Fajans, Radioaktiivisuus, 1927

1,143 views

Published on

Fajansa 1927: Ydintekniikan tiedemies vajaat sata vuotta sitten sai tietää 'enemmän' kuin tänään. Säteilyn salat 'unohdettiin' 1900-luvun puolivälissä alan kirjallisuudesta ettei voimala nimikkeellä markkinoitu Plutonium keittimien vaarallisuus selviäisi työmuurahaisille.

Tämä kirja oli Arton hyllyssä josta se yhteistyössä nostettiin näkyville. Tässä videolla arto esittää sen tärkeintä antia nykypäivään: Kanavasäteily. Asia joka salaamalla voidaan kätkeä 'kaikki' plutonium teollisuuden perusteet 'voimala' -kyltin taakse. Katsopa:
Kopioi osoite selaimeesi:
Fajans: youtube.com/watch?v=LPVqPaHfDFk
Arton 'duunipaikka': youtube.com/watch?v=4xcqH0peXec

Published in: Technology
  • Be the first to comment

  • Be the first to like this

Fajans, Radioaktiivisuus, 1927

  1. 1. 2
  2. 2. 3
  3. 3. 4
  4. 4. 5
  5. 5. 6
  6. 6. 7 SISÄLLYSLUETTELO 12/2011 Kuvaluettelo.......................................................................................... 9 I LUKU. .............................................................................................. 12 Kemiallinen alkuaineoppi ennen radioaktiivisuuden keksimistä........ 12 l. Yleisiä näkökohtia. ...................................................................... 12 2. Alkuaineitten jaksoittainen järjestelmä....................................... 15 II Luku ................................................................................................ 21 Alkuaineitten radioaktiiviset muutokset. ............................................ 21 I. Radioaktiivisuus tienviittana uusia alkuaineita keksittäessä. ...... 21 a) Radiumin löytö ja sen ominaisuudet....................................... 22 b) Radiumemanaatio. .................................................................. 24 2. Alkuaineen muuttumiskyky........................................................ 25 3. Radioaktiivisten alkuaineitten säteily niitten muuttumisen seuralaisilmiönä. ............................................................................. 30 4. Radiumin hidas hajoaminen........................................................ 34 5. Muuttumisnopeus radioalkuaineen tunnuksena; radiumemanaation aktiivinen kerrostuma...................................................................... 37 6. Kolme radioaktiivista ryhmää..................................................... 40 III LUKU. ........................................................................................... 52 Radioalkuaineitten kemia.................................................................... 52 l. Radioalkuaineitten atomipainot. .................................................. 52 2. Radioalkuaineitten kemialliset ominaisuudet. ............................ 55 3. Radioalkuaineitten asema luonnollisessa järjestelmässä. ........... 59 Plejadi -ryhmä................................................................................. 62 IV LUKU. ........................................................................................... 66 Siirtymälait ja niitten sovellutuksia. ................................................... 66 1. Yleisiä näkökohtia. ..................................................................... 66 2. Uraani X₂.................................................................................... 67 3. Protaktinium, aktiniumin kanta-aine........................................... 70 4. Muita johtopäätelmiä. ................................................................. 75 V LUKU.............................................................................................. 79 Atomipaino ja isotooppien elinikä...................................................... 79 Uraaniradiumsarja ja toriumsarja.................................................... 80 Aktiniumsarja.................................................................................. 80 VI LUKU. ........................................................................................... 83 Hajoamissarjojen lopputuotteet ja isotooppiset lyijylajit.................... 83 1. Teoriaa. ....................................................................................... 83 2. Uraanilyijy. ................................................................................. 88 3. Toriumlyijy. ................................................................................ 91 4. Tavallinen lyijy. .......................................................................... 93 VII LUKU........................................................................................... 96 Isotooppisten alkuaineitten ominaisuudet........................................... 96 Lyijylajit, Taulukko 8. .................................................................... 97 VIII LUKU........................................................................................ 101 Äärimmilleen miedonnettujen aineitten kemialliset ominaisuudet... 101 IX LUKU. ......................................................................................... 106 Radioalkuaineet indikaattoreina........................................................ 106 X LUKU,........................................................................................... 109
  7. 7. 8 Tavallisten alkuaineitten isotopia. .................................................... 109 Kanavasäteet ..................................................................................... 111 Kanavasädemittauksen kehitys ..................................................... 113 Astonin keksintö tukee Proutin Hypoteesia.................................. 115 XI LUKU. ......................................................................................... 116 Alkuaineitten järjestysluvut. ............................................................. 116 K ja L -säteily................................................................................ 117 XII LUKU......................................................................................... 122 Atomien rakenne............................................................................... 122 l. Yleisiä käsitteitä......................................................................... 123 2. Atomiytimen varaus.................................................................. 125 3. Siirtymäsääntöjen ja isotopian selitys....................................... 127 4. Atomiydinten massa.................................................................. 131 XIII LUKU........................................................................................ 133 Atomien keinotekoinen hajoittaminen.............................................. 133 XIV LUKU. ...................................................................................... 143 Kemiallisen alkuainekäsitteen tarkistus............................................ 143 1. Alkuainekäsite ja isotopia......................................................... 144 1. Alkuainekäsite ja isotopia......................................................... 144 2. Alkuainekäsite ja radioaktiiviset muuttumisilmiöt................... 148 XV LUKU......................................................................................... 153 Jälkikatsaus ja tulevaisuuden näköaloja............................................ 153 Liite: Kanavasädeanalyysi ................................................................ 164 Astonin massaspektrograafi.......................................................... 164 Massaspektrograafin mittaustulokset............................................ 169 Tavallisten Alkuaineitten Isotoopit................................................... 172 Uusimmat tulokset ennen kirjan painoon menoa v.1927.............. 175 177 Alkuperäisen Kirjan Hakemisto................................................. 176 Uudistettu Versio 12/2011............................................................ 180
  8. 8. 9 Kuvaluettelo Kuva 1 Radiumemanaation hajoaminen ............................................. 27 Kuva 2 α-osasten ratoja ilmassa......................................................... 32 Kuva 3 α-säteilijöitten puoliajan ja niitten α-säteiden tunkeuman suhde. ..................................................................................................... 50 Kuva 4 Laite kanavasäteitten synnyttämiseksi ................................ 111 Kuva 5 Kanavasäteet Ilmakehän jalokaasujen seoksessa ................ 112 Kuva 6 Alkuaineitten L-sarjan röntgenspekrit.................................. 118 Kuva 7 Alkuainitten järjestysluku ja röntgensädespektri ................ 119 Kuva 8 α-osasten rata ilmassa.......................................................... 134 Kuva 9 α-osasen rata vedyssä .......................................................... 136 Kuva 10 ja Kuva 11: Kanavasäteiden testilaite; Ashtonin spektrometri165 Kuva 11 -->12 Kanavasäteilyn mittaustulokset............................... 169
  9. 9. 10 Johdanto. Vuonna 1896 keksi Henri Becquerel uuden ominaisuuden materiassa radioaktiivisuuden, osoittaessaan että uraanisuoloista ilman mitään ulkomaisia vaikutteita jatkuvasti lähtee läpitunkevia säteitä. Luonnontieteilijät ymmärsivät pian tämän keksinnön suuren merkityksen, ja jopa maallikkojenkin keskuudessa tuli tämä ilmiö hyvin tunnetuksi, kun vuonna 1898 Curie puolisoitten onnistui valmistaa puhtaita radiumsuoloja, joitten säteilykyky on paljon suurempi kuin uraanin. Aluksi kiinnitti eniten huomiota puoleensa se seikka, että varsin pienistä radium määristä vapautuu ilman mitään ulkonaisia toimenpiteitä suunnattomasti energiaa, joka ilmaiseikse radiumin lähettämänä säteilynä. Jos kiinnitetään pieni radiumsuolaa sisältävä putki itseänsä suuremman vesiastian kalorimetrin keskelle, niin imeytyy suurin osa säteilystä veteen ja tällöin havaitaan, että yhtä radiumgrammaa kohti kehittyy tunnissa suunnilleen 130 grammakaloriaa. s.o. niin suuri lämpömäärä, että se voi kohottaa 130 g:n suuruisen vesipaljouden lämpötilaa yhden asteen.
  10. 10. 11 Eikä tämä itseperäinen lämmönkehitys vuosikausiakaan kestäneenä huomioaikana havaittavasti vähentynyt, joten luultiin käsillä olevan jonkinlaisen ikiliikkujan, Perpetuum mobilen. Energian häviämättömyyden laki, joka edellisen vuosisadan puolivälistä saakka oli hallinnut luonnontieteellistä ajattelua ja tullut nykyaikaisen fysiikan pääperustaksi, näytti tässä tapauksessa joutuvan ristiriitaan tosiseikkojen kanssa. Saamme pian nähdä, millä tavoin on onnistuttu selittämään tämä näennäinen ristiriita ja siten riistämään radioaktiivisilta ilmiöiltä niiden fysiikalle kumouksellinen luonne. Sillä huolimatta niistä lukuisista tavattoman arvokkaista tuloksista, jotka radioaktiivisen tutkimuksen on onnistunut liittää fysiikalliseen oppirakennelmaan, voi täydellä syyllä väittää, ettei se ole vähääkään järkyttänyt aikaisempia totuuksia. Samoin ei kuitenkaan ole laita fysiikan sisartieteen kemian. Tämä ei tosin aluksi juuri lainkaan kiinnittänyt huomiotaan radioaktiivisiin ilmiöihin. Sen saattaa ymmärtää, kun ajattelee, että niitten menetelmien omalaatuisuus, joiden avulla tutkitaan useinkin aivan mitättömän pienin erin käytettävissä olevia radioaktiivisia aineita, helposti voi johtaa siihen käsitykseen, että nämä aineet muodostavat oman erillisen maailmansa, joka on ainoastaan hyvin heikossa yhteydessä muun maailman kanssa. Vasta vähitellen havaittiin yhä selvemmin näitten kahden maailman välinen läheinen, kiinteä yhteys, ja viimeisten parin vuoden aikana suoritetut tutkimukset ovat melkein täydellisesti poistaneet rajan ja samalla liittäneet aivan uusia näkökantoja kemialliseen oppirakennelmaan. Verrattomasti suurin merkitys radioaktiivisuudella on opille kemiallisista alkuaineista ja näitten välisistä suhteista. Radioaktiivinen tutkimus on kaikiksi ajoiksi painanut leimansa alkuaineoppiin. Se tosiseikka, että tällä hetkellä on välttämätöntä koetella kemian ehkä perustavimman käsitteen, kemiallisen alkuaineen käsitteen, kestävyyttä radioaktiivisen tutkimuksen tulosten kannalta, osoittaa selvimmin, miten kauas tämän tutkimuksen seuraukset kantavat.
  11. 11. 12 I LUKU. Kemiallinen alkuaineoppi ennen radioaktiivisuuden keksimistä. l. Yleisiä näkökohtia. Luokaamme aluksi silmäys alkuaineopin asemaan ennen radioaktiivisuuden keksimistä. Vanha, Robert Boylen seitsemännentoista vuosisadan keskivaiheilla laatima ja sittemmin Lavoisiefin tarkistama kemiallisen alkuaineen määritelmä, oli pysynyt täysin pätevänä. Kemiallisina alkuaineina pidettiin aineita, joita ei millään keinolla oltu voitu jakaa yksinkertaisenıpiin yhdysosiin. Tämä alkuaineen määritelmä on täysin empiirinen; se ei sano, ettei alkuainetta voi jakaa, vaan että alkuainetta ei ole kyetty jakamaan. On senvuoksi tärkeätä olla täysin selvillä niistä menettelytavoista, joita vielä aivan äskettäin käytettiin jaettaessa aineita osiinsa, joiden äärimmäisenä rajana alkuaineet ovat. Yleisin keino monimutkaisen seoksen jakamiseksi yhdysosiinsa perustuu alkuaineitten yhdistysten erilaiseen liukenevaisuuteen.
  12. 12. 13 Melkein jokaisella alkuaineella on useita luonteenomaisia reaktioita, jotka suurimmaksi osaksi johtuvat sen yhdistysten vaikealiukoisuudesta ja joita senvuoksi ei käytetä yksinomaan alkuaineen läsnäolon toteamiseksi ja siten kvalitatiivisen ana lyysin perustaksi, vaan myöskin sen erottamiseksi muitten alkuaineitten yhteydestä. On kuitenkin olemassa alkuaineita, ennen kaikkea n.s. harvinaisten maametallien ryhmään kuuluvat (lantaani, cerium, praseodym, neodym j. n. e.), joitten luonteenomaiset reaktiot ovat niin toistensa kaltaisia, että ne voidaan erottaa toisistaan ainoastaan jaoittelevasti saostamalla ja kiteyttämällä niitten suoloja, mikä on sangen paljon aikaa vievä toimenpide. Jos mainittujen menetelmien avulla on rnonimutkaisesta seoksesta saatu yhtenäinen yhdistys erotetuksi, niin koetetaan tätä edelleen jakaa osiinsa, joko fysiikallisin apukeinoin, kuten lämmittämällä ja sähkövirtaa käyttämällä, tai muitten aineitten kanssa tapahtuvan kemiallisen vuorovaikutuksen avulla. Tällä tavoin saadaan lopulta rajoitettu määrä aineita, joista, niitä edelleen samalla tavalla käsiteltäessä, ei milloinkaan muodostu aineita, jotka painaisivat vähemmän kuin lähtökohtana olleet aineet ja nämä aineet juuri ovat meidän alkuaineitaimme. Erikoista huomiota ansaitsee vielä n.s. jalokaasujen ryhmä, jolıon kuuluvat helium, neon, argon, krypton ja ksenon.
  13. 13. 14 14 Koska ne eivät saata muodostaa yhdistyksiä muitten alkuaineitten kanssa, voidaan ne erottaa toisistaan ainoastaan käyttämällä fysiikallis-kemiallisia menetelmiä, kuten jaoittelevaa nesteyttämistä tai nesteytetyn kaasun jaoittelevaa haihdutusta. Mainittakoon vielä lopuksi, että syntynyt kysymys siitä, onko helium alkuaine vai seos, tuli ratkaistuksi edellisen vaihtoehdon eduksi sillä perusteella, että koe heliumin hajoittamiseksi jaoittelevan diffusion avulla antoi kielteisen tuloksen. Siihen saakka, jolloin radioaktiivisuus tuli tunnetuksi, oli kaikkia näitä hajoittamismenetelmiä käyttäen keksitty suunnilleen 80 alkuainetta. Vallitsevan käsityskannan mukaan on mahdollista jakaa määrätty alkuainemäärä ainoastaan sellaisiin osiin, joilla on samat ominaisuudet kuin lähtökohtanakin olleella aineella. Tällä alkuaineitten mekaanisella jaollisuudellakin on atomiteorian mukaan rajansa, joka saavutetaan, jos esim. 1 g vetyä jaetaan 6,06 x 10 ²³ :een (1. yhtäsuureen osaan, joita nimitetään vetyatomiksi. Vastaten tunnettujen alkuaineitten lukua oletettiin olevan olemassa suunnilleen 80 erilaista atomia ja niistä sitten otaksuttiin koko maailman muodostuneen. Koska on mahdotonta hajoittaa alkuaineita, on siis ainoa, mitä alkuaineitten alomeille voi tehdä, yhdistää joko samanlaisia tai erilaisia atomeja keskenään molekyyleiksi. Atomit itse pysyvät sen sijaan muuttumattomina ja ne voidaan aina uudelleen eristää yhdistyksistään. (1. 10n merkitsee lukua, jossa ykkösen jälkeen seuraa n nollaa; esim. 10⁶ on = 1 000 000; 10-n merkitsee 1/10x.
