Ovo delo je pokušaj da se sintetički obuhvate saznanja u oblasti transformacije materije na nivou atomskog jezgra, tj. u oblasti nuklearne hemije u užem smislu, zatim radiohemije, radijacione hemije kao i njihove, skoro bezbrojne, primene. U tekstu se izdvajaju četiri dela u kojima se obrađuje:

a) Jezgra i izotopi, njihove osobine i promene (gl. II-VI, IX-X);
b) Radioaktivni elementi i, u širem smislu, fizičko-hemijsko ponašanje materije ,,u tragovima” (gl. VII, VIII. XVIII, XX i XXI);
c) Zračenja i njihovi efekti (gl. XI-XVII);
d) Radioaktivni i izotopski obeleživači (gl. XVIII-XXV).

Sadržaj ovog dela je dakle mnogo širi nego što ukazuje naslov. U stvari, radiohemija i radijaciona hemija (izuzev efekata X-zraka) i metode radioaktivnih obeleživača ne mogu se zamisliti bez zračenja koje je vezano za spontane ili iznuđene nuklearne promene. Ove discipline predstavljaju dakle razne grane i aspekte upotrebe i primene nuklearnih pojava, i mogu se savršeno uklopiti u naslov knjige. Izbor tog na- slova prema tome ne treba da podrži konfuziju koja se često javlja u vezi sa izrazima kao što su nuklearna hemija, radiohemija, hemija radioaktivnih elemenata itd. (cf. definicije na str. 24), i autor ne smatra da zbog te eventualne konfuzije treba da odustane od izraza „nuklearna hemija”. Kao što se molekulska hemija razvila u tesnoj vezi sa molekulskom fizikom, ali ipak kao autonomna disciplina, tako se i nuklearna hemija afirmiše kao sestrinska disciplina nuklearnoj fizici, sa svojim posebnim problemima, metodama i putevima prilaženja.

Ja sam se ograničio da samo ukratko ukažem na principe funkcionisanja nekih velikih aparata i mernih instrumenata koji se upotrebljavaju u nuklearnoj fizici i radiohemiji. Njihov detaljni opis nalazi se u specijalnim delima; jedino ona mogu da odgovore potrebama eksperimentatora.

Nasuprot tome, fizičko-hemijski aspekti izvesnih aparata i mernih instrumenata, kao na primer GM-brojač i nuklearna fotoploča, razmotreni su detaljno. Smatrao sam da nije korisno izložiti osnovne pojmove i zakone radioaktivnosti; pretpostavlja se da su čitaoci s njima upoznati. Međutim, bilo bi u suprotnosti sa dobrim običajima da doprinosi velikih majstora nuklearnih nauka ne budu pravilno ocenjeni u knjizi, i njihova imena istaknuta kao što zaslužuju. Zbog toga sam nastojao da u prvoj glavi sažeto opišem linije evolucije nuklearne fizike i hemije, divljenja vredne zbog brzine razvoja i rezultata koji su odlučujući za buđućnost čoveka.

Upravo zbog brzine tog razvoja i širine, kao i raznovrsnosti sadržaja koji se obrađuje, često sam sebi u početku redigovanja postavio pitanje ne bi li jedno kolektivno delo bilo poželjnije od individualnog, pogotovo što je kompetentnost svakog pojedinca nužno ograničena. Razlog što sam ipak izabrao drugu alternativu je taj što prva ima u najmanju ruku isto tako značajne nedostatke, među koje spada naročito teškoća da se postigne jedinstvo i dovoljna usklađenost, neophodna delu koje pretenduje da prikaže stanje jedne nauke.

Međutim, smatrao sam da je potrebno da veliki đeo rukopisa pošaljem izvesnom broju fizičara i hemičara koji su čitali jednu ili više glava, svaki prema svojoj specijalnosti. Na ovom mestu želim da se zahvalim gđi P. Bernoist i gg. A. Berthelot, G. Bouissieres, E. Broda, R. Latarjet, E. Lederer, M. Lefort, A. Maddock, F. Paneth, E. Picciotto, M. Surdin i J. Teillac za prijateljske i korisne primedbe i sugestije koje su mi uputili. Zahvaljujem se i mnogim autorima koji su mi stavili na raspolaganje dokumenta i slike ili mi odobrili da ih reprodukujern. Među ovima spomenuću gg. E. Amaldi, A, Brodski, H. Brown, M. Calvin, C. D. Corryell, F. Daniels, L. E. Glendenin, L. Gray, J. W. Heid, A. Holmes, F. Joliot, L. Leprince-Ringuet, G. Occhialini, D. J. Price, G. T. Seaborg, A. P. Vinogradov, zatim izdavači časopisa Physical Review, Visoki-komesar C.E.A., sekretarijat Brookhaven National laboratory itd. S poštovanjern želim da evociram i uspomenu na pokojnu Irenu Joliot-Curie, koja mi je odobrila da se poslužim laboratorijskim dnevnicima P. i M. Curie.

Najzad, želim da se zahvalim i gđi J. Haissinsky i gđi C. Vermeil koje su izvršile korekture otisaka.

Pariz, septembar 1956. M. II.

Sadržaj

PREDGOVOR JUGOSLOVENSKOM IZDANJU
PREDGOVOR AUTORA

I. — VELIKE ETAPE U RAZVOJU RADIOAKTIVNOSTI, NUKLEARNE FIZIKE I HEMIJE
1. Radioaktivnost i prvi radioaktivni elementi
2. Zračenje i teorija raspada atoma
3. Izotopija
4. Atomski model. Kvanti
5. Spektri
6. Transmutacije i veštačka radioaktivnost
7. Transuranski elementi i fisija
8. Akceleratori
9. Razvoj radiohemije

II. — FUNDAMENTALNE ČESTICE
1. Elementarna struktura materije
2. Masa i energija
3. Spin, statistika i paritet
4. Elektroni, pozitronijum
5. Nukleoni
6. Antinukleoni i neutrino
7. Mezoni
8. Kosmičko zračenje

III. — JEZGRA
1. Masa i naelektrisanja
2. Nuklearni momenti
3. Nuklearni poluprečnik
4. Stabilnost i energija vezivanja
5. Poluempirijska formula mase
6. Učestalost nuklida i pravila stabilnosti
7. Magični brojevi
8. Nuklearne sile
9. Model ljuski
10. Statistički modeli

IV. — SPONTANE RADIOAKTIVNE TRANSFORMACIJE
1. Radioaktivni procesi
2. Transformacije
3. Složeni i postepeni β—prelazi
4.Elektronski zahvat
5. Transformacija α
6. α — zračenje i nuklearna struktura
7. Emisija i unutrašnja konverzija
8. Nuklearna izomerija
9. Uticaj hemijskog stanja

V. — NUKLEARNE REAKCIJE
1. Opšti pojmovi
2. Reakcije sa neutronima
3. Reakcije sa protonima
4. Reakcije sa deuteronima i tritonima
5. Reakcije sa helionima
6. Reakcije teškim ubrzanim jonima
7. Fotonuklearne reakcije
8. Termonuklearne reakcije
9. Proizvođenje i reakcije mezona
Proizvođenje antinukleona
10. Mezonski atomi

VI. — FISIJA I NUKLEARNI REAKTORI
1. Fisija termalnim neutronima
2. Fisija brzim česticama i fotonima
3. Spontana fisija
4. Teorija fisije
5. Lančana reakcija
6. Rad termalnih reaktora
7. Karakteristike nekih termalnih reaktora
8. Drugi tipovi reaktora
9. Korišćenje energije fisije
10. Korišćenje zračenja i produkata fisije
11. Nuklearna oružja

VII. — PRIRODNI RADIOELEMENTI
1. Tritijum
2. Radioaktivni ugljenik, arheološki časovnik
3. Prirodni i radioaktivni elementi srednje mase
4. Tehnecijum i prometeum
5. Četiri radioaktivne serije
6. Polonijum
7. Astat i rador
8. Cis-urani
9. Uran

VIII. — TRANSURANSKI ELEMENTI
1. Vrste i nuklearne osobine
2. Uranidi
3. Kiridi
4. Elektronska struktura
Teorijska razmatranja
5. Spektri
6. Magnetna merenja
7. Dimenzije jona i struktura kristala
8. Hemijske činjenice i zaključci

IX. — IZOTOPSKI EFEKTI I ODVAJANJE IZOTOPA
1. Fizički izotopski efekti
2. Izotopski efekti vodonika i njegovih jedinjrnja
3. Hemijski izotopski efekti ravnoteže
4. Kinetički efekti
5. Eksperimentalni rezultati
6. Odvajanje izotopa metodama statističke fizike
7. Hemijske metode
8. Elektrohemijske metode
9. Spektrometrija mase i elektromagnetna odvajanja
10. Fotohemijska i druga odvajanja

X. — PRIMENA U GEOHEMIJI, GEOLOGIJI I ASTROFIZICI
1. Geohemija i astrofizika
2. Obilnost nalaženja elemenata u prirodi
3. Izotopske varijacije vodonika i kiseonika
4. Izotopske promene broma, litijuma i ugljenika
5. Izotopske promene silicijuma i sumpora
6. Stalnost atomskih težina
7. Radioaktivni minerali
8. Radioktivni elementi u vodi i vazduhu
9. Određivanje starosti minerala po metodi olova i helijuma
10. Određivanje starosti drugim metodama
11. Starost litosfere i Zemlje
12. Uslovi za stvaranje elemenata

XI. — RASIPANJE ENERGIJE ZRAČENJA U MATERIJI
1. Opšti pojmovi
2. Moć zaustavljanja
3. Domet α-zraka i protona
4. Apsorpcija elektrona
5. Zračenje uzmaka
6. Toplotni efekti
7. Elektromagnetna zračenja
8. Sekundarna zračenja
9. Doza i dozimetrija
10. Neutroni
11. Primene kod izučavanja strukture molekula

XII. — HEMIJSKO DEJSTVO JONIZUJUĆIH ZRAČENJA, OPŠTI POJMOVI I REAKCIJE U GASOVIMA
1. Istorijski prikaz radijacione hemije
2. Energija stvaranja jednog jonskog para
3. Prostorna raspodela jona i radikala
4. Priroda prmarnih jona
5. Reakcije u gasovitom stanju
6. Geiger-Müllerov brojači

XIII. — RADIOLIZA VODE I VODENIH RASTVORA
1. Radioliza tečne vode
2. Oksidoredukcije u vodenim rastvorima
3. Teorija slobodnih radikala
4. Razvitak i nesigurnost teorije
5. Uticaj koncentracije i drugih kinetičkih faktora
6. Efekti nadmetanja: uloga sredine
7. Koloidni rastvori
8. Hemijska dozimetrija

XIV. — RADIOLIZA ORGANSKIH JEDINJENJA: BIOLOŠKI EFEKTI ZRAČENJA
1. Ugljovodonici
2. Alkoholi, aldehidi, kiseline
3. Halogena jedinjenja
4. Radijacionohemijska sinteza i polimerizacija
5. Vodeni rastvori
6. Biohemijska jedinjenja
7. Biološka dejstva
8. Genetski efekti
9. Anomalije metabolizma, anemija, karoinogeneza itd.
10. Radio-terapija i hemijska zaštita
11. Teorija mete
12. Fatalna doza i dozvoljena doza

XV. — DEJSTVO ZRAČENJA NA ČVRSTA TELA
1. Pomeranja atoma
2. Metali i legure
3. Poluprovodnici
4. Neprovodni i jonski kristali
5. Hemijska razlaganja
6. Polimeri

XVI. — FLUORESCENCA I BOJENJE IZAZVANI ZRAČENJEM
1. Prenos ekscitacione energije
2. Luminescenca i bojenje
3. Jonski kristali
4. Radiofotoluminescenca
5. Organska jedinjenja
6. Promena električnih osobina
7. Scintilacioni brojači
8. Autoradiografija i nuklearne emulzije
9. Razvijanje, desenzibilizacija i brisanje

XVII. — HEMIJSKI EFEKTI KOJI PRATE NUKLEARNE TRANSFORMACIJE
1. Szilard-Chalmersov efekat
2. Postignuta odvajanja
3. Nuklearni uzroci retenzije
4. Retenzija kod organskih jedinjenja
5. Mehanizam retenzije
6. Retenzija kiseoničkih anjona
7. Izomerni prelazi
8. Reakcije y, η
9. α emisije
10. β raspadi
11. Zahvat jedne čestice i emisija druge

XVIII. — RADIOAKTIVNI OBELEŽIVACI
1. Metoda
2. Izbor obeleživača
3. Obeležavanje
4. Uslovi primene i merenja
5. Hemija na nivou obeleživača

XIX. — IZOTOPSKE IZMENE
1. Opšte
2. Asocijativni mehanizam
3. Disocijativni mehanizam
4. Kinetika homogenih izmena
5. Izmena prenosom vodonikovih atoma
6. Izmena prenosom drugih atoma
7. Heterogene izmene
8. Autodifuzija u metalima
9. Difuzija u tečnoj fazi
10. Merenje površine

XX. — PRIMENA U ELEKTROHEMIJI
1. Izotopske izmene prenosom elektrona
2. Izmene između metala i jona
3. Korozija i pasivnost
4. Elektroliza u prisustvu obeleživača
6. Kritični potencijal izdvajanja
7. Odnosi sa Nernstovom jednačinom
8. Heterogenost elektrockiih površina

XXI. — RASPODELA JEDNE MIKROKOMPONENTE IZMEDU DVE FAZE
1. Povlačenje
2. Adsorpcija
3. Mešoviti kristali
4. „Anormalni“ mešoviti kristali
5. Radiokoloidi
6. Radioaktivni aerosoli
7. Raspodela između rastvarača
8. Hromatografija
9. Hromatografija na hartiji
10. Kondenzacija i isparavanje molekulskih slojeva
11. Emanaciona sposobnost

XXII. — PRIMENA U ANALITICI
1. Odvajanje radioaktivnih elemenata
2. Kontrola analitičkih metoda
3. Metoda radiometrijske analize
4, Određivanje pomoću izotopnog razblaženja
5. Metoda aktivacije
6. Merenja na osnovu apsorpcije i difuzije čestica

XXIII. — PRIMENA IZOTOPSKIH OBELEŽIVAČA U IZUČAVANJU MEHANIZMA HEMIJSKIH REAKCIJA
1. Primena u neorganskoj hemiji
2. Kiselo-bazna kataliza
3. Hidroliza i esterifikacija
4. Organske oksidacije
5. Kinetička izotopska metoda
6. Prenosi atoma i razlaganje
7. Heterogena kataliza površinske reakcije

XXIV. — PRIMENA IZOTOPSKIH OBELEŽIVAČA U BIOHEMIJI, FIZIOLOGIJI I MEDICINI
1. Obeležavanje radioaktivnim ugljenikom. Fotosinteza
2. Ispitivanje metabolizma pomoću stabilnih izotopa
3. Obeležavanje tritijumom
4. Radioaktivni fosfor
5. Radioaktivni sumpor i radioaktivni jod
6. Radioaktivno gvožđe
7. Cirkulacija i propustljivost u organizmima
8. Klinička i terapeutska primena

XXV. — PRIMENA U TEHNICI I INDUSTRIJI
1. Metalurgija
2. Rudnici. Nafta
3. Plastične mase i tekstil
4. Elektricitet
5. Poljoprivreda
6. Namirnice
7. Industrija i razne tehnike
8. Raspodela izotopa prema njihovom korišćenju

Nekoliko reči o knjizi i piscu

Knjiga profesora Hajsinskog „Nuklearna hemija i njene primene”, koja se sad pojavljuje u prevodu na naš jezik, dolazi kao dragocena pomoć i u pravi čas, kada je takva knjiga postala neophodni izvor naučnom i stručnom kadru u našoj zemlji. Da se je pojavila nešto ranije čekala bi svoje čitaoce jer ih u našoj zemlji nije bilo dovoljno, a nešto docnije bila bi zadocnela pomoć jednom mladom istraživačkom i tehničkom kadru, kakav je naš. da u rešavanju pojedinih problema razazna šta je opšte svima pojedinim zadacima u toj prostranoj i veoma mladoj naučnoj oblasti.

Nuklearna hemija je stara koliko je proteklo od otkrića veštačke radioaktivnosti — nepunih trideset godina. Pre toga iskustva radiohemičara bila su svedena na ispitivanje pojava prirodno radioaktivnog raspada i uticaja zračenja koja oni ispuštaju, što je svodilo ulogu ispitivača na uzano područje radiohemije najtežih elemenata, gotovo bez interesa za druge oblasti naučnog i praktičnog značaja. Otkrićem veštačke radioaktivnosti, mogućnosti stvaranja radioaktivnog stanja kod svih elemenata i primena energije niihovog raspada učinila je, da se delatnost naučne i praktične primene protegne na sve oblasti prirodnih nauka u kojima se rešavaju problemi vezani za ponašanje i kretanje hemijskih elemenata, koja je oblast i opsegom i raznovidnošću neizmerna.

Tako, Nuklearna hemija predstavlja sintezu prvobitne Radiohemije i nove naučne discipline Radijacione hemije, koja je nastala zahvaIjujući mogućnostima korišćenja svakog elementa u veštački dobijenom radioaktivnom stanju, kao izvora zračenja, na sredinu kroz koju se prostire. Autor je jedan od pionira te nauke i prilozi koje je dao sam ili sa svojim saradnicima, obezbedili su mu trajno mesto u istoriji njenog razvoja. Stranice posvećene Rađijacionoj hemiji su i najoriginalniji delovi u celom izlaganju, koje svojom jasnoćom i obiljem podataka nosi pečat preživljenog stvaranja.

Ime Nuklearna hemija pojavljuje se kao oficijelni naziv pri osnivanju prve katedre za taj predmet Chimie nucleaire na College de France u Parizu, čiji je prvi profesor bio sam njen utemeljač Frederic Joliot.

Kao dugogodišnji saradnik i istraživač, a po smrti Irene Joliot-Curie i direktor Instituta za Radijum u Parizu, Hajsinski je proveo dugo godina na samom izvoru gde je ta nauka i nastala, učestvovao od samog nastanka u njenom razvoju i sve vreme održao neposredni kontakt sa najaktivnijim saradnicima svih naučnih centara u svetu u kojima se radi na njenom razvoju. To mu je uz ličnu sposobnost i retku erudiciju omogućilo da pruži u svom delu do sada najpotpunije i vanredno pedagoški odabran i sređen materijal, koji već danas predstavlja veoma solidnu osnovu na kojoj se izgrađuje jedna nova civilizacija nuklearnog doba.
Tečnim, skoro narativnim stilom pisana knjiga Hajsinskog se ne uči, već čita. kao zanimljiva istorija otkrića jednog novog, neiscrpno bogatog sveta, a time čitalac bez napora stiče korisna konkretna znanja —uči.

Uveren sam da će knjiga moga prijatelja odigrati namenjenu ulogu u izgradnji novog kadra mladih istraživača i stručnjaka, koji su bili predmet prvenstvenog staranja autora kroz ceo njegov plodan pedagoški rad.

 

Velike etape u razvoju radioaktivnosti, nuklearne fizike i hemije

1. — Radioaktivnost i prvi radioaktivni elementi

Naučna otkrića i pronalasci, veliki i mali, čine neprekidni lanac zapažanja, razmišljanja i dedukcija. Temelje se obično na iskustvu, a vodi ih zdrav razum ili intuicija. Oni su, najčešće, plod kolektivnog napora, zbir istovremenih ili uzastopnih doprinosa intelektualnog rada većeg broja pojedinaca. Katkad je teško, pa i nemoguće, verno utvrditi poreklo jednog pronalaska ili mu tačno odrediti tvorca. Ipak, neka otkrića izbijaju manje ili više iznenada iz neprekidnog toka i obeležavaju jednu određenu etapu ka novim putevima poznavanja prirode. Poreklo takvih pojava može se odlično utvrditi i vrlo retko izaziva nesuglasice. Međutim, čak i takva izuzetna otkrića nisu izolovana od ostalog razvoja nauke. Pokatkad, ona se pogodno povezuju s nekim drugim osnovnim otkrićem, ali, nema sumnje, njih priprema taj razvoj; ona su ostvarljiva tek pošto evolucija nauke dostigne dovoljan stepen zrelosti.

Otkriće radioaktivnosti (Henri Becquerel) i otkriće radijuma (Pierre i Marie Curie) su tipični primeri. Prvo otkriće, slučajno izazvano malo ranijim otkrićem X-zraka (W. Roentgen), i iznenađujuća evolucija koja je sledila, bili su pripremani, sa gledišta fizike, otkrićem elektrona. Otkriće elektrona je kolektivno delo koje je započeo Hittorf (1864), a razvili su i završili H. Hertz (1888), P. Lenard, W. Crookes, H. Lorentz, P. Zeeman, J. J. Thompson, J. Perrin, C. Wilson, R. Millikan (1897-1917) i drugi. Sa gledišta hemije, otkriće radioaktivnosti je pripremano trijumfom periodnog sistema Mendeljejeva (1867), posle otkrića elemenata Sc, Ga i Ge koje je on predskazao.

Godine 1895. W. Roentgen je primetio da antikatoda jedne Crookesove cevi zrači prodorne zrake koji mogu izazvati fluorescentne pojave i zacrnjenje na fotografskoj ploči. Henri Poincare je 20. januara 1896. god. prikazao pred Akademijom nauka u Parizu jednu od slika koju je dobio Roentgen. Pritom je izneo mišljenje da bi bilo zanimljivo videti da li izvesna tela koja fluoresciraju emituju X-zrake. Na to je njegov kolega Henri Becquerel obratio pažnju na uranove soli, posebno zbog harmonične strukture traka njihovih apsorpcionih i fluorescentnih spektara u laboratorijskom dnevniku malim sveskama koje je sačuvala I. Joliot-Curie. Mnogo je rečeno i pisano o teškim uslovima pod kojima je ovaj rad izveden — u jednom hangaru, bez saradnika i bez materijalnih sredstava — kao i o hrabrosti i upornosti Curiejevih. Međutim, pri proučavanju ovih svezaka još više iznenađuje lucidnost i sigurnost kojom su napredovali prema cilju koji su sebi odredili, na jednom do tada potpuno nepoznatom putu.

Prva sveska laboratorijskog dnevnika počinje 16. decembra 1897, a 13. jula 1898. god. ime prvog novog radioaktivnog elementa, polonijuma, već je zapisano pored bizmuta i olova (sl. I. 2). Nekoliko meseci docnije već se raspravlja o frakcionisanju Ba-Ra i pominje se jedan preparat polonijuma koji je 1900 puta radioaktivniji od oksida urana. Napredujući, Curiejevi su uveli etalon urana i upotrebu kvadrantnog elektrometra sa piezoelektričnim kvarcom, kao dragocen i precizan instrument za radioaktivna merenja. Zatim su utvrdili da X-zraci, kao ni

Sl. I. 2. — Stranica laboratorijske sveske

Izostavljeno iz prikaza

P. i M. Curie (13. jul 1898., prvi put je spomenut Po) električno polje superponirano na magnetno, ne utiču na radioaktivnost. Oni su upotrebili tehniku isparavanja i frakcionisanja radi obogaćivanja radioaktivnih produkata. Pokušali su da odrede atomsku težinu radionosnog barijuma, i najzad, krajem 1899. god., otkrili su hemijsko dejstvo zračenja (stvaranje ozona) i promene u obojenju nekih supstanci, izazvane zračenjem. Tom prilikom se rodila radijaciona hemija (v. § 9).

