III 0,088 39 0,085 89 224,0
------------------------------------------------
Diese Zahlen ergeben als Mittel 225. Sie sind, ebenso wie die früheren,
unter der Annahme berechnet, daß das Radium zweiwertig sei, daß also
sein Chlorid die Formel \text{RaCl}_2 habe, und unter Zugrundelegung
folgender Zahlen für das Silber und das Chlor: Ag = 107,8; Cl = 35,4.
Aus diesen Versuchen folgt als Atomgewicht des Radiums 225.[43-45] Ich
halte diese Zahl für auf eine Einheit genau.
Die Wägungen wurden mit einer genau justirten Curieschen aperiodischen
Wage gemacht, deren Empfindlichkeit {}^{1}/_{20} mg betrug. Diese direkt
ablesbare Wage erlaubt die Ausführung sehr schneller Wägungen, was sehr
wesentlich ist bei der Wägung von wasserfreien Radium- und
Baryumchloriden, die selbst bei Anwesenheit von Trockenmitteln im
Wagekasten langsam Wasser absorbiren. Die zu wägenden Substanzen
befanden sich in einem Platintiegel, der seit langer Zeit im Gebrauch
war; ich habe mich überzeugt, daß sein Gewicht sich während einer
Operation nicht um {}^{1}/_{10} mg änderte.
Das durch Krystallisation erhaltene, Krystallwasser enthaltende Chlorid
wurde in den Tiegel gebracht und durch Erhitzung im Trockenschrank in
Anhydrid verwandelt. Der Versuch ergiebt, daß, wenn das Chlorid einige
Stunden auf 100° gehalten wurde, sein Gewicht sich nicht mehr ändert,
selbst wenn man die Temperatur auf 200° erhöht und während einiger
Stunden erhält. Das so erhaltene wasserfreie Chlorid bildet also einen
wohldefinirten Körper.
Ich teile einige Messungen hierüber mit: Das Chlorid (1 dg) wird bei 55°
im Trockenschrank getrocknet und in einem Exsikkator mit
Phosphorsäureanhydrid gestellt; es verliert dann langsam an Gewicht,
woraus hervorgeht, daß es noch etwas Wasser enthält; während 12 Stunden
betrug dieser Verlust etwa 3 mg. Man bringt das Chlorid wieder in den
Trockenschrank und steigert die Temperatur auf 100°. Während dieser
Operation verliert das Chlorid 6,3 mg. Während weiterer 3 Stunden und 15
Minuten verliert es noch 2,5 mg. Man erhält die Temperatur 45 Minuten
lang zwischen 100° und 120°, wodurch ein Gewichtsverlust von 0,1 mg
entsteht. Weitere 30 Minuten auf 125° gelassen, verliert das Chlorid
nichts. Sodann 30 Minuten auf 150° gehalten, verliert es 0,1 mg. Endlich
4 Stunden lang auf 200° erhitzt, erfahrt es einen Gewichtsverlust von
0,15 mg. Während aller dieser Operationen änderte sich das Gewicht des
Tiegels um 0,05 mg.
Nach jeder Bestimmung des Atomgewichts wurde das Radium folgendermaßen
wieder in Chlorid zurückverwandelt: Die Flüssigkeit, die nach der
Analyse Radium- und Silbernitrat im Überschuß enthielt, wurde mit reiner
Salzsäure versetzt und das Chlorsilber durch Filtration beseitigt; dann
wurde die Flüssigkeit mehrer Male mit einem Überschuß reiner Salzsäure
zur Trockne eingedampft. Der Versuch ergiebt, daß man auf diese Weise
die Salpetersäure vollständig beseitigen kann.
Das zur Analyse dienende Chlorsilber war stets radioaktiv und
selbstleuchtend. Ich überzeugte mich, daß es keine wägbare Menge von
Radium mitgerissen habe, indem ich die darin enthaltene Silbermenge
bestimmte. Zu diesem Zwecke wurde das in dem Tiegel enthaltene
geschmolzene Chlorsilber durch Wasserstoff reducirt, der aus verdünnter
Salzsäure und Zink hergestellt war; nach Auswaschung wurde der Tiegel
mit dem darin enthaltenen metallischen Silber gewogen.
Ich habe ferner durch einen Versuch konstatirt, daß das Gewicht des
regenerirten Radiumchlorids ebenso groß war wie vor der Operation. Bei
anderen Versuchen begann ich die neuen Operationen, ohne eine
vollständige Verdampfung des Waschwassers abzuwarten.
Diese Prüfungen besitzen nicht dieselbe Genauigkeit wie die direkten
Versuche; sie erlaubten gleichwohl die Feststellung, daß kein merklicher
Fehler untergelaufen war.
Nach seinen chemischen Eigenschaften gehört das Radium zur Reihe der
Erdalkalimetalle. Es bildet in dieser Reihe das höhere Homologe des
Baryums. Nach seinem Atomgewicht kommt das Radium auch in der
Mendelejeffschen Tabelle hinter das Baryum in die Kolumne der
Erdalkalien und in die Zeile, die schon das Uran und das Thor enthält.
h) Eigenschaften der Radiumsalze.
---------------------------------
Die Radiumsalze: Chlorid, Nitrat, Karbonat, Sulfat sehen, in festem
Zustande dargestellt, ebenso aus wie die entsprechenden Baryumsalze, sie
färben sich jedoch alle im Laufe der Zeit.
Die Radiumsalze leuchten im Dunkeln.
In ihren chemischen Eigenschaften verhalten sich Radiumsalze genau so,
wie die entsprechenden Baryumsalze. Die Löslichkeit des Radiumchlorids
ist jedoch geringer wie die des Baryumchlorids; die Löslichkeit der
Nitrate in Wasser scheint merklich dieselbe.
Die Radiumsalze sind der Sitz einer fortwährenden selbsttätigen
Wärmeentwicklung.
Reines Radiumchlorid ist paramagnetisch. Seine Magnetisirungszahl k
(Verhältniß des magnetischen Moments der Masseneinheit zur
Feldintensität) ist von den Herren Curie und Cheneveau[46] mittels eines
eigens hierzu konstruirten Apparates gemessen worden. Die Messung
geschah durch Vergleich mit der Magnetisirungszahl des Wassers unter
Anbringung der Korrektion für den Magnetismus der Luft. Man fand so:
k = 1,05 ⋅ 10^{-6}. Reines Baryumchlorid ist diamagnetisch,
seine Magnetisirungszahl beträgt: k = -0,40 ⋅ 10^{-6}. Ganz
entsprechend diesen Resu1taten findet man für ein Radium-haltiges
Baryumchlorid mit etwa 17 Proz. Radiumchlorid diamagnetisches Verhalten
und eine Magnetisirungszahl:[^8] k = -0,20 ⋅ 10^{-6}.
i) Fraktionirung gewöhnlichen Baryumchlorids.
---------------------------------------------
Wir suchten festzustellen, ob das käufliche Baryumchlorid nicht kleine
Spuren von Radiumchlorid enthielte, die zu gering waren, um mit unsrem
Meßapparat wahrgenommen zu werden. Zu diesem Zwecke unternahmen wir die
Fraktionirung einer großen Menge von käuflichem Baryumchlorid, in der
Erwartung, eine etwa vorhandene Spur von Radiumchlorid dadurch
konzentriren zu können.
50 kg käuflichen Baryumchlorids wurden mit schwefelsäurefreier Salzsäure
gefällt, wobei 20 kg gefällten Chlorids erhalten wurden. Dieses wurde in
Wasser aufgelöst und wieder teilweise durch Salzsäure gefällt, wobei man
8,5 kg Niederschlag erhielt. Dieses Chlorid wurde der beim
Radium-haltigen Baryum angewandten Fraktionirungsmethode unterworfen,
wobei man an der Spitze der Fraktionirung 10 g Chlorid geringster
Löslichkeit ausschied. Dieses Chlorid zeigte in unsrem Meßapparat
keinerlei Aktivität; es enthielt also kein Radium; dieser Körper ist
demnach in den das Baryum liefernden Mineralien nicht enthalten.
Drittes Kapitel. Strahlung der neuen radioaktiven Substanzen.
