Radyoaktivitenin keşfi

Radyoaktivite keşfi gelişmesinde bir kilometre taşı oldu modern fizik .

başlangıç ​​durumu

19. yüzyılın sonunda, hala büyük ölçüde kapalı bir Newtoncu dünya görüşü vardı. Antoine Henri Becquerel , uranyum ve uranyum tuzlarının fotografik emülsiyonun kararmasına neden olabileceği şeklindeki daha önce bilinmeyen fenomeni keşfetmiş olsa da , bu keşif büyük ölçüde bilinmemektedir. Kimsenin atom çekirdeği hakkında bir fikri yoktu . Radyoaktivite kelimesi ve gerçek nedeni bilinmiyordu ve olası biyolojik etkiler de öyle.

Laboratuvarda çalışmak, günümüzün elektronik yardımcıların önerdiğinden daha zahmetli ve tehlikeliydi: çözeltiler elle karıştırılıyordu ve tartım işlemleri için 0,1 mg hassasiyete sahip mekanik teraziler mevcuttu. Ayrıca vakum pompaları elle çalıştırıldı ve bu şekilde oluşturulan vakum, bugün milyonlarca kez daha zayıf olan geleneksel vakumlarla karşılaştırıldı.

Elementlerin periyodik tablosu

 * Not: Mavi olarak gösterilen öğeler: 43, 61, 63, 71, 72, 75, 84 - 89 ve 91 o zamanlar hala bilinmiyordu.

uranyum

İle zaman atom numarasına son 92 eleman periyodik tablo uranyum sonra Berlin kimya profesörü ve eczacı yaşayan Alman tarafından 1789 yılında oldu, Martin Heinrich Klaproth keşfetti. Adını sekiz yıl önce (1781) Friedrich Wilhelm Herschel tarafından keşfedilen Uranüs gezegeninden almıştır . Klaproth onu bir oksit olarak izole etti ; Eugène Peligot , 1841'de saf uranyum metali olarak üretmeyi başardı.

Kimya için değerine ek olarak, esas olarak bileşiklerinin bir boya olarak formunda önemliydi. St. Joachimsthal'da doğal olarak oluşan zift blendinden ekstrakte edilerek elde edildi .

Becquerel'in keşfi

Henri Becquerel çalışırken, erken 1896 yılında keşfedilen açıklamaya röntgen radyasyonu sadece bulunmuştu tarafından floresan , o uranyum tuzu (maruz kaldıktan sonra fluoresces) karartacak başardı fotoğraf klişeleri . İlk denemelerden önce her zaman güneş ışığı tarafından uyarıldı. Havadaki bir değişiklik nedeniyle Becquerel, uranyum preparatlarını açığa çıkaramadı, ancak bunları siyah kağıtla korunan fotoğraf plakasında bıraktı. Bu plakaları şans eseri daha fazla geliştirdi ve 1 Mart'ta floresanla aynı kararmayı keşfetti. Bu nedenle radyasyonun nedeni olarak bu hariç tutulmuştur.

radyoaktivite

Curie çifti

Pierre ve Marie Curie laboratuvarda (en geç 1906)

Marie Curie'nin radyoaktivite araştırması 1897'de başladı. Kendisi şöyle yazdı: “Amaç, uranyum tarafından sürekli olarak radyasyon şeklinde yayılan tesadüfen çok düşük enerjinin kökenini araştırmaktı. Bu fenomenin araştırılması bizi alışılmadık derecede ilginç buldu, üstelik sorun yeni olduğundan ve henüz hiçbir yerde tanımlanmadığından beri. Kendimi bu konu üzerinde çalışmaya adamaya karar verdim. Deneyleri yapacak bir yer bulmam gerekiyordu. Pierre Curie, bu amaçla depo ve makine odası olarak hizmet veren zemin kattaki camlı çalışma alanını kullanmak için okul müdüründen izin aldı. "

