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Entdeckung der Radioaktivität
Die Entdeckung der Radioaktivität war ein Meilenstein in der Entwicklung der modernen Physik. Sie bildet eine Grundlage für die Radiochemie bzw …
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Bedeutung und Ausgangslage
Die Entdeckung der Radioaktivität war ein Meilenstein der modernen Physik. Sie legte Grundlagen für die Radiochemie beziehungsweise Kernchemie und die Kernphysik. Radioaktivität bezeichnet die von bestimmten Stoffen ständig ausgesandte Strahlung. Ihre Ursache sowie die damit verbundenen ionisierenden Strahlungsarten α, β und γ waren anfangs noch unbekannt. Die Entdeckung der Kernspaltung beziehungsweise ihr Nachweis erfolgte erst im Dezember 1938; damit begann das Atomzeitalter.
Im ausgehenden 19. Jahrhundert beruhte das naturwissenschaftliche Weltbild noch weitgehend auf der Newtonschen Physik. Die Struktur der Atome und der Atomkern waren nicht experimentell nachgewiesen. Laborarbeiten waren technisch aufwendig: Mechanische Waagen erreichten eine Genauigkeit von 0,1 mg, Vakuumpumpen wurden von Hand betrieben, und das erzeugte Vakuum war etwa eine Million Mal schwächer als heutige Vakua. Ab etwa 1920 war die Radiochemie als eigenständiges Fachgebiet an renommierten Institutionen vertreten.
Uran, Periodensystem und Becquerels Beobachtung
Uran hatte die Ordnungszahl 92 und war damals das schwerste bekannte Element des Periodensystems. Martin Heinrich Klaproth entdeckte es 1789 zunächst als Oxid; Eugène Peligot stellte 1841 reines Uranmetall her. Uranverbindungen wurden vor allem als Farbstoffe genutzt und aus der in St. Joachimsthal vorkommenden Pechblende gewonnen. Im Periodensystem um 1900 waren zahlreiche heute bekannte Elemente noch unbekannt, darunter die Elemente mit den Ordnungszahlen 43, 61, 63, 71, 72, 75, 84 bis 89 und 91.
Anfang 1896 untersuchte Antoine Henri Becquerel die gerade entdeckte Röntgenstrahlung und vermutete einen Zusammenhang mit Fluoreszenz. Er stellte fest, dass Uransalze fotografische Platten schwärzen konnten. Zunächst waren die Präparate vor den Versuchen dem Sonnenlicht ausgesetzt worden. Wegen schlechten Wetters ließ Becquerel sie jedoch auf einer durch schwarzes Papier geschützten Fotoplatte liegen. Als er die Platte am 1. März entwickelte, zeigte sie dieselbe Schwärzung wie nach einer Belichtung. Damit war Fluoreszenz als Ursache der Strahlung ausgeschlossen. Die Entdeckung blieb zunächst weitgehend unbeachtet.
Curies Messungen und die Definition der Radioaktivität
Marie Curies Forschungen begannen 1897. Sie untersuchte die Ionisierung der Luft durch Uranpräparate. Dazu wurde ein Kondensator geladen; die durch ionisierte Luft verursachte Entladung wurde über ein Galvanometer beziehungsweise ein Elektrometer erfasst. Je schneller sich der Kondensator entlud, desto stärker war die Radioaktivität. Eine definierte Menge radioaktiver Substanz wurde dafür auf die Platten eines etwa 8 cm großen Plattenkondensators gestreut. Eine Batterie P lud die Platten über einen Schalter C auf, ein Elektrometer E überwachte den Ladezustand. Eine piezoelektrische Spannungsquelle Q aus einem belasteten Quarzkristall kompensierte die Entladung, sodass das Elektrometer als Nullinstrument verwendet werden konnte.
Marie Curie zeigte, dass die Strahlungsintensität mit dem Urananteil zunahm. Chemische Verbindungen, Druck und Temperatur beeinflussten sie nicht. Die Strahlung war damit eine Eigenschaft des Urans. Auch Thorium erwies sich als aktiv; Gerhard Carl Schmidt veröffentlichte diese Beobachtung vor Marie Curie. Marie und Pierre Curie prägten in ihrer Veröffentlichung den Begriff „radioaktiv“. Für diese Arbeiten erhielten sie 1903 gemeinsam mit Becquerel den Nobelpreis für Physik.