Otkriće polonijuma objavili su Pierre i Marie Curie u jednom saopštenju Akademije nauka 18. jula 1898. god., a otkriće radijuma, u saradnji sa G. Bemontom, 26. decembra iste godine, tačno 2 godine posle otkrića X-zraka. Istog dana saopštio je P. Demarcay Akademiji da je količina tog novog elementa u jednom preparatu BaCh bila dovoljna da ga identifikuje pomoću nove spektralne linije od 3818,8 A. Godine 1899. A. Debierne i 1901. god. F. Giesel, nezavisno jedan od drugog, otkrili su aktinijum. Početkom 1900. god. E. Rutherford je nastavio u Montrealu eksperimente R. Owensove na gubitku radioaktivnosti torijumovih jedinjenja na slobodnom vazduhu i identifikovao prvu emanaciju, toron. Skoro istovremeno E. Dorn je otkrio radon, a Debierne i Giesel aktinon. Otkriće ovih gasova i činjenica da radioaktivnost sudova u kojima se oni nalaze opada tokom vremena po eksponencijalnom zakonu dozvoljavali su da se bolje shvati priroda tzv. „indukovane radioaktivnosti” u čvrstim telima koja se nalaze u blizini radijuma (P. i M. Curie, 1899). Zapravo, ovde se radilo o „aktivnom talogu” koji grade veoma kratkotrajni radioaktivni potomei emanacija (Rutherford).

2. — Zračenje i teorija raspada atoma

Mereći razelektrisavanje jednog elektroskopa pod dejstvom zračenja urana koje je prolazilo kroz tanke listiće aluminijuma, Rutherford je utvrdio da se zračenje sastoji iz dve komponente, od kojih je jedna znatno manje prodorna od druge. Prvu je nazvao a, a drugu [i. P. Villard i H. Becquerel su 1900. god. otkrili da postoji i treća komponenta, još prodornija; to su y-zraci. Giesel je pokazao da /i-zraci, kao i katodni zraci, skreću u magnetnom polju i imaju negativno naelektrisanje. Becquerel je merio odnos elm ovih zraka i utvrdio da su po svojoj prirodi identični sa katodnim zracima, tj. da su elektroni. Merenja koja je vršio Rutherford su pokazala da su a-zraci čestice sa pozitivnim naelektrisanjem i da imaju odnos e/m=l/2, gde je m masa atoma vodonika. Ovaj rezultat je, s jedne strane, potvrdio smelu hipotezu P. i M. Curie iznetu na Kongresu za fiziku 1900. god., po kojoj su a-zraci materijalne, atomske čestice, a s druge strane, učinio je verovatnom Rutherfordovu i Soddyjevu hipotezu, prema kojoj su to dvostruko naelektrisani atomi helijuma.

Ovaj zaključak je sjajno potvrdila i jedna serija eksperimenata. Prvo su W. Ramsay i M. Travers otkrili prisustvo helijuma u mineralima urana i torijuma. Zatim su Ramsay i Soddy našli da se ovaj gas nagomilava u jednom preparatu od 30 mg radijuma, starom nekoliko meseci, dok je Debierne pokazao da i aktinijum proizvodi helijum. Rutherford i T. Royds su otkrili spektar helijuma u jednom evakuisanom sudu u kojem je bila ampula radijuma od vrlo tankog stakla koje propušta a-zrake. Najzad, Rutherford i Geiger su docnije konstruisali (1908-1910) jedan brojač a-zraka čiji je princip rada isti kao GeigerMiillerovih brojača. Pomoću njega su utvrdili da je broj a-čestica izračenih u sekundi po gramu radijuma 3,4 × 1010, što je vrlo blisko danas prihvaćenoj vrednosti (3,65 × 1010). Isti rezultat su dobili brojanjem scintilacija koje izazivaju a-zraci na zaklonu od cinksulfida (ovu pojavu su otkrili 1903. J. Elster i H. Geitel, Crookes i Giesel). Poznajući ukupno naelektrisanje a-zraka koje izračuje određena količina radijuma, oni su zaključili da svaka a-čestica nosi dva elementarna naelektrisanja i da prema tome ima masu 4. Količina helijuma koja se skuplja za godinu dana, pod pretpostavkom da je svaka a-čestica ekvivalentna atomu helijuma, takođe se dobro slagala sa onom količinom koju je stvarno merio J. Dewar 1908. godine.

S druge strane, Crookesu je uspelo da hemijskim odvajanjem odstrani /Laktivnost iz jednog uzorka urana i da je koncentriše u jednom preparatu bez urana. On je primetio da ovaj preparat tokom vremena gubi svoju aktivnost, polovinu posle otprilike 24 dana (vreme poluraspada), dok je prvobitni uzorak ponovo stiče, tačno istom brzinom (sl. I. 3). Do istog nalaza došli su Pvutherford i Soddy kod torijuma X, koji su oni otkrili i odvojili od torijuma, s tom razlikom što je vreme poluraspada i porasta aktivnosti u ovom slučaju iznosilo 4 dana. Štaviše, „emanaciona moć” ThX se smanjivala, a torijuma rasla sa istim vremenom poluraspada.

Najzad, P. Curie i A. Laborde su pokazali da radioaktivni preparati kontinualno otpuštaju toplotu, oko 100 kalorija po gramu radijuma na čas. Ovo otpuštanje toplote je praktično konstantno tokom nekoliko godina i stoga predstavlja znatno oslobađanje energije što bi, naizgled, bilo u protivrečnosti sa principom o konzervaciji energije.

Sva ova zapažanja doprinela su da Rutherford i Soddy formulišu teoriju radioaktivnih transformacija; nju su još u manje preciznom obliku, nagovestili Curiejevi (3). Teorija se pokazala kao vrlo plodna a docniji eksperimenti su je potvrdili. Prema toj teoriji, radioaktivni atomi se postepeno
vreme radioaktivnosti transformišu, svaka vrsta svojom konstantnom brzinom u druge, hemijski različite atome, emisijom atomskih zraka (a-zraci) ili drugih materijalnih čestica (elektroni). Promena u aktivnosti nekog datog produkta je prema tome vezana za delimičan ili potpun nestanak jedne atomske vrste uz istovremeno povećanje količine neke druge vrste. Atom urana ili torijuma, transformišući se, rađa čitav niz atoma čije su mase sve manje doklegod su oni radioaktivni. Promene u masi svake atomske vrste nisu primetne, bilo što su one vrlo spore (slučaj U ili Ra), bilo što se odnose na nemerljive količine (Rn, Po). Energija koja se oslobađa je u vezi sa materijalnim transformacijama, što je docnije bilo razumljivije zahvaljujući Einsteinovoj teoriji (gl. 4 i II. 3). Statistički karakter radioaktivnih raspada utvrdio je E. Schweidler 1905. godine.

Sl. I. 3. — Zakoni opadanja i porasta

Izostavljeno iz prikaza

Teorija je omogućila da se ustanovi srodstvo svih dotad poznatih radioaktivnih elemenata i da se isti svrstaju u tri serije ili radioaktivne porodice: U-Ra, Ac i Th. Ove su zatim bile upotpunjene i precizirane (gl. VII). Jedino kalijum i rubidijum, čiju je β-aktivnost otkrio N. Campbell 1906. god., ostali su očevidno izvan ovih serija.

Da bi nam bila jasna izvanredna smelost teorije, podsetimo se da je u ono vreme bilo dosta hemičara, pa čak i poznatih, koji su atomsku strukturu materije smatrali običnom fikcijom, a neki su čak olako mešali pojam atoma i molekula.

3. — Izotopija

Rutherfordova i Soddyjeva teorija počivala je na izvesnosti da su radijum, polonijum i aktinijum elementi, hemijski isto tako dobro definisani kao uran, torijum, bizmut, jod i drugi neaktivni elementi; da oni nisu molekulske kombinacije helijuma sa drugim atomima. Ova koncepcija nije naišla na smetnju prilikom njihovog razvrstavanja u periodnom sistemu. Polonijum, prvobitno smatran hemijski srodan bizmutu, bio je identičan radioaktivnom teluru koji je dobio W. Marckwald spontanim deponovanjem na bizmutu. On je homolog telura. Njegovo postojanje je predvideo Mendeljejev još 1891. god.; nazvao ga je dvi-telur i pripisao mu atomsku težinu 212 (umesto 210 kako je docnije utvrđeno). Radijum je odmah bio klasifikovan kao homolog barijuma, aktinijum kao homolog lantana. Najzad, otkriće argona 1894. god. [W. Ramsay i R. Strutt (Lord Ravleigh)], zatim helijuma (Ramsay i R. Clere, 1895) i drugih plemenitih gasova, Ne, Kr, Xe (Ramsay i Travers, 1898), dopuštalo je da se emanacije klasifikuju kao najviši homolozi ove grupe.

To nije važilo za druge radioaktivne elemente koji su u međuvremenu otkriveni; za već pomenuti uran X, za radioaktivni torijum, koji su otkrili Ramsay i Hahn, za jonijum, koji je otkrio B. Boltwood i nezavisno od njega Marckwald i B. Keetman. Ove tri radioaktivne vrste imale su iste hemijske i fizičke (neradioaktivne) osobine kao torijum, i svi pokušaji da se odvoje od torijuma bili su bezuspešni. Eksperimenti O. Hahna, kao i H. McCoyja i W. Rossa sa radiotorijumom (1906-1907) bili su naročito značajni. Godine 1910. Marckwald i Soddy su pokazali da je hemijsko ponašanje MsTh-1 identično ponašanju radijuma, a A. Fleck je 1912. god. pokazao da se ThB i AcB ne mogu odvojiti od olova, RaE od bizmuta, MsTh 2 od aktinijuma, RdAc od torijuma i RaA od polonijuma. Još ranije H. Herschfinkel nije uspeo da odvoji radijum D od olova. Ovaj negativni rezultat su potvrdili Hevesy i Paneth, koji su za odvajanje upotrebili dvadeset različitih hemijskih metoda. Poslednji autori su pored toga utvrdili da se RaD i Pb ponašaju u elektrohemijskom pogledu identično.

Takvo stanje je stvaralo zabunu, jer se smatralo da su svi produkti radioaktivnih transformacija, a njihov broj je prelazio trideset, novi elementi koji se razlikuju u hemijskom pogledu, dok je broj raspoloživih mesta u periodnom sistemu Mendeljejeva između olova i urana bio veoma ograničen.

Postepeno se razvijala ideja o identičnosti onih elemenata koji se nisu mogli odvojiti. Pošto su konstatovali da ThX kristališe zajedno sa barijumovim solima, D. Stromholm i T. Svedberg su nagovestili da se raspad tri radioaktivne porodice prostire na stabilne elemente periodnog sistema, i da su ovi prema tome smeše više atomskih vrsta. Izmerene atomske težine bile bi onda srednje vrednosti težina sastojaka, što ujedno objašnjava tri anomalije u periodnom sistemu koje su u ono vreme bile poznate (inverzije A-K, Co-Ni i Te-J). Ne podržavajući hipotezu o prostiranju radioaktivnih transmutacija na stabilne elemente, Soddy je 1912. god. razvio na jedan povezan i konačan način ideju o nehomogenosti elemenata, pri čemu je pomoću Rutherfordovog atomskog modela (1911) jasno pokazao razliku između radioaktivnih, nuklearnih i hemijskih osobina. Prve zavise od unutrašnjeg dela atoma, jezgra, u kojem se dešavaju nepovratne transformacije, dok hemijske osobine zavise od spoljašnjeg dela, elektronske periferije atoma, gde promene mogu da budu povratne (npr. promena valentnog stanja).

U ono vreme se smatralo da je naelektrisanje jezgra algebarski zbir svih pozitivnih i negativnih naelektrisanja. Prema Soddyju, razna jezgra istog globalnog naelektrisanja (i pored razlika u broju naelektrisanja različitog predznaka) su u hemijskom pogledu identična, tj. izotopi, što znači da zauzimaju isto mesto u periodnom sistemu.

Videćemo u bezbroj prilika u ovoj knjizi da pojam izotopije spada u fundamentalne tekovine hemije, mada su docnija istraživanja pokazala da izotopi u hemijskom pogledu nisu baš apsolutno identični (gl. IX). Odnos između rednog broja elemenata i frekvence X-zraka, koji je 1913. god. utvrdio H. Moseley, konačno je ograničio broj postojećih hemijskih elemenata i ujedno potvrdio pojam izotopije.

U direktnoj vezi sa ovim je zakon radioaktivnog pomeranja, koji su nezavisno jedan od drugog iskazali Soddy i Fajans, a u manje konačnom obliku još A. Russell i Hevesy. Prema tom zakonu, atom A, nastao a-raspadom nekog atoma B, pomera se u periodnom sistemu za dva mesta ulevo; ako je nastao β-raspadom, pomera se za jedno mesto udesno (sl. I. 4). Ovaj zakon je omogućio da se svi poznati radioaktivni eiementi klasifikuju u izotopske plejade, koje zauzimaju određeno mesto u periodnom sistemu; zatim je precizirao rodoslov tri radioaktivne porodice i dozvolio da se predvide novi radioaktivni elementi tamo gde je radioaktivna transformacija prividno dala element koji hemijski nije u saglasnosti sa zakonom. Tako, na primer, U II je smatran produktom /6f-emisije urana X, izotopa torijuma, dok prema zakonu pomeranja ova transformacija treba da da jedan izotop ekatantala. K. Fajans i 0. Gohring stvarno su uspeli da dokažu da je UX smeša dva radioaktivna elementa, UX 1, izotopa Th, i UX 2, prvog poznatog izotopa protaktinijuma vrlo kratkog vremena poluraspada (1,13 min.), koji novom emisijom daje U II. Slična praznina se nalazila između UY (izotop Th) i Ac; nju su popunili 1918. god. Hahn i Meitner, a nezavisno od njih Soddy i J. Cranston, otkrićem protaktinijuma mase 231. Malo docnije, 1921. god., Hahn je otkrio uran Z, novi izotop Pa, koji nastaje y-emisijom iz UX 2, tako da je UX 2 pobuđeno stanje jezgra UZ. Ovo predstavlja jedan novi radioaktivni fenomen, nuklearnu izomeriju, koja se često sreće kod veštačkih radioaktivnih elemenata (gl. IV. 9).

Određivanja atomske težine olova poreklom iz raznih radioaktivnih minerala, koja su izvršili T. Richards, K. Fajans, O. Hdnigschmid i drugi, pokazala su da pojam izotopije treba proširiti i na stabilne elemente. Doista, mada uvek pokazuje iste hemijske osobine i isti optički spektar, olovo ima, već prema svom poreklu, različitu atomsku težinu. Ova zavisi od sadržaja U i Th u mineralu, jer atomske težine poslednjih članova radioaktivnih porodica, RaG, ThD i AcD, izotopa olova, iznose 206, 208 i 207.

Sl. I. 4. — Zakon radioaktivnog pomeranja (prema F. Soddyju)

Izostavljeno iz prikaza

Ovo uopštavanje izotopije je dalje napredovalo kad je 1912. god. J. J. Thomson, proučavajući odnos naelektrisanje/masa pozitivnih jona neona u jakom električnom polju, našao da ovaj gas daje dve parabole (gl. IX. 10) koje verovatno odgovaraju masama 20 i 22, umesto jedne koja bi odgovarala gasu sa jednim sastojkom. Thomsonovu pretpostavku potvrdio je F. Aston, najpre frakcionom difuzijom gasa kroz ilovaču. Posle višemesečnog napornog rada on je ustanovio razliku od 0,7% u atomskoj težini dve ekstremne frakcije gasa koje je dobio svojim postupkom. Aston je zatim konstruisao svoj spektograf mase, u kojem se rnesto parabola dobijaju linije, i konačno potvrdio atomsku složenost neona, hlora, argona, ksenona i drugih elemenata. Ove radove su dalje proširili A. Dempster, J. Mattauch, K. Bainbridge, A. Nier itd. (gl. IX. 10).

Astonova merenja su, između ostalog, ukazala na važnu činjenicu da su atomske težine izotopa vrlo bliske celim brojevima, što dozvoljava da se odbaci najvažniji argument protiv stare hipoteze W. Prouta (1815) o genetskom jedinstvu materije. Naime, protivnici ove hipoteze su ukazivali da je ova u suprotnosti sa činjenicom da atomske težine mnogih elemenata nisu celi brojevi (relativno prema H = l).

Važna etapa u istorijatu izotopije je bilo otkriće teškog vodonika mase 2, deuterijuma (H. Urey, 1932. god.). Videćemo još docnije fundamentalni značaj atoma i jona deuterijuma u nuklearnim i izotopskim istraživanjima.

4. — Atomski model. Kvanti

Vrlo prost atomski model kinetičke teorije gasova, gde se atom posmatra kao elastična lopta, dozvoljava da se pomoću zakona mehanike izračunaju mase i poluprečnici atoma i molekula kao i Avogadrov broj. Nedostatak tog modela bio je, međutim, očevidan, jer su elektrohemijske pojave, katodni i pozitivni zraci i radioaktivnost pokazali da je struktura atoma složena i da njegovi sačinitelji imaju naelektrisanja suprotnog znaka. Prema modelu koji je 1897. god. predložio J. J. Thompson, atom obrazuje jednu loptu pozitivnog naelektrisanja u čijoj se unutrašnjosti nalaze elektroni koji se drže u ravnoteži quasi elastičnim silama.

Međutim, proučavajući zajedno sa E. Marsdenom prolaz a-zraka kroz vrlo tanke metalne listiće, Rutherford je konstatovao da ove čestice uglavnom podležu slabom skretanju, ali ponekad skreću pod uglovima i do 150°. Za takva rasejavanja trebalo je pretpostaviti postojanje vrlo jakog električnog polja, snažnijeg od polja u Thompsonovom modelu. Rutherford je zaključio da je pozitivno naelektrisanje koncentrisano u unutrašnjosti atoma, na vrlo malom prostoru, gde obrazuje jezgro čije su dimenzije reda veličine 10“13 cm (v. sl. I. 5). Oko jezgra razmešteni su elektroni u relativno velikom prostoru koji odgovara atomskoj zapremini (poluprečnik reda 10—8 cm). Nuklearno pozitivno naelektrisanje je jednako ukupnom naelektrisanju perifernih elektrona, a dato je, kako je to već pretpostavio Van den Broek, rednim brojem elementa u periodnom sistemu, odnosno atomskim brojem iz Moseleyjevog zakona.

Rutherfordov model ipak ne može da objasni stabilnost atoma pomoću zakona klasične mehanike. Da bi se protumačile spektralne emisije atoma trebalo je pretpostaviti, prema Maxwellovoj teoriji, da se elektroni kreću po kružnim ili eliptičnim putanjama oko jezgra. Međutim, tada se kinetička energija elektrona postepeno smanjuje, putanje postaju sve manje i elektroni, privučeni pozitivnim naelektrisanjem, padaju najzad u jezgro.

Ove teškoće je otklonio N. Bohr. On se poslužio kvantnom teorijom da bi odredio zakone koji upravljaju kretanjem elektrona po putanjama. Pokušavajući da utvrdi odnose između energije i entropije jednog oscilatora koji zrači, Planck je 1899. god. uneo u zakone zračenja dve univerzalne konstante. Prva je poznata pod imenom Boltzmannova konstanta (k = R/N), a druga, h, Planckova konstanta, koja predstavlja elementarni kvant dejstva (energijaXvreme). Poznato je da je to bio početak kvantne teorije koja je oborila klasična shvatanja o kontinualnim promenama energije. Duboki i osnovni značaj nove teorije se ispoljio kad je Einstein, 1905. god., dao kvantno tumačenje fotoelektričnog efekta koji je dotle bio nerazumljiv. Einstein je smelo pripisao svetlosti diskontinualnu strukturu, napuštenu još od vremena Huygensa, smatrajući da svaka čestica svetlosti, svaki foton, dovoljne energije izbacuje jedan elektron iz obasjanog metala. Taj elektron odnosi sa sobom višak raspoložive energije. Kvantna teorija je bila isto tako plodna u tumačenju specifičnih toplota čvrstih tela i gasova, kako su to pokazali Einstein, Born i Karman, Debye i Nernst. Pojam kvanta je, štaviše, omogućio da se objasne i izračunaju hemijske konstante (O. Sackur, H. Tetrode) koje je uveo Nernst u svoju termodinamičku teoremu (treći princip), a prema tome i apsolutne entropije.

Sl. I. 5. — Koncept Rutherfordovog saopštenja o atomskom modelu [Prema D. J. Priceu, Notes and Records Roy. Soc., London, 10, 139 (1953)]

Izostavljeno iz prikaza

Prihvatajući Rutherfordov model, Bohr je kod kretanja elektrona u atomima napustio klasične zakone. ali je pretpostavio da se svetlost emituje samo ako elektron prelazi sa jedne putanje na drugu. Broj putanja i njihovi odgovarajući nivoi energije, a prema tome i izračena energija vezana za elektronske prelaze, ograničeni su i definisani kvantnom teorijom.

Tri postulata koja je iskazao Bohr da bi sažeo svoja shvatanja, u ono vreme veoma revolucionarna, omogućila su mu da ispravno protumači spektralne serije vodonika i da, pomoću Planckove konstante, naelektrisanja i mase elektrona i mase H-atoma, izračuna Rydbergovu konstantu sa tačnošću od 1%.

Teoriju su potvrdili i lepi eksperimenti J. Francka i G. Hertza, u kojima se ispituju sudari elektrona i atoma praćeni emisijom svetlosti ili jonizacijom.

A. Sommerfeld je upotpunio i usavršio ovu teoriju uzimajući u obzir eliptično kretanje elektrona i uvodeći dva kvantna broja umesto jednog. Ovima su dodata još druga dva kad su S. Goudsmit i G. Uhlenbeck (1924) izneli hipotezu o sopstvenoj rotaciji elektrona koja stvara jedan mehanički moment (spin) i jedan magnetni moment. Ceo ovaj razvoj imao je docnije duboke posledice na teorije jezgra koje se zasnivaju velikim delom, bar formalno, na istim koncepcijama i odnosima.

Isto važi i za kasniji razvoj kvantne teorije koja je dovela do talasne mehanike, ali mi ćemo ovde navesti samo najznačajnije etape:

— Paulijev princip isključenja (1924);
— De Broglieova dualistička teorija materije; povezivanje korpuskula i talasa (1925);
— Fundamentalna jednačina talasne mehanike E. Schrodingera, koja uvodi talasne funkcije i „vlastite funkcije” (1926);
— Nova Bornova i Heisenbergova kvantna mehanika i Heisenbergov princip neodređenosti;
— Heitlerova i Londonova teorija o kvantnim silama izmene kod homeopolarnih hemijskih veza (1927);
— G. P. Thompson, zatim C. Davisson i L. Germer otkrivaju fenomen difrakcije elektrona na kristalima (1927), slično difrakciji X-zraka koju je izveo M. Laue (1912), a koja je postala moćno sredstvo istraživanja strukture kristala zahvaljujući radovima W. H. i W. L. Bragga, zatim P. Debyea i P. Scherrera;
— Statistike Bose-Einstein i Fermi-Dirac, koje se primenjuju na elementarne čestice (gl. II. 3).

Ovome treba još dodati odnos između mase i energije, koji je Einstein izveo iz svoje teorije relativnosti. Ova predstavlja kamen temeljac teorije nuklearnih transformacija (gl. II. 2). Razvoj specifičnih teorija o nuklearnoj strukturi biće opisan u II glavi.

5. — Spektri α, β, γ

Istorijski razvoj u poznavanju osobina zračenja bio je mnogo jednostavniji za anego za fii y-zrake. Sa sredstvima kojima se raspolagalo u početku istraživanja radioaktivnosti, a-zraci koje emituje dato telo ispoljavali su se kao jedna homogena grupa koju karakteriše njena energija ili brzina, odnosno njen domet u različitim supstancama. Ovaj je definisan merenjem jonizacione moći kanalisanog snopa zraka u raznim tačkama duž putanje u vazduhu (Braggova kriva, 1904. god.). Tek 1916. god. Rutherford i A. Wood su otkrili u zračenju ThC + C’ jedan mali deo a-zraka čiji je domet bio iznad srednjeg. Kasnije, ovi zraci „dugog dometa” nađeni su takođe kod RaC + C’. Ovaj fenomen je ipak bio veoma slabog intenziteta, pa se, opšte uzev, smatralo da važi Geigerov i Nuttallov zakon (1911) po kojem postoji linearan odnos između logaritma dometa a-zraka i logaritma radioaktivne konstante karakteristične za svaki izračivač.

