JAMES CHADWICK

RADIOAKTIVITS

GONDOLAT KIAD BUDAPEST 1966

A m eredeti cme Sir James Chadwick: RADIOACTIVITY AND RADIOACTIVE SUBSTANCES

Sir Isaac Pitman and Sons, Ltd., London, az 1953-as negyedik kiads tdolgozott jranyomsa (1961)

A knyvet fordtotta KEMLEY GBOR.

A fordtst az eredetivel egybevetette s a szveget szakszempontbl ellenrizte

NAGY LAJOS GYRGY

A KIAD ELSZAVA

James Chadwick knyvt elszr 1921 -ben adtk ki. Jelen fordts a negyedik kiads 1961-benmegjelent javtott s bvtett jranyomsa alapjn kszlt. A knyv els s utols kiadsa kztteltelt kerek negyven esztend a magfizika fejldsben trtnelmi jelentsg. 1920-bn ppenChadwick ksrletei igazoltk perdnt mdon a magtlts s a rendszm kztti egyrtelm

sszefggst, 1961-ben mr a 103-as rendszm transzurn ltezsrl is tudtak. Nagyszm olyanalapvet felfedezs szletett, mely nem csupn kiterjesztette ismereteinket s rthetbb tette amagfizikai jelensgeket, hanem rmutatott jelents gyakorlati fontossgukra is. A termszetesradioaktv anyagok s talakulsaik mai ismereteink szerint csak kis hnyadt alkotjk amestersgesen ellltott sugrz izotpoknak s az atomreaktorokban, gyorstkban ltrehozottmagreakciknak. Mgis, igen hasznos clokat szolgl Chadwick ma mr klasszikusnak szmt knyve, mert egyrszt hasznos tmpontot nyjt ezen specilis szakterlet irnt rdekldkszmra, msrszt, mivel jelenlegi ismereteink alapjait jelent tnyek magyarzatt adja, jbevezet a magfizika ltalnos tanulmnyozshoz. A. Nobel-djas szerz munkja egyszeren stmren magyarzza a termszetes radioaktivits alapvet jelensgeit, s vilgosan megmutatja,hogyan vezettek a felismert trvnyszersgek szksgkppen az anyag szerkezetrl jelenlegkialaktott elkpzelsnkhz.

A magfizika hallatlan tem fejldsnek megfelelen Chadwick knyvt tbb zben tdolgozta,kiegsztsekkel ltta el. A. fordtsunk alapjul szolgl 1961-es kiads korszerstsnekmunkjt J. Rotblat professzor vgezte. Leginkbb a mrsi mdszerekkel foglalkoz 3. fejezetvltozott, mely ebben a formban a modern rszecskeszmllkat is ismerteti. A y-sugaraktulajdonsgait trgyal 6. fejezet szintn alapos tdolgozsra kerlt. Az atommag szerkezetifelptsvel foglalkoz 11. fejezet teljesen j, amely az - s -bomls legmodernebb elmletttrgyalja, s tjkoztat a magfizika s magkmia jabban felismert jelensgeirl. A knyvetkiegszt tblzatokban tallhat magfizikai llandk mai ismereteinknek felelnek meg.

James Chadwick professzort 1935-ben a neutron felfedezsrt fizikai Nobel-djjal tntettk ki.A magfizika egsznek fejldsre ez a felfedezs dnt jelentsg volt, ezrt csatoljuk teljesterjedelmben s vltozatlan formban a tudsnak a Nobel-dj tvtelekor tartott eladst. Azelads trtnelmi jelentsgt jottnyit sem cskkenti, hogy egyes megfogalmazsai ma mrkorrekcira szorulnak. Vgl Chadwick professzor rvid letrajzval egsztettk ki a ktetet.

RADIOAKTIVITS S RADIOAKTV ANYAGOK

ELSZ

Nagy rmmel olvastam bartom, Dr. James Chadwick kis knyvt. A radioaktivits jelensgeinekvilgos s pontos magyarzatt olyan szerz trja elnk, aki a tnyek kzvetlen ismeretvelrendelkezik. A szerz az anyag trgyalsban a felfedezsek sorrendjtl eltekint, ez segti a kezdolvast abban, hogy tiszta kpe alakuljon ki az atomszerkezet modern felfogsrl. Melegenajnlhatom ezt a legfontosabb jelensgeket s elmleteket egyszeren, tmren s szabatosan trgyalknyvet mindenkinek, akit e lenygz trgykrbe tartoz ismereteink fejldse rdekel.

RUTHERFORD

Cavendish Laboratrium

1. FEJEZET

A RADIOAKTIVITS TERMSZETE

1.1. Bevezets.

Becquerel felfedezse (1896) az anyag azon tulajdonsgrl, melyet ma radioaktivitsnak neveznk, amegismers j s igen fontos terleteit nyitotta meg. Becquerel kimutatta, hogy az urnsk spontnolyan sugrzst bocstanak ki, amely klnbz mrtkben kpes thatolni az anyagokon tekintetnlkl arra, hogy az illet anyag a fnyt tereszti-e vagy sem , s amely a fnykpezlemeztmegfeketti, ezen tulajdonsga alapjn kimutathat. Az urn sugrzsnak sajtossga, hogy a levegts ms gzokat elektromosan vezetv teszi, ami hathats mdszert szolgltatott az ilyen sugrzsokdetektlsra s mrsre. Az urn radioaktivitsnak tovbbi vizsglata szmos j anyagfelfedezst eredmnyezte: nmelyek ezek kzl olyan rendkvli mrtkben sugroztak, hogyjelenltk csupn radioaktivitsuk mrse tjn volt kimutathat, ugyanis ezen anyagok mennyisgetl kicsiny volt ahhoz, hogy brmely ms mdszerrel detektlhatk legyenek.

Ma 41 termszetes radioaktv anyag ismeretes, mindegyik jl definilt s jellemz sugrzst emittl.1896-ban ezek kzl kettt ismertek, az urnt s a triumot. A peridusos rendszer vgnhelyezkedtek el, mivel atomslyuk 238, ill. 232. A 209-es atomsly bizmut s ezen legnehezebbelemek kztt a periddusos tblzatban sok betltetlen hely volt, ezeket most radioaktv elemektltik ki.

A radioaktv elemek s sugrzsaik tanulmnyozsa nagyon rdekesnek s fontosnak bizonyult.Biztosan llthatjuk, hogy az atomrl alkotott ismereteink nagyobbik rszt ezek a vizsglatokszolgltattk. Ezek a tanulmnyok nem csupn ksrleti evidencit nyjtottak az atomnak, mint azanyag szerkezeti egysgnek individulis ltezsrl, de rmutattak arra is, hogy az atom magakomplex struktrval rendelkezik: negatv s pozitv tlts rszecskkbl ll. A vizsglatokfeldertettk ezen szerkezet fbb jellemzit is.

1.2. Radioaktv anyagok s sugrzsaik.

A radioaktv anyagok spontn olyan sugrzsokat bocstanak ki, amelyek kpesek thaladni fnyt tnem ereszt fmrtegeken vagy egyb anyagokon. Ezen sugrzsok a fnyhez hasonlan hatnak afnykpezlemezekre, bizonyos anyagokat fluoreszcencira ksztetnek, s elektromosan vezetvteszik a levegt s ms gzokat.

Az elbbiek nem definiljk nagyon szigoran a radioaktivits fogalmt. Lehetsges, hogy bizonyoskrlmnyek kztt egy kznsges elem is rendelkezik a fenti tulajdonsgokkal, gy pl. nmely elemultraibolya sugrzs kibocstsra ksztethet. A megklnbztetsre a radioaktv elem ltal emittltsugrzs termszete s eredete nyjt lehetsget.

Mint ksbb ltni fogjuk, ezek a sugrzsok tbbnyire korpuszkulrisak, a sugrz anyagbl nagysebessggel kilp anyagi rszecskkbl llnak. Hrom tpust klnbztetnk meg: alfa ()-, bta()s gamma (y)-sugarakat. Az -sugrzs olyan pozitv tlts rszecskk ramlsa, melyek tmege ahidrognatomnak ngyszerese, s pozitv tltse kt elektromos egysg. Az -rszecske valjbanegy kt pozitv tlts hliumatom. A -sugrzs szintn korpuszkulris, nagy sebessg negatvtlts elektronokbl ll. A kislsi csben jelentkez katdsugrzshoz hasonl. A y-sugrzs az -s -rszecskk emisszijnak ksr jelensge. Hasonl az X-sugarakhoz.

A termszetes radioaktv anyagok ezek utn gy definilhatk, mint amelyek spontn - vagy -sugrzst emittlnak.

1.3. talakulsi elmlet.

A radioaktivits jelensgnek magyarzatra Rutherford s Soddy kidolgozta az talakulsi elmletet.Ezen teria szerint a radioaktv anyag atomjaiban spontn talakuls jtszdik le, ami j atomltrejttt eredmnyezi. A folyamatban keletkez atom mind fizikai, mind pedig kmiaitulajdonsgaiban klnbzik az anyaelemtl. Az emittlt - vagy -rszecskk szma mintegy mrtkeaz j atomok keletkezsi sebessgnek. Az j atom maga sem stabilis, karakterisztikus sugrzsemisszijval tovbb bomlik. Az talakuls folyamata szmos meghatrozott llapoton keresztlfolytatdik, ezeket rszleteiben nyomon kvettk s analizltk. A bomlsi sebessgek mrtke azegyes elemek sugrzsnak intenzits-vltozsa volt.

A folyamatot jl pldzza a rdium bomlsa. A rdium, sszehasonltva a legtbb radioaktvelemmel, lassan alakul t: 1011 atom kzl kb. 1 bomlik el msodpercenknt, vagy, msmegfogalmazsban, egy adott rdiummennyisg atomjainak fele 1622 v alatt alakul t. A rdiumatomegy -rszecske kibocstsval bomlik. A folyamatban a rdiumemanci, ill. radon egy atomjakeletkezik, mint a rdium lenyeleme. A radon nehz, egyatomos gz, melynek fele 3,82 nap alattalakul t. A radon bomlst szintn egy -rszecske emisszija ksri, a keletkez termk a szilrdhalmazllapot rdium-A, mely igen kevss stabilis: fele mennyisge mr 3 perc alatt talakul.Ezeket az tmeneteket grafikusan az 1. brn szemlltetjk.

Az egyms utn kvetkez talakulsok szmos tovbbi fokozaton keresztl folytatdnak, mindegyiktmenetet bizonyos tpus sugrzs emisszija ksri. Az egyes llapotokban keletkez anyagokmindegyikt, mint jellemz fizikai s kmiai tulajdonsgokkal rendelkez j elemet kell tekinteni.

Az talakulsi elmlet kielgt mdon magyarzza a radioaktivits sszes ismert jelensgeit, sszmos olyan kvantitatv eredmnyt szolgltatott, amelyeket ksbb a ksrletek igazoltak.

1.4. Radioaktv s kmiai talakulsok kztti klnbsg.

A radioaktv tmenetek alapveten klnbznek a kznsges kmiai talakulsoktl, mivelesetkben maga az atommag bomlik, kmiai vltozsoknl viszont csupn a molekulk atomokktrtn disszocicijrl, ill. az atomok msfajta kombinciinak ltrejttrl beszlhetnk. Aradioaktv folyamatok spontn jellegek, nem irnythatk, s fizikai, valamint kmiai hatsokkal nembefolysolhatk (lsd 11.6.).

I. bra. A rdiumnak s bomlstermkeinek talakulsai s emisszii.

Valamely radioaktv anyag talakulsnak sebessge azonos a folykony leveg hmrskletn (186 C) s 2000 C-on; azonos vkuumban s 2000 atmoszfra nyomson. gyszintn nem vltozik a

legcseklyebb mrtkben sem, ha az anyagot kmiai behatsoknak tesszk ki.

Ezek a tnyek vilgosan rmutatnak az atommag talakulsaival foglalkoz radioaktivits s akznsges molekulris reakcikat trgyal kmiai vltozsok kztti klnbsgekre.

Az aktv anyag bomlsa sorn sugrzs formjban felszabadul energia mennyisge igen nagy,sszehasonltva a molekulris vltozsokat ksr rtkekkel. A sugrzs energija vgl is hvalakul t. A rdium bomlstermkeinek htermelst pontosan megmertek. Azt talltk, hogy egy -boml radioaktv anyag ltal emittlt energia tbb milliszorosa annak, amit azonos sly anyagtermel brmilyen ismert kmiai reakciban. Ez az energia abbl a kszletbl szrmazik, amelymagban a magban halmozdott fel kinetikus vagy potencilis formban. A radioaktv folyamatokrvn felfedeztk teht az atomok ltal trolt roppant nagy energiamennyisgeket. Ezen energiaforrsltezsre elzetesen semmifle jel nem mutatott, ugyanis az addig rendelkezsre ll kmiai sfizikai erhatsok nem voltak elegendek az atommagok sztzzsra, talaktsra.

Az atomszerkezet magelmlete, melyet a kvetkez fejezetben ismertetnk, magban foglalja azt afeltevst, hogy az atomban nagy energiakszlet halmozdott fel; rdekes j: megvilgtsban trgyaljaa radioaktv atomok talakulsnak termszett.

2. bra. Az atom szerkezete.

1.5. Az atom magelmlete.

Klnbz forrsokbl szrmaz megfontolsok alapjn arra a kvetkeztetsre jutottak, hogy mindenatom rszben negatv tlts rszecskkbl, elektronokbl pl fel. Mivel az atom egszben kifelsemleges, kell tartalmazzon egy, a negatv tltsek sszegvel azonosnagysg pozitv tltst is. Apozitv s negatv tltsek kztti elektromos erhatsok biztostjk az atom egyenslyi llapott. Az-rszecskk szrsi ksrletei (lsd 4.11.) alapjn Rutherford arra a kvetkeztetsre jutott, hogy azatom pozitv tltse egy igen kicsiny trfogatban, a magban koncentrldik. Ezt veszik krl a negatvelektronok, melyek eloszlsa olyan, hogy a magtl val tvolsguk nem lpi tl az atom kznsgesrtelemben vett sugart.

A 2. bra a magelmletnek megfelel durva kpet ad az atom ltalnos felptsrl.

Mivel a negatv elektronok tmege igen kicsiny, praktikusan az atom teljes tmege a magbankoncentrldik. A mag pozitv tltsnek nagysga mivel az atom egszben semleges egyenl

kell legyen a negatv elektronok tltseinek sszegvel, azaz rtke Ze, ahol Z az elektronok szma se azok tltse. Azt talltk, hogy Z az elem rendszma, vagyis annak a helynek a szma, amelyet azelem elfoglal, ha tekintetbe vve kmiai tulajdonsgaikat, az sszes elemeket nvekv atomslyszerint sorba rendezik.

