Radioaktivität - Einführung

Kern-/Teilchenphysik

Radioaktivität - Einführung

  • Gibt es verschiedene Arten ionisierender Strahlung?
  • Welche Eigenschaften hat ionisierende Strahlung?
  • Warum ist ionisierende Strahlung so gefährlich?
  • Kann man sich gegen ionisierende Strahlung schützen?

Curie - Messmethode

Wie die Curies das Radium und Polonium isolierten
(nach einem Aufsatz von G. Hartl in Kultur und Technik 4/1979)

Das Ehepaar Curie verwendete für die Gewinnung der im natürlichen Gestein nur zu einem sehr geringen Prozentsatz (ca. 0,00005% oder 1/2 Gramm pro Tonne) enthaltenen radioaktiven Elemente Polonium und Radium ("das Strahlende") eine Methode, die sich zum einen auf deren chemische Eigenschaften, zum anderen auf die ionisierende Wirkung der von ihnen ausgesandten radioaktiven Strahlung stützt.

Zunächst wurde die Aktivität des Pechblendenrückstandes gemessen und dieser anschließend einem chemischen Trennprozess unterworfen. Durch Auflösung der Mineralien in Salzsäure entsteht eine Lösung und ein Niederschlag. Man prüft nun, ob die Radioaktivität in der Lösung oder im Niederschlag sitzt. Wenn z.B. die Lösung an Radioaktivität verliert, interessiert nur noch der Niederschlag, der dann wieder einem Trennprozess unterworfen wird usw. . . . Durch diese fortgesetzte mühsame Fraktionierung gelingt es schließlich das reine Element darzustellen.
An einer Stelle des Analyseweges versagte jedoch dieses Trennverfahren, da sowohl Lösung als auch Niederschlag radioaktiv waren. Es lag daher die Vermutung nahe, dass die Curies in ihren Retorten zwei neue Elemente gefunden haben.
Marie Curie schreibt in ihren Erinnerungen über die damalige entbehrungsreiche Zeit: "Eine unserer beliebtesten Zerstreuungen in dieser Zeit waren die allabendlichen Besuche in unserem Labor. Überall sahen wir dabei die schwach leuchtenden Umrisse der Gläser und Tüten, in denen unsere Präparate aufbewahrt waren. Dies war ein wirklich herrlicher Anblick. Die glühenden Röhrchen sahen wie winzige Zauberlichter aus."

Aktivitätsmessung von radioaktiven Proben mit einer von Pierre Curie entwickelten Anordnung


Bild aus dem Deutschen Museum, München

Marie Curie schreibt in ihrer Abhandlung: Untersuchung über die radioaktiven Substanzen
Die benutzte Methode besteht in der Messung der Leitfähigkeit der Luft unter der Einwirkung radioaktiver Substanzen. Diese Methode hat den Vorteil, schnell zu sein und vergleichbare Zahlen zu liefern. Der benutzte Apparat besteht aus einem Plattenkondensator AB. Die fein pulverisierte aktive Substanz ist auf der Platte B ausgebreitet und macht die Luft zwischen den Platten leitend. Um diese Leitfähigkeit zu messen, bringt man die Platte B auf ein hohes Potential, indem man sie mit dem einen Pol einer kleinen Akkumulatoren-Batterie verbindet, deren anderer Pol an Erde liegt. Da die Platte A durch den Draht CD an Erde gelegt ist, entsteht ein elektrischer Strom zwischen den Platten. Das Potential der Platte A wird durch ein Elektrometer E gemessen. Unterbricht man in C die Verbindung mit der Erde, so ladet sich die Platte A und die Ladung bewirkt eine Ablenkung des Elektrometers. Die Geschwindigkeit der Ablenkung ist proportional der Stromintensität und kann zu ihrer Messung dienen.
Es ist jedoch vorzuziehen, bei Ausführung der Messung die Ladung der Platte A zu kompensieren, so dass man das Elektrometer auf Null hält. Die hier in Frage kommenden Ladungen sind außerordentlich schwach, sie können mit Hilfe eines piezoelektrischen Quarzes Q kompensiert werden, dessen eine Belegung mit A, die andere mit der Erde verbunden ist. Man unterwirft die Quarzplatte einer Zugkraft von bekannter Größe durch Aufsetzen von Gewichten auf eine Schale H.

Fazit:
Der zeitliche Verlauf der Potentialänderung (Entladung) der Platte A ist ein Maß für die Ionisation der Luft und damit für die Aktivität der an B aufgebrachten radioaktiven Substanz. Um die Messung von der Empfindlichkeit des Elektrometers unabhängig zu machen, verwendeten die Curies einen Piezokristall, mit dem zu jedem Zeitpunkt die auf A befindliche Ladung kompensiert werden konnte (Nullmethode).