Proučavajući skretanje a-zraka ThC u magnetnom polju, S. Rosenblum je, međutim, 1929. god. pokazao da a-zraci ovog tela na fotografskoj ploči pokazuju jinu strukturu, i da se sastoje iz više zraka među kojima postoji razlika u energiji od đesetak ili stotinak keV. Sa ovom pojavom su se ponovo sreli sam Rosenblum, pa Rutherford i drugi autori kod drugih prirodnih i veštačkih a-izračivača. Teoriju su nezavisno jedni od drugih razradili Gamow, pa Gurney i Condon pomoću talasne mehanike (gl. IV. 6). Ova teorija objašnjava na približan, ali ipak zadovoljavajući način ceo proces a-emisije, i povezuje finu strukturu sa odgovarajućim y-zracima.

Nasuprot ovome, |3-spektri imaju znatno složeniju strukturu i njihovo eksperimentalno istraživanje, kao i teorijsko objašnjenje, bilo je daleko zametnije i dugo vremena nije zadovoljavalo. Pre svega, (3-zraci nemaju pravolinijsku putanju kroz materiju i ukoliko im energija nije vrlo velika, lako skreću sa prvobitnog pravca pod dejstvom jezgara, pa čak i perifernih elektrona. Nadalje, magnetna merenja su pokazala da se P-zračenje sastoji iz jednog kontinualnog spektra i zraka diskontinualne strukture. Samo elektroni iz kontinualnog spektra bivaju direktno izračeni iz jezgra tokom raspada, dok su ostali sekundarnog porekla i vezani za emisiju X-zraka (unutrašnja konverzija, gl. IV. 8). Ovaj rezultat dobiven je tek posle mnogobrojnih opita i protivrečnosti (C. Ellis, L. Meitner itd.).

Međutim, upravo kontinualni karakter spektra primarnih elektrona, poreklom od raspada, činio je najveće teškoće, jer je naizgled bio u suprotnosti sa principom o konzervaciji energije. Najpre se pretpostavljalo da su svi primarni elektroni izračeni sa istom energijom koja je ravna maksimalnoj granici spektra, ali da se ova rasipa u sekundarnim procesima. Međutim, Ellisova i Woosterova mikrokalorimetrijska merenja (1928), pa merenja Meitnerove i Orthmanna (1930), oborila su ovu hipotezu. N. Bohr je čak razmatrao mogućnost da princip o konzervaciji energije ne važi kod nuklearnih fenomena. Ova „defetistička” ideja nije prihvaćena, i konačno je Pauli 1933. god. objavio hipotezu po kojoj je svaka emisija elektrona praćena emisijom jedne nenaelektrisane čestice vrlo male mase koja odnosi višak energije. Fermi je 1934. god. dao teoriju /»-spektara koja se zasniva na postojanju ove hipotetičke čestice, neutrina (gl. II. 6 i IV. 2).

Proučavanja P-spektara često su se direktno nadovezala na proučavanja 7-zraka; pored već pomenutih autora, važne priloge dali su ovde M. de Broglie, A. Compton, J. Chadwick, H. Geiger, W. Bothe, D. Skohelcin, J. Thibaud i drugi fizičari. Slično kao kod a-zraka, v-spektri vezani za /?-emisiju dozvoljavaju da se odrede razlike u nivoima energije jezgara i tako čine osnovu nuklearne spektroskopije.

Fenomen radioaktivnog uzmaka, koji je još Rutherford 1905. god. smatrao mogućim, dokazali su Hahn, Debierne, Russ i Makower (1909), a posebno ga je proučavao Wertenstein. Neki od njih, kao i Fajans, pokazali su da se uzmak može upotrebiti za odvajanje produkta raspada od njegovog pretka.

Istraživanja svih tih zračenja bila su znatno olakšana upotrebom maglene komore C. Wilsona, pored jonizacionih komora i fotografskih ploča. U tom aparatu putanje postaju vidljive usled kondenzacije vodene pare na stvorenim jonima. Upotreba Geiger-Miillerovih brojača, a u novije vreme i scintilacionih brojača, ušla je u praksu naročito posle otkrića veštačke radioaktivnosti.

Skobelcin je uveo (1927) Wilsonovu komoru, a Wilson, Bothe i Kolhoerster Geigerove brojače u istraživanje kosmičkih zraka koje su otkrili V. Hess (1911-1912) i W. Kolhoerster (1913-1914). Ovi autori su pomoću balona-sondi primetili da se slaba osnovna jonizacija najpre smanjuje pri povećanju nadmorske visine, dostiže minimum na nekoliko stotina metara nad zemljom, a zatim ponovo raste; na visini od 9000 m ona je oko 40 puta intenzivnija nego na nivou mora. Kolhoerster je ovu pojavu pripisao jednom prodornom zračenju koje dolazi iz prostora van zemlje. Njegove eksperimente su tek 1925. god. nastavili Millikan i Cameron, koji su potvrdili veoma prodoran karakter zračenja za koje se onda smatralo da je samo elektromagnetne prirode. Od tada nije prestajao stalan i brz napredak zahvaljujući aparatima za registrovanje (E. Regener, 1928), prostim (Bothe i Kolhoerster) i višestrukim koincidentnim brojačima (Rossi, 1922), kao i Wilsonovoj komori, prostoj (Skor belcin) ili takvoj koju stavljaju u dejstvo dva brojača u koincidenciji (P. Blackett i G. Occhialini, 1933), zatim sve osetljivijim nuklearnim pločama kao i savršenijoj fotografskoj tehnici (Powell i Occhialini, 1946). Proširenje ovih istraživanja u visinu i dubinu na raznim geografskim širinama omogućilo je da se otkriju novi fundamentalni efekti (uticaj geografske širine i pravca, postojanje snopova, Augerovih velikih snopova itd.) kao i nove fundamentalne čestice, pozitron i mezoni. Dokazano je da je zračenje vrlo složeno, kako po sastavu tako i po energiji. Taj noviji razvoj je direktno vezan za razvoj nuklearne fizike i mi ćemo se na to kasnije još vratiti (§ II. 8).

6. — Transmutacije i veštačka radioaktivnost

Marsden je utvrdio 1914. god. da a-zraci RaC, prolazeći kroz vodonik ili supstance koje sadrže vodonik, izbacuju vodonikove atome. Ovi dobijaju znatnu kinetičku energiju saglasno zakonima 0 održanju energije i količine kretanja. Ti „prirodni” H-zraci posmatrani su na fluorescentnom ekranu od ZnS i određeni su im dometi. Izlažući gasoviti azot dejstvu istih a-zraka, Rutherford je opazio na cink-sulfidu scintilacije koje su odgovarale atomima H, ali čiji je domet bio mnogo veći od onog koji se mogao pripisati prirodnim H-zracima. Rutherford je postavio hipotezu da usled udara a-čestice H-atom biva istrgnut iz jezgra azota, koji se na taj način transformiše u jedno drugo jezgro. Naknadni Blackettovi eksperimenti sa Wilsonovom komorom pokazali su da je u pitanju atom kiseonika:

14N -F-4He → 17O + 1H

To je bila prva veštačka transmutacija ostvarena u modernoj alhemiji na jednom vanredno jednostavnom uređaju (sl. I. 6).

SL I. 6. — Rutherfordov uređaj za dezintegraciju azota [Phil. Mag., 37, 543 (1919)], D — izvor aktivnog taloga, S — otvor sa ekranom od ZnS. Sud ACBE napunjen je azotom

Izostavljeno iz prikaza

Nju su zatim Rutherford i saradnici proširili na B, F, Na, Al, P, a G. Kirsch i H. Pettersson na Be, Mg, Si.

Kako je energija prirodnih a-zraka uvek niža od 10 MeV, postupak je bio ograničen na lake elemente. S druge strane, a-čestica je bila tada jedini raspoloživi projektil. Već pomenuta teorija Gamowa o a-transformacijama navela je Cockrofta na pretpostavku da bi protoni, ubrzani na nekoliko stotina keV, bili već sposobni da prodru u jezgra kao što su ona litijuma i bora i da izazovu njihov raspad. On je 1932. god. sa E. Waltonom počeo aa konstruiše jedan akcelerator čestica (pozitivnih jona) primenom visokog napona od 500 kV na jednu cev za pražnjenje. Izlažući litijumove mete dejstvu protona proizvedenih u aparatu, oni su zaista opazili karakteristične scintilacije a-čestica pri energiji ubrzanja od 125 keV:

7Li + H → 2 4He (I. 2)

Merenje energija dveju emitovanih čestica potvrdilo je prvi put na direktan način tačnost Einsteinovog odnosa između mase i energije (gl. V. 1).

Pozitivni rezultati su takođe dobiveni pri bombardovanju bora i fluora. Iste godine Urey je otkrio deuterijum, a Rutherford i Oliphant su ga upotrebili kao metu bombardujući ga njegovim sopstvenim ubrzanim jonima.

Gotovo istovremeno sa ovim izvanrednim ostvarenjima, čitav lanac senzacionalnih otkrića bio je ostvaren; on je bukvalno uzdrmao fiziku i hemiju i njegove posledice su se brzo odrazile čak na svetske političke i ekonomske poslove.

Bombardujući izvesne lake elemente, kao berilijum, a-zracima polonijuma, Bothe i Becker (1930) su primetili jedno zračenje slabog intenziteta i prodorne moći veće od najtvrđih y-zraka radioelemenata. Ovo zračenje je najpre smatrano za elektromagnetno. I. Curie i F. Joliot su ponovili eksperimente sa berilijumom i primetili da ovaj izbacuje iz parafina protone veoma velikih brzina, a to je fenomen koji se teško može pripisati y-zracima. Chadwick je potvrdio ovaj rezultat i ponovio ga uzimajući mesto parafina litijum, berilijum ili bor. Eksperimenti su još pokazali da se to sekundarno zračenje sastoji iz nenaelektrisanih, odbivenih atoma, čija je masa vrlo bliska vodonikovoj. Chadwick ih je protumačio pomoću hipoteze koju je 1920. god. dao Rutherford o postojanju jedne elementarne neutralne čestice, izvanredno stabilne veze jednog protdna i jednog elektrona, tj. neutrona. Njegova priroda i osobine biće razmatrane u glavama II, V i XI.

Nešto kasnije, Andersdn je, pomoću Wilsonove komore postavljene u jedno jako magnetno polje, primetio da u kosmičkom zračenju postoje čestice velike energije i pozitivno naelektrisane. Njihova specifična jonizacija odgovara praktično elektronu, i on ih je identifikovao kao pozitivne elektrone ili pozitrone. Njihovo postojanje je predvideo Dirac u teoriji koja pretpostavlja obrazovanje jednog para elektron-pozitron pri prolazu fotona energije veće od 1 MeV pored nekog jezgra; odnosno stvaranje dva fotona energije od po 500 keV kad se susretnu jedan pozitron i jedan elektron, pri čemu nestaju obe čestice. Razni eksperimentatori, kao Blackett i Occhialini, Anderson, I. Curie i Joliot, Chadwick itd., potvrdili su stvaranje parova, dok su obrnut fenomen, nazvan dematerijalizacija, utvrdili Joliot i Thibaud (gl. II. 4).

Nastavljajući istraživanja na transmutacijama lakih meta uz emisiju neutrona pod dejstvom a-zraka vrlo jakog izvora polonijuma, I. Curie i F. Joliot su naišli na teškoće u tumačenju pojava. Oni su, na primer, primetili da aluminijum, čija je masa 27, pri ovom bombardovanju izračuje jedan neutron i jedan pozitron. Kako je masa ovog poslednjeg zanemarljiva, rezultat ukazuje na obrazovanje atoma fosfora nepoznate mase 30 (27 + 4 = 30 + 1). Autori su, međutim, brzo uočili da je emisija pozitrona zakašnjavala; ona se produžavala i kad se izvor udalji, i opadala je sa vremenom poluraspada od 3 minuta. Autori su iz toga zaključili da stvoreni fosfor nije bio, kao u dotada poznatim transmutacijama, stabilan atom, već da se raspada uz emisiju pozitrona. Oni su na elegantan način potvrdili svoju pretpostavku vrlo prostim hemijskim eksperimentom, rastvorivši ozračeni aluminijum u HCl i odvodeći radioaktivni produkt, stvoreni PHs, strujom gasa (sl. I. 7). Radioaktivni fosfor je bio izdvojen i veštačka radioaktivnost nepobitno dokazana. Slični rezultati dobiveni su sa borom koji se preobražava u radioaktivni azot i magnezijumom koji daje radioaktivni aluminijum.

Prema autorima ista pojava bi se morala zapaziti pri bombardovanju drugim projektilima: protonima, deuteronima, neutronima. Ovaj zaključak su potvrdili eksperimenti, ponovljeni i prošireni u drugim laboratorijama, što je doprinelo da se naglo poveća broj veštačkih radioaktivnih elemenata.

Neposredno posle Joliot-Curiejevih otkrića Fermi je sa grupom saradnika (Amaldi, d’Agostino, Rasetti i Segre) pristupio sistematskom bombardovanju svih raspoloživih hemijskih elemenata neutronima iz izvora Rn+Be. Posle prvih neuspeha na koje je naišao kod najlakših elemenata, uspeo je da proizvede, polazeći od 63 elementa, 37 aktivnosti od kojih je većina i hemijski identifikovana. Anomalije, koje su autori u nekoliko slučajeva uočili i za koje je izgledalo da zavise od prirode okolnih predmeta, odvele su ih do otkrića specijalnih osobina sporih neutrona. Oni su razvili jedno novo, važno poglavlje nuklearne fizike od značaja za te čestice (gl. II. 5 i XI. 10).

staklena epruveta tankih zidova
rastvor HCI
listlć aluminijuma prethodno ozračen

Sl. I. 7. — Hemijski dokaz za preobražaj Al u radioaktivni fosfor posle bombardovanja alfa zracima (I. Curie, F. Joliot, Conference Nobel, 1935)

Izostavljeno iz prikaza

Međutim, tek je 1939. god. otkrivena vanredna osobina ovih neutrona da cepaju jezgro 235U na dva dela. To je fenomen nuklearne fisije.

7. — Transuranski elementi i fisija

Na predavanju povodom dodeljivanja Nobelove nagrade u Stockholmu 1935. god., F. Joliot je izrazio svoje uverenje ,,da će istraživači koji grade i razbijaju elemente po želji, znati da ostvare transmutacije eksplozivnog karaktera, prave hemijske lančane reakcije”. Ovo proricanje ostvarilo se prvi put 1942. god., zahvaljujući konstruisanju jednog nuklearnog reaktora koji je radio koristeći kontrolisanu lančanu nuklearnu reakciju. Ova reakcija može mnogo da učini za sreću čovečanstva, ali je već tri godine kasnije ostvarena pod tragičnim okolnostima, eksplozijom atomskih bombi na nebu japanskih gradova Hirošime i Nagasakija. Istorijat otkrića koja su dovela do ovih događaja je vezan za istoriju transurana.

Izlažući uran dejstvu sporih neutrona, Fermi i saradnici su opazili da se gradi nekoliko β-aktivnosti sa vremenima poluraspada od 10 sekundi, 40 sekundi, 13 minuta i 90 minuta i jednog dužeg vremena. Znatan deo aktivnosti od 13 i 90 minuta koprecipitira sa MnOž pod 16 uslovima u kojima prirodni radioelementi susedni uranu ne bi bili povučeni. Iz ovoga autori su izveli zaključak da se stvorio jedan novi element rednog broja 93 koji bi bio viši homolog Mn; jedan ekarenijum koji su nazvali ausonijum (Ao). Ovaj bi p-emisijom dao element 94, eka-osmijum ili hesperijum (Hs). Taj zaključak je kritikovao J. Noddack (4), stavljajući primedbu da bi mnogi elementi srednjih atomskih težina bili povučeni sa MnO^.Pre nego što se izvede zaključak o stvaranju elementa 93, trebalo bi izvesti sistematske eksperimente kojima bi se eliminisali svi poznati elementi. Ova sugestija, koja je docnije dokazana, nije shvaćena ozbiljno, što je odgovaralo tadašnjim shvatanjima o stabilnosti jezgara. Grosse i Agruss su, s druge strane, kritikovali (5) Fermijev zaključak ukazujući da protaktinijum koprecipitira sa dioksidom mangana isto kao i sa sulfidom renijuma. Novi Agostinovi i Segreovi eksperimenti pokazali su (6) da se aktivnost od 13 minuta odvaja u fosfatnom rastvoru od cirkonijuma, dok protaktinijum koprecipitira.

Hahn, Meitner i Strassmann su tada preduzeli sistematsko izučavanje (7) „transurana”, tačno odredili nekoliko vremena poluraspada, otkrili nove aktivnosti i izvršili nova hemijska ispitivanja. Ova su ih najpre navela da potvrde Fermijevu hipotezu i predlože sledeće sheme raspada koje idu bar do elementa rednog broja 97:

Izostavljeno iz prikaza

Ove dezintegracije su već onda izgledale dosta sumnjive. One zahtevaju, prvo, s nuklearne tačke gledišta, stvaranje izomera urana i njegovih produkata raspada, pošto se neutronski zahvat mogao razumno pripisati jedino izotopu 238U, jer je sadržaj izotopa 234U i 235U vrlo mali (8). Pet uzastopnih P-raspada posle zarobljavanja jednog neutrona nije nimalo lako objasniti. U pogledu hemijskih identifikacija proizvoda čiji se broj povećavao, mnogo se još moglo poželeti; one nisu uvek odgovarale navedenim osobinama (9). Ozračivanjem torijuma brzim neutronima takođe je dobiveno više P-emitera čija identifikacija nije bila laka. Kako se ovaj element praktično sastoji iz jednog jedinog izotopa (232Th) trebalo je prihvatiti ovde još i stvaranje više izomera.

Upravo tada su I. Curie i P. Savić (10), mereći P-aktivnosti onih proizvoda u ozračenom uranu čije su energije bile dovoljne da prođu kroz zaklon od bakra, najavili stvaranje jednog novog tela sa vremenom poluraspada od 3,5 č. Ovo se telo moglo hemijski odvojiti od proizvoda koji su smatrani za „transurane” i pokazivalo je osobine jedne retke zemlje. Doista, ono je koprecipitiralo sa lantanom koji je taložen kao oksalat. Autori su pokazali da se ne radi o aktinijumu, homologu La, pošto se od poslednjeg može odvojiti frakcionim taloženjem, ali se ne može ni izjednačiti sa lantanom, jer aktivnosti različitih frakcija jednake po sadržaju lantana nisu bile iste.

U ovoj zamršenoj situaciji Hahn i Strassmann su nastavili eksperimente (11) i otkrili stvaranje zemnoalkalnih produkata, koji su, smatrani prvo za izotope radijuma, mogli ipak da se od ovog odvoje, mada ne i od barijuma. Tako je dat hemijski dokaz da se ozračivanjem urana neutronima stvara jedan element čiji je redni broj niži od 36.

Neposredno posle objavljivanja ovog senzacionalnog rezultata, Meitner i Frisch su mu dali ispravno tumačenje (12) pretpostavivši cepanje urana na dva fragmenta čiji je zbir naelektrisanja jednak 92. Ovo tumačenje se zasnivalo na nuklearnom modelu jezgra koji je Bohr interpretirao kao kap tečnosti (gl. III. 10). Bohr i Wheeler su odmah zatim razvili svoju teoriju fisije i predvideli da će upravo izotop 235U pretrpeti fisiju zahvatom jednog sporog neutrona. Eksperiment je uskoro potvrdio ovaj zaključak. Ubrzo je Frisch (13), a nezavisno od njega Joliot (14), dao fizički dokaz za ovaj fenomen, mereći znatnu jonizaciju koju proizvode fragmenti fisije. Meitner i Frisch su još pokazali da su takozvani „transurani” bili izotopi elemenata srednjih atomskih težina. Proizvod od 3,5 časa I. Curie i P. Savića bio je jedan od ovih, i to stvarno jedan izotop lantana, ali je bio pomešan s jednom drugom retkom zemljom, Rd-Y, proizvodom fisije istog vremena poluraspada. Zato je izgledalo da je povlačenje lantana potpuno.

Cepanje torijuma brzim neutronima je takođe bilo dokazano (15); radovi velikog broja autora su pokazali da se broj stvorenih proizvoda u oba slučaja penje na desetine. Ovi su identifikovani kao izotopi elemenata između cinka i retkih zemalja u periodnom sistemu (gl. VI. 1). S druge strane, oštroumni eksperimenti Joliot-a i njegovih saradnika, zatim Fermija i Szilarda, pokazali su da je cepanje urana sporim neutronima praćeno emisijom brzih neutrona, 2-3 na svaku fisiju. Odavde sledi da, u principu, zarobljavanje jednog neutrona u masi urana 235U treba da dovede do lančane nuklearne reakcije, slično kao kod hemijske reakcije, na primer, kod eksplozivnog paljenja, gde se jedan od proizvoda utrošenih u jednom elementarnom aktu regeneriše u drugom. Praktično, međutim, izotop 235U čini samo 1/140 deo prirodnog urana čiji glavni izotop, 238U, zahvata većinu neutrona bez procesa fisije; ovi su dakle izgubljeni za širenje lanca. Osim toga, neutroni mogu, ako dimenzije mase nisu dovoljne, da umaknu iz sistema.

Uslove za realizaciju nuklearne lančane reakcije ubrzo su shvatili mnogi fizičari. Oni su ih i potvrdili bilo mešajući prirodni uran sa nekim usporivačem ili moderatorom neutrona koji redukuje brzine neutrona do vrednosti podesnih da ih 235U zahvati (gl. VI), bilo obogaćujući sadržaj 235U čisto fizičkim sredstvima (gl. IX). Grupa Joliot u Francuskoj ispitivala je upotrebu teške vode kao moderatora, a F. Perrin je izračunao kritičnu masu urana koja dozvoljava lančanu reakciju (divergentnu reakciju). Invazija zemlje 1940. god. sprečila je ostvarenje eksperimenata za koje je predviđeno 165 litara teške vode kupljene u Norveškoj, što je onda predstavljalo praktično celokupnu svetsku zalihu. H. Halban i L. Kowarski poneli su ovu zalihu 1940. god. sa sobom u Englesku, gde su decembra iste godine eksperimentalno potvrdili teorijska predviđanja (16).

Sa svoje strane, Fermi i Szilard u SAD izabrali su grafit kao moderator. Rad Fermijeve grupe krunisan je puštanjem u pogon prvog nuklearnog reaktora od 0,5 W, u Cikagu, 2. decembra 1942. godine.

U nuklearnim reaktorima lančana reakcija se kontroliše, kao što ćemo videti (gl. VI. 5 i 6), izborom dimenzija i upotrebom moderatora i materija koje apsorbuju neutrone. Eksplozivne reakcije su dobivene sa čistim 235U i plutonijumom koji se stvara dejstvom sporih neutrona na 238U. Prva nuklearna bomba je proverena eksperimentalno (17) 16. jula 1945. god. u Novom Meksiku, u SAD. Druga bomba, sa uranom, bačena je (uprkos mišljenju jednog komiteta američkih naučnika kojem je predsedavao J. Franck), na Hirošimu, 6. avgusta iste godine; dva dana docnije Nagasaki je uništen bombom plutonijuma. Dobivanje ovog elementa, rednog broja 94, sledilo je posle neptunijuma (Z = 93) koji su napravili Mc Millan i Abelson 1940. godine. Ovi autori su izložili tanke mete uranil-nitrata dejstvu sporih neutrona dobivenih ciklotronom u Berkeleyju, i posle otklanjanja proizvoda fisije, našli ponovo aktivnost od 23 minuta koju su Hahn, Meitner i Strassmann bili pravilno pripisali 239U (jedn. I. 5). Oni su pokazali da novi element proizveden β-raspadom nije homolog renijuma nego da ima hemijske osobine veoma bliske uranu, pa su postavili hipotezu da su ova dva elementa prvi članovi jedne serije uranida, hemijski međusobno srodnih kao što su lantanidi u šestoj periodi. Nasuprot ovima koji su karakteristični po trovalentnom stanju, uranidi bi imali nekoliko oksidacionih stupnjeva sa maksimalnom valencom VI. Eksperimenti su delimično potvrdili ova predviđanja.

