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WICHTIGSTEN WISSENSCHAFTLICHEN ENTDECKUNGEN
künstliche Radioaktivität. Geschichte und Wesen der wissenschaftlichen Entdeckung
Verzeichnis / Die wichtigsten wissenschaftlichen Entdeckungen Die künstliche Radioaktivität wurde von den Eheleuten Irene (1897–1956) und Frederic (1900–1958) Joliot-Curie entdeckt. Am 15. Januar 1934 wurde ihre Notiz von J. Perrin auf einer Sitzung der Pariser Akademie der Wissenschaften vorgestellt. Irene und Frederick konnten feststellen, dass einige leichte Elemente – Magnesium, Bor, Aluminium – nach dem Beschuss mit Alphateilchen Positronen aussenden. Darüber hinaus versuchten sie, den Mechanismus dieser Emission aufzuklären, der sich in seinem Charakter von allen damals bekannten Fällen nuklearer Transformationen unterschied. Die Wissenschaftler platzierten eine Quelle für Alphateilchen (Poloniumpräparat) im Abstand von einem Millimeter zur Aluminiumfolie. Anschließend setzten sie sie etwa zehn Minuten lang einer Strahlung aus. Der Geiger-Müller-Zähler zeigte, dass die Folie Strahlung aussendet, deren Intensität mit der Zeit exponentiell abnimmt, mit einer Halbwertszeit von 3 Minuten und 15 Sekunden. Bei Experimenten mit Bor und Magnesium betrugen die Halbwertszeiten 14 bzw. 2,5 Minuten. Aber in Experimenten mit Wasserstoff, Lithium, Kohlenstoff, Beryllium, Stickstoff, Sauerstoff, Fluor, Natrium, Kalzium, Nickel und Silber wurden keine derartigen Phänomene gefunden. Dennoch kamen die Joliot-Curies zu dem Schluss, dass die durch den Beschuss von Aluminium-, Magnesium- und Boratomen verursachte Strahlung nicht durch das Vorhandensein irgendeiner Verunreinigung in der Poloniumzubereitung erklärt werden könne. „Eine Analyse der Strahlung von Bor und Aluminium in einer Nebelkammer zeigte“, schreiben K. Manolov und V. Tyutyunnik in ihrem Buch „Biographie des Atoms“, dass es sich um einen Strom von Positronen handelt.Es wurde klar, dass es sich um Wissenschaftler handelte mit einem neuen Phänomen, das sich signifikant von allen bekannten Fällen von Kernumwandlungen unterschied. Die bis dahin bekannten Kernreaktionen waren explosiver Natur, während die Emission positiver Elektronen durch einige leichte Elemente, die einer Bestrahlung mit Polonium-Alphastrahlen ausgesetzt waren, andauerte einige mehr oder weniger lange Zeit nach dem Entfernen der Alphastrahlenquelle, Bor zum Beispiel, diese Zeit erreicht eine halbe Stunde. Die Joliot-Curies kamen zu dem Schluss, dass es sich hier um echte Radioaktivität handelt, die sich in der Emission eines Positrons manifestiert. Neue Beweise wurden benötigt, und vor allem musste das entsprechende radioaktive Isotop isoliert werden. Auf Forschung aufbauen Rutherford und Cockcroft, Irene und Frédéric Joliot-Curie konnten feststellen, was mit Aluminiumatomen passiert, wenn sie mit Polonium-Alpha-Teilchen bombardiert werden. Zunächst werden Alpha-Teilchen vom Kern eines Aluminiumatoms eingefangen, dessen positive Ladung um zwei Einheiten zunimmt, wodurch es zum Kern eines radioaktiven Phosphoratoms wird, das von Wissenschaftlern als Radiophosphor bezeichnet wird. Dieser Prozess wird von der Emission eines Neutrons begleitet, weshalb die Masse des resultierenden Isotops nicht um vier, sondern um drei Einheiten zunimmt und gleich 30 wird. Das stabile Phosphorisotop hat eine Masse von 31. "Radiophosphor" mit eine Ladung von 15 und eine Masse von 30 zerfällt mit einer Halbwertszeit von 3 Minuten 15 Sekunden, emittiert ein Positron und wird zu einem stabilen Siliziumisotop. Der einzige und unbestreitbare Beweis dafür, dass Aluminium zu Phosphor und