3. bra. A hidrognatom.

A hidrognatomnak egysgnyi pozitv tlts kicsiny magja van, melyhez egy elektron tartozik (3.bra).

A hidrognatom magjt protonnak nevezik. Rutherford kimutatta, hogy minden mag tartalmazprotonokat. Miutn Chadwick a protonnal hozzvetlegesen azonos tmeg, elektromos tltssel nemrendelkez neutront felfedezte (11.2.), nyilvnvalv vlt, hogy a neutronok is alkotrszei azatommagoknak. Ma gy vlik, hogy az sszes elemek magjai valamilyen mdon protonokbl sneutronokbl plnek fel. A magban lev rszecskk, nukleonok mennyisge olyan, hogy fenntartjk atlts s tmeg egyenslyt. A tltst a protonok szma hatrozza meg, egyenl Z-vel, az elemrendszmval. A tmeget a magban lev sszes nukleonok (protonok+neutronok) szma, az n. Atmegszm szolgltatja. A kzel ll az elem atomslyhoz, mivel a proton s neutron atomslya kb. 1.Pl. a hlium atommagjnak, az -rszecsknek rendszma 2, tmegszma 4; az elmlet szerint teht, 2protont s 2 neutront tartalmaz.

Nyilvnval, hogy egy nehz atom magja rendkvl kompliklt szerkezettel kell rendelkezzk:nagyszm pozitv tlts s semleges rszecskbl ll, melyeket hatalmas erk tartanak ssze egykicsiny trfogatban.

Pldul az aranyatom tmegszma 197, magtltse 79 egysg. A mag 79 protonbl s 118 neutronblpl fel valamilyen mdon.

Ezen koncepci szerint valamely atom legfontosabb jellemzje magtltsnek nagysga. Az atomfizikai s kmiai tulajdonsgai teljes egszben a mag krli elektronok szmtl s elrendezstlfggenek, s ezt nyilvnvalan a mag tltsnek rtke dnti el. Az elektronok elrendezst a magtmege csak nagyon kis mrtkben befolysolja.

1.6. A radioaktv talakulsok termszete.

Most mr abban a helyzetben vagyunk, hogy helyesen trgyalhatjuk az atom bomlsakor lejtszdtalakuls termszett. A magelmlet szerint, egy radioaktv elem ltal kibocstott -rszecske azatom magjbl szrmazik. Mivel az -rszecske tmege 4 s pozitv tltseinek szma 2 egysg, avisszamarad mag knnyebb lesz, s ami mg fontosabb, tltse is 2 egysggel cskken. Ebbl

kvetkezik, hogy kls elektronrendszerben 2 elektron feleslege lesz, ami az elektroneloszlstrendezdst vonja maga utn. A folyamat eredmnyekppen ltrejtt atom teht mind fizikai, mindpedig kmiai tulajdonsgait tekintve klnbzik a kiindulsi atomtl.

A termszetes radioaktv talakulsok tbbsgt -rszecskk emisszija ksri, s gy ezek afolyamatok alacsonyabb magtlts atomok ltrejttt eredmnyezik.

Szmos radioaktv elem -rszecskk kibocstsa kzben bomlik. Ezekben a folyamatokban egyneutron protonn alakul t, mikor is egy elektron keletkezik, amely nagy sebessggel elhagyja a magot.A visszamarad mag tmege ezrt praktikusan ugyanaz marad, mint az anyaatom, de rendszma 1egysggel megn, s ennek kvetkeztben az egsz atom tulajdonsgai megvltoznak.

Az 1. brn az atomokat reprezentl krkben a rendszmokat, vagyis a magtlts egysgekbenkifejezett rtkeit adtuk meg.

Mr a radioaktivits trtnetnek kezdetn felismertk, hogy a magok bomlst a valsznsgtrvnyei irnytjk (7.2.), de veken keresztl nem tudtk kielgten lerni a bomls jelensgt. Az1928-ban ajnlott elmlet (11.4.) az -talakulsok j magyarzatt adja. A -emisszitrvnyszersgeit 1934-ben (11.5.) ismertk fel.

2. FEJEZET

A GZOK IONIZCIJA

2.1. Az ionizci elmlete.

A radioaktv anyagok sugrzsainak legfontosabb tulajdonsga, hogy a gzokat ionizljk, s gy azokatkpess teszik az elektromossg vezetsre. ppen ez a sajtsguk szolgltatja a sugrzsoksszehasonltsra s analzisre kidolgozott fbb mdszerek alapjt. Ezrt mindenekeltt rviden tkell tekinteni azokat a folyamatokat, amelyek elektromos vezets kzben a gzokban lejtszdnak.

Ezek a folyamatok azon feltevs alapjn magyarzhatk, hogy a sugrzsok gzokon trtnthaladsuk kzben pozitv s negatv tltshordozkat hoznak ltre. A tltshordozk (vagy ahogyanltalban nevezik: ionok) keletkezsnek sebessge arnyos a sugrzs intenzitsval. Az elektromoser hatsnak kitett ionok sebessge arnyos az elektromos er nagysgval.

Ttelezzk fel, hogy az A s B fmlemezek kztti teret kitlt gz az A lemezen elhelyezett radioaktvanyag sugrzsnak van kitve (4. bra). A sugrzs msodpercenknt, a sugrzs valamint a gztulajdonsgaitl fggen, bizonyos szm iont kelt. Az egy fajta ionok tltseinek sszege ellenkezeljellel megegyezik a msik fajta ionok ssztltsvel. Abban az esetben, ha elektromos erteretkapcsolnak A s B kz, a pozitv ionok a negatv tlts B lemez fel mozognak, a negatv ionokviszont a pozitv A fmlap irnyban ramolnak. Az ionok vgl is elrik a lemezeket, s tltskettadjk azoknak. A folyamat kvetkeztben ram halad t a gzon.

2.2. Ionok rekombincija s diffzija.

Elektromos ertr hinyban a sugrzs hatsnak kitett gzban az ionok szma nem nvekszikkorltlan mrtkben, hanem rekombincis s diffzis folyamatok kvetkeztben hatrrtket r el.

4. bra. Ionizci kvetkeztben fellp elektromos vezets gzokban.

Ellenkez eljel ionok vonzzk egymst, rekombinldva semleges rendszert alkotnak, amely avezetsben mr nem vesz rszt. A rekombinci folyamatnak sebessge fgg az ellenkez tltsionok tkzseinek szmtl, s ez arnyos a jelenlev ionok szmnak ngyzetvel. Ebben azesetben egyenslyi llapot kvetkezik be, melyben a sugrzs ltal ltrehozott ionok keletkezsneksebessge egyenl a rekombinci sebessgvel. A sugrforrs eltvoltsa utn csak a rekombincifolyik tovbb, mg az sszes ionok el nem tnnek; a gz nem vezeti tovbb az elektromossgot.

A rekombinci sebessgnek illusztrlsra ttelezzk fel, hogy a sugrzs megszntnekidpillanatban 106 ion van a gz minden kbcentimterben; ezen ionok fele 0,7, 99%-a pedig 70msodpercen bell rekombinldik.

Nhny ion a diffzi folyamata kvetkeztben is eltnik: a tart edny szleihez diffundlnak, aholtltsket leadjk. A diffzi sebessge lass, az effektus is ltalban jelentktelen a rekombincikvetkeztben eltn ionokhoz hasonltva, hacsak a gz trfogata nem nagyon kicsiny. Gzokbl azionokat eltvolthatjuk oly mdon, hogy vattadugn hajtjuk keresztl; a vatta regei ugyanis olyankicsinyek, hogy az ionok a szlakhoz diffundlnak, mieltt thatoltak volna.

2.3. Az ram feszltsg-fggse.

Ha gyenge elektromos erteret kapcsolnak az A s B fmlemezek kz (4. bra), az elektrdk felhalad ionok sebessge a gyenge trnek megfelelen alacsony lesz, s legtbbjk mg tkzbenrekombinldik. Ennek kvetkeztben a gzon thalad ram kicsiny lesz. Mivel az ionok sebessgekzvetlenl arnyos az elektromos tr erssgvel, a trerssg nvekedtvel egyre kevesebb ionrekombinldik az elektrdk fel haladtban, s n az ram. Az ram maximlis rtkt akkor ri el,mikor az elektromos tr elg ers ahhoz, hogy minden iont eltvoltson a gzbl, mieltt mgszmottev rekombinci trtnne. A feszltsg tovbbi emelsekor az ram konstans marad, mivel agzban keletkez sszes ionok mr az elektrdkhoz jutottak. Ezt a maximlis ramot teltsiramnak, s a legalacsonyabb feszltsget, mely ennek fenntartshoz szksges, teltsifeszltsgnek nevezik. Az ramfeszltsg grbe ltalnos alakja az 5. brn lthat.

Nyilvnval, hogy egy ionizlt gzon thalad ram teltsi rtke mind az ionok keletkezsisebessgnek, mind pedig ami ebbl kvetkezik az ionizl sugrzs intenzitsnak is mrtke.A radioaktv anyagok ltal kibocstott sugrzsok sszehasonltsra s vizsglatra kidolgozottelektromos mdszer alapja pp ezen teltsi ramok mrse. A kvetkez fejezetben ismerkednk meg

a teltsi ramok mrsnl alkalmazott mdszerekkel.

2.4. Az ionok tltse.

Egy ion legfontosabb jellemzje elektromos tltse. Ennek a tltsnek a mrst az a felfedezs tettelehetv, mely szerint az ionok folyadkok kondenzcis magjaiknt szerepelhetnek.

Ha, mondjuk, vzprval teltett leveg hirtelen expandl, a leveg lehl, s kicsiny vzcseppekblll kd kpzdik. Ezek a cseppek a levegben mindig jelenlev porszemcsk krl alakulnak ki.

5. bra. Ionizlt gzon tfoly ram teltsi grbje.

Ha ezeket a porszemcsket eltvoltank, a teltett leveg expanzija kdkpzds nlkl mennevgbe. C.T.R. Wilson fedezte fel, hogy ebben a vonatkozsban a gz-ionok porszemcskhez hasonlanviselkednek. Mindegyik ion egy parnyi vzcsepp kzppontjv vlt, s a kialakult cseppek szma ajelenlev ionok szmval egyenl. Mikroszkp alatt, megfelel megvilgtssal, egyetlen cseppvizsglhat. A gravitcis ertr hatsra a csepp lefel esik; a Stokes-trvny felhasznlsval acsepp mrete az essi sebessg alapjn szmthat. Mivel a vzcseppek knnyen prolognak, s ennekkvetkeztben tmegket vltoztatjk, helyettk Millikan olajcseppeket alkalmazott, melyeketporlasztssal tlttt fel.

Ttelezzk fel, hogy a csepp kt olyan prhuzamos lemez kztt tartzkodik, melyekre erselektromos ertr kapcsolhat (6. bra). A fellp elektromos er hatssal van a csepp mozgsra,nveli vagy cskkenti essi sebessgt az ertr irnytsa szerint. Elzetesen csak gravitcis, majdksbb elektromos ertrben mrve az essi sebessget, kiszmthatjuk a csepp tltst.

Ttelezzk fel, hogy X erssg elektromos ertrben a csepp nyugalomban van, vagyis a cseppregyakorolt elektromos er a sllyal egyenslyt tart. Akkor

Xe = mg

ahol e a csepp tltst, m a tmegt jelenti.

0. bra. Tlttt csepp elektromos ertrben.

A Stokes-trvny rtelmben egy a sugar s srsg csepp v sebessge, mikor a gravitcihatsra egy viszkozitsi koefficienssel rendelkez gzban hull lefel, a kvetkez:

Ebbl

Nyilvnval, hogy

A kt utbbi egyenletbl:

e meghatrozshoz szksges sszes tbbi mennyisgek mrhetk, ill. ismertek.

A ksrletek sorn azt talltk, hogy egy negatv csepp legkisebb tltse nagysgra nzve megegyezikegy pozitv csepp legkisebb tltsvel. Nhny csepp tltse nagyobb volt, de mindig az e legkisebbtltsnek tbbszrseknt jelentkezett, e az elektron tltse, melyet Millikan nagyon pontosanmegmrt ; ezen elemi tlts jelenleg elfogadott rtke 4,803x10-10 elektrosztatikus egysg.

2.5. Az ionok mozgkonysga.

Az ionok mozgkonysgt, azaz 1 volt/cm potencil gradiens hatsra fellp ion vndorlsi

sebessget, tbbfle, megegyez eredmnyt szolgltat mdszerrel mrtk. Azt talltk, hogy nhnyhiganymillimternl nagyobb nyomsokon az ionok sebessge arnyos a. tr erssgvel. A trbekapcsolsakor az ionok majdnem pillanatszeren elrik a tr erssgnek megfelel sebessget, sazutn mr egyforma sebessggel mozognak. Az ionok mozgkonysga annak a gznak a termszettl,valamint nyomstl fgg, melyben azok ltrejttek. Atmoszferikus nyoms szraz levegben apozitv ion mozgkonysga 1,36 cm/sec, a negatv ion 1,87 cm/sec, hidrognben viszont amozgkonysg rtkei 6,70 cm/sec, ill. 7,95 cm/sec. A negatv ion mozgkonysga ltalban nagyobb,mint a pozitv. Az ionok mozgkonysga fordtva arnyos a gz nyomsval. 10 higany centi mteralatti nyomsoknl a negatv ion mozgkonysga igen gyorsan n.

2.6. Az ionok termszete.

A diffzi sebessgnek meghatrozsra vonatkoz mrsek tanstjk, hogy az ionok igen lassandiffundlnak, mintha tmegk nagyobb volna, mint azon gz molekuli, melyben keletkeztek. Ennekmegfelelen azt tartottk, hogy az ion voltakppen molekulk halmaza. Az ltalnosabb bizonytkokazonban ezen szemllet ellen szltak, s arra mutattak, hogy az ion rendszerint egyetlen molekula. Azalacsony diffzisebessg s kis mozgkonysg valsznleg az ion ltal szlltott tltsnektulajdonthat; az ion vonzdsa a semleges molekulkhoz s ellenttes tlts ionokhoz, cskkenti agzon val thalads sebessgt.

