Radioaktiivisuuden löytäminen

Löytö radioaktiivisuus oli virstanpylväs on modernin fysiikan .

alkutilanne

1800-luvun lopulla vallitsi edelleen suurelta osin suljettu Newtonin maailmankuva. Vaikka Antoine Henri Becquerel olisi löytänyt aiemmin tuntemattoman ilmiön, jonka mukaan uraani ja uraanisuolat voivat aiheuttaa valokuvamulsion musten, mutta tämä löytö on pysynyt suurelta osin tuntemattomana. Kenelläkään ei ollut aavistustakaan atomituumista . Sanaa radioaktiivisuus ja sen todellinen syy olivat tuntemattomia, samoin kuin mahdollisia biologisia vaikutuksia.

Laboratoriossa työskentely oli hankalampaa ja vaarallisempaa kuin nykypäivän tekniikat elektronisilla apuvälineillä antavat ymmärtää: liuoksia sekoitettiin käsin ja punnitusprosesseihin oli saatavana mekaanisia vaakoja 0,1 mg: n tarkkuudella. Myös tyhjiöpumppuja käytettiin käsin ja näin syntynyttä tyhjiötä verrattiin tavanomaisiin tyhjiöihin tänään miljoona kertaa heikompana.

Elementtien jaksollinen taulukko

 * Huomaa: Sinisellä näkyvät elementit: 43, 61, 63, 71, 72, 75, 84-89 ja 91 olivat vielä tuntemattomia.

uraani

Aika jaksollisen taulukon uraanin atomiluvun viimeisen 92 elementin kanssa oli vuonna 1789 saksalaisen, sitten Berliinissä asuvan kemiaprofessorin ja proviisorin, Martin Heinrich Klaprothin löydetty. Se on nimetty Uranuksen planeetan mukaan , jonka Friedrich Wilhelm Herschel löysi kahdeksan vuotta aiemmin (1781) . Klaproth eristää sen oksidina ; Eugène Peligot onnistui tuottamaan sen puhtaana uraanimetallina vuonna 1841.

Kemian arvon lisäksi se oli pääasiassa tärkeä yhdisteiden muodossa väriaineena. Se saatiin uuttamalla se kannesta, jota esiintyy luonnostaan St. Joachimsthalissa .

Becquerelin löytö

Henri Becquerel löysi alkuvuodesta 1896, kun yrittää selittää röntgensäteilyn joka oli juuri löytänyt mennessä fluoresenssin , että uraanin suolan (joka fluoresoi altistumisen jälkeen) pystyi mustata Valokuvauslevyt . Ensimmäisiä yrityksiä edelsi aina auringonvalo. Säämuutoksen takia Becquerel ei kyennyt paljastamaan uraanivalmisteita, mutta jätti ne valokuvalevylle, joka oli suojattu mustalla paperilla. Hän kehitti nämä levyt enemmän sattumalta ja löysi 1. maaliskuuta saman musteen kuin fluoresenssi. Siksi tämä suljettiin pois säteilyn syynä.

radioaktiivisuus

Curie-pari

Pierre ja Marie Curie laboratoriossa (viimeistään vuonna 1906)

Marie Curie aloitti radioaktiivisuuden tutkimuksen vuonna 1897. Hän itse kirjoitti: ”Tavoitteena oli tutkia uraanin jatkuvasti säteilyn muodossa lähettämän erittäin alhaisen energian alkuperää. Tämän ilmiön tutkimus piti meitä epätavallisen mielenkiintoisina, sitäkin enemmän, koska ongelma oli uusi eikä sitä ollut vielä kuvattu missään. Päätin omistautua tämän aiheen käsittelyyn. Minun oli löydettävä paikka kokeiden tekemiseksi. Pierre Curie sai koulun johtajalta luvan käyttää pohjakerroksen lasitettua työskentelyaluetta tähän tarkoitukseen, joka toimi varastona ja konehuoneena. "

Osana Pierre Curien aloittamaa väitöskirjaa hän tarkasti Becquerelin tulokset ja mitasi uraanivalmisteiden säteilyn aiheuttaman ilman ionisaation kondensaattorin purkautumisen avulla, jonka jännite (varaustila) oli mitattu kanssa galvanometrin . Kondensaattori purkautui ilman ionisaation vuoksi. Tämä mahdollisti ensimmäisten määrällisten lausuntojen antamisen säteilystä. Ei kestänyt kauan, ennen kuin hän tajusi, että mitä suurempi uraanipitoisuus, sitä voimakkaampi säteily. Kemiallisilla yhdisteillä, paineella tai lämpötilalla ei ollut vaikutusta.

