Descoperirea radioactivității

Descoperirea de radioactivitate a fost o piatră de hotar în dezvoltarea fizicii moderne .

situația inițială

La sfârșitul secolului al XIX-lea, exista încă în mare măsură o viziune newtoniană asupra lumii închisă . Deși Antoine Henri Becquerel descoperise fenomenul necunoscut anterior că uraniul și sărurile de uraniu ar putea cauza înnegrirea emulsiei fotografice, dar această descoperire a rămas în mare parte necunoscută. Nimeni nu avea nicio idee despre nucleele atomice . Cuvântul radioactivitate și cauza sa efectivă erau necunoscute, la fel și posibilele efecte biologice.

Munca în laborator a fost mai greoaie și periculoasă decât ar sugera tehnicile actuale cu ajutoare electronice: soluțiile au fost agitate manual, iar cântarele mecanice cu o precizie de 0,1 mg erau disponibile pentru procesele de cântărire . De asemenea, pompele de vid erau acționate manual și vidul astfel creat a fost comparat cu aspiratoarele convenționale de astăzi de un milion de ori mai slabe.

Tabel periodic al elementelor

 * Notă: Elementele afișate în albastru: 43, 61, 63, 71, 72, 75, 84 până la 89 și 91 erau încă necunoscute în acel moment.

uraniu

Momentul cu numărul atomic al ultimului 92 element al uraniului din tabelul periodic a fost în 1789 de către german, care locuia atunci la Berlin, profesorul de chimie și farmacistul Martin Heinrich Klaproth a descoperit. Este numit după planeta Uranus , care a fost descoperită cu opt ani mai devreme (1781) de Friedrich Wilhelm Herschel . Klaproth l-a izolat ca un oxid ; Eugène Peligot a reușit să-l producă ca un metal de uraniu pur în 1841.

Pe lângă valoarea sa pentru chimie, a fost importantă în principal sub formă de compuși ca vopsea. A fost obținut prin extragerea acestuia din pitchblende care apare în mod natural în Sf . Joachimsthal .

Descoperirea lui Becquerel

Antoine Henri Becquerel a descoperit la începutul anului 1896, în timp ce încerca să explice radiația cu raze X care tocmai fusese găsită prin fluorescență , că sarea de uraniu (care fluorescă după expunere) a putut înnegri plăcile fotografice . Primele încercări au fost întotdeauna precedate de stimularea de către lumina soarelui. Din cauza unei schimbări a vremii, Becquerel nu a putut expune preparatele de uraniu, dar le-a lăsat pe placa foto, care era protejată de hârtie neagră. El a dezvoltat aceste plăci mai mult din întâmplare și pe 1 martie a descoperit aceeași înnegrire ca fluorescența. Prin urmare, aceasta a fost exclusă ca cauză a radiației.

radioactivitate

Cuplul Curie

Pierre și Marie Curie în laborator (nu mai târziu de 1906)

Cercetarea lui Marie Curie despre radioactivitate a început în 1897. Ea însăși a scris: „Scopul a fost să investigheze originea energiei foarte scăzute incidental, care a fost în mod constant emisă de uraniu sub formă de radiații. Cercetările asupra acestui fenomen ne-au părut neobișnuit de interesante, cu atât mai mult cu cât problema era nouă și nu fusese încă descrisă nicăieri. Am decis să mă dedic lucrurilor la acest subiect. A trebuit să găsesc un loc unde să fac experimentele. Pierre Curie a primit permisiunea de la directorul școlii de a folosi zona de lucru vitrată de la parter în acest scop, care servea drept depozit și cameră de mașini. "

Ca parte a tezei sale de doctorat , inițiată de Pierre Curie , a verificat rezultatele Becquerel și a măsurat ionizarea aerului cauzată de radiația preparatelor de uraniu cu ajutorul descărcării unui condensator a cărui tensiune (starea de încărcare) a fost măsurată cu un galvanometru . Condensatorul descărcat datorită ionizării aerului. Acest lucru a făcut posibilă realizarea primelor afirmații cantitative despre radiații. Nu a durat mult până când și-a dat seama că cu cât conținutul de uraniu este mai mare, cu atât radiația este mai intensă. Compușii chimici, presiunea sau temperatura nu au avut nicio influență.

Cu aceasta, ea dovedise radiația ca o proprietate atomică a uraniului. Spre deosebire de Becquerel, ea a examinat nu numai preparatele de uraniu, ci și alte minerale, și a găsit o activitate similară în toriu , deși chimistul german Gerhard Carl Schmidt a anticipat- o în publicație . În publicația Sur une nouvelle substance fortement radio-active contenue dans la pechblende Marie și Pierre Curie au inventat pentru prima dată termenul de radioactiv .