Prvi izotop plutonijuma dobili su Seaborg, Mc Millan, Kennedy i Wahl (19) bombardujući uran ubrzanim deuteronima:

238U + 2D → 238Np + 2n; 238Np 2n; 238Np beta→ 238Pu. (1. 6)

Seaborg i njegovi saradnici napravili su i ostale transurane, od americijuma do mendelevijuma (101), metodama koje su prikazane u glavama V i VIII. (Za element 102 (No) i 103 (Lw) v. § VIII. 1). Plutonijum i americijum imaju, kao U i Np, oksidaciona stanja III, IV, V i VI, ali se maksimalna stabilnost postepeno pomera od VI na III idući od urana ka americijumu.

Videćemo da su hemijske osobine transurana mnogo složenije od osobina lantanida i razmotrićemo predloge za njihovu klasifikaciju u periodnom sistemu.

8. — Akceleratori

Nuklearni raspadi dejstvom neutrona mogu se ostvariti veoma jednostavnim sredstvima, samo ako se raspolaže izvorom aili y-zraka (Ra, Po, Rn itd.) u smeši sa pogodnim lakim elementom, naročito berilijumom. Upotreba prirodnih izvora je, međutim, ograničena kako njihovom energijom tako i njihovim intenzitetom. Promene koje oni mogu izazvati u jezgrima, pored fisije koja je ograničena na vrlo teške elemente, manifestuju se zahvatom jedne čestice uz emisiju jedne ili najviše dve druge čestice (a,n; n,p; n,a; n,2n itd.). Da bi se shvatila priroda i Waltonom, založila za izgradnju visokonaponskih aparata koji dozvoljavaju da se sve više ubrzaju naelektrisane čestice.

U Cockroft-Waltonovom uređaju pozitivni joni, dobiveni u jednoj cevi za pražnjenje, ubrzani su pojačavanjem napona pomoću serije ispravljača (kenotrona) i kondenzatora postavljenih u kaskadi (sl. I. 8).

Generator koji je konstruisao Van de Graaff godinu dana docnije, je elektrostatička mašina velikih dimenzija. U njemu se naelektrisanje proizvodi pomoću napona od nekoliko desetina kilovolta koji vlada između kajišnika na dnu aparata i „četkice” sastavljene iz serije šiljaka. Ovo naelektrisanje skuplja jedan izolovan kajiš pokretan motorom i prenosi duž jedne kolone na metalnu sferičnu elektrodu koju ova kolona nosi (sl. I. 9). Kajiš predaje svoje naelektrisanje sfernoj površini čiji potencijal raste do jedne granične vrednosti određene probojnim pražnjenjem. Maksimalni napon je ovde, kao i kod kaskadnog generatora, utoliko veći ukoliko je sredina u kojoj se nalazi aparat manje provodljiva (atmosfera azota ili azota sa freonom pod pritiskom). Pomoću Van de Graaffovog generatora dobijaju se 5 do 6 MV. toru, namenjenom elektronima, magnetno polje je naizmenično i čestice ubrzane indukcionim električnim poljem kruže po putanjama stalnog prečnika (sl. I. 11). Većina postojećih aparata omogućava dobijanje elektrona ili X-zraka energije od 25 do 50 MeV.

U Lawrenceovom ciklotronu (1930) joni emitovani iz izvora su ubrzani uzastopnim impulsima na osnovu principa magnetne rezonance. Između gvožđa jednog velikog elektromagneta nalaze se dve elektrode, zvane duanti (D) zbog njihovog oblika (polucilindrične pljosnate kutije) (sl. I. 12). U njima je vakuum od 10-5 — 10-8 mm, a nalaze se pod naponom naizmenične struje vrlo visoke frekvence čija je poluperioda jednaka % Mc vremenu obilaska jona u jednom duantu (T = , gde je c brzina ze H svetlosti, H intenzitet magnetnog polja, ze naelektrisanje jona, a M njegova masa). Joni kruže po jednoj spirali primajući novu količinu kinetičke energije svaki put kad prelaze iz jednog duanta u drugi. Maksimalna energija ubrzanja ne zavisi od napona među duantima nego od jačine magnetnog polja i od prečnika komore između gvožđa magneta. Zato se ciklotroni često označavaju veličinom prečnika.

Prvi ciklotron Lawrencea u Berkeleyju imao je prečnik od 2,5 palca i ubrzavao je protone na 80 keV. Idući su postepeno dostigli 9, 11, 27, 37, 60 i 72 palca. Poslednji dozvoljava da se protoni ubrzaju na 10, deuteroni na 20 i helioni na 40 MeV.

Ubrzavanje čestica na još veće energije naišlo je na teškoću na koju je ukazao Bethe; ona dolazi zbog povećavanja relativističke mase sa brzinom, tako da uslovi otpora, koji pretpostavljaju konstantnu masu, više nisu zadovoljeni.

Teškoća je prebrođena 1945. god. zahvaljujući Veksleru i nezavisno od njega Mc Millanu, koji su pokazali da se energija čestica može povećati smanjenjem frekvence električnog polja ili postepenim povećanjem jačine magnetnog polja. Aparati koji se oslanjaju na prvi princip, na modulisanje frekvence, zovu se sinhrociklotroni (ili fazotroni). Takav jedan aparat, koji pripada Akademiji nauka u Moskvi, dozvoljava da se protoni ubrzaju na 680 MeV. Aparati konstantne frekvence i sa rastućim magnetnim poljem su sinhrotroni. U proton-sinhrotronu (ili sinhrofazotronu) obe veličine su promenljive. Suprotno od prva dva uređaja, u ovome je putanja čestice krug konstantnog prečnika za sve vreme ubrzanja.

To su ogromne mašine čija izgradnja zahteva ogromne količine materijala, a za njihov pogon troši se desetak hiljada kilovata. Jedan pomoćni akcelerator, Van de Graaffov ili linearni, spada u njihov sastavni deo i služi za ubacivanje protona koji su ubrzani na nekoliko MeV. Proton-sinhrotron u Berkelevju, zvan Bevatron, ubrzava čestice već iznad 6 BeV; njegov elektromagnet težak je više od 10000 t. Sinhrofazotron iz Velike Volge kraj Moskve od 10 BeV ima elektromagnet koji se sastoji od 4 kvadranta, svaki poluprečnika od oko 28 m. On je težak 36000 t. Slika I. 13 prikazuje deo kosmotrona iz Brookhavena (Upton, New York) u kojem se protoni ubrzavaju na 3 BeV (20).

Sl. I. 12. — Shema ciklotrona

Izostavljeno iz prikaza

Slika I. 13, upoređena sa slikom I. 6, koja prikazuje Rutherfordov uređaj za nuklearne transformacije, lepo ilustruje put koji je nuklearna fizika prošla za manje od 40 godina. Napori koji su učinjeni tokom ovog razdoblja dali su bogat plod. Radioaktivni izvori koji su stajali na raspolaganju u prvoj trećini ovog stoleća, retko su dostigli jedan kiri; reaktori daju sada produkte čiji se intenzitet meri na kilokirije, Mesto četrdesetak prirodnih radioizotopa za koje se znalo do 1930. god., sintetizovano je više od 1000 novih nuklida, od kojih više od stotinu pripadaju elementima dosad nepoznatim u prirodi.

Od takozvanih elementarnih čestica bili su poznati samo protoni i elektroni. Pored neutrona i pozitrona, u kosmičkom zračenju je pronađen, a zatim proizveden akceleratorima, veliki broj nestabilnih čestica, mezona, čije se mase nalaze između elektrona i protona, a koje mogu biti pozitivne, negativne ili nenaelektrisane; zatim antiproton, antineutron i hiperoni, čestiee sa masom većom od protona (v. § II. 7 i V. 9).

Videćemo (§ III. 8) da je postojanje jedne naelektrisane čestice, mase između elektrona i protona, predskazao 1935. god. Yukawa da bi objasnio nuklearne sile.

Sl. I. 13. — Pogled na kosmotron u Brookhavenu, (3 BeV). (U levom donjem uglu vidi se Van de Graaffov aparat koji služi za ubacivanje protona ubrzanih na 3 MeV. Pored njega je jedna od 12 crpki koje služe zaevakuisanje aparata)

Izostavljeno iz prikaza

9. — Razvoj radiohemije

Po analogiji sa fotohemijom, nekad su pod ovim imenom označavane hemijske reakcije izazvane jonizujućim zračenjem. Međutim, od izvesnog vremena ovaj izraz se sve češće upotrebljava za proučavanje hemijskih osobina radioelemenata, prirodnih i veštačkih, ili uopšte, za hemijske fenomene vezane za radioaktivnost. Zato se smatralo za potrebno da se nađe novo ime za staru radiohemiju, koja je sad postala — radijaciona hemija. Upravo tu nomenklaturu upotrebićemo u ovom delu, pri čemu pridev „radiohemijski” koristimo u najširem smislu. Nuklearnom hemijom nazvaćemo transmutacije i transformacije jezgara, kao što molekulska hemija opisuje transformacije molekula.

Od otkrića polonijuma pa do skorašnjeg otkrića laurencijuma, doprinosi radioaktivnosti hemiji bili su izuzetno plodni i obuhvataju sve oblasti hemije. Pored otkrića izotopije i jedno dvadesetak novih elemenata, njoj zahvaljujemo i za više novih poglavlja fizičke hemije čiji razvitak ne bi bio moguć bez radioaktivnih metoda. To su naročito:

a) Poznavanje fizičko-hemijskih osobina nemerljivih količina i beskrajno razblaženih rastvora, sa analitičkom primenom koja iz ovog rezultira;
b) Geo-radiohemija i radiogeologija sa određivanjem starosti minerala i stena, kao i zemljine kore, ugljeničnih supstanci životinjskog ili biljnog porekla itd;
c) Radijaciona hemija sa radiobiologijom i radioterapijom koje su s njom u srodstvu;
d) Radioaktivni i izotopski obeleživači (indikatori).

Razvoj ovih različitih oblasti radiohemije biće opisan u ovom delu docnije. Ovde ćemo se podsetiti samo na prve etape pod c) i d).

Radijaciona hemija, radiobiologija. — Posle prvih, već pomenutih zapažanja Curiejevih o razvijanju ozona dejstvom radioaktivnih produkata, P. Curie i A. Debierne su utvrdili, 1901, da rastvori radijumovih soli oslobađaju kontinualno vodonik i kiseonik (21). Ramsay i Soddy su analizirali te gasove i našli da je prvi gas bio u višku u odnosu na drugi. Ovu anomaliju je docnije objasnio Kembaum koji je u rastvoru otkrio prisustvo vodenih peroksida u količini ekvivalentnoj manjku kiseonika u gasu. Inverznu reakciju, radiohemijsku sintezu vode iz sastavnih gasova, ostvarili su Cameron i Ramsay pomoću radona. Među drugim pionirima radijacione hemije treba navesti još Duana i Scheuera, Ushera, Kailana,. Wourtzela, Linda, Munda itd.

Može se smatrati da u radijacionu hemiju spadaju i hemijske pojave u samom molekulu koji sadrži radioaktivni atom u momentu radioaktivnog raspada (hemija vrućih atoma). Mada su izvesne transformacije ovog tipa bile zabeležene kod prirodnih radioelemenata, njihovu važnost su otkrili Szilard i Chalmers 1934. god., uspevši da odvoje radioaktivni jod iz neaktivnog etiljodida posle ozračivanja neutronima. Transformaciju 127I+n^-12SI prati emisija v-zraka, a pritom uzmak atoma cepa organski molekul oslobađajući aktivni atom. Videćemo u nastavku (gl. XVII) mnogobrojne primene na koje je naišla ova elegantna metoda.

Zapažanja o dejstvu zračenja na živa bića doprinela su, s druge strane, rađanju radiobiologije i radioterapijskih metoda (22). Nekoliko meseci posle otkrića X-zraka, J. Daniel je primetio da ovi zraci, posle jednočasovnog dejstva na kožu temena jednog saradnika, proizvode opadanje kose posle 21 dana. Mnogi autori javljaju o čudnim oteklinama i opekotinama koje su izazvali X-zraci. J. J. Thompson koji je ozračio mali prst leve ruke, primetio je nedelju dana docnije pojavu crvenila a zatim plikove. O prvom raku na koži izazvanom zračenjem javljeno je 1902. god.; to je slučaj nekog nadzornika radioaktivnih ampula u jednoj fabrici u Hamburgu.

Slični udesi ubrzo su se pojavili kod osoba koje su radile sa radijumom. Henri Becquerel koji je u džepu svog prsluka nosio ampulu sa jednom radijumovom solju, dobio je oboljenje kože na trbuhu (radiodermatitis), koje se teško leči. P. Curie je ovo proverio izlažući svoju ruku dejstvu radijuma; lečenje je zahtevalo 4 meseca.

Ali već 1897. god., u Beču, L. Freund uvodi X-zrake u terapiju i postiže ovim sredstvom epilaciju jednog mladeža kod četvorogodišnjeg deteta (rendgenska terapija); T. Stenbeck 1907. god. uspeva da izleči rak na koži ovim zracima. U Parizu, Danlos koristi 1901. god. radijum, koji su Curiejevi dali bolnici Saint-Louis, u tretmanu lupusa i uvodi kiri-terapiju. Sa radijumom istog porekla, J. Danysz proučava u Pasteurovom institutu dejstvo zračenja na mikroorganizme, a G. Bohn dejstvo na razvitak jaja i jednoćeličnih organizama (1903). Baktericidno dejstvo a-zračenja proučavali su već 1901. god. E. Aschkinass i W. Caspari. Oni su ubrizgali suspenziju RaSO^ u tuberkulozne ganglione zamorčeta i pod kožu jednog kunića.

Bohnova istraživanja vodila su pretpostavci da se hromatin najlakše oštećuje pod dejstvom zračenja i da su tkiva u razvoju ili u toku aktivne transformacije najviše radiosenzibilna. Godine 1906. Bergonie i Tribondeau su skupili dotad poznata radiobiološka posmatranja u obliku jednog zakona koji su nazvali „Korelacija između oštećenja ćelija usled zračenja i njihove reproduktiyne aktivnosti”. Dejstvo zračenja na razne organe čoveka i sisara proučavali su početkom ovog stoleća još Perthes, Exner, Dominici, Beclere, Abbers-Schdnberg, Pfahler, Halberstadter, Forssell, Regaud i dr. Važan prilog radioterapiji dali su A. Lacassagne i J. Lattes, koji su 1924. god. upotrebili fotografsku metodu za lokalizaciju polonijuma u organizmima (auto-historadiografija ili autoradiografija). Videćemo da je ovaj postupak odonda naišao na brojne i različite primene u drugim oblastima radiohemije.

Obeleživači. — Već smo spomenuli (§ 3) pokušaje Hevesyja i Panetha iz 1912. god. da odvoje RaD od olova. Pored neuspeha koji su pretrpeli, a pre nego što je pojam izotopije jasno utvrđen, autori su zamislili da iskoriste identično ponašanje ovih dveju vrsta u proučavanju osobina i reakcija jedinjenja olova pri uslovima gde su obične hemijske metode nedovoljno efikasne ili neprimenljive. Metoda koja se sastoji u „obeležavanju” nekog elementa ili neaktivnog hemijskog jedinjenja svojim radioaktivnim izotopom i u praćenju njegovih promena pogodnim merenjima je primenjena prvo 1912. god. u određivanju rastvorljivosti hromata i sulfata olova (sa RaD ili ThB kao obeleživačima), a zatim u elektrolitičkom deponovanju istog elementa i bizmuta. Metodu je zatim Hevesy upotrebio u istraživanju izotopske izmene, u difuziji i autodifuziji metala i u lokalizaciji olova kod izvesnih biljaka, dok ju je Paneth primenio u merenju površine kristala i u analitičkim problemima. Međutim, u to vreme broj aktivnih izotopa bio je relativno mali a područje primene vrlo ograničeno.

Otkriće deuterijuma, pa zatim teških izotopa ugljenika, kiseonika i azota dozvoljavalo je obeležavanje organskih jedinjenja i primenu izotopskih obeleživača u studijama od interesa za biohemiju i biologiju. Schoenheimer i Rittenberg bili su pioniri u jednoj seriji fundamentalnih istraživanja metabolizma.

Ali tek otkriće veštačke radioaktivnosti omogućilo je proizvodnju korisnih radioizotopa svih hemijskih elemenata i učinilo ovu metodu univerzalnom i nezamenljivom u najrazličitijim područjima istraživanja. Hevesy i Chievitz, počev od 1935. god., koriste radiofosfor u proučavanju metabolizma ovog elementa u organizmima. Otkriće jednog izotopa ugljenika dugog života (14C, vreme poluraspada 5570 god.), koji su dobili Ruben i Kamen bombardujući ugljenik deuteronima, bilo je naročito važno za biohemijska i biološka istraživanja. Razvoj primene ovog izotopa u biologiji, u fizičkoj hemiji i drugde biće detaljno opisan u poslednjim poglavljima ovog dela

II Fundamentalne čestice

1. — Elementarna struktura materije

Nekad se smatralo da su krajnji sastojei materije atomi, nedeljive čestice koje se ne mogu transformisati jedne u druge. Prema tome, tela koja su hemijski homogena i sastavljena iz atoma samo jedne vrste smatrana su za „principe” ili elemente materije. Atomska koncepcija u ovom obliku je nedavno prevaziđena, ali moglo bi da se pomisli da je u pitanju samo jedno pomeranje razmera: mesto atoma čije se relativne mase nalaze između 1 i 250, ista definicija mogla bi da se primeni na mnogo lakše čestice kao na proton, neutron, elektron i eventualno na druge „elemente” intermedijarne mase, na mezone. Videćemo da su promene u shvatanjima o strukturi materije (izazvane novijim razvojem nuklearne fizike) mnogo dublje. Ukoliko je tačno da su atomska jezgra sada shvaćena kao skupovi protona i neutrona, ovi delići bi pre odgovarali dvama različitim stanjima jedne te iste čestice. Ova dva varijeteta mogla bi da jse pretvaraju jedan u drugi pod dejstvom mezonskog polja, apsorpcijom ili emisijom jednog mezona, kao što atom prelazi iz jednog energetskog stanja u drugo pod dejstvom elektromagnetnog polja, uz emisiju ili apsorpciju jednog fotona. Videćemo, takođe, da je ne samo priroda ovih vanredno nestabilnih čestica, mezona, nejasna, nego da nam je nepoznat i broj njihovih vrsta, i granica njihovih masa. S druge strane, nema dokaza čak ni za elektrone, koji su danas naizgled elementarne čestice bez strukture, da neće pokazati složeni sastav kad budu ispitivani istraživačkim metodama sutrašnjice.

Ukoliko ne želimo da prejudiciramo rezultate do kojih bi mogao da dovede razvoj sub-nuklearne fizike, bilo bi poželjno da tzv. elementarne čestice nazovemo fundamentalnim, pripisujući im u nuklearnim razmerama isto značenje kao atomima u molekulskim razmerama: to su izgrađivačke materijalne čestice.

Takva definicija obuhvata i izvesna jezgra koja su očevidno sastavljena iz prostijih čestica kao što su teški izotopi vodonika i a-čestice (4He++). Razlika između čestica i jezgara je još manje jasna otkad se u modernim akceleratorima, kao projektili za bombardovanje kod sinteze novih jezgara, koriste atomi azpta, ugljenika, kiseonika itd., potpuno ili đelimično oslobođeni svojih perifernih elektrona.

U tekstu koji sledi mi ćemo razmotriti osobine elektrona, protona, neutrona, neutrina, mezona i odgovarajućih antičestica. Najvažnije osobine deuterona, tritona i izotopa helijuma biće ukratko izložene u glavi V.

2. — Masa i energija

Za fundamentalne čestice u slobodnom stanju karakteristična je masa, naelektrisanje i sopstveni obrtni moment koji se zove spin. Masa se uglavnom upoređuje sa masom elektrona u mirovanju. U nuklearnoj fizici je od zaista presudnog značaja razlika između mase m0 jedne čestice koja miruje i mase m te iste čestice ako se kreće brzinom v koja nije zanemarljiva u odnosu na brzinu svetlosti u vakuumu c. Relativistička masa je uvek veća od mase u mirovanju; prema Lorentzovom odnosu je:

Za elektron čija brzina odgovara naponu od samo 100 kV, odnos m/m0 je već 1,195; ovaj odnos iznosi 3 za deset puta veće energije. Nasuprot tome, proton od 1000 kV ima P2 = 0,0022, i odnos m/m0 je približno ravan jedinici. Međutim, u snažnim modernim akceleratorima gde čestice dostižu energije reda 1010 eV, relativistička korekcija mase nipošto nije zanemarljiva. Proton ubrzan na 200 MeV ima brzinu od 1,70 × 1O10 cm/sek, tj. 0,568 c; njegova masa je onda 1,21 puta veća od mase u mirovanju. Za energije od 2 BeV (ili 2 GeV = 2 × 10° eV), brzina iznosi 2,85 × 1010 cm/sek (= 0,95 c), a masa je 3,15 m0.

Ako jedan materijalni sistem pretrpi neku energetsku promenu, na primer ako mu se smanji potencijalna energija usled radioaktivne transformacije praćene emisijom čestice čija je kinetička energija E, onda se njegova masa u mirovanju menja prema poznatom Einsteinovom odnosu:

A mc 2 = E (II. 2)

Međutim, totalna relativistička masa je očuvana, jer će se A m pronaći u relativističkom priraštaju mase čestice ili drugih konstituenata sistema koji su apsorbovali emitovanu energiju. Relativistička masa savršeno izolovanog sistema, koji ne odaje energiju okolini, ostaje konstantna bez obzira na nuklearne transformacije koje se u njemu odigravaju, kao što ostaje konstantna energija adijabatskog sistema u kojem se dešavaju hemijske promene u molekulskim razmerama.

U daljem izlaganju videćemo više puta fundamentalni značaj jednačine (II. 2) za nuklearnu hemiju. Međutim, potrebno je već sad da se napomene da je nuklearna stabilnost vezana za smanjenje mase u mirovanju, kao što egzotermnost reakcije karakteriše stabilnost nastalin produkata u molekulskoj hemiji. Smanjenju mase u mirovanju zaista odgovara prema jednačini (II. 2) jedna egzoenergetska promena. Tako je i jon He2+, sagrađen iz dva protona i dva neutrona, mase 4,00377, stabilniji od skupa nevezanih protona i neutrona čija je masa 2 X 1,00759 + 2 X 1,00898 = 4,03314.

Prema svojim masama, fundamentalne čestice se obično đele u tri grupe: a) leptoni ( = laki): negatron (e-), elektron negativnog naelektrisanja; pozitron (e+), elektron pozitivnog naelektrisanja; neutrino, bez naelektrisanja; b) nukleoni: proton (p) i neutron (n); c) mezoni, čestice čija je masa između elektrona i protona i hiperoni čije su mase između protona i deuterona. !

3. — Spin, statistika i paritet

Spin je sopstveni rotacioni moment neke čestice oko jedne centralne osovine. Veličinu ovog vektora karakteriše jedan kvantni broj, s, a njegova projekcija na bilo koju osovinu (s2), iznosi sh, (s — 1) h, …, h — sh; gde je = a Planckova konstanta. Prema tome, s određuje broj mogućih orijentacija čestice u odnosu na jedan izabrani pravac. Broj tih orijentacija je 2s + l. Za leptone i nukleone s=1, i prema 12 tome s, = +h; za neke mezone s = 0 ili 1.

