vanlig bly og for prøvene fra Australia og Norge var nøyaktig proporsjonal med atomvekten. Dette betydde at radium G-atomer og vanlige blyatomer hadde nøyaktig samme volum. I løpet av de neste to år fant han også at de hadde samme spektrum, samme oppløselighet i vann, og krystallene i deres nitrater hadde samme brytningsindeks. De var virkelig like identiske som Soddy hadde trodd isotoper måtte være, og som Bohrs nye atommodell hadde krevd. Teoriene om radioaktivitet og den nye atomfysikken som hadde fulgt i deres spor kunne vanskelig ha bestått en mer krevende prøve. I mellomtiden hadde Hdnigschmid og Horovitz i 1915 funnet fram til rent radium G. De hadde fått uran147

bekerts fra et sted ved navn Morogoro i tysk Øst-Afrika, og blyet i dette hadde atomvekten 206.04. Fra Norge hadde de en prøve brøggeritt1 som ga tallet 206.06. Det kunne nå ikke lenger finnes tvil om at uran til slutt ble omdannet til en lett avart av bly. Det var vanskeligere å finne ut hva thorium ble til. Bortsett fra de innledende forsøkene til Soddy og Hyman viste de fleste thoriummineraler blyprøver med lavere atomvekt enn vanlig bly. Dette hang sammen med at de fleste thoriummineralene inneholdt store mengder uran, og uran ble omdannet tre-fire ganger hurtigere enn thorium. Men likevel ga det grunn til mistanke om at thorium E kunne ha en langsom, tilbakeværende radio­ aktivitet, og at slutten på thoriumrekken kunne være en isotop av thallium eller vismut. Men både thallium og vismut var sjeldne i de fleste thoriummineraler. På dette tidspunkt skilte Soddy ut en mengde bly fra thoritt fra Ceylon og sendte prøven til Hdnigschmid, som i 1916 kunngjorde at den hadde en atomvekt på 207.77. (Soddy befant seg på denne tiden i Aberdeen og Hdnigschmid i Praha. Det er interessant at vitenskapelig kommunika­ sjon kunne foregå mellom dem selv om Storbritannia og Østerrike var i krig med hverandre). Senere sendte Fajans en prøve fra meget rent norsk thoritt, og her fant Hdnig­ schmid atomvekten 207.90. Endelig kunne thorium E ta plass ved siden av radium G. Begge hadde sin egen private atomvekt, og selv om ingen av dem kunne kalles vanlig rørleggermateriale, så var bly det eneste korrekte navn på dem begge. T) Oppkalt etter den norske geologen W. C. Brøgger. O.a.

18

Sluttord

Fra Becquerels plate helt fram til thorium E’s atom­ vekt har vi fulgt en sammenhengende linje i forskningen. Hver ny idé har vært en konsekvens av en tidligere, hvert nytt forsøk et resultat av de foregående. Selv om vitenskapens fremskritt er kontinuerlige, må vi igjen understreke at de ikke kan forutsies. Alfapartik­ lene syntes i første omgang ikke viktige fordi de hadde så liten gjennomtrengingsevne, men senere skaffet de drama­ tisk bevis for omdanningene, gjorde det mulig å forutsi radium G’s kjemiske natur, og førte Rutherford inn i atomets hjerte. Og på den annen side: radium ble sett på som det virkelig spennende nye grunnstoffet, men det var ordinært thorium som ga nøkkelen til omdanningsteorien. McCoy, Boltwood, Hahn og Marckwald var begavete kjemikere som gjorde store ting; men det var de feilslåtte forsøkene til Soddys om satte ham på idéen om isotopene for å forklare de likheter kjemikerne hadde slått fast. Og det er enda en ting vi må ta i betraktning. I begyn­ nelsen sa jeg at vi skulle behandle atomfysikken i denne boka, men i virkeligheten er det ikke stort jeg har sagt om dette emnet. Og det er som det skal være. Atomfysik­ ken som egen vitenskapsgren begynner hvor vi sluttet, med de første suksesser for Rutherford og Bohrs atommodell. Det er ikke vanskelig å snakke om hunder. Alle har sett hunder, rørt ved dem, lekt med dem eller løpt unna 149

