Radioaktivität

Radioaktivität, eine von Sklodowska Curie in Paris (1898) eingeführte Bezeichnung für die Fähigkeit eines Körpers, dauernd spontan Becquerelstrahlen (s. d.) auszusenden, d. h. unsichtbare Strahlen, die dünne, undurchsichtige Stoffe durchdringen, den Fluoreszenzschirm oder wenigstens photographische Platten erregen und Gase ionisieren, indes nicht wie Lichtstrahlen reflektiert oder gebrochen werden oder Polarisation zulassen.

Der wichtigste radioaktive Stoff ist das Radium (s. d.). Ist die R. eine Eigenschaft der Atome, so sollte man erwarten, daß dieselbe Menge Radiumsalz unter allen Umständen dieselbe Aktivität zeigen würde. Indessen hat sie unmittelbar nach der Darstellung des Salzes noch nicht ihren vollen Wert, wächst vielmehr anfangs rasch, dann langsamer, bis sie nach einigen Wochen asymptotisch etwa auf das Fünffache gestiegen ist. Wird das Salz feucht, so nimmt die Aktivität rasch ab und kann nur durch Neuauskristallisieren und abermaliges Zuwarten wiederhergestellt werden. Bei andauernder Erhitzung auf Kirschrotglut verschwindet die Aktivität fast vollständig und kann ebenfalls nur durch Neukristallisieren oder sehr langes Zuwarten wiederhergestellt werden. Abkühlung auf die Temperatur der flüssigen Luft bringt dagegen keine Änderung der Strahlung hervor. Eine Lösung des Salzes in einem geschlossenen Gefäß wird von selbst immer stärker aktiv bis zu einem Maximum, in einem offenen Gefäß verliert sie die Wirksamkeit.

Als Ursache dieses Verhaltens hat Rutherford erkannt, daß das Radium durch Zerfall seiner Atome beständig ein Gas, die Emanation, erzeugt, das einen stark radioaktiven Bestandteil, Exradio, enthält. Aus dem festen Salz kann dies nur schwer entweichen, daher die allmähliche Zunahme der Aktivität bis zur Gleichheit zwischen entstehender und entweichender Menge. Aus offen stehenden Lösungen sowie in hoher Temperatur entweicht es leicht, daher die rasche Abnahme der Aktivität in diesen Fällen. Das Gas gehört zur Argonfamilie, wie sich auch aus der Beschaffenheit seines Spektrums ergibt, es folgt dem Boyle-Gay-Lussacschen Gesetz, kondensiert sich bei -150° zu einer sehr stark aktiven Flüssigkeit, diffundiert in andern Gasen und durch enge Röhren nach dem Diffusionsgesetz etwa so rasch wie Kohlensäure und hat das Atomgewicht 160. 1 g Radiumsalz entwickelt pro Tag etwa 0,25 ccm Emanation und zwar unter Entbindung einer Wärmemenge, die etwa 3–4millionenmal soviel beträgt wie die Verbrennungswärme der gleichen Menge Knallgas. 1 kg Radiumsalz würde hiernach pro Stunde eine Wärmemenge erzeugen, die ausreicht, 1 Lit. Wasser zum Sieden zu erhitzen. 8 kg Radium könnten dauernd den Effekt von 1 Pferdekraft leisten. Dabei nimmt das Gewicht des Salzes nicht merklich ab. Im Jahr wird nämlich nur ein Tausendstel der Radiummenge umgewandelt, was man auch so aussprechen kann, die Lebensdauer des Radiumatoms betrage 1000 Jahre. Aus 1 Atom Radium bildet sich dabei 1 Atom Emanation. Von 1 g Radium ist in ca. 1300 Jahren 0,5 g in Emanation zerfallen.

Die Emanation verwandelt sich nach und nach, in ein Glas rohr eingeschmolzen, wie an der fortschreitenden Änderung des Spektrums erkannt werden kann, in Helium, das keine Aktivität mehr zeigt. Die Umwandlung erfolgt regelmäßig so, daß nach etwa 3,7 Tagen nur noch die Hälfte vorhanden ist. Das Helium wäre somit das Endprodukt der Umwandlung des Radiums, 1 g Radiumbromid bildet in einem Jahr 0,0022 mg Helium, und vielleicht ist das Radium selbst nur ein Umwandlungsprodukt des Uranatoms. Nach Joly beträgt die Lebensdauer des letztern 10 Milliarden Jahre. Jedenfalls scheint hier zum erstenmal die Umwandlung eines Elements in ein andres nachgewiesen.

