Im Frühjahr 1896 berichtete Henri Becquerel (1852-1908), Leiter des Musee d´Histoire Naturelle und Lehrstuhlinhaber für Physik in Paris, der Académie des Sciences über eine Reihe von Experimenten, die er durchgeführt hatte, um die von fluoreszierenden Kristallen ausgesandte Strahlung zu untersuchen. Als Untersuchungssubstanz benutzte er Uranyl-Kalium-Sulfat, legte dieses auf eine lichtdicht in schwarzes Papier eingewickelte Fotoplatte und setzte sie einige Stunden dem Sonnenlicht aus. Wie erwartet zeigte sich später auf der Platte, dort wo die Kristalle gelegen hatten, ein schwarzer Fleck. Ende Februar jedoch, nach einigen trüben Tagen, an denen sich die Sonne nicht zeigen wollte, machte er eine unerwartete Beobachtung:
“…Ich mache besonders auf die folgende Tatsache aufmerksam, die mir sehr wichtig erscheint und ausserhalb aller Phänomene liegt, die man hätte erwarten können: dieselben Kristalle, auf eine [photographische] Platte gelegt, unter denselben Bedingungen und mit derselben Umhüllung, jedoch geschützt vor der Einwirkung anregender Strahlen und in völliger Dunkelheit aufbewahrt, erzeugen noch immer die gleichen photographischen Abbilder. …“ (Comptes rendues de la Academie des Sciences 1896/1: 501-503)
Becquerel vermutete, daß die von ihm entdeckte Wirkung der Urankristalle auf die Fotoplatte auf eine lang anhaltende, unsichtbare Fluoreszenz zurückging. Erst im Herbst 1896, und nachdem er festgestellt hatte, daß nur die Uransalze - nicht jedoch andere fluoreszierende Kristalle - den unerklärlichen Effekt hervorriefen, rang er sich zu der Schlussfolgerung durch, daß das Uran eine neue Art unsichtbarer Strahlen aussenden müsse, die er "Uranstrahlen“ nannte. Becquerels Entdeckung dessen, was Marie Curie später “Radioaktivität“ nannte, wurde zum Ausgangspunkt tiefgreifender Veränderungen im Weltbild der Physik und der Geschichte der Menschheit .
Anhand der kurzen Versuchsbeschreibung in Römpp und Raaf´s "Chemische Experimente mit einfachen Mitteln“, kann Becquerels Experiment einfach nachvollzogen werden. Obwohl es höchst einfach und lange vorbeschrieben ist, konnte ich dabei ebenfalls ein zunächst überraschendes Phänomen beobachten.
Material/Geräte:
Schwarzweiß-Kleinbildfilm 400 ASA, Schwarzes Bastelpapier, Schere, Klebstoff, Lineal, 2 Gewichte (zum Beschweren des Filmstreifens), Aluminiumfolie, 2 kleine Bechergläser 50 ml, Rotlicht-Glühbirne (Dunkelkammerleuchte)
Chemikalien:
Uranylnitrat
Thoriumhydroxid
Sicherheitshinweise:
Die Radioaktivität der hier verwendeten Stoffe ist so gering, dass spezielle Schutzmaßnahmen nicht nötig sind. Dennoch sollte Hautkontakt vermieden und auf besonders sauberes Arbeiten geachtet werden.
Versuchsdurchführung:
Für diese Versuche wurden Uranylnitrat und Thoriumhydroxid verwendet. Während letzteres ein unansehnliches weißgraues Pulver darstellt, bildet das Uranylnitrat schöne, wasserklare, gelbgrüne Kristalle (erstes Bild), die im UV-Lichte bei 365 nm hell gelbgrün und bei 254 nm (zweites bild) noch etwas stärker, mit einem Stich ins blaugrüne, fluoreszieren.
