Descubrimiento de radiactividad

El descubrimiento de la radiactividad fue un hito en el desarrollo de la física moderna .

situación inicial

A finales del siglo XIX, todavía existía en gran medida una cosmovisión newtoniana cerrada . Aunque Antoine Henri Becquerel había descubierto el fenómeno previamente desconocido de que el uranio y las sales de uranio podrían causar el ennegrecimiento de la emulsión fotográfica, este descubrimiento ha permanecido en gran parte desconocido. Nadie tenía idea de los núcleos atómicos . Se desconocían la palabra radiactividad y su causa real, al igual que los posibles efectos biológicos.

Trabajar en el laboratorio era más engorroso y peligroso de lo que sugerirían las técnicas actuales con ayudas electrónicas: las soluciones se agitaban a mano y se disponía de balanzas mecánicas con una precisión de 0,1 mg para los procesos de pesaje . También las bombas de vacío se operaban a mano y el vacío así creado se comparó con los vacíos convencionales de hoy un millón de veces más débiles.

Tabla periódica de los elementos

 * Nota: Los elementos mostrados en azul: 43, 61, 63, 71, 72, 75, 84 a 89 y 91 aún eran desconocidos en ese momento.

uranio

El tiempo con el número atómico último elemento 92 de la tabla periódica uranio fue en 1789 por el alemán, que entonces vivía en Berlín, descubrió el profesor de química y farmacéutico Martin Heinrich Klaproth . Lleva el nombre del planeta Urano , que fue descubierto ocho años antes (1781) por Friedrich Wilhelm Herschel . Klaproth lo aisló como un óxido ; Eugène Peligot logró producirlo como metal de uranio puro en 1841.

Además de su valor para la química, era principalmente importante en la forma de sus compuestos como tinte. Se obtuvo extrayéndolo de la pecblenda que se encuentra naturalmente en St. Joachimsthal .

El descubrimiento de Becquerel

Antoine Henri Becquerel descubrió a principios de 1896, mientras intentaba explicar la radiación de rayos X que acababa de ser encontrada por fluorescencia , que la sal de uranio (que emite fluorescencia después de la exposición) era capaz de ennegrecer las placas fotográficas . Los primeros intentos siempre fueron precedidos por la estimulación de la luz solar. Debido a un cambio en el clima, Becquerel no pudo exponer las preparaciones de uranio, pero las dejó en la placa fotográfica, que estaba protegida con papel negro. Desarrolló estas placas más por casualidad y el 1 de marzo descubrió el mismo ennegrecimiento que la fluorescencia. Por lo tanto, esto se excluyó como la causa de la radiación.

radioactividad

La pareja Curie

Pierre y Marie Curie en el laboratorio (a más tardar en 1906)

La investigación de Marie Curie sobre la radiactividad comenzó en 1897. Ella misma escribió: “El objetivo era investigar el origen de la energía, incidentalmente muy baja, que el uranio emitía constantemente en forma de radiación. La investigación de este fenómeno nos pareció inusualmente interesante, tanto más cuanto que el problema era nuevo y aún no se había descrito en ninguna parte. Decidí dedicarme a trabajar en este tema. Tenía que encontrar un lugar para hacer los experimentos. Pierre Curie recibió el permiso del director de la escuela para usar el área de trabajo acristalada en la planta baja para este propósito, que sirvió como almacén y sala de máquinas ".

Como parte de su tesis doctoral , iniciada por Pierre Curie , comprobó los resultados de Becquerel y midió la ionización del aire provocada por la radiación de las preparaciones de uranio con la ayuda de la descarga de un condensador cuyo voltaje (estado de carga) era medido con un galvanómetro . El condensador se descargó debido a la ionización del aire. Esto permitió hacer las primeras declaraciones cuantitativas sobre la radiación. No pasó mucho tiempo antes de que se diera cuenta de que cuanto mayor era el contenido de uranio, más intensa era la radiación. Los compuestos químicos, la presión o la temperatura no influyeron.

Con esto había probado que la radiación es una propiedad atómica del uranio. Sin embargo, a diferencia de Becquerel, no solo examinó las preparaciones de uranio, sino también otros minerales, y encontró una actividad similar en el torio , aunque el químico alemán Gerhard Carl Schmidt lo anticipó en la publicación . En la publicación Sur une nouvelle substancia fortement radio-active contenue dans la pechblende, Marie y Pierre Curie acuñaron el término radiactivo por primera vez .