Kod čestice mase m i naelektrisanja e spin stvara jedan magnetni mor.ient. Zna se da je ovaj određen za elektron teorijskim odnosom (II. 3)

Izostavljeno iz prikaza

gde je u Bohrov magneton, 9,273 × 10—21 erg/gaus. Kod nukleona upotrebljava se nuklearni magneton p0 kao jedinica magnetnog momenta; ovaj je 1836 puta manji od Bohrovog magnetona (odnos: masa elektrona/masa protona).

Postoji neposredni odnos između spina čestice i statistike koja određuje raspodelu energije u jednom skupu kome pripada ta čestica. Kaže se da se čestice date vrste pokoravaju statistici Fermi-Dirac, ili da su one fermioni, ako se Paulijev princip isključenja može na njih da primeni: dve čestice ne mogu onda biti u istom kvantnom stanju. Talasna funkcija koja opisuje u tom slučaju stanje dve identične čestice je antisimetrična, što znači da ona menja predznak ako čestice izmene sve svoje koordinate:

Izostavljeno iz prikaza (II. 4)

Indeksi 1 i 2 predstavljaju skup svih prostornih koordinata i spinova dveju čestica. Čestice koje se ne pokoravaju Paulijevom principu i kod kojih je talasna funkcija simetrična, (1, 2) = (2, 1), pokoravaju se statistici Bose-Einstein, i to su bosoni. Leptoni i nukleoni čiji je spin 1/2 su fermioni. Ovo je opšte pravilo: čestice ili jezgra čiji je spin neparni umnožak od 1/2 pokoravaju se statistici Fermija; one pak čiji je spin nula ili umnožak celog broja slede Boseovu statistiku. Tako foton čiji je spin s = 1 spada u tu poslednju kategoriju. Foton može u izvesnom smislu da se tretira kao materijalna čestica, jer se tako ponaša u nekim manifestacijama (pritisak zračenja, mehanički uzmak, relativistička masa itd.). Nije još, međutim, jasno treba li mu pripisati neku masu u mirovanju; u svakom slučaju ona bi bila vrlo bliska nuli.

Čestice poseduju jednu važnu osobinu koja se još susreće u atomskoj fizici: paritet. Stanje jedne čestice može se opisati jednom talasnom funkcijom koja zavisi od prostornih koordinata i spina; još tačnije, stanje je opisano sa |’Pj2, što predstavlja verovatnoću nalaženja u stanju datom koordinatama (x, y, z, s). Ovo stanje je očevidno nezavisno od izbora koordinatnog sistema, i prema tome, ako (x, y, z) zamenimo sa (—x, —y, —z), — što predstavlja inverziju ekvivalentnu refleksiji čestice u odnosu na koordinatni početak — stanje čestice ne treba da se menja. Rezultat inverzije biće ili da talasna funkcija sačuva isti predznak, ili da je pomnožena sa —1. U oba slučaja |^|2 ostaje nepromenjeno. Prvi slučaj, kad je predznak talasne funkcije sačuvan, odgovara parnom paritetu čestice; drugi, suprotni slučaj, neparnom paritetu. Čestice sa neparnim paritetom i spinom nula spadaju u pseudoskalarne.

Odavno se smatralo da se paritet jednog izolovanog sistema nikad ne menja; to znači da u nuklearnim transformacijama, kad neke čestice nestaju a druge se stvaraju, ukupni paritet ostaje nepromenjen. Ovaj zakon kao i sam pojam pariteta prećutno zahteva sopstvenu simetričnu strukturu čestica i simetriju pri njihovim interakcijama. Nedavno je izneto mišljenje, a zatim i eksperimentalno dokazano (1) (v. § IV. 2), da ovaj zakon o održanju pariteta nije univerzalan i da nije potvrđen kod p-emisija i kod dezintegracija mezona i hiperona. Međutim, zakon i dalje važi za elektromagnetne interakcije i za međusobne interakcije nukleona.

U tablici II. 1 date su vrednosti nekih konstanti, karakterističnih za fundamentalne čestice ili od interesa za nuklearnu hemiju. Jedinica za energiju koja se upotrebljava je elektronvolt, količina energije koju prima elektron (prvobitno u stanju mirovanja) kad prođe kroz električno polje proizvedeno razlikom potencijala od jednog volta. Jedan elektronvolt je ekvivalentan 1,602 × 10-12 erga. Množeći 1 eV sa Avogadrovim brojem dobija se energija ekvivalentna 25,053 kcal/mol. Drugi ekvivalenti biće dati u tablici XI. 10.

Tablica II. 1. — Osnovne konstante (la)

Izostavljeno iz prikaza

• C, brzina svetlosii u vakuumu 2,99793 × 1010 cm sek.
• h, Planckova konstanta 6,62517 × 10-27 erg. sek. = 4,135 × 10-16 eV × sek.
• h — ft/2 JT 1,0544 × 10—27 erg. sek.
• e, naelektrisanje elektrona 4,80286 × 10-10 ESJ = 1,60206 × 10-20 EMJ
• p, Bohrov magneton 9,273 × 10-21 erg gaus
• m0. masa elektrona u mirovanju 9,1085 × 10-28 g = 5,4876 × 10-4 fiz. atom. jed. 0,510976 MeV
• mp, masa protona 1,67239 × 10-24 g = 1,007593 fiz. atom. jed. 938,211 MeV
• mn, masa neutrona 1,67470 × 1024 g = 1,008982 fiz. atom. jed. 939,505 MeV
• N, Avogadrov broj 6,02486 × 1023
• R, univerz. gasna konstanta 8,31696 × 107 erg/mol °K
• k, Boltzmannova konstanta 1,38044 × 10-16 erg/°K = 8,6164 × 10-° eV °K

Jedinica mase u nuklearnoj fizici je 1/16 mase atoma O16 (= 16,00000). Ona je malo niža od jedinice mase u hemiji, koja se odnosi na prirodni kiseonik, tj. na smešu tri izotopa: 16O, 17O (0,037%) i 18O (0,2%).

Hemijska jedinica mase ravna je 1,000275 fizičkih jedinica.

Pomoću ovih konstanti i jednačine (II. 2) može se izračunati da promena Am = l g odgovara promeni energije od 8,988 × 1020 erga, a promena za jednu atomsku masenu jedinicu 1,492 × 10-3 erga ili 931,141 × 103 eV=931,141 MeV.

4. — Elektroni, pozitronijum

Negatron je nosilac elementarnog negativnog naelektrisanja. Vrednost tog naelektrisanja, kao i masa i magnetni moment elektrona nalaze se u tablici II. 1. Spin elektrona je 1/2 (u h jedinicama). Pozitron ima iste osobine, osim predznaka naelektrisanja i magnetnog momenta, ali suprotno negatronu, on je vrlo nestabilan naročito u prisustvu ovog poslednjeg. On se javlja samo tokom nekih radioaktivnih transmutacija ili ako jedan foton, energije 1,02 MeV ili veće, reaguje sa materijom. Takav foton može onda da stvori elektronski par, jedan negatron i jedan pozitron čiji zbir masa u mirovanju tačno odgovara energiji od 1,02 MeV. U obrnutom slučaju, sudarom pozitrona i negatrona nastaju dva fotona, svaki energije od najmanje 0,51 MeV, izračeni u suprotnim pravcima; ređe se dešava emisija 3 fotona (ili izuzetno 1 fotona, u polju jezgra). Ovaj fenomen, vezan za prividni nestanak dva elektrona zove se anihilacija ili dematerijalizacija.

Zbog svoje reaktivnosti, pozitron ima vrlo kratak srednji život koji zavisi od prirode sredine, posebno od njene koncentracije negatrona. U metalima, jonogenim jedinjenjima i drugim čvrstim telima srednji život mu je (1 — 3) × 10-10 sek. Moglo bi se očekivati da je njegov srednji život u gasovima obrnuto proporcionalan pritisku jer je verovatnost susreta sa negatronom proporcionalna pritisku. Deutschovi eksperimenti (2) su potvrdili taj odnos u nekim gasovima, ali samo za jednu grupu pozitrona čiji je srednji život reda 10—10 sek., dok je srednji život druge grupe pozitrona nezavisan od pritiska i iznosi oko 10-7 sek.

Ovi rezultati, koje su potvrdili Benedetti (3) i drugi autori, pripisuju se stvaranju jedne kratkotrajne „atomske” kombinacije negatrona sa pozitronom, zvane pozitronijnm. Postojanje pozitronijuma predvidela je teorija, i njegove osobine, osim stabilnosti, slične su osobinama H-atoma ili Ha-molekula. Kao i kod HŽ, treba razlikovati dve vrste: ortopozitronijum sa paralelnim spinovima dva konstituenta (triplet) i parapozitronijum sa antiparalelnim spinovima (singulet). Udeo pozitrona koje emituje npr. 22Na, a koji grade takve veze, iznosi 25-33% u gasovima kao He, A, N2CO2, CCI2F2 ffreon), SF itd., a odnos orto/para je 3/1. Nestanak pozitronijuma u orto stanju, srednjeg života 1,5 × 10-7 sek., dešava se uz emisiju 3 fotona; para-pozitronijum sa srednjim životom reda 10-10 sek. daje 2 fotona. Prisustvo nekog gasa čiji molekuli imaju neparni broj valentnih elektrona, kao NO ili NO2 prouzrokuje orto-para konverziju i smanjenje emisija od tri fotona. Konverzija nastaje zbog izmene elektrona pozitronijuma sa nespregnutim elektronom molekula. Dodatak kiseonika ima slično dejstvo zahvaljujući magnetnom polju molekula. Naprotiv, električno polje favorizuje stvaranje pozitronijuma. Zaista, elektroafinitet pozitrona ili energija vezivanja (e+ — e-) je teorijski procenjena na 6,8 eV. U nekom gasu čiji je potencijal jonizacije I, jedino pozitroni kinetičke energije iznad I — 6,8 eV mogu da stupe u kombinaciju sa negatronima. Električno polje ubrzava spore pozitrone i tako povećava verovatnoću kombinacije.

Dodatak Ch ili Bn opet nepovoljno deluje na stvaranje pozitronijuma. Da bi se objasnio taj efekt, mogla bi se pretpostaviti intervencija reakcije: Ch + e+ e > C1 + Cl— + e+, ali, prema Deutschovoj proceni, promena slobodne energije u ovom procesu čini ga malo verovatnim. Kakogod bilo, jasno je da stabilnost pozitronijuma jako zavisi od hemijskog sastava sredine.

Merenje srednjeg života pozitrona u izvesnim supstancama koje su izolatori (kvarc, polistirol, teflon) ide u prilog hipotezi po kojoj ni u ovim čvrstim telima čestica nije sasvim slobodna (4). Teorijski je izvedeno da i kombinacije 2 pozitrona + 1 negatron, 2 negatrona + 1 pozitron, 1 proton + 1 pozitron + 1 negatron imaju izvesnu stabilnost, mada je ona znatno manja od pozitronijuma. Njihovo postojanje nije dosad eksperimentalno dokazano.

5. — Nukleoni

Proton je stabilni nosilac elementarnog pozitivnog naelektrisanja. Njegova je masa 1836,13 puta veća od mase elektrona. Ima spin 1/2 i magnetni moment od + 2,793 nuklearnih magnetona umesto 1, koliko zahteva jednačina (II. 3), ako bi se ona primenila. Ova anomalija je verovatno u vezi sa neelementarnom prirodom protona.

Proton u mirovanju nije ništa drugo nego jonizovani atom vodonika poznat iz hemije. Kad u nekom aparatu visokog napona dobije dovoljnu kinetičku energiju, on postaje izvrstan projektil, sposoban da izazove mnogobrojne nuklearne reakcije. Protonu u kretanju odgovara jedan Broglieov talas čija je talasna dužina 2 data izrazom

λ = h/m = 3946/u = 0,286/E1/2

gde je v brzina čestice u m/s, a E njena kinetička energija u eV. Pri pogodnim brzinama proton na čvrstim telima pokazuje efekte difrakcije, slične fenomenima koji su poznati kod X-zraka. Princip protonskog mi- kroskopa zasniva se na ovim osobinama.

Mada nenaelektrisan, neutron ima magnetni moment /z = — 1,91 nuklearnih magnetona, čije poreklo je verovatno isto kao i poreklo nenormalne vrednosti magnetnog momenta protona. Predznak ovog momenta ukazuje na jednu orijentaciju suprotnu od pravca spina, koji iznosi 1/2.

Masa neutrona (1,00898) je znatno veća od zbira mase protona (1,00759) i elektrona u mirovanju (0,00055). Prema tome, u odnosu na ove, neutron pokazuje izvesnu nestabilnost. Eksperimenti su nepobitno pokazali (5) da on spontano disocira sa vremenom poluraspada od oko 12 min: n → p + e-. Energija izračenih elektrona varira dajući spektar koji je sličan spektrima drugih P-emisija. Maksimalna vrednost iznosi 0,78 MeV. Ovoj energiji odgovara prema odnosu (II. 2) tačno razlika masa n — (p + e).

Na ovu unutrašnju nestabilnost nadovezuie se i velika reaktivnost neutrona prema raznim jezgrima, naročito prema protonima (n+p → β, deuteron). Ovi ga zarobljavaju pa nestaje kao slobodna čestica. Tako srednji život neutrona u parafinu, koji je bogat H-atomima, iznosi svega 2 × 10-4 sek.

Kao posledica ove nestabilnosti, neutroni, suprotno protonu i drugim hemijskim elementima, ne mogu se „sačuvati u boci”. Najsnažniji neutronski izvori su nuklearni reaktori, ali neutroni se mogu dobiti i skromnijim sredstvima: dejstvom čestica visoke energije (prirođnih ili veštački proizvedenih u akceleratorima) na pogodna jezgra (tabl. XI. 11). Neutroni koji su izračeni tokom ovih nuklearnih reakcija imaju veliku kinetičku energiju koja zavisi od prirode reakcije i od energije upadnih čestica.

Kao što ćemo videti u glavi V. 2, prinos raznih nuklearnih reakcija je znatno veći sa sporim nego sa brzim neutronima. Ovi poslednji se „termalizuju”, što će reći da im se smanjuje kinetička energija do vrednosti koja odgovara topiotnom kretanju na običnoj temperaturi (0,025 eV). To se postiže posle velikog broja sudara neutrona sa atomima vodonika ili drugim lakim atomima, pri čemu u svakom sudaru neutroni gube znatan deo svoje energije, u skladu sa zakonom o održanju količine kretanja (XI. 10).

Talasne osobine neutrona slične su osobinama protona. Broglieova talasna dužina određena je jednim odnosom koji je identičan izrazu (II. 4). Za termalne neutrone (E = 0,025 eV), biće 2=1,8-10—8 cm, a to je dužina uporediva sa rastojanjima atoma u kristalima (v. gl. XI. 10). Prema tome i oni pokazuju fenomene difrakcije na kristalnim rešetkama, slično X-zracima.

6. — Antinukleoni i neutrino

Prema Diracovoj teoriji koja je predvidela postojanje pozitivnog elektrona, ovaj predstavlja jedno stanje negativne energije negativnog elektrona. Prema ovom shvatanju, treba isto tako da postoje i antinukleoni: antiproton, sa negativnim naelektrisanjem, i antineutron, čiji bi magnetni moment i spin imali isti predznak. Fotografske ploče, koje su bile na velikim visinama izložene kosmičkom zračenju, dale su već prve indikacije (6,7) u prilog kratkotrajnom postojanju antiprotona u tom zračenju. Njihovo pojavljivanje se manifestuje preko interakcije sa običnim protonom, analogno „anihilaciji” para negatron-pozitron, pri čemu se stvara β-zračenje vanredno visoke energije.

U glavi V. 3 videćemo da su nedavno antiproton i antineutron veštački proizvedeni u bevatronu u Berkeleyju.

Isto tako videćemo u gl. IV da je proučavanje radioaktivnih dezintegracija dovelo do pretpostavki o postojanju neutrina, jedne nenaelektrisane čestice mase bliske nuli. Zbog tih osobina direktno otkrivanje čestice izvanređno je teško. Ipak, njeno postojanje bilo je potvrđeno veoma osetljivim eksperimentima koji će biti opisani docnije (gl. V. 3). Neutrina i elektroni se istovremeno izračuju tokom radioaktivnih transformacija, a nalaze se i među produktima dezintegracije mezona. Njihov spin je 1/2.

Pojam simetrije u Diracovoj teoriji predviđa postojanje jednog antineutrina v, koji je vezan za emisiju negatrona iz jezgra, dok bi emisija pozitrona bila praćena neutrinom:

n → p -je+ v (II. 5)
p → n e + v (II. 6)

Prema teoriji E. Majorana ove dve čestice se ne mogu razlikovati, dok su prema Diracu fizički različite. Veoma je teško, mada nije nemoguće, realizovati eksperimente koji bi dozvolili da se donese odluka. Naime, ako je antineutrino izračen u procesu II. 5, a neutrino u procesu II. 6, reakcije kao:

n + v → p + e- (II. 5a)
p + v → n + e+ (II. 6a)

ne bi bile moguće (nego samo n + v i p -|v). U glavi IV. 3 upoznaćemo se sa eksperimentalnim pokušajima koji treba da omoguće izbor između dve teorije.

Potraga za bineutronom, neutralnom česticom mase oko 2, dosad je dala samo negativne rezultate (gl. V. 4).

U prilog postojanju neutreta, nenaelektrisane čestice čija bi masa bila jednaka masi elektrona, a koju su predvideli neki autori, nisu dobiveni nikakvi eksperimentalni dokazi.

7. — Mezoni

Postojanje ovih čestica predvideo je Yukawa (8) u vezi sa teorijom nuklearnih sila (gl. III. 8).

Kad je u SAD, malo vremena posle ove pretpostavke, u kosmičkom zračenju (9) otkrivena jedna nestabilna čestica mase oko 200 puta veće od elektrona, učinjeni su pokušaji da se ova čestica identifikuje kao mezon Yukawe. Međutim, eksperimenti Conversia, Pancinia i Piccionia u Rimu (10) pokazali su da su interakcije ove nove čestice, nazvane u mezon ili mion, suviše slabe za takvu identifikaciju. Danas se smatra da je n mezon (pion), kojeg su otkrili Occhialini i Powell (11), odgovoran za nuklearne sile.

Gardner i Lattes prvi su pokazali (12) da se mezoni mogu veštački dobiti i posmatrati na fotografskim pločama ako se grafit bombarduje alfa česticama koje su ubrzane na 400 MeV. Sada se oni proizvode veštački, interakcijom raznih jezgara sa protonima ili y-zracima veoma visoke energije. Međutim, broj mezonskih vrsta, otkriven u kosmičkom zračenju ili veštački proizveden sve snažnijim akceleratorima čestica, povećava se na neuobičajen način. Njihove osobine se proučavaju pomoću Wilsonovih komora, ili specijalno povezanim brojačima, kao i fotografskim emulzijama. Znatan napredak realizovan nedavno sa svakom od ovih tehnika dozvoljava da se sa manjom ili većom sigurnošću utvrde glavne karakteristike čestica: masa, naelektrisanje, srednji život, priroda produkata dezintegracije i energija raspada.

Izostavljeno iz prikaza

Što se tiče nomenklature za označavanje raznih mezona, još nedavno je vladala izvesna konfuzija., Da bi se ovo nezgodno stanje popravilo, Internacionalni kongres za kosmičke zrake koji je održan jula 1953. god. u Bagneres-de-Bigorre (Francuska) formulisao je sledeće preporuke (13):

1. Prema njihovoj masi, čestice podeliti u tri grupe: a) mezoni L u koje spadaju lake čestice M i n, b) mezoni K, intermedijarne mase između piona i protona, c) mezoni H ili hiperoni čije su mase između protona i deuterona; njihova oznaka biće Y.
2. Upotrebiti mala grčka slova (v, /z, r, % itd.) za mezone, a velika (A, E) za hiperone.
3. Označiti pojave dezintegracija latinskim slovima V i S: prvo za fenomene koji se tumače kao raspad jednog teškog mezona ili hiperona u letu: V +, V°, već prema naelektrisanju; slovo S za razlaganje čestice u mirovanju ili za njene interakcije sa jednim jezgrom.

U skladu sa ovom nomenklaturom i uz rezervu da su eventualne modifikacije moguće, sadašnje znanje o mezonima može se ovako sažeti:

Mezoni L. n-mezoni su pozitivno ili negativno naelektrisani, ili su nenaelektrisani. Oni koji su naelektrisani raspadaju se u /t-mezon istog naelektrisanja i u neutrino:

Izostavljeno iz prikaza (II. 7)

Njihova je masa 273 me; srednji život 2 × 5 × 10—8 sek. Neutralni pioni se raspadaju gradeći 2 fotona:

Izostavljeno iz prikaza (II. 8)

ili, što je mnoge ređe, jedan negatron, jedan pozitron i 1 foton. Masa n° iznosi 264 me; srednji život 1,9 × 10—16 sek. Spin n+, n- i Jt° je O. Pion je pseudoskalarna čestica.

Mezoni /t su pozitivno ili negativno naelektrisani. Njihova je masa 207 me; spin 1/2. Raspadaju se gradeći jedan elektron i dva neutrina:

Izostavljeno iz prikaza (II. 9)

sa srednjim životom 2,1 × 10—6 sek. Ovi mezoni su dosad primećeni jedino kao produkti raspada piona. Oni su glavni sastojei kosmičkog zračenja na nivou morske površine i niže. Slika II. 1 prikazuje (u fotografskoj emulziji) uzastopne putanje jednog .v-mezona, zatim β-mezona nastalog dezintegracijom prvog, kao i elektrona stvorenog dezintegracijom miona. Veoma mali deo piona (- 0,01%) raspada se direktno na elektron + neutrino’ (14 a).

Sl. II. 1. — Uzastopni raspadi piona i miona (Kliše Leprince-Ringueta)

Izostavljeno iz prikaza

Teški mezoni, K (15). Za svaku vrstu ovih mezona, bili oni pozitivni, negativni ili neutralni, poznato je nekoliko načina raspada koji su navedeni, pored drugih karakteristika, u tablici II. 2 (15):

Tablica II. 2. — Osobine K-mezona

• Čestica, naelektrisanje
• Masa u me
• Vreme poluraspada u sek.
• Način raspadanja
• K+, K-, K01 K02

Pre nekoliko godina smatralo se da postoji više K-mezona sa istim naelektrisanjem, koji se razlikuju samo po načinu raspada. Oni su označeni prema konvenciji iz Bagneres-de-Bigorre, grčkim slovima T+, itd. (v. tabl. II. 2, u zagradama). Sada, kao što pokazuje tablica II. 2, svi K-mezoni su svedeni na 4 čestice.

Sl. II. 2. — Raspad jednog r+ mezona i postupni raspadi njegovih potomaka na (pozitivni) i m (negativan). Poslednji, zarobljen od nekog jezgra u emulziji, izaziva jedan raspad (Kliše Leprince-Ringueta)

Izostavljeno iz prikaza

Hiperoni, Y: Zasad se zna za šest nestabilnih čestica čija je masa veća od protona a manja od deuterona:

Izostavljeno iz prikaza

Pored toga, pojavu koja je primečena u fotografskoj emulziji izloženoj dejstvu n- mezona od 4,6 BeV, Prowsne i Coelin (15a) pripisuju raspadu jednog antihiperona A° u letu.

Videćemo (gl. V. 9) da se teški mezoni (K i hiperoni) obilno grade u međusobnom sudaru nukleona kao i u sudaru nukleona i piona. Relativno visoki prinosi ovde se teško mogu objasniti sa teorijskog gledišta.

Zbog nekih svojih osobina i zbog ponašanja u nuklearnim reakcijama (gl. V. 9) teški mezoni K i hiperoni zovu se čudnovate čestice. Napomenućemo još da nukleoni i hiperoni spadaju u grupu bariona.