Tällä tavoin hän oli osoittanut säteilyn uraanin atomiominaisuutena. Toisin kuin Becquerel, hän ei kuitenkaan tutkinut vain uraanivalmisteita, vaan myös muita mineraaleja, ja löysi samanlaisen aktiivisuuden toriumista , vaikka saksalainen kemisti Gerhard Carl Schmidt ennakoi sen julkaisussa . Julkaisussa Sur une nouvelle substance fortement radioaktiivinen contenue dans la pechblende Marie ja Pierre Curie loivat ensimmäisen kerran termin radioaktiivinen .

Tästä ja seuraavasta työstä, joka johti uusien, paljon voimakkaampien säteilevien elementtien löytämiseen, Curies sai Nobelin fysiikkapalkinnon vuonna 1903 yhdessä Antoine Henri Becquerelin kanssa .

Mittauslaitteet

Laboratorion rekonstruointi, Curie-museo, Pariisi

Järjestelmä radioaktiivisuuden mittaamiseksi.
A, B Levykondensaattori
C Kytkin
E Elektrometri
H Kulho painoille
P Akku
Q Pietsosähköinen kvartsi

Curien radioaktiivisuuden mittauslaite luotiin uudelleen Marie Curien laboratoriossa (vasen kuva). Oikealla oleva piirikaavio perustuu Marie Curien luonnokseen. Laboratoriopöydän keskellä (vasen kuva) on kondensaattori. Sen noin 8 cm: n suuruiset vaakasuorassa olevat levyt ( A ja B , merkinnät piirikaaviossa) on peitetty hopeasylinterillä. Akku ( P , ei kuvassa) lataa levyt kytkimen ( C ) kautta. Piiri suljetaan yhteisen maajohdon kautta (ranska: terre ). Puupohjan kuvan oikealla puolella oleva galvanometri ( E , kvadranttielektrometri) seuraa varaustilaa. Virtaa ei lueta suoraan galvanometristä, mutta sitä käytetään "nolla-instrumenttina" (jotta erityistä kalibrointia ei tarvita) sen jälkeen , kun kuvan oikealla puolella oleva toinen jännitelähde ( Q ) on käytetty kompensoimaan kondensaattorin purkautumista varten. Tämä jännitelähde koostuu kvartsikiteestä, johon on painettu paino ( pietsosähkö ), kompensointijännitteet voidaan lukea painoista.

Määritetty määrä radioaktiivista ainetta hajotetaan kondensaattorilevyille. Mitä nopeammin levyt purkautuvat sitten ilman ionisoinnin kautta, sitä suurempi radioaktiivisuus.

Tehokkaampia päästöjä kuin itse uraani

Uraania ja toriumia sisältävien mineraalien mittauksissa hän havaitsi merkittävästi korkeamman radioaktiivisuuden tason kuin mitä uraanin ja toriumin määristä voitiin odottaa. Marie Curie vahvisti tämän tuottamalla keinotekoisesti kupariuranyylifosfaattia ( kalkoliitti ) ja vertaamalla sitä luonnossa esiintyvään kalkoliittiin, joka oli paljon säteilevämpi. Hän päätyi siihen, että pikisäiliön ja muiden uraanimineraalien on sisällettävä elementtejä, joilla oli paljon suurempi radioaktiivisuus kuin uraanilla. 12. huhtikuuta 1899 Marie Curie ilmoitti tiedeakatemialle osoittamassaan ilmoituksessa, että "kaksi uraanimineraalia, pikblende (uraniitti) ja kalkoliitti (kupariuranyylifosfaatti), ovat paljon aktiivisempia kuin itse uranyyli. Tämä tosiasia on merkittävä ja viittaa siihen, että mineraalit saattavat sisältää paljon aktiivisempaa ainetta kuin uraani . ” Tuolloin ei ollut tiedossa, että uraaninäytteissä oli tosiasiallisesti kaksi aktiivisempaa ainetta. Seuraavaksi Cury pyrki eristämään nämä elementit. He alkoivat vuonna 1898 100 grammalla särkyä ja eliminoivat passiiviset alkuaineet klassista kemiallista tekniikkaa käyttäen.