In Flüssigkeiten löst sich die Emanation ihrem Partialdruck entsprechend wie ein andres Gas, ebenso wird sie von festen Körpern absorbiert, wodurch diese selbst radioaktiv erscheinen (induzierte R.). Besonders geeignet zur Sammlung induzierter Aktivität ist ein negativ auf 2000 Volt geladener Bleidraht. Durch einen mit Ammoniak getränkten Lederlappen kann man sie davon abwischen. Infolge davon, daß sich die Emanation wieder verflüchtigt oder in Helium umwandelt, ist diese R. nicht beständig wie die wahre, sondern verschwindet allmählich wieder und zwar, wenn die Einwirkungsdauer 1¹/₂ Stunde betrug, derart, daß sie in 28 Minuten jeweils auf die Hälfte sinkt. Änderung der Temperatur von -180° bis +450° ist hierauf ohne Einfluß.

Die Strahlen, die Radium aussendet, werden unterschieden in α-, β und γ Strahlen. Die αStrahlen führen positive Elektrizität mit sich und verhalten sich im Magnetfeld ähnlich wie Kanalstrahlen, d. h. sie werden nur sehr wenig abgelenkt. Die Geschwindigkeit der fortgeschleuderten Teilchen beträgt ein Zwanzigstel der Lichtgeschwindigkeit und ihre Masse etwa das Fünffache derjenigen eines Wasserstoffatoms. Die Ladung ergibt sich ähnlich wie die der Kathodenstrahlteilchen aus der Zahl der Nebeltröpfchen, die sich bei der Bestrahlung von übersättigtem Wasserdampf ergeben, gleich der eines Wasserstoffions (= 1,56.10^-19 Coulomb). Emanation sendet nur solche a Strahlen aus. Die Energie der αStrahlen ist beträchtlich, doch werden sie schon in Luft außerordentlich stark absorbiert und schon durch dünne Blättchen fester Körper völlig abgeschnitten. Die Energie verwandelt sich dabei in Wärme, und diese Wärme macht den größten Teil der beim Zerfall des Radiums entstehenden Wärme aus. Dennoch ist die pro Sekunde von 1 g Radium (= 1,62 g Bromid) ausgesandte Menge der αTeilchen so gering, daß der Gewichtsverlust des Salzes im Jahr nur 0,00075 mg beträgt. Die magnetische Ablenkbarkeit wird mit der Entfernung vom Präparat geringer, entweder weil sich die Teilchen mit unelektrischen zu solchen von größerer Masse verbinden, oder weil ihre Ladung durch Verbindung mit negativen vermindert wird. In Luft von gewöhnlicher Dichte gelangen sie nicht weiter als 10 cm, ein Aluminiumblättchen von einigen Hundertstel Millimeter Dicke absorbiert sie bereits vollständig. – Ist das Präparat in ein Glasröhrchen eingeschmolzen, so können die negativen βStrahlen heraustreten, nicht aber die αStrahlen; es kann deshalb eine so starke Anhäufung positiver Elektrizität eintreten, daß die Glaswand von einem Funken durchschlagen wird. Das Radium hat somit auch die merkwürdige Eigenschaft, von selbst elektrisch zu werden. – Die Luft wird in hohem Maße durch die αStrahlen ionisiert, d. h. leitend gemacht, so daß z. B. eine geladene Leydener Flasche in der Nähe eines Radiumpräparats allmählich ihre Ladung verliert. Jedes αTeilchen vermag etwa 100,000 Ionen zu erzeugen, ehe es von der Luft absorbiert wird. Diese Ionisation der Luft bietet das bequemste Mittel, die Größe der R. abzuschätzen. Man kann z. B. die Stärke des Stromes messen, der im Maximum in der leitend gewordenen Luft erzeugt werden kann. Diese Sättigungs- oder Grenzstromstärke wird dann erreicht werden, wenn durch die Elektroden ebensoviel Ionen dem Gas entzogen werden, als sich in der gleichen Zeit neu bilden. Auch schlechtleitende Flüssigkeiten, wie reines Wasser, Petroläther, Benzin, Vaselinöl, flüssige Luft etc., können durch Radiumstrahlen ionisiert und dadurch deutlich leitend gemacht werden. – Die Stärke des Stromes, der in Form von αStrahlen von 1 g Radium ausgeht, beträgt 1,6 Milliardeltel Ampere. Löst man das Salz in Wasser, so tritt eine dauernde Zersetzung ein, die man als eine Art Elektrolyse aufgefaßt hat. Allerdings entwickelt sich ein Überschuß von Wasserstoff. Auch die festen Salze entwickeln beständig Gase, so das Bromid Brom. Schmelzt man das Salz in ein Glasrohr ein, so entsteht deshalb die Gefahr, daß dieses infolge des zunehmenden Gasdruckes zerspringt. Sehr viele Substanzen werden durch die Radiumstrahlen chemisch verändert. Der Sauerstoff der Luft wird in Ozon verwandelt, photographische Platten werden geschwärzt. Organische Stoffe (Papier, lebende Pflanzenblätter, Samen etc.) werden zerstört, bei Einwirkung auf die Haut entstehen schwer heilende Wunden. Das Glas des Gefäßes kann violett, ja schwarz gefärbt werden, Bergkristall braun, Kaliumchlorid wird dunkelviolett, Natriumchlorid gelb, Platincyanbaryum braun etc. Beim Erhitzen verschwinden diese Färbungen wieder unter phosphorischer Lichtentwickelung (Thermolumineszenz). Flußspat wird auf diesem Wege bläulichgrün, Kalkspat rotgelb thermolumineszierend. Barytkristalle zeigen beim Schütteln ein lebhaftes Funkensprühen. Auch die Radiumsalze selbst ändern ihre Farbe unter dem Einfluß der eignen Strahlen von weiß in gelblich.