  14. 14. 15 Oli siis mahdollista muodostaa alkuaineitten katoamattomuuden laki. Kaikki määrätyn alkuaineen atomit ovat täydellisesti toistensa kaltaisia. Niillä an ennenkaikkea sama massa ja sama paino, jonka suhteellista suuruutta, verrattuna happiatomin 16,000;ksi määrättyyn painoon, sanotaan asianomaisen alkuaineen atomipainoksi. Atomipainoa pidettiin sangen tärkeänä alkuaineen ominaisuutena. Olihan se ainoa ominaisuus, joka oli kaikista ulkonaisista seikoista täysin riippumaton; se oli vakio sanan todellisessa merkityksessä. Tähän tulee lisäksi atomipainon tavattoman suuri käytännöllinen merkitys, se kun on jokaisen kvantitatiivisen analyysin ja kemiallisen laskennon pohjana. Samalla kun atomipaino on alkuaineen tärkein ominaisuus, kun on kysymys sen kvantitatiiviskemiallisista ominaisuuksista, on jo mainittujen luonteenomaisten reaktioiden rinnalla sen valo-opillista spektriä pidettävä erittäin tärkeänä ominaisuuteııa sen kvalitatiiviselle tuntemiselle. Jokaisella alkuaineella on ominainen spektrinsä, ja harvinaiset maametallit sekä jalokaasut, jotka muuten miltei kaikessa tavattomasti muistuttavat toisia oman ryhmänsä alkuaineita, voidaan spektrinsä avulla helposti erottaa toisistaan. 2. Alkuaineitten jaksoittainen järjestelmä. Kemiallisen hajoittelutaidon onnistui siis saada selville noin 80 materian rakennuskiveä, joihin sen täytyi pysähtyä.
  15. 15. 16 16
  16. 16. 17 Tämän lukumäärän suuruus tekee ymmärrettäväksi, että jo aikaisin suhtauduttiin epäilevästi siihen mielipiteeseen, jonka mukaan nämä olisivat äärimmäisiä rakennuskiviä, ilman mitään keskinäistä yhteyttä, ja että koetettiin ainakin välillistä tietä päästä selville alkuaineitten kesken vallitsevista läheisistä suhteista. Näitten pyrkimysten tärkeimpänä saavutuksena viime vuosisadalta on pidettävä alkuaineitten jaksoittaista eli luonnollista järjestelmää. Sen laadinnalle raivasivat tietä monet tutkijat, varsinkin de Chancourtois (1862) ja J. Newlands (1864), mutta Lothar Meyer ja Dmitri Mendelejeff antoivat sille v. 1869 lopullisen muodon. Ensimmäinen taulukkomme esittää jaksoittaisen järjestelmän ennen radioaktiivisuuden keksimistä. Järjestelmää sommiteltaessa valittiin sen perustaksi alkuaineitten atomipainot. Jaksoittainen järjestelmä nimittäin sanoo, että kemiallisten alkuaineitten ollessa järjestettynä sarjaan atomipainojensa mukaan tässä sarjassa esiintyy määrättyjen säännöllisten välimatkojen, jaksojen, päässä alkuaineita. jotka kemiallisine ja fysiikallisine ominaisuuksineen muistuttavat toisiaan. Jos esim. alkaen litium-metallista. joka seuraa helium-jalokaasua, tarkastamme toisen vaakasuoran rivin alkuaineita järjestyksessä kutakin, niin huomaamme, että näiden aineiden kemiallinen luonne yhä enemmän eroaa litiumista ja halogeeni fluori on viimein alkalimetallin täydellinen vastakohta.
  17. 17. 18 18 Mutta seuraava askel vie uudelleen jalokaasuun (neoniin), jota jälleen seuraa alkalimetalli (natrium) ja seuraavat kolmannen rivin alkuaineet muistuttavat kemiallisessa suhteessa kukin sitä toisen rivin alkuainetta, joka on sen yläpuolella. Niinpä esim. halogeeni kloori on suuresti fluorin kaltainen. Tämä uudistuu, joskin määrätyin poikkeuksin ja erikoisuuksin, aina taulukon loppuun saakka. Samankaltaiset alkuaineet on taulukossa järjestetty pystysuoriin riveihin, ja ne muodostavat järjestelmän kahdeksan ryhmää, joista kukin on jaettu kahteen alaryhmään (1. Siten on esim. toisessa ryhmässä, jonka kaikilla jäsenillä on kaksiarvoisuus yhteistä, alkuaineilla Be, Mg, Ca, Sr ja Ba toiselta puolen sekä alkuaineilla Zn, Cd ja Hg toiselta puolen enemmän yhteisiä ominaisuuksia keskenään kuin eri alaryhmien alkuaineilla toisiinsa nähden. Järjestelmän perusajatus voidaan myös esittää siten, että alkuaineitten ominaisuudet ovat atomipainojensa jaksoittaisia funktioita. Atomipainoa pidetään sen mukaan perusominaisuutena, josta enimmät muut ensi sijassa riippuvat. Tätä saavutusta lukuunottamatta lienee tämän järjestelmän tärkeimpänä tuloksena pidettävä sitä, että sen avulla voitiin edeltäpäin määrätä vielä keksimättömien alkuaineitten lukumäärä. (1. Kuten edempänä (siv.75 ja taulukko 9) vielä osoitamme, on edullista pitää taulukossa toisistaan erotettuja ryhmiä 0 ja VIII saman ryhmän alaryhminä.
  18. 18. 19 Sillä jokaisella alkuaineella täytyy olla paikkansa järjestelmässä, ja järjestelmänän sisältämien paikkojen luvun pitää siis olla yhtä suuri kuin olemassaolevien alkuaineitten luku. Kuten tunnettua on tätä ajatusta loistavasti tukenut alkuaineitten scandiumin, galliumin ja germaumin keksiminen; näitten alkuaineitten paikat olivat vielä jaksoittaisen järjestelmän laatimisen aikana tyhjät. Melkoisia vaikeuksia tuotti tämän ajatuksen sovelluttaminen ainoastaan harvinaisten maametallien kohdalla edempänä palaamme vielä tähän, kuten erinäisiin muihinkin järjestelmän erikoisuuksiin. Mitkä syvemmät syyt aiheuttavat alkuaineitten ominaisuuksien jaksoittaisen uusiintumisen, on kysymys, johon emme vielä nytkään, 50 vuotta tämän säännönmukaisuuden keksimisen jälkeen, voi antaa pätevää vastausta. Emme varmasti tiedä, miksi alkuaineitten järjestelmä on jaksoittainen. Kuitenkin juuri se tieto, että ylipäänsä on olemassa alkuaineitten järjestelmä, on Mendelejeffin keksinnön suuri voitto. Sillä se näytti vakuuttavasti, että alkuaineilla täytyy olla jotain muutakin yhteistä kuin vain niille kaikille ominainen vastahakoinen suhtautuminen kemistin hajoittelutaitoon. Vanha ajatus kaikkien alkuaineitten pohjana olevasta alkumateriasta heräsi jälleen eloon. Samalla täytyi kuitenkin luonnollisen järjestelmän olemassaolosta olla seurauksena, että, mikäli alkuaineot todellakin ovat yhdistettyjä, niitten kokoonpano on olemukseltaan samanlaatuinen.
  19. 19. 20 Meidän ei ole tarvis tässä selostaa, minkälaisia muotoja jaksoittaisen järjestelmän elvyttämät mietiskelyt alkuaineitten yhdysperäisestä luonteesta saivat: kuitenkin mainittakoon ensimmäinen tämän laatuinen, englantilaisen lääkärin W. Proutin v. 1815 laatima hypoteesi, jonka mukaan vety on kaikkien alkuaineitten yhteinen alkumateria. Prout selitti kaikkien vetyä raskaampien atomien olevan kokoonpannut kokonaisasta luvusta vetyatomeja, ja hän väitti, että kaikkien alkuaineitten atomipainot tämän olettamuksen kanssa sopusoinnussa olisivat vedyn atomipainon kokonaiskerrannaisia. Silmäys taulukon 1 atomipainoihin näyttää kuitenkin, että, joskin se eräisiin alkuaineisiin nähden on likipitäen totta, niin useissa tapauksissa poikkeukset ylittävät atomipainoarvojen epävarmuusrajan. Siitä huolimatta on nyttemmin, kuten pian saamme nähdä, Proutin perusajatus osoittautunut aivan oikeaksi.
  20. 20. 21 II Luku Alkuaineitten radioaktiiviset muutokset. I. Radioaktiivisuus tienviittana uusia alkuaineita keksittäessä. Ensimmäinen tärkeä tulos, jonka radioaktiivisuuden keksiminen tuotti alkuainetutkimukselle oli periaatteellisesti uusi menetelmä alkuaineitten löytämiseksi. Kuten Becquerel osoitti, lähettävät uraanivalmisteet läpitunkevia säteitä, jotka mustaavat valokuvauslevyn, saattavat fluoressoivat aineet loistamaan ja tekevät ilman sähköäjohtavaksi eli, kuten sanotaan, ionisoivat ilman. Tämän ionisoivan vaikutuksen voimakkuus ja siten myöskin radioaktiivisen säteilyn voimakkuus voidaan mitata määräämällä varautuneen elektroskoopin tai elektrometrin purkautumisnopeus. Nyt näytti Marya Curie-Sklodowska tämän menetelmän avulla, että eri uraanisuolojen radioaktiivinen vaikutus on suhteellinen niitten uraanipitoisuuteen, joten siis radioaktiivisuus on ominaista uraani alkuaineelle ja tämän atomiominaisuus, joka on riippumaton uraaniatomin kemiallisista sitoutumissuhteista.
  21. 21. 22 a) Radiumin löytö ja sen ominaisuudet. Tämä tieto kantoi pian runsasta hedelmää. Sillä sen jälkeen kun rouva Curie oli todennut uraanimineraaleilla olevan voimakkaamman aktiivisuuden kuin niitten uraanipitoisuus edellyttäisi, hän päätti näitten mineraalien sisältävän uraanin ohella toisenkin alkuaineen, voimakkaasti aktiivisen. Herra ja rouva Curie ovat sen vuoksi tarkan järjestelmällisen kemiallisen analyysin avulla tutkineet uraanipikivälkettä erottaakseen siitä uuden radioaktiivisen alkuaineen. Elektrometrin avulla suoritetut tutkimukset eri jaoitteitten säteilyn voimakkuudesta olivat oppaana kemiallisessa hajoittelutyössä, ja todella onnistuttiinkin (1898) keskittämään huomattava osa mineraalin aktiivisuudesta bariumiin. Kuitenkin epäonnistuttiin yritettäessä reagenssien avulla edelleen erottaa tämä radioaktiivinen aine bariumista, ja tämän vuoksi otettiin avuksi jo harvinaisten maametallien yhteydessä mainittu erottamiskeino suolojen jaoitteleva kiteyttäminen. Tällä tavalla voitiin radioaktiivisuutta yhä edelleen keskittää ja lopulta saatin tuote, jonka aktiivisuus painoyksikköä kohden oli enemmän kuin miljoonakertainen uraanin aktiivisuuteen verrattuna, ja jota ei enää voitu lisätä.
  22. 22. 23 Täten oli saatu uuden alkuaineen, joka sai nimekseen radium, kemiallisesti puhdasta suolaa. Vastalöydetty aine suhtautui täydellisesti alkuaineen tavoin. Sillä todettiin olevan uusi luonteenomainen spektri, jonka avulla radiumin läsnäolo bariumseoksissaan voidaan todeta yhtä varmasti, joskin vähemmän herkästi kuin radioaktiivista menetelmää käyttäen myöhemmin kykenivät rouva Curie ja A. Debierne (1910) elektrolysoimalla radiumkloridiliuosta valmistamaan radium-metallia, joka osoitti omaavansa koko lähtökohtana olleen suolan radioaktiivisuuden, mikä on täydessä sopusoinnussa sen olettamuksen kanssa, että radioaktiivisuus on atomiominaisuus. Myöskään ei radiumin sijoitus jaksoittaiseen järjestelmään tuottanut mitään vaikeuksia. O. Hönigschmidin mukaan on radiumin atomipaino 225,97, sen kemialliset ominaisuudet ovat monessa suhteessa samankaltaiset kuin bariumin, ja siten soveltuu mitä parhaiten sijoittaa radium järjestelmän toiseen ryhmään viimeiselle vaakasuoralle riville, mikä paikka oli ennen sen keksimistä tyhjä (vrt. taulukkoja 1 ja 9). Uusi alkuaine on siten II ryhmän sen alaryhmän, johon barium kuuluu, korkein homologi. Radioaktiivisia ominaisuuksiaan lukuunottamatta suhtautuu radium siis aivan tavallisen alkuaineen tavoin, ja se olisi luultavasti jo aikaisemminkin löydetty tavallisin kemiallisin keinoin, jollei sitä esiintyisi luonnossa niin suunnattoman pienissä erissä. Suurin radiummäärä, mikä on saatu 1 g:sta jotain uraanimineraalia on alle 3/10000 (3x10⁴) mg.
  23. 23. 24 Joachimstalin pikivälke on radiumrikkainta suurissa, teknillisesti käytettävissä määrin esiintyvistä malmeista. Mutta sitäkin tarvittaisiin 7000 kg, jotta saataisiin 1 g radiumia vaikkei mitään menisikään hukkaan. Tämän tavattoman niukan esiintymisensä vuoksi täytyi radiumin keksimisen jäädä radioaktiivisin menetelmin suoritettavaksi. Nämä ovat niin herkkiä, että vaikeudetta voidaan elektroskoopin avulla osoittaa ja todeta vielä 10⁻⁵ mg:n suuruinen radiummäärä. b) Radiumemanaatio. Tällä uudella, aivan erinomaisella analyyttisella keinolla on ollut mahdollista löytää paljon muita alkuaineita, jotka esiintyvät vielä pienoinmin erin kuin radiuın. Suuntaamme huomiomme ennen kaikkea erääseen erikoisen mielenkiintoiseen alkuaineeseen, nimittäin E. Dornin (1900) löytämään radiumemanaatioon. Radiumemanaatio, jolla on myöskin nimi niton, on voimakkaasti radioaktiivinen kaasu, jota aina tavataan radiumvalmisteitten lähettyvillä ja jota radiumsuolaliuoksista voidaan pumppuamalla erottaa, kuitenkin ainoastaan äärimmäisen vähäisiä määriä. Suurin määrä radiumemanaatiota, joka voidaan saada 1 g:sta radiumalkuainetta (hinta ennen sotaa noin puoli miljoonaa mk) on ainoastaan 5/1000 mg.