dann zu Silizium mit einer Ladung von 14 und einer Masse von 30 wird, könnte nur die Isolierung dieser Elemente und ihre Identifizierung anhand ihrer charakteristischen qualitativen chemischen Reaktionen sein. Für jeden Chemiker, der mit stabilen Verbindungen arbeitet, war dies eine leichte Aufgabe, aber für Irene und Frederick war die Situation völlig anders: Die erhaltenen Phosphoratome hielten etwas mehr als drei Minuten an. Chemiker haben viele Methoden zum Nachweis dieses Elements, aber alle erfordern langwierige Bestimmungen. Daher war die Meinung der Chemiker einhellig: Es ist unmöglich, Phosphor in so kurzer Zeit zu identifizieren. Allerdings kannten die Joliot-Curies das Wort „unmöglich“ nicht. Und obwohl diese „unlösbare“ Aufgabe Überarbeitung, Anspannung, virtuose Geschicklichkeit und endlose Geduld erforderte, wurde sie gelöst. Trotz der äußerst geringen Ausbeute an Produkten der Kernumwandlung und der absolut vernachlässigbaren Masse der Substanz, die der Umwandlung unterzogen wurde - nur wenige Millionen Atome - war es möglich, die chemischen Eigenschaften des resultierenden radioaktiven Phosphors festzustellen. Die Entdeckung der künstlichen Radioaktivität wurde sofort als eine der größten Entdeckungen des Jahrhunderts angesehen. Zuvor konnte die Radioaktivität, die einigen Elementen innewohnt, nicht vom Menschen verursacht, zerstört oder irgendwie verändert werden. Die Joliot-Curies waren die ersten, die Radioaktivität künstlich erzeugten, indem sie neue radioaktive Isotope erhielten. Wissenschaftler sahen die große theoretische Bedeutung dieser Entdeckung und die Möglichkeit ihrer praktischen Anwendung auf dem Gebiet der Biologie und Medizin voraus. Bereits im Jahr darauf erhielten die Entdecker der künstlichen Radioaktivität, Irene und Frederic Joliot-Curie, den Nobelpreis für Chemie. Der italienische Wissenschaftler Fermi setzte diese Studien fort und zeigte, dass Neutronenbeschuss künstliche Radioaktivität in Schwermetallen induziert. Enrico Fermi (1901–1954) wurde in Rom geboren. Schon als Kind zeigte Enrico großes Talent für Mathematik und Physik. Seine hervorragenden Kenntnisse in diesen Wissenschaften, die er hauptsächlich als Ergebnis der Selbsterziehung erworben hatte, ermöglichten ihm 1918 ein Stipendium und den Eintritt in die Höhere Normalschule an der Universität von Pisa. Dann erhielt Enrico eine befristete Stelle als Mathematiklehrer für Chemiker an der Universität Rom. 1923 begab er sich auf eine Geschäftsreise nach Deutschland, nach Göttingen, um Max Geboren. Nach seiner Rückkehr nach Italien arbeitete Fermi von Januar 1925 bis Herbst 1926 an der Universität Florenz. Hier erhält er seinen ersten Grad als „freier außerordentlicher Professor“ und schafft vor allem sein berühmtes Werk zur Quantenstatistik. Im Dezember 1926 trat er eine Professur am neu eingerichteten Lehrstuhl für Theoretische Physik an der Universität Rom an. Hier organisierte er ein Team junger Physiker: Rasetti, Amaldi, Segre, Pontecorvo und andere, die die italienische Schule der modernen Physik bildeten. Als 1927 der erste Lehrstuhl für Theoretische Physik an der Universität Rom eingerichtet wurde, wurde Fermi, dem es gelang, internationales Ansehen zu erlangen, zu dessen Leiter gewählt. Hier in der Hauptstadt Italiens scharte Fermi mehrere prominente Wissenschaftler um sich und gründete die erste Schule für moderne Physik des Landes. In internationalen wissenschaftlichen Kreisen wurde sie als Fermi-Gruppe bezeichnet. Zwei Jahre später wurde Fermi von Benito Mussolini zum Ehrenmitglied der neu geschaffenen Royal Academy of Italy ernannt. 