A radioaktivitás felfedezése

A radioaktivitás felfedezése mérföldkő volt a modern fizika fejlődésében .

kezdeti helyzet

A 19. század végén még mindig nagyrészt zárt newtoni világnézet volt. Bár Antoine Henri Becquerel felfedezte a korábban ismeretlen jelenséget, miszerint az urán és az urán-sók a fényképes emulzió feketedését okozhatják, de ez a felfedezés nagyrészt ismeretlen maradt. Senkinek sem volt fogalma az atommagokról . A radioaktivitás szó és annak tényleges oka, valamint a lehetséges biológiai hatások sem ismertek.

A laboratóriumi munka nehézkesebb és veszélyesebb volt, mint a mai elektronikus segédeszközökkel járó technikák azt sugallják: az oldatokat kézzel keverték, és a mérési folyamatokhoz 0,1 mg pontosságú mechanikus mérleg állt rendelkezésre. A vákuumszivattyúkat kézzel is működtették, és az így létrehozott vákuumot milliószor gyengébbé hasonlították össze a hagyományos vákuummal.

Az elemek periódusos táblázata

 * Megjegyzés: A kék színnel jelölt elemek: 43, 61, 63, 71., 72., 75., 84–89. És 91.

uránium

A periódusos rendszerben található urán atomszámának utolsó 92 elemével rendelkező idő 1789-ben volt, amikor az akkor Berlinben élő kémia professzor és gyógyszerész, Martin Heinrich Klaproth fedezte fel. Nevét az Uránusz bolygóról kapta , amelyet Friedrich Wilhelm Herschel fedezett fel nyolc évvel korábban (1781) . Klaproth oxidként izolálta ; Eugène Peligot 1841-ben sikerült tiszta uránfémként előállítani.

A kémiai értéke mellett főleg vegyületek formájában volt fontos festékként. St. Joachimsthalban természetesen előforduló szurokfűből nyerték ki .

Becquerel felfedezése

Henri Becquerel felfedezett korai 1896-ban közben megmagyarázni a röntgensugárzás , hogy éppen találtak a fluoreszcencia , hogy az urán-só (amely fluoreszkál expozíció után) képes volt megfeketedik fényképészeti lemez . Az első kísérleteket mindig a napfény ingerlése előzte meg. Az időjárás változása miatt Becquerel nem tudta kitenni az uránkészítményeket, de a fotópapíron hagyta, amelyet fekete papír védett. Ezeket a lemezeket véletlenül fejlesztette ki, és március 1-jén ugyanolyan feketedést fedezett fel, mint a fluoreszcencia. Ezt tehát kizárták a sugárzás okaként.

radioaktivitás

A Curie pár

Pierre és Marie Curie a laboratóriumban (legkésőbb 1906-ig)

Marie Curie radioaktivitással kapcsolatos kutatásai 1897-ben kezdődtek. Ő maga írta: „A cél az volt, hogy megvizsgálják az egyébként nagyon alacsony energia eredetét, amelyet az urán sugárzás formájában folyamatosan bocsát ki. A jelenség kutatása szokatlanul érdekesnek tartott minket, annál is inkább, mivel a probléma új volt, és még nem írták le sehol. Úgy döntöttem, hogy ennek a témának a munkájának szentelem magam. Meg kellett találnom a kísérleteket. Pierre Curie engedélyt kapott az iskola igazgatójától, hogy erre a célra használja a földszinti üvegezett munkaterületet, amely raktárként és gépházként szolgált. "

Ennek része az ő doktori disszertáció , által kezdeményezett Pierre Curie , ő ellenőrizte az eredmények Becquerel és a mért ionizációs a levegő okozta sugárzás az urán készítmények segítségével a mentesítés a kondenzátor , amelynek feszültsége (töltöttségi állapot) volt mért egy galvanométer . A kondenzátor a levegő ionizációja miatt kisült. Ez lehetővé tette az első kvantitatív megállapításokat a sugárzásról. Nem sokkal később rájött, hogy minél nagyobb az urántartalom, annál intenzívebb a sugárzás. A kémiai vegyületek, a nyomás vagy a hőmérséklet nem befolyásolták.

Ezzel bebizonyította a sugárzást az urán atomi tulajdonságaként. Becquerellel ellentétben azonban nemcsak az uránkészítményeket, hanem más ásványi anyagokat is megvizsgált, és hasonló tevékenységet talált a tóriumban , bár Gerhard Carl Schmidt német kémikus számított rá a kiadványban . A Sur une nouvelle substance fortement radioaktív tartalom című kiadványban dans la pechblende Marie és Pierre Curie először alkották meg a radioaktív kifejezést .