Nyilvnvalv vlt, hogy a gzokban lejtszd ionizcis folyamat sorn egy elektron leszakad agzmolekulrl. A visszamarad molekula pozitv tlts, ez alkotja a pozitv iont. Kznsgesnyomson a levlt elektron majdnem pillanatszeren hozz kapcsoldik egy semleges molekulhoz; apozitv ionnal azonos mret negatv ion keletkezik. gy kznsges nyomsokon mindkt fajta ionkrlbell ugyanazzal a mozgkonysggal rendelkezik; a negatv ion nagyobb mozgkonysga annak asebessgnek tulajdonthat, melyre az elektron azon rvid id alatt tett szert, mg nem voltmolekulhoz kttt llapotban. Alacsony nyomsoknl az elektron bizonyos ideig szabadon ltezhet,anlkl, hogy egy molekulval sszetkzve ahhoz kapcsoldnk. Ez alatt az id alatt jelentssebessgre tesz szert. ppen ezrt vrhat, hogy ilyen nyomsoknl a negatv ionok mozgkonysgarendkvl magas lesz, amit a ksrletek valban igazoltak.

2.7. Ionizci tkzs rvn.

Mivel a radioaktv anyagok - s -sugrzsa nagy sebessggel mozg tlttt rszecskkbl ll,vrhat, hogy egy gz ionjai tovbbi ionizcira kpesek, ha megfelel sebessg mozgsraksztetjk ket. Az ionoknak gzmolekulkkal trtn tkzseinl fellp ionizcis jelensgeketalacsony nyomsoknl figyeltk meg.

Nhny higany millimter nyoms ionizlt gzban a feszltsg fggvnyben az ramerssg a 7.brn lthat grbe szerint vltozik. Az OAB szakasz a rendes teltsi grbnek felel meg.Amennyiben az elektromos tr a nyomstl s a gz termszettl fgg bizonyos rtk fl n,az ram rohamosan nni kezd, s vgl kisls jn ltre.

Ez a nvekeds a negatv ionoknak a gz molekulival trtn tkzsei sorn keletkez j ionoknaktulajdonthat. Amint az elektromos tr a kislsi rtket elri, a pozitv ionok is elegend sebessgretesznek szert, hogy tkzssel jabb ionokat hozzanak ltre, de ltalban hatsuk sszehasonltva a

negatv ionokval jval kisebb.

A jelensg mdot nyjt kicsiny ionizcis ramok felerstsre, ugyanis a feszltsg s a nyomsmegfelel belltsval a gzban keletkez ionok szma tkztetssel tbb ezerszeresresokszorozhat. Ezen a mdon, elektromos hatsa rvn egyetlen -vagy -rszecske is detektlhat.

7. bra. Az tkzs rvn fellep ionizci hatsa az alacsony nyoms gzok ram-feszltsggrbjn.

2.8. Az ionok szma s eloszlsa.

A gzban msodpercenknt ltrejtt ionok szma ltalban nagyon kevs a jelenlev molekulkszmhoz kpest. rzkeny elektroszkppal

1 liter trfogatban kbcentimterenknt s msodpercenknt 1 - 2 ion ltrejttt lehet megmrni.Mivel norml hmrskleten s nyomson (0 C s 760 higanymillimter) 1 cm3 levegben 2,69x1019 molekula van, az ionizci msodpercenknt kb. 1 molekult rint a 1019-bl. Normlis ksrletikrlmnyek kztt, amikor sugrzsuk alapjn hasonltanak ssze aktv forrsokat, sem lesz nagyobbaz 1 : l014-knl a msodpercenknt ionizlt molekulk szma a jelenlev sszes molekulkhozviszonytva.

A radioaktv anyagok ltal kibocstott sugrzs hatsra keletkez ionok eloszlsa nem leszegyenletes az ionizlt gz trfogatban. Az -rszecskk egyenes vonalban haladnak, s plyjukmentn igen erteljesen ionizlnak. Az ionok szma az -rszecskk sebessgtl fgg, levegbentlagban 300 ion/mm keletkezik, atmoszferikus nyomson. Az ionizci gy egy nagyon kiskeresztmetszet oszlopra korltozdik, amelyben az ionok igen srn helyezkednek el. Arekombinci sebessge ezrt nagy, s viszonylag magas feszltsg szksges a telts elrsre.

A -sugarak meglehetsen zegzugos ton haladnak, s ionizcis hatsuk sokkal kisebb. Egy nagysebessg -rszecske plyja mentn ltalban csak 1020 iont kelt mm-enknt. A -rszecskkionizcija gy sokkal egyntetbb, s nem olyan intenzv, mint az -sugrzs esetben. ltalban atelts is knnyen elrhet.

3. FEJEZET

MRMDSZEREK

3.1. Elektromos mdszer.

A radioaktv anyagok ltal kibocstott sugrzsok mrsre szolgl legltalnosabban hasznltmdszer a sugarak azon tulajdonsgn alapszik, hogy gzokon thaladva ionizlnak. A 2.3. pontbanmondottak szerint, az ionizlt gzon keresztlhalad teltsi ram kzvetlen mrtke lehet az ionokkeletkezsi sebessgnek, kvetkezskpp az ionizl sugrzs intenzitsnak.

A telts ltrehozshoz szksges elektromos tr nagysga fgg az ionizci intenzitstl, teht avizsglt ksztmny aktivitstl. Szoksos krlmnyek kztt egy 100 volt/cm-es tr elegend atelts elrsre.

-sugarak esetben a teltsi ram kialakulsval kapcsolatos nehzsgekrl a 2.8. pontban mremlts trtnt. Mindamellett azt talltk, hogy mikor mg a teljes teltsi llapotot nem rtk el, azszlelt ramok mgis majdnem ugyangy arnylanak egymshoz, mint valdi telts esetn. Az -ionizcinl a 100 volt/cm-es tr krlbell a valdi teltsi ram 85%-t eredmnyezi, ez azonban alegtbb sszehasonlt mrshez elegend.

ltalnos szablyknt megjegyzend, hogy az ionizcis ramok galvanomterrel trtn direktmrshez tl gyengk, ezrt sokkal rzkenyebb berendezseket elektromter vagy elektroszkp kell hasznlni. A radioaktv folyamatok megfigyelse a legtbb esetben abbl ll, hogy mrik egyprepartum aktivitsnak idbeli vltozst, vagy kt anyag sugrzst hasonltjk ssze azonoskrlmnyek kztt. Ilyen mrsek lefolytatsra az elektroszkp a legegyszerbb slegknyelmesebb mszer.

3.2. Elektroszkp -sugrak mrsre. Az -sugarak mrsre szolgl elektroszkp szoksosfelptse a 8. brn lthat. Az aktv anyag az A lemezen helyezkedik el. A fels B lemezt C rdtartja, melyet egy S szigetel bett rgzt. A C rdhoz L aranyfstlemezke illeszkedik; az egszszigetelt rendszer K sapka eltvoltsval feltlthet. Az A lemez s a hz fldelve van. A berendezsD oldalon nyithat, gy md van az aktv prepartumok cserjre.

Az elektroszkp als fele voltakppen az ionizcis kamra (v. 4. bra), fels rsze az ionizltlevegn thalad ram mrsre szolgl.

8. bra. Elektroszkp -sugarak mrsre.

A BCL rendszert 3 400 volt potencilra tltik fel, minek kvetkeztben az aranyfstlemezke kb.40-ot kitr. Abban az esetben, ha az A s B lemezek 4 cm-nl nincsenek tvolabb egymstl, ez afeszltsg elegend a telts kzelt elrsre. Az A s B elektrdk kztti leveg ionizcija miattB potencilja cskkenni fog, amit az aranyfstlemezke esse jelez. A levegn thalad ramot a Belektrda potencilvesztesgnek sebessge mri, s ez durvn arnyos az aranyfstlemezkeelmozdulsnak mrtkvel. Az aranyfstlemezke mozgsa W ablakon keresztl egy kb. 10-szeresnagyts mikroszkppal figyelhet meg, melynek szemlencsjbe mikromter sklt ptettek be. Aztaz idt, amely alatt az aranyfstlemezke a skla kt fix pontja kztt elhalad, stopperrval mrik. Akisls sebessgt ltalban azon osztsok szmnak tlagval fejezik ki, melyeken azaranyfstlemezke egy perc alatt thaladt.

A radioaktv anyag eltvoltsa utn is szlelhet mg tfoly ram. Ez rszben a leveg termszetesionizcijnak, rszben pedig a szigetel bett tvezetsnek tulajdonthat. Az ezen okok miattfellp tltsvesztesget az elektroszkp termszetes kislsnek nevezik, ez azonban csak igenkismrv lehet.

Ttelezzk fel, hogy egy, az A elektrdon elhelyezett aktv anyag az aranyfstlemezkt n1 oszts/percessi sebessgre kszteti. Amennyiben a termszetes kisls n oszts/perc, az anyag aktivitsa (n1n)-nel arnyos. Ha egy standard urnoxid forrs n2 oszts/perc kislst okoz, akkor az anyagnak astandardra vonatkoztatott aktivitsa:

(n1 n)/(n2 n)

Sok esetben egy anyag aktivitst periodikusan, hossz idn t kell mrni. Mivel ez id alatt azelektroszkp rzkenysge vltozhat, a berendezst valamilyen mdon standardizlni kell. Ezmegfelel mret, vkony rteg urnoxid standard forrsok alkalmazsval trtnhet. Az urnoxidaktivitsa gyakorlatilag lland. A mrs alatt ll prepartum ionizcis ramt, a fentihez hasonlmdon, sszehasonltjuk az urn standard megfelel rtkvel. A kt ram arnya az elektroszkprzkenysgben bekvetkez mindennem vltozstl fggetlen.

3.3. Elektroszkpok - s y-sugarak mrsre. A - s y-sugarak mrsre szolgl elektroszkpalaptpusa a 9. brn lthat. A keskeny L aranyfstlemezkt az R sima rdhoz erstik, melyet a Bedny belsejben az A rddal rgztett kicsiny S knbett szigetel. Az R elektrda egy ebonitszigeteln keresztl benyl knny, hajltott CC drttal tlthet fel. Magt a C drtot viszont ebonitrddal vagy hozzkapcsolt kb. 300 V-os teleppel tltik fel. Tlts utn a C drt s az R rdkapcsolatt megszaktjk, s a drtot fldelik. Az A rd s a B edny szintn fldelve van. Azaranyfstlemezke mozgst az edny ablakn keresztl mikroszkppal figyelik; a mrs egybkntppen gy trtnik, mint -elektroszkp esetben. Itt a B edny az ionizcis kamra, elektrdkkntaz edny falai, valamint az aranyfstlemezke s R rd alkotta elektrdarendszer szerepelnek.

-sugarak mrsre az elektroszkp aljra vagy oldalra aszerint, melyik nyjt knyelmesebbmegoldst nylst vgnak, s ezt az -sugarak abszorpcijra ppen elegend vastagsg, kb.0,006 cm-es alumnium flival lefedik.

9. bra. Elektroszkp - s y-suqarak mrsre.

A vizsglt aktv anyag -sugarai keresztlhaladnak az alumniumon, s ionizljk az elektroszkpbana levegt. A prepartumot olyan tvolsgban helyezik el, hogy megfelel kislsi sebessgetszolgltasson.

Az elektroszkp egy tlkban vastag rtegben egyenletesen eltertett urnoxid prepartummalstandardizlhat.

A y-elektroszkpot rendszerint lombl ksztik, a falak vastagsga legkevesebb 3 mm. A -sugarakatilyen vastag lom teljesen elnyeli, gy az elektroszkpban az ionizci kizrlag a y-sugaraknaktulajdonthat. A y-sugrforrst az elektroszkp egyik oldaltl megfelel tvolsgban helyezik el. Ay-elektroszkpot egy leforrasztott vegcsben lev ismert mennyisg rdiumot tartalmazprepartum y-sugrzsval hitelestik.

3.4. A Lauritsen-elektroszkp.

Az aranyfst lemezes elektroszkpnl sokkal rzkenyebb s ppen olyan egyszer a kvarcszlaselektroszkp, melyek tervezje C. C. Lauritsen s T. Lauritsen volt (10. bra).

10. bra. Lauritsen-elektroszkp.

Ennek mozg rsze egy parnyi aranyozott F kvarcszl, tmrje kb. 4 mikron s hossza 6 millimter.A szlat egy edny belsejben elhelyezett, de annak falaitl elszigetelt kicsiny fmkerethez erstik,amely ionizcis kamraknt szerepel. Mikor a keretet telep segtsgvel kb. 100 volt potencilrafeltltik, a kvarcszl az azonos eljel tltsek kztt fellp taszter folytn elhajlik a kerettl. ALauritsen-rendszernl a visszatrt ert nem az aranyfstlemezes elektroszkpoknl fellpgravitci, hanem a kvarcszlak rugalmassga szolgltatja. Az elhajls szlelsre a berendezsbemikroszkpot ptenek, amelynek szemlencsjben mikromter skla van. A berendezs -sugarak

detektlsra kivlan alkalmas. Egy 1 mter tvolsgban elhelyezett 1 mg-os rdiumforrssugrzsnak hatsra a kvarcszl 5 sklaosztst mozdul el percenknt. Mivel a termszetes kislsennek kb. csak 1/100-a, mr olyan forrs aktivitsa is szlelhet, amely msodpercenknt csak prelektront emittl.

3.5. Rszecskk szmllsa. Proporcionlis szmll.

Sok radioaktv mrsnl ismerni kell a forrs ltal kibocstott rszecskk szmt. Azonban ahhoz,hogy megszmllhassuk azokat, szksges, hogy szlelni tudjuk egyetlen rszecske hatst. Arszecskk egyenknti detektlsra kt direkt eljrs ll rendelkezsre: az elektromos s aszcintillcis mdszer.

11. bra. --szmll (Rutherford s Geiger)

Az elektromos mdszer az tkzses ionizci (2.7.) elvn alapszik.

A Rutherford s Geiger tervei szerint kszlt legrgibb -szmll smja a 11. brn lthat. Aszmll A fm hengerben centrlisn egy szigetelt B szl van kifesztve. A henger vgeinl a szlatebonit dugk rgztik. A hengert nagyfeszltsg telep negatv plushoz, a centrlis szlat egyelektromterhez kapcsoljk. A szl krnyezetben gy igen ers elektromos tr alakul ki, s amikoregy -rszecske ltal keltett negatv ion ezt a tartomnyt elri, elegend energira tesz szert tovbbiionok ltrehozsra. Az jonnan keletkez ionok is folytatjk ezt a lavinaszer folyamatot, minekeredmnyekppen a primr ionok tbb ezerszeresen megsokszorozdnak. Az ersts olyan nagy, hogyegyetlen, az O-ablakon keresztl belp -rszecske az elektromtert szlelheten kitrti.

