Descoberta de radioatividade

A descoberta da radioatividade foi um marco no desenvolvimento da física moderna .

situação inicial

No final do século 19, ainda havia em grande parte uma visão de mundo newtoniana fechada . Embora Antoine Henri Becquerel tenha descoberto o fenômeno até então desconhecido de que o urânio e os sais de urânio podem causar o escurecimento da emulsão fotográfica, essa descoberta permaneceu amplamente desconhecida. Ninguém tinha ideia de núcleos atômicos . A palavra radioatividade e sua causa real eram desconhecidas, assim como os possíveis efeitos biológicos.

Trabalhar em laboratório era mais incômodo e perigoso do que as técnicas atuais com auxílio eletrônico poderiam sugerir: as soluções eram agitadas manualmente e balanças mecânicas com precisão de 0,1 mg estavam disponíveis para processos de pesagem . Além disso, as bombas de vácuo eram operadas manualmente e o vácuo assim criado era comparado aos vácuos convencionais hoje um milhão de vezes mais fracos.

Tabela periódica dos elementos

 * Nota: Os elementos mostrados em azul: 43, 61, 63, 71, 72, 75, 84 a 89 e 91 ainda eram desconhecidos naquele momento.

urânio

O tempo com o último elemento do número atômico 92 da tabela periódica de urânio foi em 1789 pelo alemão, então vivendo em Berlim, o professor de química e farmacêutico Martin Heinrich Klaproth descobriu. Tem o nome do planeta Urano , que foi descoberto oito anos antes (1781) por Friedrich Wilhelm Herschel . Klaproth isolou-o como um óxido ; Eugène Peligot conseguiu produzi-lo como urânio metálico puro em 1841.

Além de seu valor para a química, era importante principalmente na forma de seus compostos como corante. Foi obtido por extração da pechblenda que ocorre naturalmente em São Joachimsthal .

A descoberta de Becquerel

Antoine Henri Becquerel descobriu no início de 1896, ao tentar explicar a radiação de raios X que acabara de ser encontrada por fluorescência , que o sal de urânio (que fica fluorescente após a exposição) era capaz de enegrecer as placas fotográficas . As primeiras tentativas sempre foram precedidas de estimulação solar. Devido a uma mudança no clima, Becquerel não conseguiu expor os preparados de urânio, mas os deixou na placa fotográfica, que estava protegida por papel preto. Ele desenvolveu essas placas mais por acaso e em 1º de março descobriu o mesmo escurecimento da fluorescência. Isso foi, portanto, excluído como a causa da radiação.

radioatividade

O casal curie

Pierre e Marie Curie no laboratório (o mais tardar em 1906)

A pesquisa de Marie Curie sobre a radioatividade começou em 1897. Ela mesma escreveu: “O objetivo era investigar a origem da energia incidentalmente muito baixa que era constantemente emitida pelo urânio na forma de radiação. A pesquisa sobre esse fenômeno nos pareceu incomumente interessante, ainda mais porque o problema era novo e ainda não havia sido descrito em lugar nenhum. Resolvi me dedicar a trabalhar esse tema. Tive que encontrar um lugar para fazer os experimentos. Pierre Curie recebeu autorização do diretor da escola para utilizar para este fim a área de trabalho envidraçada do piso térreo, que servia de armazém e casa de máquinas. ”

Como parte de sua tese de doutorado , iniciada por Pierre Curie , ela verificou os resultados de Becquerel e mediu a ionização do ar causada pela radiação dos preparados de urânio com o auxílio da descarga de um capacitor cuja voltagem (estado de carga) era medido com um galvanômetro . O capacitor foi descarregado devido à ionização do ar. Isso tornou possível fazer as primeiras afirmações quantitativas sobre a radiação. Não demorou muito para que ela percebesse que quanto maior o conteúdo de urânio, mais intensa era a radiação. Compostos químicos, pressão ou temperatura não tiveram influência.

Com isso, ela provou que a radiação é uma propriedade atômica do urânio. Em contraste com Becquerel, no entanto, ela não apenas examinou preparações de urânio, mas também outros minerais, e encontrou uma atividade semelhante no tório , embora o químico alemão Gerhard Carl Schmidt tenha antecipado isso na publicação . Na publicação Sur une nouvelle Substance Fortement radioactivo contenue dans la pechblende, Marie e Pierre Curie cunharam o termo radioativo pela primeira vez .