dem, kankje matet dem. Vi har alle en mengde erfaringer samlet bak de fire bokstavene h-u-n-d. Skulle samtalen i stedet dreie seg om slike interessante dyr som en coelacanthidae eller en pangolin, ville de fleste gå tom for stoff ganske snart. For å fortsette samtalen måtte vi først finne ut om de levde i trær eller huler, om de var fjær- eller skinnkledt, om de felte sine horn eller bevarte dem. Med andre ord: vi måtte først bygge opp en viss mengde erfaringer om dem. På samme måten var det med atomer. På den tiden da vår historie begynte, var «et atom» en vag og uklar idé, like tåket og udefinert som de merkelige dyrene er for de fleste i dag. Først litt etter litt ble forestillingen om atomet nyttig. J. J. Thompsons teori om ionisering av gasser var lett å formulere med dette nye begrepet. Rutherford og Soddy trengte atomet for å beskrive omdanningene, og når de forestilte seg en alfa- eller betapartikkel bli skutt ut i samme øyeblikk som omdanningen foregikk, ble omdanningen selv en atomær begivenhet, like avgrenset og isolert i tid som atomene selv var av­ grenset i rom. Rutherford nummererte atomene ennå før han var i stand til å telle dem, men utslagene på hans elektrometer og glimtene på scintillasjonsskjermen kunne neppe omtales med andre begreper. Det finnes intet sted i historien hvor vi kan si: «Se, nå ble atomet til virkelig­ het!» Atomet ble virkelig etter hvert som det ble brukt til å forklare resultatene i det ene forsøk etter det andre. Men tro ikke et øyeblikk at du nå kjenner atomet som det «virkelig» er. Atomet er en forestilling, en teori, en hypotese, det er hva som til enhver tid er nødvendig for å forklare de fakta forsøkene gir oss. Atskillig har hendt på dette området siden avslutningen av vår historie, og atomet har forandret seg for å holde følge. Enda mer vil skje i fremtiden, og atomet vil fortsette å forandre seg. For en idé i vitenskapen holder seg bare så lenge som den er nyttig. Det må vi aldri glemme. 150

De kjemiske grunnstoffene

For hvert grunnstoff er følgende opplysninger gitt: det kjemiske tegn; navnet (i overensstemmelse med Norsk Kjemisk Selskaps nomenklaturregler fra mai 1962); årstall for isolering av grunn­ stoffet hvis dette er kjent, eller for oppdagelsen; navnets opprin­ nelse; og grunnstoffets atomnummer.

actinium, 1900; av gresk aktis, stråle; nr. 89. aluminium, 1825; av latin alumen, stoff med sammentrekkende smak; nr. 13. Am americium, 1944; av Amerika, hvor det ble opp­ daget; nr. 95. Sb antimon, 15. århundre; av gresk antimonos, mot ensomhet, fordi antimon alltid forekommer sammen med andre mineraler'; nr. 51. A argon, 1894; av gresk argos, inaktiv; nr. 18. As arsen, 13. århundre; av gresk arsenikon, tapper eller modig, på grunn av dets innvirkning på andre stoffer; nr. 33. At astat, 1940; av gresk astatos, ustabil; nr. 85. Ba barium, 1808; av gresk barys, tung; nr. 56. Bk berkelium, 1949; oppkalt etter Berkeley; nr. 97. Be beryllium, 1797; etter mineralet beryl; nr. 4. Pb bly, førhistorisk; tegnet fra latinskplumbum; nr. 82. B bor, 1808; av arabisk bawraq eller persisk burah, hvit; nr. 5. Br brom, 1826; av gresk bromos, stank; nr. 35. Cf californium, 1950; oppkalt etter staten og univers­ itetet California; nr. 98. Ce cerium, 1804; oppkalt etter planetoiden Ceres, som ble oppdaget i 1801; nr. 58.

Ac Al

151

Cs cesium, 1860; av latinsk caesius, himmelblå; nr. 55. Cm curium, 1944; oppkalt etter Marie og Pierre Curie; nr. 96. Dy dysprosium, 1886; av gresk dysprositos, vanskelig å komme inn på; nr. 66. Es einsteinium, 1952; oppkalt etter Albert Einstein; nr. 99. Er erbium, 1843; i likhet med terbium, ytterbium og yttrium oppkalt etter den svenske byen Ytterby, der mange sjeldne jordarter er funnet; nr. 68. Eu europium, 1900; oppkalt etter Europa; nr. 63. Fm fermium, 1953; oppkalt etter Enrico Fermi; nr. 100. F fluor, 1886; av latinsk fluere, å flyte; nr. 9. P fosfor, 1669; av gresk phosphoros, lysbringeren; nr. 15. Fr francium, 1939; oppkalt etter Frankrike, oppdagerens hjemland; nr. 87. Gd gadolinium, 1886; oppkalt etter den finske kjemiker J. Gadolin; nr. 64. Ga gallium, 1875; oppkalt etter Gallia (Frankrike); nr. 31. Ge germanium, 1886; oppkalt etter Germania (Tysk­ land); nr. 32. Au gull, førhistoiisk; av angelsaksisk gold, tegnet fra latinsk aurum; nr. 79. Hf hafnium, 1922; av Hafnia, det latinske navnet på København; nr. 72. He helium, 1895; av gresk helios, solen; nr. 2. Ho holmium, 1879; av Holmia, det latinske navnet på Stockholm; nr. 67. H hydrogen (vannstoff), 1766; av gresk hydro genes, vanndanner; nr. 1. In indium, 1863; oppkalt etter stoffets indigoblå spektrallinje; nr. 49. Ir iridium, 1804; av latinsk iridis, regnbue, på grunn av stoffets fargerike salter; nr. 77. 152