Manapsg a centrlis szlat elektromter helyett egy megfelel ersts elektroncsves erstbemenethez kapcsoljk, amely kimen krben egy regisztrlt, pl. telefonszmllt mkdtet.

Ily mdon a szmllba belp minden -rszecske automatikusan regisztrlhat.

Ha a szmllt megfelel nyoms (nhny higanycentimter) gzzal tltik, s alkalmasan vlasztott(1000 volt nagysgrend) feszltsget adnak a hengerre, a gzfelersts a rszecske kezdetiionizcijval arnyos. Az ily mdon dolgoz szmllkat proporcionlis szmllknak nevezik, sigen jl hasznlhatk -rszecskk s protonok szmllsra. A -sugarak nem regisztrlhatk, mertalacsony ionizcis kpessgk miatt nem keltenek kellen nagy impulzusokat. Lehetsg knlkozikteht intenzv - s y-sugrzs jelenltben -sugarak detektlsra s szmllsra.

3.6. A GeigerMller-szmll.

Amennyiben a proporcionlis szmllra adott feszltsget nvelik, a gzfelersts n, ami a szl

krnyezetben nagyobb impulzusokat eredmnyez. Ugyanekkor a kezdeti ionizcival val arnyossgfokozatosan eltnik. Vgs fokon egy olyan llapot kvetkezik be, amikor a cs kimenetn jelentkezimpulzus azonos nagysg, fggetlenl attl, mekkora volt a kezdeti ionizci. Ezen tartomnybanmkd szmllk Geiger Mller-szmll nven ismeretesek. Ez a fajta szmll termszetesenkptelen klnbsget tenni a klnbz fajta rszecskk kztt, azonban igen rzkeny, mivel mregyetlen belp elektront is regisztrlni tud.

A kisls folyamata a Geiger-szmllban sokkal bonyolultabb, mint a proporcionlis esetben. Egy, aszlhoz kzeli adott ponton a kezdeti lavina a szmllt tlt gz nagyszm atomjt gerjeszti. Azatomok fotonokat adnak le, s ezek tovbb gzmolekulk ionizcijra kpesek; az gy keletkezettfotoelektronok a szl szomszdos pontjaiban j lavinkat indtanak. Ily mdon a kisls a szl mentntovbb terjed, s mind tbb s tbb elektron keletkezik. A szmllba belp egyetlen elektron hatsa108-os faktorral sokszorozdik. Tulajdonkppen az egyszer megindult kislsi folyamat ismtldne,ha valamilyen kiolt effektus ennek nem vetne gtat. Az n. nkiolt szmllkat argon s egysokatomos gz (rendszerint alkohol) keverkvel tltik. A szerves molekulnak nekitd foton amolekult disszocicira kszteti, anlkl, hogy egy szekundr elektron keletkeznk.

12. bra. GeigerMller-szmll -sugarak mrsre.

Ezen effektus folytn a fotonok szma cskken, s a kisls kioltdik. Az alkohol fokozatosanfelhasznldik, ezrt bizonyos id elteltvel a szmllt jra kell tlteni.

A GeigerMller-szmll, igen nagy rzkenysge s a hozz kapcsolt elektronikus egysgekviszonylagos egyszersge miatt, a legelterjedtebben hasznlt berendezs a radioaktvmrstechnikban. A 12. bra -sugarak detektlsra szolgl szmll szoksos formjt mutatja. Akzps szl, vgn egy veggynggyel, mind a nagyfeszltsg elektrda, mind pedig az impulzusokgyjtje szerept tlti; a kls henger fldelve van. A -sugarak vkony alumnium vagy csillmablakon keresztl lphetnek be, amennyiben az ablak megfelelen vkony, a szmll -rszecskkdetektlsra is alkalmas. Egy y-sugarak mrsre ltalnosan hasznlt Geiger-szmll vzlata a 13.brn lthat.

3.7. A szcintillcis szmll.

Ha foszforeszkl cinkszulfld ernyt -sugarak hatsnak tesznek ki, az vilgtani kezd; a jelensgetmikroszkppal vizsglva azt talltk, hogy a fnyt nagyszm apr felvillans, szcintillci kelti. Afnyfelvillansok gyorsan keletkeznek, majd kialszanak.

13. bra. GeigerMller-szmll y-sugarak mrsre.

Rutherford s Geiger sszehasonltotta az szlelt szcintillcik szmt az ernyre es -rszecskkelektromos mdszerrel mrt szmval, s a vizsglatok alapjn kimutattk, hogy minden egyesfnyfelvillansnak egy, a cinkszulfidba becsapd -rszecske felel meg. Egyenletes ernyn minden-rszecske lthat fnyfelvillanst okoz. Ez a mdszer az -rszecskk szmllsra klnsenegyszer lehetsget nyjt.

A radioaktivits kutatsnak kezdeti idszakban legnagyobbrszt szcintillcis mdszerreldolgoztak, az elektromos szmllk kifejlesztse utn azonban mr nem alkalmaztk, mert fraszt,lass s bizonytalan volt. Az utbbi vekben a szcintillcis mdszer renesznsznak lehetnk tani,ami az elektronsokszorozk kidolgozsnak ksznhet. Az elektronsokszoroz egy fotokatdbl stbb elektrdbl (n. dindkbl) pl fel. A dindk anyagt gy vlasztjk, hogy azok minl tbbszekunder elektront emittljanak. Az elektronsokszoroz elektrda rendszernek felptse olyan,hogy az egyik dindbl kilp elektronokat a kvetkez maghoz vonzza, s a res elektronoknltbbet emittl s gy tovbb. gy, a cinkszulfid kristlyban egy -rszecske ltal okozott, azelektronsokszoroz katdjra es fnyfelvillans hatsra az utols dindbl nagyszm, mintegy105 elektron lp ki. Ezek az elektronok megfelel nagysg, elektroncsves erstvel tovbbersthet impulzusokat szolgltatnak, amelyek ugyanolyan mdon regisztrlhatk, mint az ionizciskamrk impulzusai.

Eltekintve attl a fejldstl, amit a szcintillcik automatikus regisztrlsa nmagbaneredmnyezett, a szcintillcis foszforok s elektronsokszorozk kombincija azzal az elnnyel isjrt, hogy lehetv tette - s y-sugarak szmllst, melyek egybknt a vizulis megfigyelshez tlgyenge fnyfelvillansokat hoznak ltre. Klns jelentsge van a szcintillcis szmllknak a y-sugarak mrse terletn, ugyanig megfelelen nagy foszfor alkalmazsval y-detektlsi hatsfokuklegalbb tzszerese a Geiger-szmllknak. ppen ezrt jabban a szcintillcis szmll kiszortjaa Geiger-szmllt, elssorban az igen gyenge y-aktivlsok mrsnek terletrl.

A cinkszulfidon kvl sok egyb szcintillcis foszfort is hasznlnak; ezek rszben szervetlenek, minta (talliummal aktivlt) ntriumjodid s a kalciumvolframt (Scheelit), rszben szervesek, mint anaftalin s az antracn. Ezekbl az anyagokbl fnytereszt nagy kristlyok nveszthetk, amelyek jhatsfokkal detektljk a y-sugarakat, mert nagy rszket abszorbeljk.

3.8. A kdkamra.

Eltekintve a rszecskk szmllstl, gyakran igen hasznos, hogy tjuk lthatv tehet. Erre a clrakt mdszer ll rendelkezsre: a kdkamra s a fnyrzkeny (fnykpszeti) emulzi.

A kdkamra mkdse C. T. R. Wilson megfigyelsn alapszik, mely szerint tlteltett gzben mindenjelenlev elektromosan tlttt rszecskn cseppecskk kondenzldnak (2.4.). Ezrt, ha egy ionizlrszecske ( vagy elektron) halad t gzzel teltett levegn, melyet ekkor hirtelen expandltatnak, az

ltala keltett ionok krl cseppecskk alakulnak ki, s gy tja lthatv vlik. A 14. bra a kdkamraalapelvt szemllteti. A henger alak kamrt egyik vgn a P dugatty, msik vgn a G vegablakzrja le. Egy sugrforrst helyeznek a kamrba, mely alkohol vagy vz nyomokat tartalmaz, hogy atr gzzel teltett legyen.

14. bra. Wilson-kdkamra

Amikor a dugattyt hirtelen lerntjk, az adiabatikus expanzi kvetkeztben az ionok krl a gzkondenzldik. A keletkez kdt oldalrl ers fnyforrs vilgtja meg, gy a nyomok G ablakonkeresztl lthatk, ill. fnykpezhetk. Kt fnykpezgppel sztereoszkopikus felvtel kszthet. AzI. kp egy radioaktv forrs ltal kibocstott -rszecskk nyomainak fnykpt mutatja.

Gyakran alkalmaznak a kamra tengelyvel prhuzamos mgneses teret abbl a clbl, hogy arszecskk tjt krv mentn elhajltsk (lsd 3.10.). A rszecskeplyk grbletneit sugara afnykpen lemrhet, s ebbl az adatbl impulzusuk s energijuk meghatrozhat.

3.9. Fnyrzkeny emulzis technika. A gzokban keletkez ionokkal kapcsolatban mr emltettk,hogy a radioaktv anyagok sugrzsa a fnyhez hasonlan hat a fnyrzkeny lemezre: megfeketti alemeznek azt a terlett, amelyen thalad. Az effektus rszletes tanulmnyozsa ahhoz a felismershezvezetett, hogy egy halogenid szemcsn thalad egyetlen -rszecske azt elhvhatv teszi.Amennyiben teht a lemezt -sugrforrssal trtn expozci utn megfelelen kezelik, a rszecskknyoma elhvott szemcsk soraknt jelentkezik. Mivel az -rszecskk hattvolsga az emulzibanrvid, 2050 mikron, a nyomok szabad szemmel nem, de mikroszkppal tisztn lthatk.

Az emulzis technika ugyanolyan tpus ksrleteknl alkalmazhat, mint a kdkamra; voltakppenegy folyamatosan mkd kdkamrnak tekinthet. Elnye viszont az, hogy rendkvl egyszerberendezst ignyel, a ksrletekhez csupn egy fnyrzkeny lemezre van szksg. Msrszrlviszont a nyomok mikroszkpi megfigyelse igen fradsgos feladat, ezrt kvantitatv munkra azemulzis technikt nem szvesen alkalmaztk. A legutbbi vekben viszont, fknt Powell munkjnakeredmnyekppen, jelents halads trtnt, minek kvetkeztben az emulzis technika a magfizikaijelensgek vizsglatnak egyik leghatkonyabb mdszere lett. j, nagy ezsthalogenid koncentrcijemulzikat ksztettk, gy, hogy a szemcse kis mrete ellenre, a szomszdos szemcsk kzttitvolsg nagymrtkben cskkent. Egy -rszecske nyoma ezrt majdnem folytonos vonalkntjelentkezik. A II. kpen -rszecskk ilyen emulziban kapott nyomai lthatk. Nmelyik jemulzinl a szemcsk rzkenysgt oly nagy mrtkben fokoztk, hogy azok elektronnyomokkimutatsra is kpesek, mg olyan sebessgeknl is, amelyeknl az ionizci igen csekly.

Tovbbi jelents elrehalads trtnt a nyomok vizsglatra szolgl optikai berendezsek terletnis. Kis fkusztvolsg s nagy felbontkpessg objektvekkel hrom dimenziban lejtszdesemnyek is tanulmnyozhatk. Binokulris mikroszkp hasznlata cskkenti a megfigyel idegitlterhelst s a szubjektv hiba valsznsgt.

Az individulis rszecskk nyomainak kimutatsn tlmenen a feketeds jelensgt eszkzknthasznljk fel egy sugrnyalb helyzetnek regisztrlsra is.

15. bra. Rszecskenyalb mgneses elhajltsa.

gy a mgneses vagy elektromos trben elhajltott sugarak plyjnak grblete kimutathat afnyrzkeny lemezen, s ennek mrse felvilgostssal szolgl a sugarak jellemz llandirl.

3.10. Mgneses elhajlts. A radioaktv anyagok korpuszkulris sugrzsait a bennk haladrszecskk m tmege, e tltse s v sebessge jellemzi. Ezen mennyisgek kln-kln trtnmeghatrozsa ksrleti nehzsgekbe tkzik, de e/m, a tlts s a tmeg arnya, valamint a vsebessg kiszmthat a rszecskk mgneses s elektromos trben bekvetkez elhajlsnakmrsbl.

Ismeretes, hogy egy mgneses trben ramot szllt vezetre, mind az ram irnyra, mind pedig amsneses trre merleges irny eltrt er hat. A tlttt rszecskk mozgs kzben ev nagysgramnak felelnek meg.

Ennek megfelelen, ha egy OA irny rszecskenyalb (15. bra) a mgneses ervonalakra (irnyuk apapr skjra merlegesen htrafel mutat) merlegesen tr ki, a rszecskk rama lefel vagy felfelhajlik, aszerint, hogy az e tlts pozitv vagy negatv.

10. bra. Rszecskenyalb elektromos elhajltsa.

Mivel a rszecskkre hat er minden idpillanatban merleges haladsi irnyukra, sebessgkvltozatlan marad. A rszecskk krv mentn mozdulnak el, mivel a rjuk hat er Hev, ahol H amgneses tr erssge. Amennyiben a plya grbleti sugara , azt kell kapjuk, hogy

Mivel v s konstans, a rszecske kr alak plyn halad.

A 15. brn az OA nyalb A-nl lp a mgneses trbe, s eredeti OAB irnytl AC krv mentn trel. A kr sugara a BC elhajlsbl szmthat. BC-nl elhelyezett magemulzin mgneses tr nlkl B,annak bekapcsolsa utn C hely regisztrlhat. A BC elhajls gy mrhet.

3.11. Elektromos elhajlts. Ha a rszecskk elektromos tren t haladnak, mondjuk OAB irnyban(16. bra) L s M prhuzamos lemezek kztt, L vagy M fel hajlanak el, aszerint, hogy tltskpozitv vagy negatv. Amennyiben

az X elektromos tr a lemezek kztt lland, a rszecskk konstans a gyorsulsra tesznek szert OAB-re merleges irnyban, (a egybknt adott az ma = Xe egyenlettel.) A rszecskk gy llandvzszintes sebessggel s lland fggleges gyorsulssal mozognak. A plya a vzszintesen elhajtotts a gravitci hatsra alhull kdarabhoz hasonlan parabola, amelynek OAB az A tetpontonrintje.

Legyen l a lemezek hossza, akkor a rszecske l/v id alatt halad t az elektromos tren. Konstansgyorsuls mellett ez id alatt megtett BC tvolsg

vagy BC = d helyettestssel mv2/e = Xl2/2d.