8. — Kosmičko zračenje

Ovo zračenje sadrži pored mezona, sve ostale fundamentalne čestice i izvestan broj teških jezgara. Pre nego što prodre u atmosferu, primarno zračenje se sastoji ponajviše od protona i a-čestica izvanredno velike energije. Identifikovana su i teška jezgra; njihov redni broj dostiže otprilike 50, i među njima su C, N, O, Ne, Mg, Fe. Prisustvo Li, B i Be je sporno, ali novija merenja izgleda da ga potvrđuju (16). Odnos — protoni: alfa : teška jezgra -— je procenjen na 1000 : 85 : 6. Prema putanjama u emulzijama onih fotografskih ploča, koje su bile u raketama poslate na velike visine (16 a), relativna obilnost C + N + O teške frakcije na 41° severne geomagnetske širine iznosi 58%, obilnost F + Ne je 20%, Na + K neznatna, a od Ca do Fe je 11%. Malo drukčiji sastav je ranije dobio Noon sa saradnicima (16 b) pomoću fotografskih ploča koje su bile u balonu na istoj geomagnetskoj širini. Prema ovim autorima, na svakih 100 + 20 alfa čestica dolazi 3,8 + 0,5 atoma Li + Be + B, zatim 5,5 + 0,6 atoma C + N + O i 2,
6 + 0,4 atoma sa Z > 10. Spektar energije protona dat je približno (17) empirijskim odnosom tipa:

N (E) = k / (E + 5,3)1-75 (II, 10)

gde je N (E) broj protona energije iznad E (izražene u BeV), a k jedna konstanta. Raspodela energije a-čestica i teških jezgara je verovatno

vrlo slična raspodeli energije protona. Primarno zračenje ne sadrži elektrone (< 1%) velike energije a njegova y-komponenta je zane-marljiva.

Pri sudaru primarnih čestica sa jezgrima atmosfere ili materijala aparata za detekciju, ova se raspadaju na protone, neutrone, mezone i lakša jezgra. Ako je čestica teško jezgro, ona se sama raspada na prostije čestice. Takve pojave se manifestuju na fotografskoj ploči kao „zvezde” (sl. II. 3 i 4). Za neko dato jezgro, broj grana, njihova dužina, gustina i ugaona distribucija kao i raspodela sekundarnih elektrona (6-zraci) zavisi od početne energije koja na taj način može da se proceni. Ako je ova energija naročito velika, čestica izaziva sudarom čitav lanac pojava koje stvaraju desetak hiIjada ili miliona sekundarnih čestica u vazduhu, a koje obuhvataju prostor sa poluprečnikom od stotinu metara ili više. Ovaj fenomen „pljuskova u kaskadi” ili „velikih pljuskova” koji je otkrio Auger sa saradnicima (18) izazvan je jednim vrlo prodornim, sekundarnim elektronom ili fotonom. Mezoni, nastali nuklearnim raspadima usled dejstva primarnih čestica, spontano se raspadaju stvarajući fotone i mione; ovi poslednji daju elektrone i fotone, koji zatim dalje stvaraju, suksesivno u više generacija, druge elektrone i fotone se slabije energije (pritom dolazi do izražaja mehanizam stvaranja i nestajanja parova pozitron + elektron, kao i Comptonov efekt, gl. XI. 6). Ispitivanje raspodele sekundarnih zraka i broja zraka u „pljusku” dozvoljava da se proceni energija čestice koja je prouzrokovala događaj. Ona može da dostigne vrednosti reda 1016 do 1017 eV. Proton takve

S druge strane, intenzitet kosmičkog zračenja je uglavnom vrlo slab. Prema merenjima sa brojačima čestica koji su bili ugrađeni u veštačkim satelitima (18 a, b), srednji broj čestica u interplanetarnom prostoru iznosi oko 2 na cm2/sek. Ista merenja su, međutim, otkrila (18 a) da oko Zemlje postoje dva „pojasa” kosmičkog zračenja mnogo jačeg intenziteta. Do visine 600 km od Zemlje broj čestica je neznatan, zatim raste udvostručavajući se na svakih 100 km visine, dok ne dostigne prvi maksimum na visini od 3400 km. U ovoj zoni brojači daju oko 10000 impulsa u sekundi. Intenzitet zatim opada do 8000 km visine, pa opet raste dok ne dostigne drugi maksimum na visini od oko 18000 km. Na rastojanju od 17 Zemljinih poluprečnika intenzitet zračenja ne prelazi 2 imp/sek. Izgleda da postojanje ovih dveju zona jakog intenziteta zasad predstavlja najveću opasnost za interplanetarne letove.

Ranije procene ukupnog fluksa energije koji prima površina Zemlje dale su 2,5 × 1016 erg/sek. Fluks ukupnog naelektrisanja koji stiže na površinu Zemlje iznosi prema Feynmanu (19) samo 1 amper.

Sl. II. 4. — »Zvezda« stvorena raspadom jednog jezgra u fotografskoj emulzijt usled sudara sa jednom česticom kosmičkog zračenja (čiji je upadni pravac označen strelicom) (Kliše Leprince-Ringueta). Tragovi u obliku »čekića«, levo od strelice, odnose se na cepanje nestabilnog sLi u dve alfa čestice:

8Li → +8Be-*-24He

Izostavljeno iz prikaza

Iz opisanog lanca uzastopnih pojava koje prate jednu nuklearnu eksploziju izazvanu primarnim protonom proizilazi da se relativni intenzitet raznih komponenata kosmičkog zračenja brzo menja sa nadmorskom visinom. Prema prodornoj moći sekundarnih zraka u materiji, uglavnom se razlikuje jedna meka komponenta, sastavljena od elektrona i fotona, i jedna tvrda komponenta, koju grade mezoni. U visokim predelima atmosfere broj protona i drugih primarnih čestica brzo opada sa smanjenjem visine, dok broj elektrona i fotona prvo raste, a zatim takođe opada zbog pojava apsorpcije (koje ćemo razmotriti u gl. XI). Opadanje gustine /’-mezona, koji su inertniji u nuklearnim i atomskim interakcijama, je sporije. Najzad, srednja gustina piona je svuda vrlo mala zbog njihovog kratkog srednjeg života. Na nivou mora odnos intenziteta komponenata tvrda/meka u vertikalnom pravcu je 3,3, na visini od 3,6 km taj odnos iznosi 1 i dostiže svoj minimum 0,25 na visini od oko 12 km.

Od samog početka istraživanja kosmičkih zraka postavljalo se pitanje odakle dolazi zračenje i kojim fenomenima zahvaljuje svoje poreklo? Uprkos mnogobrojnim opitima čiji je cilj da se sazna promena intenziteta u prostoru i vremenu, a koji su izvedeni sa mnogo domišljehosti i upornosti, uprkos raznim teorijskim pokušajima, nikakav zadovoljavajući odgovor nije još dat na ovo pitanje.

Pomoću balona-sondi utvrđeno je postojanje jedne asimetrije istok-zapad: intenzitet meren .na velikim visinama veći je u zapadnom pravcu od zenita nego u istočnom pravcu. Staviše, ovaj efekt raste sa geomagnetskom širinom. Na osnovu ovih merenja moglo se zaključiti da su primarne čestice pozitivno naelektrisane i da zemljino magnetno polje utiče na raspodelu komponenata zračenja.

Primećene su takođe male dnevne promene intenziteta koje su jednostavno objašnjene periodičnom promenom sastava atmosfere. S druge strane, primećene su promene intenziteta sa periodom od 27 dana, koja su u vezi sa „Sunčanim vremenom”, kao i nagle varijacije koje se poklapaju sa pojavom Sunčanih mrlja. Odavde neki zaključuju da kosmičko zračenje potiče od nuklearnih procesa koji se kontinualno dešavaju u Suncu (gl. V. 8). Argumenti u prilog tome, međutim, nisu odlučujući, jer čak i da kosmičko zračenje dolazi iz međuzvezdanog ili međugalaktičkog prostora, na njega bi delovali uslovi koji vladaju na Suncu, bilo kad ono prolazi kroz električno polje stvoreno jonskim strujama Sunca, bilo kad prolazi kroz Zemljino magnetno polje koje takođe zavisi od pojava na Suncu. Osim toga, energije nuklearnih procesa ne izgledaju dovoljne da bi objasnile izvanredno visoke energije primarnih čestica. Ovaj argument važi i protiv Kleinove hipoteze (20), koja poreklo kosmičkog zračenja pripisuje antinukleonima i antileptonima od kojih bi se sastojao jedan deo galaksije. Pri susretu ovih čestica sa normalnim jezgrima u međugalaktičkom prostoru dešavali bi se fenomeni slični transformacijama e+ + e- 7 fotoni.

Mada se hipoteza o Sunčevom poreklu kosmičkog zračenja ne napušta konačno, sad se smatra da je intenzitet primarnih čestica uglavnom izotropan u vasionskom prostoru i da zračenje zaista dolazi iz kosmičkih prostora. Prema izvesnim teorijama, neke kataklizme, npr. eksplozija jedne supernove, mogle bi objasniti poreklo zračenja. Međutim, nije jasno kako bi teške primarne čestice preživele takve katastrofe a da se ne raspadnu na svoje sastojke (21). Stoga se misli da su čestice posedovale malu energiju, ali da su postepeno bile ubrzane u jednom hipotetičnom magnetnom polju koje postoji u svemiru.

Fermi je izneo zamisao (22) po kojoj bi se ubrzanje protona vršilo izmenom količine kretanja sa jonizovanim sastojeima međuzvezdanog prostora. Poznato je da se u tim prostorima kreću ogromni gasoviti oblaci, uglavnom sastavljeni iz vođonika, čija srednja gustina ne prelazi red veličine od jednog atoma na kubni santimetar, ali čija je ukupna masa otprilike jednaka zvezdanoj masi. Uz ovo kretanje naelektrisanih čestica vezano je jedno vrlo slabo i nepravilno magnetno polje, zahvaljujući kojem bi sudari sa povećanjem kinetičke energije protona bili verovatniji od sudara sa gubitkom energije. Najveći deo vrlo brzih protona bio bi međutim zarobljen u unutrašnjosti mlečnog puta usled nuklearnih reakcija. Fermi je izračunao da je srednji domet ovih procesa izvanredno velik, 7 × 1025 cm. Proton koji bi se kretao brzinom Svetlosti prešao bi to rastojanje za 6 × 107 godina. Protoni koji bi uspeli da izbegnu nuklearne reakcije i da stignu na našu planetu imali bi prosečno tu starost. Precizna raspodela čestica prema njihovoj starosti bila bi eksponencijalna funkcija, a kako energija protona varira sa starošću, Fermi je mogao da izračuna spektar energije ovih čestica. Zatim je pokazao da se ovaj slaže sa eksperimentalnim posmatranjima (jedn. II. 10).

Ova hipoteza je međutim pogrešna u odnosu na primarne čestice teže od protoria, kod kojih bi gubitak energije nadvladao dobitak u sudaru sa lakim česticama kao što je međuzvezdani vodonik. Ova teškoća bi se mogla izbeći (23) ako se pretpostavi da je verovatnoća bekstva iz galaksije dovoljno velika da ona određuje prosečni život čestice, a ne verovatnoća sudara. Onda srednji život svih čestica ne bi zavisio od njihovih masa i one bi imale istu raspodelu energije.

Teller je predložio (21) jedan mogući mehanizam bekstva, po kojem bi se primarne čestice stvarale u zvezdama koje emituju radioelektrične (radarske) talase dužine nekoliko metara. Ove zvezde su karakteristične po intenzivnoj magnetnoj aktivnosti, analogno aktivnosti našeg Sunca. S vremena na vreme opaža se, u blizini Sunčevih mrlja koje su u vezi sa magnetnom aktivnošću, žestoka erupcija gasovitih oblaka. Ako se ista pojava odigrava na površini radio-zvezda, izbačene mase koje se kreću ogromnim brzinama, nosile bi sa sobom svoje magnetno polje i kosmičke čestice. Magnetna energija bi se pretvorila u kinetičku i čestice bi nastavile svoje kretanje u međuzvezdanom prostoru.

Izostavljeno iz prikaza

III Jezgra

1. — Masa i naelektrisanje

Svaka nuklearna vrsta ili svaki nuklid kao skup protona i neutrona, okarakterisan je, pre svega, svojom masom i naelektrisanjem. Pozitivno naelektrisanje dato je brojem Z, brojem protona koji je u isto vreme redni broj atomske vrste sazdane iz jezgra i perifernih elektrona. Kako je N broj neutrona, zbir N + Z ravan je masenom broju A, celom broju koji u opštem slučaju odstupa od tačne mase M. Razlika (A — M) zove se defekt mase i kao što ćemo videti, ova može da posluži kao merilo stabilnosti nuklida. Najzad, izotopski broj I = N—Z, pokazuje višak neutrona nad protonima.

Dva nuklida sa istim brojem Z a različitim brojem A su izotopi; njihovi brojevi neutrona su takođe različiti. Dva nuklida sa istim N a različitim Z su izotoni. Dva nuklida sa istim A a različitim Z su izobari. Ako im je razlika u rednim brojevima jednaka jedinici, onda broj protona jednog može biti ravan broju neutrona drugog i obratno. To je slučaj kod izobara mase 11 :B(Z = 5) i C(Z = 6); mase 27 :A1(Z = 13) i Si(Z = 14). Takav par zove se ogledalni nuklidi; jedan od njih uvek je radioaktivan. Jedan nuklid rednog broja Z je oklopljen („shielded”) ako ima dva stabilna izobara (Z — 1) i (Z + l). Tako npr. 82Br, 120Sb, 128J, 138La su oklopljeni. Ti nuklidi mogu, bar u principu, da pređu P–emisijom u (Z + 1) i f3+-emisijom u (Z — 1), ali najčešće raspad teče samo u jednom pravcu. Jedini izuzetak od ovog pravila je V, izobar sa “Ti i g”Cr; njegova P-aktivnost nije mogla da se otkrije, mada se predviđa i na osnovu drugih razmatranja. Vrlo je verovatno da mu je vreme poluraspada veoma dugo. Zaista, spin ovog nuklida je izuzetno veliki (J = 6), i kao što ćemo videti (gl. IV. 2), |3-prelazi imaju utoliko manju brzinu, što će reći duže vreme poluraspada, ukoliko je razlika u spinu između radioaktivnog nuklida i nastalog nuklida veća.

Jedan nuklid može biti u ekscitovanom stanju u odnosu na svoje osnovno stanje. Ako se prelaz u osnovno stanje dešava u merljivom vremenu, onda se ekscitovano stanje naziva metastabilnim i ono je izomer osnovnom stanju. Jedan nuklid može da ima dva, ređe tri ili četiri izomera pored velikog broja ekscitovanih stanja čiji je srednji život reda 10—13 sek. Proučavanje ovih stanja predmet je nuklearne spektroskopije koja je po mnogočemu slična atomskoj spektroskopiji. * Nedavna Gloverova i Waltova merenja [Phil. Mag. 2, 697 (1957)] ukazuju da je 50V verovatno radioaktivan sa elektronskim zahvatom vremena poluraspada od 4 × 10u god.

Da bismo izbegli zabune u označavanju, mi ćemo uvek brojeve koji se odnose na jezgro stavljati s leve strane hemijskog simbola, Z dole i A gore, kako bi desna strana ostala slobodna za hemijske oznake: valencu, naelektrisanje jona. Npr.: 3^Clvn, CJSO2, 1^Ce4+. Metastabilno stanje biće označeno sa m: 82/“Br. Broj Z biće najčešće izostavljen jer je implicitno obuhvaćen hemijskim simbolom.

2. — Nuklearni momenti

Osim svog spina, svaki nukleon u jezgru ima ugaoni moment l usled orbitalnog kretanja. Ovom se pripisuje kvantni broj Z. Dužina ugaonog momenta jeste: Za celokupno jezgro može se de-

finisati totalni ugaoni moment J koji je vektorski zbir orbitalnih momenata i spina svih nukleona koji grade jezgro:

J = L + S

Ovom se pripisuje kvantni broj J. uvek pozitivan, koji je ceo broj ili ceo broj više 1/2: 0, 1/2, 1, 3/2 … Dužina totalnog ugaonog momenta je: |J(J + 1) A. U opštem slučaju on nije isti za osnovno i ekscitovano stanje. Za ovaj ugaoni moment uobičajen je naziv nuklearni spin.

Kao i fundamentalne čestice, stanja jednog jezgra imaju parni ili neparni paritet. Uobičajeno je da se kaže „promena pariteta — da” za huklearni sistem koji podleže transformaciji uz promenu pariteta i „promena pariteta — ne” u suprotnom slučaju.

Kako je spin svakog nukleona 1/2, a orbitalni moment karakteriše ceo broj, to sledi da za parno A mora J da bude ceo broj, dok za neparno A J je neparni umnožak od 1/2. Za parno A i parno Z nalazi se da je J ravno nuli (u osnovnom stanju).

Ovo poslednje pravilo, pored drugih razmatranja, doprinelo je odbacivanju starog modela jezgra po kojem bi se jezgro sastojalo iz protona i elektrona. Nuklid *|N, na primer, imao bi onda 21 česticu, 14 protona i 7 elektrona i prema zakonu o konzervaciji spina J bi bio neparni umnožak od 1/2. Zapravo, u ovom slučaju J je ceo broj (J = l) kao što bi se i očekivalo za sistem koji se sastoji iz parnog broja čestica, 7 protona i 7 neutrona. Isto tako ni nuklearne dimenzije nisu u saglasnosti sa starim modelom.

Jezgra čiji spin nije jednak nuli imaju jedan magnetni moment koji se može izraziti u nukleamim magnetonima !lo:

Izostavljeno iz prikaza (III. 1)

Koeficijent y je žiromagnetni odnos i sličan je Landeovom faktoru g u atomskoj spektroskopiji. Međutim, za razliku od ovoga, još ne postoji zadovoljavajuća teorija za njegovo izračunavanje. On je izmeren velikom preciznošću za veliki broj jezgara, različitim eksperimentalnim metodama, naročito pomoću paramagnetne rezonance i hiperfine strukture mikrotalasnih spektara.

Ako se pretpostavi da magnetni moment i spin neparnih jezgara potiču samo od nesparenog nukleona, i ako se na jedan dijagram nanesu te veličine, jedna kao funkcija druge, onda bi trebalo da sve vrednosti obrazuju dve prave. Jedna prava bi odgovarala paralelnoj orijentaciji spina i orbitalnog momenta nesparenog nukleona a druga antiparalelnoj orijentaciji (Schmidtove linije) (1). U stvari, kao što pokazuje sl. III. 1 za jezgra sa neparnim Z i parnim N, vrednosti su raspršene, ali ipak ograničene dvema teorijskim linijama (videti gl. III. 9).

Sl. III. 1. — Schmidtove linije za neparno-parne nuklide

Izostavljeno iz prikaza

Ako je raspored naelektrisanja jednog datog jezgra sferičan, ono nema električki moment. Pokazalo se da je raspored naelektrisanja takav da jezgro ne može da ima permanentan električni dipol, ali da ono ima kvadrupolni moment, ako je spin jednak ili veći od jedinice. Ako je naelektrisanje e raspoređeno jednoliko po rotirajućem elipsoidu, onda je kvadrupolni moment q:

Izostavljeno iz prikaza (III. 2)

gde su a i c dužine dveju poluosovina elipsoida. Vrednost q ima pozitivan predznak za izduženi elipsoid (kao „jaje” ili „cigara”), a negativan za spljošteni elipsoid. Po konvenciji, kvadrupolni moment ima dimenziju površine i daje se u 10—24 cm2. Njegove vrednosti su uglavnom vrlo male za laka jezgra, a često znatne za teška jezgra (2): q za 2D je + 0,002738; 14N, +0,02; 17O, —0,005; 27A1, +0,156; ali za 175Lu, +5,9; 187Re, +2,6; 209Bi, —0,4 itd. q = 0 za 4He, 12C, 16O (J = 0), 15N, 113Cd, 207Pb (J = l/2). U svemu, promena q sa Z je periodična; malo dalje videćemo značenje toga.

Odnos između spina i statistike koji je bio dat za fundamentalne čestice još uvek važi za nuklide. Jezgro čiji je spin ceo broj pokorava se Boseovoj statistici; ako je spin neparni umnožak od 1/2 važi Fermijeva statistika.

3. — Nuklearni poluprečnik

Više metoda, sa kojima ćemo se docnije još sresti, omogućavaju da se odrede poluprečnici jezgara. Pritom se jezgra izjednačuju sa loptama. Ovo je ispravno kao prva aproksimacija, jer su odstupanja od sferne simetrije jedva primetna. Kao i kod atomskih poluprečnika, vrednofeti dobivene različitim metodama nemaju potpuno isto značenje i nekiput se malo razlikuju. Iz ovih određivanja izvodi se važan zaključak da je nuklearna gustina svih nuklida bar približno konstantna. Doista, u prvoj aproksimaciji može da se napiše da je poluprečnik R jednog jezgra mase A:

Izostavljeno iz prikaza (III. 3)

gde je r0 elementarni nuklearni poluprečnik. Nukleama zapremina je na taj način proporcionalna masenom broju A. Ova osobina ukazuje na zasićenje sila koje dejstvuju među nukleonima i koje ne dosežu đo udaljenih nukleona istog jezgra, kao što je i zapremina neke tečnosti proporcionalna masi usled kratkog dometa Van der Waalsovih sila.

Više metoda određivanja nuklearnih poluprečnika daju za konstantu r0 vrednosti između 1,4 do 1,5 × 10–13 cm. Eksperimenti sa difuzijom naelektrisanih čestica visoke energije (protona, deuterona, a-čestica) kroz jezgra (3) daju znatno više vrednosti, od 1,60 do 1,68 × 10-13 cm, dok novija određivanja o kojima će još biti govora (gl. V. 10) daju manje poluprečnike, r0 = 1,2 × 10—13 cm.

Katkad se promena R sa A prikazuje jednim odnosom koji sadrži aditivni član:

R = r0 A1/3 + b (III. 4)

Za r0 se onda nalaze vrednosti koje variraju, u zavisnosti od autora, između 1,22 × 10-13 i 1,52 × 10-13 cm, a za b od 1,7 do 0,7 × 10_13 cm.

Tablica III. 1 daje eksperimentalne vrednosti poluprečnika nekih nuklida u 10-13 cm. Odsustvo masenog broja iznad simbola ukazuje da je određivanje vršeno sa izotopnom smešom prirodnog elementa.

Tablica III. 1. — Nuklearni poluprečnici (u 10—13 cm)

Izostavljeno iz prikaza

4. — Stabilnost i energija vezivanja

Reći ćemo da je neki nuklid stabilan ako sredstva za merenje koja su nam danas pristupačna ne dopuštaju da otkrijemo njegovu radioaktivnost. Drugim rečima, nuklid je stabilan ako se prividno nalazi u osnovnom (fundamentalnom) stanju, ako se ne transformiše emisijom jedne čestice, apsorpcijom perifernog elektrona ili bilo kojim procesom fisije u neki drugi nuklid. Ova definicija je približna i zavisi od osetljivosti upotrebljene tehnike merenja. Jedan precizniji kriterijum koji smo već ukratko spomenuli (gl. II. 2) zasniva se na Einsteinovom odnosu između mase i energije (jedn. II. 2). Jedan nuklearni sistem je stabilan u odnosu na drugi ako je razlika njihovih energija izračunata pomoću Einsteinove jednačine negativna, što znači da je masa prvog u mirovanju manja od mase drugog. Razlika u masi je mera nestabilnosti drugog sistema u odnosu na prvi. Ovaj kriterijum nam je omogućio zaključak da je neutron manje stabilan od sistema proton + elektron i da je nuklid 4He stabilniji od njegova četiri slobodna sastojka.

