Upptäckt av radioaktivitet

Den upptäckten av radioaktivitet var en milstolpe i utvecklingen av den moderna fysiken .

initiala situationen

I slutet av 1800-talet fanns det fortfarande till stor del en sluten newtonsk världsbild. Även om Antoine Henri Becquerel hade upptäckt det tidigare okända fenomenet att uran och uransalter skulle kunna orsaka svartning av fotografisk emulsion, men denna upptäckt har i stort sett varit okänd. Ingen hade någon aning om atomkärnor . Ordet radioaktivitet och dess verkliga orsak var okända och de biologiska effekterna också.

Att arbeta i laboratoriet var mer besvärligt och farligt än dagens tekniker med elektroniska hjälpmedel skulle föreslå: lösningar rördes om för hand och mekaniska vågar med en noggrannhet på 0,1 mg fanns tillgängliga för vägningsprocesser . Även vakuumpumpar manövrerades för hand och det vakuum som skapades jämfördes med konventionella dammsugare idag en miljon gånger svagare.

Elementens periodiska system

 * Obs: Elementen som visas i blått: 43, 61, 63, 71, 72, 75, 84 till 89 och 91 var fortfarande okända vid den tiden.

uran

Tiden med det atomnummer sista 92-elementet i uranet var det periodiska systemet 1789 av tysken, som sedan bodde i Berlins kemiprofessor och farmaceut Martin Heinrich Klaproth upptäckte. Det är uppkallat efter planeten Uranus , som upptäcktes åtta år tidigare (1781) av Friedrich Wilhelm Herschel . Klaproth isolerade den som en oxid ; Eugène Peligot lyckades producera den som en ren uranmetall 1841.

Förutom dess värde för kemi var det främst viktigt i form av dess föreningar som ett färgämne. Det erhölls genom att extrahera det från pitchblende som förekommer naturligt i St. Joachimsthal .

Upptäckten av Becquerel

Antoine Henri Becquerel upptäckte tidigt 1896, när han försökte förklara röntgenstrålningen som just hittats genom fluorescens , att uransalt (som fluorescerar efter exponering) kunde svarta fotografiska plattor . De första försöken föregicks alltid av stimulering av solljus. På grund av väderförändringar kunde Becquerel inte avslöja uranberedningarna, men lämnade dem på fotoplattan, som var skyddad av svart papper. Han utvecklade dessa plattor mer av en slump och den 1 mars upptäckte samma svärtning som fluorescens. Detta uteslöts därför som orsak till strålningen.

radioaktivitet

Curie-paret

Pierre och Marie Curie i laboratoriet (senast 1906)

Marie Curies forskning om radioaktivitet började 1897. Hon skrev själv: ”Målet var att undersöka ursprunget till den förresten mycket låga energi som ständigt släpps ut av uran i form av strålning. Forskning om detta fenomen slog oss som ovanligt intressanta, desto mer eftersom problemet var nytt och ännu inte hade beskrivits någonstans. Jag bestämde mig för att ägna mig åt att arbeta med detta ämne. Jag var tvungen att hitta en plats att göra experimenten. Pierre Curie fick tillstånd från skolans chef att använda det glaserade arbetsområdet på bottenvåningen för detta ändamål, som fungerade som lager och maskinrum. "

Som en del av sin doktorsavhandling , initierad av Pierre Curie , kontrollerade hon resultatet av Becquerel och mätte joniseringen av luften orsakad av uranberedningens strålning med hjälp av urladdning av en kondensator vars spänning (laddningstillstånd) var mätt med en galvanometer . Kondensatorn urladdad på grund av jonisering av luften. Detta gjorde det möjligt att göra första kvantitativa uttalanden om strålning. Det tog inte lång tid innan hon insåg att ju större uraninnehåll, desto mer intensiv strålning. Kemiska föreningar, tryck eller temperatur hade inget inflytande.

Med detta hade hon bevisat strålningen som en atomegenskap hos uran. Till skillnad från Becquerel undersökte hon emellertid inte bara uranpreparat utan även andra mineraler och fann en liknande aktivitet i thorium , även om den tyska kemisten Gerhard Carl Schmidt förväntade sig det i publikationen . I publikationen Sur une nouvelle substans fortement radioaktivt contenue dans la pechblende Marie och Pierre Curie myntade begreppet radioaktivt för första gången .

