Opdagelse af radioaktivitet

Den Opdagelsen af radioaktivitet var en milepæl i udviklingen af moderne fysik .

indledende situation

I slutningen af ​​det 19. århundrede var der stadig stort set et lukket newtonsk verdensbillede. Selvom Antoine Henri Becquerel havde opdaget det tidligere ukendte fænomen, at uran og uransalte kunne forårsage sorte af fotografisk emulsion, men denne opdagelse er stort set ukendt. Ingen havde nogen idé om atomkerner . Ordet radioaktivitet og dets faktiske årsag var ukendte, og det samme var de mulige biologiske virkninger.

Arbejdet i laboratoriet var mere besværligt og farligt, end nutidens teknikker med elektronisk hjælp ville antyde: løsninger blev omrørt i hånden, og mekaniske skalaer med en nøjagtighed på 0,1 mg var tilgængelige til vejningsprocesser . Også vakuumpumper blev betjent manuelt, og det således dannede vakuum blev sammenlignet med konventionelle støvsugere i dag en million gange svagere.

Periodisk system af elementerne

 * Bemærk: Elementerne vist i blåt: 43, 61, 63, 71, 72, 75, 84 til 89 og 91 var stadig ukendte på det tidspunkt.

uran

Tiden med atomnummeret sidste 92 element i det periodiske system uran var i 1789 af tyskeren, der derefter boede i Berlins kemiprofessor og farmaceut Martin Heinrich Klaproth opdagede. Det er opkaldt efter planeten Uranus , som blev opdaget otte år tidligere (1781) af Friedrich Wilhelm Herschel . Klaproth isolerede det som et oxid ; Eugène Peligot lykkedes at producere det som et rent uranmetal i 1841.

Ud over dets værdi for kemi var det hovedsageligt vigtigt i form af dets forbindelser som farvestof. Det blev opnået ved at udvinde det fra pitchblende, som forekommer naturligt i St. Joachimsthal .

Opdagelsen af ​​Becquerel

Antoine Henri Becquerel opdagede i begyndelsen af ​​1896, mens han forsøgte at forklare den røntgenstråling, der netop var blevet fundet ved fluorescens , at uransalt (som fluorescerer efter eksponering) var i stand til at sorte fotografiske plader . De første forsøg var altid forud for stimulering af sollys. På grund af en ændring i vejret var Becquerel ude af stand til at udsætte uranpræparaterne, men efterlod dem på fotopladen, som var beskyttet af sort papir. Han udviklede disse plader mere tilfældigt og opdagede den 1. marts den samme sorte som fluorescens. Dette blev derfor udelukket som årsag til strålingen.

radioaktivitet

Curie-parret

Pierre og Marie Curie i laboratoriet (senest 1906)

Marie Curies forskning i radioaktivitet begyndte i 1897. Hun skrev selv: ”Målet var at undersøge oprindelsen til den i øvrigt meget lave energi, der konstant udsendes af uran i form af stråling. Forskning i dette fænomen slog os som usædvanligt interessante, desto mere da problemet var nyt og endnu ikke var beskrevet nogen steder. Jeg besluttede at afsætte mig til at arbejde på dette emne. Jeg var nødt til at finde et sted at lave eksperimenterne. Pierre Curie modtog tilladelse fra skolens direktør til at bruge det glaserede arbejdsområde i stueetagen til dette formål, der fungerede som lager og maskinrum. "

Som en del af sin doktorafhandling , initieret af Pierre Curie , kontrollerede hun resultaterne af Becquerel og målte ioniseringen af luften forårsaget af stråling af uranpræparaterne ved hjælp af afladning af en kondensator, hvis spænding (ladetilstand) var målt med et galvanometer . Kondensatoren afladet på grund af luftens ionisering. Dette gjorde det muligt at afgive første kvantitative udsagn om stråling. Det tog ikke længe, ​​før hun indså, at jo større uranindhold, jo mere intens stråling. Kemiske forbindelser, tryk eller temperatur havde ingen indflydelse.

Med dette havde hun bevist strålingen som en atomegenskab af uran. I modsætning til Becquerel undersøgte hun ikke kun uranpræparater, men også andre mineraler og fandt en lignende aktivitet i thorium , selvom den tyske kemiker Gerhard Carl Schmidt forventede det i publikationen . I publikationen Sur une nouvelle stof fortement radioaktive contenue dans la pechblende Marie og Pierre Curie opfandt udtrykket radioaktivt for første gang .