1938 erhielt Fermi den Nobelpreis für Physik. Die Entscheidung des Nobelkomitees besagte, dass der Preis Fermi "für den Nachweis der Existenz neuer radioaktiver Elemente, die durch Bestrahlung mit Neutronen erhalten wurden, und die Entdeckung von Kernreaktionen, die durch langsame Neutronen verursacht wurden, verliehen wurde". Enrico Fermi erfuhr sofort, im Frühjahr 1934, von der künstlichen Radioaktivität, als die Joliot-Curies ihre Ergebnisse veröffentlichten. Fermi beschloss, die Joliot-Curie-Experimente zu wiederholen, ging aber einen völlig anderen Weg und verwendete Neutronen als Bombardierungsteilchen. Später erklärte Fermi die Gründe für das Misstrauen anderer Physiker gegenüber Neutronen und seine eigene glückliche Vermutung: „Die Verwendung von Neutronen als Beschuss von Teilchen hat einen Nachteil: Die Zahl der Neutronen, die praktisch entsorgt werden kann, ist unermesslich geringer als die Zahl der aus radioaktiven Quellen gewonnenen Alpha-Teilchen oder die Zahl der in Hochspannungsgeräten beschleunigten Protonen und Deuteronen Dieser Nachteil wird jedoch teilweise durch die größere Effizienz der Neutronen bei der Durchführung "künstlicher Kernumwandlungen" ausgeglichen. Neutronen haben noch einen weiteren Vorteil. Sie sind in der Lage, Kernumwandlungen in großem Umfang zu bewirken. Die Anzahl der Elemente, die durch Neutronen aktiviert werden können, übersteigt diese bei weitem die Anzahl der Elemente, die durch andere Arten von Partikeln aktiviert werden können." Im Frühjahr 1934 begann Fermi, Elemente mit Neutronen zu bestrahlen. Fermis „Neutronenkanonen“ waren wenige Zentimeter lange Röhrchen. Sie waren mit einer "Mischung" aus fein verteiltem Berylliumpulver und Radiumemanation gefüllt. So beschrieb Fermi eine dieser Neutronenquellen: „Es war eine nur 1,5 cm große Glasröhre ... in der sich Berylliumkörner befanden; vor dem Löten der Röhre musste eine gewisse Menge Radiumemanation in sie eingebracht werden. Von Radon emittierte Alphateilchen kollidieren in großer Zahl mit Berylliumatome und geben Neutronen ab... Der Versuch wird wie folgt durchgeführt. In unmittelbarer Nähe der Neutronenquelle wird eine Platte aus Aluminium oder Eisen oder allgemein des zu untersuchenden Elements platziert und für mehrere Minuten, Stunden oder Tage (je nach Einzelfall) belassen. Von der Quelle emittierte Neutronen kollidieren mit den Materiekernen. In diesem Fall finden viele Kernreaktionen verschiedener Art statt ... " Wie sah das alles in der Praxis aus? Die untersuchte Probe wurde für eine bestimmte Zeit einer intensiven Neutronenbestrahlung ausgesetzt, dann führte einer von Fermis Mitarbeitern die Probe buchstäblich zu einem Geiger-Müller-Zähler, der sich in einem anderen Labor befand, und zeichnete die Zählimpulse auf. Schließlich waren viele neue künstliche Radioisotope nur von kurzer Dauer. In der ersten Mitteilung vom 25. März 1934 berichtete Fermi, dass er durch Beschuss mit Aluminium und Fluor Natrium- und Stickstoffisotope erhielt, die Elektronen emittieren (und nicht Positronen, wie bei Joliot-Curie). Die Methode des Neutronenbeschusses erwies sich als sehr effektiv, und Fermi schrieb, dass diese hohe Spaltungseffizienz "die Schwäche bestehender Neutronenquellen im Vergleich zu Quellen von Alphateilchen und Protonen vollständig kompensiert". Tatsächlich war viel bekannt. Die Neutronen treffen auf den Kern des umhüllten Atoms und verwandeln es in ein instabiles Isotop, das spontan zerfällt und abstrahlt. In dieser Strahlung verbarg sich das Unbekannte: Einige der künstlich gewonnenen Isotope emittierten Betastrahlen, andere emittierten Gammastrahlen und