Elektromos trben mrt elhajls az mv2je rtket szolgltatja; ezt sszekapcsolva a mgneses elhajlsalapjn meghatrozott mv2/e kifejezssel, megkapjuk az e/m hnyadost s a rszecskk v sebessgt.

Az ilyen tpus mrseket nagyvkuumban kell vgrehajtani, mert a mozg rszecskk sebessgecskken anyagon val thaladsuk kzben. Az -rszecskk pl. teljesen elvesztik sebessgket nhnycentimter levegben megtett t utn, s rendes gzatomokk alakulnak.

4. FEJEZET

A SUGRZSOK. AZ -SUGARAK

4.1. A kutats mdszerei.

Tbb ltalnos mdszer ltezik a radioaktv elemek ltal emittlt sugrzsok vizsglatra. Ezek kzlaz egyik annak megfigyelsre szortkozik, vajon a vizsglt sugarak elhajlanak-e mgneses selektromos trben. A tlttt rszecskkbl ll sugrzsok elhajlanak; az eltrs irnya eldnti,pozitv vagy negatv tltsek-e a rszecskk, mrtke pedig sebessgkrl, valamint a tlts/tmegarnyrl tjkoztat.

Ezen a mdon kimutathat volt, hogy a termszetes radioaktv elemek hrom, jl elhatrolhat tpus

sugrzst bocstanak ki: -, - s -sugarakat. A mgneses tr szeparl hatst a 17. braillusztrlja. A sugrnyalbot egy szk henger aljn elhelyezett rdium-prepartum emittlja. Amgneses tr irnya a papr skjra merleges, s htrafel mutat. A -sugarak elhajls nlklhaladnak tovbb. A -sugarak jobbfcl hajlanak el, jelezve, hogy negatv tlts rszecskk. Amgneses s elektromos elhajls mrtke alapjn lehetett arra kvetkeztetni, hogy a -sugarak avkuumcsvek katdsugaraival azonos tpusak. Az -sugarak balfel trnek el, s mind mgneses,mind pedig elektromos elhajlsuk kicsiny, sszehasonltva a -sugarak megfelel rtkeivel. Ennekmegfelelen, az -sugarak nagy tmeg, pozitv rszecskkbl llnak. Az brn az -sugarak elhajlsaersen tlzott.

A sugrzsokat szilrd anyagokban s gzokban trtn elnyeldsk relatv sszehasonltsa alapjnis vizsgljk. A mrsekhez elektroszkpot vagy Geiger-szmllt hasznlnak.

4.2. A sugrzsok thatol kpessge.

A mrsek szerint az -sugarak igen nagy mrtkben, a -kvantumok alig abszorbeldnak az tjukbahelyezett anyagokban. Az -sugarakat pr centimter levegrteg vagy vkony flia mr teljesenelnyeli. 0,006 cm vastag alumnium lemez vagy egy paprlap mr elegend az -sugrzs tkletesabszorpcijhoz. Mikor egy ilyen rteget helyeznek aktv prepartum fl, a maradk ionizcis hatsmr csupn a -,ill. -sugaraknak tulajdonthatk. A -sugarak thatolkpessge nagymrtkbenvltozik, de 5 mm alumnium vagy 1 mm lom praktikusan mindet abszorbelja. Ilyen vastagsgelnyel rtegeken tl kifejtett ionizcis effektus -sugaraktl szrmazik.

rzkeny detektorra], pl. Geiger-szmllval, 1 mg rdium -sugrzsa 20 cm lmon keresztl isszlelhet.

Durvn azt mondhatjuk, hogy a -sugarak thatolkpessge kb. 100-szorosa az -sugaraknak, a -kvantumok viszont ismt csak kb. 100-szor kevsb abszorbeldnak, mint a -sugarak. Msrszrlviszont, egy -, - s -sugarakat kibocst radioaktv forrs krl keltett ionizcinak messzelegnagyobb rszt az -rszecskk, legkisebb hnyadt a -sugarak okozzk.

AZ -SUGARAK

4.3. a-sugarak mgneses s elektromos elhajltsa. Az -sugarak elektromos s mgneses

ertrben mrt elhajls-rtkei alapjn arra lehetett kvetkeztetni, hogy egyetlen radioaktvksztmny ltal kibocstott valamennyi -rszecsknek a legtbb esetben azonos kezdeti sebessgevan. Nhny elem tbb diszkrt -rszecske csoportot emittl, de a csoportokon bell az sszes -rszecske azonos sebessg. Az -rszecskk kilvellsnek sebessge az ket ltrehozmagtalakulsra jellemz. Pldul a rdiumemanci talakulsa sorn emittlt -rszecskksebessge 1,62x109 cm/sec, a RaC' -sugarai 1,92x109 cm/sec sebessggel rendelkeznek.

Msrszrl viszont eredettl fggetlenl minden a-rszecske tlts/tmeg arnya ugyanaz. Ez aztbizonytja, hogy a radioaktv anyagok ltal emittlt -rszecskk, a sebessgrtkek vltozsaitleltekintve, azonosak, s ugyanabbl az anyagbl plnek fel.

Az a-rszecskk ksrletileg meghatrozott e/m rtke 4,823, elektromgneses egysgekben kifejezve.A hidrognion e/m-je 9,652, azonos egysgekben; a hidrognion egysgnyi pozitv tlts. Ha az -rszecske egysgnyi pozitv tltst hordozna, tmege a hidrognatomnak ktszerese lenne;amennyiben az a-rszecske kt pozitv tltsegysggel rendelkezne, tmege a hidrognatomnakngyszerese, azaz a hliummal azonos lenne. Az -rszecske tltsnek mrse ezrt igen fontosproblma volt, megoldsn Rutherford s Geiger fradozott, akik ismert szm -rszecske teljestltsmenynyisgt mrtk.

4.4. Az -rszecskk szmllsa. Proporcionlis szmll segtsgvel Rutherford s Geigermeghatrozta egy rdium-C' forrs -rszecske emisszijnak sebessgt. A forrst egy evakultcsbe helyeztk, ennek vghez csatlakozott a szmll. Ha a forrs s a szmll nylsa kzttitvolsg r cm, a nyls keresztmetszete A cm2, a szmllba msodpercenknt belp rszecskkszma: NA/4r2, ahol N a forrs ltal msodpercenknt kibocstott sszes -rszecskk szma. Aforrs rdium-C' mennyisgt elcktroszkppal hatroztk meg: -sugrzst standard rdiumprepartumval hasonltottk ssze.

Proporcionlis szmllval mrve azt talltk, hogy 1 g rdiummal radioaktv egyenslyban levrdium-C' ltal msodpercenknt kibocstott -rszecskk szma kb. 3,6 x 1010. Ugyanennyi -rszecskt lvell ki 1 g rdium maga s mindhrom vele egyenslyban lev -sugrz lenyeleme, aradon, rdium-A s rdium-C'. Kvetkezskppen ezen bomlstermkeivel egyenslyban lev 1 grdium msodpercenknt 14,4x1010 -rszecskt emittl.

4.5. Az -rszecske tltse.

Mivel valamilyen forrsbl kibocstott -rszecskk szma kzvetlenl szmllhat, egyetlen -rszecske tltst meghatrozhatjuk ismert mennyisg rszecske tltsnek mrse alapjn.Rutherford s Geiger ezt az utat vlasztotta; -sugrforrsknt rdium-C'-t hasznltak.

A mdszer alapelve a kvetkez: fmlemezbe tkz -rszecskk a lemezben maradnak s tltsketleadjk. A lemez ltal felvett tltst elektromter mri. A forrs rdiumra vonatkoztatott erssge -sugrzs alapjn mrhet; a lemezbe tkz -rszecskk szma az elz szmllsi ksrletekalapjn meghatrozhat. A sugrzs okozta ionizci kvetkeztben a ksrletet evakult kamrbankell vgrehajtani, s klnbz elvigyzatossgi rendszablyokat kell betartani.

Az -rszeeske pozitv tltsnek rtke a ksrletek szerint 9,3 x 10-10 elektrosztatikus egysg.

Hasonl vizsglatot vgzett Regener, aki polnium-forrsbl kibocstott ismert mennyisg -rszecske tltst mrte. A forrs -emisszijnak sebessgt szcintillcis szmllval hatroztameg. Regener az -rszecskk tltst 9,6x10-10 elektrosztatikus egysgnek tallta, j egyezsben azelbbi adattal.

18. bra. Hlium -rszecskkbl (Rutherford s Royds)

Ezt az rtket sszehasonltva a Millikan ltal mrt 4,80x10-10 elektrosztatikus egysgnyi elemitltssel, belthat, hogy az -rszecske kt pozitv tltsegysget hordoz.

4.6. Az -rszecske termszete. Az elbb mondottakat egybevetve az -rszecske s a hidrognion(4.3.) e/m rtkeivel, nyilvnval, hogy az -rszecske tmege a hidrognatomnak ngyszerese. Akzenfekv vgkvetkeztets az, hogy az -rszecske kt pozitv tltssel rendelkez hliumatom.

Ezt kzvetlen ksrlettel Rutherford s Royds erstette meg, akik -rszecskket gyjtttk sszeevakult trben, majd kislst ltrehozva hlium jellemz spektrumt szleltk. A berendezslnyeges rsze a 18. brn lthat. Nagy mennyisg rdiumemancit nyomtak az A csvecskbe.Ennek falai 0,01 mm-nl vkonyabbak voltak, gy a radon s bomlstermkei ltal kibocstott -rszecskk a falon thatoltak. Az A csvecskt T kpeny vette krl, amelyhez V spektrumcscsatlakozott. A ksrlet kezdetekor a T csvet tkletesen lgtelentettk. Ha a T-ben sszegyl -rszecskk gz alakak, Hg higany nvjnak emelsvel a spektrumcsbe nyomhatk, ahol a gzminsge spektroszkpiailag meghatrozhat.

Kt nappal az A csvecske emancival val tltse utn a spektrumban megjelent a hlium srgavonala, majd 0 nap mltn a teljes hliumspektrum is megfigyelhet volt. Amikor a csvecskt

hliummal tltttk, meg tbb nap utn sem lehetett hlium-nyomokat kimutatni a spektrumban, ami aztjelentette, hogy a hlium nem diffundlt keresztl a csvecske vkony faln. A ksrlet sornmegfigyelt hlium teht az -rszecskkbl szrmazott.

Ezek a ksrletek ktsgtelenl bebizonytottk, hogy az -rszecske tltsnek semlegestsekorkznsges hliumatomm alakul. Mrmost, magfizikai megfogalmazsban, a hliumatom egy 4-estmeg, +2e tlts magbl s hozz rendelt kt negatv elektronbl ll. Ezek utn vilgos, hogy az -rszecske gyorsan mozg hliumatomag kell legyen. Amikor anyagon trtn thalads kzben az -rszecske sebessge a molekulris mozgsok sebessgnek nagysgrendjre cskken, az -rszecskekt elektront vesz fel, s hliumatomm vlik.

4.7. -sugarak thatolsa anyagon. Az -sugarak sebessge cskken anyagon trtn thaladskzben. Ha egyenletes vastagsg ernyt helyeznek homogn -sugrnyalb tjba, a nyalbkzeltleg homogn marad, ami azt jelenti, hogy az sszes -rszecskk sebessge gyakorlatilagugyanolyan mrtkben redukldott. Ezrt vrhat, hogy azonos kezdeti sebessggel rendelkez -rszecskk kzeltleg ugyanazt a tvolsgot futjk be. A ksrletek szerint egy adott radioaktv anyagltal kibocstott -sugrnyalb ionizcis kpessge levegben bizonyos tvolsg megttele utnhirtelen megsznik. Ennl a tvolsgnl az -rszecskk sebessge olyan rtkre redukldik, hogytovbb nem kpesek ionizlni, nem hatnak a fnyrzkeny lemezekre, s nem okoznakfnyfelvillansokat. Ezt a tvolsgot az -rszecske levegben mrt hattvolsgnak nevezik. Ahattvolsg fordtva arnyos a leveg srsgvel, s rendszerint 760 mm nyoms s 15 Chmrsklet levegre adjk meg.

I. kp. Trium-C -rszecskinek nyomai Wilson-kdkamrban.

II. kp. Trium-C -rszecskinek nyomai Ilford C.2. tpus magemulziban.

A rdium-C" -rszecskinek hattvolsga levegben ezen a hmrskleten s nyomson 6,9 cm.

Ttelezzk fel, hogy egy rdium-C' forrs fl helyezett egyenletes vastagsg alumnium lemez ahattvolsgot 4,9 cm-re cskkenti. Ez esetben azt mondjuk, hogy a lemez 2 cm levegvel equivalensfkezkpessggel rendelkezik. Az egysgnyi terlet lemez slybl megkaphatjuk azonalumniumatomok szmt, melyeken az -rszecskk keresztlhaladtak. Ugyanezen szmts alapjnmeghatrozhatjuk az alumniumatom fkezkpessgt a levegre vonatkoztatva. Klnbz ismertvastagsg anyagok fkezkpessgt mrve a klnbz atomok ilyen hatsai sszehasonlthatk.Ezek a mrsek azt mutattk, hogy egy atom fkezkpessge kzeltleg arnyos atomslynakngyzetgykvel. Ennek megfelelen az oxignatom fkezkpessge kb. ngyszerese ahidrognatomnak, vagyis egy -rszeeske hattvolsga oxignben kzeltleg egynegyede ahidrognben mrt rtknek.

Az -rszecskk sebessgcskkenst anyagon val thaladsuk kzben a sugarak mgneses trbenfellp elhajlsnak megfigyelsvel mrtk, mikor klnbz ismert fkezkpessg ernykethelyeztek a forrs fl. Azt talltk, hogy az -rszecske v sebessge s R hattvolsga kztt azalbbi egyszer fggvnykapcsolat ll fenn:

vz=aR

A kifejezsben a konstans.

Az -rszeeske sebessge anyagon val thaladsa sorn az tjba kerl atomok ionizcijrafordtott energiavesztesg kvetkeztben cskken. Mivel az ionizci az -rszecske sebessgtlfgg, a keletkez ionok szma ersen vltozik a plya hossza mentn.

4.8. Ionizcis grbe.

Az ionizci srsgt az -rszeeske plyja mentn a 19. brn vzlatosan bemutatott kszlkkelvizsgltk.

Az R forrsbl az -rszecskk keskeny sugrkpban lpnek az AB ionizcis kamrba, melynek Afegyverzete drtszita. Az A s B kztti ramot elektroszkp vagy elektromter mri. Az AB kznek aforrstl val tvolsgt vltoztatva, mrhet az -rszeeske ionizcija levegben, plyjaklnbz pontjaiban.