Por este trabajo y el siguiente, que condujo al descubrimiento de elementos radiantes nuevos y mucho más fuertes, los Curie recibieron el Premio Nobel de Física en 1903 junto con Antoine Henri Becquerel .

Equipo de medición

Reconstrucción del laboratorio, Museo Curie, París

Dispositivo para medir la radiactividad.
A, B Condensador de placa
C Interruptor
E Electrómetro
H Recipiente para pesas
P Batería
Q Cuarzo piezoeléctrico

El aparato de Curie para medir la radiactividad se recreó en el laboratorio de Marie Curie (imagen de la izquierda). El diagrama de circuito de la derecha se basa en un boceto de Marie Curie. En el medio de la mesa del laboratorio (imagen de la izquierda) hay un condensador. Sus placas grandes de aproximadamente 8 cm que se encuentran en posición horizontal ( A y B , designaciones en el diagrama del circuito) están cubiertas por el cilindro plateado. Una batería ( P , no en la imagen) carga las placas a través del interruptor ( C ). El circuito está cerrado a través de una línea de tierra común (francés: terre ). Un galvanómetro ( E , un electrómetro de cuadrante), a la derecha en la imagen de la base de madera, monitorea el estado de carga. La corriente no se lee directamente en el galvanómetro, pero se usa como un "instrumento cero" (de modo que no se requiere una calibración especial) después de que se haya aplicado una segunda fuente de voltaje ( Q ), a la derecha en la foto, para compensar para la descarga del condensador. Esta fuente de voltaje consiste en un cristal de cuarzo cargado con un peso ( piezoelectricidad ), los voltajes de compensación se pueden leer en los pesos.

Una cantidad definida de sustancia radiactiva se esparce sobre las placas del condensador. Cuanto más rápido se descargan las placas a través de la ionización del aire, mayor es la radiactividad.

Emisores más potentes que el propio uranio

En mediciones de minerales que contienen uranio y torio, encontró un nivel de radiactividad significativamente más alto de lo que se esperaba de las cantidades de uranio y torio. Marie Curie verificó esto produciendo artificialmente uranil fosfato de cobre ( calcolita ) y comparándolo con la calcolita natural, que era mucho más radiante. Concluyó que la pecblenda y otros minerales de uranio deben contener elementos que tengan una radiactividad mucho más alta que el uranio. El 12 de abril de 1899, Marie Curie anunció en un aviso a la Academia de Ciencias que “dos minerales de uranio, la pechblenda (uranita) y la calcolita (fosfato de uranilo de cobre) son mucho más activos que el uranilo mismo. Este hecho es notable y sugiere que el los minerales pueden contener un elemento mucho más activo que el uranio ”. En ese momento, no se sabía que en realidad había dos elementos activos más en las muestras de uranio. A continuación, los Curie se propusieron aislar estos elementos. Comenzaron en 1898 con 100 gramos de pecblenda y eliminaron los elementos inactivos mediante técnicas químicas clásicas.

Descubrimiento del polonio

Con una precipitación típica del elemento bismuto , recibe una preparación que irradia varios cientos de veces más que el estándar de óxido de uranio que creó. En honor a su tierra natal, la llama polonio .

Los isótopos de polonio son productos intermedios de la serie uranio-radio , produciendo este último el isótopo 210 de polonio más común. Por lo tanto, el polonio se puede obtener del procesamiento de la pecblenda (1000 toneladas de uranio y pecblenda contienen aproximadamente 0,03 gramos de polonio). Se acumula junto con el bismuto. A continuación, se puede separar de este elemento mediante precipitación fraccionada de los sulfuros, porque el sulfuro de polonio es menos soluble que el sulfuro de bismuto.

En 1899, los Curie también lograron descubrir la vida media de los elementos radiactivos en el polonio, donde es de solo 140 días, mientras que las vidas medias de los otros elementos investigados fueron demasiado largas para ser observadas por ellos.

Descubrimiento del radio

El 21 de diciembre de 1898, los Curie, junto con el químico Gustave Bémont , encontraron otro elemento radiactivo que habían enriquecido en una fracción de bario . Lo llaman radio , "el radiante". El físico Eugène-Anatole Demarçay pudo confirmar espectroscópicamente el nuevo elemento. Al igual que el polonio, forma parte de la serie de desintegración de uranio-plomo y, por tanto, está presente en los minerales de uranio. Una diferencia importante con el polonio es la actividad aparentemente constante. El del Po cede a la mitad en 140 días, una vida media de 1600 años ya que con el Ra no se podía medir con los medios en ese momento.