Die αStrahlen erregen Phosphoreszenz besonders deutlich bei Sidotblende (hexagonalem Zinksulfid). Diese wird auf einen Papierschirm geklebt und bestrahlt. Hierauf beruht das Spintheriskop von Crookes. Eine Spur Radiumsalz befindet sich an einer Spitze dem Schirm zugekehrt. der durch eine Lupe betrachtet wird. Das Leuchten ist ein szintillierendes, d. h. man sieht bald diesen, bald jenen Punkt aufblitzen. Das Funkeln des Schirmes bietet einen außerordentlich imposanten Anblick. Unzählige Projektile scheinen von dem Radium fortgeschleudert zu werden und da, wo sie auftreffen, eine Erschütterung hervorzubringen, die als Leuchten erscheint. Auch Diamant wird durch αStrahlen zum Leuchten gebracht und kann hierdurch von Imitationen unterschieden werden. Ferner erregen die Radiumsalze die ihnen beigemengten Stoffe (Baryumsalz) zum Leuchten, so daß ein solches Präparat im Dunkeln fortwährend leuchtet. Infolge der chemischen Wirkung nimmt das Leuchten, nicht die Strahlung, allmählich ab. Reine Radiumsalze leuchten nur schwach, indem sie den Stickstoff der umgebenden Luft zum Leuchten erregen. Die αStrahlen bilden etwa 95 Proz. der Gesamtstrahlung.