=============================================================
a) Methoden zur Untersuchung der Strahlen.
------------------------------------------
Um die von den radioaktiven Substanzen emittirte Strahlung zu
untersuchen, kann man irgend eine Eigenschaft dieser Strahlung benutzen.
Man kann also entweder die Wirkung der Strahlen auf die photographische
Platte, oder ihre Eigenschaft, die Luft zu ionisiren und leitend zu
machen, oder endlich ihre Fähigkeit, die Fluorescenz gewisser Substanzen
zu erregen, benutzen. Ich werde im Folgenden, wenn ich von einem dieser
verschiedenen Verfahren spreche, zur Abkürzung folgende Ausdrücke
gebrauchen: Radiographische, elektrische, fluoroskopische Methode.
Die beiden ersteren wurden von Anfang an zur Untersuchung der
Uranstrahlen benutzt; die fluoroskopische Methode kann nur auf die
neuen, stark aktiven Substanzen angewandt werden, denn die schwach
radioaktiven Substanzen, wie Uran und Thor, bringen keine merkliche
Fluorescenz hervor. Die elektrische Methode ist die einzige, die präcise
Intensitätsmessungen erlaubt; die beiden andren sind von diesem
Gesichtspunkte aus betrachtet hauptsächlich zur Erlangung qualitativer
Resultate gegeignet, und können nur ganz grobe Intensitätsmessungen
liefern. Die mit den drei betrachteten Methoden erhaltenen Resultate
sind, wenn überhaupt, nur ganz roh mit einander vergleichbar und
gestatten manchmal überhaupt keinen Vergleich. Die empfindliche Platte,
das sich ionisirende Gas, der Fluorescenzschirm sind ebenso viele
Empfänger, welche Strahlungsenergie absorbiren und in eine andre
Energieform transformiren sollen; nämlich in chemische Energie,
Ionenenergie oder in Lichtenergie. Jeder Empfänger absorbirt einen
Bruchteil der Strahlung, dessen Größe wesentlich von seiner Natur
abhängt. Es wird weiter unten gezeigt werden, daß die Strahlung
zusammengesetzter Natur ist; die von den verschiedenen Empfängern
absorbirten Strahlungsbruchteile können sehr quantitativ und qualitativ
verschieden sein. Endlich ist es weder sicher, noch auch nur
wahrscheinlich, daß die absorbierte Energie von dem Empfänger
vollständig in die zur Beobachtung erwünschte Form transformirt wird:
ein Teil dieser Energie kann in Wärme verwandelt werden, oder in
Emission von Sekundärstrahlen, die je nachdem zur Hervorbringung der
beobachteten Erscheinung angenommen werden oder nicht, oder in chemische
Wirkungen, die verschieden sind von der zu beobachtenden usw., es hängt
somit auch der Nutzeffekt des Empfängers bezüglich der bescheinigten
Efficienz wesentlich von der Natur des Empfängers ab.
Vergleichen wir zwei Proben radioaktiver Substanz mit einander, von
denen die eine Radium, die andere Polonium enthält, und die in dem in
Fig. 1 dargestellten Plattenapparat gleiche Activität zeigen. Bedeckt
man beide mit einem dünnen Aluminiumblatt, so wird das zweite
beträchtlich schwächer aktiv erscheinen als das erste und dasselbe wird
bei Benutzung desselben Fluorescenzschirms für beide der Fall sein, wenn
der Schirm genügend dick ist oder sich in einiger Entfernung von den
beiden radioaktiven Substanzen befindet.
b) Energie der Strahlung
------------------------
Welche Untersuchungsmethode man auch anwendet, man findet immer, daß die
Strahlungsenergie der neuen radioaktiven Substanzen beträchtlich größer
ist, als die des Urans und Thors. So wird z. B. eine photographische
Platte bei kleiner Entfernung sozusagen augenblicklich beeinflußt,
während eine Exposition von 24 Stunden nötig ist, wenn man mit Uran oder
Thor operiert. Ein Fluorescenzschirm wird bei Berührung mit den neuen
radioaktiven Substanzen lebhaft erhellt, während man mit Uran oder Thor
keine Spur von Licht wahrnehmen kann. Endlich ist auch die Wirkung auf
die Luft vielmals stärker, etwa im Verhältniß 10^6. Es ist jedoch,
streng genommen, überhaupt nicht mehr möglich, die Totalintensität der
Strahlung wie beim Uran mit der eingangs beschriebenen elektrischen
Methode (Fig. 1) zu bestimmen. In der Tat wird beim Uran die Strahlung
nahezu vollständig in der Luftschicht zwischen den Platten absorbirt,
und der Grenzstrom wird bereits bei einer Spannung von 100 Volt
erreicht. Dies ist jedoch nicht mehr bei den stark aktiven Substanzen
der Fall. Ein Teil der Radiumstrahlung besteht aus sehr durchdringenden
Strahlen, die den Kondensator und die Metallplatten durchsetzen und
überhaupt nicht zur Ionisation der Luft zwischen den Platten ausgenutzt
werden. Ferner kann der Grenzstrom durchaus nicht immer mit den
verfügbaren Spannungen erreicht werden; so ist z. B. für das stark
aktive Polonium der Strom noch zwischen 100 und 500 Volt der Spannung
proportional. Die experimentellen Bedingungen, die den Messungen eine
einfache Bedeutung geben, sind hier also nicht erfüllt, und die
erhaltenen Zahlen können somit nicht als ein Maß der Totalstrahlung
betrachtet werden; sie bieten in dieser Hinsicht nur eine grobe
Annäherung.
c) Zusammengesetzte Natur der Strahlung.
----------------------------------------
Die Arbeiten verschiedener Physiker (der Herren Becquerel, Meyer und v.
Schweidler, Giesel, Villard, Rutherford, P. und S. Curie) haben gezeigt,
daß die Strahlung der radioaktiven Substanzen sehr komplicirter Natur
ist. Man kann drei Arten von Strahlung unterscheiden, die ich nach der
von Herrn Rutherford angenommenen Bezeichnungsweise durch die Buchstaben
α, β, γ unterscheiden will.
1. Die α-Strahlen sind wenig durchdringende Strahlen, die den
Hauptteil der Strahlung auszumachen scheinen. Diese Strahlen sind
durch die Art ihrer Absorption in der Materie charakterisirt. Das
magnetische Feld wirkt sehr wenig auf sie, so daß man sie zuerst für
magnetisch unablenkbar gehalten hat. In einem sehr starken
Magnetfeld werden die α-Strahlen jedoch ein wenig abgelenkt;
die Ablenkung erfolgt in derselben Weise wie bei den
Kathodenstrahlen, aber im umgekehrten Sinne; dasselbe gilt für die
Kanalstrahlen in den Entladungsröhren.
2. Die β-Strahlen sind im Ganzen weniger absorbirbar als die
vorigen. Sie werden im Magnetfelde in gleicher Weise und im gleichen
Sinne abgelenkt wie die Kathodenstrahlen.
3. Die γ-Strahlen sind durchdringende Strahlen, die vom
Magnetfelde nicht beeinflußt werden, und den Röntgenstrahlen
vergleichbar sind.
Die Strahlen einer Gruppe können ein in sehr weiten Grenzen variables
Durchdringungsvermögen haben, wie aus den Versuchen mit β-Strahlen
hervorgeht.
[Fig. 4]
Denken wir uns folgenden Versuch: Das Radium R befindet sich in einer
kleinen Höhlung, die in einen Bleiblock P eingegraben ist (Fig. 4). Ein
geradliniges und wenig sich verbreiterndes Strahlenbündel entweicht aus
dem Troge. Nehmen wir an, daß in der Umgebung der Vertiefung ein
gleichförmiges, sehr starkes magnetisches Feld erzeugt werde, senkrecht
zur Zeichnungsebene und von vorn nach hinten gerichtet. Dann werden die
drei Strahlengruppen von einander getrennt werden.