Por este e pelo trabalho seguinte, que levou à descoberta de novos elementos de irradiação muito mais fortes, os Curie receberam o Prêmio Nobel de Física em 1903, juntamente com Antoine Henri Becquerel .

Equipamento de medição

Reconstrução do laboratório, Museu Curie, Paris

Arranjo para medir a radioatividade.
A, B Capacitor de placa
C Interruptor
E Eletrômetro
H Tigela para pesos
P Bateria
Q Quartzo piezoelétrico

O aparelho de Curie para medir a radioatividade foi recriado no laboratório de Marie Curie (imagem à esquerda). O diagrama de circuito à direita é baseado em um esboço de Marie Curie. No meio da mesa do laboratório (foto à esquerda) há um capacitor. Suas placas de aproximadamente 8 cm de largura horizontalmente ( A e B , designações no diagrama de circuito) são cobertas pelo cilindro prateado. Uma bateria ( P , não na imagem) carrega as placas por meio do interruptor ( C ). O circuito é fechado por meio de uma linha de aterramento comum (francês: terre ). Um galvanômetro ( E , um eletrômetro de quadrante), à ​​direita da imagem na base de madeira, monitora o estado da carga. A corrente não é lida diretamente no galvanômetro, mas é usado como um "instrumento zero" (de modo que nenhuma calibração especial é necessária) após uma segunda fonte de tensão ( Q ), à direita na foto, ter sido aplicada para compensar para a descarga do capacitor. Esta fonte de tensão consiste em um cristal de quartzo carregado com um peso ( piezoeletricidade ), as tensões de compensação podem ser lidas a partir dos pesos.

Uma quantidade definida de substância radioativa é espalhada nas placas do capacitor. Quanto mais rápido as placas se descarregarem por ionização do ar, maior será a radioatividade.

Emissores mais poderosos do que o próprio urânio

Em medições em minerais contendo urânio e tório, ela encontrou um nível significativamente mais alto de radioatividade do que o esperado das quantidades de urânio e tório. Marie Curie verificou isso produzindo artificialmente o uranilfosfato de cobre ( calcolita ) e comparando-o com a calcolita de ocorrência natural, que era muito mais radiante. Ela concluiu que a pechblenda e outros minerais de urânio devem conter elementos com uma radioatividade muito maior do que o urânio. Em 12 de abril de 1899, Marie Curie anunciou em um comunicado à Academia de Ciências que “dois minerais de urânio, pitchblenda (uranita) e calcolita (uranil fosfato de cobre) são muito mais ativos do que o próprio uranil. Este fato é notável e sugere que o os minerais podem conter um elemento muito mais ativo do que o urânio . ” Na época, não se sabia que havia realmente mais dois elementos ativos nas amostras de urânio. Em seguida, os Curie se empenharam em isolar esses elementos. Eles começaram em 1898 com 100 gramas de pechblenda e eliminaram os elementos inativos usando técnicas químicas clássicas.

Descoberta de polônio

Com uma precipitação típica do elemento bismuto , ela recebe uma preparação que irradia várias centenas de vezes mais do que o padrão de óxido de urânio que ela criou. Em homenagem à sua terra natal, ela o chama de polônio .

Isótopos de polônio são produtos intermediários da série urânio-rádio , este último produzindo o isótopo 210 mais comum de polônio. O polônio pode, portanto, ser obtido a partir do processamento de pechblenda (1000 toneladas de pechblenda de urânio contêm cerca de 0,03 gramas de polônio). Ele se acumula junto com o bismuto. Ele pode então ser separado deste elemento por meio de precipitação fracionada dos sulfetos, porque o sulfeto de polônio é menos solúvel do que o sulfeto de bismuto.

Em 1899, os Curie também conseguiram descobrir a meia-vida dos elementos radioativos no polônio, onde é de apenas 140 dias, enquanto a meia-vida dos demais elementos investigados era longa demais para ser observada por eles.

Descoberta do rádio

Em 21 de dezembro de 1898, os Curie, junto com o químico Gustave Bémont , encontraram outro elemento radioativo que haviam enriquecido em uma fração de bário . Eles o chamam de rádio , "o radiante". O físico Eugène-Anatole Demarçay conseguiu confirmar o novo elemento espectroscopicamente. Como o polônio, ele faz parte da série de decaimento urânio-chumbo e, portanto, está presente nos minerais de urânio. Uma diferença importante para o polônio é a atividade aparentemente constante. A do Po diminui pela metade em 140 dias, uma meia-vida de 1.600 anos como com o Ra não poderia ser medida com as médias naquela época.