  24. 24. 25 Yritettäessä määrätä radiumemanaation kemiallisia ominaisuuksia selvisi, että se jalokaasujen tavoin on kemiallisesti täysin tehoton, mikä suuresti helpoitti kemiallisesti puhtaan emanaation erottamista (E Rutherford, W. Ramsay y.m). Saatettiin todeta sen omaavan uuden, Iuonteenomaisen spektrin, sitä voitiin nesteyttää ja sen kiehumapiste normaalipaineessa on 65°. Erikoisen mikrovaa`an avulla voivat W. Gray ja Sir William Ramsay jopa punnitakin tilavuudeltaan määrätyn määrän radiumemanaatiota ja siten he saivat selville myöskin sen tiheyden. Olettaen, että emanaation molekyyli sisältää ainoastaan yhden atomin kuten muutkin jalokaasut, saatin tästä emanaation atomipainoksi noin 223, kun taasen A. Dobierne erään nerokkaan diffusiomenetelmän avulla sai arvon 220. Kaikki nämä emanaation ominaisuudet osoittavat epäämättömästi, että se on uusi kaasumainen alkuaine, jolle luonnollisessa järjestelmässä kuuluu ennen tyhjä paikka viimeisellä vaakasuoralla rivillä jalokaasujen ryhmässä. 2. Alkuaineen muuttumiskyky. Olemme tarkemmin tehneet selkoa kahdesta radioaktiivisesta alkuaineesta, radiumista ja radiumemanaatiosta, koska ne sopivat erikoisen hyvin esimerkiksi selitettäessä tärkeintä perustotuutta, josta kemia on kiitollisuudenvelassa radioaktiivisuudelle. E. Rutherford ja F. Soddy esittivät v. 1902 sen tavattoman rohkean mielipiteen, että radioaktiivisten ilmiöitten olemus on alkuaineitten muuttuminen.
  25. 25. 26 Sen enempää puuttumatta tähän käsityskantaan johtaneeseen mielenkiintoiseen kehitykseen selostainme heti sen kokeen. jonka ensiksi tekivät Ramsay ja Soddy v. 1902 ja joka on kemisteille mitä yllättävimpänä todistuksena tämän ajatuksen oikeutuksesta. Jos pieneen putkeen suljetaan tietty määrä radiumemanaatiota, niin voidaan sen hajaantumista seurata joko mittaamalla siitä lähtevä läpitunkeva säteily, tarkastamalla sen tilavuutta tai spektroskoopin avulla. Nyt osoittavat nämä kaikki kolme menettelytapaa, että emanaation määrä vähitellen ajan kuluessa vähenee ja kuukauden kuluttua on putkessa vain mitätön murto-osa alkuperäisestä määrästä jäljellä. Emanaatio siis häviää. Sen sijaan voidaan spektroskoopin avulla helposti todeta putkessa muodostuvan toista alkuainetta, nimittäin heliumia. Alkuaineesta on siis syntynyt toinen. Alkuaineen häviäminen ja samanaikaisesti tapahtuva toisen alkuaineen syntyminen on jyrkässä ristiriidassa aikaisemmin mainitun alkuaineitten katoamattomuuilen lain kanssa. On sen vuoksi selvää, että on kysymyksessä tosiasia, joka koskettaa alkuaineen olemuksen peruskäsitettä. Voidaksemme täysin tajuta sen merkityksen meidän on lähemmin tarkasteltava tätä alkuaineen muuttumista (11. s. radioaktiivista muuttumista). Sangen tärkeä on kysymys, kuinka kauan tämä muutos kestää.
  26. 26. 27 Tämä voidaan helposti ja tarkasti saada tietää useasti elektroskoopin avulla mittaamalla emanaatiosta lähtevän säteilyn voimakkuus, sillä radioalkuaineen lähettämän säteilyn voimakkuus on, kuten monasti on todettu, verrannollinen sen ainepaljouteen. Kuva 1 Radiumemanaation hajoaminen Tätä keinoa käyttäen on havaittu, että tietystä emanaatiopaljoudesta on 3,85:n päivän kuluttua ainoastaan puolet jäljellä, seuraavien 3,85 päivän kuluttua on vain neljäsosa, sitten kahdeksasosa i. n. e.; jokaisen 3,85:n päivän kuluessa vähenee emanaatiomäärä aina puolella (vrt. kuvaa 1). Kuukauden kuluttua ei ole täyttä puolta prosenttia, 100 päivän kuluttua hiukan enemmän kuin yksi tuhatmiljoonasosa alkuperäisestä määrästä jälellä.
  27. 27. 28 Mainittua 3,85:n päivän pituista aikaa sanotaan emanaation puoliajaksi. Kuten yksinkertaisen laskun avulla voidaan osoittaa, ylläselostettu suhtautuminen vastaa lakia, jonka mukaan muuttumisnopeus, s. o. aikayksikössä muuttuvien atomien lukumäärä on kullakin hetkellä suhteellinen läsnäolevien atomien lukumäärään, s. o. aikayksikössä hajaantuva murto-osa on riippumaton atomien absoluuttisesta luvusta. Emanaation muuttumisnopeus ja, minkä tässä heti voimme mainita, myöskin kaikkien muitten yksiperäisten radioalkuaineitten muuttumisnopeus on kemiallisten tapahtumien nopeutta käsittelevästä opista saamiemme tietojen mukaan sama kuin sellaisten reaktioitten nopeus, joissa ainoastaan yksi molekyyli muuttuu, n. s. monomolekyyliset reaktiot. Sen vuoksi herää kysymys, onko välttämätöntä hyväksyä niin kumouksellinen käsitys, että emanaation muuttuessa tapahtuu alkuaineen hajoaminen, ja eikö emanaatio ehkä sittenkin ole heliumin kemiallinen yhdistys, jonka hajaantumisen yhdysosiinsa olemme oppineet tunteınaan. Ottamatta lainkaan huomioon sitä, että, kuten jo mainittiin, emanaatiolla on kaikki alkuaineen yleiset tuntomerkit, sen muuttuminen eroaa monessa suhteessa periaatteellisesti kemiallisesta hajaantumisesta. Kemiallisen reaktion nopeuteen voi nimittäin vaikuttaa kaikenlaisten ulkonaisten vaikuttimien avulla, kuten liuotinta vaihtamalla, kontaktiaineita, ns, katalysaattoreita käyttämällä ja ennen kaikkea lämpötilaa muuttamalla.
  28. 28. 29 Erään tunnetun säännön mukaan voidaan useimpien kemiallisten reaktioitten nopeus tehdä kaksin tai kolminkertaiseksi kohottamalla lämpötilaa 10°. Aivan toisin on radioaktiivisten prosessien laita: on yritetty vaikuttaa emanaation ja monien muitten radioalkuaineitten muuttumisnopeuteen, mutta ei edes lämpötilan vaihtelu -25C°:sta 1000°:een kyennyt vähintäkään vaikuttamaan radioaktiivisiin muuttumisilmiöihin taikka niitten säteilyn voimakkuuteen. Tehokkainkin käsittely Röntgen tai katodisäteillä, jopa radioaktiivisista aineista lähtevällä säteilylläkin jäi tuloksettomaksi.Vielä tänäkään päivänä ei kyetä millään tavoin vaikuttamaan luonnollisiin 1 (vrt. lukua, XIII) radioaktiivisiin muutoksiin, emme kykene niitä vilkastuttamaan emmekä hidastuttamaan. Tällä seikalla on niin tavattoman suuri merkitys, että ehdottomasti täytyy pitää radioaktiivisia muuttumisilmiöitä ja kemiallisia prosesseja luonteeltaan täysin erilaisina. Kemiallisten reaktioitten tapahtuessa yhdistysten molekyyleissä radioaktiiviset prosessit tapahtuvat alkuaineitten atomeissa.
  29. 29. 30 3. Radioaktiivisten alkuaineitten säteily niitten muuttumisen seuralaisilmiönä. Tarkastamalla yhteyttä, joka vallitsee radioalkuaineitten säteilyn ja vastamainitun heliuminmuodosturnisen välillä saa hyvän käsityksen radioaktiivisten prosessien luonteesta. Erotetaan kolme eri lajia radioaktiivisten ainoitten säteilyä, nimittäin: - Αlfa-α, - Beta-β ja - Gamma-Ɣ-säteet. Ainoastaan Ɣ-säteet ovat säteilyä sanan ahtaammassa merkityksessä, ne ovat nimittäin, samoin kuin Röntgensäteetkin, sähkömagneettista aaltoliikettä; ne täytyy rinnastaa valonsäteitten kanssa ja eroavat näistä yksinomaan paljoa pienemmän aallonpituutensa puolesta. Ne eivät poikkea sähköisessä tai magneettisessa kentässä suunnastaan ja niitten läpitunkeutumiskyky on niin suurii, että ne kykenevät lävistämään monta senttimetriä paksun lyijylevyn. Sitävastoin ovat αja β-säteet hyvin nopeasti liikkuvia sähköllä varautuneita osasia ja, kuten niiden suhtautuminen magneettisessa ja sähköisessä kentässä todistaa, β-osasilla on negatiivinen ja α-osasilla positiivinen varaus. β-säteet ovat yksinkertaisesti negatiivisia elektroneja ja eroavat purkautumisputkissa syntyvistä katodisäteistä ainoastaan niitä suuremman nopeutensa vuoksi; eri radioalkuaineista lähteneitten β-säteitten nopeus vaihtelee 100 000:n ja miltei 300 000:n km välillä sekunnissa.
  30. 30. 31 Muutoin ne ovat katodisäteitten tavoin vapaan negatiivisen sähkön atomeja, joitten yksikkövaraus e = 1,59 x 10 ⁻¹⁹ coulombia, mikä on sähkön jaollisuusraja ja mitä sanotaan sähköerkaleeksi. Yksiarvoisella atomilla, esim. vetyatomilla tai klooriatomilla, on ollessaan ionina liuoksessa samansuuruinen varaus, kun sen sijaan suurempivalenssisilla atomeilla, esim. rauta-atomilla, on tämän varauksen kokonaiskerrannainen. Elektronin, siis myös β-osasen, massa on ainoastaan 1/1830:s osa vetyatomin massasta (vrt. sivu 4). β-säteet kykenevät tunkeutumaan korkeintaan muutaman millimetrin paksuisten kiinteitten aineitten läpi. Sen aluminiumlevyn paksuutta, joka kykenee pienentlimään radioalkuaineen β ja Ɣ säteitten tehon puoleksi alkuperäisestä sanotaan »puolipaksuudeksi», millä nimellä se esiintyy taulukoissa 2, 3 ja 4. Meille erikoisen mielenkiintoinen on α-osasten luonne. Niitten nopeus vaihtelee eri radioalkuaineilla 15 000:n ja 20 000:n km välillä sekunnissa. Radioaktiivisen säteilyn kolmesta sädelajista on niillä pienin läpitunkeutumiskyky. Määrätyllä nopeudella liikkuvat α-säteet kykenevät tunkeutumaan ainoastaan paksuudeltaan jyrkästi rajoitetun ainekerroksen läpi, minkä paksuus vaihtelee eri aineilla, ja tämän ainekerroksen toisella puolella yhdeusuuntaisen α-sädekimpun kaikki vaikutukset täydellisesti lakkaavat. Tämän ainekerroksen paksuus, jota sanotaan α-säteitten tunkeumaksi, on yleensä sitä pienempi, kuta tiheämpää kyseessäoleva aine on. Määrätyssä aineessa on eri nopeitten α-osasten tunkeuma verrannollinen nopeuden kolmanteen potenssiin (H. Geiger 1910)
  31. 31. 32 Kuva 2 α-osasten ratoja ilmassa Kuva 2 esittää C. T. R. Wilsonin nerokkaan menetelmän avulla näkyväksi tehtyjä eräästä radiumvalmisteesta säteile vien α-osasten ratoja ilmassa. Nykyään tunnettujen α-säteitten tunkeuma on 15°:sessa ja 760 mm:n paineisessa ilmassa 2,5:n ja 8,5:n cm:n välillä, kun sen sijaan 0.06 mm:n paksuinen aluminiumlevy pidättää nopeimmatkin α-säteet täydellisesti. α-osasilla olevan positiivisen varauksen suuruus voidaan määrätä seuraavalla tavalla.
  32. 32. 33 Kun α-säteet kohtaavat sinkkisulfidivarjostimen taikka timantin niin ne saattavat nämä aineet hetkiseksi loistamaan. Jos nyt annetaan hyvin heikon säteilyn vaikuttaa ja tarkastellaan loistavaa ainetta sunrennuslasilla (J. Elster, Il Geitel, W. Crookes 1903), niin nähdään sekä aikaan että paikkaan nähden erillisiä valonvälkähdyksiä joita sanotaan tuikahduksiksi (scintillatio). E. Regener, Rutherford ja Geiger (1908) määräsivät nyt niitten tuikahdusten luvun (n), jotka määrätty radioaktiivinen valmiste aikayksikössä synnyttää, sekä myöskin valmisteesta aikayksikössä lähtevien α-säteitten positiivisen kokonaissähkövarauksen (E), E/n on silloin yhtä tuikahdusta (yhtä α-osasta) vastaava varaus ja sen havaittiin olevan täsmälleen = 2 e (vrt. sivua 14). Yhdellä α-osasella on siis kaksi kertaa niin suuri varaus kuin yhdellä vetyionilla, toisin sanoen, sillä on sama varaus kuin kaksiarvoisella metalliatomilla on liuoksessa. Mitä mielenkiintoisinta oli sen tosiseikan toteaminen, etta α-osasen positiivinen varaus on liittynyt heliumatomiin. Rutherford, joka ensimmäisenä, aluksi välillistä tietä, tuli tähän tulokseen, saattoi (1909) yhdessä T. Roydsin kanssa spektroskooppisesti varmentaa väitteensä todenperäisyyden. Pantiin radiumemanaatiota pieneen lasiputkeen, jossa oli niin ohuet seinämät, että vaikka heliumkaasu ei päässytkään tunkeutumaan niitten läpi, niin ne eivät silti estäneet nopealiikkeisten α- osasten kulkua.
  33. 33. 34 Muutamien päivien kuluttua, emanaation osaksi hajottua, voitiin tätä pientä ohutseinäistä lasiputkea ympäröivässä laajemmassa putkessa spektroskooppisesti todeta olevan heliumia, mistä suorastaan voidaan päättää, että emanaatiosta lähteneet α-osaset muuttuvat heliumatomeiksi menetettyään positiivisen varauksensa. Heliumin muodostuminen radioalkuaineitten hajotessa on siis välittömässä yhteydessä α-säteilyn kanssa, mikä vuorostaan, samoin kuin myöskin β ja Ɣ-säteily, on alkuaineitten muuttumisen seuralaisilmiö. 4. Radiumin hidas hajoaminen. Radiumemanaation olemme oppineet tuntemaan verrattain lyhytiäiseksi alkuaineeksi, joten sitä siis täytyy alituisesti muodostua lisää, ja koska sitä aina tavataan radiumin lähettyviltä, on tätä pidettävä emanaation kanta- aineena. Siis ei myöskään radium voi olla luonteeltaan pysyväistä, vaan on sekin muuttuvaista. Todella voidaankin helposti todeta radiumsuolan, joka esim. keittämällä sitä liuosmuodossa on puhdistettu emanaatiosta, aivan emanaation tavoin erittävän itsestään α-osasta, s. o. synnyttävän heliumia, ja me päädymme siten tulokseen: radium = emanaatio + helium.