Die wenig intensiven γ-Strahlen setzen ihren geradlinigen Weg fort,
ohne eine Spur von Ablenkung. Die β-Strahlen werden wie
Kathodenstrahlen abgelenkt und beschreiben kreisförmige Bahnen in der
Zeichnungsebene, deren Krümmungsradius in weiten Grenzen variirt. Wenn
der Trog auf eine photographische Platte AC aufgesetzt wird, so wird der
von den β-Strahlen getroffene Teil BC der Platte beeinflußt. Die
α-Strahlen endlich bilden ein sehr intensives Bündel, das nur wenig
abgelenkt und ziemlich schnell in der Luft ebsorbirt wird. Diese
Strahlen beschreiben in der Zeichnungsebene eine Bahn von sehr großem
Krümmungsradius; der Sinn der Ablenkung ist der entgegengesetzte wie bei
den β-Strahlen.
Bedeckt man die Höhlung mit einem dünnen Aluminiumschirm (0,1 m dick),
so werden die α-Strahlen großenteils absorbirt, die β-Strahlen
viel weniger, und die γ-Strahlen überhaupt nicht in merklichem
Maße.
In der soeben beschriebenen Form kann der Versuch nicht wirklich
ausgeführt werden; die Versuche, aus denen die Wirkung des Magnetfeldes
auf die verschiedenen Strahlenarten hervorgeht, sollen weiter unten
besprochen werden.
d) Wirkung des Magnetfeldes.
----------------------------
Aus dem obigen ergiebt sich, daß die von den radioaktiven Substanzen
emittirten Strahlen eine große Zahl von Eigenschaften mit den
Kathodenstrahlen und den Röntgenstrahlen gemeinsam haben. Die
Kathodenstrahlen ionisiren ebenso wie die Röntgenstrahlen die Luft,
wirken auf die photographischen Platten, erregen Fluorescenz, erfahren
keine regelmäßige Reflexion. Aber die Kathodenstrahlen unterscheiden
sich von den Röntgenstrahlen darin, daß sie durch die Einwirkung eines
Magnetfeldes aus ihrer geradlinigen Bahn abgelenkt werden, und daß sie
eine negative elektrische Ladung mit sich führen.
Die Tatsache, daß das magnetische Feld auf die Strahlung der
radioaktiven Körper wirkt, wurde fast gleichzeitig von den Herren
Giesel[48], Meyer und v. Schweidler[49-52] und Becquerel[11]
entdeckt[^9]. Diese Physiker fanden, daß die Strahlen der radioaktiven
Körper in derselben Weise und im selben Sinne abgelenkt werden wie die
Kathodenstrahlen; ihre Beobachtungen bezogen sich auf die
β-Strahlen.
Herr Curie[54] zeigte, daß die Radiumstrahlung aus zwei wohl zu
unterscheidenden Strahlengruppen besteht, von denen die eine im
Magnetfelde stark ablenkbar ist (β-Strahlen), während die andre
unempfindlich gegen die Wirkung des Feldes zu sein scheint (α- und
γ-Strahlen, die unter der gemeinsamen Bezeichnung ablenkbare
Strahlen zusammengefaßt wurden).
Bei den von uns hergestellten Poloniumpräparaten hat Herr Becquerel
keine Emission von Strahlen, die den Kathodenstrahlen entsprechen,
beobachtet. Im Gegensatz hierzu hat Herr Giesel an einem von ihm
hergestellten Poloniumpräparat zuerst die Wirkung des Magnetfeldes
beobachtet. Unter allen von uns hergestellten Poloniumpräparaten hat
keines jemals den Kathodenstrahlen analoge Strahlen gezeigt.
Das Gieselsche Polonium emittirt die kathodenstrahlartige Strahlung nur
im frisch hergestellten Zustande, es ist wahrscheinlich, daß diese
Strahlung von der Erscheinung der inducirten Radioaktivität herrührt,
von der weiter unten die Rede sein wird.
Folgende Versuche dienten zum Nachweis, daß ein Teil der
Radiumstrahlung, und zwar nur ein Teil aus leicht ablenkbaren Strahlen
besteht (β-Strahlen). Die Versuche geschahen mittels der
elektrischen Methode[54].
[Fig. 5]
Der radioaktive Körper A (Fig. 5) sendet Strahlen in der Richtung AD
zwischen die Platten P und P'. Die Platte P wird auf einem Potential von
500 Volt erhalten, die Platte P' ist mit einem Elektrometer und einem
piezoelektrischen Quarz verbunden. Man mißt die Stärke des unter dem
Einfluß der Strahlung die Luft durchfließenden Stromes. Mittels eines
Elektromagneten kann man nach Belieben innerhalb des ganzen Bereiches
EEEE ein magnetisches Feld erzeugen, das senkrecht zur Zeichnungsebene
verläuft. Wenn die Strahlen auch nur schwach abgelenkt werden, so
gelangen sie nicht mehr zwischen die Platten, und der Strom wird
unterdrückt. Die Bahn der Strahlen ist durch die Bleimassen BB'B'' sowie
durch die Polschuhe des Elektromagneten begrenzt; wenn die Strahlen
abgelenkt werden, so werden sie von den Bleimassen B und B' absorbirt.
Die erhaltenen Resultate hängen wesentlich von dem Abstand AD der
Strahlungsquelle A von dem Beginn des Kondensators bei D ab. Ist die
Entfernung AD ziemlich groß (größer als 7 cm), so wird der größte Teil
(etwa 90 Proz.) der Radiumstrahlung, die den Kondensator erreicht, von
einem Magnetfelde von 2500 Einheiten abgelenkt und unterdrückt. Diese
Strahlen sind die β-Strahlen. Ist die Entfernung AD kleiner als
65 mm, so wird ein weniger beträchtlicher Teil der Strahlen vom Felde
abgelenkt; dabei wird dieser Teil bereits vollständig in einem Felde von
2500 Einheiten abgelenkt, so daß eine Erhöhung der Feldstärke auf 7000
Einheiten keine Vermehrung des beseitigten Bruchteiles der Strahlung
hervorbringt.
Der durch das Feld nicht abgelenkte Bruchteil der Strahlung ist um so
größer, je kleiner die Entfernung zwischen der Strahlungsquelle und dem
Kondensator. Für sehr kleine Abstände bilden die ablenkbaren Strahlen
nur noch einen ganz geringen Bruchteil der Gesamtstrahlung.
Die durchdringenden Strahlen bestehen also zum großen Teil aus
ablenkbaren Strahlen von der Art der Kathodenstrahlen (β-Strahlen).
Mit der soeben beschriebenen Anordnung konnte die Wirkung des
Magnetfeldes auf die α-Strahlen bei den angewandten Feldstärken
kaum beobachtet werden. Die sehr beträchtliche, scheinbar unablenkbare
Strahlung, die man bei kleinem Abstande von der Strahlungsquelle
beobachtete, bestand aus α-Strahlen; die bei großer Entfernung
beobachtete unablenkbare Strahlung bestand aus γ-Strahlen.
Filtrirt man das Bündel durch ein Absorptionsmittel (Aluminium, oder
schwarzes Papier), so werden die hindurchgehenden Strahlen fast alle im
Magnetfelde abgelenkt, so daß durch den Absorptionsschirm und das
Magnetfeld zusammen fast die ganze Strahlung im Kondensator unterdrückt
wird; der übrig bleibende Rest besteht nur noch aus γ-Strahlen,
deren Menge gering ist. Die α-Strahlen werden von dem Schirm
absorbirt.
Ein Aluminiumblatt von 0,01 mm Dicke genügt, um fast alle schwer
ablenkbaren Strahlen zu unterdrücken, wenn die Substanz sich ziemlich
weit entfernt vom Kondensator befindet; für kleinere Abstände (34 und
51 mm) sind zwei Aluminiumblätter von 1 bis 100 mm nötig, um dasselbe
Resultat zu erreichen.
Ähnliche Messungen mit ganz analogem Resultat wurden an vier strahlenden
Substanzen (Chloriden und Karbonaten) von sehr verschiedener Aktivität
gemacht.
Man findet bei allen Präparaten, daß die magnetisch ablenkbaren
durchdringenden Strahlen (β-Strahlen) nur einen geringen Bruchteil
der Gesamtstrahlung ausmachen; sie kommen bei den Messungen nur wenig in
Betracht, wenn man die Gesamtstrahlung benutzt, um die Luft leitend zu
machen.