Pierre Curie tarafından başlatılan doktora tezi kapsamında Becquerel'in sonuçlarını kontrol etti ve uranyum preparatlarının radyasyonunun neden olduğu havanın iyonlaşmasını voltajı (şarj durumu) olan bir kapasitörün deşarjı yardımıyla ölçtü. bir galvanometre ile ölçülmüştür. Havanın iyonlaşması nedeniyle kondansatör deşarj oldu. Bu , radyasyon hakkında ilk niceliksel açıklamaların yapılmasını mümkün kıldı. Uranyum içeriği ne kadar fazlaysa radyasyonun o kadar yoğun olduğunu fark etmesi çok uzun sürmedi. Kimyasal bileşiklerin, basıncın veya sıcaklığın hiçbir etkisi yoktu.

Bununla radyasyonun uranyumun atomik özelliği olduğunu kanıtlamış oldu. Becquerel'in aksine, sadece uranyum preparatlarını değil, diğer mineralleri de inceledi ve Alman kimyager Gerhard Carl Schmidt yayında beklemesine rağmen , toryumda benzer bir aktivite buldu . Sur une nouvelle adlı yayında radyoaktif madde zenginliği radyoaktif devam et Marie ve Pierre Curie radyoaktif terimini ilk kez ortaya attılar .

Yeni, çok daha güçlü yayılan elementlerin keşfine yol açan bu ve sonraki çalışma için Curie, Antoine Henri Becquerel ile birlikte 1903'te Nobel Fizik Ödülü'nü aldı .

Ölçme ekipmanı

Laboratuvarın yeniden inşası, Curie Müzesi, Paris

Radyoaktiviteyi ölçmek için düzenleme.
A, B Plakalı kondansatör
C Anahtar
E Elektrometre
H Ağırlıklar için hazne
P Pil
Q Piezoelektrik kuvars

Curie'nin radyoaktiviteyi ölçmek için kullandığı cihaz, Marie Curie'nin laboratuvarında yeniden yaratıldı (soldaki resim). Sağdaki devre şeması, Marie Curie'nin bir taslağına dayanmaktadır. Ortada laboratuvar masasının üzerinde (soldaki resim) bir kondansatör var. Yaklaşık 8 cm genişliğinde yatay olarak uzanan plakaları ( A ve B , devre şemasındaki işaretler) gümüş silindirle kaplıdır. Bir pil ( resimde değil P ) plakaları anahtar ( C ) aracılığıyla şarj eder . Devresinin müşterek bir ile kapatılır toprak hattı (: Fransız terre ). Ahşap kaide üzerindeki resimde sağda bulunan bir galvanometre ( E , bir çeyrek elektrometre) şarj durumunu izler. Akım doğrudan galvanometrede okunmaz, ancak bu, telafi etmek için fotoğrafın sağındaki ikinci bir voltaj kaynağı ( Q ) uygulandıktan sonra "sıfır cihaz" olarak kullanılır (böylece özel kalibrasyon gerekmez) kapasitör deşarjı için. Bu voltaj kaynağı, bir ağırlık ( piezoelektrik ) ile yüklenmiş bir kuvars kristalinden oluşur , dengeleme voltajları ağırlıklardan okunabilir.

Kapasitör plakalarına belirli miktarda radyoaktif madde saçılır. Plakalar, havanın iyonlaşması yoluyla ne kadar hızlı boşalırsa, radyoaktivite o kadar büyük olur.

Uranyumun kendisinden daha güçlü yayıcılar

Uranyum ve toryum içeren mineraller üzerinde yapılan ölçümlerde, uranyum ve toryum miktarlarından beklenenden çok daha yüksek seviyede radyoaktivite buldu. Marie Curie bunu yapay olarak bakır uranil fosfat ( kalkolit ) üreterek ve çok daha parlak olan doğal olarak oluşan kalkolitle karşılaştırarak doğruladı . Ziftblend ve diğer uranyum minerallerinin uranyumdan çok daha yüksek radyoaktiviteye sahip elementler içermesi gerektiği sonucuna vardı. 12 Nisan 1899'da Marie Curie, Bilimler Akademisi'ne yaptığı bir duyuruda “iki uranyum minerali, ziftblend (uranit) ve kalkolitin (bakır uranil fosfat) uranilin kendisinden çok daha aktif olduğunu duyurdu. mineraller uranyumdan çok daha aktif bir element içerebilir. ” O zamanlar, uranyum örneklerinde aslında iki tane daha aktif element olduğu bilinmiyordu. Daha sonra, Curie bu unsurları izole etmek için yola çıktı. 1898'de 100 gram ziftblend ile başladılar ve inaktif elementleri klasik kimyasal teknikler kullanarak elimine ettiler.

