Oppdagelse av radioaktivitet

Den oppdagelsen av radioaktivitet var en milepæl i utviklingen av moderne fysikk .

utgangssituasjon

På slutten av 1800-tallet var det fortsatt stort sett et lukket newtonsk verdensbilde. Selv om Antoine Henri Becquerel oppdaget det tidligere ukjente fenomenet at uran og uransalter kunne forårsake sverting av fotografisk emulsjon, men denne oppdagelsen har fortsatt vært ukjent. Ingen hadde noen anelse om atomkjerner . Ordet radioaktivitet og dens faktiske årsak var ukjent, og det samme var de biologiske effektene.

Arbeidet i laboratoriet var mer tungvint og farlig enn dagens teknikker med elektroniske hjelpemidler ville tilsi: løsninger ble omrørt for hånd, og mekaniske vekter med en nøyaktighet på 0,1 mg var tilgjengelige for veieprosesser . Også vakuumpumper ble operert for hånd og vakuum dermed skapt ble sammenlignet med konvensjonelle støvsugere i dag en million ganger svakere.

Periodisk tabell over elementene

 * Merk: Elementene vist i blått: 43, 61, 63, 71, 72, 75, 84 til 89 og 91 var fortsatt ukjente på den tiden.

uran

Tiden med atomnummer siste 92 element av periodiske uran var i 1789 av den tyske, da i Berlin kjemiprofessor og apotek Martin Heinrich Klaproth oppdaget. Den er oppkalt etter planeten Uranus , som ble oppdaget åtte år tidligere (1781) av Friedrich Wilhelm Herschel . Klaproth isolerte det som et oksid ; Eugène Peligot lyktes i å produsere det som et rent uranmetall i 1841.

I tillegg til verdien for kjemi, var det hovedsakelig viktig i form av forbindelsene som fargestoff. Det ble oppnådd ved å trekke det ut fra pitchblende som forekommer naturlig i St. Joachimsthal .

Oppdagelsen av Becquerel

Antoine Henri Becquerel oppdaget tidlig i 1896, mens han prøvde å forklare røntgenstrålingen som nettopp hadde blitt funnet av fluorescens , at uransalt (som fluorescerer etter eksponering) var i stand til å sverte fotografiske plater . De første forsøkene ble alltid innledet av stimulering av sollys. På grunn av en endring i været klarte ikke Becquerel å avsløre uranpreparatene, men la dem ligge på fotoplaten, som var beskyttet av svart papir. Han utviklet disse platene mer ved en tilfeldighet og oppdaget 1. mars den samme svertningen som fluorescens. Dette ble derfor utelukket som årsak til strålingen.

radioaktivitet

Curie-paret

Pierre og Marie Curie i laboratoriet (senest 1906)

Marie Curies forskning på radioaktivitet begynte i 1897. Hun skrev selv: “Målet var å undersøke opprinnelsen til den forresten svært lave energien som stadig ble utstrålt av uran i form av stråling. Forskning på dette fenomenet slo oss som uvanlig interessante, desto mer siden problemet var nytt og ennå ikke hadde blitt beskrevet noe sted. Jeg bestemte meg for å vie meg til å jobbe med dette emnet. Jeg måtte finne et sted å gjøre eksperimentene. Pierre Curie fikk tillatelse fra skoledirektøren til å bruke det glasserte arbeidsområdet i første etasje til dette formålet, som fungerte som lager og maskinrom. "

Som en del av doktorgradsavhandlingen , initiert av Pierre Curie , sjekket hun resultatene av Becquerel og målte ioniseringen av luften forårsaket av stråling av uranpreparatene ved hjelp av utslipp av en kondensator hvis spenning (ladetilstand) var målt med galvanometer . Kondensatoren ble utladet på grunn av ionisering av luften. Dette gjorde det mulig å komme med første kvantitative utsagn om stråling. Det tok ikke lang tid før hun innså at jo større uraninnhold, jo mer intens stråling. Kjemiske forbindelser, trykk eller temperatur hadde ingen innflytelse.

Med dette hadde hun bevist strålingen som en atomegenskap av uran. I motsetning til Becquerel undersøkte hun imidlertid ikke bare uranpreparater, men også andre mineraler, og fant en lignende aktivitet i thorium , selv om den tyske kjemikeren Gerhard Carl Schmidt forventet det i publikasjonen . I publikasjonen Sur une nouvelle substans fortement radioaktiv contenue dans la pechblende Marie og Pierre Curie myntet begrepet radioaktivt for første gang .