Nos anos de 1899 a 1902, era necessária a purificação do rádio, que se revelou consideravelmente mais difícil do que com o polônio, e foi conseguida com a ajuda da cristalização fracionada . Para fazer isso, ela dissolveu o cloreto de bário dos resíduos do processamento da pechblenda em água destilada quente e ferveu a solução até o aparecimento dos primeiros cristais. No resfriamento, parte do cloreto de bário se cristalizou e cristais lindos e firmemente aderentes (fração A; fração superior) se formaram no fundo do prato, de onde o licor-mãe sobrenadante poderia ser facilmente derramado após o resfriamento. O licor-mãe foi então evaporado novamente até a saturação em um segundo prato (menor). Após resfriamento e decantação (despejando o licor-mãe), recebeu a fração cristalina B (fração cauda). Ao comparar a atividade de ambas as frações de cristal, M. Curie descobriu que a fração A era cerca de cinco vezes mais radioativa do que a fração B. A razão para isso é a menor solubilidade em água do cloreto de rádio em comparação com a presença de solução de cloreto de bário enriquecida na primeira fração cristalina do cloreto de bário por co-precipitação.

Até a medição da atividade com um eletroscópio, que hoje parece primitiva, bastava para deixar claras as diferenças de quantidade.

M. Curie teve que repetir este processo (dissolução, evaporação, cristalização, decantação) inúmeras vezes e novamente com novas quantidades de cloreto de bário contendo rádio para finalmente obter alguns miligramas de rádio sem bário. Em conexão com o enriquecimento, as seguintes dicas de M. Curie são de interesse:

Se, em vez de água, for usado ácido clorídrico diluído ou mesmo forte para dissolver o cloreto de bário-rádio, a solubilidade de ambos os cloretos é reduzida e o efeito de separação entre os dois componentes também é consideravelmente aumentado; o acúmulo de rádio na fração superior é, portanto, consideravelmente maior do que em uma solução aquosa. O acúmulo de rádio na fração superior é ainda maior se o isolamento do bário contendo rádio dos resíduos de pitchblenda não for feito com bário e cloreto de rádio, mas na forma de seus brometos (ou seja, com brometo de bário + brometo de rádio).

Junto com André Louis Debierne , ela isolou o rádio puro em 1910 por eletrólise de uma solução de cloreto de rádio. Na Alemanha, o químico de Braunschweig Friedrich Giesel fez um trabalho pioneiro na preparação de sais de rádio e em geral na pesquisa de radioatividade, por exemplo, em 1902, independentemente de Debierne, ele conseguiu descobrir o actínio.

Posição na tabela periódica

Um problema quantitativo

Era comum em química aceitar apenas um elemento recém-descoberto como certo se pudesse ser representado em sua forma pura e sua massa atômica declarada (outra possibilidade era identificar as linhas espectrais). Para isso, quantidades pesáveis ​​deveriam estar disponíveis. No entanto, isso não poderia ser obtido com os poucos quilogramas de pechblenda.

A Académie des Sciences recorreu à Academia Austríaca de Ciências com um pedido de ajuda, deixando os amontoados de entulho de Sankt Joachimsthal , considerados sem valor , dos quais o conteúdo de urânio já tinha sido removido (o urânio era usado na indústria do vidro na época e era muito caro para os Curie). Após mediação do renomado geólogo Eduard Suess , atenderam ao pedido, apenas os custos de transporte ficaram a cargo dos Curie. Em uma primeira entrega eles receberam cerca de 1 tonelada, que, entretanto, foi seguida por outras entregas. Em retrospecto, o valor do rádio extremamente caro (um mg custaria cerca de € 1.500) era de cerca de € 150.000. Mesmo em circunstâncias normais, o pitchblende de Joachimsthal continha apenas 200 mg de rádio por tonelada, e havia muito menos no resíduo.

Marie Curie se deparou com a tarefa de separar o cloreto de bário contendo rádio (aproximadamente 8 kg BaCl ₂ por tonelada de resíduo de processamento), que já havia sido isolado dos resíduos, em quantidades pesáveis ​​do bário, para poder para examiná-lo por análise espectral e determinar sua massa atômica. As etapas individuais são descritas no capítulo sobre a descoberta do rádio . Já que Marie era fisicamente mais forte do que seu marido Pierre, ela assumiu a maior parte do trabalho com os vasos pesados ​​da quantidade cada vez maior de soluções.