Fe I Cd K Ca C Cl Cu Co Cr Kr Hg

La

Li Lu

Mg

Mn Md Mo Na Nd Ne Np Ni Nb N

jern, førhistorisk; tegnet fra latinsk ferrum; nr. 26. jod, 1811; av gresk iodes, fiolettaktig; nr. 53. kadmium, 1817; av latinsk cadmia, mineralet sinkspat; nr. 48. kalium, 1807; av latinsk kalium; nr. 19. kalsium, 1808; av latinsk calcis, kalk; nr. 20. karbon (kullstoff), førhistorisk; av latinsk carbo, kull; nr. 6. klor, 1808; av gresk chloros, gressgrønt; nr. 17. kobber, førhistorisk; av latinsk cuprum; nr. 29. kobolt, 1735; av gresk kobolos, dvergtroll; nr. 27. krom, 1797; av gresk chroma, farge; nr. 24. krypton, 1898; av gresk kryptos, skjult; nr. 36. kvikksølv, førhistorisk; tegnet fra latinsk hydrargyrum, sølvvann; nr. 80. lanthan, 1839; av gresk lanthanein, som unngår oppdagelse; nr. 57. litium, 1817; av gresk lithos, stein; nr. 3. lutetium, 1905; av Lutetia, gammelt navn på Paris; nr. 71. magnesium, 1808; av latinsk Magnesia, distrikt i Lilleasia; nr. 12. mangan, 1774; av latinsk magnes, magnet; nr. 25. mendelevium, 1955; oppkalt etter Dmitri Mende­ lejev; nr. 101. molybden, 1782; av gresk molybdos, bly; nr. 42. natrium, 1807; av latinsk natrium; nr. 11. neodym, 1885; av gresk neos, ny, og didymos, tvilling; nr. 60. neon, 1898; av gresk neos, ny; nr. 10. neptunium, 1940;oppkalt etter planeten Neptun; nr.93. nikkel, 1750; av tysk Nickel, troll; nr. 28. niob, 1801; oppkalt etter Niobe, Tantalus’ datter,fordi det alltid finnes sammen med tantalum; nr. 41. nitrogen (kvelstoff), 1772; av latinsk nitro, soda, og gen, danne; nr. 7. 153

No O

nobelium, 1957; oppkalt etter Alfred Nobel; nr. 102. oksygen (surstoff), 1774; av gresk oxys, sur, og gen, danne; nr. 8. Os osmium, 1804; av gresk osme, lukt; nr. 76. Pd palladium, 1803; oppkalt etter planetoiden Pallas, som ble oppdaget i 1801; nr. 46. Pt platina, 1735; av spansk plata, sølv; nr. 78. Pu plutonium, 1940; oppkalt etter planeten Pluto; nr. 94. Po polonium, 1898; oppkalt etter Polen; nr. 84. Pr praseodym, 1885; av gresk praseos, purregrønn, og didymos, tvilling; nr. 59. Pm promethium, 1947; av gresk Prometheus, ildbringeren; nr. 61. Pa protactinium, 1917; av gresk protos, foran, og actinium, fordi det spaltes til actinium; nr. 91. Ra radium, 1898; av latinsk radius, stråle; nr. 88. Rn radon, 1900; oppkalt etter radium, som gassen kommer fra; nr. 86. Re rhenium, 1924; oppkalt etter den tyske Rhinprovinsen (på latinsk Rhenus)’, nr. 75. Rh rhodium, 1804; av gresk rhodon, en rose, på grunn av den farge vandige løsninger av stoffets salter har; nr. 45. Rb rubidium, 1860; av latinsk rubidus, rød; nr. 37. Ru ruthenium, 1845; oppkalt etter Russland (på latinsk Ruthenidy, nr. 44. Sm samarium, 1879; oppkalt etter den russiske ingeniør Samarski; nr. 62. Sc scandium, 1879; oppkalt etter den skandinaviske halvøy etter dets svenske oppdager; nr. 21. Se selen, 1817; av gresk selene, månen; nr. 34. Si silisium, 1823; av latinsk silex, flint; nr. 14. Zn sink, førhistorisk; av tysk Zink, beslektet med Zinn (tinn); nr. 30. Sr strontium, 1808; oppkalt etter byen Strontian i Skottland; nr. 38. 154