Pentru această lucrare și următoarea lucrare, care a dus la descoperirea unor elemente radiante noi, mult mai puternice, Curii au primit premiul Nobel pentru fizică în 1903 împreună cu Antoine Henri Becquerel .

Echipament de măsurat

Reconstrucția laboratorului, Muzeul Curie, Paris

Aranjament pentru măsurarea radioactivității.
A, B Condensator cu placă
C Întrerupător
E Electrometru
H Bol pentru greutăți
P Baterie
Q Cuarț piezoelectric

Aparatul lui Curie pentru măsurarea radioactivității a fost recreat în laboratorul lui Marie Curie (imaginea din stânga). Diagrama circuitului din dreapta se bazează pe o schiță a lui Marie Curie. În mijloc pe masa de laborator (imaginea din stânga) există un condensator. Plăcile sale orizontale mari de aproximativ 8 cm ( A și B , denumirile din schema circuitului) sunt acoperite de cilindrul de argint. O baterie ( P , nu în imagine) încarcă plăcile prin comutator ( C ). Circuitul este închis printr-o linie comună de sol (franceză: terre ). Un galvanometru ( E , un electrometru cu cadran), în dreapta în imaginea de pe baza de lemn, monitorizează starea de încărcare. Curentul nu este citit direct pe galvanometru, dar acesta este folosit ca „instrument zero” (astfel încât nu este necesară o calibrare specială) după ce a fost aplicată o a doua sursă de tensiune ( Q ), în dreapta în fotografie, pentru a compensa pentru descărcarea condensatorului. Această sursă de tensiune constă dintr-un cristal de cuarț încărcat cu o greutate ( piezoelectricitate ), tensiunile de compensare pot fi citite de pe greutăți.

O cantitate definită de substanță radioactivă este împrăștiată pe plăcile condensatorului. Cu cât plăcile se descarcă mai repede prin ionizarea aerului, cu atât radioactivitatea este mai mare.

Emițători mai puternici decât uraniul în sine

În măsurătorile pe minerale care conțin uraniu și toriu, ea a găsit un nivel semnificativ mai ridicat de radioactivitate decât era de așteptat din cantitățile de uraniu și toriu. Marie Curie a verificat acest lucru producând artificial fosfat de uranil de cupru ( calcolit ) și comparându-l cu calcolitul natural, care era mult mai radiant. Ea a concluzionat că pitchblenda și alte minerale de uraniu trebuie să conțină elemente care au o radioactivitate mult mai mare decât uraniul. La 12 aprilie 1899, Marie Curie a anunțat într-o notificare către Academia de Științe că „două minerale de uraniu, pitchblendă (uranit) și calcolit (fosfat de uranil de cupru) sunt mult mai active decât uranilul însuși. Acest fapt este remarcabil și sugerează că mineralele pot conține un element mult mai activ decât uraniul . ” La vremea respectivă, nu se știa că mai există încă două elemente active în probele de uraniu. Apoi, Curii și-au propus să izoleze aceste elemente. Au început în 1898 cu 100 de grame de pitchblendă și au eliminat elementele inactive folosind tehnici chimice clasice.

Descoperirea poloniului

Cu o precipitație tipică pentru elementul bismut , ea primește un preparat care radiază de câteva sute de ori mai mult decât standardul de oxid de uraniu creat de ea. În cinstea patriei sale, ea îl numește poloniu .

Izotopii de poloniu sunt produse intermediare din seria uraniu-radiu , acesta din urmă producând cel mai comun izotop 210 de poloniu. Prin urmare, poloniul poate fi obținut din prelucrarea pitchblendei (1000 de tone de pitchblendă de uraniu conțin aproximativ 0,03 grame de poloniu). Se acumulează împreună cu bismutul. Apoi poate fi separat de acest element prin precipitarea fracționată a sulfurilor, deoarece sulfura de poloniu este mai puțin solubilă decât sulfura de bismut.

În 1899, Curiile au reușit, de asemenea, să descopere timpul de înjumătățire al elementelor radioactive pe poloniu, unde sunt doar 140 de zile, în timp ce timpul de înjumătățire al celorlalte elemente investigate a fost prea lung pentru a fi observat de către aceștia.

Descoperirea radiului

La 21 decembrie 1898, Curii, împreună cu chimistul Gustave Bémont , au găsit un alt element radioactiv pe care îl îmbogățiseră într-o fracțiune de bariu . Ei o numesc radiu , „radiantul”. Fizicianul Eugène-Anatole Demarçay a reușit să confirme spectroscopic noul element. La fel ca poloniul, face parte din seria de degradare a uraniului-plumb și, prin urmare, este prezent în mineralele de uraniu. O diferență importantă față de poloniu este activitatea aparent constantă. Cel al Po-ului scade la jumătate în 140 de zile, un timp de înjumătățire de 1600 de ani, ca și în cazul Ra, nu a putut fi măsurat cu mijloacele la acel moment.