Auch die Poloniumstrahlung kann mittels der elektrischen Methode
beobachtet werden. Wenn man die Entfernung AD des Poloniums vom
Kondensator variirt, so bemerkt man zuerst, so lange die Entfernung
ziemlich groß ist, gar keinen Strom; nähert man das Polonium, so bemerkt
man, daß für eine gewisse Entfernung, die bei dem untersuchten Präparat
4 cm betrug, die Strahlung sich plötzlich mit großer Intensität
bemerkbar macht; der Strom wächst dann gleichmäßig, wenn man das
Polonium weiter nähert, doch bringt das Magnetfeld unter diesen
Bedingungen keinen merklichen Effekt hervor. Es sieht so aus, als ob die
Poloniumstrahlen im Raume begrenzt wären und in Luft kaum eine Art von
Scheidewand überschritten, die die Substanz im Abstande von einigen
Centimetern umgiebt.
Ich muß hier einige wichtige allgemeine Einschränkungen bezüglich der
Deutung der soeben beschriebenen Versuche machen. Wenn ich von dem durch
den Magneten abgelenkten Bruchteil der Strahlung spreche, so handelt es
sich dabei nur um diejenigen Strahlen, die im Stande sind, einen Strom
im Kondensator zu erzeugen. Wenn man als Reagenz für die
Becquerelstrahlen die Fluorescenz oder die Wirkung auf die
photographische Platte benutzte, so würde der Bruchteil wahrscheinlich
ein andrer werden; eine Intensitätsmessung hat eben im allgemeinen nur
einen Sinn für die gerade angewandte Meßmethode.
Die Poloniumstrahlen sind von der Art der α-Strahlen. Bei den
soeben beschriebenen Versuchen wurde keinerlei Einfluß des Magnetfeldes
auf diese Strahlen bemerkt, doch war die Anordnung derartig, daß eine
schwache Ablenkung unbemerkbar bleiben mußte.
Versuche mittels der radiographischen Methode bestätigten die Resultate
der obigen Versuche. Benutzt man Radium als Strahlungsquelle und fängt
die Strahlen auf einer Platte auf, die parallel zum ursprünglichen
Strahlenbündel und senkrecht zum Felde steht, so erhält man die sehr
scharfe Spur zweier durch das Feld getrennter Strahlenbündel, von denen
das eine abgelenkt ist, das andre nicht. Die β-Strahlen bilden das
abgelenkte Bündel; die nur sehr wenig abgelenkten α-Strahlen
vermischen sich fast ganz mit dem unabgelenkten Bündel der
α-Strahlen.
e) Ablenkbare β-Strahlen.
-----------------------------
Es folgte aus den Versuchen der Herren Giesel und Meyer und v.
Schweidler, daß die Strahlung der radioaktiven Körper wenigstens zum
Teil vom Magnetfeld abgelenkt wird, und daß diese Ablenkung ebenso
geschieht wie bei den Kathodenstrahlen. Herr Becquerel[55-57] hat die
Wirkung des Feldes auf die Strahlen mittels der radiographischen Methode
untersucht. Die benutzte Anordnung war die der Fig. 4. Das Radium befand
sich in einer Bleischale P, die auf der Schichtseite einer in schwarzes
Papier eingehüllten photographischen Platte AC stand. Das Ganze befand
sich zwischen den Polen eines Elektromagneten, dessen Feld senkrecht zur
Zeichnungsebene verlief.
Wenn das Feld von vorn nach hinten gerichtet ist, so wird der Teil BC
der Platte von Strahlen getroffen, die nach Zurücklegung kreisförmiger
Bahnen auf die Platte zurückgeworfen werden und sie in rechtem Winkel
schneiden. Diese Strahlen sind β-Strahlen.
Becquerel zeigte, daß das Bild aus einem breiten diffusen Bande, einem
richtigen kontinuirlichen Spektrum besteht, woraus hervorgeht, daß das
von der Quelle ausgesandte ablenkbare Strahlenbündel aus einer
unendlichen Zahl verschieden ablenkbarer Strahlen besteht. Bedeckt man
die Schicht der Platte mit verschiedenen Absorptionsmitteln (Papier,
Glas, Metalle), so wird ein Teil des Spektrums unterdrückt, und es
ergiebt sich, daß diejenigen Strahlen, die am stärksten im Magnetfelde
abgelenkt werden, oder anders ausgedrückt, diejenigen, deren Bahn den
kleinsten Krümmungsradius hat, am stärksten absorbirt werden. Für jeden
Schirm beginnt die Einwirkung auf die Platte erst bei einem gewissen
Abstand von der Strahlungsquelle, und dieser Abstand ist um so größer,
je stärker der Schirm absorbirt.
f) Ladung der ablenkbaren Strahlen.
-----------------------------------
Die Kathodenstrahlen sind, wie Perrin[58,59] gezeigt hat, mit negativer
Elektrizität geladen. Sie vermögen ferner nach den Versuchen der Herren
Perrin und Lenard[60] ihre Ladung durch mit der Erde verbundene
Metallschirme und durch isolirende Substanzen hindurch zu transportiren.
An jeder Stelle, wo Kathodenstrahlen absorbirt werden, findet eine
kontinuirliche Entwicklung negativer Elektrizität statt. Wir stellten
fest, daß dasselbe für die ablenkbaren β-Strahlen des Radiums
stattfindet. Die ablenkbaren β-Strahlen sind mit negativer
Elektrizität geladen[61].
Die radioaktive Substanz sei auf einer der Platten eines Kondensators
ausgebreitet und die Platte zur Erde abgeleitet; die zweite mit dem
Elektrometer verbundene Platte empfängt und absorbirt die von der
Substanz emittirten Strahlen. Wenn die Strahlen geladen sind, so sollte
man einen kontinuirlichen Elektrizitätszufluß zum Elektrometer erwarten.
Als wir dieses Experiment in Luft ausführten, konnten wir keine Ladung
der Strahlen nachweisen, aber in dieser Form ist der Versuch auch nicht
empfindlich genug. Die Luft zwischen den Platten wird durch die Strahlen
leitend gemacht, das Elektrometer ist also nicht mehr isolirt und kann
nur ziemlich starke Ladungen anzeigen. Damit die α-Strahlen den
Versuch nicht stören, kann man sie durch Bedeckung der Strahlungsquelle
mit einem dünnen Metallschirm unterdrücken; das Resultat des Versuchs
wird dadurch nicht geändert.[^10]
Wir haben den Versuch in Luft ohne besseren Erfolg wiederholt, indem wir
die Strahlen in das Innere eines mit dem Elektrometer verbundenen
Faradayschen Cylinders eindringen ließen.[^11]
Man konnte sich schon nach den vorangehenden Versuchen davon
Rechenschaft geben, daß die Ladung der von dem angewandten Präparat
ausgehenden Strahlung nur schwach sein konnte.
Um eine schwache Elektrizitätsentwicklung auf einem die Strahlen
absorbirenden Leiter zu konstatiren, muß der Leiter elektrisch gut
isolirt sein; dazu muß man ihn aber vor der Einwirkung der Luft
schützen, indem man ihn entweder in ein sehr vollkommen evakuirtes Gefäß
bringt,[^12] oder ihn mit einem guten festen Dielektrikum umgiebt. Die
letztere Anordnung wurde von uns benutzt.
[Fig. 6]
Eine leitende Scheibe MM (Fig. 6) ist durch einen Metallstab t mit dem
Elektrometer verbunden; Scheibe und Stab sind vollständig von dem
Isolirmittel iiii umgeben; das ganze ist von einer Metallhülle EEEE
umgeben, die in leitender Verbindung mit der Erde steht. Auf einer Seite
der Scheibe sind Isolirschicht pp und Metallhülle sehr dünn. Diese Seite
ist der Strahlung des Radium-haltigen Baryumsalzes R ausgesetzt, das
sich frei in einem Bleitrog befindet.[^13] Die von dem Radium emittirten
Strahlen durchsetzen die Metallhülle und die isolirende Schicht pp und
werden in der Metallscheibe MM absorbirt. Diese wird dadurch der Sitz
einer kontinuirlichen und konstanten Entwicklung negativer Elektrizität,
die man am Elektrometer konstatirt und mittels des piezoelektrischen
Quarzes mißt.