Ennek és az azt követő munkának, amely új, sokkal erősebb sugárzó elemek felfedezéséhez vezetett, Cury 1903-ban Antoine Henri Becquerellel együtt fizikai Nobel-díjat kapott .

Mérőberendezés

A párizsi Curie Múzeum laboratóriumának rekonstrukciója

Elrendezés a radioaktivitás mérésére.
A, B lemez kondenzátor
C kapcsoló
E elektrométer
H tál súlyokhoz
P akkumulátor
Q piezoelektromos kvarc

A radioaktivitás mérésére szolgáló Curie készülékét Marie Curie laboratóriumában készítették el (bal oldali kép). A jobb oldali kapcsolási rajz Marie Curie vázlatán alapul. A laboratóriumi asztal közepén (bal oldali kép) egy kondenzátor található. Körülbelül 8 cm nagyságú vízszintesen fekvő lemezeit ( A és B , a kapcsolási rajz megnevezése) az ezüst henger fedi. Egy akkumulátor ( P , a képen nem látható) tölti a lemezeket a ( C ) kapcsolón keresztül . Az áramkört egy közös földvezeték zárja le (francia: terre ). A kép jobb oldalán, a fa alapon galvanométer ( E , kvadráns elektrométer) figyeli a töltés állapotát. Az áramot nem olvassák le közvetlenül a galvanométeren, de ezt "nulla műszerként" használják (így nincs szükség speciális kalibrálásra), miután a képen jobb oldalon lévő második feszültségforrást ( Q ) kompenzálásra alkalmazták. a kondenzátor kisüléséhez. Ez a feszültségforrás egy kvarckristályból áll, amelynek súlya ( piezoelektromosság ) meg van terhelve , a kompenzációs feszültségek leolvashatók a súlyokról.

Meghatározott mennyiségű radioaktív anyag szóródik a kondenzátorlemezekre. Minél gyorsabban lemerülnek a lemezek a levegő ionizálásával, annál nagyobb a radioaktivitás.

Erősebb kibocsátók, mint maga az urán

Az uránt és tóriumot tartalmazó ásványi anyagok mérésekor szignifikánsan magasabb radioaktivitást talált, mint amire az urán és a tórium mennyiségétől számítani lehetett. Marie Curie ezt úgy ellenőrizte, hogy mesterségesen előállította a réz-uranil-foszfátot ( kalkolitot ), és összehasonlította a természetesen előforduló, sokkal sugárzóbb kalkolittal. Arra a következtetésre jutott, hogy a szurokfoltnak és más uránásványoknak olyan elemeket kell tartalmazniuk, amelyek radioaktivitása sokkal nagyobb, mint az uráné. 1899. április 12-én Marie Curie a Tudományos Akadémiának szóló közleményében bejelentette, hogy „két uránásvány, a szurok (uranit) és a kalcolit (réz uranil-foszfát), sokkal aktívabb, mint maga az uranil. Ez a tény figyelemre méltó, és arra utal, hogy az ásványi anyagok sokkal aktívabb elemeket tartalmazhatnak, mint az urán . ” Akkor még nem volt ismert, hogy az uránmintákban valójában kettő aktívabb elem lenne. Ezután Cury nekilátott, hogy izolálja ezeket az elemeket. 1898-ban 100 gramm szurokfúvóval kezdték, és klasszikus kémiai technikákkal megszüntették az inaktív elemeket.

A polónium felfedezése

A bizmut elemre jellemző csapadékkal olyan készítményt kap, amely több százszor nagyobb mértékben sugárzik, mint az általa létrehozott urán-oxid standard. Szülőföldje tiszteletére polóniumnak nevezi .

A polónium izotópok az urán-rádium sorozat köztitermékei , utóbbiak a polónium legelterjedtebb 210 izotópját termelik. A polónium tehát előállítható a szurok feldolgozásával (1000 tonna urán-szurok körülbelül 0,03 gramm polóniumot tartalmaz). A bizmutmal együtt halmozódik fel. Ezután a szulfidok frakcionált kicsapásával elválasztható ettől az elemtől, mivel a polónium-szulfid kevésbé oldható, mint a bizmut-szulfid.

1899-ben Cury-knek sikerült felfedezniük a radioaktív elemek felezési idejét a polóniumon, ahol ez csak 140 nap, míg a többi vizsgált elem felezési ideje túl hosszú volt ahhoz, hogy észrevegyék őket.

A rádium felfedezése

1898. december 21-én a Curies Gustave Bémont vegyésszel együtt talált egy másik radioaktív elemet, amelyet bárium- frakcióban dúsítottak. Úgy hívják, hogy a rádium , a „sugárzó”. Eugène-Anatole Demarçay fizikus spektroszkópikusan tudta megerősíteni az új elemet. A polóniumhoz hasonlóan az urán-ólom bomlási sorozat része, ezért jelen van az uránásványokban. Fontos különbség a polóniumhoz képest a látszólag állandó aktivitás. A Po fele 140 nap alatt felére csökken , 1600 év felezési ideje , mint az Ra esetében, akkor nem volt mérhető az akkori eszközökkel.