Poloniumin löytäminen

Kanssa saostuminen tyypillinen elementille vismutti , hän saa valmiste, joka säteilee useita satoja kertoja suurempi kuin uraanioksidiksi standardi hän loi. Kotimaansa kunniaksi hän kutsuu sitä poloniumiksi .

Polonium-isotoopit ovat uraani-radium-sarjan välituotteita , joista jälkimmäinen tuottaa poloniumin yleisimmän isotoopin 210. Poloniumia voidaan sen vuoksi saada piipun käsittelystä (1 000 tonnia uraanipikiä sisältää noin 0,03 grammaa poloniumia). Se kertyy vismutin mukana. Sitten se voidaan erottaa tästä elementistä sulfidien osittaissaostamisen avulla, koska poloniumsulfidi on vähemmän liukoinen kuin vismuttisulfidi.

Vuonna 1899 Curies onnistui myös löytämään radioaktiivisten alkuaineiden puoliintumisaika poloniumilla, missä se on vain 140 päivää, kun taas muiden tutkittujen alkioiden puoliintumisaika oli liian pitkä heidän havaittavissa.

Radiumin löytäminen

21. joulukuuta, 1898 Curies yhdessä kemisti Gustave Bémont , havaittu toinen radioaktiivinen alkuaine, että ne olivat rikastettu on barium osa. He kutsuvat sitä radiumiksi , "säteileväksi". Fyysikko Eugène-Anatole Demarçay pystyi vahvistamaan uuden elementin spektroskooppisesti. Poloniumin tavoin se on osa uraani-lyijy-hajoamissarjaa ja on siksi läsnä uraanimineraaleissa. Tärkeä ero poloniumiin on näennäisesti vakioaktiivisuus. Kuin Po laantuu puoleen 140 päivää, puoliintumisaika 1600 vuotta kanssa Ra ei voitu mitata keinoilla tuolloin.

Vuosina 1899–1902 radiumin puhdistus oli määrä suorittaa, mikä osoittautui huomattavasti vaikeammaksi kuin poloniumilla, ja se saavutettiin jakokiteytyksen avulla . Tätä varten hän liuotti bariumkloridin piikkikiven käsittelyjäännöksistä kuumaan tislattuun veteen ja keitti liuoksen, kunnes ensimmäiset kiteet ilmestyivät. Jäähtyessään osa bariumkloridista kiteytyi sitten ulos, ja astian pohjalle muodostui kauniita, tiukasti kiinnittyneitä kiteitä (jae A; yläosa), joista supernatanttinen emäliuos voitiin helposti kaataa pois jäähdytyksen jälkeen. Emäliuos haihdutettiin sitten jälleen kyllästykseen toisessa (pienemmässä) maljassa. Jäähdyttämisen ja dekantoinnin (emäliuoksen kaatamisen jälkeen) jälkeen se sai kideosuuden B (hännän jae). Vertaamalla molempien kristallifraktioiden aktiivisuutta M. Curie havaitsi, että fraktio A oli noin viisi kertaa radioaktiivisempi kuin fraktio B. Syynä tähän on radiumkloridin alhaisempi vesiliukoisuus verrattuna läsnä olevaan bariumkloridiliuokseen), joka oli rikastettu ensimmäisessä bariumkloridin kidefraktio saostamalla.

Jopa aktiivisuuden mittaaminen elektroskoopilla, joka näyttää nykyään primitiiviseltä, riitti tekemään eroja määrässä selkeät.