wieder andere emittierten Alphateilchen. Täglich nahm die Zahl der künstlich hergestellten radioaktiven Isotope zu. Um die komplexen Umwandlungen der Atome zu verstehen, musste jede neue Kernreaktion verstanden werden. Für jede Reaktion war es notwendig, die Natur der Strahlung zu bestimmen, denn nur wenn man sie wusste, konnte man sich das Schema des radioaktiven Zerfalls vorstellen und das Element vorhersagen das wäre das Endergebnis. Dann kamen die Chemiker an die Reihe. Sie mussten die resultierenden Atome identifizieren. Auch das hat Zeit gekostet. Mit seiner „Neutronenkanone“ beschoss Fermi Fluor, Aluminium, Silizium, Phosphor, Chlor, Eisen, Kobalt, Silber und Jod. Alle diese Elemente wurden aktiviert, und in vielen Fällen konnte Fermi die chemische Natur des resultierenden radioaktiven Elements anzeigen. Es gelang ihm, 47 der 68 auf diese Weise untersuchten Elemente zu aktivieren. Durch den Erfolg ermutigt, unternahm er in Zusammenarbeit mit F. Rasetti und O. D'Agostino den Neutronenbeschuss schwerer Elemente: Thorium und Uran. „Experimente haben gezeigt, dass beide Elemente, zuvor von den üblichen aktiven Verunreinigungen gereinigt, stark aktiviert werden können, wenn sie mit Neutronen beschossen werden.“ Am 22. Oktober 1934 machte Fermi eine grundlegende Entdeckung. Durch das Platzieren eines Paraffinkeils zwischen der Neutronenquelle und dem aktivierten Silberzylinder stellte Fermi fest, dass der Keil die Neutronenaktivität nicht verringert, sondern leicht erhöht. Fermi kam zu dem Schluss, dass dieser Effekt offensichtlich auf das Vorhandensein von Wasserstoff im Paraffin zurückzuführen ist, und beschloss zu testen, wie eine große Anzahl wasserstoffhaltiger Elemente die Spaltungsaktivität beeinflussen würde. Nachdem Fermi das Experiment zuerst mit Paraffin, dann mit Wasser durchgeführt hatte, stellte er eine hundertfache Aktivitätssteigerung fest. Fermis Experimente offenbarten die enorme Effizienz langsamer Neutronen. Aber neben bemerkenswerten experimentellen Ergebnissen erzielte Fermi im selben Jahr bemerkenswerte theoretische Leistungen. Bereits in der Dezemberausgabe des Jahres 1933 wurden seine Vorüberlegungen zum Beta-Zerfall in einer italienischen Fachzeitschrift veröffentlicht. Anfang 1934 wurde sein klassischer Aufsatz „On the Theory of Beta Rays“ veröffentlicht. Die Zusammenfassung des Artikels des Autors lautet: „Eine quantitative Theorie des Beta-Zerfalls basierend auf der Existenz von Neutrinos wird vorgeschlagen: In diesem Fall wird die Emission von Elektronen und Neutrinos in Analogie zur Emission eines Lichtquants durch ein angeregtes Atom in Betracht gezogen Strahlungstheorie. Formeln werden aus der Lebensdauer des Kerns und für die Form des kontinuierlichen Spektrums von Betastrahlen abgeleitet; die erhaltenen Formeln werden mit dem Experiment verglichen. Fermi erweckte in dieser Theorie die Neutrino-Hypothese und das Proton-Neutron-Modell des Kerns zum Leben und akzeptierte auch die von vorgeschlagene isotonische Spin-Hypothese Heisenberg für dieses Modell. Basierend auf den Ideen von Fermi sagte Hideki Yukawa 1935 die Existenz eines neuen Elementarteilchens voraus, das heute als Pi-Meson oder Pion bekannt ist. F. Razetti kommentierte Fermis Theorie wie folgt: „Die Theorie, die er auf dieser Grundlage aufgebaut hat, hat sich als in der Lage erwiesen, zweieinhalb Jahrzehnte der revolutionären Entwicklung der Kernphysik nahezu unverändert zu überstehen. Man könnte bemerken, dass eine physikalische Theorie selten geboren wird solch eine endgültige Form." Autor: Samin D. K.
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