Der so erzeugte Strom ist sehr schwach. Mit sehr aktivem Radium-haltigen
Baryumchlorid in einer Schicht von 2,5 cm Oberfläche und 0,2 cm Dicke
erhält man einen Strom von der Größenordnung 10^{-11} Ampere, nachdem
die benutzten Strahlen vor ihrer Absorption in der Scheibe MM eine
Aluminiumschicht von 0,01 mm und eine Hartgummischicht von 0,3 mm Dicke
durchsetzt haben.
Wir haben hintereinander Blei, Kupfer und Zink für die Scheibe MM,
Hartgummi und Paraffin als Isolirmittel benutzt; die erhaltenen
Resultate waren dieselben. Der Strom wird schwächer, wenn man die
Strahlungsquelle R entfernt, oder ein schwächer aktives Präparat
benutzt.
Dieselben Resultate erhielten wir, als wir die Scheibe MM durch einen
mit Luft gefüllten, aber von einem Isolirmittel umhüllten Faradayschen
Cylinder ersetzten. Die durch die dünne isolirende Platte pp
verschlossene Öffnung des Cylinders befand sich der Strahlungsquelle
gegenüber.
Endlich haben wir auch den umgekehrten Versuch gemacht, der darin
besteht, daß man den Bleitrog mit dem isolirenden Medium umgiebt und mit
dem Elektrometer verbindet (Fig. 7), während das Ganze mit einer
geerdeten Metallhülle umgeben ist.
[Fig. 7]
Bei dieser Anordnung beobachtet man am Elektrometer, daß das Radium eine
positive Ladung von gleicher Größe annimmt, wie die negative bei dem
ersten Versuch. Die Strahlen des Radiums durchdringen die dünne
Schicht pp und nehmen beim Verlassen des inneren Leiters negative
Elektrizität mit sich fort.
Die α-Strahlen des Radiums kommen bei diesen Versuchen nicht in
Betracht, da sie schon in sehr dünnen Schichten fester Substanz fast
vollständig absorbirt werden. Die soeben beschriebene Methode eignet
sich auch nicht für die Untersuchung der Poloniumstrahlen, da diese
ebenfalls wenig Durchdringungsvermögen besitzen. Wir bemerkten keine
Spur einer Ladung beim Polonium, das nur α-Strahlen emittirt; aus
dem eben genannten Grunde kann man jedoch aus diesem Versuch keinen
Schluß ziehen.
Es findet also bei den ablenkbaren β-Strahlen des Radiums, ebenso
wie bei den Kathodenstrahlen, ein Transport von Elektrizität statt. Nun
hat man bisher niemals die Existenz elektrischer Ladungen gekannt, die
nicht an Materie geknüpft waren. Man kam also dazu, sich für die
Untersuchung der ablenkbaren β-Strahlen des Radiums derselben
Theorie zu bedienen, die augenblicklich für die Kathodenstrahlen in
Gebrauch ist. Nach dieser ballistischen Theorie, die von Sir W. Crookes
aufgestellt, später von Herrn J. J. Thomson entwickelt und
vervollständigt ist, bestehen die Kathodenstrahlen aus äußerst feinen
Teilchen, die von der Kathode mit großer Geschwindigkeit
fortgeschleudert werden und mit negativer Elektrizität geladen sind. Man
kann also annehmen, daß das Radium negativ geladene Partikel in den Raum
hinaussendet.
Ein Radiumpräparat, das in einer dünnen, vollkommen isolirenden festen
Hülle eingeschlossen ist, muß sich von selbst auf ein sehr hohes
Potential laden. Nach der ballistischen Hypothese müßte dieses Potential
so lange anwachsen, bis die Potentialdifferenz gegen die umgebenden
Leiter genügend groß wird, um die Entfernung der emittirten
elektrisirten Teilchen zu verhindern und sie zur Strahlungsquelle
zurückzuführen.[^14]
Wir haben durch Zufall ein derartiges Experiment gemacht. Ein sehr
aktives Radiumpräparat war seit langem in einem Glasröhrchen
eingeschlossen. Um das Röhrchen zu öffnen, machten wir einen Strich mit
einem Glasmesser auf dem Glase. In diesem Moment hörten wir deutlich das
Geräusch eines Funkens, und als wir darauf das Glas mit einer Lupe
untersuchten, fanden wir, daß es an der durch den Strich geschwächten
Stelle von einem Funken durchbohrt war. Dieser Vorgang ist durchaus
vergleichbar mit der Durchbrechung des Glases einer zu stark geladenen
Leydenerflasche.
Die gleiche Erscheinung wiederholte sich mit einer andren Röhre. Ja,
Herr Curie, der die Röhre hielt, spürte sogar im Moment, als der Funke
übersprang, in seinen Fingern einen elektrischen Entladungsschlag.[^15]
Gewisse Gläser sind sehr gute Isolatoren. Wenn man das Radium in ein
zugeschmolzenes, gut isolirendes Röhrchen einschließt, kann man
erwarten, daß in einem bestimmten Moment die Röhre von selbst durchbohrt
wird. Das Radium ist das erste Beispiel eines Körpers, der sich von
selbst elektrisch ladet.
g) Wirkung des elektrischen Feldes auf die ablenkbaren β-Strahlen
des Radiums.
----------------------------------------------------------------------------------
Da die ablenkbaren β-Strahlen des Radiums den Kathodenstrahlen
vergleichbar sind, so müssen sie von einem elektrischen Felde in
derselben Weise wie diese abgelenkt werden, d. h. wie ein negativ
geladenes, träges Teilchen, das mit großer Geschwindigkeit in den Raum
hinausgeschleudert wird. Die Existenz dieser Ablenkung wurde einerseits
von Herrn Dorn,[64] andrerseits von Herrn Becquerel[57] nachgewiesen.
Betrachten wir einen Strahl, der den Raum zwischen den beiden Platten
eines Kondensators durchsetzt. Die Strahlrichtung sei parallel zu den
Platten. Wenn man zwischen diesen ein elektrisches Feld erzeugt, so ist
der Strahl der Einwirkung dieses gleichförmigen Feldes längs seines
ganzen Weges l zwischen den Kondensatorplatten unterworfen. Infolge
dieser Einwirkung wird der Strahl nach der positiven Platte hin
abgelenkt und beschreibt einen Parabelbogen; wenn er das Feld verläßt,
setzt er seinen Weg geradlinig fort in Richtung der Tangente an den
Parabelbogen im Austrittspunkt. Man kann den Strahl auf einer
photographischen Platte auffangen, die senkrecht zur ursprünglichen
Richtung steht. Man beobachtet die Wirkung auf die Platte für das Feld
Null und für eine bekannte Feldstärke, und leitet daraus den Wert δ
der Ablenkung ab, die gleich der Entfernung der beiden Punkte ist, in
denen die neue und die ursprüngliche Strahlrichtung dieselbe zur
ursprünglichen Richtung senkrechte Ebene treffen. Wenn h die Entfernung
dieser Ebene vom Kondensator, d. h. von der Grenze des Feldes ist, so
erhält man durch eine einfache Rechnung:
[delta = (e.F.l. (l/2 + h))/(m.v.v)]
wobei m die Masse des bewegten Teilchens, e seine Ladung, v seine
Geschwindigkeit und F die Feldstärke bedeutet.
Die Versuche Becquerels gestatteten ihm eine angenäherte Bestimmung
von δ.
h) Verhältniß von Ladung zur Masse eines vom Radium emittirten negativ
geladenen Teilchens.
-------------------------------------------------------------------------------------------
Ein träges Teilchen von der Masse m und der negativen Ladung e werde mit
der Geschwindigkeit v in ein gleichförmiges Magnetfeld
hineingeschleudert, das senkrecht zur ursprünglichen Geschwindigkeit
verläuft; das Teilchen beschreibt dann in einer Ebene, die durch die
Anfangsrichtung geht und senkrecht zum Felde steht, einen Kreisbogen vom
Krümmungsradius ρ, für den, wenn H die Feldstärke bedeutet, die
Beziehung gilt:
Hρ = mv/e.