Outro problema era o gás radioativo radônio , produzido durante a decadência do rádio , que escapava facilmente, contaminava o laboratório e também interferia nas medições com seus produtos de decadência (polônio). Além disso, era prejudicial à saúde - o polônio, produto da decomposição, era depositado como um emissor alfa nos pulmões.

Por meio de esforços extremos, sob circunstâncias externas adversas, os Curies conseguiram produzir uma quantidade considerável de rádio (cerca de 100 mg), cuja atividade era mais de um milhão de vezes maior do que a do padrão original de óxido de urânio, muito mais do que os Curies inicialmente pensei que tinha. Em 1902, os Curie determinaram que a massa atômica era de 225 u, que é muito próxima do valor moderno.

Diferenciação de radiação

• Para a história da radiação alfa, consulte o histórico de pesquisa da radiação alfa # .
• Para a história da radiação beta, consulte a história da pesquisa da radiação beta .
• Para a história da radiação gama, consulte o histórico de pesquisa da radiação gama # .

inchar

• Karl-Erik Zimen: Radiant Matter. Radioatividade - um pedaço da história contemporânea. Bechtle, Esslingen-Munich 1987, ISBN 3-7628-0464-8 .
• Ulla Fölsing: Marie Curie - pioneira de uma nova ciência natural , Piper 1997. ISBN 3-492-10724-9 .
• Emilio Segrè : Os grandes físicos e suas descobertas , Piper, Vol. 2, ISBN 3-492-11175-0 .
• Pierre Ravanyi, Monique Bordry: The Discovery of Radioactivity , em: Spectrum Dossier Radioactivity
• Maurice Tubiana: Radiation in Medicine , em: Spectrum Dossier Radioactivity

Evidência individual

1. ^ Na reunião da Academia de Ciências de Paris em 20 de janeiro de 1896, Henri Poincaré apresentou os resultados de Röntgen. Becquerel estava lá e perguntou sobre a fonte da radiação, ao que lhe foi dito que parecia vir da parte mais fluorescente do tubo de descarga
2. ↑ Autor desconhecido: História da radioatividade. Universidade de Viena, 29 de agosto de 1999, arquivado do original em 12 de março de 2014 ; acessado em 16 de outubro de 2018 (PDF; 230 kB). 
3. ^ Johannes Friedrich Diehl: Radioactivity in food . John Wiley & Sons, 2008, ISBN 978-3-527-62374-7 , pp. 2 ( visualização limitada na pesquisa de livros do Google). 
4. ↑ Pierre Curie, Marie Curie, G. Bémont: Sur une nouvelle substância fortement radio-active contenue dans la pechblende . In: Comptes rendus hebdomadaires des séances de l'Académie des sciences . fita 127 , 1898, pp. 1215-1217 ( archive.org ). 
5. ↑ Este método de medição das menores correntes foi desenvolvido por Jacques Curie , irmão de Pierre
6. ^ AF Holleman , E. Wiberg , N. Wiberg : Textbook of Inorganic Chemistry . 101ª edição. Walter de Gruyter, Berlin 1995, ISBN 3-11-012641-9 , página 635.
7. ↑ Eve Curie: Madame Curie , Capítulo 13, Marie Curie Investigations on Radioactive Substances , Vieweg 1904, página 24. Ela inicialmente recebeu 1 tonelada e, posteriormente, várias outras toneladas.
8. ↑ A um preço de 300 Reichsmark por mg a partir de 1907, conforme declarado acima, e um valor de cerca de 5 euros por Reichsmark (consulte a história da moeda alemã ), o resultado é de 1.500 euros por mg.
9. ↑ para os cerca de 100 mg recuperados do minério pelos Curie no final do dia, 1500 euros por mg resulta em um preço de 150.000 euros.
10. ↑ Bodenstedt: Experimentos de física nuclear e sua interpretação , Vol. 1, página 27.
11. ↑ Erwin Bodenstedt: Experimentos de física nuclear e sua interpretação , Vol. 1, BI Verlag 1979, p. 27. Marie Curie: Investigations over the radioactive plants, Vieweg 1904, p. 35. A amostra quase pura de cloreto de rádio, que era usado em 1902 para determinar a massa atômica foi usado, pesava cerca de 90 mg.