For dette og det følgende arbeidet, som førte til oppdagelsen av nye, mye sterkere utstrålende elementer, mottok Curies Nobelprisen i fysikk i 1903 sammen med Antoine Henri Becquerel .

Måleutstyr

Rekonstruksjon av laboratoriet, Curie Museum, Paris

Opplegg for måling av radioaktivitet.
A, B Plate kondensator
C Bryter
E Elektrometer
H Skål for vekter
P Batteri
Q Piezoelektrisk kvarts

Curies apparater for måling av radioaktivitet ble gjenskapt i Marie Curies laboratorium (venstre bilde). Kretsskjemaet til høyre er basert på en skisse av Marie Curie. I midten på laboratoriebordet (venstre bilde) er det en kondensator. Dens omtrent 8 cm store horisontalt liggende plater ( A og B , betegnelser i kretsskjemaet) er dekket av sølvsylinderen. Et batteri ( P , ikke på bildet) lader platene via bryter ( C ). Kretsen er stengt via en felles grunnlinje (fransk: terre ). Et galvanometer ( E , et kvadrantelektrometer), til høyre på bildet på trebunnen, overvåker ladetilstanden. Strømmen leses ikke direkte på galvanometeret, men dette brukes som et "nullinstrument" (slik at ingen spesiell kalibrering er nødvendig) etter at en andre spenningskilde ( Q ), til høyre på bildet, er brukt for å kompensere for kondensatorutladning. Denne spenningskilden består av en kvartskrystall lastet med en vekt ( piezoelektrisitet ), kompensasjonsspenningene kan leses av vektene.

En definert mengde radioaktivt stoff er spredt på kondensatorplatene. Jo raskere platene strømmer ut ved ionisering av luften, jo større er radioaktiviteten.

Kraftigere utslipp enn selve uranet

I målinger på mineraler som inneholder uran og thorium, fant hun et betydelig høyere nivå av radioaktivitet enn det man kunne forvente fra mengdene uran og thorium. Marie Curie bekreftet dette ved kunstig å produsere kobber uranylfosfat ( kalkolitt ) og sammenligne det med den naturlig forekommende kalkolitten, som var mye mer strålende. Hun konkluderte med at pitchblende og andre uranmineraler måtte inneholde elementer som hadde mye høyere radioaktivitet enn uran. 12. april 1899 kunngjorde Marie Curie i en kunngjøring til vitenskapsakademiet at "to uranmineraler, pitchblende (uranitt) og kalkolitt (uranylfosfat av kobber) er mye mer aktive enn uranyl i seg selv. Dette faktum er bemerkelsesverdig og antyder at mineraler kan inneholde et mye mer aktivt grunnstoff enn uran . ” På det tidspunktet var det ikke kjent at det faktisk var to aktive elementer i uranprøvene. Deretter satte Curies for å isolere disse elementene. De startet i 1898 med 100 gram pitchblende og eliminerte de inaktive elementene ved hjelp av klassiske kjemiske teknikker.

Oppdagelse av polonium

Med en typisk nedbør for elementet vismut , får hun et preparat som utstråler flere hundre ganger mer enn uranoksydstandarden hun opprettet. Til ære for hjemlandet kaller hun det polonium .

Polonium-isotoper er mellomprodukter i uran-radium-serien , sistnevnte produserer den vanligste isotopen 210 av polonium. Polonium kan derfor oppnås ved prosessering av pitchblende (1000 tonn uran pitchblende inneholder ca. 0,03 gram polonium). Det akkumuleres sammen med vismut. Deretter kan det skilles fra dette elementet ved hjelp av brøkfall av sulfidene, fordi poloniumsulfid er mindre oppløselig enn vismutsulfid.

I 1899 lyktes også Curies i å oppdage halveringstiden til radioaktive elementer på polonium, der det bare er 140 dager, mens halveringstiden til de andre undersøkte elementene var for lang til å kunne observeres av dem.

Oppdagelse av radium

21. desember 1898 fant Curies sammen med kjemikeren Gustave Bémont et annet radioaktivt element som de hadde beriket i en bariumfraksjon . De kaller det radium , "det strålende". Fysikeren Eugène-Anatole Demarçay var i stand til å bekrefte det nye elementet spektroskopisk. I likhet med polonium er den en del av uran-bly-forfallserien og er derfor tilstede i uranmineraler. En viktig forskjell for polonium er den tilsynelatende konstante aktiviteten. Den av Po avtar med halvparten på 140 dager, en halveringstid på 1600 år som med Ra kunne ikke måles med midlene på den tiden.