Wenn man für ein und denselben Strahl die elektrische Ablenkung δ
und den Krümmungsradius ρ in einem magnetischen Felde gemessen hat,
so kann man aus den beiden Versuchen die Werte für e/m und die
Geschwindigkeit v berechnen.
Die Becquerelschen Versuche lieferten eine erste Annäherung hierfür. Sie
ergaben für e/m einen angenäherten Wert von 10^7 absoluten
elektromagnetischen Einheiten, und für v einen Wert von 1,6⋅10^{10}
cm/sek. Diese Zahlen sind von derselben Größenordnung wie bei den
Kathodenstrahlen.
Genaue Untersuchungen über denselben Gegenstand wurden von Herrn
Kaufmann[65-68] gemacht. Er unterwarf ein sehr feines Bündel von
Radiumstrahlen der gleichzeitigen Einwirkung eines elektrischen und
eines magnetischen Feldes, die beide gleichförmig und gleichgerichtet
waren, und zwar senkrecht zur ursprünglichen Richtung des Bündels. Das
Bild auf einer Platte, die senkrecht zur ursprünglichen Richtung und von
der Quelle aus gerechnet jenseits der Grenzen des Feldes aufgestellt
war, erhält die Form einer Kurve, von der jeder Punkt einem der Strahlen
des ursprünglichen heterogenen Bündels entspricht. Die am stärksten
durchdringenden und am wenigsten ablenkbaren Strahlen sind dabei
diejenigen, deren Geschwindigkeit die größte ist.
Aus den Versuchen Kaufmanns folgt, daß für die Radiumstrahlen, deren
Geschwindigkeit wesentlich größer ist als die der Kathodenstrahlen, das
Verhältniß e/m mit zunehmender Geschwindigkeit abnimmt.
Nach den Arbeiten von J. J. Thomson[69] und Townsend[70] müssen wir
annehmen, daß das bewegte Teilchen, aus dem der Strahl besteht, eine
Ladung besitzt, die gleich ist derjenigen, die ein Wasserstoffatom in
der Elektrolyse transportirt, daß also diese Ladung für alle Strahlen
dieselbe ist. Man muß daraus schließen, daß die Masse des Teilchens mit
zunehmender Geschwindigkeit wächst.
Nun führen aber theoretische Betrachtungen zu der Anschauung, daß die
Trägheit des Teilchens mit der Bewegung der Ladung eng zusammenhängt, da
die Geschwindigkeit einer in Bewegung befindlichen Ladung nicht ohne
Energieaufwand verändert werden kann. Anders ausgedrückt: Die Trägheit
des Teilchens ist elektromagnetischen Ursprungs und die Masse des
Teilchens ist wenigstens zum Teil eine scheinbare oder
elektromagnetische Masse. Herr Abraham[71] geht noch weiter und nimmt
an, daß die Masse des Teilchens völlig elektromagnetischen Ursprungs
ist. Wenn man nach dieser Hypothese die Masse m für eine gegebene
Geschwindigkeit v berechnet, so findet man, daß m unendlich groß wird,
wenn v sich der Lichtgeschwindigkeit nähert und daß m einen konstanten
Wert annimmt, wenn die Geschwindigkeit klein gegen die des Lichtes ist.
Die Versuche Kaufmanns sind in Übereinstimmung mit dieser Theorie, deren
Wichtigkeit groß ist, da sich die Möglichkeit voraussehen läßt, die
Grundlagen der Mechanik auf der Dynamik kleiner geladener und in
Bewegung befindlicher Centra aufzubauen.[^16]
Folgendes sind die von Herrn Kaufmann für e/m und für v erhaltenen
Zahlen[^17]:
-----------------------------------------------------------------
v⋅10^{-10} e/m⋅10^{-7} e/m⋅10^{-10} aus
beobachtet dem Wert von v
berechnet
------------------- ---------------------- ----------------------
2,90 0,692 0,722
2,82 0,835 0,861
2,74 0,972 0,953
2,60 1,07 1,08
2,48 1,16 1,18
2,36 1,24 1,25
2,24 1,29 1,32
2,12 1,33 1,38
0,53 1,865* 1,78
0,00 --- 1,80
-----------------------------------------------------------------
* (beobachtet von Simon[73] für Kathodenstrahlen.)
Herr Kaufmann schloß aus seinen Versuchen, daß der Grenzwert von e/m für
Radiumstrahlen sehr kleiner Geschwindigkeit[^18] derselbe sein würde,
wie für Kathodenstrahlen.
Seine genauesten Messungen hat Kaufmann mit einem ihm von uns zur
Verfügung gestellten kleinen Körnchen reinen Radiumchlorides gemacht.
Nach den Versuchen Kaufmanns besitzen gewisse Teile der β-Strahlung
des Radiums eine Geschwindigkeit, die der des Lichtes ganz nahe kommt.
Es ist verständlich, daß diese so schnellen Strahlen ein sehr großes
Durchdringungsvermögen der Materie gegenüber besitzen.
i) Wirkung des Magnetfeldes auf die α-Strahlen.
----------------------------------------------------
In einer neueren Arbeit kündigte Herr Rutherford[74] an, daß in einem
sehr starken elektrischen oder magnetischen Felde die α-Strahlen
des Radiums schwach abgelenkt werden, derart, wie es bei schnell
bewegten, positiv geladenen Teilchen der Fall sein würde. Rutherford
schloß aus seinen Versuchen, daß die Geschwindigkeit der α-Strahlen
von der Größenordnung 2,5⋅10^9 cm/sek und das Verhältniß e/m von der
Größenordnung 6⋅10^3 wäre, d. h. 10^4mal kleiner als die ablenkbaren
β-Strahlen. Weiter unten soll gezeigt werden, daß diese Schlüsse
Rutherfords mit den bisher bekannten Eigenschaften der α-Strahlen
in Einklang sind und zum Teil wenigstens von dem Absorptionsgesetz
dieser Strahlen Rechenschaft geben.
Die Versuche Rutherfords wurden von Herrn Becquerel[75,76] bestätigt.
Becquerel zeigte ferner, daß die Poloniumstrahlen sich im Magnetfelde
ebenso wie die α-Strahlen des Radiums verhielten und bei gleicher
Feldstärke denselben Krümmungsradius anzunehmen scheinen wie diese. Aus
den Becquerelschen Versuchen folgt ferner, daß die α-Strahlen kein
magnetisches Spektrum zu bilden scheinen, sondern sich wie eine homogene
Strahlung verhalten, bei der alle Strahlen gleich stark abgelenkt
werden.[^19]
k) Wirkung des Magnetfeldes auf die Strahlen andrer radioaktiver
Substanzen.
----------------------------------------------------------------------------
Es wurde im Vorangehenden gezeigt, daß das Radium drei Strahlenarten
emittirt, nämlich α-Strahlen, die den Kanalstrahlen,
β-Strahlen, die den Kathodenstrahlen verwandt sind, und nicht
ablenkbare durchdringende γ-Strahlen. Das Polonium emittirt nur
α-Strahlen. Von den andren radioaktiven Körpern scheint das
Aktinium sich wie das Radium zu verhalten, doch ist die Untersuchung der
Strahlung dieses Körpers noch nicht so weit fortgeschritten, wie die der
Radiumstrahlung. Von den schwach radioaktiven Körpern weiß man jetzt,
daß das Uran und das Thor sowohl α-Strahlen, als auch ablenkbare
β-Strahlen emittiren (Becquerel, Rutherford).
l) Verhältniß der ablenkbaren β-Strahlen in der Radiumstrahlung.
--------------------------------------------------------------------
Wie bereits gesagt, vermehrt sich die relative Intensität der
β-Strahlen mit zunehmender Entfernung von der Strahlungsquelle.
Dennoch treten diese Strahlen niemals allein auf, und für große
Entfernungen beobachtet man immer auch das Vorhandensein von
γ-Strahlen. Das Vorhandensein nicht ablenkbarer, sehr
durchdringender Strahlen in der Radiumstrahlung wurde zuerst von Herrn
Villard[78] beobachtet. Diese Strahlen bilden nur einen geringen Anteil
der Strahlung, wenn man sie mit der elektrischen Methode mißt, und ihr
Vorhandensein entging uns bei unsren ersten Versuchen, sodaß wir damals
mit Unrecht glaubten, daß bei großer Entfernung die Strahlung nur
ablenkbare Strahlen enthielte.
