Das Geheimnis der natürlichen Radioaktivität ist gelüftet: Zum ersten Mal wurden nukleare Veränderungen beobachtet

Am 21. Februar 1896 verkündete der französische Physiker Henri Becquerel an der Französischen Akademie der Wissenschaften, dass Uransalze bei Einwirkung von Sonnenlicht eine Art Röntgenstrahlung aussenden können, die der des Lichts ähnelt und Materialien wie schwarzes Papier und Glas durchdringen und Filme lichtempfindlich machen kann. Zunächst hielt er die Strahlen für Sonnenstrahlung. Am 2. März desselben Jahres entdeckte er unerwartet, dass dieser Strahl nichts mit Sonnenlicht zu tun hatte. Anschließend entdeckte er durch die Beobachtung verschiedener Uransalze die Radioaktivität von Elementen.

Der französische Physiker Henri Becquerel

Im Jahr 1903 wurde die Hälfte des Nobelpreises für Physik dem französischen Physiker Henri Becquerel als Anerkennung für seine Entdeckung der spontanen Radioaktivität verliehen. Die andere Hälfte wurde den französischen Physikern Pierre Curie und Marie Sklodowska-Curie in Anerkennung ihrer herausragenden Beiträge zum von Becquerel entdeckten Strahlungsphänomen verliehen.

Becquerel bei seinem Experiment

Legt den Grundstein für die Geburt der Kernphysik

Der französische Physiker Henri Becquerel war ein Experte auf dem Gebiet der Fluoreszenz und Phosphoreszenz. Anfang 1896 erreichte die Nachricht von der Entdeckung der Röntgenstrahlen durch den deutschen Physiker Wilhelm Conrad Röntgen Paris, und durch Zufall stieß er auf das Problem der Radioaktivität. Zu dieser Zeit gab es in Frankreich einen berühmten mathematischen Physiker namens Henri Poincaré. Nachdem er Röntgens Mitteilung erhalten hatte, berichtete er den Teilnehmern der regulären Sitzung der Französischen Akademie der Wissenschaften am 20. Januar 1896 über die Angelegenheit und zeigte Röntgens Mitteilung sowie Röntgenfotos. Becquerel war zufällig anwesend und fragte Poincaré, wie diese Strahlen erzeugt würden. Poincaré antwortete, dass die Strahlung offenbar an der Stelle gegenüber der Kathode der Vakuumröhre erzeugt werde, wo die Fluoreszenz emittiert werde, und dass sie möglicherweise denselben Mechanismus wie die Fluoreszenz habe. Poincaré schlug Becquerel außerdem vor, zu prüfen, ob die Fluoreszenz von Röntgenstrahlen begleitet sei.

Also begann Becquerel am nächsten Tag in seinem Labor zu experimentieren, um herauszufinden, ob fluoreszierende Substanzen unsichtbare Strahlen aussenden, die dickes Papier durchdringen und den Film empfindlich machen könnten. Er versuchte es immer wieder und fand schließlich eine Substanz, die die gewünschte Wirkung hatte: Uransalz.

Becquerel nahm zwei Blätter dickes schwarzes Papier und wickelte den fotografischen Film so fest ein, dass er selbst dann nicht lichtempfindlich wurde, wenn er einen Tag lang in der Sonne lag. Anschließend legte er das Uransalz auf den in schwarzes Papier eingewickelten Film und setzte ihn einige Stunden der Sonne aus. Das Ergebnis war ganz anders und auf dem Film erschien ein schwarzer Schatten.

Um zu beweisen, dass die Strahlung am Werk war, platzierte er absichtlich eine Glasschicht zwischen der schwarzen Papierverpackung und dem Uransalz und legte sie dann in die Sonne. Wenn es auf eine chemische Reaktion oder einen thermischen Effekt zurückzuführen war, hätte es durch eine Glasschicht beseitigt werden müssen, aber der schwarze Schatten blieb bestehen. Becquerel bestätigte daraufhin Poincarés Hypothese und berichtete auf der regulären Tagung der Französischen Akademie der Wissenschaften über die experimentellen Ergebnisse.

Becquerels Foto bestätigt natürliche Radioaktivität

Einige Tage später bereitete sich Becquerel darauf vor, dieses neue Phänomen weiter zu erforschen, doch Paris war mehrere Tage lang bewölkt und es gab kein Sonnenlicht. Er musste seine gesamte Ausrüstung, einschließlich des verpackten Films und des Uransalzes, in dieselbe Schublade legen. Vielleicht durch seinen Beruf inspiriert, kam Becquerel plötzlich auf die Idee, zu prüfen, ob der Film auch ohne Sonneneinstrahlung schwarz wird. Also entwickelte er den Film. Ich hätte nie gedacht, dass der schwarze Schatten auf dem Film so deutlich zu sehen sein würde. Er untersuchte den Tatort sorgfältig und bestätigte, dass die dunklen Schatten durch die Einwirkung von Uransalzen entstanden waren.

Angesichts dieses plötzlichen Phänomens wurde Becquerel schnell klar, dass er seine ursprüngliche Hypothese aufgeben musste. Diese Art der Strahlung hatte keinen direkten Bezug zur Fluoreszenz. Im Gegensatz zur Fluoreszenz war hierfür keine externe Lichtanregung erforderlich. Er setzte seine Experimente fort und bestätigte schließlich, dass es sich dabei um eine Art Strahlung handelte, die vom Element Uran selbst ausgesendet wurde. Er nannte diese Strahlung Uranstrahlung. Uranstrahlung unterscheidet sich von Röntgenstrahlung. Obwohl beide über eine starke Durchschlagskraft verfügen, unterscheiden sich ihre Produktionsmechanismen.