svovel, førhistorisk; av latinsk sulphur; nr. 16. sølv, førhistorisk; av angelsaksisk seolfor, tegnet fra latinsk argentum; nr. 47. Ta tantal, 1802; oppkalt etter Tantalus fra gresk myto­ logi, fordi metallet var vanskelig å isolere («tantalisk»); nr. 73. Tc technetium, 1937; av gresk technetos, kunstig, fordi dette var det første kunstig frembrakte grunn­ stoff; nr. 43. Te tellur, 1782; av latinsk tellus, jorden; nr. 52. Tb terbium, 1843; oppkalt etter den svenske byen Ytterby; nr. 65. TI thallium, 1862; av gresk thallos, ungt skudd; nr. 81. Th thorium, 1819; oppkalt etter guden Tor; nr. 90. Tm thulium, 1879; oppkalt etter latinsk Thule, ytterste nord i den bebodde verden; nr. 69. Sn tinn, førhistorisk; navnets opprinnelse ukjent, tegnet fra latinsk stannum; nr. 50. Ti titan, 1791; oppkalt etter Titan fra gresk mytologi, første sønn av jorden; nr. 22. U uran, 1789; oppkalt etter planeten Uranus; nr. 92. V vanadium, 1830; oppkalt etter Vanadis (Frøya) fra norrøn mytologi; nr. 23. Bi vismut, 15. århundre; fra tysk Weisse Masse, hvit masse, tegnet fra latinsk bismat; nr. 83. W wolfram, 1783; etter mineralet wolframitt; nr. 74. Xe xenon, 1898; av gresk xenos, fremmed; nr. 54. Yb ytterbium, 1905; oppkalt etter den svenske byen Ytterby; nr. 70. Y yttrium, 1843; oppkalt etter den svenske byen Ytter­ by; nr. 39. Zr zirkonium, 1824; av arabisk Zerk, en verdifull stein; nr. 40.

S Ag

Register Academie des Sciences, 20, 32, 48 Actinium, 95-96 Alfapartikler, 60-61, 64-71, 82-85, 100-102, 132-136, 143 bevegelsesenergi, 74-75 detektor, 67 ladning, 64-70, 97-98, 106 og masse, 70, 98-100 refleksjon, 114-121 regelen, 136 spredning, 111-121, 141 telling av, 104-106 Alkalier, 131 Alkymi, 11-12 Argon, 79 Atom, 12-17, 150-151 fysikk, 9-10, 17, 150 kjerne, 118-120,139,143-144 nummer, 143 omdanninger, 11-12, 16, 56-59, 62-64, 72-77, 80 radius, 119 struktur, 112, 118-120, 139-144 vekt, 12-13, 16, 117, 127, 142, 147 bly, 145-148 Barium, 29-30 Bariumcyanoplatinitt, 19 Barnes, Howard, 81-82 Becquerel, Henri, 20-25, 29, 32, 45, 48, 53-55, 61, 82 Begeman, Louis, 107 Bekblende, 25, 28-31, 46, 88, 94, 146 Bémont, Gustave, 28 Betapartikler, 60-61, 65, 8285, 132-136, 143

156

Bly, 88, 91, 126-130, 136, 145-148 Bohr, Niels, 139-143 Boltwood, Bertram B., 89, 91, 94-96, 123-126, 149 Brøggeritt, 148 Buchler und Compagnie, 79, 102 Callendar, Hugh L., 81 Cavendish-laboratoriet, 3 3-3 5 Chemical Society, 58 Cleveitt, 79 Coulomb, 50 Coulombs lov, 119 Crookes, William, 45-48, 5152, 54-55, 60-61, 102 Curie, Jacques, 25 Curie, Marie, 24-31, 44, 45, 54, 82, 87, 90, 126 Curie, Maurice, 146 Curie, Pierre, 24-31, 44, 45, 54, 63-66, 82, 84