Uopšte, stabilnost jednog atoma AZ mase M u odnosu na njegove nukleonske sastojke data je razlikom [ZMH-|-(A—Z)M2—M] 931 MeV, — gde je MH masa H atoma, Mn masa neutrona. Srednja energija vezivanja po nukleonu definisana je odnosom:

Izostavljeno iz prikaza (III. 5)

U spektrografiji masa često se koristi veličina udeo zgomilavanja („packing fraction”) f, koja je defekt mase po nukleonu gde je M izraženo u atomskim jedinicama mase.

Po definiciji, f—0 za 16O, a može biti pozitivno ili negativno za druge nuklide. Energija vezivanja po nukleonu, E, u funkciji od f jeste:

Izostavljeno iz prikaza (III. 7)

Ako se ova vrednost za stabilna jezgra ili slabo radioaktivna (teška jezgra sa vrlo dugim srednjim životom) prikaže u zavisnosti od A, dobija se kriva sa slike III. 2. Energija vezivanja raste brzo za vrlo lake nuklide, dostiže vrednost 8,5 do 8,8 MeV za nuklide srednjih atomskih težina, zatim opada vrlo sporo do 7,5 MeV. Svaki nukleon u jezgru poseduje još i kinetičku energiju koja se ceni na 20-25 MeV, tako da je srednja potencijalna energija po nukleonu reda veličine 30 MeV.

Slaba varijacija srednje energije vezivanja sa povećanjem mase predstavlja drugi aspekt zasićenja nuklearnih sila, čiju smo jednu manifestaciju već upoznali u vezi dimenzije jezgara. To su sile malog dometa. One deluju samo između susednih nukleona i malo se menjaju dodavanjem drugih čestica. Ovo ponašanje odudara od ponašanja Coulombovih sila koje deluju na daljinu i rastu sa povećanjem naelektrisanja sistema.

Sl. III. 2. — Promena energije vezivanja nukleona sa masenim brojem

Izostavljeno iz prikaza

Posmatrajmo sad jedan atom sa Z protona i N=A — Z neutrona atomske mase Neka je masa njegovog izobara sa Z + 1 protona i N — 1 neutrona. Prvi će biti nestabilan u poređenju sa drugim uz emisiju negativnog elektrona ako je

Izostavljeno iz prikaza (III. 8)

Drugi će biti nestabilan u odnosu na prvi uz emisiju pozitrona, ako je Z-HM → 2 me>z M (emisija p+) (III. 9)

U prvom slučaju ukupni broj elektrona se ne menja posle transformacije; u drugom slučaju dva se elektrona gube: jedan nuklearni, pozitivni, zbog prelaza proton-neutron, drugi periferni, negativni, zbog smanjenja Z. Ako mesto atomskih masa posmatramo nuklearne mase, onda treba dodati me desnoj strani nejednačine (III. 8) i zameniti — 2 me sa — me kod (III. 9).

Upravo P-nestabilnost, koja ukazuje na neravnotežu u odnosu proton/neutron, naročito je važna za poznavanje nuklearnih sila. Nestabilnost sa a-emisijom javlja se samo kod teških jezgara kao posledica povećanja elektrostatičkog odbijanja među protonima. Videćemo da je ovaj faktor mali u odnosu na specifično nuklearne sile.

5. — Poluempirijska formula mase

Iz statističkog modela jezgra, koji ćemo ispitati u paragrafu 8, može se izvesti poluempirijski Betheov i Weizsackerov odnos za masu jezgra sa Z protona i N neutrona (4):

XXV Primena u tehnici i industriji

U prethodnim glavama sreli smo se sa mnogobrojnim primenama izotopskih i radioaktivnih metoda i tehnika u izučavanju osnovnih osobina materije i fizičko-hemijskih procesa koji su više ili manje u direktnoj vezi sa problemima koje postavlja industrijski razvoj. Radi se, na primer, o difuzionim i autodifuzionim pojavama u metalima, strukturi katalizatora i mehanizmima katalitičkih dejstava, adsorpcionim i površinskim pojavama, elektrolitičkim talozima, koroziji. polimerizacijama, fermentacijama, aerosolima, problemima latentne slike, analitičkim metodama itd. U daljem tekstu navešćemo izvestan broj primena tehničkog i neposrednijeg karaktera koje su več ostvarene na laboratorijskom ili fabričkom nivou. Mi pritome nećemo razlikovati tehnike koje počivaju na atomskim osobinama izotopa od tehnika koje koriste zračenje.

1. — Metalurgija

a. Segregacije. — Tammann je 1932. god. primenio (1) autoradiografsku metodu u ispitivanju raspodele izotopa olova, torijuma B. u raznim metalima. On je ustanovio da se na nivou obeleživača olovo. koje je topljenjem ugrađeno u Sn, Ni ili Bi, koncentriše na površini kristalnih zrna. On je kasnije, istom tehnikom, pokazao (2) da se male količine obeleženog olova (od 0,004 do 0,04%) ne raspodeljuju ravnomerno u legurama koje ne rđaju, već da su rasute po međudendritičnim prostorima.

Chaudron i njegovi saradnici primetili su (3) aktivacijom u reaktoru lii obeležavanjem, da se čak u 99,998% aluminijumu nečistoće nagomilavaju na sastavcima zrnaca. To je ustanovljeno autoradiografskim snimcima koji su dobiveni pomoću radioaktivnog Au, Zn, Ru i drugih supstanci koje se u obliku tragova nalaze u metalu ili su mu namerno dodate. U vatrostalnim legurama sa 70% Ni, 25% Cr i 5% W obeleženi volfram takođe se lokalizuje u međudendritičnim prostorima; međutim, u legurama istog tipa, ali koje sadrže kobalt, radioaktivni W se taloži u osovinama dendrita, verovatno u obliku intermetalnih jedinjenja (4).

Autoradiografski je ispitivana (5) raspodela malih količina Sb u ingotima germanijuma u cilju poboljšanja kvaliteta ovog metala kao poluprovodnika. I u ovom slučaju ustanovljeno je znatno obogaćenje antimona na površini. Slična ispitivanja vršena su i u vezi raspodele A1 u silicijumovim ispravljačima.

Poznavanje ovih raspodela dovelo je do vrlo efikasnog postupka za elimjnisanje svih tragova nečistoća u nekom metalu (6). Postupak se sastoji u topljenju uzastopnih delova metalnog ingota pomoću električnog otpora. Pomerajući se, topljena zona povlači nečistoće na koje nailazi, ostavljajući za sobom vrlo čist, čvrst materijal. Ova metoda topljene zone uspešno je primenjena pri prečišćavanju germanijuma (7), aluminijuma i kalaja (8), i kontrolisana pomoću obeleživača.

Na interesantnu činjenicu su upozorili Robert, Robillard i Lacombe (9) u vezi sa autoradiografskim ispitivanjem Al-Cu-legura sa 0,4% obeleženog Cu posle zagrevanja do temperature bliske tački topljenja. Autori su primetili ne samo izvesno obogaćenje sastavaka zrna u bakru već i migraciju sastavaka prema najtoplijoj zoni legure.

Obeležavanjem i autoradiografijom upoređivana je, najzad, segregacija fosfora sa segregacijom arsena u raznim čelicima (10). Iz ovih istraživanja proizilazi da se homogenizacija prvog elementa postiže brže nego drugog i praktično je potpuna posle 32 časa zagrevanja na 1200°C. Segregacija arsena uklonjena je tek posle najmanje 70 časova zagrevanja na 1275°C.

b. Ravnoteže i kinetika. — Winkler i Chipman su pomoću Ca3(PO4)2 koji je bio obeležen radioaktivnim 32P, izučavali (11) ravnotežu i kinetiku raspodele fosfora između topljenog gvožđa i bazične šljake na raznim temperaturama i pri raznom sastavu. Na temperaturi od 1620 do 1660°C dovoljno je 10 do 15 minuta za uspostavljanje ravnoteže. Ovi su eksperimenti doprineli razjašnjenju uslova za defosforaciju gvožđa i doveli do zaključka da se sav fosfor nalazi u gvožđu u obliku FesP.

Kopecki je merio (12) rastvorljivost obeleženog kalcijuma u tečnom gvožđu i ravnoteže Fe-Ca-Oa. Pomoću istog radioaktivnog elementa potvrđeno je (13) da se desulfuracija livenog gvožđa i čelika bazičnom šljakom vrši na graničnoj površini dve faze, bez stvaranja Ca-jedinjenja u samom tečnom metalu. Kinetika prolaska sumpora kroz graničnu površinu metal-šljaka takođe je izučavana pomoću obeleživača (14).

Pomoću sulfida gvožđa, obeleženog redioaktivnim 35S nađeno je (15) da je deo sumpora, koji metalurški koks sadrži posle proizvodnje i koji prema tome ostaje u čeliku, nezavisan od toga da li je sumpor piritnog ili organskog porekla. Prema tome, ne postoji razlog da se radije bira ugalj za koksovanje koji bi sadržavao sumpor u jednom obliku nego u drugom.

Voice je koristio radon (16) da bi odredio vreme prolaska gasova kroz visoku peć. Pod datim uslovima, ovo je vreme iznosilo između 1 i 3 sekunde za uzorke uzimane pokraj zida, i između 6 i 9 sekundi za one iz centra. Isti autor je predložio da se habanje opeka visoke peći ispituje na taj način što bi se u njih ugradio mali izvor radioaktivnog Co i periodično merila aktivnost u unutrašnjosti peći pomoću prenosnog brojača.

c. Gamagrafija. — Radiografija metalnih delova v-zracima često sa uspehom zamenjuje radiografiju X-zracima. Prodorna moć v-zraka radijuma, 60Co, 182Ta, 154Eu, 137Cs, 144Ce itd. (o izvorima koji se koriste v. gl. XVIII. 2), veća je od prodorne moći X-zraka koji su proizvedem uobičajenim aparatima; oni se prema tome mogu koristiti za ispitivanje većih debljina. Radioaktivni izvori, osim toga, zauzimaju mnogo manje mesta od aparata za X-zrake. S druge strane, ukoliko se ne upotrebljava izvor radioaktivnog Co jačine nekoliko stotina kirija, što je uostalom danas sasvim moguće, vreme eksponiranja potrebno za dobijanje snimka veće je pri upotrebi y-izvora. Moć razlaganja slika, proizvedenih ovim poslednjim zracima velike energije, takođe je slabija nego sa X-zracima. Međutim, 7-zračenje ”°Tm ima energiju od samo 84 kV, a njegovi. P-zraci se lako apsorbuju. Sa ovim izvorom otpada, dakle, gornja nezgoda. Za male komade koji se ispituju, preporučeno je (17) korišćenje i zakočnog X-zračenja (gl. XI. 7) čija energija, već prema spektru P-emitera, leži između 20 i 200 kV. Pošto je moguć izbor između raznih izvora, gamagrafija postaje tehnika koja se sve više upotrebljava u industrijskim laboratorijama (18).

Pomoću vrlo malog izvora 192Ir može se, primanjem slika na fluorescentni zaklon, koristiti radioskopija (19).

d. Trenje, habanje. — Izvanredno je teško uobičajenim hemijskim metodama ustanoviti prenos materijala do koga dolazi kad se dve metalne površine taru jedna 0 drugu; to je naročito teško kad su oba komada od istog metala, jer se radi o neznatnim količinama prenesenog materijala. Ta teškoća otklanja se (20) na taj način, što se jedna površina učini radioaktivnom i posle trenja radiografski snima druga površina. Ovi eksperimenti su pokazali da do prenosa dolazi čak i između vrlo tvrdih metala, kao što su hrom ili nitrovani čelik, i da prisustvo maziva između dve površine znatno smanjuje prenesenu količinu, ne isključujući je, međutim, potpuno. Merene su prenesene količine reda 10-8 do 1010g.

Rabinowicz i Tabor ustanovili su autoradiografski (21) da je prenos između nepodmazanih površina oko 40 puta veći kod metala iste prirode (Cd/Cd, Ag/Ag, Zn/Zn itd.) nego kod različitih metala, ali da se koeficijenti trenja malo razlikuju (p. se nalazi između 0,4 i 1). Između dobro podmazanih površina prenos je smanjen oko 20 000 puta, čak i više, dok je u smanjeno najviše 20 puta. Sa čvrstim slojevima maziva prenos materijala je najslabiji. Pri povećanju temperature, ponašanje površina, uprkos vidljivom prisustvu maziva, slično je ponašanju nepodmazanih površina. Promene su sa promenom temperature povratne i bez sumnje potiču od promene stanja mazivog sloja.

Mesto radiografisanja površine koja je bila podvrgnuta trenju. može da se radi i tako da mazivo ulje cirkuliše i povlači radioaktivne tragove koji potiču od habanja u jedan sistem sa osetljivim brojačem. U tom slučaju može se kontinualno pratiti tok habanja sa vremenom.

Ovaj postupak je u opštoj primeni pri ispitivanju metalnih komada i alata, ali nije i jedini. Habanje noževa određuje se ozračivanjem n reaktoru karbidnog vrha noža pre njegove upotrebe (22). Neutronskom aktivacijom stvaraju se pritom radioaktivni izotopi W, Ta itd. Posle toga meri se aktivnost koju povlači strugotina.

Da bi se odredilo habanje čelika posle izvlačenja na vruće, Jaoul je potapao male uzorke u odgovarajuće radioaktivno kupatilo sa 59FeCls ili H332POI, i držao ih u njemu dovoljno dugo, da bi izotopnom izmenom, difuzijom ili prodiranjem aktivnosti u mikropukotine metal postao radioaktivan (23). Ovako primljena aktivnost naglo opada ka unutrašnjosti; raspodela u unutrašnjosti određuje se uklanjanjem uzastopnih slojeva glačanjem. Kriva: dubina/aktivnost koja je dobivena radiografski, omogućava tada da se odredi habanje u svakoj željenoj tački. Autor je na taj način ustanovio uticaj profila kalibara za izvlačenje na ovu pojavu.

Habanje i podmazivanje mogu da se ispituju i korišćenjem nekog radioaktivnog ulja, obeleženog na primer radioaktivnim S. Pohabana ili oštećena mesta na površini koja se tare, otkrivaju se preko aktivnosti ulja koje se zadržava na tim mestima (24).

Postupak može da se primeni i za detekciju izvanredno finih pukotina na površini metala (25). Površina se pod pritiskom premaže nekom radioaktivnom mašću, zatim se očisti i snima autoradiografski.

Upotreba obeleženih ulja omogućava isto tako da se kontroliše delovanje raznih sredstava za čišćenje i efikasnost čišćenja metalnih površina. Sloj ulja koje je obeleženo radioaktivnim 14C, nanese se, na primer, na površinu koja se ispituje, te se posle čišćenja uklonjeno uije određuje pomoću brojača. Za ova određivanja predložen je (26) radioaktivni N-N-di-n-butil-stereamid, C17H3514CON(CiH9)2 pomešan sa parafinskim uljem.

2. — Rudnici. Nafta

Korišćenje obeleženih molekula doprinelo je boljem razumevanju elementarnih fizičko-hemijskih procesa koji se nalaze u osnovi rotacije, industrijske tehnike vrlo raširene u koncentrisanju i odvajanju ruda. Da bi se čestice rude učinile prijemljivim i da bi ova prijemljivost bila selektivna, poznato je da se flotacionom kupatilu dodaju reagensi, tzv. „kolektori”, organski molekuli koji često sadrže sumpor (kao ksantati) ili fosfor (kao ditiofosfati) i „aktivatori” koji sadrže atome C, S, Ca, Cu, Ag, Ba itd. Obeležavajući ova jedinjenja izotopom 14C ili drugim pogodnim obeleživačima, mogla je da se odredi (27) količina reagensa koja se pod raznim uslovima fiksira na čvrstom materijalu, meri brzina vezivanja, ispituje ravnoteža izmene između čvrstog materijala i rastvora itd. Uz to je otkrivena vrlo važna činjenica da je pokrivanje 5% površine monomolekulskim slojem nekog pogodnog reagensa često dovoljno da osigura potpunu flotaciju. Flotacija je osetljiva već na promene u pokrivanju čiji red veličine iznosi l%. Kiseonik ima važnu ulogu u flotaciji nekih sulfidnih ruda, kao što je pirit.

Zračenje omogućava otkrivanje ne samo radioaktivnih ležišta, već i nekih neaktivnih ruda ili elemenata, bilo stoga što je njihova geohemija povezana sa geohemijom prirodnih radioaktivnih elemenata, bilo na taj način što ih veštačkim putem aktiviramo. Tako je, na primer, dijamant lokalizovan u žilama kimberlita, bazaltne stene vrlo siromašne u prirodnim radioaktivnim elementima. Ona je obično okružena granitnim stenama koje sadrže kvarc koji je, naprotiv, vrlo aktivan. Traženje dijamanata je dakle olakšano utvrđivanjem pomoću osetljivih detektora, obično scintilatora, mesta naglog pada radioaktivnosti zemljišta. Ova prospekcija mora, međutim, da bude upotpunjena drugim pogodmm merenjima.

Sakupljanje kristala berila rasutih u stenovitoj masi vrlo je osetljiva operacija i zahteva što je moguće tačniju lokalizaciju da bi se izbegli prelomi. Operacija je olakšana ako se upotrebi neki izvor prodornog 7-zračenja čijim se dejstvom na berilijum oslobađaju neutroni koje je lako detektovati neutronskim brojačem.

Radioaktivna bušenja se, međutim, naročito mnogo koriste u prospekciji nafte, gde su već postala tekućom tehnikom (28). Karotaža pomoću γ-zraka ukazuje na sastav slojeva kroz koje bušotina prolazt. pošto su škriljci obično radioaktivniji od krečnjaka, gline ili uglja Kriva aktivnosti u funkciji dubine diskontinualna je pri prelazu iz jednog sloja u drugi.

Neutronska karotaža u stanju je da ukaže na eventualno prisustvo hidrogenizovanih tečnosti (vode ili ugljovodonika) usled visokog efikasnog preseka vodonika za apsorpciju sporih neutrona. Ona se sastoji u postavljanju Ra-Be izvora na kraj bušilice ili strugača i merenje. γ-zraka koji se emituju pod dejstvom neutrona na slojeve kroz koje bušilica prolazi.

Obeleživači se u velikoj meri koriste za detekciju gubitaka ili začepljenja u cevovodima. U prvom slučaju se kroz cevi propušta 1 eka radioaktivna tečnost čije se kretanje prati pomoću brojača. U drugom slučaju, izvor γ-zraka postavlja se na kraj čepa koji se kreće pod pritiskom nafte i zaustavlja na mestu gde se nalazi prepreka.

Kad naftonosna bušotina prolazi kroz sloj vode, potrebno je ojačati zidove cementom. Da bi se obezbedila jačina konstrukcije, cementu može da se doda karnotit ili neki drugi radioaktivni mineral i pomoću brojača meri debljina zida.

Pomoću nekog Y-emitera obeležava se i dodirna površina dve vrste nafte koje u jednom cevovodu teku jedna za drugom. štaviše, jedna nova, vrlo brza tehnika injiciranja obeleživača (sapun radioaktivnog Ba ili druga organska jedinjenja radioaktivnog Sc, Sb itd.), omogućava da se u svakom trenutku prati brzina mešanja dve tečnosti.

Vrlo važna primena obeleživača u industriji nafte je u ispitivanju isticanja smeše tri faze: nafte, vode i gasa, kroz razne porozne sredine kroz koje one prolaze, jer od prirode ovog procesa u velikoj meri zavisi iscrpljenje rezervi. Obeleživači u pogodnom rastvornom obliku omogućavaju da se odredi propustljivost zemljišta za tečnosti, brzina njihovog isticanja i njihova lokalizacija.

Hermetičnost rezervoara i cevovoda za naftu, kao i kvalitet varova koji su teško pristupačni radiografiji X-zracima, lako se i vrlo zgodno ispituju gamagrafijom. Od uvođenja ove tehnike u industriju nafte znatno je smanjen broj težih ili lakših nezgoda usled isticanja. Na kraju, stručnjaci za rafinaciju nadaju se da će se dejstvom jonizujućih zračenja na naftu, pod uslovima koje tek treba ustanoviti, rnoći poboljšati kvalitet benzina, ulja i maziva.

Pri katalitičkom razlaganju nafte stvara se koks koji smanjuje aktivnost katalizatora na silicijumdioksidu-aluminijumoksidu. Bilo je važno saznati (28a) da li koks potiče od izvesnih specijalnih sastojaka nafte ili od nekih atoma ugljenika u određenom položaju jednog datog ugljovodonika. Obeležavanjem raznih ugljovodonika izotopom 14C pokazano je da je specifična aktivnost stvorenogkoksa uvek ista, nezavisno od prirode ugljovodonika i obeleženog položaja.

U hidrologiji, obeleživači se koriste za praćenje toka voda i određivanje eventualnih veza između podzemnih reka, jezera itd. Uprkos teškoćama koje su vezane za primenu ove metode (29), ona je u nekim slučajevima ipak bolja od obeležavanja voda obojenim supstancama, naročito kad se ove mogu obezbojiti rastvornim redukcionim materijama ili se adsorbovati na čvrstim materijalima. Pokušaji ovog tipa vršeni su pomoću radioaktivnog Rb na vodopadima u blizini Nila (30) i pomoću radioaktivnog Br i J na vodama podzemnih hodnika kod Durance (29).

3. — Plastične mase i tekstil

Iako proizvodnja plastičnih masa radiohemijskom polimerizacijom monomera (gl. XIV. 4) nije toliko napredovala da bi se već sada mogla uspešno koristiti na industrijskom nivou, istraživanja vršena u ovoj oblasti znatno su doprinela poznavanju opšte fizičke hemije ovih procesa. Razni monomeri, kao što su perfluorirani propilen, butadien i akrilonitril, bili su prvi put polimerizovani pod dejstvom jonizujućih zračenja. Interesantan vid ovih ispitivanja predstavljaju duboke promene osobina ozračivanih plastičnih masa ili kalemljenje jednog polimera na drugi (gl. XVI. 6). Upotreba obeleženih molekula drugo je efikasno sredstvo za ispitivanje strukture polimera, mehanizma polimerizacije i uloge katalizatora (31).

Mehanizam vulkanizacije kaučuka ispitivali su razni autori pomoću radioaktivnog sumpora, bilo ugrađujući ovaj (32) u ubrzivače (bisulfid dibenzotiazola i tetrametil karbamida) i određujući raspodelu aktivnosti u vulkanizovanom produktu, bilo merenjem brzine izmene između sumpora i organskih polisulfida (33).

Brzina difuzije plastifikatora merena je uvođenjem u plastične mase trifenilfosfata obeleženog radioaktivnim 32P. Ovaj obeleživač je korišćen i za određivanje habanja guma u zavisnosti od obloge puta, temperature, brzine kretanja itd.; radioaktivnost ostavljena na putu prolaskom vozila merena je pomoću brojača ili autoradiografski. Habanje slojevitih plastika, korišćenih za zupčanike ili jastučiće, određivano je (34) neutronskom aktivacijom NaCl koji se u njima nalazi, i merenjem aktivnosti koja je sa prašinom plastične mase prešla u ulje za podmazivanje. Osetljivost metode omogućava da se merenja izvrše već posle nekoliko minuta habanja. Najbolji uslovi za odleđivanje aviona određivani su pomoću obeleženih silikonskih masti.

Za dobijanje veštačke svile, rastvara se ksantat celuloze u rastvoru NaOH. Koncentracija ovog rastvora određivana je (36) merenjem rasejanja y-zraka koje emituje pogodno postavljeni izvor. Intenzitet rasejanog zračenja zavisi, u stvari, od debljine i gustine apsorbera. Ovaj postupak predstavlja uobičajeno sredstvo za merenje gustine fluida.

Ksantat celuloze priprema se tretiranjem alkali-celuloze ugljendisulfidom koji se zatim, u daljoj fazi rada, uklanja. Dodatkom radioaktivnog S omogućava se (36) praćenje ove operacije i kontroliše potpuno uklanjanje sumpora.