I årene 1899–1902 skyldtes rensingen av radium, som viste seg å være betydelig vanskeligere enn med polonium og ble oppnådd ved hjelp av brøkdelkrystallisering . For å gjøre dette oppløste hun bariumkloridet fra prosesseringsrester av pitchblende i varmt destillert vann og kokte løsningen til de første krystallene dukket opp. Ved avkjøling krystalliserte en del av bariumkloridet seg ut, og vakre, fast klebende krystaller (fraksjon A; toppfraksjon) ble dannet i bunnen av skålen, hvorfra supernatant moderlut lett kunne helles av etter avkjøling. Moderluten ble deretter fordampet igjen til metning i en andre (mindre) skål. Etter avkjøling og dekantering (helling av moderluten) mottok den krystallfraksjon B (halefraksjon). Ved sammenligning av aktiviteten til begge krystallfraksjoner, fant M. Curie at fraksjon A var omtrent fem ganger mer radioaktiv enn fraksjon B. Årsaken til dette er den lavere vannløseligheten til radiumklorid sammenlignet med bariumkloridoppløsningen var til stede) beriket i den første krystallfraksjon av bariumkloridet ved co-utfelling.

Selv målingen av aktivitet med et elektroskop, som virker primitiv i dag, var nok til å gjøre forskjellene i mengde tydelige.

M. Curie måtte gjenta denne prosessen (oppløsning, fordampning, utkrystallisering, dekantering) utallige ganger og igjen og igjen med nye mengder radiumholdig bariumklorid for til slutt å få noen milligram bariumfritt radium. I forbindelse med berikelsen er følgende tips fra M. Curie av interesse:

Hvis det i stedet for vann brukes fortynnet eller til og med sterk saltsyre for å oppløse barium-radium-klorid, reduseres løseligheten til begge kloridene, og separasjonseffekten mellom de to komponentene økes også betydelig; akkumuleringen av radium i toppfraksjonen er derfor betydelig større enn i en vandig løsning. Akkumuleringen av radium i toppfraksjonen er enda større hvis isolasjonen av det radiumholdige barium fra pitchblende-restene ikke gjøres med barium og radiumklorid, men i form av deres bromider (dvs. med bariumbromid + radiumbromid).

Sammen med André Louis Debierne isolerte hun rent radium i 1910 ved elektrolyse av en radiumkloridoppløsning. I Tyskland utførte Braunschweig-kjemikeren Friedrich Giesel banebrytende arbeid med fremstilling av radiumsalter og generelt innen radioaktivitetsforskning, for eksempel i 1902, uavhengig av Debierne, lyktes han i å oppdage aktinium.

Posisjon i det periodiske systemet

Et kvantitativt problem

Det var vanlig i kjemi å bare akseptere et nylig oppdaget element som sikkert om det kunne bli representert i sin rene form og dets atommasse angitt (en annen mulighet var å identifisere spektrallinjene). For dette måtte veiebare mengder være tilgjengelig. Imidlertid kunne disse ikke fås fra de få kilo pitchblende.

Académie des Sciences henvendte seg til det østerrikske vitenskapsakademiet med en forespørsel om hjelp ved å forlate byttehaugene til Sankt Joachimsthal , som ble ansett som verdiløse , hvorfra uraninnholdet allerede var fjernet (uran ble brukt i glassindustrien på den tiden og var for dyrt for Curies). Etter mekling av den berømte geologen Eduard Suess oppfylte de forespørselen, bare transportkostnadene måtte dekkes av Curies. I en første levering fikk de rundt 1 tonn, som imidlertid senere ble fulgt av andre leveranser. I ettertid var verdien av det ekstremt dyre radiumet (en mg ville ha kostet rundt € 1.500) rundt € 150.000. Selv under normale omstendigheter inneholdt Joachimsthal pitchblende bare 200 mg radium per tonn, og det var mye mindre i resten.

Marie Curie sto overfor den oppgave å separere den radiuminneholdende barium-klorid (ca. 8 kg bacl ₂ per tonn for å behandle rester ), som allerede var blitt isolert fra de reststoffer, i weighable mengder fra barium, for å være i stand å undersøke den ved spektralanalyse og bestemme atommassen. De enkelte trinnene er beskrevet i kapitlet om oppdagelse av radium . Siden Marie var fysisk sterkere enn mannen Pierre, overtok hun den største delen av arbeidet med de tunge fartøyene i stadig økende mengder løsninger.