For dette og det følgende arbejde, som førte til opdagelsen af ​​nye, meget stærkere udstrålende elementer, modtog Curies Nobelprisen i fysik i 1903 sammen med Antoine Henri Becquerel .

Måleudstyr

Genopbygning af laboratoriet, Curie Museum, Paris

Arrangement til måling af radioaktivitet.
A, B Pladekondensator
C Switch
E Elektrometer
H Skål til vægte
P Batteri
Q Piezoelektrisk kvarts

Curies apparater til måling af radioaktivitet blev genskabt i Marie Curies laboratorium (venstre billede). Kredsløbsdiagrammet til højre er baseret på en skitse af Marie Curie. I midten på laboratoriebordet (venstre billede) er der en kondensator. Dens ca. 8 cm store vandrette liggende plader ( A og B , betegnelser i kredsløbsdiagrammet) er dækket af sølvcylinderen. Et batteri ( P , ikke på billedet) oplader pladerne via kontakten ( C ). Kredsløbet er lukket via en fælles jordlinje (fransk: terre ). Et galvanometer ( E , et kvadrantelektrometer) til højre på billedet på træbunden overvåger ladningstilstanden. Strømmen læses ikke direkte på galvanometeret, men det bruges som et "nulinstrument" (således at der ikke kræves nogen speciel kalibrering) efter at en anden spændingskilde ( Q ), til højre på billedet, er blevet anvendt for at kompensere til kondensatorafladning. Denne spændingskilde består af en kvartskrystal fyldt med en vægt ( piezoelektricitet ), kompensationsspændingerne kan aflæses af vægten.

En defineret mængde radioaktivt stof er spredt på kondensatorpladerne. Jo hurtigere pladerne derefter aflades gennem ionisering af luften, jo større er radioaktiviteten.

Mere kraftfulde udsendere end selve uranet

Ved målinger på mineraler, der indeholder uran og thorium, fandt hun et betydeligt højere niveau af radioaktivitet, end man kunne forvente af mængderne af uran og thorium. Marie Curie bekræftede dette ved kunstigt at producere kobber uranylphosphat ( chalcolite ) og sammenligne det med den naturligt forekommende chalcolite, som var meget mere strålende. Hun konkluderede, at pitchblende og andre uranmineraler skal indeholde elementer, der havde en meget højere radioaktivitet end uran. Den 12. april 1899 meddelte Marie Curie i en meddelelse til Academy of Sciences, at "to uranmineraler, pitchblende (uranit) og chalcolit (kobberuranylphosphat) er meget mere aktive end uranyl i sig selv. Denne kendsgerning er bemærkelsesværdig og antyder, at mineraler kan indeholde et meget mere aktivt element end uran . ” På det tidspunkt vidste man ikke, at der faktisk var to mere aktive elementer i uranprøverne. Dernæst satte Curies sig for at isolere disse elementer. De startede i 1898 med 100 gram pitchblende og eliminerede de inaktive grundstoffer ved hjælp af klassiske kemiske teknikker.

Opdagelse af polonium

Med en typisk nedbør for elementet vismut modtager hun et præparat, der udstråler flere hundrede gange mere end den uranoxidstandard, hun oprettede. Til ære for sit hjemland kalder hun det polonium .

Polonium-isotoper er mellemprodukter i uran-radium-serien , hvor sidstnævnte producerer den mest almindelige isotop 210 af polonium. Polonium kan derfor opnås ved forarbejdning af pitchblende (1000 tons uran pitchblende indeholder ca. 0,03 gram polonium). Det akkumuleres sammen med vismut. Det kan derefter adskilles fra dette element ved hjælp af fraktioneret udfældning af sulfiderne, fordi poloniumsulfid er mindre opløseligt end vismuthsulfid.

I 1899 lykkedes det Curies også at opdage halveringstiden for radioaktive grundstoffer på polonium, hvor det kun er 140 dage, mens halveringstiden for de andre undersøgte grundstoffer var for lang til at blive observeret af dem.

Opdagelse af radium

Den 21. december 1898 de curie, sammen med kemikeren Gustave Bémont , fundet en anden radioaktivt element, som de havde beriget i en barium fraktion. De kalder det radium , "det strålende". Fysikeren Eugène-Anatole Demarçay var i stand til at bekræfte det nye element spektroskopisk. Ligesom polonium er det en del af uran-bly henfaldsserien og er derfor til stede i uran mineraler. En vigtig forskel for polonium er den tilsyneladende konstante aktivitet. At af Po aftager efter halvdelen i 140 dage, en halveringstid på 1600 år med Ra ikke kunne måles med de midler på det tidspunkt.