Az 1899–1902-es években esedékessé vált a rádium tisztítása, amely lényegesen nehezebbnek bizonyult, mint a polónium esetében, és frakcionált kristályosítással valósult meg . Ehhez forró desztillált vízben feloldotta a szurokmag feldolgozási maradványai közül a bárium-kloridot, és addig forralta az oldatot, amíg az első kristályok megjelentek. Hűtés közben a bárium-klorid egy része kikristályosodott, és az edény alján szép, szilárdan tapadó kristályok (A frakció; felső frakció) képződtek, amelyekből a felülúszó anyalúgot lehűlés után könnyen le lehetett önteni. Az anyalúgot ezután ismét telítetté pároljuk egy második (kisebb) edényben. Lehűtés és dekantálás (az anyalúg leöntése) után B kristályfrakciót kapott (farokfrakció). Mindkét kristályfrakció aktivitásának összehasonlításakor M. Curie megállapította, hogy az A frakció körülbelül ötször radioaktívabb, mint a B frakció. Ennek oka a rádium-klorid alacsonyabb oldhatósága a bárium-kloridhoz képest. a bárium-klorid kristályfrakciója együttes kicsapással.

Még a primitívnek tűnő elektroszkópos aktivitásmérés is elegendő volt ahhoz, hogy a mennyiségbeli különbségek egyértelműek legyenek.

M. Curie-nek ezt az eljárást (feloldás, bepárlás, kristályosítás, dekantálás) számtalanszor meg kellett ismételnie, újra és újra új mennyiségű rádiumtartalmú bárium-kloriddal, hogy végül néhány milligramm báriummentes rádiumot kapjon. A dúsítással kapcsolatban M. Curie következő tippjei érdekesek:

Ha víz helyett híg vagy akár erős sósavat használnak a bárium-rádium-klorid oldására, mindkét klorid oldhatósága csökken, és a két komponens közötti elválasztó hatás is jelentősen megnő; a rádium felhalmozódása a felső frakcióban ennélfogva lényegesen nagyobb, mint vizes oldatban. A rádium felhalmozódása a felső frakcióban még nagyobb, ha a rádiumtartalmú báriumot a szurokmaradványokból nem izoláljuk báriummal és rádium-kloriddal, hanem bromidjaik formájában (azaz bárium-bromiddal + rádium-bromiddal).

André Louis Debierne- nel együtt 1910-ben izolálta a tiszta rádiumot egy rádium-klorid- oldat elektrolízisével . Németországban Friedrich Giesel , a Braunschweig vegyész úttörő munkát végzett a rádiumsók elkészítésében, és általában a radioaktivitás kutatásában, például 1902-ben Debierne-től függetlenül sikerült felfedeznie az aktiniumot.

Pozíció a periódusos rendszerben

Mennyiségi probléma

A kémia területén szokás volt egy újonnan felfedezett elemet csak bizonyosnak elfogadni, ha az tiszta formában ábrázolható és az atomtömeg meg van határozva (másik lehetőség a spektrális vonalak azonosítása volt). Ehhez mérhető mennyiségeknek kellett rendelkezésre állniuk. Ezeket azonban nem sikerült megszerezni a néhány kilogramm szurokfűből.

Az Académie des Sciences az osztrák tudományos akadémiához fordult segítségkéréssel azáltal, hogy elhagyta az értéktelennek tartott Sankt Joachimsthal zsákmánydombjait , amelyekből már eltávolították az urántartalmat (az uránt akkoriban az üvegiparban használták. és túl drága volt a Cury-k számára). Eduard Suess , a híres geológus közvetítése után teljesítették a kérést, csak a szállítási költségeket kellett a Cury-knak állni. Az első szállítás során körülbelül 1 tonna mennyiséget kaptak, amelyet azonban később más szállítások követtek. Utólag a rendkívül drága rádium értéke (egy mg körülbelül 1500 euróba került volna) körülbelül 150 000 euró volt. Normál körülmények között is a Joachimsthal-szurokfagyasztó csak 200 mg rádiumot tartalmazott tonnánként, és a maradékban sokkal kevesebb volt.