Polonyumun keşfi

Bizmut elementi için tipik bir çökelme ile , yarattığı uranyum oksit standardından birkaç yüz kat daha fazla yayılan bir preparat alır. Memleketinin şerefine polonyum diyor .

Polonyum izotopları, uranyum-radyum serisinin ara ürünleridir ; ikincisi, polonyumun en yaygın izotop 210'unu üretir. Polonyum bu nedenle ziftblendin işlenmesinden elde edilebilir (1000 ton uranyum ziftblend yaklaşık 0.03 gram polonyum içerir). Bizmutla birlikte birikir. Daha sonra sülfitlerin fraksiyonel çökeltilmesi yoluyla bu elementten ayrılabilir, çünkü polonyum sülfür bizmut sülfürden daha az çözünürdür.

1899 yılında Curies da keşfetmeyi başarmıştır yarı ömrünü radyoaktif elementlerin polonyum, üzerinde araştırıldı diğer elementlerin yarı ömürleri çok uzun onlar tarafından gözlenirse, oysa sadece 140 gündür.

Radyumun keşfi

21 Aralık 1898'de Curie, kimyager Gustave Bémont ile birlikte , bir baryum fraksiyonunda zenginleştirdikleri başka bir radyoaktif element buldu . Buna radyum diyorlar , "ışık saçan". Fizikçi Eugène-Anatole Demarçay, yeni elementi spektroskopik olarak doğruladı. Polonyum gibi, uranyum-kurşun bozunma serisinin bir parçasıdır ve bu nedenle uranyum minerallerinde bulunur. Polonyumdan önemli bir fark, görünüşte sabit olan aktivitedir. Bu Po 140 gün yarı yarıya geçene, bir yarı-ömür ile 1600 yıllık Ra o zaman araçlarla ölçülemedi.

1899-1902 yıllarında, polonyumdan çok daha zor olan ve fraksiyonel kristalizasyon yardımıyla elde edilen radyumun saflaştırılması gerekiyordu . Bunu yapmak için, ziftblendin işleme artıklarından baryum klorürü sıcak damıtılmış suda çözdü ve çözeltiyi ilk kristaller görünene kadar kaynattı. Soğutulduktan sonra, baryum klorürün bir kısmı kristalleşti ve çanağın dibinde güzel, sıkıca yapışan kristaller (fraksiyon A; üst kısım) oluştu; üstte kalan ana likör, soğutulduktan sonra kolayca boşaltılabildi. Ana likör daha sonra ikinci (daha küçük) bir kapta doyana kadar tekrar buharlaştırıldı. Soğutulduktan ve boşaltıldıktan sonra (ana likör dökülerek), kristal kısım B'yi (kuyruk kısmı) aldı. Her iki kristal fraksiyonun aktivitesini karşılaştırırken, M. Curie, A fraksiyonunun B fraksiyonundan yaklaşık beş kat daha fazla radyoaktif olduğunu buldu.Bunun nedeni, radyum klorürün baryum klorüre kıyasla daha düşük suda çözünürlüğüdür. birlikte çökeltme yoluyla baryum klorürün kristal fraksiyonu.

Bugün ilkel görünen bir elektroskopla aktivite ölçümü bile nicelikteki farklılıkları netleştirmek için yeterliydi.