I årene 1899-1902 skyldtes oprensningen af ​​radium, hvilket viste sig at være betydeligt vanskeligere end med polonium og blev opnået ved hjælp af fraktioneret krystallisation . For at gøre dette opløste hun bariumchloridet fra forarbejdningsresterne af pitchblende i varmt destilleret vand og kogte opløsningen, indtil de første krystaller dukkede op. Efter afkøling udkrystalliserede en del af bariumchloridet sig, og der dannedes smukke, fastklæbende krystaller (fraktion A; øverste fraktion) i bunden af ​​skålen, hvorfra supernatanten moderlud let kunne hældes af efter afkøling. Moderluden blev derefter afdampet igen til mætning i en anden (mindre) skål. Efter afkøling og dekantering (hældning af moderluden) modtog den krystalfraktion B (halefraktion). Ved sammenligning af begge krystalfraktioners aktivitet fandt M. Curie, at fraktion A var ca. fem gange mere radioaktiv end fraktion B. Årsagen til dette er den lavere vandopløselighed af radiumchlorid sammenlignet med bariumchloridopløsning var til stede) beriget i den første krystalfraktion af bariumchloridet ved co-udfældning.

Selv måling af aktivitet med et elektroskop, som synes primitiv i dag, var nok til at gøre forskellene i mængde klar.

M. Curie måtte gentage denne proces (opløsning, fordampning, udkrystallisering, dekantering) utallige gange og igen og igen med nye mængder af radiumholdigt bariumchlorid for endelig at få et par milligram bariumfrit radium. I forbindelse med berigelsen er følgende tip fra M. Curie af interesse:

Hvis der i stedet for vand anvendes fortyndet eller endog stærk saltsyre til opløsning af barium-radiumchlorid, reduceres opløseligheden af ​​begge chlorider, og adskillelseseffekten mellem de to komponenter øges også betydeligt; akkumuleringen af ​​radium i den øverste fraktion er derfor betydeligt større end i en vandig opløsning. Akkumuleringen af ​​radium i den øverste fraktion er endnu større, hvis isolationen af ​​den radiumholdige barium fra pitchblende-resterne ikke sker med barium og radiumchlorid, men i form af deres bromider (dvs. med bariumbromid + radiumbromid).

Sammen med André Louis Debierne isolerede hun rent radium i 1910 ved elektrolyse af en radiumchloridopløsning. I Tyskland udførte Braunschweig-kemikeren Friedrich Giesel banebrydende arbejde med fremstilling af radiumsalte og generelt inden for radioaktivitetsforskning, for eksempel lykkedes det i 1902 uafhængigt af Debierne at opdage actinium.

Position i det periodiske system

Et kvantitativt problem

Det var almindeligt inden for kemi at kun acceptere et nyopdaget element som sikkert, hvis det kunne repræsenteres i sin rene form og dets atommasse angives (en anden mulighed var at identificere spektrallinierne). Til dette skulle der kunne foreligge vejelige mængder. Disse kunne imidlertid ikke opnås fra de få kilo pitchblende.

Académie des Sciences henvendte sig til det østrigske videnskabsakademi med en anmodning om hjælp ved at forlade byens bunke Sankt Joachimsthal , som blev betragtet som værdiløse , hvorfra uranindholdet allerede var fjernet (uran blev brugt i glasindustrien på det tidspunkt og var for dyrt for Curies). Efter mægling af den berømte geolog Eduard Suess opfyldte de anmodningen, kun transportomkostningerne skulle bære Curies. I en første levering modtog de omkring 1 ton, som dog senere blev efterfulgt af andre leverancer. Set i bakspejlet var værdien af ​​det ekstremt dyre radium (en mg ville have kostet omkring € 1.500) omkring € 150.000. Selv under normale omstændigheder indeholdt Joachimsthal pitchblende kun 200 mg radium pr. Ton, og der var meget mindre i resten.