Debierne, André, 95 Demar?ay, Eugene, 30 Deslandres, Henri, 84 Dewar, James, 84 Diffus refleksjon, 114 Dorn, Ernst, 48 Edelgasser, 50, 76, 78-80 Einstein, Albert, 141 Eka-aluminium, 15-16 -bor, 15-16 -silisium, 15-16 -tantal, 136-137 Elektrolytisk utfelling, 88, 131-132 Elektroner, 33-34, 54, 61 i atomet, 140-143

ladning, 107 og masse, 70, 100 Elektrometer, 25-27, 33-34, 49-50, 103, 106 Elektroskop, 66-67 Emanasjon, 37-44, 48-51, 58, 68-70, 72-75, 79-80, 124, 134-136 Erg, 74-75 Exner, Franz, 137 Fajans,Kasimir, 131-136,143, 146, 148 Fischer, Emil, 122 Fleck, Alexander, 130, 136 Fluorescens, 18-23 Fotografiske plater, 19, 2122, 46, 60 Frankland, Edward, 78

Gallium, 16, 28 Gammastråler, 98, 106 Geiger, Hans, 103, 105, 107, 111-118, 121, 139-140 spredningsapparatet, 113114 Germanium, 16, 28 Giesel, Friedrich, 79, 87-88, 90, 122 Gleditsch, Ellen, 147 Gramkalori, 75 Greinacher, Heinrich, 90 Grier, A. G., 61 Grunnstoff, 12 isotoper, 138 radioaktive, 128-130, 132138 tabell over, 152 valens, 128 Grunnstoffomdanninger, 1112, 16, 56-59, 62-64, 7277, 80 energi, 74-77

Hahn, Otto, 122-127, 149 Halogener, 131 Halveringstid, 38-40, 55, 6365, 93 Haschek, Eduard, 137 Helium, 76, 78-80 og alfapartikler, 102, 107 og radium, 78-91, 109-110 Herchfinkel, H., 126 Herrmann, Karl, 90 Horowitz, Stefanie, 146-148 Hydrogenatomet, 142 sulfid, 28-29 Hyman, H., 146, 148 Hdnigschmid, Otto, 146-147 Inaktive gasser, 50, 76, 78-80 Indusert radioaktivitet, 64 fra thorium, 41-44, 49 fra radium, 44, 82-84 Ion, 32 kollektor, 36-37, 61, 65-66 ladning, 74, 98, 100 mettet strøm, 104 Ionisering, 104-105 ved polonium, 112-113 ved røntgenstråler, 33-34, 104 ved thoriumstråler, 35-38 ved uranstråler, 35, 60-61 Ionium, 96, 125-128, 137-138 Isotoper, 138, 143, 147-148 Janssen, Pierre Jules César,78 Joachimsthal-gruvene, 31, 88, 95, 137, 146

Kaliumuranylsulfat, 21-23 Kalori, 75 Kamotitt, 95, 146 Katodestråler, 17-18, 20, 61 Katodestrålerør, 17-18 157

Keetman, Bruno, 96, 125-126 130 Kinetiske gassteori, 75 Kirkby, P. J., 105 Kndffler-fabrikken, 54-55, 123-126 Kobberuranfosfat, 27 Krystallstruktur, 25-27 Lembert, Max, 146 Lippmann, Gabriel, 27 Lockyer, Norman, 78

MacDonald, William, 48 Magnetfelt, 64-65 Marckwald, Willy, 88, 90, 96, 126-127, 149 Marsden, Ernest, 114-117, 121, 139-140 McCoy, Herbert N., 94-95, 123-124, 127, 149 McGill-universitetet, 35, 48, 61, 73, 81, 102-103 Mendelejev, Dmitri, 13-16 Mesothorium, 124-130 Meyer, Stefan, 90 Millikan, R. A., 107 Moissan, Henri, 23, 25 Molekyler, 12-13, 16

Nilson, Lars Fredrik, 16 Omdanningsteorien, 56-59, 62-64, 82-84, 145 Owens, R. B., 32, 35-36, 68 Periodiske system, 13, 16, 128-137 Planck, Max, 141 Poincaré, Henri, 20 Polonium, 29, 87-91, 112, 128-130