Folgendes sind die numerischen Resultate, die bei Versuchen nach der
elektrischen Methode mit einem Apparat entsprechend dem der Fig. 5
erhalten wurden. Das Radium war von dem Kondensator nur durch die
umgebende Luft getrennt. Ich bezeichne mit d den Abstand der
Strahlungsquelle vom Kondensator. Setzt man den Strom, der ohne
Magnetfeld für jede einzelne Entfernung erhalten wurde, gleich 100, so
bedeuten die Zahlen der zweiten Zeile den bei Erregung des Feldes
übrigbleibenden Strom. Diese Zahlen können als der prozentuale Anteil
der α- und γ-Strahlen betrachtet werden, da die Ablenkung der
α-Strahlen bei der benutzten Anordnung kaum bemerkbar sein konnte.
Bei großen Entfernungen hat man keine α-Strahlen mehr und die
unabgelenkte Strahlung besteht dann nur noch aus γ-Strahlen.
Versuche bei kleinem Abstand:
-------------------------------- ----- ----- ----- -----
d in cm 3,4 5,1 6,0 6,5
Unabgelenkte Strahlen in Proz. 74 56 33 11
-------------------------------- ----- ----- ----- -----
Versuche bei großem Abstand, mit einem bedeutend aktiveren Präparat als
bei der vorigen Reihe:
-------------------------------- ---- ---- ---- ---- ---- ----- -----
d in cm 14 30 53 80 98 124 157
Unabgelenkte Strahlen in Proz. 12 14 17 14 16 14 11
-------------------------------- ---- ---- ---- ---- ---- ----- -----
Man sieht, daß von einer gewissen Entfernung an der Anteil der nicht
abgelenkten Strahlen in der Strahlung annähernd konstant ist. Diese
Strahlen gehören wahrscheinlich alle zu den γ-Strahlen. Die
Unregelmäßigkeiten der Zahlen in der zweiten Zeile wollen übrigens nicht
viel bedeuten, wenn man bedenkt daß die Totalintensität des Stromes in
den beiden äußersten Versuchen im Verhältniß 660 zu 10 stand. Die
Messungen konnten bis zu einer Entfernung von 1,57 m von der
Strahlungsquelle ausgedehnt werden, und wir wären jetzt im Stande, noch
weiter zu gehen.
Bei der folgenden Versuchsreihe war das Radium in einem sehr engen
Glasröhrchen eingeschlossen, das unter dem Kondensator und parallel zu
den Platten sich befand. Die emittirten Strahlen hatten, ehe sie zu dem
Kondensator gelangten, eine gewisse Glas- und Luftschicht zu passiren:
-------------------------------- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ------ ------ ------
d in cm 2,5 3,3 4,1 5,9 7,5 9,6 11,8 13,9 17,2
Unabgelenkte Strahlen in Proz. 88 33 21 16 14 10 9 9 10
-------------------------------- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ------ ------ ------
Wie in den früheren Versuchen konvergiren die Zahlen der zweiten Zeile
gegen einen konstanten Grenzwert, wenn die Entfernung d wächst, aber die
Grenze wird praktisch schon für einen kleineren Abstand erreicht als in
den früheren Reihen, weil die α-Strahlen in dem Glase stärker
absorbirt werden, als die β- und γ-Strahlen.
Auch folgender Versuch zeigt, daß eine dünne Aluminiumschicht (von
0,01 mm Dicke) hauptsächlich die α-Strahlen absorbirt. Wenn das
Präparat 5 cm vom Kondensator entfernt war, so fand man, durch Erregung
des Magnetfeldes, daß das Verhältniß der übrigen Strahlen zu den
β-Strahlen 71 Proz. betrug. Bedeckt man das Präparat mit dem
Aluminiumblatt, so findet man, daß bei derselben Entfernung die
durcbgelassene Strahlung fast vollständig vom Magnetfeld abgelenkt wird,
weil die α-Strahlen von dem Blatt absorbirt worden sind. Dasselbe
Resultat erhält man mit Papier als Absorptionsschirm.
Der größte Teil der Radiumstrahlung besteht aus α-Strahlen, die
wahrscheinlich hauptsächlich von der Oberfläche der strahlenden Substanz
emittirt werden. Wenn man die Dicke der strahlenden Schicht variirt, so
wächst die Stromstärke mit dieser Dicke; die Vermehrung ist aber nicht
für die Gesamtheit der Strahlen der Zunahme der Dicke proportional; sie
ist für die β-Strahlen viel beträchtlicher als für die
α-Strahlen, derart, daß der relative Anteil der β-Strahlen mit
wachsender Schichtdicke zunimmt. Wenn die Strahlungsquelle sich 5 cm vom
Kondensator entfernt befindet, so findet man für eine Dicke der aktiven
Schicht von 0,4 mm, daß die Gesamtstrahlung durch die Zahl 28 gegeben
ist und der Anteil der β-Strahlen 29 Proz. beträgt. Macht man die
Schicht 2 mm dick, d. h. fünfmal dicker, so erhält man eine
Gesamtstrahlung gleich 102 und einen Anteil der β-Strahlen von
45 Proz. Die bei dieser Entfernung beobachtete Gesamtstrahlung ist also
auf das 3,6fache und die ablenkbare β-Strahlung auf das 5fache
gestiegen.
Die vorstehenden Versuche wurden mittels der elektrischen Methode
ausgeführt. Benutzt man die radiographische Methode, so scheinen gewisse
Resultate mit dem Vorstehenden in Widerspruch. Bei den Versuchen von
Herrn Villard wurde ein der Wirkung des Magnetfeldes ausgesetztes Bündel
von Radiumstrahlen auf einem Satze von photographischen Platten
aufgefangen. Das unablenkbare und durchdringende γ-Strahlenbündel
durchsetzte alle Platten und zeichnete seine Spur auf allen. Das
abgelenkte β-Bündel wirkte nur auf die erste Platte ein. Dieses
Bündel scheint also keine Strahlen von großem Durchdringungsvermögen zu
enthalten.
Im Gegensatz dazu besteht bei unsren Versuchen ein in Luft sich
fortpflanzendes Bündel bei den größten der Beobachtung zugänglichen
Entfernungen zu ungefähr {}^{9}/_{10} aus ablenkbaren β-Strahlen,
und dasselbe ist der Fall, wenn die Strahlungsquelle in eine kleine
zugeschmolzene Glasröhre eingeschlossen ist. Bei den Versuchen Villards
wirken diese ablenkbaren und durchdringenden β-Strahlen nicht mehr
auf die hinteren Platten ein, weil sie von dem ersten festen Hinderniß,
das sie treffen, nach allen Seiten diffundirt werden und dadurch
aufhören ein begrenztes Bündel zu bilden. Bei unsren Versuchen wurden
die von dem Radium emittirten und das Glas durchsetzenden Strahlen
wahrscheinlich auch von dem Glas diffundirt; da aber die Röhre sehr
klein war, so wirkte sie selbst als Strahlenquelle für die von ihrer
Oberfläche ausgehenden ablenkbaren β-Strahlen und wir konnten
dieselben bis zu großen Entfernungen von der Röhre beobachten.
Die Kathodenstrahlen der Entladungsröhren können nur sehr dünne Schirme
durchdringen (Aluminiumschirme bis zu 0,01 mm Dicke). Ein
Strahlenbündel, das senkrecht auf den Schirm trifft, wird nach allen
Seiten zerstreut; aber die Zerstreuung ist um so weniger beträchtlich,
je dünner der Schirm, und für sehr dünne Schirme existirt ein
austretendes Bündel, das merklich in die Verlängerung des einfallenden
Bündels fällt[79].