M. Curie, birkaç miligram baryum içermeyen radyum elde etmek için bu işlemi (çözme, buharlaştırma, kristalize etme, boşaltma) defalarca yeni radyum içeren baryum klorürle defalarca tekrarlamak zorunda kaldı. Zenginleştirme ile bağlantılı olarak, M. Curie'den aşağıdaki ipuçları ilgi çekicidir:

Baryum radyum klorürü çözmek için su yerine seyreltik veya hatta güçlü hidroklorik asit kullanılırsa, her iki klorürün çözünürlüğü azalır ve iki bileşen arasındaki ayırma etkisi de önemli ölçüde artar; bu nedenle üst kısımdaki radyum birikimi, sulu bir çözeltiden önemli ölçüde daha fazladır. Radyum içeren baryumun pitchblend artıklarından izolasyonu baryum ve radyum klorür ile değil, bromidleri şeklinde (yani baryum bromür + radyum bromür ile) yapılırsa, üst kısımdaki radyum birikimi daha da büyüktür.

André Louis Debierne ile birlikte , 1910'da bir radyum klorür çözeltisinin elektroliziyle saf radyumu izole etti . Almanya'da, Braunschweig kimyager Friedrich Giesel radyum tuzlarının hazırlanmasında öncü çalışmalar yaptı ve genel olarak radyoaktivite araştırmalarında, örneğin 1902'de Debierne'den bağımsız olarak aktinyum keşfetmeyi başardı.

Periyodik tablodaki pozisyon

Nicel bir problem

Kimyada, yalnızca yeni keşfedilen bir elementin, saf haliyle ve atomik kütlesiyle temsil edilip edilemeyeceğinden emin olarak kabul edilmesi alışılmış bir şeydi (başka bir olasılık, spektral çizgileri tanımlamaktı). Bunun için tartılabilir miktarların mevcut olması gerekiyordu. Ancak bunlar birkaç kilogramlık zift blendinden elde edilememiştir.

Académie des Sciences , uranyum içeriğinin zaten çıkarıldığı değersiz olduğu düşünülen Sankt Joachimsthal'ın ganimet yığınlarını bırakarak yardım talebiyle Avusturya Bilimler Akademisi'ne döndü (uranyum o zamanlar cam endüstrisinde kullanıldı. ve Curies için çok pahalıydı). Ünlü jeolog Eduard Suess'in arabuluculuğundan sonra , talebi yerine getirdiler, sadece nakliye masrafları Curies tarafından karşılanmak zorunda kaldı. İlk teslimatta yaklaşık 1 ton aldılar, ancak bunu daha sonra başka teslimatlar izledi. Geriye dönüp bakıldığında, son derece pahalı radyumun değeri (bir mg 1.500 € civarında olacaktı) 150.000 € civarındaydı. Normal koşullar altında bile, Joachimsthal pitchblende ton başına sadece 200 mg radyum içeriyordu ve tortuda çok daha az vardı.

Marie Curie radyum-içeren baryum klorür ayırma görevi ile karşı karşıya kalmıştır (yaklaşık. 8 kg BaCl ₂ işleme ton başına tortu ), daha önce kalıntıları izole edilmiş düzen içinde baryum weighable miktarlarda, mümkün spektral analiz ile incelemek ve atomik kütlesini belirlemek. Bireysel adımlar, radyum keşfi ile ilgili bölümde açıklanmıştır . Marie fiziksel olarak kocası Pierre'den daha güçlü olduğu için, sürekli artan miktarda çözümün ağır gemileriyle işin büyük bölümünü devraldı.

Diğer bir problem ise, radyumun çürümesi sırasında üretilen , kolayca kaçan, laboratuvarı kirleten ve ayrıca bozunma ürünleri (polonyum) ile ölçümlere müdahale eden radyoaktif gaz radonuydu . Ek olarak, sağlığa zararlıydı - çürüme ürünü polonyum, akciğerlerde bir alfa yayıcı olarak biriktirildi.

Olumsuz dış koşullar altında aşırı çabalarla, Curies, etkinliği orijinal uranyum oksit standardından bir milyon kat daha fazla olan ve Curies'inkinden çok daha fazla olan tartılabilir miktarda radyum (yaklaşık 100 mg) üretmeyi başardı. başlangıçta vardı sanıyordum. 1902'de Curie, atomik kütleyi modern değere çok yakın olan 225 u olarak belirledi.