M. Curie joutui toistamaan tämän prosessin (liuottamalla, haihduttamalla, kiteyttämällä, dekantoimalla) lukemattomia kertoja uudestaan ​​ja uudestaan ​​uusilla määrillä radiumia sisältävää bariumkloridia saadakseen lopulta muutaman milligramman bariumitonta radiumia. Rikastuksen yhteydessä kiinnostavat seuraavat M. Curien vinkit:

Jos barium-radiumkloridin liuottamiseen käytetään veden sijasta laimeaa tai jopa vahvaa suolahappoa, molempien kloridien liukoisuus vähenee ja myös näiden kahden komponentin välinen erotusvaikutus lisääntyy huomattavasti; radiumin kertyminen yläosaan on siten huomattavasti suurempi kuin vesiliuoksessa. Radiumin kertyminen yläosaan on vieläkin suurempi, jos radiumia sisältävän bariumin eristäminen piki-jäännöksistä ei tapahdu bariumilla ja radiumkloridilla, vaan niiden bromidien muodossa (ts. Bariumbromidilla + radiumbromidilla).

Yhdessä André Louis Debiernen kanssa hän eristää puhtaan radiumin vuonna 1910 elektrolyysillä radiumkloridiliuoksella. Saksassa Braunschweigin kemisti Friedrich Giesel teki uraauurtavaa työtä radiumsuolojen valmistuksessa ja yleensä radioaktiivisuustutkimuksessa, esimerkiksi vuonna 1902 Debiernestä riippumatta hän onnistui löytämään aktiniumin.

Sijainti jaksollisessa taulukossa

Kvantitatiivinen ongelma

Kemiassa oli tapana hyväksyä vasta löydetty elementti vain varmana, jos se voidaan esittää puhtaassa muodossaan ja sen atomimassa ilmoitetaan (toinen mahdollisuus oli tunnistaa spektriviivat). Tätä varten punnittavia määriä oli oltava saatavilla. Niitä ei kuitenkaan voitu saada muutamasta kilosta sorkkatautia.

Académie des Sciences kääntyi Itävallan tiedeakatemian puoleen pyytämällä apua jättämällä arvottomiksi katsotut Sankt Joachimsthalin saalimäet , joista uraanipitoisuus oli jo poistettu (uraania käytettiin tuolloin lasiteollisuudessa. ja oli liian kallista Curyille). Kuuluisan geologin Eduard Suessin sovittelun jälkeen he täyttivät pyynnön, vain kuljettajien oli vastattava kuljettajista. Ensimmäisessä toimituksessa he saivat noin yhden tonnin, jota myöhemmin kuitenkin seurasivat muut toimitukset. Jälkikäteen katsottuna erittäin kallis radium (yksi mg olisi maksanut noin 1500 euroa) oli noin 150 000 euroa. Jopa normaaleissa olosuhteissa Joachimsthal-pikisäiliö sisälsi vain 200 mg radiumia tonnia kohden, ja jäännöksessä oli paljon vähemmän.

Marie Curien tehtävänä oli erottaa jäännöksistä jo eristetty radiumia sisältävä bariumkloridi (noin 8 kg BaCl ₂ / tonni jalostusjäämää) punnittavissa määrinä bariumista, jotta se voisi tutkia sitä spektrianalyysillä ja määrittää sen atomimassa. Yksittäiset vaiheet on kuvattu radiumin löytämistä koskevassa luvussa . Koska Marie oli fyysisesti vahvempi kuin aviomiehensä Pierre, hän otti suurimman osan työstä raskaiden alusten kanssa jatkuvasti kasvavien ratkaisumäärien kanssa.

Toinen ongelma oli radioaktiivinen kaasu radon , joka on tuotettu aikana hajoamisen radium , joka helposti karannut, saastunut laboratoriossa ja se vaikutti myös mittaukset sen hajoamistuotteiden (polonium). Lisäksi se oli haitallista terveydelle - hajoamistuote polonium kerrostui alfa-emitterinä keuhkoihin.

Äärimmäisillä ponnisteluilla, epäsuotuisissa ulkoisissa olosuhteissa, Curies onnistui tuottamaan painettavan määrän radiumia (noin 100 mg), jonka aktiivisuus oli yli miljoona kertaa suurempi kuin alkuperäisen uraanioksidistandardin, paljon enemmän kuin Curies alun perin ajatteli. Vuonna 1902 Curies määritti atomimassaksi 225 u, mikä on hyvin lähellä nykyaikaista arvoa.