În anii 1899–1902 a fost necesară purificarea radiului, care sa dovedit a fi considerabil mai dificilă decât cu poloniul și a fost realizată cu ajutorul cristalizării fracționate . Pentru a face acest lucru, ea a dizolvat clorura de bariu din reziduurile de procesare a pitchblendei în apă fierbinte distilată și a fiert soluția până când au apărut primele cristale. La răcire, o parte din clorura de bariu s-a cristalizat apoi și s-au format cristale frumoase, aderente ferm (fracțiunea A; fracția superioară) la baza vasului, din care lichidul mamă supernatant ar putea fi ușor turnat după răcire. Licoarea mamă a fost apoi evaporată din nou până la saturație într-un al doilea vas (mai mic). După răcire și decantare (turnarea lichiorului mamă), a primit fracția cristalină B (fracția cozii). Când a comparat activitatea ambelor fracțiuni cristaline, M. Curie a constatat că fracția A a fost de aproximativ cinci ori mai radioactivă decât fracția B. Motivul pentru aceasta este solubilitatea mai mică în apă a clorurii de radiu comparativ cu clorura de bariu Soluția a fost prezentă) îmbogățită în prima fracțiune cristalină a clorurii de bariu prin co-precipitare.

Chiar și măsurarea activității cu un electroscop, care pare primitiv astăzi, a fost suficientă pentru a face clare diferențele de cantitate.

M. Curie a trebuit să repete acest proces (dizolvarea, evaporarea, cristalizarea, decantarea) de nenumărate ori și din nou cu cantități noi de clorură de bariu care conține radiu pentru a obține în cele din urmă câteva miligrame de radiu fără bariu. În legătură cu îmbogățirea, următoarele indicii de la M. Curie sunt de interes:

Dacă, în loc de apă, se folosește acid clorhidric diluat sau chiar puternic pentru dizolvarea clorurii de bariu-radiu, solubilitatea ambelor cloruri este redusă și efectul de separare între cele două componente este, de asemenea, considerabil crescut; acumularea de radiu în fracția superioară este deci considerabil mai mare decât într-o soluție apoasă. Acumularea de radiu în fracția superioară este chiar mai mare dacă izolarea bariului care conține radiu de reziduurile de pitchblendă nu se face cu bariu și clorură de radio, ci sub forma bromurilor lor (adică cu bromură de bariu + bromură de radio).

Împreună cu André Louis Debierne , a izolat radiul pur în 1910 prin electroliza unei soluții de clorură de radiu. În Germania, chimistul din Braunschweig, Friedrich Giesel, a făcut o lucrare de pionierat în prepararea sărurilor de radiu și, în general, în cercetarea radioactivității, de exemplu, în 1902, independent de Debierne, a reușit să descopere actiniu.

Poziția în tabelul periodic

O problemă cantitativă

În chimie era obișnuit să se accepte doar un element nou descoperit ca sigur dacă ar putea fi reprezentat în forma sa pură și masa sa atomică menționată (o altă posibilitate a fost identificarea liniilor spectrale). Pentru aceasta, trebuiau să fie disponibile cantități greu de transportat. Cu toate acestea, acestea nu au putut fi obținute din cele câteva kilograme de pitchblendă.

Académie des Sciences s-a adresat Academiei de Științe austriece cu o cerere de ajutor, lăsând grămezile de pradă din Sankt Joachimsthal , care erau considerate inutile , din care conținutul de uraniu fusese deja eliminat (uraniul era folosit în industria sticlei la acea vreme și era prea scump pentru Curie). După medierea celebrului geolog Eduard Suess , aceștia au îndeplinit cererea, doar costurile de transport trebuind să fie suportate de Curie. Într-o primă livrare au primit în jur de 1 tonă, care a fost însă urmată ulterior de alte livrări. Retrospectiv, valoarea radiului extrem de scump (un mg ar fi costat aproximativ 1.500 €) a fost de aproximativ 150.000 €. Chiar și în condiții normale, pitchblenda Joachimsthal conținea doar 200 mg de radiu pe tonă și reziduurile erau mult mai puține.

Marie Curie s-a confruntat cu sarcina de a separa clorura de bariu conținând radiu (aproximativ 8 kg BaCl ₂ pe tonă de reziduu de procesare), care fusese deja izolată de reziduuri, în cantități greu de bariu, pentru a putea să-l examineze prin analiză spectrală și să-i determine masa atomică. Etapele individuale sunt descrise în capitolul despre descoperirea radiului . Întrucât Marie era fizic mai puternică decât soțul ei Pierre, ea a preluat cea mai mare parte a muncii cu vasele grele ale cantităților tot mai mari de soluții.