Vlakna veštačke svile prekrivena su vrlo tankim slojem ulja koje sadrži natrijumoleat. Uvođenjem radioaktivnog Na u ovo jedinjenje nađeno je (37) da se prekrivanje vrši ravnomerno, što je u predenju od velike važnosti.

Apsorpcija i difuzija anjonskih bojenih materija imaju bitnu ulogu u bojenju vune. Direktna merenja na vunenim vlaknima predstavlja međutim, izvesnu teškoću. Stoga su merenja vršena na membranama keratina koji je hemijski srodan vuni, koristeći bojenu supstancu kiseli Orange II, obeležen radioaktivnim 35S (38). Slična merenja vršena su i sa 82Br.

Kod vlačanja vune važno je poznavati brzinu kojom cilindri izvlače vlakna, da bi se obezbedila pravilnost njihovog kretanja. Ovo ispitivanje vršeno je impregniranjem vlakana obeleženom H3PO4 (39).

Veštačka svila, najlon i druga sintetska i prirodna vlakna dobri su izolatori i trenjem primaju elektrostatičko naelektrisanje, što ima više vrlo nezgodnih strana. Usled naelektrisanja, prašina iz atmosfere sakuplja se na tkanini i menja jednoličnost njenog izgleda. U toku predenja naelektrisanje izaziva odbijanje među vlaknima, zbog čega se stvaraju greške u tkanju. Kad se upotrebe organski rastvarači, njihove pare se mogu zapaliti i izazvati eksploziju. Da bi se ove nezgode sprečile, vazduh se pomoću radioaktivnih izvora, kao što su 2O4T1 ili 90Sr. pravi lokalno provodnim. Ovo sredstvo, međutim, zadovoljava jedino ako su mašine van pogona ili se okreću polako. Ono se koristi i u proizvodnji fotografskih i kinematografskih filmova, hartije, gramofonskih ploča itd.

4 — Elektricitet

a. Elementi i baterije. — Kad bi se energija fisije koja se emituje u obliku pi y-zračenja mogla prevesti u električnu energiju, predstavIjala bi sasvim zanemarljiv doprinos današnjoj potrošnji električne energije u raznim zemljama. Međutim, ova bi transformacija ipak bila od izvesnog interesa kad bi se realizovala u obliku prenosnih izvora, elemenata ili baterija. Razna rešenja koja su predložena u vezi sa ovim problemom zasnovana su na sledećem: 1. na sakupljanju naelektrisanja; 2. na kontaktnom potencijalu; 3. na proizvodnji naelektrisanja u jednom poluprovodniku i 4. na prevođenju razvijene toplote pomoću termosprega u električnu energiju.

Prvi postupak koristio je još 1913. god. Moseley, koji je bio postigao (40) potencijalnu razliku od 150 kV i početnu struju od 10—4 A sakupljajući u vakuumu P-zrake koje je emitovao aktivni talog radijuma jačine 20 mC. Izvor se nalazio u maloj lopti od vrlo tankog kvarca, spolja posrebrenoj (anoda). Katoda je bila sastavljena od jedne veće koncentrične lopte, takođe od kvarca i iznutra posrebrene. Struje 10 do 100 puta jače dobili su u novije vreme Lobanov i Beliakov sa veštačkim O-emiterima (41). Linder i Christian izradili su (42) uređaje slične Moseleyovom, koristeći 250 mC MSr+90Y, i dobili potencijalnu razliku od 365 kV, ali je struja iznosila samo 10-9 A a impedanca 1014 oma. Pomoću izolatora od polistirolena koji se nalazio između elektroda od A1 i Pb, Coleman je u jednoj bateriji od 25 elemenata snabdevanoj sa 10 mC 90Sr + 90Y, pri naponu nula, izmerio struju od 4 10-12 A; to je odgovaralo iskorišćenju od 33%. Prinos u snazi verovatno je vrlo mali. Maksimalni napon pri otvorenom kolu može dostići više hiljada volti.

Električni element male voltaže u kome je korišćen drugi postupak, konstruisao je Ohmart (44). Koristeći v-zrake radijuma, radioaktivnog Co ili 110Ag, on je jonizovao gas koji se nalazio između dve elektrode sa različitim energijama ekstrakcije elektrona. Sa zlatnom i olovnom elektrodom struja je u vazduhu upravljena od prve ka drugoj elektrodi; isto je ako se zlato zameni bakrom, samo je intenzitet struje u tom slučaju slabiji; on raste ako se bakar oksidiše. Kod sprega Al-Pb struja menja pravac. Maksimalna potencijalna razlika od 1,34 V u otvorenom kolu dobivena je sa elektrodama od AI2O3 i PbOa. Struja raste sa gustinom jonizacije, a zavisi od molekulske težine gasa kojim je izvršeno punjenje i verovatno od njegovog jonizacionog potencijala. Maksimalni prinos u vatima, koji je dobiven sa ovim uređajem, iznosio je oko 0,02%.

Voltaža jedne baterije koja radi na istom principu a koristi tritijum, može za vrlo slabe struje dostići 400 V (45). Sa 0,5 C dobija se struja od 10—9 A. Napon ovde zavisi i od karakteristika elektrodnih površina. Prinos u snazi je vrlo mali i opada sa vremenom (napon ne opada). Srednji život baterije bio bi reda osamnaest časova.

U vezi sa elementom Ohmarta, interesantno je ukazati na eksperimente koje su vršili Westermark i Erwall (46). Oni su pomoću aktivnog taloga torona aktivirali na vazduhu u polju od 50 V/cm površine raznih metala. Autori su na više mesta probušili jednu olovnu ploču i kroz otvore postavili šipke Pt, Ag, Cu, Mo, W i mesinga. Kad je ploča naelektrisana negativno, talog na jednom metalu, ustanovljen autoradiografski, utoliko je veći ukoliko je energija ekstrakcije elektrona veća; obratan red zapažen je za disk naelektrisan pozitivno. Pozitivni joni koji stižu iz gasne faze razelektrišu se, prema tome, lakše na metalu koji je naelektrisan negativno u odnosu na neki drugi metal.

Drugi postupak za konstrukciju elementa sastoji se (47) u bombardovanju P-zracima p-n-spoja Geili Si-poluprovodnika (gl. XV. 3): sekundarni elektroni proizvedeni jonizacijom u n oblasti kristala sakupIjeni su preko spoja u p-oblasti (sl. XXV. 1). Sa 50 mC 90Sr+®°Y maksimalni napon sa Si iznosi 0,25 V, struja 10—5 A; sa Ge 0,03 V i 2 × 10-5A. Sa silicijumom prinos u vatima iznosi 0,4%, ali bi se mogao povećati do 2%. Sa germanijumom on je niži. Usled promena u strukturi do kojih dolazi usled zračenja, poluprovodnik, napajan nekim intenzivnim izvorom, morao bi se regenerisati termičkom obradom.

Na kraju, prevođenje u elektricitet toplote koju razvija jedan radioaktivni element, ostvareno je (48) stavljanjem jakog izvora polonijuma u malu zatvorenu kapsulu čija je površina u dodiru sa vrućim krajevima 40 termospregova; hladni krajevi nalaze se na površini suda koji okružuje kapsulu i od nje je termički izolovan. Mereni napon iznosi 0,75 V, struja 25 mA. Maksimalna snaga iznosi samo 9,4 milivata sa izvorom od 146 C (0,2% termičke snage). Dužina života ograničena je vremenom poluraspada polonijuma. Prema najnovijim podacima, u Sjedinjenim Državama uspeli su da konstruišu „nosivi generator” sa 3000 C polonijuma, čija bi početna snaga bila 58 vati a prinos 8 do 10%. Na kraju jednog vremena poluraspada snaga bi pala na 3 vata, a prinos na 5 ili 6°/o. Cena prototipa je reda 30 miliona dolara (1959).

b. Elektronika. — Izvesne mane u radu elektronskih cevi potiču od isparavanja oksida (BaO + SrO) katode i njihovog taloženja na drugim delovima cevi (49). Ugrađivanjem radioaktivnog Ba i Sr mogh su se meriti gubici na katodi i količine koje se talože na rešetkama i anodi. Pokazano je, štaviše, da se isparavanje uglavnom vrši za vreme formiranja i aktiviranja cevi, a ne za vreme njihovog rada. Napon pare SrO između 1000 i 1375°C meren je pomoću radioaktivnog Sr (50).

Drugi eksperimenti vršeni pomoću 14COa omogućili su da se ustanovi (51) adsorpcija preostalog gasa u cevima na oksidnom sloju.

U nekim radarskim uređajima cevi sa gasnim pražnjenjem mora da reaguju na primenjeni napon u toku dela mikrosekunde. U odsustvu jona u gasu, međutim, pražnjenje može da bude u znatnom zakašnjenju i funkcionisanje radara je neispravno. Da bi pražnjenje teklo potrebnom brzinom (37) dovoljno je tada da se unese u cev mala količina nekog radioaktivnog izvora.

Pri konstrukciji aparata koji rade na visokim učestanostima, kao i televizora, mora da se upotrebi gvozdeni prah čije su čestice izvanredno sitne, reda nekoliko mikrona. Dimenzije zavise od uslova formiranja kristalnih klica i njihovog rasta. Jedan američki patent (52) uverava u mogućnost povećavanja broja klica i smanjenja dimenzija čestica ozračivanjem 3ili y-zracima.

c. Telefonija. — Telefonski kablovi za velika rastojanja nalaze se često u zemlji (na dubini od oko 0,8 m). i njihov olovni omotač štiti žice izolovane hartijom. Najmanje pukotine predstavljaju mesta kroz koja može da uđe vlaga i pokvari kabl na velikoj dužini. Takve pukotine se brzo otkrivaju injiciranjem gasa CHsBr obeleženog radioaktivnim bromom (53).

Duž podmorskih telefonskih kablova postoje pojačivači čija je hermetičnost bitna za njihovo funkcionisanje. Ona se ispituje (53) njihovim premazivanjem nekim lakom i potapanjem posle sušenja u rastvor Na2CO3 koji je obeležen izotopom 14C. Posle rastvaranja laka, aparat ne sme pokazivati nikakvu aktivnost.

5. — Poljoprivreda

Mnogobrojna istraživanja vršena su od početka ovog veka da bi se ispitalo eventualno stimulirajuće dejstvo zračenja koja emituju prirodni radioaktivni elementi na razvoj kultura, njihov kvalitet i prinos; rezultati ovih ispitivanja, međutim, obično su protivrečni i nedovoljno određeni (54). Ovakva ispitivanja preduzimana su tokom poslednjih godina u raznim zemljama (55); izgleda da efekti umnogome zavise od uslova sredine i doze ozračivanja. Kada su ovi pogodno izabrani, ti su efekti, bar kod izvesnih kultura, pozitivni (v. gl. XIV. 8). Upotrebljene tehnike sastoje se u ozračivanju semena ili njegovom tretiranju radioaktivnim rastvorima pre sejanja, ili u uvođenju radioaktivnih elemenata u zemljište, ili, najzad, u neprekidnom ozračivanju kultura u toku njihovog rasta v-zracima radioaktivnog kobalta.

Radioaktivni izotopi fosfora, ugljenika, kalcijuma, sumpora, natrijuma, gvožđa, kobalta, cinka, molibdena i drugih elemenata koji se u minimalnim količinama nalaze u bilju, veoma mnogo su korišćeni u istraživanju prelaska ovih elemenata iz zemlje u biljke, kao i u izučavanju njihove migracije, izmene i metabolizma u samim biljkama (56).

Radioaktivnim 32P obeležavani su i razni fosfati i ispitivana njihova relativna efikasnost kao đubriva. Pošto je fosfat stavljen u zemIju, periodično se meri specifična aktivnost biljke, koja se zatim poredi sa početnom aktivnošću zemljišta. Pomoću ovih merenja moguće je odrediti deo asimilovanog fosfata koji potiče iz đubriva i onog koji potiče iz zemljišta. Na taj način su utvrđene (57) znatne razlike u ponašanju žita, krompira i soje.

Ova merenja su s druge strane pokazala da je za neutralno ili bazično kanadsko zemljište NH4H2PO1 mnogo efikasniji od superfosfata ili kalcijumovih fosfata (58). Kod kiselog zemljišta red može da bude obrnut (59). Fosfatna đubriva su efikasna naročito u početku rasta biljke; u kasnijim fazama najveći deo fosfata daje zemljište. Slični eksperimenti vršeni su pomoću 45Ca (60).

Vlažnost tla može da se odredi apsorpcijom neutrona iz nekog Ra-Be-izvora, slično načinu koji je opisan kod nafte (§ 2). Gustina je, s druge strane, merena pomoću apsorpcije 7-zraka zahvaljujući tome što su te dve veličine približno srazmerne jedna drugoj.

Nije se sa sigurnošću znalo da li neke bolesti agruma, koje su pripisivane sumporu, potiču od sulfata koji su dodati zemljištu ili od sumpora koji je upotrebljen kao fungicid. Obeležavanjem sumpora izotopom 35S pokazano je (61) da on prodire u voćku do dubine koja je skoro jednaka dubini povrede, što čini drugu hipotezu verovatnijom. Mehanizam dejstva raznih insekticida i herbicida kao i njihovo delovanje na organizme velikih životinja, takođe su ispitivani pomoću obeleženih molekula (62). Dodavanjem rastvoru DDT nekog obeleženog jedinjenja Mn, određena je njegova raspodela na zemljištu koje je prskano iz aviona (63).

U izvesnim entomološkim i ekološkim ispitivanjima obeležavaju se cele populacije insekata, muva, komaraca itd. Obeležavanje se vrši bilo hranjenjem larvi radioaktivnim P ili S (64), bilo mehaničkim uvođenjem nekog vrlo slabog izvora (na primer radioaktivnog Co) u unutrašnjost insekta, ili pak spoljnim fiksiranjem (65).

Ova istraživanja namenjena su naročito upoznavanju kretanja i iščezavanja pod dejstvom raznih faktora (vreme, vetar, temperatura itd.) insekata koji se nalaze u prirodnim uslovima u prostoru. Ustanovljeno je, na primer u Nigeriji, na obeleženim komarcima, nosiocima žute groznice, da rastojanja koja oni prelaze zavise više od meteoroloških uslova nego od njihovog sopstvenog leta. Slična obeležavanja vršena su na crvima da bi se ispitalo njihovo kretanje pod zemljom.

6. — Namirnice

Mnogobrojna ispitivanja vršena su u cilju korišćenja dejstva zračenja na mikroorganizme u cilju „pasterizacije” raznih prehrambenih namirnica i farmaceutskih proizvoda. Proctorova i Goldblithova istraživanja (66) koja su vršena pomoću vrlo jakih doza katodnih zraka energije nekoliko MeV, pokazala su da takva sterilizacija, iako moguća, postavlja kod namirnica ceo niz još nerešenih problema, kao što su promena ukusa i boje, toksičnost, iščezavanje vitamina itd. Utvrđeno je, na primer, da se pri ozračivanju mleka γ-zracima 60Co, posle jednog časa razara 31% vitamina A, a posle šest časova 70% (67). Riboflavin je najotporniji, pa ipak 47% se uništava posle dvanaest časova ozračivanja. Rezultati koji obećavaju mnogo više, dobiveni su nedavno (68) sa tim zracima, pod uslovom da se ne pređu izvesne doze.

Konzervisanje krompira znatno je produženo posle ozračivanja dozom od 5000 do 20000 r γ-zraka; klijanje je tada sprečeno, spoljni izgled poboljšan a ukus nije promenjen. Posle 18 meseci gubitak težine kod ozračenog krompira iznosio je 20% mesto 55% kod neozračenih gomolja. Jače doze, međutim, predstavljaju opasnost za hranljive sastojke, posebno vitamine. Slični efekti zapaženi su kod luka.

Da bi se povećala hranljiva vrednost nekih prehrambenih proizvoda, dodaje im se gvožđe, bilo u metalnom obliku bilo u obliku neke soli; međutim, kako namirnice često sadrže fitinsku kiselinu, postavljalo se pitanje (69) da li stvaranje nerastvornog gvožđa fitata ne umanjuje hranljivu korist koja bi se mogla očekivati. Obeležavanjem doručaka koje su Ijudi uzimali jednim radioaktivnim izotopom gvožđa i merenjem posle toga radioaktivnosti njihovih crvenih krvnih zrnaca, nije se mogla primetiti nikakva direktna veza između asimilacije gvožđa i prirodnog sadržaja fitinske kiseline u namirnicama.

Ponekad se žitnom brašnu dodaju tragovi KJO3 da bi se poboljšao njegov kvalitet. Sta se sa jodatom dešava, razjašnjeno je analizom hleba koji je bio napravljen od brašna sa dodatkom KJO3 obeleženog radioaktivnim jodom (70). Ustanovljeno je da se najveći deo joda u hlebu nalazi u obliku jodida, mali deo ostaje u obliku jodata, dok je količina slobodnog joda, kao i onog koji je ugrađen u masti i proteine, zanemarljiva.

Najbolji uslovi pod kojima stoka asimilira bakar (71) i jod (72) koji su dodati kuhinjskoj soli, ispitivani su pomoću karbonata bakra obeleženog izotopom 64Cu i ditimol-bijodida obeleženog izotopom 131J.

U mlinskoj industriji nastoji se da se na što brži način određuje finoća brašna, koja je jedan od faktora od kojih zavisi kvalitet hleba. Spinks i Tollefson su pokazali (73) da se ovaj podatak može dobiti merenjem adsorpcije jona radioaktivnog Ru3+ na brašnu, koja raste sa finoćom brašna.

U proizvodnji nekih prehrambenih proizvoda, kao što je proizvodnja jabučnog soka, za uklanjanje bakterijske flore upotrebljavaju se specijalni filtri; s vremena na vreme je potrebno proveriti da filtri nisu pocepani. Ovo proveravanje može da se izvrši bilo kultivisanjem bakterija u čorbi koja sadrži radioaktivni fosfor, bilo pomoću vrlo malih zrnaca iz plastične mase koji su pokriveni radioaktivnim zlatom (74). Ovaj poslednji postupak trebalo bi da je povoljniji.

7. — Industrija i razne tehnike

Propustljivost filtara za dimove, magle i prašinu može se takođe ispitivati pomoću obeleženih molekula. Ponekad se koristi trikrezilfosfat, ali bi se isto moglo postići pomoću radioaktivnih aerosola (gl. XXI. 6). Za vreme rata 1914-1918 ispitivala se efikasnost gasnih maski merenjem njihove propustljivosti za radon (75).

Propustljivost tankih slojeva lakova kojima se, na primer, prevlače metali u cilju zaštite od korozije, ispitivana je (76) tako što su oni izlagani pari tritirane vode. Uzastopni slojevi su zatim rastvarani i njihova aktivnost merena. Higroskopne osobine lakova ispitivane su sličnom tehnikom posle njihovog držanja u vlažnoj komori. Propustljivost kože za razne kozmetičke proizvode ispitivana je pomoću 14C, 3BP, 35S, 131J itd. (77).

U fabrikama za proizvodnju toksičnih supstanci, kao što su merkaptani, CS2, H2S itd., uvođenje radioaktivnog sumpora u ove proizvode omogućava da se brzo ustanovi svaki gubitak koji nastaje curenjem a mogao bi biti opasan.

Proizvodnja fluorescentnih svetiljki zahteva zavarivanje jedne bočne cevi u kojoj se nalazi mala kap žive. Ta se operacija vrši duvanjem ustima i mogla bi biti opasna usled toksičnosti metalnih para. Da bi se ustanovilo kolika je količina žive koja se u toku operacije udahne, merena je pomoću radioaktivne žive kontaminacija vazduha i nađeno (78) da 1 m3 sadrži oko 0,1 mg Hg, što je deset puta manje od tolerantne doze.

Za kontrolu efikasnosti ventilacionog digestora uvodi se u njega neki inertni obeleženi gas, Kr ili Xe, i meri aktivnost koja eventualno prodire van digestora. Pomoću istog postupka može da se kontroliše obnavljanje vazduha u prostorijama.

U prostorijama koje su izložene opasnosti od požara, mogu da se postave pločice na kojima su raspoređeni izvori a-zraka. Jedan elektronski uređaj uključuje alarmno zvonce kad je apsorpcija zračenja povećana usled prisustva tragova dima (74). Preporučena je (79) upotreba struje vazduha koji je jonizovan radioaktivnim fosforom, 2O4T1, 21<>Po ili drugim radioaktivnim supstancama, za sprečavanje požara u bolnicama, pozorištima ili drugim prostorijama u kojima se nagomilava statički elektricitet.

Vidimo da je uklanjanje naelektrisanja pomoću radioaktivnih izvora postupak koji se koristi u raznim oblastima. Isto je sa merenjem gustine i sa kretanjem tečnosti, za koje smo već naveli neke primere. Još je šira primena radioaktivnog merenja debljine tankih slojeva, koje nalazi vrlo raznovrsnu industrijsku primenu zbog svoje jednostavnosti i tačnosti, kao i ušteda koje je u stanju da donese.

Kod zračenja određene prirode i određenog početnog intenziteta, intenzitet zračenja posle prolaza kroz čvrst zaklon zavisi od debljine zaklona prema odnosima koji su navedeni u gl. XI. Merenje apsorpcije nekim brojačem ili jonizacionom komorom, prema tome, direktno daje debljinu. Metoda je primenjena kod kaučuka, plastičnih masa, veštačke kože, linoleuma itd., za merenje izvanredno tankih opni, debljine do jednog mikrona. U zavisnosti od debljine, koriste se ai (5-zraci, veće ili manje prodorne snage, zatim meki γ-zraci ili sekundarna zračenja dobivena odbijanjem od podloge.

Osetljivost metode znatno se povećala uvođenjem scintilacione merne tehnike. Minimalne dimenzije koje se mogu meriti postale su mnogo manje, a moguće je meriti debljine čak i krivih površina.

Debljina izvanredno tankih prevlaka može da se meri i drugim postupcima. Dodavanjem radioaktivnog fosforpentahlorida štamparskom mastilu bilo je moguće merenjem aktivnosti hartije proceniti količinu mastila utrošenu po jednoj stranici (80). Postupak je omogućio da se ustanovi optimalna količina mastila koja je potrebna za dobar otisak i da se ispita od kakvog je uticaja na to kvalitet hartije. Njim se mogu meriti količine mastila od 10 7/cm2. Ista je tehnika primenjena na ispitivanje impregnacije drveta, uvođenjem obeleženog SrCh u upotrebljavane rastvore.

Merenje nivoa tečnosti takođe počiva na apsorpciji zračenja. Postoje dve mogućnosti: ili se izvori γ-emitera u pogodnoj zaštiti nameštaju na raznim visinama sa spoljne strane suda koji sadrži tečnost, ili se snop zraka jednog pokretnog izvora upravlja prema raznim nivoima. Postupak je korišćen za merenje nivoa topljenog gvožđa u grafitnom tiglu, zatim kod termičkog razlaganja za utvrđivanje mesta katalizatora, za određivanje visine topljenog stakla u peći itd.

U proizvodnji stakla, sastojei se obeležavaju radioaktivnim Na, Ba ili P ili sa dva obeleživača jednovremeno, da bi se odredilo optimalno vreme topljenja smeše u peći, uslovi za homogenost smeše itd. (35).

8. — Raspodela izotopa prema njihovom korišćenju

Brz razvoj primene obeleživača u industriji, medicini i istraživačkom radu ogleda se u sve večim zahtevima za radioaktivnim izotopima, koji se postavljaju proizvodnim centrima. Tablice XXV. 1 do XXV. 4 pokazuju ovaj razvoj u Francuskoj (81), Velikoj Britaniji (82) (Harwell) i Sjedinjenim Državama (83).

Tablica XXV. 1. — Korišćenje radioaktivnih elemenata koje je proizveo Komesarijat za atomsku energiju (CEA.), Francuska

Izostavljeno iz prikaza