För detta och följande arbete, som ledde till upptäckten av nya, mycket starkare utstrålande element, fick Curies Nobelpriset i fysik 1903 tillsammans med Antoine Henri Becquerel .

Mätinstrument

Rekonstruktion av laboratoriet, Curie Museum, Paris

Arrangemang för mätning av radioaktivitet.
A, B Plattkondensator
C Strömbrytare
E Elektrometer
H Skål för vikter
P Batteri
Q Piezoelektrisk kvarts

Curies apparater för att mäta radioaktivitet återskapades i Marie Curies laboratorium (vänster bild). Kretsschemat till höger är baserat på en skiss av Marie Curie. I mitten på laboratoriebordet (vänster bild) finns en kondensator. Dess cirka 8 cm stora horisontellt liggande plattor ( A och B , beteckningar i kretsschemat) täcks av silvercylindern. Ett batteri ( P , inte på bilden) laddar plattorna via omkopplaren ( C ). Kretsen är stängd via en gemensam jordlinje (franska: terre ). En galvanometer ( E , en kvadrantelektrometer), till höger på bilden på träbasen, övervakar laddningstillståndet. Strömmen läses inte direkt på galvanometern, men den används som ett "nollinstrument" (så att ingen speciell kalibrering krävs) efter att en andra spänningskälla ( Q ), till höger på bilden, har applicerats för att kompensera för urladdning av kondensatorn. Denna spänningskälla består av en kvartskristall laddad med en vikt ( piezoelektricitet ), kompensationsspänningarna kan avläsas av vikterna.

En definierad mängd radioaktivt ämne sprids på kondensatorplattorna. Ju snabbare plattorna sedan släpps ut genom jonisering av luften, desto större blir radioaktiviteten.

Kraftfullare utsläpp än uran i sig

Vid mätningar av mineraler som innehåller uran och torium fann hon en betydligt högre nivå av radioaktivitet än vad som kunde förväntas av uranmängderna och torium. Marie Curie verifierade detta genom att artificiellt producera kopparuranylfosfat ( kalkolit ) och jämföra det med den naturligt förekommande kalkoliten, som var mycket mer strålande. Hon drog slutsatsen att pitchblende och andra uranmineraler måste innehålla element som hade en mycket högre radioaktivitet än uran. Den 12 april 1899 meddelade Marie Curie i ett meddelande till vetenskapsakademien att ”två uranmineraler, pitchblende (uranit) och chalcolite (kopparuranylfosfat) är mycket mer aktiva än uranyl själv. Detta faktum är anmärkningsvärt och antyder att mineraler kan innehålla ett mycket mer aktivt ämne än uran . ” Då var det inte känt att det faktiskt fanns ytterligare två aktiva element i uranproverna. Därefter satte Curies upp för att isolera dessa element. De började 1898 med 100 gram pitchblende och eliminerade de inaktiva elementen med klassisk kemisk teknik.

Upptäckt av polonium

Med en nederbörd typisk för elementet vismut , får hon ett preparat som utstrålar flera hundra gånger mer än uranoxid standard skapade hon. För att hedra sitt hemland kallar hon det polonium .

Poloniumisotoper är mellanprodukter i uran-radiumserien , den senare producerar den vanligaste isotopen 210 av polonium. Polonium kan därför erhållas genom bearbetning av pitchblende (1000 ton uran pitchblende innehåller cirka 0,03 gram polonium). Det ackumuleras tillsammans med vismut. Det kan sedan separeras från detta element med hjälp av fraktionerad utfällning av sulfiderna, eftersom poloniumsulfid är mindre löslig än vismutsulfid.

År 1899 lyckades Curies också upptäcka halveringstiden för radioaktiva element på polonium, där det bara är 140 dagar, medan halveringstiden för de andra undersökta elementen var för lång för att observeras av dem.