Säteilyn erilaistuminen

• Sillä historian alfa säteilyä, katso Alpha säteily # tutkimushistoriasta .
• Beetasäteilyn historia löytyy beetasäteilyn # tutkimushistoriasta .
• Jotta historia gammasäteilyn katso gammasäteily # tutkimushistoriasta .

turvota

• Karl-Erik Zimen: Säteilevä aine. Radioaktiivisuus - pala nykyhistoriaa. Bechtle, Esslingen-Munich 1987, ISBN 3-7628-0464-8 .
• Ulla Fölsing: Marie Curie - uuden luonnontieteen edelläkävijä , Piper 1997. ISBN 3-492-10724-9 .
• Emilio Segrè : Suuret fyysikot ja heidän löytönsä , Piper, 2. osa, ISBN 3-492-11175-0 .
• Pierre Ravanyi, Monique Bordry: Radioaktiivisuuden löytö , julkaisussa: Spectrum Dossier Radioactivity
• Maurice Tubiana: Säteily lääketieteessä , julkaisussa: Spectrum Dossier Radioactivity

Yksittäiset todisteet

1. ^ Pariisin tiedeakatemian kokouksessa 20. tammikuuta 1896 Henri Poincaré esitteli Röntgenin tulokset. Becquerel oli siellä ja kysyi säteilyn lähteestä, minkä jälkeen hänelle kerrottiin, että se näytti tulevan purkausputken fluoresoivasta osasta
2. ↑ Tuntematon kirjoittaja: Radioaktiivisuuden historia. Wienin yliopisto, 29. elokuuta 1999, arkistoitu alkuperäisestä 12. maaliskuuta 2014 ; käytetty 16. lokakuuta 2018 (PDF; 230 kB). 
3. ^ Johannes Friedrich Diehl: Radioaktiivisuus elintarvikkeissa . John Wiley & Sons, 2008, ISBN 978-3-527-62374-7 , s. 2 ( rajoitettu esikatselu Google-teoshaulla). 
4. ↑ Pierre Curie, Marie Curie, G.Bémont: Sur une nouvelle substance fortement radio-active contenue dans la pechblende . Julkaisussa: Comptes rendus hebdomadaires des séances de l'Académie des sciences . nauha 127 , 1898, s. 1215-1217 ( archive.org ). 
5. ↑ Tämän menetelmän pienimpien virtojen mittaamiseksi on kehittänyt Jacques Curie , Pierren veli
6. ^ AF Holleman , E. Wiberg , N. Wiberg : Epäorgaanisen kemian oppikirja . 101. painos. Walter de Gruyter, Berliini 1995, ISBN 3-11-012641-9 , s.635 .
7. ↑ Eve Curie: Madame Curie , luku 13, Marie Curie -tutkimukset radioaktiivisista aineista , Vieweg 1904, s. 24. Hän sai aluksi 1 tonnin ja myöhemmin useita tonneja enemmän.
8. ↑ Tuloksena on 1500 euroa / mg hinnalla 300 Reichsmarktia / mg vuodesta 1907, kuten edellä todettiin, ja arvoltaan noin 5 euroa / Reichsmark (ks. Saksan valuuttahistoria ).
9. ↑ Curiesin päivän lopussa malmista talteen saamasta noin 100 mg: sta 1500 euroa / mg johtaa hintaan 150 000 euroa.
10. ↑ Bodenstedt: Ydinfysiikan kokeita ja niiden tulkintaa , osa 1, s.27.
11. ↑ Erwin Bodenstedt: Ydinfysiikan kokeita ja niiden tulkintaa , osa 1, BI Verlag 1979, s. 27. Marie Curie: Tutkimuksia radioaktiivisista aineista , Vieweg 1904, s. 35. Lähes puhdas näyte radiumkloridia, joka oli käytettiin vuonna 1902 atomimassan määrittämiseen, se painoi noin 90 mg.