En los años 1899-1902 se debió la purificación del radio, que resultó ser considerablemente más difícil que con el polonio y se logró con la ayuda de la cristalización fraccionada . Para hacer esto, disolvió el cloruro de bario de los residuos de procesamiento de la pecblenda en agua destilada caliente y hirvió la solución hasta que aparecieron los primeros cristales. Después de enfriar, parte del cloruro de bario cristalizó y se formaron hermosos cristales firmemente adheridos (fracción A; fracción superior) en el fondo del plato, de los cuales las aguas madres sobrenadantes se pudieron verter fácilmente después de enfriar. A continuación, las aguas madres se evaporaron de nuevo hasta la saturación en una segunda placa (más pequeña). Después de enfriar y decantar (verter las aguas madres), recibió la fracción cristalina B (fracción de cola). Al comparar la actividad de ambas fracciones de cristal, M. Curie descubrió que la fracción A era aproximadamente cinco veces más radiactiva que la fracción B. La razón de esto es la menor solubilidad en agua del cloruro de radio en comparación con el cloruro de bario. fracción cristalina del cloruro de bario por coprecipitación.

Incluso la medición de la actividad con un electroscopio, que hoy parece primitiva, fue suficiente para aclarar las diferencias en la cantidad.

M. Curie tuvo que repetir este proceso (disolver, evaporar, cristalizar, decantar) innumerables veces y una y otra vez con nuevas cantidades de cloruro de bario que contiene radio para finalmente obtener algunos miligramos de radio sin bario. En relación con el enriquecimiento, las siguientes sugerencias de M. Curie son de interés:

Si, en lugar de agua, se usa ácido clorhídrico diluido o incluso fuerte para disolver el cloruro de bario-radio, la solubilidad de ambos cloruros se reduce y el efecto de separación entre los dos componentes también aumenta considerablemente; la acumulación de radio en la fracción superior es, por tanto, considerablemente mayor que en una solución acuosa. La acumulación de radio en la fracción superior es aún mayor si el aislamiento del bario que contiene radio de los residuos de pecblenda no se realiza con bario y cloruro de radio, sino en forma de sus bromuros (es decir, con bromuro de bario + bromuro de radio).

Junto con André Louis Debierne , aisló radio puro en 1910 por electrólisis de una solución de cloruro de radio. En Alemania, el químico de Braunschweig Friedrich Giesel realizó un trabajo pionero en la preparación de sales de radio y en general en la investigación de la radiactividad, por ejemplo, en 1902, independientemente de Debierne, logró descubrir el actinio.

Posición en la tabla periódica

Un problema cuantitativo

Era costumbre en química aceptar como cierto un elemento recién descubierto solo si podía representarse en su forma pura y su masa atómica declarada (otra posibilidad era identificar las líneas espectrales). Para ello, era necesario disponer de cantidades pesadas. Sin embargo, no se pudieron obtener a partir de los pocos kilogramos de pecblenda.

La Académie des Sciences se dirigió a la Academia de Ciencias de Austria con una solicitud de ayuda para dejar los escombros de Sankt Joachimsthal , que se consideraban inútiles , del que ya se había eliminado el contenido de uranio (el uranio se usaba en la industria del vidrio en ese momento y era demasiado caro para los Curie). Tras la mediación del célebre geólogo Eduard Suess , cumplieron con el pedido, solo los gastos de transporte debían ser asumidos por los Curie. En una primera entrega recibieron alrededor de 1 tonelada, que, sin embargo, fue seguida posteriormente por otras entregas. En retrospectiva, el valor del radio extremadamente caro (un mg habría costado alrededor de 1.500 euros) fue de unos 150.000 euros. Incluso en circunstancias normales, la pechblenda de Joachimsthal contenía sólo 200 mg de radio por tonelada y había mucho menos en el residuo.

Marie Curie se enfrentó a la tarea de separar el cloruro de bario que contiene radio (aproximadamente 8 kg de BaCl ₂ por tonelada de residuo de procesamiento), que ya había sido aislado de los residuos, en cantidades pesadas del bario, para poder examinarlo mediante análisis espectral y determinar su masa atómica. Los pasos individuales se describen en el capítulo sobre el descubrimiento del radio . Dado que Marie era físicamente más fuerte que su esposo Pierre, se hizo cargo de la mayor parte del trabajo con los recipientes pesados ​​de las cantidades cada vez mayores de soluciones.