Upptäckt av radium

Den 21 december 1898 fann Curies tillsammans med kemisten Gustave Bémont ett annat radioaktivt element som de hade berikat i en bariumfraktion . De kallar det radium , "det strålande". Fysikern Eugène-Anatole Demarçay kunde bekräfta det nya elementet spektroskopiskt. Liksom polonium är det en del av uran-blyförfallsserien och finns därför i uranmineraler. En viktig skillnad för polonium är den uppenbarligen konstanta aktiviteten. Att de Po avtar med hälften i 140 dagar, en halveringstid på 1600 år som med Ra kunde inte mätas med de medel på den tiden.

Under åren 1899–1902 berodde reningen av radium, vilket visade sig vara betydligt svårare än med polonium och uppnåddes med hjälp av fraktionerad kristallisation . För att göra detta löste hon upp bariumkloriden från bearbetningsresterna av pitchblende i hett destillerat vatten och kokade lösningen tills de första kristallerna dykt upp. Vid kylning kristalliserade sig sedan en del av bariumkloriden ut och vackra, fast vidhäftande kristaller (fraktion A; toppfraktion) bildades i botten av skålen, från vilken supernatanten moderlut lätt kunde hällas av efter kylning. Moderluten indunstades sedan igen till mättnad i en andra (mindre) skål. Efter kylning och dekantering (hällning av moderluten) fick den kristallfraktion B (svansfraktion). Vid jämförelse av båda kristallfraktionernas aktivitet fann M. Curie att fraktion A var ungefär fem gånger mer radioaktiv än fraktion B. Anledningen till detta är den lägre vattenlösligheten för radiumklorid jämfört med bariumkloridlösning var närvarande) berikad i den första kristallfraktion av bariumkloriden genom samutfällning.

Till och med mätningen av aktivitet med ett elektroskop, som verkar primitivt idag, räckte för att tydliggöra skillnaderna i kvantitet.

M. Curie var tvungen att upprepa denna process (upplösning, avdunstning, kristallisering, dekantering) otaliga gånger och om och om igen med nya mängder av radiuminnehållande bariumklorid för att äntligen få några milligram bariumfritt radium. I samband med anrikningen är följande tips från M. Curie av intresse:

Om, i stället för vatten, används utspädd eller till och med stark saltsyra för att lösa upp barium-radiumkloriden, minskas lösligheten för båda kloriderna och separeringseffekten mellan de två komponenterna ökar också avsevärt; ackumuleringen av radium i den övre fraktionen är därför avsevärt större än i en vattenlösning. Ackumuleringen av radium i den övre fraktionen är ännu större om isoleringen av radiuminnehållande barium från pitchblende-resterna inte görs med barium och radiumklorid utan i form av deras bromider (dvs med bariumbromid + radiumbromid).

Tillsammans med André Louis Debierne isolerade hon rent radium 1910 genom elektrolys av en radiumkloridlösning. I Tyskland gjorde Braunschweig-kemisten Friedrich Giesel banbrytande arbete med beredning av radiumsalter och i allmänhet inom radioaktivitetsforskning, till exempel 1902, oberoende av Debierne, lyckades han upptäcka aktinium.

Position i det periodiska systemet

Ett kvantitativt problem

Det var vanligt inom kemin att endast acceptera ett nyupptäckt element som säkert om det kunde representeras i sin rena form och dess atommassa angavs (en annan möjlighet var att identifiera spektrallinjerna). För detta måste vägbara kvantiteter finnas tillgängliga. Dessa kunde emellertid inte erhållas från de få kilo pitchblende.

Académie des Sciences vände sig till den österrikiska vetenskapsakademien med en begäran om hjälp genom att lämna rovhögarna i Sankt Joachimsthal , som ansågs värdelösa , från vilka uranhalten redan hade avlägsnats (uran användes vid glasindustrin vid den tiden och var för dyrt för Curies). Efter medling av den berömda geologen Eduard Suess uppfyllde de begäran, bara transportkostnaderna var tvungna att bära av Curies. Vid en första leverans fick de cirka 1 ton, vilket senare följdes av andra leveranser. I efterhand var värdet av det extremt dyra radiet (en mg skulle ha kostat cirka 1500 euro) omkring 150 000 euro. Även under normala omständigheter innehöll Joachimsthal pitchblende endast 200 mg radium per ton, och det fanns mycket mindre i återstoden.