Marie Curie-nek azzal a feladattal kellett szembenéznie, hogy a maradéktól már elkülönített rádiumtartalmú bárium-kloridot (kb. 8 kg BaCl ₂ / tonna feldolgozási maradék ) mérhető mennyiségben különítse el a báriumból, hogy képes legyen spektrális elemzéssel megvizsgálni és meghatározni atomi tömegét. Az egyes lépéseket a rádium felfedezéséről szóló fejezet ismerteti . Mivel Marie fizikailag erősebb volt, mint férje, Pierre, a munka nagyobb részét az egyre növekvő mennyiségű megoldás nehéz edényeivel vette át.

További problémát jelentett a radioaktív gáz radon , amely a rádium bomlása során keletkezett , amely könnyen elszabadult, szennyezte a laboratóriumot, és bomlástermékeivel (polónium) is beavatkozott a mérésekbe. Ezenkívül káros volt az egészségre - a bomlástermék polónium alfa-kibocsátóként rakódott le a tüdőben.

Szélsőséges erőfeszítésekkel, kedvezőtlen külső körülmények között a Cury-knak sikerült mérhető mennyiségű rádiumot (kb. 100 mg) előállítani, amelynek aktivitása több mint egymilliószorosa volt az eredeti urán-oxid-standard aktivitásának, sokkal több, mint a Curies kezdetben azt hitte. 1902-ben Cury meghatározta az atomtömeget 225 u-nak, ami nagyon közel áll a modern értékhez.

A sugárzás differenciálása

• Az alfa-sugárzás történetét lásd az Alfa-sugárzás # kutatások előzményei között .
• A történelem béta-sugárzás lásd béta-sugárzás # kutatások történetében .
• A gammasugárzás történetét lásd a gamma-sugárzás # kutatási előzményekben .

dagad

• Karl-Erik Zimen: Sugárzó anyag. Radioaktivitás - a kortárs történelem egy darabja. Bechtle, Esslingen-München 1987, ISBN 3-7628-0464-8 .
• Fölsing Ulla: Marie Curie - egy új természettudomány úttörője , Piper 1997. ISBN 3-492-10724-9 .
• Emilio Segrè : A nagy fizikusok és felfedezéseik , Piper, 2. évf., ISBN 3-492-11175-0 .
• Pierre Ravanyi, Monique Bordry: A radioaktivitás felfedezése , in: Spectrum Dossier Radioactivity
• Maurice Tubiana: Sugárzás az orvostudományban , in: Spectrum Dossier Radioactivity

Egyéni bizonyíték

1. ^ A Párizsi Tudományos Akadémia 1896. január 20-i ülésén Henri Poincaré ismertette Röntgen eredményeit. Becquerel ott volt, és a sugárzás forrásáról kérdezte, amikor azt mondták neki, hogy a kisülési cső leg fluoreszkálóbb részéből származik
2. Known Ismeretlen szerző: A radioaktivitás története. Bécsi Egyetem, 1999. augusztus 29, az eredetiből 2014. március 12-én archiválva ; megtekintve 2018. október 16-án (PDF; 230 kB). 
3. ^ Johannes Friedrich Diehl: Radioaktivitás az ételekben . John Wiley és Sons, 2008, ISBN 978-3-527-62374-7 , pp. 2 ( korlátozott előnézet a Google Könyvkeresőben). 
4. ↑ Pierre Curie, Marie Curie, G. Bémont: Sur une nouvelle substance fortement radio-active contenue dans la pechblende . In: Comptes rendus hebdomadaires des séances de l'Académie des sciences . szalag 127 , 1898, pp. 1215-1217 ( archive.org ). 
5. ↑ Ezt a legkisebb áram mérési módszert Jacques Curie , Pierre testvére fejlesztette ki
6. ^ AF Holleman , E. Wiberg , N. Wiberg : Szervetlen kémia tankönyve . 101. kiadás. Walter de Gruyter, Berlin 1995, ISBN 3-11-012641-9 , 635. o.
7. ↑ Eve Curie: Madame Curie , 13. fejezet, Marie Curie- vizsgálatok a radioaktív anyagokkal kapcsolatban , Vieweg 1904, 24. o.
8. ↑ áron 300 birodalmi per mg 1907 a fenti, ezek értéke kb 5 euró birodalmi (lásd a német valuta történelem ), az eredmény 1500 euró mg.
9. ↑ a nap végén a Curies által az ércből kinyert mintegy 100 mg-ért 1500 mg / mg 150 000 euró árat eredményez.
10. ↑ Bodenstedt: A magfizika kísérletei és értelmezése , 1. évf., 27. o.
11. ↑ Erwin Bodenstedt: A magfizika kísérletei és értelmezése , 1. évfolyam, BI Verlag 1979, 27. o. Marie Curie: A radioaktív anyagok vizsgálata , Vieweg 1904, 35. o. 1902-ben használták az atomtömeg meghatározásához, körülbelül 90 mg tömegű volt.