Ha R forrsknt egynem -sugrz radioaktv anyagot hasznlunk vkony rtegben, azionizcisrsg egy darabig n a forrstl val tvolsg nvekedtvel, majd maximumot r el, sezutn rohamosan esni kezd.

19. bra. Ionizcisrsg mrse (/.-rszecskk plyja mentn

A 20. brn rdium-C' -rszecskinek ilyen mdon felvett ionizcis grbje lthat, ahol azordinta a mrt ramerssgeket, az abszcissza pedig a forrstl val tvolsgokat mutatja. Azionizcis grbnek ilyen lefutsa az sszes radioaktv anyagok ltal kibocstott

-sugarakra jellemz. Pldul a polmum 3,8 cm hattvolsg -sugarainak grbje a radium-C'grbjvel a 3,1 s 6,9 cm kztti szakaszon azonos.

Ez a grbe reprezentlja az ionizci vltozst egy -rszecskenyalb mentn. Ha a nyalbtkletesen homogn maradna a hattvolsg vgig, a grbe egyetlen -rszecske plyja mentnkialakul ionizci-vltozsra is jellemz volna, de ez nem ll fenn. Szcintillcis s msmdszerekkel azt talltk, hogy a nyalbban az -rszecskk szma, mg keskeny sugrkpoknl is, ahattvolsg vgtl kb. 2 mm-re cskkenni kezd, majd hirtelen nullra esik. A rdium-C' -rszecskinek hattvolsg szrsa lthat a 21. brn. Anyagon val thalads kzben az egyes -rszecskk energia vesztesgei egymstl tbb-kevsb eltrnek, ennek kvetkeztben ahattvolsgok kztt klnbsgek lpnek fel, annak ellenre, hogy kezdeti sebessgk azonos volt.Azt a tvolsgot, ahol a grbe kzeltleg egyenes szakasza az abszcisszt metszi, az -rszecskkextrapollt hattvolsgnak (Rext) nevezik. Az tlagos hattvolsg (R), mely annak a tvolsgnakfelel meg, ahol a rszecskk szma felre cskken, kb. 0,8 mm-rel kisebb.

20. bra. Az ionizci vltozsa egy -sugrnyalb plyja mentn.

A megfigyelt ionizcis grbe (20. bra) voltakppen nagyszm hasonl grbbl pl fel, amelyekaz tlagos hattvolsgnak megfelel grbe krl csoportosulnak.

Valsznnek ltszik, hogy az ionsrsg szles tartomnyban fordtottan arnyos az -rszecskesebessgvel, ami megegyezik azzal a nzettel, hogy az ionizci az elnyelt energival arnyos.

4.9. Az -rszecskk hattvolsga.

Valamely radioaktv elem ltal kibocstott -rszecskk tlagos hattvolsga (R a 21. brn) asugrz anyagra jellemz konstans. A hattvolsg rtke fgg az elnyel gz termszettl, s adottgz esetn a srsggel fordtottan arnyos. Egy ksztmny -rszecskinek hattvolsga mrhet azelz fejezetekben ismertetett elektromos, szcintillcis, ionizcis kamrs vagy magemulzismdszerekkel.

21. bra. -rszecskk hattvolsgnak szrdsa.

A radioaktv anyagok ltl kibocstott -sugarak tlagos hattvolsgait az I. tblzat tnteti fel. Ahattvolsgok 760 mm nyoms s 15 C hmrsklet levegre vonatkoznak. A harmadikoszlopban a mrt mgneses elhajls alapjn szmtott v sebessgek vannak. Azon elemeknl, amelyektbb -rszecske csoportot emittlnak, a legnagyobb sebessg csoport szerepel. A negyedik oszlop abomlsi energit (4.10.), az tdik egyetlenegy, megfelel hattvolsg -rszecske ltal ltrehozottionok szmt adja meg.

4.10. Az -rszecskk energija.

Az -rszeeskk sebessgnek ismeretben energijuk a klasszikus E = mv2/2 formulval szmthat.Mivel mg a leggyorsabb -rszecskk sebessge is csak 7 szzalka a fnysebessgnek, arelativisztikus korrekci igen kicsi.

Az emittlt -rszecske nem viszi el az egsz bomlsi energit, ennek egy rszt ugyanis avisszalkd mag veszi fel. Ha egy M tmeg atom egy m tmeg rszecskt v sebessggel kilvell,az impulzusmegmarads ttele alapjn, az Mm tmeg visszamarad atom az (Mm) V = mvegyenletben adott V sebessgel lkdik vissza. A visszalkd mag energija (m/Mm)Ea, s ateljes bomlsi energia: E=(M/Mm)Ea. Mivel m M-hez kpest kicsiny, E csak kevss klnbzikE-tl. Rdium bomlsnl pldul M = 226, m = 4; a bomlsi energia csak kb. 2 szzalkkalnagyobb, mint az rszecske energija.

Az energiknak erg-ekben val kifejezse helyett sokkal alkalmasabb egy msik egysg, azelektronvolt hasznlata. 1 eV az az energia, melyet egy elektron akkor nyer, ha 1 voltpotencilklnbsget fut be. Mivel egy elektron tltse 4,80 x 10-10 elektrosztatikus egysg s 1 volt1/300 elektrosztatikus potencil egysg, 1 eV = 1,60 x 10-12 erg. A radioaktivitsbanlegelterjedtebben az 1 milli elektronvoltos energiaegysget hasznljk; 1 MeV = 1,60 X10-6 erg.

Az 1. tblzat negyedik oszlopa az -rszecskk MeV-okban megadott bomlsi energiartekeittartalmazza.

4.11. -rszecskk szrdsa.

Az -rszeeske plyja anyagon val thaladsa kzben ltalban egyenes, mozgsi energija olyannagy, hogy eltrtshez intenzv er szksges. tja nagyjbl az atomok elektronrendszernkeresztl vezet, s gy az tlagos rszecske csupn az elektronok ltal kifejtett kicsiny erhatsoknakvan kitve. Ezzel szemben nha egy-egy -rszecske egy atommaghoz kzel halad el.

I. TBLZAT

Radioaktv anyagok -sugarainak hattvolsga sebessge, energija) s egy-egy -rszecskjk ltalkeltett ionok szma.

Nagy pozitv tltse miatt a nehz atommagot ers elektromos tr veszi krl, mely az ertrbebelp -rszecskt egyenes vonal plyjrl eltrti. Minl kzelebb halad az -rszecske azatommaghoz, ez az eltrts annl nagyobb.

Rutherford felttelezve, hogy a mag krli elektromos er a szoksos reciprok ngyzetestrvnyszersg szerint vltozik kimutatta, hogj'az -rszecske hiperbola plyt r le a mag krl,s az egyes szgek irnyban eltrtett -rszecskk szma, ismert konstansaik s a mag tltsnekfigyelembevtelvel szmthat. Az -rszecskk ksrletileg megfigyelt szrdst sszehasonltvaezzel az elmleti eloszlssal, az atomszerkezet magelmlete direkt ksrleti vizsglatnak vethet al.

Az eredmnyek az elmlettel tkletes egyezsben vannak. A reciprok ngyzetes sszefggsen kvlsemmi ms ertrvny nem ll sszhangban a megfigyelsekkel, s a mag -rszecskk alapjnszmtott tltse azonos a ms ksrleti forrsok alapjn levezethet rtkkel.

Az elbbiekbl kvetkezik, hogy az atomszerkezet 1.5.-ban krvonalazott elmlete szilrd ksrletialapokon nyugszik, s biztonsgosan alkalmazhat a radioaktv jelensgek magyarzatra.

4.12. -rszcskk elektronbefogsa s leadsa.

A korbbi mgneses eltrtsi vizsglatok alapjn feltteleztk, hogy az -rszecske ktszeres pozitvtltst megtartja, mg sebessge a molekulris mozgsok sebessgnek szintjre nem cskken,amikor is kt elektront befog s semleges hliumatomm alakul. A ksbbi ksrletek kimutattk, hogymg gyors -rszeeskk is kpesek alkalmilag egy elektron befogsra, s ennek megfelelen az -sugrnyalb mindig egyszeresen s ktszeresen tlttt rszecskk keverke. A befogs mechanizmusameglehetsen bonyolult, legegyszerbb formjban is hromtest-klcsnhatsknt trgyalhat.Kzelt szmts szerint, nehz atommagok kztt halad -rszecske elektron befogsi

valsznsge sebessgnek tdik hatvnyval fordtottan arnyos, a ksrletekkel j egyezsben.

Egy anyagon thalad egyszeresen tlttt -rszecske elektronvesztesge gy foghat fel, mint arszecske ionizcija, a folyamat hasonl trvnyszersg szerint jtszdik le. Eszerint, azelektronvesztesg valsznsge fordtottan arnyos a rszecske sebessgvel; az -rszecske ltalkeltett ionizci ugyanilyen mdon vltozik.

Igen kis sebessgeknl az egyszeresen tlttt -rszecske msik elektront is befoghat, miltalsemleges rszecskv vlik. Ezek a semleges rszecskk anyagon val thaladsuk kzben knnyenionizlhatok, azaz knnyen vesztenek elektront, s ennek kvetkeztben ismt egyszeresen tltttrszecskkk alakulnak.

Egy ktszeresen tlttt rszecske elektronbefogsnak valsznsge a rszecskk szoksossebessgnl sokkal kisebb, mint egy egyszeresen tlttt rszecske elektronvesztesgnekvalsznsge. A kt valsznsg a rdmm-C' -rszecskje kezdeti sebessgnek kb. hromtizednl egyenl.

A rdium-C' -rszecskje kb. ezerszer vltoztatja tltst, mieltt nyugalmi llapotba jut. Levegbenmegtett 6,9 cm-es tja sorn 0,4 cm-en keresztl tlagban ktszeres tlts, egyszeresen tlttt 0,5 cmtvolsgon.

5. FEJEZET

A SUGRZSOK (folytats). A -SUGARAK

5.1. -sugarak mgneses s elektromos elhajltsa.40. bra. A termszetben elfordul magok neutrons

5.1. -sugarak mgneses s elektromos elhajltsa.

Mr korbbi megfigyelsek rmutattak arra, hogy a radioaktv anyagok ltal kibocstott -sugarakmgneses s elektromos trben ugyanabban az irnyban s kb. ugyanolyan mrtkben hajlanak el, minta gzkislsi csvek katdsugarai. A -sugarak termszetket tekintve valjban azonosak akatdsugarakkal, mindkt sugrzs nagy sebessg negatv elektronokbl ll.

Egy adott radioaktv anyag nem homogn, hanem szles hatrok kztt vltoz sebessg -sugarakatemittl. A mgneses s elektromos elhajls pontos mrsei szerint a -rszecske e/m rtke nemkonstans, a rszecske nvekv sebessgvel cskken. Mivel a -rszecske egysgnyi tlts, ez aztkell jelentse, hogy a sebessggel tmege n. A relativitselmlet rtelmben ez vrhat is, merteszerint egy mozg test tmege sebessgnek fggvnye. Ha egy m0 tmeg rszecske v sebessggelhalad, m tmege az albbi sszefggs alapjn szmthat:

m=m0(1 B2)-1/2

B = v/c, ahol c a fnysebessg. Kznsges krlmnyek kztt fellp sebessgeknl a tmeggyakorlatilag konstans, de gyorsan n, amint a test megkzelti a fnysebessget.

gy, ha B=0,5 (1,5x1010 cm/sec-os sebessg) m= 1,15 m0; B=0,9 esetn m=2,3 m0; B=0,99 esetnm=7,l m0.

A -rszecske e/m rtknek vltozsa a sebessggel a relativitselmlettel sszhangban van.

Kis sebessgeknl, mikor m=m0, az e/m rtke 1,76x107 elektromgneses egysg. sszehasonltva azugyancsak egysgnyi tltst hordoz hidrognion e/m-jvel, azt talljuk, hogy a -rszecske nyugalmitmege csak 1/1838-ad rsze a hidrognatom tmegnek. Utbbit gy kapjuk, hogy a hidrognatomslyt osztjuk az Avogadro-szmmal: 1,0081/6,02x1023 = 1,67X 10-24 g; ennek megfelelen azelektron tmege: 9,11x10-28 g.

A relativits elmlete szerint egy rszecske nyugalmi energija nyugalmi tmegnek s a fnysebessgngyzetnek szorzata. Az elektron nyugalmi energija: E0=m0c2 = 8,19x10-7 erg=0,511 MeV.

5.2. -sugarak impulzuseloszlsa.

Egy aktv forrs -rszecskinek impulzuseloszlst mgneses elhajlts mrsekkel lehet vizsglni.Az eloszls mrsnek szoksos mdszert a 22. bra mutatja, mely egy 180-os -spektrogrfmkdsnek alapelvrl tjkoztat. Az R forrs ltal kibocstott -sugarak az L lom blokkhozcsatlakoz S rsen t haladnak, s a papr skjra merleges mgneses trben krplyt rnak le. Azlomra helyezett fnyrzkeny lemez a -rszecskk becsapdsnak helyn megfeketedik. Aberendezst evakult srgarz kamrban helyezik el.

Amint az brn jl lthat, az azonos impulzus sugarak a fnyrzkeny lemez egy pontjrafkuszldnak. Alacsonyabb impulzussal rendelkez sugarak a rshez kzelebb rik a fnykpszeti

emulzit. Ezrt, ha egy R forrs homogn elektronnyalbot emittlna, a fnyrzkeny lemezen egy lescsk jelenne meg, s a csk helyzete szolgltatn az elektronok impulzust. Egy klnbz energijelektronokbl ll nyalb a fnyrzkeny lemezt klnbz helyeken feketti meg les cskokban.

Egy adott helyzetben rgztett Geiger-szmllval az elbbi mdszernl sokkal pontosabban lehetmrni a -sugarak impulzuseloszlst. A mgneses tr intenzitsnak vltoztatsval klnbzenergij elektronok fkuszlhatk a szmllra.

Mikor vkony rtegben eltertett aktv anyag pldul rdium-B s rdium-C -sugaraitvizsgltk ezekkel a mdszerekkel, azt talltk, hogy ezek impulzus-spektruma folytonos, nulltl egymeghatrozott, a radioaktv elemre jellemz maximumig terjed.

22. bra. -sugarak mgneses elhajlsa.

Erre a folytonos spektrumra szmos les esik szuperponldik, melyek klnbz impulzus homognelektroncsoportoknak felelnek meg.