158

Radioactinium, 95-96, 130 Radioaktivitet, 29 alfapartikler, 64, 68-71 avtagning, 38-39 energi, 74-77 indusert, 41-44 natur, 53-54, 58-59, 62-64, 143-144 økning, 39-40, 63 Radiobly, 90-91, 127, 130 Radiokjemi, 128, 132 Radiotellur, 88, 90 Radiothorium, 122-130 Radium, 46, 80, 92, 127-130, 137 A, 85-87, 90-91, 98, 137 B, 85-87, 90-91, 132, 136 (bly) C, 85-87, 89-91, 98, 106, 118-119, 132, 136 (vismut) D, 89-91, 126, 132 (radio­ bly) E, 89-91, 132, 136 (vis­ mut) F, 90-91, 132, 136, 145 (polonium) G, 145-148 (bly) X, 136 alfapartikkelstråling, 98, 106 atomvekt, 127 bromid, 79-81, 106 emanasjon, 48-49, 73-75, 79-80, 107-110, 113 halveringstid, 98, 107 indusert radioaktivitet fra, 44, 82-84 levetid, 75-76 og actinium, 95-96 og helium, 78-81, 109-110 og uran, 92-96 omdanninger, 82-91, 133

energi, 74-77, 81-82 oppdagelsen av, 29-31 spektrum, 54 stråling fra, 61 Ramsay, William, 50, 79, 91, 93, 122, 124 Rayleigh, John William, 79 Regener, Erich, 112-113 Richards, T. W., 146-147 Ross, W. H„ 123-124 Rossi, Roberto, 137 Royal Society, 48, 117 Royds, Thomas, 108, 110 Rubens, Heinrich, 112 Russell, A. S., 137 Rutherford, Ernest, 32-44, 48-52, 54-77, 80-91, 95, 97-121, 142-144, 149-150 alfastråleforsøk, 65-70 medvindsapparat, 36-37 spredningsformel, 121 tellerøret, 104-106 Rdntgen, Wilhelm Conrad, 11, 17-20, 45, 52 Røntgenbilder, 11, 19, 20 -stråler, 11,17-21,24,61,64 ionisering, 33-35 Scandium, 16, 28 Schuster, Arthur, 103, 137 Schweidler, Egon von, 90 Scintillasjonsskjerm, 102-103, 109, 112-117 Sinksulfid, 102-103 Soddy, Fredrick, 48-52, 5462, 72-77, 79-80, 91, 9294, 126-132, 136-138, 143144, 146, 148-150 Sorbonne-universitetet, 24, 27, 126 Spektroskopi 30-31, 137-138 helium, 78, 84 ionium, 127-138

radium, 54 radiumemanasjon, 107-110 Szilard, Bela, 126 Thallium, 148 Thompson, J. J., 33, 45, 54, 74, 107, 142, 150 Thorianitt, 126-127 Thoritt, 146, 148 Thorium, 32, 55-58, 122-130, 137-138, 147 D, 145 E, 145, 147-148 atomvekt, 127 emanasjon, 37-44, 48-51, 73 hydr oksyd, 51, 55-58 indusert radioaktivitet fra, 41-44, 49 karbonat, 51 nitrat, 51-52 oksyd, 35-41, 49-50 omdanning, 56-58, 122127, 135 stråling fra, 27, 35-44, 61 Thorium X, 52, 55-58, 61, 123-130, 136 Towensend, John S., 104 Ultrafiolett lys, 21 Uran, halveringstid, 93-94 og radium, 92-96 omdanningsrekke, 133 stråling fra, 21-27, 35, 5354, 60-61, 132-134 Uran X, 47, 58, 60-61, 72, 126-130, 132-136

Van den Broek, 142 Vismut, 29, 88-89, 136 Wilson, H. A., 107 Winkler, Clemens, 16

SCIENCE STUDY SERIES Denne boken er utgitt i Science Study Series, en ameri­ kansk populærvitenskapelig billigbokserie som har til

hovedformål å gi studenter og interesserte legfolk over­

sikter over moderne naturvitenskap. I alt er det planlagt over 100 bind i serien. Bøkene i Science Study Series utgis som del av et nytt program for undervisningen i realfag. En gruppe fysikere, lektorer, journalister, teknikere, filmprodusenter og andre

spesialister knyttet til Massachusetts Institute of Techno­

logy dannet i 1956 «The Physical Science Study Committee», som nå er en del av Educational Services Incor­

porated, Watertown, Massachusetts. Denne komitéen

har laget en ny lærebok i fysikk (utgitt på norsk under tittelen «Fysikk»), en omfattende serie filmer, en laboratoriehåndbok, nye apparatkonstruksjoner for labora­ torier, og Science Study Series, som er utgitt i 11 land.