  34. 34. 35 Nyt on radiumin atomipaino 226,0 ja heliumin 4,0. Jos siis jokaisesta radiumatomista syntyy yksi atomi sekä heliumia että emanaatiota, pitäisi emanaation atomipainon olla 226,0 4,0= 222,0, ja todella onkin, kuten jo aikaisemmin mainittiin, kokeellisesti, käyttämällä kahta, ainoastaan likimääräisiä arvoja antavaa menettelytapaa, saatu emanaation atomipainon arvoksi 220-223, mikä on tyydyttävässä sopusoinnussa teoreettisen arvon kanssa. Näennäinen ristiriita vallitsee radiumin hajoamista koskevan olettamuksen ja sen tosiseikan välillä, että vuosikausiakaan kestäneenä huomioimisaikana ei voitu havaita mitään vähennystä radiumin ainemäärissä eikä myöskään sen säteilyn tehossa. Tämä johtuu kuitenkin siitä, että radiumin hajoaminen tapahtuu vain varsin hitaasti, s.o. siitä, että radiumin elinikä on hyvin pitkä. Mainittakoon tässä eräs niistä keinoista, joitten avulla radiumin ja muittenkin hitaasti hajoavien radioalkuaineitten puoliaika saadaan selville. Tuikahdusmenetelmää käyttäen voidaan määrätä 1g:sta radiumia aikayksikössä singonneitten α-osasten luku. Jakamalla tämän luvun sillä tunnetulla luvulla, joka ilmoittaa 1g;ssa radiumia olevien atomien lukumäärän, saamme tietää, kuinka suuri murto-osa kulloinkin läsnäolevista atomeista aikayksikössä hajaantuu, minkä nojalla on helppoa laskea radiumin puoliaika. Tämän, sekä muitten menettelytapojen avulla on radiumin puoliajaksi saatu noin 1600 vuotta.
  35. 35. 36 Ottaen huomioon tämän korkean arvon ymmärrämme myöskin, minkä vuoksi radiumin lämmönkehitys on näennäisesti vakinainen, minkä tosiasian aikoinaan, kuten alussa mainittiin, luultiin olevan ristiriidassa energian pysyväisyyden lain kanssa. Tämä lämmönkehitys on nimittäin radioaktiivisen hajoamisen seuralaisilmiö, se on niin sanoaksemme sen reaktiolämpö ja se on sangen tarkoin yhtä suuri kuin radiumsäteitten liike-energia. Se siis todellakin vähenee saman verran kuin itse radiuminkin massa, siis liian hitaasti, jotta vähennys lyhyessä ajassa olisi huomattavissa. Mutta koska radiumin hajoamisnopeus tiedetään, niin voidaan jokatuntisesta lämmönkehityksestä helposti laskea, paljoko lämpöä vapautuu yhden gramma-atomin (226 g) radiumia hajotessa käytännön kannalta täydellisesti emanaatioksi, mikä tapahtuma kestää useita tuhansia vuosia. Laskun tulos on tavattoman mielenkiintoinen, nimittäin yli 10¹¹ (satatuhatta miljoonaa) grammakaloriaa, kun sen sijaan erään, tuntemistamme kemiallisista reaktioista tarmokkaimman, vedyn palamisen vedeksi, ohella tapahtuva lämmönkehitys on ainoastaan 68 000 kaloriaa grammamolekyyliä (18 g vettä) kohti, ei siis edes miljoonatta osaa edellisestä arvosta. Paitsi sitä, että radioaktiivisiin tapahtumiin ei millään tavoin voi vaikuttaa, suunnaton lämmönkehitys on olennainen eroavaisuus, joka erottaa ne kemiallisista reaktioista.
  36. 36. 37 37 5. Muuttumisnopeus radioalkuaineen tunnuksena; radiumemanaation aktiivinen kerrostuma. Radioaktiivisiin tapahtumiin ei voi vaikuttaa: Se seikka, että radioaktiivisuus on atomiominaisuus ja että radioaktiivisiin tapahtumiin ei voi millään ulkonaisella tekijällä vaikuttaa, on syynä siihen, että radioalkuaineen muuttumisnopeus on sille aivan tunnusmerkillinen ominaisuus. Nyt ovat Rutherford ja Soddy liittäneet teoriaansa sen postulaatin, että yksiperäisen radioalkuaineen muuttuminen noudattaa aikaan nähden yksinkertaista n. s. logaritmista lakia, jonka jo aikaisemmin, radiumemanaatiosta puhuessamme mainitsimme. Sen mukaan hajoaa määrätystä alkuaineesta aikayksikössä aina sama murto-osa läsnäolevien atomien luvusta ja jokaisella radioalkuaineella on määrätty, tunnusmerkillinen puoliaikansa, joka on ainemäärästä riippumaton. Tästä postulaatista aiheutuivat seuraavat johtopäätökset. Joka kerran, kun havaittiin radioaktiivinen säteilyilmiö, jolla oli aikaisemmin tuntematon puoliaika täytyi päätellä, että sen aiheutti uusi ennen tuntematon radioalkuaine. Jos sensijaan havaittiin monimutkainen aikasääntö, niin se oli todisteena useampien kuin yhden alkuaineen olemassaolosta. Nämä johtosäännöt osoittautuivat tavattoman hedelmällisiksi ja niitten nojalla löydettiin suuri joukko uusia alkuaineita. Esimerkin vuoksi seurattakoon vain radiumemanaation myöhäisempiä vaiheita.
  37. 37. 38 Helium ei nimittäin ole ainoa tulos sen muuttumisesta. Lisäksi tavataan emanaatioputken seinämillä, samoin kuin jokaisella emanaatiokehään joutuneella esineellä. esim. platinalangalla, näkymätön kiinteä radioaktiivinen jäte, n.s. aktiivinen kerrostuma, jonka aktiivisuus vähenee verrattain monimutkaisen aikasäännön mukaan. Tarkka analyysi toi ilmi, että tässä kerrostumassa täytyi olettaa olevan ainakin kolmea radioalkuainetta. Välittömästi emanaatiosta muodostuu radium A (Ra A), jonka puoliaika on 3 minuuttia ja joka edelleen muuttuu, α-säteitä säteillen, radium B:ksi (RaB), mikä puolestaan säteilee β ja Ɣ-säteitä. Radium B:n puoliaika on 26,8 minuuttia ja muuttuessaan se synnyttää Radium C:tä (Ra C),jonka puoliaika on 19,5 minuuttia ja joka säteilee α, β ja Ɣ-säteitä. On ymmärrettävissä, että kemisteistä tuntui aluksi hiukan oudolta, kun Rutherford täten näkymättömän silauksen radioaktiivisten ominaisuuksien nojalla päätteli kolmen uuden alkuaineen olemassaolon. Ja kuitenkin oli toisinkin keinoin mahdollista osoittaa, että todellakin oli kysymyksessä useista yhdysosista kokoonpantu aineellinen silaus. Aktiivisen kerrostuman voi emanaatiokehästä otetun platinalangan pinnalta liuottaa johonkin happoon aivain kuten tavallisen metallin. Jos tällaiseen liuokseen pistetään nikkelipelti puolen tunnin kuluttua, minä aikana lyhytikäinen radium A on ehtinyt jotenkin täydellisesti hajota, niin havaitaan nikkelin pinnalla aktiivisuutta, joka aiheutuu α, β ja Ɣ-säteistä ja joka hajoaa yksinkertaisen logaritmisen aikasäännön mukaan, sen vakinaisen puoliajan ollessa 19,5 minuuttia.
  38. 38. 39 On siis valmistettu puhdasta Ra C:tä. Lisättäessä tällaiseen aktiivisen kerrostuman liuokseen lyijysuolaa ja saostettaessa sitte lyijy sulfaattina RaC jää liuokseen, kun sen sijaan sakassa on pääasiallisesti Ra B:tä, josta vähitellen jälleen muodostuu Ra C:tä. Myöskin kuumentamalla kiinteätä silausta tai elektrolysoimalla sen liuosta voidaan nämä kolme ainetta erottaa toisistaan; niillä ei siis ole yksinomaan erilaisia radioaktiivisia ominaisuuksia, vaan ne eroavat toisistaan myöskin kemiallisessa ja fysiikallisessa suhteessa, mikä onkin luonnollista, kun kerran eri alkuaineet ovat kysymyksessä. Olemme siis oppineet tuntemaan kokonaisen sarjan radioalkuaineita, jotka syntyvät toinen toisestaan; Ra --> Ra Em --> Ra A --> Ra B --> Ra C. Käyttäen tässä selostetun tapaisia menettelytapoja on löydetty lukuisia muita radioalkuaineita ja tutkittu niitten muodostumista toinen toisestaan, ja tänä hetkenä tunnetaan kokonaista 39 radioalkuainetta. Kaliumia ja rubidiumia lukuunottamatta, jotka myöskin ovat osoittautuneet radioaktiivisiksi, ne kaikki voidaan järjestää kolmeen muuttumisryhmään. Ne ovat: - uraani-radiumryhmä, - aktiniumryhmä ja - toriumryhmä.
  39. 39. 40 6. Kolme radioaktiivista ryhmää Uraani-radiumryhmän ensimmäinen jäsen on tunnettu alkuaine uraani, joka on uraanipikivälkkeen pääaineosa, ja sitä seuraa erinäisten muunnosten jälkeen, jotka vielä otamme käsiteltäviksi, ionium-nimisen alkuaineen välityksellä radium. B. Boltwoodin y. m. (1907) löytämää ioniumia voidaan uraanimineraaleista erottaa yhdessä toriumin kanssa. Se on radiumin välitön kanta-aine ja ioniumvalmistetta tarkastettaessa voidaan helposti todeta siitä vähitellen muodostuvan radiumia. Myöskin voitiin osoittaa (Soddy 1915), että uraanista, joskaan ei välittömästi, muodostuu radiumia. Koska radium on syntyisin uraanista, on helposti ymmärrettävissä, minkä vuoksi radiumia aina tavataan uraanimineraalien yhteydessä. Sillä vaikka radiumin, siitä yksinään puhuttaessa, muuttumisensa vuoksi 1600-vuotisen puoliajan mukaan pitäisi käytännöllisesti katsoen täydellisesti hävitä, niin muodostuu sitä jo miljoonia vuosia maankuoressa olleissa kivennäisissä uraanista alituisesti lisää. Tällöin vallitsee tasapainotila, niin että aikayksikössä yhtä paljon radiumia hajoaa kuin syntyykin. On helppo yksinkertaisen laskun avulla todeta, että tämän n. s. radioaktiivisen tasapainotilan vallitessa uraanin ja radiumin olemassaolevien atomien lukumäärät suhtautuvat toisiinsa samoin kuin niitten puoliajat. (Huom. Vrt taulukkoja 2,3,4,5. Niissä on käytetty v. 1918 St. Meyerin ja E. Schweidlerin ehdotuksesta hyväksyttyä radioalkuaineitten nimistöä.)
  40. 40. 41 Mitä paraassa sopusoinnussa tämän edellytyksen kanssa on se tosiseikka, että kaikkein erilaisimmissakin kivennäisissä tällä suhteella aina on sama arvo, nimittäin U : Ra:2,85 X 10⁶ mistä uraanin puoliajan arvoksi saadaan 1600 X 2,85 X 10⁶ = 5 X 10⁹ vuotta. Sama uraanin puoliajan arvo saadaan määräämällä 1g:sta uraania aikayksikössä sinkoutuneitten α-osasten luku, mikä menetelmä mainittiin jo radiumin yhteydessä. Radiumia seuraavat muuttumistulokset uraaniradiumsarjassa olemme jo aikaisemmin oppineet tuntemaan aina radium C:hen saakka. Parin seuraavan muuttumisilmiön jälkeen tullaan sarjassa radium F:ään, jota sanotaan myöskin Poloniumiksi, joka aikoinaan aivan erikoisella tavalla kiinnitti huomion puoleensa, koska se oli ensimmäinen rouva Curien pikivälkkeestä löytämä radioalkuaine. Radium F:n eli Poloniumin puoliaika on 136 päivää. Useimpien radiumin jälkeläisten lyhytikäisyys on syynä siihen, että näitä alkuaineita voidaan saada ainoastaan mitättömän pieniä eriä kerrallaan. Sillä siitä, mitä äsken sanottiin kivennäisissä vallitsevasta ainesuhteesta Ra : U, seuraa, että 1g:sta radiumia, tasapainon vallitessa sen ja emanaation ynnä lyhytikäisen aktiivisen kerrostunıan välillä, voidaan saada ainoastaan noin 3/100 000 mg Ra B:tä. Eipä siis ihme, että tämä alkuaine esiintyy vain näkymättömänä silauksena. Mutta radioaktiivisten ominaisuuksiensa vuoksi voidaan vielä 10¹⁶ g radium B:tä todeta.
  41. 41. 42 42-43 Taulukko 1 Uraani-Raadiumsarja Taulukko 2. Uraani-Raadiumsarja
  42. 42. 43 (Taulukko 2 kts yllä)
  43. 43. 44 44-45 Taulukko 3. Aktiniumsarja ja Taulukko 4. Toriumsarja 46
  44. 44. 45 (Taulukko 3 ja 4 kts yllä)
  45. 45. 46 Taulukko 5. Kolme radioaktiivista sarjaa
  46. 46. 47 Polonium ei muututtuaan jätä enää jälkeensä mitään radioaktiivisesti todettavissa olevaa jätettä, joten täytyy olettaa, että radium F:n muuttumistulos radium G on hyvin pysyvä alkuaine. Sitä sanotaan sen vuoksi uraani-radiumsarjan lopputulokseksi. Me tulemme vielä yksityis-kohtaisesti käsittelemään tätä ainetta. (Poloniumin erikoisominaisuudet erikoiskäytössä.: Muitten ympäristömyrkkyjensä ja tappavien säteilyjen mukana syntyy jokaisessa ydinvoimalaitoksessa pieniä määriä Poloniumia 'tarpeeseen'. Ensimmäinen tietovuoto 'tarpeista' v. 2006: Litvinenkolle juotettiin salaa teessä poloniumia; elinaika 2vko: Suom.Huom) Toriumsarjan muuttumisilmiöt johtavat aluksi toriumista kaasuhehkusukkien pääaineosasta lääketieteen hyvin tuntemiin alkuaineisiin mesotoriumiin, radiotoriumiin ja torium X:ään, joka puolestaan synnyttää aivan radiumemanaation tapaisen, mutta sitä vielä paljon lyhytikäisemmän emanaation. Sitten seuraa edelleen sarja muuttumisilmiöitä, jotka ovat radiumsarjassa tapahtuvien muuttumisilmiöitten kaltaisia, minkä jälkeen toriumsarja katkeaa. Palaamme vielä käsittelemään niitä pysyviä tuotteita, joita sen vaikutuksesta muodostuu. Aktiniumia, jonka mukaan kolmas tuntemistamme radioaktiivisista sarjoista on saanut nimensä, ei vielä nytkään voida valmistaa kemiallisesti puhtaassa muodossa, koska sitä verraten lyhyen, suunnilleen 20 vuotisen elinikänsä vuoksi tavataan ainoastaan mitättömän pienissä erissä. A. Debierne ja varsinkin F. Giesel (18991900) erottivat sitä pikivälkkeestä yhdessä harvinaisten maametallien (lantaanin) kanssa. Vielä nytkin se voidaan karakterisoida yksinomaan radioaktiivisten ominaisuuksiensa perustalla.