Die βStrahlen werden im magnetischen und elektrischen Feld relativ stark abgelenkt und verhalten sich wie Lenards Kathodenstrahlen. Sie erscheinen als Träger negativer Elektrizität, der Sinn der Ablenkung ist deshalb der entgegengesetzte wie bei den αStrahlen. Sie werden weit weniger stark absorbiert als diese, was auf ihre geringe Masse zurückzuführen ist, die sich nicht wesentlich von der der Kathodenstrahlteilchen unterscheidet. Die Geschwindigkeit der Teilchen ist verschieden, d. h. es gibt verschiedene Arten βStrahlen, die im Magnetfeld ebenso wie die verschiedenen Kathodenstrahlen zu einem Spektrum auseinandergebogen werden. Kaufmann beobachtete Geschwindigkeiten von 2,90.10^{10 cm}/_sec d. h. annähernd Lichtgeschwindigkeit bis 2,12.10¹⁰. Die Masse ergab sich etwa 2000mal kleiner als die eines Wasserstoffatoms, die Ladung gleich der eines Wasserstoffions. In Luft von gewöhnlicher Dichte kann die elektrische Ablenkung nicht beobachtet werden, da diese durch Ionisierung stark leitend gemacht wird. Man muß diese Versuche im Vakuum ausführen. Im Gegensatz zu den αStrahlen durchdringen die βStrahlen dicke Paraffinschichten sowie dünne Schichten von Metallen. Sie werden aber hierbei stark zerstreut, ebenso beim Durchgang durch Luft. Die am wenigsten durchdringungsfähigen Strahlen werden schon nach einem Wege von 2 mm in Paraffin völlig diffus, die durchdringungsfähigsten nach 7–8 mm. Auf dem Fluoreszenzschirm erscheinen deshalb von undurchdringlichen Körpern nur unscharfe Schattenbilder. Da auch Fleisch fast ebenso wie Knochen nur wenig für die βStrahlen durchdringlich ist, kann man nicht wie bei Röntgenstrahlen Bilder erhalten, in denen die Knochen in der Fleischmasse deutlich hervortreten; nur Metalle heben sich erkennbar ab. Gleiches gilt für die Herstellung solcher Bilder auf photographischen Platten, die übrigens ganz der von Röntgenradiographien gleicht, da die βStrahlen beträchtliche Wege in Luft zurücklegen können. Beim Durchgang durch eine dünne Platin- oder Bleiplatte tritt Bildung von Sekundärstrahlen ein, durch welche die Wirkung verstärkt wird, ähnlich wie bei Röntgenstrahlen. Die langsamsten Strahlen werden schon von einer 1 cm dicken Luftschicht aufgehalten, die schnellsten können zentimeterdicke Metallplatten durchdringen. Demgemäß wird die Luft von den langsamsten Strahlen am stärksten ionisiert, da natürlich die Ionisierungsarbeit Energieverbrauch, d. h. Absorption der Strahlen, voraussetzt. Die Ausstrahlung negativer Elektrizität in Form von βStrahlen bei 1 g Radium entspricht einer Stromstärke von 1,6.10^-9 Ampere. Der Verlust an wägbarer Masse beträgt dabei jährlich 0,00000035 mg.

Die γStrahlen führen ebenfalls negative Elektrizität mit sich und haben nahezu Lichtgeschwindigkeit wie die βStrahlen, unterscheiden sich von diesen aber durch außerordentlich hohes Durchdringungsvermögen, das größer ist als das der Röntgenstrahlen sehr harter Röhren. Sie dringen selbst durch mehrere zentimeterdicke Bleiplatten hindurch, und bei Messung der gesamten Wärmeproduktion des Radiums muß man daher, um die sehr erhebliche Energie der;-Strahlen nicht zu verlieren, das Präparat in ein sehr starkwandiges Bleigefäß einschließen. Da sie nur wenig zerstreut werden, eignen sie sich besser als die βStrahlen (die man zu diesem Zweck mit Vorteil durch einen starken Magnet beseitigt) zur Herstellung scharfer Radiographien, doch können ebenfalls keine Knochenbilder erhalten werden, da sie die Knachen fast ebensogut wie die Fleischteile durchdringen. Außerdem durchdringen sie die photographische Platte, üben also nur eine außerordentlich schwache photographische Wirkung aus, d. h. die Erzeugung der Bilder erfordert sehr lange Expositionszeit. 1 g Radium sendet in Form von γStrahlen einen negativen Strom von 3,8.10^-11 Ampere Stärke aus. Die Summe der beiden negativen Ströme sollte gleich dem positiven Strom der αStrahlen sein, da niemals ein Überschuß einer Elektrizität entstehen kann. – Da die Strahlen auch die Augenmedien zur Fluoreszenz erregen, empfindet man ein Leuchten, wenn man ein in eine Metallbüchse eingeschlossenes Radiumpräparat vor das geschlossene Auge bringt. Längere Einwirkung schädigt den Sehnerv und bringt lange andauernde Nachbilder hervor.