Das furchterregende Uranerz

Im Mai desselben Jahres berichtete er der französischen Akademie der Wissenschaften, dass die Uranstrahlung eine Funktion der Atome selbst sei und dass diese Strahlung weiterhin erzeugt werde, solange das Element Uran existiere. Auf diese Weise wurde die Radioaktivität erstmals entdeckt. Obwohl diese Entdeckung nicht so sensationell war wie Röntgens Entdeckung der Röntgenstrahlen, war ihre Bedeutung dennoch weitreichend und legte den Grundstein für die Geburt der Kernphysik.

Das Curie-Experiment

Becquerels Artikel über die Entdeckung der Radioaktivität erregte bei den Curies großes Interesse. Auf Vorschlag von Pierre Curie wählte Madame Curie 1897 das neue Thema der Radioaktivität als Thema ihrer Doktorarbeit. Zunächst wiederholte sie lediglich Becquerels Strahlungsexperiment mit Uransalzen, doch da sie die Messmethode erheblich verbesserte, erzielte sie nicht nur qualitative Ergebnisse, sondern auch eine große Menge genauer Daten. Sie verwendete die von den Brüdern Curie entwickelte piezoelektrische Waage aus Quarzkristall als Ersatz für Becquerels Elektroskop.

Madame Curie überprüfte zunächst Becquerels Schlussfolgerung und bestätigte, dass die Intensität der neuen Strahlung nur proportional zum Urangehalt in der Verbindung war, nichts mit der Zusammensetzung der Verbindung zu tun hatte und nicht von Faktoren wie Licht, Wärme und Elektrizität beeinflusst wurde. Sie bestätigte, dass es sich um einen atomaren Prozess handelte.

Becquerel und Marie Curie

Mit dieser Schlussfolgerung war sie jedoch nicht zufrieden und beschloss, eine umfassende Untersuchung aller bekannten Elemente durchzuführen. Sie fand verschiedene Mineralien und Chemikalien und führte nacheinander Experimente mit ihnen durch. Vorläufige Ergebnisse aus dem Jahr 1898 zeigten, dass der Ionisierungsstrom der meisten Materialien relativ gering war, mit Ausnahme von Pechblende, Thoriumoxid und Chalkosin (enthält Uranphosphat), die sehr starke Ionisierungsströme erzeugten. Madame Curie kam daraufhin zu dem Schluss, dass Thorium ebenfalls ein radioaktives Element sei. Sie entdeckte auch, dass Pechblende und Chalkosin viel reaktiver waren als reines Uran. Madame Curie vermutete, dass beide Uranerze aktiver als Uran selbst seien und dass diese Erze möglicherweise Elemente enthielten, die viel aktiver als Uran seien.

Marie Curie war der Ansicht, dass es sich offensichtlich um ein weit verbreitetes Naturphänomen handele, da mehrere Elemente spontan Strahlung aussenden könnten.

Die Entdeckung des Radiums

Danach entdeckten die Curies durch chemische Analysen und Tests mit physikalischen Instrumenten, dass Wismut hochradioaktiv war, 400-mal stärker als die gleiche Masse an Uran. Sie bestätigten außerdem, dass die Radioaktivität nicht vom Wismut selbst stammte, sondern von einem dem Wismut beigemischten Spurenelement. Nach wiederholten Experimenten stellten sie fest, dass sie die beiden Metalle trennen konnten, indem sie ihre unterschiedliche Löslichkeit ausnutzten. Nach der Zugabe von Wasser zur Auflösung des Wismutsalzes wurden in der zunächst ausgefallenen Schlacke besonders stark radioaktive Stoffe gefunden. Die Curies schlugen vor, es Polonium zu nennen.

Anschließend setzten die Curies ihre Trennungsexperimente fort und entdeckten eine stärkere Radioaktivität in Bariumsalzen. Sie glaubten, dass es eine zweite Substanz mit stärkerer Radioaktivität und völlig anderen chemischen Eigenschaften als die erste gab. Eine Ausfällung durch Schwefelwasserstoff, Ammoniumsulfid oder Ammoniak war nicht möglich. Diese neue radioaktive Substanz hatte genau die gleichen chemischen Eigenschaften wie reines Barium. Sein Chlorid war in Wasser löslich, jedoch unlöslich in konzentrierter Salzsäure und Alkohol. Daraus lässt sich das Spektrum von Barium gewinnen. Sie glaubten, dass es in dieser Substanz ein neues Element geben müsse, dessen chemische Eigenschaften denen des Bariums sehr nahe kämen, das jedoch eine sehr starke Radioaktivität erzeugen könne.

Sie führten eine Reihe von Trennungen durch und erhielten zunehmend aktive Chloride, die mehr als 900-mal aktiver waren als Uran. Sie nannten dieses neue radioaktive Element Radium.

Im Jahr 1902 gaben die Curies bekannt, dass sie das Atomgewicht von Radium mit 225 gemessen und zwei sehr helle charakteristische Spektrallinien gefunden hätten. Erst dann wurde die Existenz von Radium erkannt. Madame Curie litt später lange Zeit an perniziöser Anämie. Sie und Herr Curie müssen während ihrer Arbeit großen Strahlendosen ausgesetzt gewesen sein und haben möglicherweise sogar viele radioaktive Substanzen zu sich genommen. Das von ihr verwendete Kochbuch war bei einer Untersuchung 50 Jahre später immer noch radioaktiv. Im Jahr 1934 starb Madame Curie an den Folgen einer langwierigen Anämie. Ihre Tochter Ellen und ihr Schwiegersohn Frederick Joliot starben 1956 bzw. 1958 ebenfalls an perniziöser Anämie. Die Familie Curie hat der Menschheit Radium geschenkt, doch sie selbst haben durch Radium ihr kostbares Leben verloren.