  47. 47. 48 Aktiniumsarjassa tapahtuvat muuttumisilmiöt yhdenmukaisesti toisissa sarjoissa esiintyvien muuttumisilmiöitten kanssa. Kaikki nämä monet muuttumisilmiöt voidaan ryhmittää kahteen ryhmään (taulukko 5); 1. α-sädemuuttumiseksi 2. β-sädemuuttuminen 1. Toisen muuttumistavan olemme jo oppineet tuntemaan: se perustuu siihen, että atomi jakautuu sarjassa lähinnä seuraavaksi atomiksi ynnä heliumatomiksi, joka α-osasena linkoutuu pois.Tällaista muuttumistapaa sanotaan α-sädemuuttumiseksi tai α-muuttumiseksi ja niitä alkuaineita, jotka tällä tavalla muuttuvat, α-säteilijöiksi. 2. Toinen muuttumistapa on n. s. β-sädemuuttuminen eli β-muuttuminen: tällainen muuttuminen aiheutuu β-säteitten, s. o. negatiivisten elektronien poistumisesta. Taulukossa 5 ilmaisevat kunkin alkuaineen muuttumista osoittavien nuolien yläpuolella olevat kirjaimet α ja β, minkälainen kulloinkin tapahtuva muuttumisilmiö on (1. Aktiniumin ja mesotorium 1:n muuttuessa ei voitu havaita niitten lähettävän minkäänlaisia säteitä. On kuitenkin mahdollista (vrt. siv. 129), että ne säteilevät tavattoman pehmeitä (heikosti läpitunkevia) säteitä, joitten toteaminen on vaikeata. Kuten viidennestä taulukosta voidaan huomata, näyttää siltä, kuin kolme alkuainetta, nimittäin radium, radiotorium ja radioaktinium, lähettäisivät kummankinlaisia säteitä. On kuitenkin mahdollista, että näitten alkuaineitten muuttumisilmiöt ovat luonteeltaan monimutkaisempia kuin ne, joista tähän mennessä on ollut puhe. (1. Useimmista β-säteilijöistä lähtee β-säteitä lukuunottamatta myöskin Ɣ- säteitä kuten taulukoista 2,3,4,5 ilmenee.
  48. 48. 49 Tiedämme nimittäin eräitä tapauksia, jolloin sama alkuaine on kahden erilaisen muuttumisilmiön alainen. Tällaisia ovat varsinkin radium C, aktinium C ja torium C. Osa näitten alkuaineitten atomeista muuttuu α- sädemuuttumisen mukaisesti, jolloin syntyvät β-säteilijät radium C", aktinium C” ja torium C”; muut atomit muuttuvat β-sädemuuttumisen mukaisesti, mistä on seurauksena α-säteilijöitten Ra C':n, Ac C':n ja Th C':n muodostuminen. Radioaktiivisissa sarjoissa ilmenee siis näitten alkuaineitten kohdalla haarautuminen. Sangen mielenkiintoisia ovat tällaisen haarautumisen tapahtuessa esiintyvät paljoussuhteet. Torium C:n atomeista muuttuu 35% α- muuttumisen ja 65% β-muuttumisen tietä. Melkein kaikki radium C:n atomit muuttuvat luovuttamalla itsestään β-säteitä, ainoastaan 3 atomia 10 000:sta muuttuu α-säteitä luovuttaen. Sen sijaan useimmat aktinium C:n atomeista muuttuvat α-muuttumisen ja ainoastaan 0,15% β-muuttumisen kautta. G. Antonoffin löytämä alkuaine uraani Y on myöskin uraaniryhmän alussa oleva haarautumatuote. Vielä ei kuitenkaan ole aivan varmaa (vrt. siv. 74), muodostuuko se uraani I:stä vaiko uraani II:sta. Mainittakoon jo tässä yhteydessä, että aktiniumryhmä myöskin on uraaniryhmästä haarautumalla syntynyt, mistä edempänä vielä tehdään tarkemmin selkoa.
  49. 49. 50 Ennenkuin lopetamme radioalkuaineitten radioaktiivisten ominaisuuksien kuvailun on paikallaan huomauttaa vielä siitä, kuinka tavattoman laajojen rajojen sisällä niitten puoliaika vaihtelee. Kuva 3 α-säteilijöitten puoliajan ja niitten α-säteiden tunkeuman suhde. Kuva 3.; (1. Sekunneissa lausuttuna Toriumilla puoliaika on 10¹⁰ vuotta ja torium C”:lla 10 ⁻¹¹ sek. Jo radiumin ja uraanin yhteydessä tehtiin selkoa siitä, millä tavalla määrätään hyvin pitkäikäisten alkuaineitten puoliajat, yhtä mielenkiintoista on nähdä, kuinka voidaan todeta tavattoman lyhyen eliniän pituus.
  50. 50. 51 Välittömien kokeellisten menettelytapojen avulla on onnistuttu mittaamaan niinkin pieni puoliaika kuin 0,002 sek. Vielä pienempiäkin puoliaikoja voidaan määrätä käyttämällä H. Geigerin (1911) keksimää suhdetta, joka vallitsee alkuaineen puoliajan ja sen säteilemien α-säteitten tunkeuman välillä. Kuten taulukoista 2-4 jo voi kvalitatiivisesti nähdä, lisääntyy jokaisessa radioaktiivisessa sarjassa tunkeuma elinajan lyhetessä. Jos graafillisesti esitetään puoliaikojen logaritmit kohtisuorasti tunkeumain logaritmeja vastaan, kuten kuvassa 3, joka kuvaa uraani-radiumsarjaa, on tehty, niin joutuvat kaikki sarjan jäseniä esittävät ristit samalle suoralle viivalle. Sen perusteella voidaan olettaa, jotta suhde olisi pätevä, että uraani II:n, jonka α-säteitten tunkeuma on 2,90 cm, puoliaika on 2 X 10⁶ vuotta, mitä ei toistaiseksi ole voitu muilla keinoin määrätä. Nyt on alkuaineitten Ra C':n, Th C':n ja Ac C':n α-säteitten tunkeuma niin suuri. että Geigerin suhde on ainoastaan sikäli oikea, mikäli oletetaan näitten säteitten lähteneen alkuaineista, joilla on tavattoman lyhyet puoliajat: suunnilleen 10⁻⁶ , 0,005 ja 10⁻¹¹ sek. Luonnollisestikaan ei näin lyhytikäisten alkuaineitten valmistaminen ole mahdollista.
  51. 51. 52 III LUKU. Radioalkuaineitten kemia. Olemme nähneet, että radioaktiivisten menettelytapojen avulla on onnistuttu löytämään suunnilleen 35 uutta alkuainetta. Jo aikaisin on koetettu vastata kysymykseen, millä tavalla nämä lukuisat radioalkuaineet suhtautuvat muihin tavallisiin alkuaineisiin ja varsinkin jaksottaiseen järjestelmään, joka yhä esitti sen vaatimuksen, että kaikkien tunnettujen alkuaineitten tulee kuulua sen piiriin ja että siinä täytyy jokaiselle uudelle alkuaineelle olla paikka varattuna. Jotta kävisi selväksi, minkävuoksi aluksi oli tavattoman vaikeata vastata tähän kysymykseen, otamme ensimmäiseksi käsiteltäviksi radioalkuaineitten atomipainot, sillä tämän ominaisuuden perusteellahan alkuaineet tavallisesti sijoitetaan järjestelmään. l. Radioalkuaineitten atomipainot. Lyhytikäisyytensä vuoksi voidaan useimpia radioalkuaineita käsitellä niin pienissä erissä kerrallaan, ettei voi ajatellakaan niitten atomipainojen välitöntä määräämistä ainakaan tavallisten menetelmien avulla.
  52. 52. 53 Radioalkuaineitten välillä vallitseva geneettinen suhde tarjoaa meille kuitenkin keinon, jota käyttäen niitten atomipainot voidaan määrätä. α- sädemuuttumisessahan erottuu yksi heliumatomi, joten on syytä otaksua, että muuttumistuloksen atomipaino on heliumin atomipainon (4,00) verran muuttuvan alkuaineen atomipainoa pienempi. Toiseltapuolen poistuu β-sädemuuttumisessa yksi ainoa elektroni, jonka massa on1/1830 vetyatomin massasta. Mutta näinkään pientä atomipainon muutosta ei β-muuttumisessa tapahdu. Sillä negatiivisesti varautuneen β- osasen singottua pois jää positiivisesti varautunut vaillinainen atomi jälelle, joka ulkoapäin kiinnittää itseensä uudelleen negatiivisen elektronin neutralisoituakseen. β-muuttumisen jälkeen on siis muuttumistuotteen atomipaino sama kuin kanta-aineenkin atomipaino. Lisäksi on otettava huomioon massan muuttuminen, joka suhteellisuusteorian mukaan on odotettavissa atomien energiamääriin muuttumisen seurauksena radioaktiivisissa muuttumisilmiöissä. R. Swinne on kuitenkin laskenut tämän muutoksen olevan siksi pienen, että meidän on otettava se huomioon ainoastaan tarkasti verrattaessa radioaktiivisessa sarjassa toisistaan etäällä olevien jäsenten atomipainoja.
  53. 53. 54 Ylläselostetulla tavalla voidaan nyt laskea kaikkien uraani-radiumsarjan ja toriumsarjan radioalkuaineitten atomipainot, koska sekä uraanin (238,2) että toriumin (232,12) atomipainot tunnetaan (1. ja myöskin kaikki näissä kahdessa sarjassa esiintyvät muuttumisilmiöt ovat tarkoin tulkitut. Että tämän menetelmän avulla saadaan koko suurella tarkkuudella oikeita tuloksia, siitä on todisteena se, että siten on radiumin atomipainoksi tullut 238,2-12,0 = 226,2, mikä arvo on jotenkin yhtä suuri kuin O. Hönigschmidin suurella tarkkuudella määräämä radiumin atomipainon arvo (225,97). Ei kyetä kuitenkaan tyydyttävästi selittämään, mikä on syynä siihen pieneen erotukseen, joka on näitten arvojen välillä. Aktiniumin atomipainoa ei vielä varmasti tiedetä. Erinäisten seikkojen nojalla, joihin seuraavassa vielä palaamme, voidaan kuitenkin päätellä sen olevan 226;n paikeilla, joten myöskin kaikkien aktiniumsarjan jäsenten atornipainot voidaan likimäärin laskea. Tällä tavoin on tultu huomaamaan (vrt. taulukkoja 2-4), että kaikkien näitten alkuaineitten, joita on nelisenkymmentä, atomipainot ovat 238:n ja 206:n välillä. Silmäys luonnollisen järjestelmän taulukkoon näyttää, että tällä atomipainovälillä on järjestelmässä siksi harvoja paikkoja tarjona, ettei ole mahdollista saada jokaista uutta alkuainetta varten omaa paikkaansa. Pulmaa ei saatu sitenkään ratkaistuksi, että ne alkuaineet, jotka johtuvat toinen toisestaan β-muuttumisien välityksellä ja joilla on siis sama atomipaino, sijoitettiin samaan paikkaan. (1. Nämä arvot ovat otetut O. Höningschmidin määräyksistä.
  54. 54. 55 55 Tässä onnistuttiin vasta sitten, kun tarkasteluissa asetettiin radioalkuaineitten kemiallinen suhtautuminen ensisijalle. 2. Radioalkuaineitten kemialliset ominaisuudet. Ei ole ihmeteltävää, että vasta verrattain myöhään onnistuttiin pääsemään täysin selville radioalkuaineitten kemiallisista ominaisuuksista. Useimpia näitä aineitahan ei voida lyhyen elinikänsä vuoksi saada valmistetuksi punnitsemiskelpoisissa erissä kemiallisesti puhtaana, joten tutkittaessa niitten kemiallisia ominaisuuksia on rajoituttava tutkimaan niitten suhtautumista reaktioissa, joihin, paitsi niitä, ottaa osaa suuri määrä vieraita alkuaineita. Tutkittaessa näin havaittuja tosiasioita on vaikeasti ratkaistavissa, onko luvallista tehdä johtopäätöksiä siitä, minkälaisia kemiallisia ominaisuuksia nämä radioalkuaineet omaisivat punnitsemiskelpoisissa määrissä esiintyessään, sen nojalla, mitä on voitu havaita niitten suhtautumisesta mitättömän pienillä erillä kokeiltaessa. Tätä koskevat epäilykset hävisivät vasta sen jälkeen, kun H. Mc. Coyn ja W. Rossin v. 1907 radiotoriumissa ja toriumissa havaitsema periaatteellisesti uusi ilmiö asetettiin täyteen arvoonsa. He olivat nimittäin huomanneet olevan mahdotonta erottaa monia radioalkuaineita toisistaan taikka tavallisista alkuaineista kemiallisia keinoja käyttäen.
  55. 55. 56 Voidakseen ymmärtää tämän ilmiön merkityksen on palautettava mieleen, että aikaisemmin uusia alkuaineita määrättäessä tavallinen menettelytapa oli erottaa ne jo alussa mainittujen kemiallisten tai fysiikallis-kemiallisten menetelmien avulla muista niihin liittyneistä alkuaineista. Kuten tunnettua, on spektroskooppi ollut erinomainen apuneuvo uusia alkuaineita keksittäessä. Joka kerran kun havaittiin uusi viivaspektri onnistuttin myöskin edellämainittujen menetelmien avulla saamaan esille sen aiheuttaja uutena alkuaineena. Nyt tuli vielä uusi apuneuvo lisäksi radioaktiivisuus, ja mehän selostimme jo tarkasti sen avulla löydettyjä ja kemiallisesti puhtaina valmistettuja alkuaineita radiumia ja radiumemanaatiota. Samoin selitettiin pikivälkkeessä erotetun wismutin ja lantaanin aktiivisuuden aiheutuvan niiden sisältämistä uusista alkuaineista poloniumista ja aktiniumista, ja joskaan ei vielä ole onnistuttu valmistamaan näitä alkuaineita kemiallisesti puhtaassa tilassa, mikä johtuu niitten niukasta esiintymisestä, voitiin näyttää, että on mahdollista erottaa ne kaikista tunnetuista kemiallisista alkuaineista. Vielä todettiin, että poloniumille (W. Marekwaldin mukaan 1902) kuuluu tellurin ja aktiniumille lantaanin korkeamman homologin paikka, jotka molemmat olivat sitä ennen täyttämättä (vrt. taulua 9). Näissä tapauksissa kuuluvat siis uudet radioaktiiviset ominaisuudet myöskin kemiallisessa suhteessa uusille yksilöille.