Andre radioaktive Stoffe, die sämtlich aus Uranerzen gewonnen wurden, sind: das Thor, doch nur das aus Uranerzen dargestellte. Seine Emanation verschwindet viel schneller als die des Radiums, so daß die Aktivität bereits in 70 Sekunden auf die Hälfte sinkt. Sie findet sich deshalb nur in der Nähe des Präparats, da sie verschwindet, ehe sie Zeit gefunden hat, sich zu entfernen. Ihr Kondensationspunkt beträgt ca. -120°. Die induzierte R. sinkt in 11¹/₂ Stunden auf die Hälfte. Das Aktinium (ähnlich dem Thor), dessen Emanation in einer Sekunde auf die Hälfte abnimmt und sich nicht weiter als auf 7–8 mm Entfernung von der aktiven Substanz ausbreiten kann. Die induzierte R. sinkt in 36 Minuten auf die Hälfte. Das Radiotellur, ähnlich dem Tellur, läßt sich auf elektrolytischem Weg auf Kupfer niederschlagen und sendet nur αStrahlen aus. Es ist identisch mit dem Polonium (ähnlich dem Wismut) und verliert seine R. in einigen Jahren vollständig. Emanation fehlt ebenfalls. Das Radioblei, eine Art Blei, wirkt auffallenderweise nur als Sulfat. Ferner kann im Gegensatz zu dem Verhalten andrer Stoffe seine Aktivität durch Kathodenstrahlen verstärkt werden. Das Emanium, ähnlich dem Lanthan, vielleicht aber identisch mit Aktinium, sendet außerordentlich viel mehr Emanation aus als Radium. Das Szintillieren eines Sidolblendeschirms ist viel glänzender als bei diesem und schon mit freiem Auge zu beobachten.

Alle diese Stoffe sind, weil in beständigen Zerfall begriffen, nicht einheitlich. So bildet sich bei der Umwandlung von Radium unter Aussendung von αStrahlen zunächst Emanation, von dieser verwandelt sich in ca. 4 Tagen die Hälfte, wieder unter Aussendung von αStrahlen, in eine feste radioaktive Substanz, das Radium A, dieses zerfällt wieder unter Aussendung von αStrahlen in das feste Radium B und zwar in 3 Minuten die Hälfte. Das Radium B zerfällt ohne nachweisbare Strahlenbildung und zwar in 21 Minuten die Hälfte in das feste Radium C. Dieses zerfällt weiter in 28 Minuten zur Hälfte in das wahrscheinlich mit Radioblei identische Radium D unter Aussendung von α-, β- und γStrahlen. In 40 Jahren ist die Hälfte dieses Radiums D ohne Strahlenbildung in Radium E übergegangen. Dieses zerfällt unter Aussendung von β- und βStrahlen in 6 Tagen zur Hälfte in Radium F, wahrscheinlich identisch mit Polonium, dieses zerfällt in 143 Tagen zur Hälfte unter Aussendung von αStrahlen in Radium G, das identisch mit Blei zu sein scheint. Die fortgeschleuderten αTeilchen bilden nach Neutralisation ihrer Ladung durch Elektronen Heliumatome. Da eine gewisse kleine Leitfähigkeit allen Gasen in Metallbehältern zukommt, hat man vermutet, daß in äußerst geringem Maße R. allen Metallen zukommt. Elster und Geitel bemerkten, daß negativ geladene Drähte in Kellern, tiefen Schächten etc. einen radioaktiven Überzug erhielten, der sich abreiben läßt. Sidotblende, negativ elektrisch gemacht, kommt in Kellerluft allmählich zum Szintillieren. Fangoschlamm zeigt starke induzierte R., ebenso Schlamm und Wasser aus Thermalquellen, die aus großer Tiefe hervordringen. Die denselben entweichenden Gase enthalten Emanation. Hiernach hat es den Anschein, als ob in großer Tiefe in der Erde radioaktive Substanzen in größerer Menge enthalten wären. Die Anwesenheit von Heli um auf der Sonne scheint damit in Beziehung zu stehen. Auch das stets vorhandene Leitungsvermögen der Luft ist vielleicht teilweise durch radioaktive Stoffe hervorgerufen. Vgl. S. Curie, Recherches sur les substances radio-actives (Par. 1904; deutsch, Braunschw. 1904); K. Hofmann, Die radioaktiven Stoffe (2. Aufl., Leipz. 1904); Soddy, Radio-activity (Lond. 1904; deutsch, Leipz. 1904); Daniel, Radioactivité (Par. 1905); Marckwald, Über Becquerelstrahlen und radioaktive Substanzen (Berl. 1904); Rutherford, Radioactivity (New York 1904; deutsch, Berl. 1907); Danne, Le radium (Par. 1904; deutsch, Leipz. 1904); Besson, Le radium et la radio activité (Par. 1904; deutsch. Leipz. 1905); Papius, Das Radium und die radioaktiven Stoffe (Berl. 1905).