Marie Curie blev konfronteret med den opgave at separere radium-holdige bariumchlorid (ca.. 8 of kg BaCh ₂ per ton forarbejdning rest ), som allerede var blevet isoleret fra resterne, i weighable mængder fra barium, for at kunne at undersøge det ved spektralanalyse og bestemme dets atommasse. De enkelte trin er beskrevet i kapitlet om opdagelse af radium . Da Marie var fysisk stærkere end sin mand Pierre, overtog hun størstedelen af ​​arbejdet med de tunge skibe i de stadigt stigende mængder af løsninger.

Et andet problem var den radioaktive gasradon , der blev produceret under henfaldet af radium , som let kom ud, forurenede laboratoriet og også forstyrrede målingerne med dets nedbrydningsprodukter (polonium). Derudover var det sundhedsskadeligt - nedbrydningsproduktet polonium blev deponeret som en alfa-emitter i lungerne.

Under ekstreme bestræbelser, under ugunstige eksterne omstændigheder, lykkedes det Curies at producere en afvejelig mængde radium (ca. 100 mg), hvis aktivitet var mere end en million gange højere end den oprindelige uranoxidstandard, meget mere end Curies oprindeligt troede havde. I 1902 bestemte Curies atommassen til 225 u, hvilket er meget tæt på den moderne værdi.

Differentiering af stråling

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

svulme

• Karl-Erik Zimen: Radiant Matter. Radioaktivitet - et stykke nutidig historie. Bechtle, Esslingen-München 1987, ISBN 3-7628-0464-8 .
• Ulla Fölsing: Marie Curie - banebrydende for en ny naturvidenskab , Piper 1997. ISBN 3-492-10724-9 .
• Emilio Segrè : De store fysikere og deres opdagelser , Piper, bind 2, ISBN 3-492-11175-0 .
• Pierre Ravanyi, Monique Bordry: Opdagelsen af ​​radioaktivitet , i: Spektrumdossier Radioaktivitet
• Maurice Tubiana: Stråling i medicin , i: Spektrumdossier radioaktivitet

Individuelle beviser

1. ^ På mødet med Paris Academy of Sciences den 20. januar 1896 præsenterede Henri Poincaré resultaterne af Röntgen. Becquerel var der og spurgte om kilden til strålingen, hvorpå han fik at vide, at den så ud til at komme fra den mest fluorescerende del af afgangsrøret
2. ↑ Ukendt forfatter: Radioaktivitetshistorie. Universitetet i Wien, 29. august 1999, arkiveret fra originalen den 12. marts 2014 ; adgang den 16. oktober 2018 (PDF; 230 kB). 
3. ^ Johannes Friedrich Diehl: Radioaktivitet i mad . John Wiley & Sons, 2008, ISBN 978-3-527-62374-7 , pp. 2 ( begrænset forhåndsvisning i Google Book-søgning). 
4. ↑ Pierre Curie, Marie Curie, G. Bémont: Sur une nouvelle substans fortement radioaktiv contenue dans la pechblende . I: Comptes rendus hebdomadaires des séances de l'Académie des sciences . bånd 127 , 1898, s. 1215-1217 ( archive.org ). 
5. ↑ Denne metode til måling af de mindste strømme blev udviklet af Jacques Curie , Pierre's bror
6. ^ AF Holleman , E. Wiberg , N. Wiberg : Lærebog i uorganisk kemi . 101. udgave. Walter de Gruyter, Berlin 1995, ISBN 3-11-012641-9 , s. 635.
7. Cur Eve Curie: Madame Curie , kapitel 13, Marie Curie- undersøgelser af radioaktive stoffer , Vieweg 1904, s. 24. Hun modtog oprindeligt 1 ton og senere flere ton mere.
8. ↑ Til en pris på 300 Reichsmarks pr. Mg fra 1907 som anført ovenfor og en værdi på omkring 5 euro pr. Reichsmark (se tysk valutahistorie ) er resultatet 1500 euro pr. Mg.
9. ↑ for de ca. 100 mg, der er udvundet af malmen af ​​Curies i slutningen af ​​dagen, resulterer 1500 euro pr. Mg i en pris på 150.000 euro.
10. ↑ Bodenstedt: Eksperimenter af kernefysik og deres fortolkning , bind 1, s. 27.
11. ↑ Erwin Bodenstedt: Eksperimenter med kernefysik og deres fortolkning , bind 1, BI Verlag 1979, s. 27. Marie Curie: Undersøgelser af de radioaktive stoffer , Vieweg 1904, s. 35. Den næsten rene prøve af radiumchlorid, som var anvendt i 1902 til bestemmelse af den anvendte atommasse, vejede ca. 90 mg.