  56. 56. 57 Sittemmin kuitenkin huomattiin, että niin ei ole kaikkien radioalkuaineitten laita, siten on esim. uraanikivennäisistä erotettu lyijy aina aktiivista, minkä on tarkkojen radioaktiivisten tutkimusten avulla havaittu aiheutuvan sen sisältämästä radium D:stä (ynnä tämän muuttumistuotteista radium E:stä ja radium F:stä), jonka puoliaika on 16 vuotta. Koetettiin saada Ra D erotetuksi lyijystä, mutta kaikki tähän tähtäävät ponnistukset epäonnistuivat: ei ole olemassa mitään reaktiota, jonka avulla Ra D voitaisiin erottaa lyijystä ja kaikkein laajimmallekin ulottuvat kokeet, joita varsinkin F. Paneth ja G. v. Hevesy (1913) suorittivat, jaoittelevasti saostamalla, hapettamalla, kiteyttämällä tai haihduttamalla, rikastuttaa Ra D:tä lyijyseoksessaan johtivat täysin kielteisiin tuloksiin. Kaikkien näitten toimenpiteitten aikana pysyi ainesuhde Ra D/Pb määrältään muuttumattomana; ei edes tuhannenkaan uudelleenkiteyttämisen jälkeen (Th. W. Richards ja N. F. Hall 1917) Ra D:n aktiivisuus yhtä lyijyn painoyksikköä kohti ollut yhtään muuttunut. Näitä kahta alkuainetta ei siis voida kemiallisin keinoin saada erilleen, ja silti on radium D luonnollisesti eri alkuaine kuin lyijy; sitä voidaan saada lyijyttömänä radiumemanaatiosta tämän hajotessa ja me voimme aina helposti todeta sen läsnäolon ja erottaa sen lyijystä radioaktiivisten ominaisuuksiensa nojalla. Samoin on uraanipikivälkkeestä valmistetun toriumin laita. Se on suunnilleen 100000 kertaa aktiivisempaa kuin tavallinen torium; tämän aktiivisuuden aiheuttaa ionium, radiumin kanta-aine, josta jo on ollut puhe. Tällöinkään ei onnistuttu lisäämään ionium-toriumseoksen ioniumpitoisuutta.
  57. 57. 58 0. Hahnin keksimä, teknillisessä suhteessa tärkeä mesotorium I ja radium ovat myöskin tällaisia alkuaineita, jotka tosin radioaktiivisten ominaisuuksien perusteella helposti voidaan erottaa toisistaan, mutta joita kemiallisin menetelmin näyttää olevan mahdotonta saada erilleen toisistaan, minkä W. Marckwald ja varsinkin F. Soddy (1911) ovat todenneet. Tällaiset alkuaineet osoittavat niin suurta kemiallista samankaltaisuutta, että ennen radioaktiivisuuden keksimistä ei sellaista tunnettu. Jos onnistuttaisiin eristämään radium D:tä, ioniumia tai mesotoriumia riittävän suuria eriä, niin pitäisi kemisti kvalitatiivisen analysin perusteella niitä lyijynä (1. toriumina tai radiumina. Ainoastaan radioaktiivisten menetelmien avulla on lainkaan ollut mahdollista todeta näitten alkuaineitten olevan uusia yksilöitä. Tämä ilmiö uudistuu useimmissa radioalkuaineissa ja siitä saavat selityksensä ne vaikeudet, jotka aluksi tekivät mahdottomaksi radioalkuaineitten sijoittamisen luonnolliseen järjestelmään. (1. G. v. Hevesy ja F. Paneth ovatkin todella voineet näyttää että heidän radiumemenaation hajoamistuloksista elektrolyyttisesti valmistamansa, juuri näkyvä Ra D:n superoksidisilaus suhtautuu sähkökemiallisesti täysin lyijysuperoksidin tavoin.
  58. 58. 59 Sillä luonnollisessa järjestelmässä on ilmeisesti ainoastaan niin monta paikkaa kuin on olemassa alkuaineita, jotka kemiallisten taikka fysiikalliskemiallisten menettelytapojen avulla voidaan erottaa kaikista muista alkuaineista. Meidän on sen vuoksi sijoitettava kaikki kemiallisesti toisistaan erottamattomat alkuaineet samaan paikkaan järjestelmässä. Tutkimalla kaikkia niitä radioalkuaineita, joitten ikä ei ollut niin lyhyt, että kaikki tutkimus on mahdotonta, havaittiin ne voitavan jakaa kahteen ryhmään. Toiseen ryhmään kuuluvat, paitsi jo kauan tuntemiamme alkuaineita uraania ja toriumia, myöskin radioaktiivisten menettelytapojen avulla löydetyt polonium, radiumemanaatio, radium, aktinium ja protaktinium (vrt. Siv. 70), joitten omalaatuiset kemialliset ominaisuudet ovat todisteena siitä, että niille kuuluu kullekin oma paikkansa luonnollisessa järjestelmässä. Toiseen ryhmään kuuluvat muut radioalkuaineet, jota ei voida tavallisten menettelytapojen avulla erottaa joko edelliseen ryhmään kuuluvista radioalkuaineista taikka wismutista, lyiiystä ja talliumista, s. o. jotka kvalitatiiviskemiallisessa suhteessa ovat täydellisesti näitten alkuaineitten kaltaisia. 3. Radioalkuaineitten asema luonnollisessa järjestelmässä. Edellä esitetystä siis seuraa, että huolimatta radioaktiivisuuden avulla löydettyjen uusien alkuaineitten suuresta luvusta, ei kvalitatiiviskemiallisesti toisistaan eroavien alkuainetyyppien luku ole jaksottaisen järjestelmän sallimaa määrää suurempi.
  59. 59. 60 60-61 TAULUKKO 6. Radioalkuaineet jaksottaisessa järjestelmässä.
  60. 60. 61 (Taulukko 6, kts yllä)
  61. 61. 62 Sijoittamalla kemiallisesti toisistaan erottamattomat alkuaineet samaan paikkaan järjestelmässä saadaan taulukon 6 esittämä ryhmitys. Siinä ovat alkuaineet järjestetyt pienenevien atomipainojen (1. mukaan alhaalta ylöspäin ja koko taulukko vastaa vain järjestelmän kahta viimeistä vaakasuoraa riviä. Useimpien alkuaineitten kuuluminen vastaaviin ryhmiin on kokeellisesti varmennettu. Hyvin lyhytikäisten alkuaineitten paikka määrättiin erään myöhemmin selostettavan (siv. 75) säännönmukaisuuden nojalla. Plejadi -ryhmä Kuten taulukosta näkyy, on esim. siinä kohden, missä tavallisessa järjestelmässä on lyijyn paikka (ryhmä IV b). kokonaista seitsemän alkuainetta (2. ja järjestelmän melkein jokaisella sijalla uraanista talliumiin saakka on useita yksilöjä käsittävä alkuaineryhmä. Tekijän ehdotuksen mukaan on tällainen ryhmä saanut nimen plejadi; plejadin jäseniä sanotaan F. Soddyn ehdotuksesta isotooppisiksi alkuaineiksi eli isotoopeiksi. Plejadiin kuuluu siis joukko kemialliselta tyypiltään samanlaisia alkuaineita. Viimeksi esittämissämme tarkasteluissa olemme ottaneet huomioon ainoastaan radioalkuaineitten kemialliset ominaisuudet. (1. Yksinkertaisuuden vuoksi ovat atomipainot pyöristetyt kokonaisluvuiksi. (2. Jollei lasketa mukaan aktinium D:tä (aktiniumlyijy, vrt sivut 52-54), jota ei tarkemmin tunneta.
  62. 62. 63 Vallitsevan käsityskannan mukaan ei luonnollisen järjestelmän kutakin sijaa vastaa yksinomaan määrätty kemiallinen tyyppi, vaan myöskin määrätty atomipaino ja luonnollisen järjestelmän perustanahan oli se käsitys, että atomipaino yksin määrää alkuaineen kemialliset ominaisuudet. Tässä suhteessa opettaa kuudes taulukkomme jotain aivan uutta. Siitä ilmenee ensiksikin, että samaan plejadiin kuuluvilla alkuaineilla, joilla siis on aivan samat kemialliset ominaisuudet, atomipainot saattavat erota toisistaan jopa kahdeksankin yksikköä, ja edelleen, että sama-atomipainoisilla alkuaineilla, kuten esim. Ra D:llä, Ra E:llä ja Ra F.llä, voi olla aivan eri kemiallinen luonne. Luonnollisen järjestelmän poikkeuksena pidetty tosiasia, jota on usein pohdittu, että nimittäin halogenina korkeampaan (seitsemänteen) ryhmään kuuluvan jodin atomipaino on pienempi kuin alempaan (kuudenteen) ryhmään kuuluvan tellurin, on ilmiö, joka usein uudistuu luonnollisen järjestelmän kahdella alimmalla rivillä uraanin ja talliumin välillä. Niinpä on lyijyplejadiin kuuluvan radium B:n atomipaino (214) kuutta yksikköä suurempi kuin viidenteen ryhmään kuuluvan vismutin (208) atomipaino. Näitten aivan uudenlaatuisten, tavattoman tärkeitten tulosten vuoksi on välttämätöntä perusteellisesti tarkistaa käsityksemme atomipainon ja alkuaineen muitten ominaisuuksien välillä vallitsevista suhteista.
  63. 63. 64 Silti ei vähääkään vähene sen tosiasian merkitys, että jaksoittaisen järjestelmän ei-radioaktiivisessa osassa atomipaino, paria pientä poikkeusta lukuunottamatta, jotenkin säännönmukaisesti vähenee siirryttäessä sijasta toiseen. Siten herää kysymys, ovatko järjestelmän kaksi viimeistä riviä tässä suhteessa poikkeusasemassa. Seuraava päättely osoittaa, että näin ei olisi asian laita, jos meillä tällöinkin, kuten järjestelmän muita kohtia tutkiessamme, olisi käytettävänämme ainoastaan kemiallisia menettelytapoja. Silloin määrättäisiin hajoittamattomana alkuaineena esiintyvän plejadin atomipaino kokeellisesti ja niin saataisiin keskiarvo, jonka suuruus riippuisi seoksessa olevien plejadin jäsenten keskinäisistä paljoussuhteista. Nämä suhteet vuorostaan riippuvat lähinnä kunkin alkuaineen eliniästä, ja koska useimmissa plejadeissa yhden jäsenen elinikä on paljon pitempi kuin muitten, toisin sanoen sitä on seoksessa paljon enemmän kuin muita, niin voidaan sen atomipainoa suurtakaan virhettä tekemättä pitää luonnolliseen järjestelmään sopivana. Näin menetellen saadaan plejadien atomipainoiksi kuudennessa taulukossa mustalla painettujen alkuaineitten atomipainot (vrt. myös taulukkoja 2 4), ja silloin havaitaan järjestelmän tavallisen taulukon vaakasuoran rivin alkuaineitten (1. atomipainojen vähenevän (2. jotenkin säännönmukaisesti oikealta vasemmalle, samoinkuin luonnollisen järjestelmän muissakin riveissä; täten siis häviää atomipainojen todellinen säännöttömyys, joka johtuu alkuaineitten suuresta luvusta. (1. Ehkä protaktiniumia (Pa) lukuunottamatta vrt s.82. (2. Vrt myös taulukkoa 9, s.159-160.
  64. 64. 65 Johdumme siis siihen tulokseen, että uraanista talliumiin ulottuva jaksoittaisen järjestelmän osa ei lainkaan eroaisi järjestelmän muista osista, jos meillä olisi käytettävissämme vain kemiallisia menettelytapoja sitä tutkiaksemme. Ainoastaan radioaktiivisten menetelmien ansiota on, että on onnistuttu pääsemään selville tässä osassa vallitsevasta suuresta alkuaineitten moninaisuudesta. Radioaktiiviset menetelmät tarjoavat siis meille tavattoman arvokkaan apuneuvon uusien alkuaineitten toteamiseksi ja tämä uusi apuneuvo on, kuten isotooppien olemassaolo todistaa, paljon hienompi kuin kvalitatiivinen analyysi. Uraaniakin on, kvalitatiiviseen analyysiin perustuen, näihin asti pidetty yksiperäisenä alkuaineena, vaikkakin nyt, kuten pian saamme nähdä, täytyy otaksua Uraanin olevan kahden isotooppisen alkuaineen uraani I:n ja uraani II:n seos.