Henri BECQUEREL (1852 -1908)

Henri Becquerel
Abb.
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Henri Becquerel
Henri Becquerel entstammt einer Wissenschaftlerfamilie (schon sein Großvater und sein Vater waren Physik-Professoren). Seine Entdeckung der radioaktiven Strahlung war einem glücklichen Umstand zu verdanken.

  • Becquerel beschäftigte sich zunächst mit optischen Phänomenen.
  • Zusammen mit seinem Vater untersuchte er die Phosphoreszenzspektren erhitzter Minerale sowie die Phosphoreszenz von Uransalzen.

Mit der Entdeckung der Röntgenstrahlen (Conrad Röntgen 1895) wurde das Interesse der Physiker verstärkt auf ein Phänomen gelenkt, das anscheinend eng mit dieser Strahlung zusammenhing: Viele von Röntgenstrahlung getroffene Körper fluoreszieren. So leuchtete z.B. die Glaswand einer in Betrieb befindlichen Röntgenröhre in einem fahlen Licht auf. Aus dieser Beobachtung entstand die Vermutung, dass die Fluoreszenz und die Emission der Röntgenstrahlen in einem Zusammenhang stehen.  

2 Anordnung von BEQUEREL bei der Entdeckung der radioaktiven Strahlung

Becquerel verwendete als fluoreszierendes Material eine Uranverbindung. Zur Untersuchung legte er eine Probe davon auf eine lichtdicht verpackte Fotoplatte und bestrahlte die Probe zur Fluoreszenzanregung mit Sonnenlicht. Tatsächlich zeigte die Platte nach der Entwicklung die Umrisse des fluoreszierenden Körpers. Wenige Tage nach diesem Versuch trat ein entscheidender Zufall ein. Da mehrere Tage keine Sonne schien blieb ein Uranpräparat auf einer Fotoplatte in einer Schublade liegen. Bei der Entwicklung dieser Platte stellte Becquerel zu seiner Überraschung fest, dass die Platte trotzdem intensiv geschwärzt war.

Erste geschwärzte Fotoplatte von Becquerel
Abb.
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Erste von "Becquerel-Strahlen" geschwärzte Photoplatte. Sie wurde am 26.02.1896 unter ein Uransalz gelegt.
Becquerel berichtet über seine Beobachtungen:

Es kann leicht gezeigt werden, dass die Strahlung des Uran-Kalium-Doppelsulfats (Kristallplättchen) emittiert wird, wenn es dem Sonnenlicht oder diffusem Licht ausgesetzt ist, nicht nur einige Lagen schwarzes Papier, sondern auch Metalle durchdringt, z.B. eine Platte oder dünne Schicht Aluminium.
Ich möchte aber folgende Tatsache betonen, der ich große Bedeutung beimesse und die gänzlich außerhalb des Kreises jener Erscheinungen liegt, deren Beobachtung zu erwarten ist. Die selben Kristallplättchen, unter den selben Versuchsbedingungen auf die photographische Platte gelegt, abgeschirmt, aber selber von der Einwirkung äußerer Strahlung geschützt, also in völliger Dunkelheit gehalten, ergeben genau die selben Wirkungen auf der photographischen Platte.

Becquerel fand später noch, dass die entdeckte Strahlung Gase ionisieren, also leitend machen und damit auch ein Elektroskop entladen kann. Im Jahre 1903 bekam er zusammen mit dem Ehepaar Curie den Nobelpreis für seine Entdeckung. Zu Ehren Becquerels verwendet man für die Einheit der Aktivtät einer radioaktiven Probe das Becquerel (1 Bq = 1 s-1)

Zur (englischsprachigen) Biographie von Becquerel der Nobel-Organisation. Von dieser Seite gelangen Sie auch zum Nobelvortrag von Becquerel.

Wilsonsche Nebelkammer

Charles Thomas WILSON (1869 - 1959)
Abb.
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Charles Thomas WILSON (1869 - 1959)

Im Jahre 1911 gelang Charles Thomas WILSON der erste Nachweis der Spuren, welche Alpha- und Betateilchen in einer von ihm entwickelten und nach ihm benannten Nebelkammer hinterließen. Wilson bekam für seine Verdienste um den sehr anschaulichen und ortsgenauen Nachweis der Teilchenspuren im Jahre 1927 den Nobelpreis für Physik. Ein ausführliche, englischsprachige Biographie findest du auf www.nobelprize.org.

Für seine Versuche nutzte er eine Nebelkammer, deren Funktionsprinzip der einer Expansionsnebelkammer entspricht. Diese wird aufrund ihrer Einfachheit noch heute gerne im Physikunterricht eingesetzt, um Spuren von Alpha- und Beta-Strahlung sichtbar zu machen.