A homogn elektroncsoportok energiinak pontos mrsei ahhoz a vgkvetkeztetshez vezettek, hogyezek nem mag eredetek, a -sugarak emisszijval kapcsolatban lpnek fel (6.4.). -sugarakat nememittl radioaktv anyagok vkony forrsainak vizsglatnl csak a folytonos spektrum voltmegfigyelhet. Az impulzusok ismeretben a megfelel energik szmthatk. A 23. brn a rdium-E-sugarainak energiaeloszlsa lthat.

Feltn, hogy az -rszecskk emisszijval ellenttben, a kibocstott -sugarak nem azonosenergijak. Egy adott -tmenet jellemz konstansa az energiaspektrum fels hatra, Emax amely -rszecske emisszija esetben a bomlsi energinak felel meg.

23. bra. Rdium-E -sugarainak energiaspektruma

A folytonos spektrum alakja a Fermi-elmlet (11.5.) alapjn szmthat. Nhny anyagnlmegfigyeltk, hogy az eloszls tbb, klnbz Emax rtkkel rendelkez spektrumszuperpozcijaknt ll el, ami azt jelenti, hogy ezekben az anyagokban a bomls klnbzmdokon trtnik.

Nhny elem -tmenetnek bomlsi energiit a II. tblzat tartalmazza.

5.3. A neutrn-hipotzis. Az a tny, hogy a kibocstott -sugarak folytonos energiaspektrummalrendelkeznek, a radioaktv jelensgek magyarzatnak egyik legslyosabb problmja volt; ez ugyanisaz energiamegmarads ttelvel nyilvnvalan ellentmondnak ltszik.

II. TBLZAT. -sugrzs maximlis energii s tmegabszorpcis tnyezi

Gondoljuk meg pl. mi a helyzet az aktnium-A> aktnium-B -> aktninum-C> bomlsi soresetben ? Az aktnium-A-bl keletkez aktnium-B magok felttelezheten hasonlak, mivel az

aktnium-A sszes -rszecskjnek energija azonos; ugyanerre a kvetkeztetsre juthatunk azaktnium-B bomlsa sorn ltrejv aktnium-C magoknl is.

Az aktnium-B -bomlsa sorn azonban klnbz energij elektronokat emittl. A magoktmegnek ismeretben nha lehetsg nylik arra, hogy kiszmtsuk a -sugarak vrhat energijt,ami a -spektrum fels energiahatrval azonosnak bizonyult. -sugrzsnl teht, hogy ltszik,jelents energiavesztesg lp fel.

A jelensg egyik lehetsges magyarzataknt feltteleztk, hogy a magok ltal kibocstott sszeselektron keletkezsnek pillanatban azonos, a spektrum fels hatrval megegyez energivalrendelkezik, de ennek az energinak egy rszt a -sugarak, az atom elektronhjn val thaladsukkzben, msodlagos folyamatok rvn elvesztik. Amennyiben ez gy volna, kalorimteresksrleteknek ki kellene mutatniuk ezt az energiavesztesget, ezek ugyanis a sugrzs ltal keltett teljesfthatst mrik. Nagyon gondos ksrletek azonban bebizonytottk, hogy a bomlsknt emittlttlagenergia nem a spektrum fels hatrnak maximlis energijval, hanem a -spektrum energiinaktlagrtkvel egyenl.

A nehzsgek megoldsra Pauli kidolgozta neutrino-hipotzist. Elkpzelse szerint minden -bomlsnl az elektronnal egyidejleg egy msik rszecske, neutrn is keletkezik s tvozik el amagbl. Ez a rszecske a felttelezs szerint nulla nyugalmi tmeg, s elektromos tltse nincs. Ilyentulajdonsgai miatt gyakorlatilag az anyaggal nem lp klcsnhatsba, ezrt kiszabadulsa kzbennem mutathat ki. A -bomls energija megoszlik az elektron s a neutrn kztt, az energia egyrszt a neutrn viszi el, lnyegben ez f tevkenysge. A neutrino-hipotzis bevezetsvel ms,addig nem rtelmezhet elmleti problmk megoldsn tlmenen mind az energia, mind pedig azimpulzusmomentum megmaradsnak elve teljesl.

Mivel a neutrn kimutatsa, mint mr rmutattunk, tulajdonsgai miatt igen nehz, ltezst indirektmdon visszalkdsi ksrletekkel bizonytottk. A -bomlsnl keletkez mag, az -emisszihozhasonlan, az talakulsnl visszalkdik. A visszalkd mag kinetikus energija, az elektronkicsiny tmege miatt, rendkvl alacsony; mindamellett nhny esetben mind a mag, mind pedig azelektron impulzusa mrhet volt. A kt impulzus eredje megegyezett a neutrn impulzusrakiszmtott rtkkel. Ksbbi ksrletek a neutrn ltezsnek direkt bizonytkait is szolgltattk.

5.4. -sugarak thatolsa anyagon.

A -sugarak anyagon trtn thaladst ksr jelensgek igen bonyolultak. Ez rszben annaktulajdonthat, hogy homogn -sugrnyalb ellltsa a szoksos mdszerekkel igen nehz. Mintlttuk, egy adott radioaktv termk -sugarainak sebessge szles hatrok kztt vltozik; homognnyalbhoz gy juthatunk, ha a nyalbot mgneses trben sztvlasztjuk. Egy homogn -sugrnyalbanyagrtegen val thalads utn heterognn vlik. Nhny rszecske fokozatosan veszti elsebessgt atomokkal trtn sorozatos tkzsek sorn, mikor is ionok keletkeznek, msok egyetlentkzsben hirtelen adjk le energijukat. Br a -rszecske sebessge tlagban 10-szerese az -rszecske sebessgnek, tmege olyan kicsi, hogy impulzusa s energija sokkal kisebb, mint az -rszecske megfelel rtkei. Ezrt a -rszecske az tjba es atomokkal trtn tkzsei sornsokkal knnyebben elhajlik. Ez a szrds olyan mrv, hogy fmflira es -sugarak jelents rszea beess irnyba visszaszrdik. Az egyenes vonal plyn halad s gyakorlatilag azonos

hattvolsg -rszecskktl eltren, anyagon val thalads kzben nagyon kevs -rszecske tjaegyenes. Mindamellett egy -sugrnyalb hattvolsga definilhat arra a nhny rszecskrevonatkoztatva, amelyek nem szrdnak s teljes energijukat ionizci rvn vesztik el. Egy adottforrs -sugarainak hattvolsga oly mdon mrhet, hogy a forrs s a detektorknt hasznltionizcis kamra vagy Geiger-szmll kz sugrzst abszorbel flikat helyeznek.

Az abszorbens vastagsgnak nvelsvel az szlelt -rszecskk szma gyorsan cskken, majd egyadott rtegvastagsg utn -sugrzs mr egyltaln nem detektlhat. Ez az abszorbens-vastagsg azillet anyagban a -sugarak hattvolsga.

Mivel anyagon thalad -sugarak energiavesztesge fknt ionizl tkzseknek tulajdonthat,indokolt a feltevs, hogy az -rszecskkhez hasonlan sszefggs ll fenn a -rszecskkhattvolsga s energija kztt is. Mint a ksrletek kimutattk, ilyen kapcsolat valban ltezik.Nhny milli elektronvolt nagysgrend energival rendelkez elektronok hattvolsga az energiafggvnyben kzel linerisan vltozik. Feathcr kzelt tapasztalati formulja:

R = 0,19 E - 0,03

a radioaktv anyagok -sugaraira korltozdik; E a -spektrum fels hatra MeV-ban s R a -sugarakhattvolsga alumniumban, cm-ben kifejezve. sszehasonltva a -sugarak abszorpcijt klnbzanyagokban, azt talltk, hogy az kzeltleg fordtottan arnyos az anyag srsgvel. A hattvolsgs a srsg szorzata ezrt minden anyagra nzve nagyjbl azonos. ppen ezrt a hattvolsgot nemaz anyag vastagsgval, hanem a vastagsg s a srsg szorzatval szoks kifejezni; ez pedig nemms, mint az 1 cm2 felletet bort anyag tmege. gy az elbbi kifejezs a kvetkez alakot lti:

R=0,52 E - 0,09

ahol R dimenzija g/cm2.

Ezt a formult alkalmazva az 1,155 MeV maximlis -energij rdium-E -sugaraira, hattvolsgukalumniumban 1,89 mm, levegben kb. 395 cm. Az -rszeeskkkel sszehasonltva, a -sugarakhattvolsga jval nagyobb. Ennek oka abban keresend, hogy a -sugarak ionizl kpessgenagyobb sebessgk miatt jval kisebb, ennek kvetkeztben egysgnyi ton kevesebb energitvesztenek.

Az tkzsek sorn trtn energiavesztesg mellett az elektronok sugrzs formjban is leadhatjkenergijukat.

III. kp. Elektron-pozitron prkpzds kdkamra-felvtele. A folyamat a kamrt kitlt gz egyatomja s egy -kvantum kztti klcsnhats eredmnyekppen jtszdott le.

IV. kp. Kdkamra felvtel: nitrognmag bomlsa -rszecske hatsra.

Ez lnyegben ugyanaz a folyamat, mint amikor katdsugarak tkznek egy cltrgyba, s a folyamatsorn X-sugarak keletkeznek. A sugrzsnak tulajdonthat energiavesztesg az elektronokenergijval s a -sugarak tjban lev anyag elemeinek rendszmval n. Radioaktv anyagok -sugarainak sugrzsos energiavesztesge kivve az igen nehz elemek esett az tkzskorfellpvel sszehasonltva elhanyagolhat.

5.5. -sugarak elnyeldse.

-sugarak hattvolsgnak mrse nem knny feladat, mivel a hattvolsg vgnek kzelben a -rszecskk szma igen kicsi, s nehzsget okoz a rendszerint fellp intenzv -httr. A klnbzanyagok -sugarait a gyakorlatban anyagokban trtn kezdeti abszorpcijuk mrse rvnklnbztetik meg egymstl.

24. bra. -sugarak abszorpcija

Abszorpcis vizsglatnl a -forrst egy -elektroszkp nylsa al vagy egy Geiger-szmllkzelbe helyezik, megfelel tvolsgra. Mrik a detektor s a sugrforrs kz helyezett anyagvastagsgnak fggvnyben az ionizcis ramot vagy az impulzusok szmt. Midn rdium-E-thasznlnak sugrforrsknt, kicsiny abszorbens vastagsgoknl az ram az anyagvastagsgfggvnyben exponencilis trvny szerint cskken; I, a d cm abszorbens vastagsghoz tartozramerssg, a kvetkezkppen fejezhet ki:

ahol I0 az ram elnyel rteg kzbeiktatsa nlkl s az anyag abszorpcis tnyezje. Azabszorbens vastagsgnak fggvnyben az ram logaritmus rtkeit brzolva, az abszorpcis grbekezdeti szakasza egyenes. Az urn-X2 s rdium-E -sugarainak alumniumban trtn elnyeldstreprezentljk a 24. bra logaritmikus grbi.

Az abszorbens d vastagsga helyett hasznlhat a srsggel val szorzata is; a *d szorzat azegysgnyi felletet bort anyag tmege; okkor az abszorpci jelensgt a kvetkez kifejezs rja le:

A / mennyisget, amely kzeltleg minden anyagra azonos, tmegabszorpcis tnyeznek nevezik.

A -sugarak megfigyelt exponencilis abszorpcija voltakppen vletlen effektus, s a -sugarakfolytonos spektrumnak, valamint az individulis elektronok abszorpcis trvnynekkombincijaknt foghat fel. ppen ezrt nem vrhat, hogy nagyobb elnyel rtegvastagsgoknl isigaznak bizonyul. Mivel az elektronok energijukat ionizci rvn folyamatosan vesztik el, a -sugarak thatol kpessge fokozatosan cskken. Ez a jelensg abban az esetben figyelhet meg, ha az

abszorpcit nagyobb rtegvastagsgokon keresztl kvetjk; a 24. brn pl. abban jut kifejezsre,hogy az abszorpcis grbe linearitsa megsznik.

Az abszorpcis tnyez rtke fgg attl az anyagvastagsgtl, amelyen a -sugarak mr thaladtak.Ersen fgg a ksrleti elrendezstl is; nagy figyelmet kell fordtani a klnbz forrsok -sugaraiabszorpciinak sszehasonltsnl az azonos geometriai viszonyok betartsra. A II. tblzat 3.oszlopban nhny radioaktv anyag -sugrzsnak tmegabszorpcis tnyezjt tntettk fel; ezekcsak tjkoztat jelleg adatok, mivel a valdi rtkek a ksrleti krlmnyekkel vltozhatnak.

6. FEJEZET

A SUGRZSOK (folytats). A -SUGARAK

6.1. A -sugarak termszete.

A -sugarakat mgneses s elektromos terek nem hajltjk el, thatolkpessgk az - s -sugaraknl jval nagyobb. ltalnossgban a -sugarakat csak igen kevss nyelik el olyananyagrtegek, melyek a -sugrzsokat mr teljesen abszorbeljk. Termszetk az X-sugarakvalrokon: a sugrzs elektromgneses impulzusokbl ll. Valjban nincs klnbsg az X- s -sugarakkztt, manapsg el lehet mr lltani a -sugarakkal azonos hullmhosszsg X-sugarakat is.Megllapods szerint az X-sugr kifejezst az atomok elektronrendszerben vgbemenfolyamatokat ksr sugrzsok megjellsre hasznljk, -sugarak alatt viszont mindig a magblkibocstott elektromgneses sugrzst rtik.

A -sugarak elektromgneses sajtsgainak direkt vizsglatra azt a mdszert alkalmaztk, amely mraz X-sugarak kutatsnl eredmnyesnek bizonyult: a sugarak diffrakcijt mrtk kristlyokfelletn. A rdium-B -sugarainak vizsglatakor pl. egy 10-8 cm-es hullmhosszsg vonaljelenltt mutattk ki. A legutbbi idkben Du Mond ptett egy velt kvarckristllyal mkdspektromtert, melynek fkusztvolsga 2 mter. Ezzel a spektromterrel 10 X-egysgnl (10-10 cm)rvidebb hullmhosszsg -sugarak is kimutathatk; a hullmhosszak 0,005 X-egysg pontossggalmrhetk.

A -sugarak hullmhossza (vagy v frekvencija) s E energija kztt az sszefggst a Planck-formula adja:

A kifejezsben h a Planck-lland, h=6,62x10-27 erg. sec. Amennyiben az energit elektronvoltokbanfejezik ki, az albbi sszefggst kapjk:

-t X-egysgekben (10-11 cm), E-t MeV-ban helyettestik. Igen rvid hullmhossza van pl. a ThC" -sugarainak: =4,74 X-egysg. Ennek a kvantumnak az energija teht 2,614 MeV.