  65. 65. 66 IV LUKU. Siirtymälait ja niitten sovellutuksia. 1. Yleisiä näkökohtia. Kuudennessa taulukossa näyttävät alkuaineet olevan ilman mitään keskinäistä yhteyttä. Kuitenkin tiedämme, että ne ovat geneettisesti liittyneet toisiinsa, mikä ilmenee kolmen radioaktiivisen sarjan olemassaolosta. Niinpä herää kysymys, eikö ole olemassa mitään yhteyttä toiseltapuolen alkuaineen aseman muuttumissarjassa ja toiseltapuolen sen paikan jaksoittaisessa järjestelmässä välillä. Näin tosiaan onkin asian laita. Soddyn (1911) esitettyä erinäisiä viittauksia tässä ilmenevän säännönmukaisuuden selittämiseksi laati tekijä ja pian sen jälkeen Soddy v. 1913 yleispätevät säännöt. Täten on saatu seuraavat kaksi lakia, jotka jyrkästi erottavat toisistaan molemmat muuttumisilmiöitten lajit, nimittäin α-muuttumisen ja β- muuttumisen, jotka jo aikaisemmin olemme oppineet tuntemaan. 1. α-muuttumisen jälkeen syntynyt uusi alkuaine tavataan kanta-aineestaan kahta askelta aikaisemmasta ryhmästä (vaakasuorassa rivissä kaksi saraketta vasemmalle). 2. β-muuttumisen jälkeen syntynyt aine kuuluu lähinnä seuraavaan ryhmään (seuraava sarake oikealle)
  66. 66. 67 Siten näemme (vrt. taulukkoja 5 ja 6), että IV a-ryhmään kuuluvan ioniumin α-muuttuminen synnyttää II a-ryhmän jäsenen radiumin, josta seuraavan α- muuttumisen välityksellä muodostuu emanaatiota, jolla on paikkansa nollannessa ryhmässä. Sen sijaan näemme β-muuttumisen tapahtuessa IV b- ryhmän radiumin muuttuvan V b ryhmän radium E:ksi ja tästä edelleen VI b- ryhmän radium F:ksi. Myöskin toriumja aktiniumsarjat noudattavat poikkeuksetta näitä kahta (siirtymälakia). Näitä lakeja laadittaessa oli vielä monen radioalkuaineen kemiallinen luonne tuntematon, ja tekijän näihin uusiin lakeihin perustuneet ennustukset tästä luonteesta ovat poikkeuksetta pitäneet paikkansa. Mutta erikoisen mielenkiintoista on, että siirtymälakien avulla on onnistuttu löytämään kaksi uutta radioalkuainetta, nimittäin uraani X₂ ja protaktinium, joille molemmille kuuluu jaksoittaisen järjestelmän viidennessä ryhmässä viimeisellä vaakasuoralla rivillä oleva paikka, mikä sitä ennen oli tyhjä. 2. Uraani X₂ Ennen siirtymälakien laatimista esitettiin, perustuen puhtaasti radioaktiivisiin tosiasioihin,
  67. 67. 68 uraaniryhmän alussa tapahtuvat muuttumisilmiöt seuraavan kaavion avulla: KAAVIO 1 S.68 Toistaiseksi ei vielä ole kyetty eristämään uraani II:ta; sen tosiasiallinen olemassaolo voidaan päättää H. Geigerin ja J. M. Nuttallin esittämän todisteen nojalla, jonka mukaan kemistien yksiperäisenä alkuaineena pitämä uraani lähettää kahdenlaisia α-säteitä, joilla on eri suuret tunkeumat. Tästä sekä samojen tutkijain, osoittamasta sivulla 51 esitetystä, α-säteilijöitten elinajan ja niitten lähettämien α-säteitten tunkeuman välillä vallitsevasta suhteesta seuraa, että uraanin täytyy olla kahden, eri elinikäisen alkuaineen (uraani I:n ja uraani II:n) seos, ja tämän säännön nojalla saadaan uraani II:n puoliajaksi 2 X 10⁶ vuotta (vrt. kuvaa 3 s. 50). Koska oli mahdotonta kemiallisin keinoin erottaa uraani II uraanista (uraani I:stä), täytyi olettaa näiden kahden alkuaineen olevan isotooppisia. joten siis molemmat kuuluvat VI a ryhmään. Vaikkakin uraani on uraani I:n ja uraani II:n seos, joitten atomipainojen täytyy erota toisistaan neljän yksikön verran, vastaa uraanin kokeellisesti määrätty atomipaino 238,2 käytännölliseti uraani I:n atomipainoa. Sillä uraani I:n ja uraani II:n paljousmäärät ovat kivennäisistä eristetyssä seoksessa keskenään radioaktiivisessa tasapainossa ja suhtautuvat sen vuoksi toisiinsa samoin kuin alkuaineitten puoliajat siis kuten 2x10⁶ / 5x10⁹ mistä seuraa että uraani II:ta on seoksessa alle yhden promillen.
  68. 68. 69 Koetettaessa ylläolevaan kaaviokuvaan sovelluttaa siirtymälakeja jouduttiin kahteen ristiriitaan: sen mukaan ei uraani I:n α-muuttumisesta, eikä UX:n β- muuttumisesta olisi ollut seurauksena lainmukainen siirtymä, sillä myöskin UX ja ionium ovat isotooppeja, kuuluen toriumplejadiin. Soddy, A. S. Russel ym. muuttivat sen vuoksi ylläolevan kaavion seuraavasti: KAAVIO 2 S.69 Tätäkään kaaviota ei radioaktiiviselta kannalta voi hyväksyä paremmin kuin edellistäkään. Sen mukaan aiheuttaisi UX:n β-muuttuminen kahden ryhmän siirtymän yhden ryhmän siirtymän asemesta. Russel ja tämän kirjan tekijä laativat sen vuoksi hypoteesin, jonka mukaan UX:n muodostaisi kaksi eri alkuainetta, jotka säteilevät β-säteitä, joten siis oikea kaavio olisi seuraavanlainen: KAAVIO 3 S.69 Todella ovatkin ne kokeet joita kirjan tekijä yhdessä O. Göhringin kanssa on suorittanut tämän hypoteesin todenmukaisuuden tutkimiseksi johtaneet (1913) tuntemattoman alkuaineen UX₂ (uraani X₂ ) eristämiseen. Se osottautui lyhytikäiseksi. β-säteitä säteileväksi aineeksi, jonka puoliaika on 1,15 minuuttia. UX₂ :n löytäminen oli verrattain helppoa sen vuoksi, että viimeksiesitetyn kaavion nojalla voitiin ennakolta olettaa sen olevan läheisessä yhteydessä luonnollisen järjestelmän V a-ryhmän kanssa.
  69. 69. 70 Sen täytyi siis olla tantaalin korkeampi homologi. Siis voitiin uraani X₂ :ta saada eristetyksi siten, että se kemiallisin keinoin erotettiin uraani X:stä yhdessä tantaalihapon kanssa, samalla tavalla kuin esim. radium voidaan parhaiten erottaa muitten alkuaineitten kanssa muodostamastaan seoksesta yhdessä bariumin kanssa. Koska uraani X₂:lle kuuluu aikaisemmin tyhjänä ollut sija luonnollisessa järjestelmässä, on se saanut uuden nimen; lyhytikäisyytensä vuoksi annettiin sille nimi brevium (vrt siv. 75). 3. Protaktinium, aktiniumin kanta-aine. Protaktiniumin hiljattain tapahtuneen keksimisen merkitys on erikoisen suuriarvoinen, koska se samalla on huomattavalla tavalla selvittänyt kysymystä aktiniumin synnystä. Kuten kauahkon aikaa on jo oletettu, aktinium on verrattain lyhytikäinen alkuaine, sen puoliaika on O. Hahnin ja L. Meitnerin äskettäin julkaisemien, useita vuosia kestäneitten mittausten mukaan ainoastaan noin 20 vuotta. Sillä täytyy siis olla pitkäikäinen kanta-aine, ja koska se aina on uraanikivennäisten yhtenä seososana, oli oletettava uraani-radiumsarjan ja aktiniumsarjan olevan keskenään geneettisessä suhtessa.
  70. 70. 71 B. BoltWoodin sekä varsinkin St. Meyrin ja V. F. Hessin uusien mittausten nojalla voidaan pitää todistettuna, että eri kivennäisissä uraanin ja aktiniumin aktiivisuuksien välillä vallitsee vakinainen suhde, mikä on välitön seuraus tästä olettamuksesta. Kuitenkin on Boltwood todennut että aktiniumin ja sen muuttumistulosten aktiivisuus on kivennäisissä huomattavasti pienempi kuin olisi syytä odottaa, jos aktiniumryhmä olisi uraani-radiumryhmän välitön jatko, mikä olettamus on muutenkin hyvin epätodennäköinen. Jo v. 1906 tuli sen vuoksi Rutherford siihen johtopäätökseen, että aktiniumsarja on uraaniradiumsarjan haarautuma. Tämä olisi mahdollista siten, että jossain viimeksimainitun sarjan jäsenessä tapahtuu kaksoismuuttuminen, jolloin 92 % sen atomeista muuttuisi uraani-radiumsarjan seuraavaksi jäseneksi ja ainoastaan 8 % (1. muuttuisi aktiniumsarjan ensimmäiseksi aineeksi. Sittemminhän todellakin välittömästi todettiin C-jäsenissä tapahtuvan tällaisen kaksoismuuttumisen ja haarautumisen, mikä ensin huomattiin Ra C:stä (Fajans 1911). Pitkän aikaa pysyi kuitenkin epäselvänä, miltä kohtaa uraaniradiumsarjaa aktiniumsarja haarautuu, sillä kaikki kokeet aktiniumin muodostumisen toteamiseksi jossain uraani-sarjan jäsenessä jäivät tuloksettomiksi. Vasta siirtymälait ohjasivat myöskin tätä kysymystä käsittelevän tutkimuksen uusille urille. (1. O.Hahnin ja. L. Meitnerin uusien tutkimusten mukaan tämä n.s. haarautumissuhde ei ole 8:92, vaan 3:97; St. Meyerin mukaan se on 4:96.
  71. 71. 72 Pikivälkkeestä yhdessä harvinaisten maametallian kanssa eristetyn aktiniumin kaikki kemialliset ja sähkökemialliset ominaisuudet todistavat epäämättömästi, että sille kuuluu jaksottaisen järjestelmän kolmannessa (III a) ryhmässä ja viimeisellä vaakasuoralla rivillä aikaisemmin tyhjänä ollut paikka. Jos siis ottaa huomioon molemmat tunnetut muuttamisen lajit, α ja β- muuttumisen, niin saattaisi aktinium syntyä joko α-muuttumisella jostain V a ryhmän alkuaineesta, s.o. jostain radiumplejadin jäsenestä, taikka β- muuttumisella jostain II a ryhmän alkuaineesta, s. o. jostain radiumplejadin jäsenestä. Mutta radiumplejadin ainoa tunnettu alkuaine UX2₂ ei lähetä mitään α-säteitä ja sen vuoksi ei sitä voitu pitää aktiniumin kanta-aineena, sillä täytyisihän muutoin helposti onnistua todeta aktiniumin välittömästi syntyvän uraanista. Toisen ryhmän alkuaineista uraani-radiumsarjassa saattoi ainoastaan itse radium tulla kysymykseen. Tämä lähettää toiselta puolen β-säteitä, mikä on erinomaisessa sopusoinnussa emanaation syntyessä tapahtuvan, kahden ryhmän siirtymän kanssa. Toiselta puolen lähettää radium myöskin β-säteitä, ja näitä voitaisiin pitää todisteina toisesta muuttumisilmiöstä, jonka vaikutuksesta syntyisi kolmannen ryhmän alkuaine, samoin kuin tapahtuu haaraumassa G-jäsenten kohdalla. Sen jälkeen kun tämän hypoteesin todenmukaisuutta tutkivat kokeet olivat osoittaneet, että radiumista ei synny mitään aktiniumia, ei mikään ennestään tunnettu uraaniradiumsarjan alkuaine voinut tulla kysymykseen aktiniumin kanta-aineena, ja siksi oli välttämätöntä etsiä joku uusi, tuntematon alkuaine, jotta aktiniumin syntykysymys saataisiin ratkaistuksi.
  72. 72. 73 Seuraavien syitten nojalla otaksuivat Soddy, Hahn ja Meitner tällöin, että aktiniumin oletettu kanta-aine olisi viidennen ryhmän jäsen ja olisi geneettisessä suhteessa G. Antonoffin (1911) löytämään uraani Y:hyn (puoliaika 25 tuntia). Uraani Y syntyy uraanin isotooppiseoksesta (1. ja nähtävästi joko uraani I:stä taikka uraani II:sta. Nythän tapahtuu näissä kummassakin alkuaineessa toiset jo ennestään tunnetut muuttumisilmiöt, ja siten täytyy olettaa uraani Y:n olevan uraanisarjasta haarautumalla syntynyt. Uraani Y:n kemialliset ominaisuudet osoittavat, että se kuuluu IV a-ryhmään, nimittäin toriumplejadiin. Koska se lähettää β-säteitä, täytyy sen muuttumistuotteen olla UX2₂:n isotooppi ja voisi siis olla juuri aktiniumin etsitty kanta-aine. Mutta tämän pitäisi olla jotenkin pitkäikäinen, koska muussa tapauksessa tulisi voida lyhyessä ajassa todeta uraanista syntyvän aktiniumia. Näiden päätelmien mukaisesti ovat Otto Hahn ja Lisa Meitner etsineet pikivälkkeestä sekä uraanin ja radiumin valmistukseen käytetyn pikivälkkeen tehdasjäännöksistä viidenteen ryhmään kuuluvaa pitkäikäistä alkuainetta ja heidän onkin todella onnistunut tantaalihapolla erottaa alkuaine, joka säteilee α-säteitä ja jonka muuttuessa saatettiin todeta muodostuvan aktiniumia. (1. F.Paneth on ehdottanut isotooppiseoksen nimeksi sanaa "seka-alkuaine". (LOL)
  73. 73. 74 Uuden, protaktiniumiksi (Pa) nimitetyn alkuaineen ikä määrättiin, vertaamalla toisiinsa eri vanhoissa uraanivalmisteissa olevia tämän alkuaineen määriä, suunnilleen 10000:ksi vuodeksi. Tämän suhteellisesti korkean arvon vuoksi voi toivoa, että tulevaisuudessa onnistutaan eristämään punnittavia määriä protaktiniumia kemiallisesti puhtaassa tilassa. Tällöin voidaan myöskin tämän alkuaineen atomipaino välittömästi määrätä ja siitä laskea kaikkien aktiniumsarjan jäsenten atomipainot. Näistä Hahnin ja Meitnerin erinomaisista tutkimuksista riippumatta ovat myöskin F. Soddy ja J. A. Cranston todenneet protaktiniumin olemassaolon. He nimittävät sitä ekatantaaliksi. He kuumensivat pikivälkettä tetrakloorimetaanivirrassa sellaisissa olosuhteissa, joissa tantaalihappo ja UX2₂ haihtuvat ja he voivat näin saamassaan härmeessä todeta aktiniumia vähitellen muodostuvan. Tämä pikivälkkeen haihtuva osa siis sisälsi aktiniumin etsityn kanta-aineen. Vielä ei ole välittömästi todistettu, että protaktininium syntyy uraani Y:stä. Kuitenkin on tästä todisteena muuan muassa se seikka, että G. Kirschin aivan viimeaikoina 4:ksi prosentiksi arvioma suhde, jonka mukaan uraani Y haarautuu uraani-radiumsarjasta, on likipitäen sama kuin aktiniumsarjan haarautumissuhde, joka on 3-4 prosenttia. Seuraavanlaista kaaviota pidetään siis nyttemmin todennäköisimpänä:
  74. 74. 75 KAAVIO 4 Uraani Y:n haarautuminen. Sivulla 82 perustellaan sitä ylläolevassa kaaviossa esitettyä olettamusta, että uraani Y muodostuisi uraani II:sta eikä uraani I:sta. Jaksoittaisessa järjestelmässä kuuluu protaktiniumille sama paikka kuin uraani X2₂ :lle ja koska se pisimmän ikäisenä alkuaineena määrää plejadin nimen, ei nimeä brevium enää tarvita. 4. Muita johtopäätelmiä. Siirtymälakien avulla on edelleen mahdollista päästä jossain määrin selville aivan lyhytikäisten alkuaineitten kemiallisesta luonteesta. Tällaisia alkuaineita, joita ei voida suorastaan kemiallisin keinoin tutkia, ovat Ac A ja Ac C', Th A ja Th C' sekä Ra C' ja Ra C''. Taulukoista selvenee helposti, että siirtymälait pitävät paikkansa ainoastaan sikäli mikäli Ra C'' kuuluu talliumplejadiin (ryhmään III b) ja muut viisi mainittua alkuainetta VI a-ryhmään, siis poloniumplejadiin. Emanaatioitten α- muuttumiset johtavat siten viimeisen vaakasuoran rivin nollannesta ryhmästä lähinnä viimeisen vaakasuoran rivin kuudenteen ryhmään, joten siis nollannella ryhmällä on myös kahdeksannen ryhmän luonne.