Die ablenkbaren β-Strahlen des Radiums verhalten sich ähnlich, doch
ist die Veränderung, die das Bündel bei einem Schirm von derselben Dicke
erfährt, viel weniger groß. Nach den Versuchen Becquerels werden die
stark ablenkbaren β-Strahlen des Radiums (d. h. diejenigen, deren
Geschwindigkeit klein ist) von einem Aluminiumschirm von 0,1 mm Dicke
stark zerstreut; die durchdringenderen und weniger ablenkbaren Strahlen
jedoch (kathodenstrahlartige mit großer Geschwindigkeit) durchdringen
denselben Schirm ohne merkliche Zerstreuung und ohne Deformation des
Bündels, und zwar unabhängig von der Neigung des Schirmes gegen das
Bündel. Die sehr schnellen β-Strahlen durchdringen ohne Zerstreuung
eine ziemlich dicke Schicht von Paraffin (einige Centimeter) und man
kann in dieser Schicht die Krümmung des Bündels unter der Einwirkung
eines Magnetfeldes verfolgen. Je dicker der Schirm ist und je
absorbirender seine Substanz, um so mehr wird das ursprüngliche
ablenkbare Bündel verändert, weil in dem Maße, wie die Schichtdicke
wächst, die Zerstreuung beginnt, sich an immer durchdringenderen
Strahlen bemerkbar zu machen.
Die Luft bewirkt eine Zerstreuung der β-Strahlen, die zwar für die
stark ablenkbaren Strahlen sehr bemerkbar ist, jedoch viel weniger in
Betracht kommt als die von gleichen Dicken fester Körper hervorgerufene.
Deshalb breiten sich die β-Stahlen des Radiums in Luft auf große
Entfernungen hin aus.
m) Durchdringungsvermögen der Strahlung der radioaktiven Substanzen.
--------------------------------------------------------------------
Vom Beginn der Untersuchungen über die radioaktiven Substanzen an
beschäftigte man sich mit der Absorption, die verschiedene Schirme auf
die Strahlung dieser Körper ausüben. In einer ersten Notiz über diesen
Gegenstand veröffentlichte ich[15] einige Zahlen, die am Beginn dieser
Schrift mitgeteilt sind und aus denen das relative
Durchdringungsvermögen der Uran- und Thorstrahlung zu ersehen ist. Herr
Rutherford[17] untersuchte specieller die Uranstrahlung und wies ihre
Heterogenität nach. Herr Owens[26] kam zu demselben Schluß bezüglich der
Thorstrahlung. Als sodann die Entdeckung der stark aktiven Substanzen
erfolgte, wurde das Durchdringungsvermögen ihrer Strahlen sogleich von
mehreren Physikern untersucht (Becquerel[80], Meyer und
v. Schweidler[81], Curie, Rutherford). Die ersten Beobachtungen zeigten
unzweifelhaft die Heterogenität der Strahlung, die ein allgemeines
Phänomen zu sein und allen radioaktiven Stoffen zuzukommen scheint. Man
befindet sich da Strahlungsquellen gegenüber, die eine Gesamtheit von
Strahlen emittiren, deren jeder sein eigenes Durchdringungsvermögen hat.
Die Frage komplicirt sich noch dadurch, daß man untersuchen muß, in
welchem Maße die Natur der Strahlung beim Hindurchgang durch materielle
Körper modificirt werden kann, und daß infolgedessen jede Messungsreihe
eine präcise Bedeutung nur für die gerade angewandte Versuchsordnung
hat.
Unter Berücksichtigung dieser Einschränkungen kann man versuchen, die
verschiedenen Versuche miteinander zu vergleichen und die Gesamtheit der
Resultate darzustellen.
Die radioaktiven Körper emittiren eine Strahlung, die sich in Luft und
im Vakuum fortpflanzt; die Fortpflanzung ist geradlinig; diese Tatsache
wird durch die Schärfe und die Form der Schatten bewiesen, die man
erhält, wenn man für die Strahlung undurchsichtige Körper zwischen die
Quelle und die photographische Platte oder den als Empfänger dienenden
Fluorescenzschirm stellt, wobei die Quelle klein sein muß gegen die
Entfernung vom Empfänger. Verschiedene Versuche, die die geradlinige
Ausbreitung der Strahlung des Urans, des Radiums und des Poloniums
beweisen, sind von Herrn Becquerel[82,83] ausgeführt worden.
Es ist interessant, die Entfernung von der Quelle zu bestimmen, bis zu
der die Strahlen sich in Luft fortpflanzen können, Wir stellten fest,
daß das Radium Strahlen aussendet, die in mehreren Metern Abstand in
Luft beobachtet werden konnten. Bei einigen unsrer elektrischen
Messungen fand eine Einwirkung der Strahlungsquelle auf die Luft im
Kondensator noch bei einer Entfernung von 2 bis 3 m statt. Ebenso haben
wir Fluorescenzwirkungen und photographische Wirkungen noch bei
Entfernungen von derselben Größenordnung erhalten.
Diese Versuche können nur mit sehr intensiven Strahlungsquellen
ausgeführt werden, da, abgesehen von der Absorption der Luft, die
Wirkung auf den Empfänger im umgekehrten Verhältniß des
Entfernungsquadrats variirt, wenn die Quelle von kleinen Dimensionen
ist. Diese sich in große Entfernung vom Radium ausbreitende Strahlung
enthält ebensowohl kathodenstrahlartige wie nicht ablenkbare Strahlen;
die ablenkbaren Strahlen sind jedoch in der Mehrzahl, gemäß den oben
angeführten Versuchen. Der größte Teil der Strahlen dagegen (die
α-Strahlen) ist in Luft auf einen Abstand von etwa 7 cm von der
Quelle begrenzt.
Ich machte einige Versuche mit Radium, das in einem kleinen Glasgefäß
eingeschlossen war. Die aus diesem Gefäß hervorkommenden Strahlen
durchmaßen einen gewissen Luftraum und wurden in einem Kondensator
aufgefangen, der in gewöhnlicher Weise zur Messung ihres
Ionisationsvermögens mittels der elektrischen Methode diente. Man
veränderte die Entfernung d der Quelle vom Kondensator und maß den im
Kondensator erhaltenen Sättigungsstrom. Folgendes sind die Resultate
einer Messungsreihe:
d cm i i⋅ d^2⋅ 10^{-3}
------ ------- -------------------------
10 127,0 13
20 38,0 15
30 17,4 16
40 10,5 17
50 6,9 17
60 4,7 17
70 3,8 19
100 1,65 17
Von einem gewissen Abstand an ändert sich die Intensität der Strahlung
merklich wie das Quadrat der Entfernung vom Kondensator.
Die Poloniumstrahlung breitet sich in Luft nur bis zu einer Entfernung
von einigen Centimetern (4 bis 6 cm) von der Strahlungsquelle aus.
Betrachtet man die Absorption der Strahlung durch feste Körper, so
findet man auch dabei einen fundamentalen Unterschied zwischen dem
Radium und dem Polonium. Das Radium emittirt Strahlen, die eine dicke
Schicht fester Körper zu durchdringen vermögen, z. B. einige Centimeter
Blei oder Glas. Die Strahlen, die eine große Schichtdicke eines festen
Körpers durchsetzt haben, sind außerordentlich durchdringend, und man
kann sie praktisch überhaupt nicht vollständig durch irgend einen Körper
absorbiren lassen. Aber diese Strahlen bilden nur einen geringen
Bruchteil der Totalstrahlung, die im Gegensatz hierzu zum größten Teil
bereits durch eine dünne Schicht fester Substanz absorbirt wird.
Das Polonium dagegen emittirt äußerst absorbirbare Strahlen, die nur
sehr dünne Schichten fester Körper durchdringen können. Ich gebe als
Beispiel einige Zahlen über die Absorption, die ein Aluminiumblatt von
0,01 mm Dicke hervorbringt. Dieses Blatt wurde über die Substanz gedeckt
und war beinahe mit ihr in Berührung. Die direkte und die von dem Blatt
durchgelassene Strahlung wurden mittels der elektrischen Methode
(Fig. 1) gemessen; der Sättigungsstrom wurde in allen Fällen merklich
erreicht. Ich bezeichne mit a die Aktivität der strahlenden Substanz,
die des Urans gleich 1 gesetzt.
---------------------------------------------------------------
a Von dem Blatt
durchgelassener
Bruchteil der
Strahlung
------------------------------------ -------- -----------------
Radium-haltiges Baryumchlorid 57 0,32