Br a kristly-spektromter -sugarak energiinak mrsre messze a legpontosabb berendezs,ltalban nem alkalmazzk radioaktv anyagok -sugrzsnak vizsglatra. Igen nagy pontossgkszlket ignyel, s a rendszerint rendelkezsre ll prepartumnl sokkal intenzvebb forrshasznlatt teszi szksgess. A -sugarak elnyeldse anyagban sokkal alkalmasabb mdszertszolgltat tulajdonsgaik meghatrozsra. Ismeretes, hogy homogn, vagyis azonos hullmhossz X-sugarak az anyagokban exponencilis trvny szerint nyeldnek el; vrhat, hogy ugyanez a trvny y-sugarakra is igaznak bizonyul.

6.2. -sugarak elnyeldse.

A -sugarak, az X-sugarakhoz hasonlan, anyagon val thaladsuk kzben nagy sebessg s nagythatolkpessg elektronokat tesznek szabadd. A -sugarak ionizcija gzokban a molekulkblkiszabadult elektronoknak tulajdonthat. Ennek megfelelen, br a -sugarak kzvetlenl nemionizlnak, intenzitsuk indirekt ionizcijuk rvn mgis mrhet. A klnbz radioaktv anyagok-sugrzsainak abszorpcija a 25. brn vzlatosan bemutatott berendezssel vizsglhat.

A forrst egy ers elektromgnes plusai kz P-re helyezik. A mgneses tr eltrti az Eelektroszkptl a forrs -sugarait, s azokat az elektronokat, melyeket a plusok kztti trben a -sugarak keltettek; az elektroszkp csak a benne elnyeldtt -sugrzst mri. Az elektroszkpionizcis ramt S-nl elhelyezett klnbz abszorbens rtegvastagsgok fggvnyben hatrozzkmeg.

25. bra. Berendezs -sugrzs abszorpcijnak vizsglatra.

Gondosan rnykolni kell azonban az elektroszkpot, nehogy azok a -sugarak is belejussanak,amelyek nem haladtak t az elnyel kzegen, hanem a szomszdos anyagokon szrdva vltoztattkirnyukat.

A vizsglatokat ily mdon elvgezve azt talltk, hogy homogn -sugrzs elnyeldstexponencilis sszefggs rja le:

ahol I0 az ionizcis ram abszorbens nlkl, I a d vastagsg abszorbensnl megfigyelt ram, azabszorpcis tnyez. Ilyen egyszer trvnyszersg csak nagyon ritkn figyelhet meg; a radioaktvanyagok -sugrzsa ltalban sszetett. Az abszorpcis grbe ilyen esetben exponencilisoksorozataknt llthat el:

ahol 1 , 2 stb. a klnbz -csoportok megfelel abszorpcis tnyezi.

Az a felttelezs azonban, mely szerint minden exponencilis grbe egy homogn sugrzsnak felelmeg, nem rvnyes, mert ms bizonytkok arra mutatnak, hogy sok radioaktv anyag -sugrzsaszmos sszetevt tartalmaz, melyek kzl nhnynak energija csak kevss klnbzik. A mdszerinkbb arra szolgl, hogy a -sugrzst kemny, kzepes s lgy komponensekre vlassza szt, sltalnos tjkoztatst adjon relatv mennyisgeikrl.

Radioaktv anyagok -sugrzsainak vizsglatnl kapott nhny eredmnyt foglal ssze a III.tblzat.

6.3. -sugarak klcsnhatsa anyaggal.

A -sugarak abszorpcija hrom, egymstl hatrozottan megklnbztethet folyamat rvn trtnik:fotoeffektus, szrds s prkpzs.

A fotoeffektus sorn a -sugarak energijt teljes egszben egyetlenegy atom nyeli el, s egyfotoelektron emittldik. Amennyiben a -sugr frekvencija v, a fotoelektron E energijt az E=hv Wiv kifejezs szolgltatja, ahol Wi az az energia, mely ahhoz szksges, hogy az atom i-edik szintjnelhelyezked elektront eltvoltsk. Fotoeffektus az impulzusmegmarads ttelnek megfelelenszabad elektronokkal nem jtszdik le.

XII. TBLZAT. -sugarak abszorpcis tnyezi lomban

Ezrt indokolt azt vrni, hogy a fotoeffektus elssorban a K-hjon elhelyezked elektronokat rinti,ezek vannak legersebben az atomhoz ktve.

A szrds, mely Compton-effektusknt ismeretes, szabad elektronokon trtnik, s egy -kvantum,valamint egy elektron tkzseknt foghat fel. Az tkzs a szoksos energia- simpulzusmegmarads tteleknek megfelelen megy vgbe, a -kvantumnak hv/c impulzusa van. Aztkzs eredmnyekppen mozgsba hozott elektron a -sugr eredeti hv energijnak egy rsztelviszi. Ezrt a szrdott kvantum hv energija kisebb s v frekvencija alacsonyabb lesz. Afolyamatban vgl is egy ms irnyban halad, alacsonyabb frekvencij sugrzs s egy tkzsi(Compton-) elektron keletkezik. Az tkzsi elektron energija s a szrdott kvantum frekvencijafgg a szrds szgtl.

A harmadik folyamat, a prkpzs, csak megfelelen nagy energij -sugarak esetben lp fel. Egyilyen -kvantum az atom ertern thaladva talakulhat, mikor is helyn egy elektron-pozitron

rszecskepr jelenik meg. A pozitron a kznsges elektronnal azonos tmeg, egysgnyi pozitvtlts rszecske. Ezt a folyamatot Dirac az elektron kvantummechanikai elmletben elremegjsolta, jval a pozitron felfedezse eltt. Ksbb a pozitron ltezst kdkamra ksrletekkeligazoltk. A berendezst mgneses mezbe helyeztk, hogy az elektronok plyjt elhajltsk. A III.kpen ilyen prkpzs fnykpe lthat. Egy nagy energij -kvantum a kdkamrt kitlt gz egyikatomjba tkzik; a kt keletkez rszecske ellenkez irnyban hajlik el, annak jeleknt, hogy tltskellenkez eljel. A nyomok szemcsesrsge alapjn lehetett arra kvetkeztetni, hogy mindkettazonos tmeggel rendelkezik.

A prkpzs sorn kt rszecske keletkezett, ennek kvetkeztben a -sugr energijnak bizonyoshnyada a rszecskk nyugalmi energijt szolgltatja. Mivel mindegyik nyugalmi tmege kb. 0,5McV, prkpzs csak azon -sugarak esetben trtnhet, melyek energija 1 MeV-nl nagyobb.

Ezen rtk feletti energia a kt rszecske kztt megosztva, azok kinetikus energijaknt jelentkezik.

Amennyiben egy -sugrnyalb abszorbens anyagon halad t, az anyaggal val klcsnhats hromfolyamatnak eredmnyeknt az abszorbens utn a sugrnyalb az eredeti frekvencival rendelkezs vltozatlanul tovbbhalad -sugarak mellett a kvetkez komponenseket tartalmazza:fotoelektronok, compton-elektronok s, ha az energiaviszonyok lehetv teszik, elektron-pozitronrszecskeprok. A nyalbban egy cskkentett energij -sugrzs is megjelenik, mely a szrdsifolyamatban keletkez alacsonyabb frekvencij -kvantumokbl ll.

Az elbbieknek megfelelen felttelezhetjk, hogy a abszorpcis tnyez, mely egy homogn -sugrnyalb anyagon val thaladsa kzben fellp intenzits cskkensnek mrtke, a -sugrhrom klcsnhatsnak megfelel abszorpcis tnyezk sszege: =a+s+p ahol a afotoelektromos abszorpcinak, s a Compton-szrsnak s p a prkpzsnek megfelel koefficiens.Ezen folyamatok mindegyiknek relatv megoszlsa a -sugrzs energijtl s az elnyel anyagrendszmtl fgg.

A fotoelektromos abszorpci durvn az elem rendszmnak tdik hatvnyval arnyos; nvekv -energival gyorsan cskken, az alacsony energij tartomnyban E-7/2, szerint, a magasabbenergiknl 7-1 szerint vltozik. A fotoeffektus teht a -sugarak abszorpcijban kb. 100 keV-osenergikig a legfontosabb tnyez, mg 1 MeV s annl nagyobb energiknl, a nagyon nehz elemeketkivve, teljesen elhanyagolhat.

A Compton-szrsnl minden elektron egyformn s egymstl fggetlenl szrdik; a s abszorpcistnyez ezrt egyszeren az elnyel kzeg egysgnyi trfogatban lev elektronok szmval arnyos.s cskken a -sugr nvekv energijval, igen magas energiknl kzeltleg fordtottan arnyos. Aradioaktv anyagok -sugarainl az abszorpci majdnem teljesen a Compton-szrs kvetkezmnye.

A prkpzs abszorpcis tnyezje 1 MeV alatti energiknl zrus; nagyobb rtkeknl az energivalgyorsan n; az elem rendszmnak ngyzetvel arnyos. Ez a folyamat ezrt csak igen nagy energij-sugarak s nehz elemek esetben jelents.

Pldaknt figyeljk meg a ThC" 2,014 MeV energij -sugarainak abszorpcijt. Alumniumban a

teljes abszorpcis tnyez =0,10 cm-1 , ennek 96%-a a Compton-szrsnak, 4%-a a prkpzsnek sa 0,02%-a a fotoelektromos abszorpcinak tulajdonthat. lomban = 0,47 cm-1, ennek 71%-a aCompton-szrsnak, 19%-a a prkpzsnek s 10%-a a fotoelektromos abszorpcinak tulajdonthat.

6.4. Bels konverzi.

Mikor egy atommagnak a bomlst kveten energiafeleslege marad, attl leggyakrabban egy vagytbb -kvantum emisszijval igyekszik szabadulni. A magok egy rsznl direkt klcsnhats lphetfel az atom elektronrendszervel, minek eredmnyekppen a felesleges energit egy hjelektron veszifel. Ezt a folyamatot bels konverzinak nevezik, s gy tekinthet, mint a -kvantumok abszorpcijaaz azokat kibocst atomok kls elektronrendszerben. Az abszorpci kvetkeztben fotoelektronokemittldnak, melyek energija a -sugr frekvencijtl s attl a hjtl fgg, amelyrl az elektroneltvozott. Minden adott frekvencij -kvantum annyi klnbz sebessg elektront eredmnyezhet,mint ahny hj az atom kls elektronrendszerben van. Amennyiben a radioaktv termk tbbklnbz energij -sugarat emittl, karakterisztikus sebessg elektroncsoportok komplexsorozata jn ltre. Ily mdon ll el az elektronsugarak vonalas spektruma, mely teht msodlagoseredet. Az atom elektronburkban tovbbi szekundr effektusok lpnek fel, mivel az elektronokeltvozst olyan tmenetek kvetik, melyek kznsges karakterisztikus X-sugarakat s a klshjakrl ms elektronok emisszijt idzik el.

Egy adott bomlsnl a konverzis elektronok s az emittlt -kvantumok szmnak viszonyt belskonverzis egytthatnak nevezik.

Az egytthat annl nagyobb, minl kisebb a -sugr energija s minl magasabb a radioaktv elemrendszma. Nhny olyan eset is ismeretes, ahol a konverzi teljes, vagyis ahol -sugarak nememittldnak.

A bels konverzis elektronok jelentsge igen nagy a -sugarak vizsglatnl s energijukmeghatrozsnl. Ttelezzk fel, hogy az atommag egy v frekvencij -sugarat bocst ki. Az atomK, L, ... hjain trtn abszorpci

kvetkeztben a megfelel E1=hv Wk, E2=hv WL, .... energij elektronok keletkeznek, ahol Wk,WL ... rtkek azokat az energikat jelentik, melyek ahhoz szksgesek, hogy az elektronok a hjakrleltvozzanak. Mrmost mindegyik elektroncsoport energija mgneses elhajlts mrsekkel -spektrogrfban meghatrozhat, a WK, WL,.... ktsienergik viszont az X-sugarak adataiblismeretesek. Ezek alapjn az elektroncsoportokat kelt -sugr v frekvencija szmthat.

IV. TBLZAT A RaB ->RaC tmenetet ksr -sugrzs bels konverzija a klnbz hjakon

A IV. tblzatban a rdium-B 52,9 keV-os -sugarai ltal a klnbz hjakon keltett bels konverziselektronok energii szerepelnek. Ebben az esetben a K hjon konverzit nem figyeltek meg, mert a -sugr energija kisebb, mint egy elektron ktsi energija ezen a hjon.

Meg kell jegyezni, hogy a IV. tblzatban a klnbz hjakra megadott ktsi energik a Z = 83rendszm elemre, vagyis a rdium-C-re vonatkoznak, amely a rdium-B bomlsnak termke. Ha ardium-B (Z = 82) bomlsi energiit hasznlnk, a -energik klnbz rtkei nem mutatnnakilyen j egyezst. Ez rmutat arra, hogy a -sugarakat a lenyelem a -bomls utn emittlja, nempedig eltte.

Ezen mdszer segtsgvel tbb radioaktv anyag -energiaspektrumt vizsgltk. Azt talltk, hogy alegtbb -sugrz spektruma bonyolult, szles hatrok kztt vltoz frekvencij homogn -vonalaksorozatbl tevdik ssze. A rdium-C -sugrzsa pl. mintegy 17 klnbz kvantumbl ll, melyekenergija 0,61 2,43 MeV kztt vltozik.

6.5. -sugarak emisszija.

Az X-sugarakkal s az elektron egyik hjrl a msikra val tmenete miatt kialakul optikaispektrumokkal val analgiakppen, indokolt a feltevs, mely szerint a -sugarak kibocstsa a magegyik energiallapotbl egy msikba trtn tmenetnek tulajdonthat. -rszecske emisszija sorna keletkezett mag nmelykor gerjesztett llapotban marad vissza, amelybl ksbb egy vagy tbb -kvantum kibocstsa rvn alapllapotba megy t. Azoknl az anyagoknl, ahol adott energij -sugr kibocstsakor a keletkezett mag rgtn alapllapotba kerl, ms, alacsonyabb Emax rtk -sugr csoportok is emittldhatnak. A ltrejtt mag gerjesztett llapot, amitl -emisszivalszabadul. Ennek megfelelen tbb, klnbz maximlis energij -sugr csoport kibocstsa akeletkez mag klnbz gerjesztsi llapotainak figyelembevtelvel magyarzhat.

Ez a magyarzat ktflekppen ellenrizhet. A legtbb esetben a mag 10-12 sec-nl rvidebb ideigmarad gerjesztett llapotban. Gy