O altă problemă a fost radonul gazos radioactiv , care a fost produs în timpul degradării radiului , care a scăpat cu ușurință, a contaminat laboratorul și, de asemenea, a interferat cu măsurătorile cu produsele sale de dezintegrare (poloniu). În plus, a fost dăunător sănătății - produsul de descompunere a poloniului a fost depus ca emițător alfa în plămâni.

Prin eforturi extreme, în circumstanțe externe nefavorabile, Curiile au reușit să producă o cantitate greu de radiu (aproximativ 100 mg), a cărei activitate a fost de peste un milion de ori mai mare decât cea a standardului original de oxid de uraniu, mult mai mult decât Curiile credea inițial că avea. În 1902, Curiile au determinat masa atomică la 225 u, ceea ce este foarte aproape de valoarea modernă.

Diferențierea radiațiilor

• Pentru istoria radiațiilor alfa, consultați Istoria cercetării radiațiilor alfa # .
• Pentru istoria radiațiilor beta, consultați istoricul cercetărilor privind radiația beta .
• Pentru istoria de radiații gamma a se vedea istoria gamma radiații # cercetare .

umfla

• Karl-Erik Zimen: Materie radiantă. Radioactivitatea - o bucată de istorie contemporană. Bechtle, Esslingen-München 1987, ISBN 3-7628-0464-8 .
• Ulla Fölsing: Marie Curie - pionier al unei noi științe ale naturii , Piper 1997. ISBN 3-492-10724-9 .
• Emilio Segrè : Marii fizicieni și descoperirile lor , Piper, Vol. 2, ISBN 3-492-11175-0 .
• Pierre Ravanyi, Monique Bordry: Descoperirea radioactivității , în: Dossier de spectru Radioactivitate
• Maurice Tubiana: Radiații în medicină , în: Spectrum Dossier Radioactivity

Dovezi individuale

1. ^ La reuniunea Academiei de Științe din Paris, la 20 ianuarie 1896, Henri Poincaré a prezentat rezultatele lui Röntgen. Becquerel a fost acolo și a întrebat despre sursa radiației, după care i sa spus că părea să provină din partea cea mai fluorescentă a tubului de descărcare
2. ↑ Autor necunoscut: Istoria radioactivității. Universitatea din Viena, 29 august 1999, arhivat din original la 12 martie 2014 ; accesat la 16 octombrie 2018 (PDF; 230 kB). 
3. ^ Johannes Friedrich Diehl: Radioactivitatea în alimente . John Wiley & Sons, 2008, ISBN 978-3-527-62374-7 , pp. 2 ( previzualizare limitată în căutarea Google Book). 
4. ↑ Pierre Curie, Marie Curie, G. Bémont: Sur une nouvelle substance fortement radio-active contenue dans la pechblende . În: Comptes rendus hebdomadaires des séances de l'Académie des sciences . bandă 127 , 1898, pp. 1215-1217 ( archive.org ). 
5. ↑ Această metodă de măsurare a celor mai mici curenți a fost dezvoltată de Jacques Curie , fratele lui Pierre
6. ^ AF Holleman , E. Wiberg , N. Wiberg : Manual de chimie anorganică . Ediția a 101-a. Walter de Gruyter, Berlin 1995, ISBN 3-11-012641-9 , p. 635.
7. ↑ Eve Curie: Madame Curie , Capitolul 13, Marie Curie Investigations on Radioactive Substances , Vieweg 1904, p. 24. A primit inițial 1 tonă și mai târziu câteva tone.
8. ↑ La un preț de 300 Reichsmark pe mg din 1907, așa cum sa menționat mai sus și o valoare de aproximativ 5 euro pe Reichsmark (a se vedea istoricul monedei germane ), rezultatul este de 1500 euro pe mg.
9. ↑ pentru aproximativ 100 mg recuperate din minereu de către Curie la sfârșitul zilei, 1500 de euro pe mg are ca rezultat un preț de 150.000 de euro.
10. ↑ Bodenstedt: Experimente de fizică nucleară și interpretarea lor , Vol. 1, p. 27.
11. ↑ Erwin Bodenstedt: Experimente de fizică nucleară și interpretarea lor , Vol. 1, BI Verlag 1979, p. 27. Marie Curie: Investigații asupra substanțelor radioactive , Vieweg 1904, p. 35. Eșantionul aproape pur de clorură de radiu, care a fost folosit în 1902 pentru determinarea masei atomice a fost utilizat, cântărit aproximativ 90 mg.