Der Versuchsanordnung Becquerels folgend, fertigt man zunächst eine Umhüllung aus schwarzem Papier an, die 50 cm lang und 37 mm breit ist – gerade so breit, daß der Kleinbildfilm genau hineingeschoben werden kann. Außen werden mit einem weißen Stift (Tipp-Ex) insgesamt neun je 55 mm große Abschnitte markiert
Um die Salze in einer nicht zu starkwandigen Umhüllung auf dem Film platzieren zu können, formt man kleine „Becher“ aus Alufolie. Dazu werden Stücke von ca. 4 x 4 cm über den Deckel eines Schnappdeckelgläschens von ca. 15 mm Durchmesser gelegt, die Folie mit dem Finger in den Deckel gedrückt und an den Rändern hochgefaltet.
Der Versuch wird - um Tageslicht auszuschließen - nicht im Labor, sondern in einem Schrank, der in einem vollkommen abgedunkelten Raum (am besten einem fensterlosen Kellerraum) steht, aufgebaut. Um im Dunkeln arbeiten zu können, kann eine rote 11-Watt-Glühbirne verwendet werden, die in eine alte Schreibtischlampe eingesetzt wird. Es gibt auch professionelle Dunkelkammerlampen, die jedoch deutlich teurer sind als eine einfache Rotlichtbirne.
Obwohl sich die Augen einige Minuten adaptieren müssen, bis sie mit dieser schummrigen „Milieubeleuchtung“ etwas erkennen können, hat das Licht dennoch eine fotografische Wirkung! Die Enden des Filmstreifens, die aus der schwarzen Umhüllung ragten, erweisen sich später nach der Entwicklung als deutlich geschwärzt. Daher muss der Film bei völliger Dunkelheit in die Hülle eingefädelt werden. Die Enden werden mit Gewichten beschwert und die Lampe erst zum Auflegen der Proben eingeschaltet.
Hier ist die Versuchsanordnung zu Demonstrationszwecken auf dem Labortisch nachgestellt:
Der Film ragt aus der Patrone in die Papphülle hinein. Auf diese werden die radioaktiven Proben aufgelegt. Die Alukapsel links enthält 1 Gramm Uranylnitrat, diejenige rechts 1 Gramm Thoriumhydroxid. Damit die Präparate während des mehrere Tage dauernden Versuches nicht einstauben, wird je ein leeres 40-ml-Becherglas darübergestülpt. Ganz rechts wurde ein Objekt der besonderen Art aufgelegt, nämlich eine alte Taschenuhr, die ich vor ca. 28 Jahren auf einem Flohmarkt in England erworben hatte.
Das gute Stück stammt aus der Zeit zwischen den beiden Weltkriegen. Ursprünglich waren die Ziffern mit einer Leuchtfarbe markiert, von der das meiste abgebröselt ist. Nur an der „10“, der „11“, der „12“ und der „3“ finden sich noch Reste davon, die im Dunkeln schon lange nicht mehr leuchten. Die Zeiger hatte ein Uhrmacher zu Beginn der 80er Jahre mit neuer Leuchtfarbe aufgefrischt. Sie sind also nicht mehr original.
In der oben gezeigten Anordnung bleibt der Versuch nun in völliger Dunkelheit sich selbst überlassen. Nach 24 Stunden werden alle Proben drei Felder weiter gerückt und nach drei Tagen abermals. Auf die letzten Felder wirken die Versuchsobjekte 5 Tage ein. Danach wird der Film - abermals in völliger Dunkelheit – aus der Hülle gezogen, in die Kapsel zurückgespult und zum Entwickeln gegeben.
Hier das Ergebnis: Becquerels Experiment hat tatsächlich funktioniert!
Das Bild zeigt die drei Abschnitte des Filmstreifens, die 24 Stunden (oben), 72 Stunden (Mitte) und 120 (unten) Stunden der Einwirkung der radioaktiven Proben ausgesetzt waren. Von links nach rechts sieht man jeweils das „Radiogramm“ des Uranylnitrats, des Thoriumhydroxids und des oberen Teils der Taschenuhr! Offensichtlich ist das Uransalz stärker radioaktiv als die Thoriumverbindung, denn die entsprechenden Flecke sind viel dunkler. Aber auch die Leuchtfarbe der Taschenuhr ist radioaktiv! Und zwar nur die Originalfarbe an den Ziffern, die sich natürlich spiegelverkehrt abgebildet haben. Die Zeiger geben dagegen kein Radiogramm.