  75. 75. 76 Tämä oikeuttaa yhdistämään kahdeksannen ja nollannen ryhmän, minkä eräät tutkijat jo aikaisemmin ovat muitten perusteitten nojalla ehdottaneet tehtäväksi. Yhdeksännessä taulukossa on tämä yhdistäminen suoritettu. Myöskin aktiniumin ja mesotorium 1:n säteilyttömän muuttumisen johdosta voidaan siirtymälakien nojalla tehdä erinäisiä johtopäätöksiä, jotka esitetään luvun XII 3:nnessa osassa. Siirtymälakien avulla voidaan tarkasti seurata radioaktiivisten alkuaineitten muuttumisjärjestystä näitten siirtyessä jaksoittaisessa järjestelmässä ryhmästä toiseen. Lisättäköön vain vielä, että kolme radioaktiivista sarjaamme ovat monessa suhteessa yhdenmukaiset. Radiotoriumista, ioniumista ja radioaktiniumista alkaen, jotka kaikki kuuluvat toriumplejadiin ja joita siis ei voi kemiallisesti toisistaan erottaa, tapahtuvat muuttumisilmiöt kaikissa kolmessa ryhmässä samalla tavalla. Näissä kolmessa alkuaineessa tapahtuu samanlaatuinen muuttuminen, jonka vaikutuksesta jälleen syntyy kemiallisesti yhdenmukaisia alkuaineita, jotka puolestaan muuttuvat edelleen yhdenmukaisella tavalla. Ja tämä uudistuu sarjojen loppuun saakka. Paitsi sitä, että näitten kolmen ryhmän analogiset alkuaineet ovat kemiallisesti identtisiä ja lähettävät samanlaatuisia säteitä, ilmenee myöskin niitten elinajan pituudessa säännönmukaisuuksia, jotka seuraavassa tulevat käsiteltäviksi. Nämä eroavat toisistaan vain siinä että toriumja aktiniumsarjat päättyvät aikaisemmin kuin uraani-radiumsarja.
  76. 76. 77 Jos seuraamme esim. viimeksimainittua sarjaa, niin näemme (vrt. taulukkoja 6 ja 7), kuinka kuudennen ryhmän uraani I:stä α-muuttumisen välityksellä joudutaan neljänteen ryhmään ja sitten kahden 3-muuttamisen välityksellä jälleen syntyy kuudennen ryhmän alkuaine (Uıı), TAULUKKO 7 ; (1. Alimman rivin merkit esittävät alkuaineitten kemiallisen tyypin.
  77. 77. 78 78 (Uıı) on kemiallisessa suhteessa aivan samallainen kuin ensimmäinenkin alkuaine. Sitten jatkuu sarja kolmen α-muuttumisen välityksellä neljännen ja toisen ryhmän kautta nollanteen ryhmän j.n.e. Samoin on molempien muittenkin sarjojen laita, ja voimme nyt helposti selittää plejadien muodostumisen. Osaksi on niitten muodostumiseen syynä kolmen analogisen radioaktiivisen sarjan olemassaolo, osaksi myöskin se, että useimmiten yhtä α- muuttumista seuraa kaksi β-muuttumista.
  78. 78. 79 V LUKU. Atomipaino ja isotooppien elinikä. Tällaisen plejadin jäsenet eroavat toisistaan pääasiallisesti radioaktiivisten ominaisuuksiensa, varsinkin elinikänsä, sekä atomipainonsa puolesta. Jokaisessa plejadissa on hyvin erilaisia atomipainoja ja useasti on joittenkin vasemmanpuoliseen plejadiin kuuluvien alkuaineitten atomipaino monta yksikköä suurempi kuin muutamien oikeanpuolisen plejadin jäsenten atomipaino. Ja kuitenkin olemme havainneet kutakuinkin säännöllisen atomipainojen vähenemisen oikealta vasemmalle (1., kun me, pysyäksemme sopusoinnussa ei-radioaktiivisten alkuaineitten kanssa, otimme plejadin pisimmän ikäisen jäsenen atomipainon plejadin edustajaksi yleisessä järjestelmässä. Tämä tulos viittasi siihen, että alkuaineitten elinijän jakautuminen plejadin sisällä ei voinut olla säännötön. Tekijä koetti sen vuoksi saada selville atomipainon ja isotooppien eliniän välillä vallitsevat suhteet ja todella voitiinkin havaita eräitä säännönmukaisuuksia, jotka näyttävät kätkevän jotakin syvällistä. Nämä säännönmukaisuudet esitetään tässä senkin vuoksi, että aikoinaan oli mahdollista ainoastaan niitten avulla joltisenkaan tarkasti arvioida aktiniumin atomipainon suuruus. (1. Vrt A.Laurin toteamus v. 2011 että keskim. jopa 750kg ydinreaktorin 150t polttoainemassasta 'katoaa' vuodessa - suoraan säteilyn kautta - myrkyllisenä ionisaationa ympäristöön. 'Suom. huom.'.
  79. 79. 80 Uraaniradiumsarja ja toriumsarja Jos aluksi tarkastetaan yksinomaan uraaniradiumsarjan ja tooriumsarjan jäseniä, joitten atomipainot tunnetaan jotenkin tarkasti, niin ilmenee (vrt. kuudetta taulukkoa). että samassa plejadissa α-säteilijöitten elinikä (puoliaika) pienenee atomipainon vähetessä, kun taas β-säteilijöitten elinikä suurenee atomipainon vähetessä. Ainoana poikkeuksena on polonium (Ra F), joka on oman, ainoastaan α- säteilijöiden muodostaman plejadinsa verrattomasti pitkäikäisin jäsen, vaikka sen atomipaino on pienin. Aktiniumsarja Siten herää kysymys, mikä atomipaino pitäisi aktiniumilla olla, jotta sen ryhmän jäsenet noudattaisivat tätä sääntöä. Kuten kuudennesta taulukosta ilmenee, saataisiin paraiten sopiva tulos määrittelemällä aktiniumin atomipaino 226:n ja 228:n välille, siis suunnilleen 227:ksi (1. Kolmen sarjamme analogisten jäsenten atomipainojen järjestys olisi silloin seuraava: uraani-radiumsarja, tooriumsarja, aktiniumsarja; esim. emanaatiot seuraisivat toisiaan järjestyksessä Ra Em 222, Th Em 225, Ac Em 219. Vismuttiplejadia lukuunottamatta, jonka C-jäsenet ovat sekä α - että β-säteilijöitä, ilmenee aktiniumsarjan jäsenistä ainoastaan Ac X:ssä ja Ac B:ssä pieniä poikkeuksia säännöstä, kun sen sijaan Ac C':ssa ilmenee sama säännöttömyys, josta jo Ra F:n yhteydessä mainittiin ja joka, kuten R. Swinne on näyttänyt, poloniumplejadissa kehittyy Th C':n ilmaiseksi elinijän minimiksi. (1. Seuraavassa esitettävistä syistä otettiin taulukkoon arvo 226 227:n asemesta.
  80. 80. 81 C-jäsenten ominaisuuksista on erikseen puhuttava: Ylläolevat säännöt osoittavat, että samassa plejadissa yleensä pyrkimys α- muuttumiseen suurenee atomipainon pienetessä, kun sen sijaan pyrkimys β- muuttumiseen tällöin vähenee. Jos siis isotoopeissa tapahtuu sekä α -että β- muuttuminen, kuten C-jäsenissä on laita, niin on syytä olettaa, että atomipainon vähetessä α-muuttuminen lopulta pääsee melkein kokonaan vallitsevaksi β-muuttumisen hävitessä, kuten todellakin tapahtuu Ra C:n Th C:n ja AcC:n muuttuessa: ensiksimainitun alkuaineen muuttuessa osoittautuu ainoastaan 0,83 prosenttia sen kaikista atomeista β-säteilijöiksi, kun sen sijaan melkein kaikki, nimittäin 99,85 prosenttia, viimeksimainitun alkuaineen atomit muuttuvat α-muuttumisen mukaisesti. Niitten välillä on Th C, jonka haarautumissuhde on 35/65. Samalla tavalla voidaan selittää se tosiasia, että kun samaan plejadiin kuuluu sekä α että β-säteilijöitä, niin viimeksimainituilla on suurempi atomipaino, kuten huomataan UX₁:stä ja MsTh₁:stä. Tästä suhteesta on kuitenkin poikkeuksena Ra E, joka on puhdas β-säteilijä. Koetettaessa saattaa ylläolevan säännön mukaan aktiniumille paraiten sopivan atomipainon arvo 227 sopusointuun tämän alkuaineen syntyä koskevan kysymyksen kanssa huomataan seuraavaa:
  81. 81. 82 on todennäköistä, että protaktinium syntyy β-muuttumisen välityksellä uraani Y:stä; riippuen siitä, syntyykö tämä viimeksimainittu (α-muuttumisen välityksellä) uraani I:stä vaiko uraani II:sta, pitäisi uraani Y:n ja protaktiumin yhtäsuuriksi atomipainoiksi määrätä 234 tai 230, jolloin siis aktiniumin atomipainoksi tulisi joko 230 tai 226. Jälkimmäinen arvo, joka on merkitty kuudenteen taulukkoon, vastaa tosin huonommin eliniän ja atomipainon välistä suhdetta kuin arvo 227, mutta ei silti ole ristiriidassakaan sen kanssa. Jos sen sijaan aktiniumin atomipaino olisi 230, niin ei juuri mikään aktiniumsarjan jäsen noudattaisi ylläesitettyjä sääntöjä. Sen vuoksi täytyy otaksua, että uraani Y, kuten sivulla 75 esitetystä kaaviosta ilmenee, polveutuu, mikäli se en aktiniumin kanta-aine, uraani II:sta eikä uraani I:stä. Kuitenkin uraani Y:n atomipainon arvo, joka näin ollen on 230, joutuu säännön kanssa ristiriitaan kun sen sijaan arvo 234 olisi säännönmukaisempi. On siis välttämätöntä tarkistaa joko uraanin ja protaktiniumin välinen yhteyssuhde taikka isotooppien eliniän ja atomipainon välillä vallitseva suhde.
  82. 82. 83 VI LUKU. Hajoamissarjojen lopputuotteet ja isotooppiset lyijylajit. 1. Teoriaa. Kuten edelläolevasta esityksestä ilmenee, on uuden isotopia-käsitteen luominen tehnyt mahdolliseksi läpeensä tyydyttävän radioalkuaineitten kemiallisen järjestelmän laatimisen. Sitä paitsi on tällä käsitteellä huomattava vaikutus myöskin yleiseen kemiaan. Siihenhän perustuu olettamus, jonka mukaan on olemassa alkuaineita, joilla, erilaisista atomipainoistaan huolimatta (ne saattavat erota toisistaan jopa kahdeksankin yksikön verran), on käytännöllisesti täysin samanlaiset kvalitatiivis-kemialliset ominaisuudet. Kuitenkaan eivät kemistin mielestä edelläesitetyt, isotooppiteoriaa tukevat tosiseikat ole riittävän todistusvoimaiset. Eihän saa unohtaa, että radioalkuaineitten lyhytikäisyyden vuoksi ei niitten kemiallisia ominaisuuksia ole tutkittu puhtaassa tilassa, vaan sekoitettuna muihin aineisiin, sekä ettei myöskään niitten atomipainoja ole voitu välittömästi, vaan yksinomaan laskemalla määrätä.
  83. 83. 84 Tämä jonkun verran epätyydyttävä tilanne ei kuitenkaan kestänyt kauan, sillä heti kun uudet näkökannat sekä siirtymälait otettiin huomioon radioaktiivisten sarjojen lopputuloksia koskevaa kysymystä käsiteltäessä, ilmeni mahdollisuus kemiallisten menettelytapojen avulla välittömästi todistaa isotooppiteorian ylläoleva pääolettamus oikeaksi. On onnistuttu seuraamaan radioaktiivisia sarjoja aina alkuaineisiin Ra C” ja Ra F, Th C' ja Th C'' sekä AcC' ja AcG'' saakka. Radioaktiivisesti ei enää voitu todeta niillä olevan mitään muuttumistuotteita ja tavallisesti oletettiin niitten olevan laadultaan pysyviä. Niitä sanottiin sen vuoksi sarjojen lopputuotteiksi, ja oletettiin, että ne olisivat samoja kuin joku tai jotkut tavalliset alkuaineet. Ennenkuin radioalkuaineet sovitettiin jaksoittaiseen järjestelmään, onnistuttiin jotakuinkin varmasti vastaamaan ainoastaan Ra Gz:n, Ra F:n muuttumistuotteen, luonnetta koskevaan kysymykseen. B. Boltwood esitti ensimmäisenä (1905) sen mielipiteen, että lyijy on uraani-radiumpoloniumsarjan lopputuote. Tämä käsitys perustui pääasiallisesti siihen tosiseikkaan, että kaikissa uraanikivennäisissä tavataan lyijyä ja lisäksi nämä löydetyt lyijymäärät saman geologisen ikäkauden kivennäisissä ovat suhteelliset uraanipitoisuuteen sekä eri-ikäisissä kivennäisissä suurenevat rinnan iän lisääntymisen kanssa.
  84. 84. 85 Nämä molemmat tosiseikat saisivat luonnollisen selityksensä, jos lyijy syntyisi uraanin hitaasti hajotessa ja siten varastoutuisi kivennäiseen geologisten aikajaksojen kuluessa (1. Myöskin atomipainojen tarkastelu näytti aluksi tukevan tätä käsitystä. Ottamalla lähtökohdaksi uraani I:n tai radiumin aikaisemmin oikeina pidetyt atonıipainojen arvot 238,5 ja 226,4 saatiin tunnetulla tavalla Ra G:n atomipainon todennäköiseksi arvoksi 206, 206,4, joka tavallisista alkuaineista oli lähinnä lyijyn atomipainon arvoa (207,1). Eroavaisuuden, joka vielä oli näitten arvojen välillä olemassa, oletettiin johtuvan atomipainojen hiukan epävarmoista arvoista. Nyt ei kuitenkaan kyseenä olevien atomipainojen tarkistus ole tätä erotusta pienentänyt, vaan päinvastoin oleellisesti suurentanut. U₁:n ja Ra:n nykyään oikeina pidetyistä arvoista 238,2 ja 226,0 saadaan laskemalla Ra G:n atomipainoksi 206,2 206,0, kun taasen lyijyn atomipaino uusimpien määräysten mukaan on 207,20. Radioalkuaineitten sijoittaminen luonnolliseen järjestelmään sekä isotopian käsite osoittivat nyt keinon, jonka avulla voitiin selvittää tämä ristiriitaisuus ja samalla voitiin sen perusteella myöskin tehdä tärkeitä johtopäätöksiä muiden (lopputuotteitten) luonteesta. (1. Koska uraanin hajoamisnopeus tiedetään, voidaan kivennäisen absoluuttinen ikä likimäärin arvioida määräämällä siinä oleva paljoussuhde lyijy/uraani. Vrt. lähemmin Lawsonin tyhjentävää esitystä.

×