Entdeckung von Polonium und Radium
Bei Mineralien mit Uran und Thorium stellten die Curies eine wesentlich stärkere Radioaktivität fest, als sich aus deren Uran- und Thoriumgehalt erklären ließ. Marie Curie stellte Kupferuranylphosphat, den Chalkolith, künstlich her und verglich es mit natürlichem Chalkolith, der deutlich stärker strahlte. Daraus schloss sie, dass Uranmineralien bisher unbekannte, wesentlich aktivere Elemente enthalten mussten. Ab 1898 verarbeiteten die Curies zunächst 100 Gramm Pechblende und entfernten inaktive Bestandteile mit klassischen chemischen Verfahren.
Durch eine für Bismut typische Fällung erhielt Marie Curie ein Präparat, das mehrere hundertmal stärker strahlte als ihr Uranoxid-Standard. Sie nannte das Element zu Ehren ihrer Heimat Polonium. Polonium entsteht als Zwischenprodukt der Uran-Radium-Reihe; 1000 Tonnen Uranpechblende enthalten etwa 0,03 Gramm Polonium. Es reichert sich zusammen mit Bismut an und kann durch fraktionierte Fällung der Sulfide getrennt werden, weil Poloniumsulfid schwerer löslich ist als Bismutsulfid. Am Polonium wurde 1899 erstmals die Halbwertszeit beobachtet: Sie beträgt 140 Tage.
Am 21. Dezember 1898 fanden die Curies zusammen mit Gustave Bémont ein weiteres Element in einer Barium-Fraktion und nannten es Radium, „das Strahlende“. Eugène-Anatole Demarçay bestätigte es spektroskopisch. Radium ist wie Polonium in Uranmineralien vorhanden, seine Aktivität erschien jedoch zunächst nahezu gleich bleibend. Für Radium wird eine Halbwertszeit von 1600 Jahren angegeben, die mit den damaligen Mitteln nicht messbar war. Von 1899 bis 1902 reicherte Marie Curie Radium durch wiederholtes Lösen, Eindampfen, Kristallisieren und Dekantieren von Bariumchlorid an. Die erste Kristallfraktion war ungefähr fünfmal stärker radioaktiv als die zweite, weil Radiumchlorid schwerer löslich ist und sich durch Mitfällung anreichert. 1910 isolierte Marie Curie zusammen mit André Louis Debierne reines Radium durch Elektrolyse einer Radiumchloridlösung.
Das quantitative Problem und die Folgen
Ein neues Element galt in der damaligen Chemie erst als gesichert, wenn es rein dargestellt und seine Atommasse bestimmt werden konnte; alternativ war eine Identifizierung seiner Spektrallinien möglich. Dafür benötigten die Curies wägbare Mengen. Die wenigen Kilogramm Pechblende reichten nicht aus. Die österreichische Akademie der Wissenschaften überließ ihnen deshalb nach Vermittlung durch Eduard Suess die als wertlos geltenden Abraumhalden von Sankt Joachimsthal. Die erste Lieferung umfasste rund 1 Tonne, später kamen weitere hinzu. Eine Tonne Joachimsthaler Pechblende enthielt normalerweise nur 200 mg Radium, in den Rückständen war es noch weniger. Aus einer Tonne Verarbeitungsrückstände konnten etwa 8 kg Bariumchlorid gewonnen werden; ein Milligramm Radium hätte damals etwa 1500 € gekostet.
Ein zusätzliches Problem war Radon, ein beim Radiumzerfall entstehendes radioaktives Gas. Es entwich leicht, verunreinigte das Labor und störte Messungen durch seine Zerfallsprodukte, darunter Polonium. Dieses lagerte sich als Alphastrahler in der Lunge ab und war gesundheitsschädlich. Unter schwierigen Bedingungen stellten die Curies etwa 100 mg Radium her. Seine Aktivität war mehr als eine Million Mal höher als die des ursprünglichen Uranoxid-Standards. 1902 bestimmten sie die Atommasse des Radiums zu 225 u; dieser Wert liegt nahe am modernen Wert.
Die Forschung unterschied später α-, β- und γ-Strahlung. Im historischen Zusammenhang wurden außerdem Zerfallsprodukte und Zwischenstoffe mit Bezeichnungen wie Radiothorium (RdTh, ²²⁸Th), ThX (²²⁴Ra), RaB (²¹⁴Pb), RaC (²¹⁴Bi) und AcC (²¹¹Pb) verwendet. ThX zeigte, dass Radioaktivität auf ein Umwandlungsprodukt übergehen konnte: Die Radioaktivität gehörte zunächst zum Thoriumpräparat, ThX war jedoch kein Thorium, sondern ein Radium-Isotop. An RaC wurde 1913/1914 erstmals die Eigenschaft der γ-Strahlung als elektromagnetische Welle und ihre Wellenlänge bestimmt.