Die in der Einleitung angedeutete Überraschung ist der „Halo“ um das Thoriumhydroxid, der mit längerer Einwirkungszeit immer deutlicher wird! Es wird sofort klar, daß er genau die Größe, des über die Probe gestülpten Becherglases hat. Bei dem 5 Tage exponierten Streifen kann man ihn ganz schwach auch um das Uranylnitrat herum erahnen. Worauf ist er zurückzuführen? Die Lösung findet sich weiter unten!
Entsorgung:
Es entstehen keine zu entsorgenden Abfälle
Erklärungen:
Uran und Thorium sind die beiden häufigsten der natürlich vorkommenden radioaktiven Elemente. Sie bilden jeder den Ausgangspunkt einer eigenen „Zerfallsreihe“, die über verschiedene Zwischenstufen schließlich zu einem stabilen Kern, einem Isotop des Bleis, führt.
Beim alpha-Zerfall wird ein Heliumkern (Alphateilchen) ausgestoßen. Der Heliumkern besteht aus zwei Protonen und zwei Neutronen. Folglich führt jeder Alpha-Zerfall zu einem Kern, der 4 Masseeinheiten leichter ist und eine um zwei Stufen niedrigere Ordnungszahl (= Kernladungszahl) hat als der vorhergehende.
Beim beta-Zerfall bildet sich aus einem Neutron ein Proton und ein Elektron, das als Betateilchen ausgestrahlt wird (neben einem Antineutrino). Elektronen und Antineutrinos besitzen nur eine verschwindend geringe Masse, so dass sich die Kernmasse nicht ändert. Die Ordnungszahl jedoch steigt um eine Stufe, da der Kern jetzt ein Proton mehr enthält als zuvor.
Die bei bestimmten Zerfällen entstehenden neuen Kerne befinden sich teilweise in einem angeregten, energiereichen Zustand. Beim Übergang in den Grundzustand wird die Energie in Form von hochernergetischen elektromagnetischen Quanten abgegeben, der Gamma-Stahlung.
Natürliches Uran besteht zu über 99 % aus dem Isotop mit der Masse 238, der Rest ist hauptsächlich U-235. In meinem Uranylnitrat, das vermutlich aus „abgereichertem“ Uran hergestellt wurde, dürfte der Anteil an U-238 noch höher sein. Die vom Uran-238 ausgehende Zerfallsreihe lautet (aus Dorn/Bader, siehe Literatur):
Die rote Pfeile stellen einen Alpha-Zerfall, die blauen einen Beta-Zerfall dar. Die Karte liest sich von rechts nach links folgendermaßen: Uran 238 (Kernladung 92, Masse 238) zerfällt mit einer Halbwertszeit von 4,5 Milliarden Jahren unter Aussendung eines Alphateilchens in Thorium 234 (Kernladung 90, Masse 234), dieses mit einer Halbwertszeit von 24,1 Tagen unter Aussendung eines Betateilchens in Protactinium 234 (Kernladung 91, Masse 234) und so weiter. Am Ende der Reihe (links) gibt es ein paar "alternative" Zerfallswege, die über Tl-210, Tl-206 und Hg-206 führen und hier nicht abgebildet sind.