Marie Curie stod inför uppgiften att separera den radiuminnehållande bariumkloriden (ca 8 kg BaCl ₂ per ton bearbetningsrester), som redan hade isolerats från resterna, i vägbara mängder från barium, för att kunna att undersöka den genom spektralanalys och bestämma dess atommassa. De enskilda stegen beskrivs i kapitlet om upptäckt av radium . Eftersom Marie var fysiskt starkare än sin man Pierre tog hon över större delen av arbetet med de tunga fartygen i de ständigt ökande mängderna av lösningar.

Ett annat problem var den radioaktiva gasradon , som producerades under förfallet av radium , som lätt slapp ut, förorenade laboratoriet och störde också mätningarna med dess förfallsprodukter (polonium). Dessutom var det hälsoskadligt - förfallsprodukten polonium deponerades som en alfa-emitter i lungorna.

Genom extrema ansträngningar, under ogynnsamma yttre omständigheter, lyckades Curies producera en vägbar mängd radium (cirka 100 mg), vars aktivitet var mer än en miljon gånger högre än den ursprungliga uranoxidstandarden, mycket mer än Curies ursprungligen trodde hade. År 1902 bestämde Curies atommassan till 225 u, vilket ligger mycket nära det moderna värdet.

Differentiering av strålning

• För alfastrålningens historia, se Alpha-strålning # forskningshistoria .
• För betastrålningens historia, se betastrålning # forskningshistoria .
• För gammastrålningens historia se gammastrålning # forskningshistoria .

svälla

• Karl-Erik Zimen: Radiant Matter. Radioaktivitet - en bit av samtida historia. Bechtle, Esslingen-München 1987, ISBN 3-7628-0464-8 .
• Ulla Fölsing: Marie Curie - banbrytare av en ny naturvetenskap , Piper 1997. ISBN 3-492-10724-9 .
• Emilio Segrè : De stora fysikerna och deras upptäckter , Piper, Vol. 2, ISBN 3-492-11175-0 .
• Pierre Ravanyi, Monique Bordry: Upptäckten av radioaktivitet , i: Spectrum Dossier Radioactivity
• Maurice Tubiana: Strålning inom medicin , i: Spectrum Dossier Radioactivity

Individuella bevis

1. ^ Vid mötet med Paris vetenskapsakademi den 20 januari 1896 presenterade Henri Poincaré resultaten från Röntgen. Becquerel var där och frågade om källan till strålningen, varefter han fick höra att den verkade komma från den mest fluorescerande delen av urladdningsröret
2. ↑ Okänd författare: Radioaktivitetshistoria. Wienuniversitetet den 29 augusti 1999, arkiverat från originalet den 12 mars 2014 ; nås den 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 ( begränsad förhandsgranskning i Google Book-sökning). 
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 . tejp 127 , 1898, sid. 1215-1217 ( archive.org ). 
5. ↑ Denna metod för att mäta de minsta strömmarna utvecklades av Jacques Curie , Pierre's bror
6. ^ AF Holleman , E. Wiberg , N. Wiberg : Lärobok för oorganisk kemi . 101. upplagan. Walter de Gruyter, Berlin 1995, ISBN 3-11-012641-9 , s.635 .
7. Cur Eve Curie: Madame Curie , kapitel 13, Marie Curie Undersökningar om radioaktiva ämnen , Vieweg 1904, s. 24. Hon fick initialt 1 ton och senare flera ton till.
8. ↑ Till ett pris av 300 Reichsmarks per mg från 1907 enligt ovan och ett värde på cirka 5 euro per Reichsmark (se tysk valutahistoria ) är resultatet 1500 euro per mg.
9. ↑ för de cirka 100 mg som Curies återvunnit från malmen i slutet av dagen, resulterar 1500 euro per mg i ett pris på 150 000 euro.
10. ↑ Bodenstedt: Experiment med kärnfysik och deras tolkning , Vol. 1, s. 27.
11. ↑ Erwin Bodenstedt: Experiment med kärnfysik och deras tolkning , Vol. 1, BI Verlag 1979, s. 27. Marie Curie: Undersökningar av radioaktiva ämnen , Vieweg 1904, s. 35. Det nästan rena provet av radiumklorid, som var användes 1902 för att bestämma den atomiska massan användes, vägde cirka 90 mg.