Original Nebelkammer von Wilson
Abb.
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Nebelkammer von Wilson

Marie (1867 - 1934) und Pierre Curie (1859 - 1906)

 

 

Im Folgenden werden nur sehr knappe Biographien von Marie und Pierre Curie dargestellt. Eine hervorragende Biographie findet man (engl.) beim AIP (American Instiute of Physics) unter der Adresse: http://www.aip.org/history/curie/

  • 1867 wird Marie Sklodowska als Tochter eines Mathematik- und Physiklehrers in Warschau geboren.
  • 1891 geht Marie nach Frankreich und studiert sehr erfolgreich an der Sorbonne Mathematik und Physik.
  • 1895 heiratet sie Pierre Curie. Aus der Ehe gehen zwei Töchter hervor.
  • 1897 wird Marie Doktorandin bei H. Becquerel.
  • 1859 wird Pierre Curie als Sohn einer Arztfamilie in Paris geboren.
  • Er studiert Physik und Chemie und wird Professor an der Ecole de physique et de chemie industrielle in Paris.
  • 1880 entdeckt er die Piezoelektrizität.
  • 1894 untersucht er die Temperaturabhängigkeit magnetischer Eigenschaften von Festkörpern. Ab einer bestimmten Temperatur (Curie-Punkt) verlieren gewisse Substanzen ihren Magnetismus.

Als Assistentin von H. Becquerel beteiligte sich Marie zunächst an dessen Untersuchungen der neuen Strahlen. Sie durchforstet alle bekannten Elemente auf "Radioaktivität" hin (einem Begriff der von Marie geprägt wurde) und wird 1897 beim Element Thorium fündig.
Bei der Untersuchung von Uranmineralien stellte sie schließlich eine wesentlich höhere Aktivität als bei einer entsprechenden Menge reinen Uranoxids fest und zog daraus den richtigen Schluss, dass diese Mineralien weitere radioaktive Elemente enthalten müssten:
"Zwei Uranverbindungen, die Pechblende und der Chalcolith, sind weit aktiver als das Uran selbst. Diese Tatsache führt zu der Annahme, dass diese Mineralien möglicherweise ein Element enthalten können, das weit aktiver ist als das Uran . . . "

Nun versuchten Marie und Pierre, der seine eigenen Forschungen zu Gunsten der gemeinsamen Arbeit aufgab, diese vermuteten neuen Elemente zu isolieren. Unter denkbar primitiven Bedingungen in einer Baracke isolierten sie in vierjähriger Arbeit aus Tonnen von Pechblende, die sie aus einem Erzbergwerk in St. Joachimstal in Böhmen erhielten, 1/10 Gramm reines Radium und entdeckten bei ihren Arbeiten ein weiteres neues radioaktives Element, das sie nach der Heimat Maries "Polonium" nannten. Um ihre wissenschaftliche Arbeit finanzieren zu können, mussten Marie und Pierre in der Anfangszeit immer wieder Nebentätigkeiten annehmen. Später wurden sie mit Ehrungen und Preisen überhäuft (Nobelpreis 1903 zusammen mit Becquerel), Professur von Pierre an der Sorbonne. Wie sehr es den beiden aber auch dann noch um das Vorantreiben ihrer Forschung ging, wird aus einem Zitat von Pierre Curie deutlich, als er einen Orden für seine Verdienste annehmen sollte: "Wollen Sie die Güte haben, dem Herrn Minister zu danken und ihm mitzuteilen, dass ich gar kein Bedürfnis habe, einen Orden, aber ein um so größeres, ein Laboratorium zu bekommen."

Im Jahre 1906 kommt Pierre Curie bei einem Unfall ums Leben. Marie tritt die Nachfolge Pierres an der Sorbonne an. Sie hatte viele Neider, denn die Professur einer Frau war um diese Zeit noch völlig ungewöhnlich. Im Jahre 1911 bekommt sie schließlich noch den Nobelpreis für Chemie.

Während des 1. Weltkrieges versucht Marie Curie die medizinische Versorgung verletzter Soldaten zu verbessern, indem sie im ganzen Land Röntgenlabors einrichtet. Schließlich installierte sie die institutseigene Anlage auf einen Wagen und versorgte eigenhändig mit dieser ersten mobilen Röntgenanlage viele Feldlazerette.
Auch Marie Curie ist eines der vielen Opfer fortwährender radioaktiver Strahleneinwirkungen geworden; sie starb 1934 durch strahlenbedingte Veränderungen in der Zusammensetzung des Blutes, die eine Ursache für die Krankheit Leukämie waren, der sie schließlich in der Schweiz erlag.

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