Et annet problem var den radioaktive gassradon , som ble produsert under forfallet av radium , som lett slapp ut, forurenset laboratoriet og også forstyrret målingene med dets forfallsprodukter (polonium). I tillegg var det helseskadelig - forfallsproduktet polonium ble avsatt som en alfa-emitter i lungene.

Gjennom ekstreme anstrengelser, under ugunstige ytre omstendigheter, lyktes Curies å produsere en vektbar mengde radium (ca. 100 mg), hvis aktivitet var mer enn en million ganger høyere enn den opprinnelige uranoksydstandarden, mye mer enn Curies trodde opprinnelig hadde. I 1902 bestemte Curies atommassen til 225 u, noe som er veldig nær den moderne verdien.

Differensiering av stråling

• For historien om alfastråling, se Alpha stråling # forskningshistorie .
• For historien om beta-stråling, se beta-stråling # forskningshistorie .
• For gammastrålingens historie, se gammastråling # forskningshistorie .

hovne opp

• Karl-Erik Zimen: Radiant Matter. Radioaktivitet - et stykke samtidshistorie. Bechtle, Esslingen-München 1987, ISBN 3-7628-0464-8 .
• Ulla Fölsing: Marie Curie - banebrytende for en ny naturvitenskap , Piper 1997. ISBN 3-492-10724-9 .
• Emilio Segrè : De store fysikerne og deres oppdagelser , Piper, Vol. 2, ISBN 3-492-11175-0 .
• Pierre Ravanyi, Monique Bordry: The Discovery of Radioactivity , i: Spectrum Dossier Radioactivity
• Maurice Tubiana: Stråling i medisin , i: Spectrum Dossier Radioactivity

Individuelle bevis

1. ^ På møtet i Paris Academy of Sciences 20. januar 1896 presenterte Henri Poincaré resultatene av Röntgen. Becquerel var der og spurte om kilden til strålingen, hvorpå han ble fortalt at det så ut til å komme fra den mest fluorescerende delen av utslippsrøret
2. ↑ Ukjent forfatter: Radioaktivitetshistorie. Universitetet i Wien 29. august 1999, arkivert fra originalen 12. mars 2014 ; åpnet 16. oktober 2018 (PDF; 230 kB). 
3. ^ Johannes Friedrich Diehl: Radioaktivitet i mat . John Wiley & Sons, 2008, ISBN 978-3-527-62374-7 , pp. 2 ( begrenset forhåndsvisning i Google Book-søk). 
4. ↑ Pierre Curie, Marie Curie, G. Bémont: Sur une nouvelle substans forte radio-aktive contenue dans la pechblende . I: Comptes rendus hebdomadaires des séances de l'Académie des sciences . teip 127 , 1898, s. 1215-1217 ( archive.org ). 
5. ↑ Denne metoden for å måle de minste strømmer ble utviklet av Jacques Curie , broren til Pierre
6. ^ AF Holleman , E. Wiberg , N. Wiberg : Lærebok for uorganisk kjemi . 101. utgave. Walter de Gruyter, Berlin 1995, ISBN 3-11-012641-9 , s. 635.
7. Cur Eve Curie: Madame Curie , kapittel 13, Marie Curie Investigations on Radioactive Substances , Vieweg 1904, s. 24. Hun fikk først 1 tonn og senere flere tonn.
8. ↑ Til en pris på 300 riksmarker per mg fra 1907 som nevnt ovenfor og en verdi på rundt 5 euro per riksmark (se tysk valutahistorie ), er resultatet 1500 euro per mg.
9. ↑ for de omtrent 100 mg utvunnet fra malmen av Curies på slutten av dagen, resulterer 1500 euro per mg i en pris på 150 000 euro.
10. Oden Bodenstedt: Eksperimenter av kjernefysikk og deres tolkning , Vol. 1, s. 27.
11. ↑ Erwin Bodenstedt: Eksperimenter med kjernefysikk og deres tolkning , bind 1, BI Verlag 1979, s. 27. Marie Curie: Undersøkelser av radioaktive stoffer , Vieweg 1904, s. 35. Den nesten rene prøven av radiumklorid, som var brukt i 1902 for å bestemme atommassen ble brukt, veide ca. 90 mg.