Otro problema fue el gas radiactivo radón , que se produjo durante la desintegración del radio , que escapó fácilmente, contaminó el laboratorio y también interfirió con las mediciones con sus productos de desintegración (polonio). Además, era perjudicial para la salud: el polonio, producto de la descomposición, se depositaba como emisor alfa en los pulmones.

A través de esfuerzos extremos, bajo circunstancias externas adversas, los Curie lograron producir una cantidad considerable de radio (alrededor de 100 mg), cuya actividad era más de un millón de veces mayor que la del estándar de óxido de uranio original, mucho más que los Curie. inicialmente pensó que tenía. En 1902, los Curie determinaron que la masa atómica era de 225 u, que está muy cerca del valor moderno.

Diferenciación de radiación

• Para conocer el historial de la radiación alfa, consulte el historial de investigación de la radiación alfa # .
• Para conocer el historial de la radiación beta, consulte el historial de investigación de la radiación beta # .
• Para conocer la historia de la radiación gamma, consulte el historial de investigación de radiación gamma # .

hinchar

• Karl-Erik Zimen: Materia radiante. Radiactividad: un fragmento de la historia contemporánea. Bechtle, Esslingen-Munich 1987, ISBN 3-7628-0464-8 .
• Ulla Fölsing: Marie Curie - pionera de una nueva ciencia natural , Piper 1997. ISBN 3-492-10724-9 .
• Emilio Segrè : Los grandes físicos y sus descubrimientos , Piper, Vol. 2, ISBN 3-492-11175-0 .
• Pierre Ravanyi, Monique Bordry: El descubrimiento de la radiactividad , en: Spectrum Dossier Radioactivity
• Maurice Tubiana: Radiación en Medicina , en: Spectrum Dossier Radioactivity

Evidencia individual

1. ↑ En la reunión de la Academia de Ciencias de París el 20 de enero de 1896, Henri Poincaré presentó los resultados de Röntgen. Becquerel estuvo allí y preguntó sobre la fuente de la radiación, por lo que le dijeron que parecía provenir de la parte más fluorescente del tubo de descarga.
2. ↑ Autor desconocido: Historia de la radiactividad. Universidad de Viena, 29 de agosto de 1999, archivado desde el original el 12 de marzo de 2014 ; consultado el 16 de octubre de 2018 (PDF; 230 kB). 
3. ^ Johannes Friedrich Diehl: radiactividad en los alimentos . John Wiley & Sons, 2008, ISBN 978-3-527-62374-7 , págs. 2 ( vista previa limitada en la búsqueda de libros de Google). 
4. ↑ Pierre Curie, Marie Curie, G. Bémont: Sur une nouvelle substancia fortement radio-active contenue dans la pechblende . En: Comptes rendus hebdomadaires des séances de l'Académie des sciences . cinta 127 , 1898, págs. 1215-1217 ( archive.org ). 
5. ↑ Este método de medir las corrientes más pequeñas fue desarrollado por Jacques Curie , hermano de Pierre.
6. ^ AF Holleman , E. Wiberg , N. Wiberg : Libro de texto de química inorgánica . 101ª edición. Walter de Gruyter, Berlín 1995, ISBN 3-11-012641-9 , p. 635.
7. ↑ Eve Curie: Madame Curie , Capítulo 13, Investigaciones Marie Curie sobre sustancias radiactivas , Vieweg 1904, p. 24. Inicialmente recibió 1 tonelada y luego varias toneladas más.
8. ↑ A un precio de 300 Reichsmarks por mg a partir de 1907 como se indicó anteriormente y un valor de alrededor de 5 euros por Reichsmark (consulte el historial de la moneda alemana ), el resultado es 1500 euros por mg.
9. ↑ para los aproximadamente 100 mg recuperados del mineral por los Curie al final del día, 1500 euros por mg dan como resultado un precio de 150.000 euros.
10. ↑ Bodenstedt: Experimentos de física nuclear y su interpretación , Vol. 1, p. 27.
11. ↑ Erwin Bodenstedt: Experimentos de física nuclear y su interpretación , Vol. 1, BI Verlag 1979, p. 27. Marie Curie: Investigaciones sobre las sustancias radiactivas , Vieweg 1904, p. 35. La muestra casi pura de cloruro de radio, que fue utilizado en 1902 para determinar la masa atómica se utilizó, pesaba alrededor de 90 mg.