Radyasyonun farklılaşması

• Tarihinin için alfa radyasyonu, bkz Alfa ışıması # araştırma geçmişini .
• Beta radyasyonunun tarihi için beta radyasyonu # araştırma geçmişine bakın .
• Gama radyasyonunun geçmişi için gama radyasyonu # araştırma geçmişine bakın .

kabarma

• Karl-Erik Zimen: Parlak Madde. Radyoaktivite - çağdaş tarihin bir parçası. Bechtle, Esslingen-Münih 1987, ISBN 3-7628-0464-8 .
• Ulla Fölsing: Marie Curie - yeni bir doğa biliminin öncüsü , Piper 1997. ISBN 3-492-10724-9 .
• Emilio Segrè : Büyük fizikçiler ve keşifleri , Piper, Cilt 2, ISBN 3-492-11175-0 .
• Pierre Ravanyi, Monique Bordry: The Discovery of Radioactivity , in: Spectrum Dossier Radioactivity
• Maurice Tubiana: Tıpta Radyasyon , içinde: Spectrum Dossier Radioactivity

Bireysel kanıt

1. ^ 20 Ocak 1896'da Paris Bilimler Akademisi'nin toplantısında Henri Poincaré , Röntgen'in sonuçlarını sundu . Becquerel oradaydı ve radyasyonun kaynağını sordu, bunun üzerine radyasyonun deşarj tüpünün en flüoresan kısmından geliyormuş gibi göründüğü söylendi.
2. ↑ Bilinmeyen yazar: Radyoaktivite tarihi. Viyana Üniversitesi, 29 Ağustos 1999, 12 Mart 2014 tarihinde orjinalinden arşivlendi ; 16 Ekim 2018'de erişildi (PDF; 230 kB). 
3. ^ Johannes Friedrich Diehl: Gıdalarda radyoaktivite . John Wiley & Sons, 2008, ISBN 978-3-527-62374-7 , s. 2 ( Google Kitap aramada sınırlı önizleme ). 
4. ↑ Pierre Curie, Marie Curie, G. Bémont: Ekstra nouvelle madde zenginliği radyo-aktif devam dans la pechblende . In: Comptes rendus hebdomadaires des séances de l'Académie des sciences . bant 127 , 1898, s. 1215-1217 ( archive.org ). 
5. ↑ En küçük akımları ölçmenin bu yöntemi Pierre'in kardeşi Jacques Curie tarafından geliştirilmiştir.
6. ^ AF Holleman , E. Wiberg , N. Wiberg : Ders Kitabı İnorganik Kimya . 101'inci baskı. Walter de Gruyter, Berlin 1995, ISBN 3-11-012641-9 , s.635 .
7. ↑ Eve Curie: Madame Curie , Bölüm 13, Marie Curie Radyoaktif Maddeler Üzerine Araştırmalar , Vieweg 1904, sayfa 24. Başlangıçta 1 ton ve daha sonra birkaç ton daha aldı.
8. ↑ Yukarıda belirtildiği gibi 1907'den itibaren mg başına 300 Reichsmark fiyatında ve Reichsmark başına yaklaşık 5 Euro değerinde (bkz. Alman para birimi geçmişi ), sonuç mg başına 1500 Euro'dur.
9. ↑ Curies tarafından günün sonunda cevherden geri kazanılan yaklaşık 100 mg için, mg başına 1500 Euro 150.000 Euro'luk bir fiyatla sonuçlanır.
10. ↑ Bodenstedt: Nükleer fizik deneyleri ve yorumları , Cilt 1, s.27.
11. ↑ Erwin Bodenstedt: Nükleer fizik deneyleri ve yorumları , Cilt 1, BI Verlag 1979, s. 27. Marie Curie: Radyoaktif maddeler üzerinde araştırmalar , Vieweg 1904, s. 35. 1902'de kullanılan Atomik kütleyi belirlemek için kullanıldı, yaklaşık 90 mg ağırlığındaydı.