Die entsprechende Thorium-Reihe sieht folgendermaßen aus:
Alphastrahlen haben nur eine sehr geringe Reichweite. Sie werden von einer wenigen Zentimeter dicken Luftschicht oder von 0,1 mm dickem Aluminium vollständig absorbiert. Betastrahlen besitzen eine größere Duchdringungskraft. Ihre Reichweite beträgt in Luft einen bis mehrere Meter und in festen Stoffen ein bis zwei Zentimeter. Gammastrahlen besitzen keine definierte Reichweite. Sie werden wie Röntgenstrahlen von verschiedenen Materialen verschieden stark geschwächt, wobei die Intensität exponentiell mit der Dicke des Materials abnimmt. Bei der Interaktion der Strahlen mit der Materie wird Energie abgegeben. Diese Energie führt in der Silberbromid-Beschichtung des Schwarzweißfilmes zur Bildung von freiem Silber und Brom, genau wie bei der Belichtung in einem Fotoapparat.
2 AgBr --(hv)--> 2 Ag + Br2
Wird der Film entwickelt, so bewirken die entstandenen Silber“keime“ unter der Einwirkung eines Reduktionsmittels – des Entwicklers – die bevorzugte Bildung weiteren Silbers an den belichteten Stellen. Damit wird das zuvor latente Bild sichtbar. Aufgrund der Eigenschaften der verschiedenen Strahlenarten ist davon auszugehen, daß die radiographischen Effekte der Präparate auf dem Film den Beta- und Gammastahlen zuzuschreiben sind, denn Alphateilchen vermögen die Aluminiumfolie und die Papierumhüllung des Filmes nicht zu durchdringen.
Für Uhrzifferblätter, vor allem für den militärischen Gebrauch, wurden nach dem ersten Weltkrieg bis etwa in die 50er Jahre hinein Leuchtfarben verwendet, die radioaktiv waren. Sie enthielten neben dem auch heute noch für solche Zwecke üblichen phosphoreszierenden Zinksulfid (Sidot´sche Blende) kleine Mengen Radium, später auch Tritium. Durch die radioaktive Strahlung wurde das Zinksulfid kontinuierlich angeregt und die Farbe leuchtete im Dunkeln, auch ohne vorher dem Licht ausgesetzt worden zu sein. An meiner Taschenuhr zeigt das Experiment deutlich den Unterschied zwischen der ursprünglichen, radioaktiven Farbe der Ziffern und der später aufgebrachten, nicht strahlenden Farbe der Uhrzeiger. Übrigens sind die Zeiger das einzige an der Uhr, das heute im Dunklen noch leuchtet – allerdings nur nach vorangegangener Belichtung. Offenbar hat das Zinksulfid der Ziffern im Laufe der Jahrzehnte seine Phosphoreszenzfähigkeit eingebüßt.
Und der geheimnisvolle „Halo“ um das Thoriumpräparat? Er geht von der unter dem Glassturz (Becherglas) befindlichen Luft aus! Diese reichert sich im Laufe der Zeit mit dem radioaktiven Gas Radon an, das durch zwei alpha-Zerfalle aus Thorium entsteht. Radon wird zwar auch beim Zerfall von Uran-238 gebildet (Schritt 6), jedoch sind die Kerne der vorgeschalteten Zwischenstufen so langlebig, daß die Radon-Bildung über dem Uranpräparat viel langsamer verläuft, als über dem Thorium. Daß die Luft in Gefäßen, in denen Thoriumpräparate aufbewahrt werden, selbst radioaktiv wird, wurde schon früh entdeckt. Man hielt diese Thorium-Emanation zunächst für ein eigenes Element und belegte sie – analog zum Radon, das die Radium-Emanation darstellt – mit dem Namen „Thoron“.
Literatur:
Thomas Bührke: Sternstunden der Physik; Sonderausgabe 2008 - Beck´sche Reihe 4030; ISBN 978-3-406-57773-4
Dorn, Bader: Physik in einem Band; Schroedel Schulbuch-Verlag 2000; ISBN 3-507-86210-7
Römpp, Raaf: Chemische Experimente mit einfachen Mitteln; 8. Auflage dtv Junior 1981 , ISBN 3-423-07008-0
Die Originalveröffentlichungen Becquerels, aus denen ich das Eingangszitat entnommen habe, sind hier über Wikipedia verlinkt!
und heute hab ich meine schöne Filmhülle in den Müll geworfen.... 
