TextaufgabenEntdeckung der Radioaktivität

Fotoplatte — weist die Strahlung nach, weil sie sich beim Entwickeln dort schwärzt, wo Strahlung aufgetroffen ist. Schwarzes Papier — hält jedes sichtbare Licht von der Platte fern, sodass nur eine durchdringende Strahlung sie erreichen kann. Uransalz — der untersuchte Stoff, von dem die Strahlung ausgeht.

Erwartung: Das Salz sollte gespeichertes Sonnenlicht als Strahlung wieder abgeben. Ohne Sonne konnte es nichts gespeichert haben — die Platte aus der Schublade hätte also hell bleiben oder höchstens eine schwache Schwärzung zeigen müssen. Beobachtung: Die Platte war genauso stark geschwärzt wie die Platte, die stundenlang in der Sonne gestanden hatte.

Die Strahlung stammt nicht vom Sonnenlicht, sondern wird vom Uransalz von selbst und ununterbrochen ausgesendet — auch im Dunkeln.

Uransalz fest: \(40:2{,}0=20\) pA/g; gelöst: 20 pA/g; erwärmt: 20 pA/g; Uranoxid: \(80:4{,}0=20\) pA/g. Der Strom pro Gramm Uran ist in allen vier Fällen gleich. Zusammenhang: Die Stärke der Strahlung hängt nur von der Menge Uran ab — nicht von der chemischen Verbindung, nicht vom Aggregatzustand, nicht von der Temperatur. Die Strahlung ist also eine Eigenschaft des Uranatoms selbst.

Pechblende: \(160:2{,}0=80\) pA/g — das Vierfache des Wertes für reines Uran. Nach a) müssten 2,0 g Uran aber nur 40 pA liefern. Der Überschuss von 120 pA kann nicht vom Uran stammen. Vermutung: In der Pechblende steckt ein weiterer, bisher unbekannter Stoff, der sehr viel stärker strahlt als Uran. Diese Vermutung führte 1898 zur Entdeckung von Polonium und Radium.

Die Aussage ist nicht haltbar. Laut Fußnote enthält die Pechblende-Probe genau 2,0 g Uran — ebenso viel wie Uransalz A, das nur 40 pA liefert. Mit „mehr Uran“ lässt sich die vierfache Wirkung also nicht erklären. Selbst reines Uran (100 %) käme nur auf 20 pA/g. Die Erklärung muss ein zusätzlicher strahlender Stoff sein — genau der Schluss Marie Curies.

\(t = 4\cdot 24\cdot 3600\ \text{s} = 345\,600\ \text{s}\). Zerfälle: \(N = 12\,400\ \tfrac{1}{\text{s}}\cdot 345\,600\ \text{s} \approx 4{,}29\cdot 10^{9}\) — rund 4,3 Milliarden Kernzerfälle.

Anteil: \(\dfrac{4{,}29\cdot10^{9}}{2{,}5\cdot10^{21}} \approx 1{,}7\cdot10^{-12}\), also weniger als ein Billionstel. Erklärung: Obwohl jede Sekunde Tausende Kerne zerfallen, ist der Vorrat so unvorstellbar groß, dass er praktisch nicht abnimmt. Die Aktivität bleibt über Jahre, Jahrhunderte und Jahrtausende nahezu gleich — das Salz strahlt „ewig“, ohne jemals Energie von außen zu brauchen.

Ein einzelner Zerfall verändert nur ein einzelnes Silberkorn in der Schicht der Platte — unsichtbar. Die Fotoplatte summiert aber alle Treffer, die während der Belichtungszeit an derselben Stelle ankommen. Bei über vier Milliarden Zerfällen in vier Tagen (Aufgabe a) werden so viele Körner verändert, dass beim Entwickeln eine deutliche Schwärzung entsteht. Genau deshalb wird die Schwärzung mit der Wartezeit stärker — und deshalb hinterließ das Kupferkreuz einen Schatten.

1 t = 1 000 000 g. Anteil: \(\dfrac{0{,}1\ \text{g}}{1\,000\,000\ \text{g}} = 1\cdot10^{-7} = 0{,}000\,01\ \%\). Auf zehn Millionen Gramm Erz kam also ein Gramm Radiumsalz.

Nach jedem Trennschritt musste entschieden werden, in welchem der beiden Teile das Radium steckt — und nur dieser Teil wurde weiterverarbeitet. Das Elektrometer liefert dafür innerhalb von Minuten eine Zahl (den Strom), mit der sich die beiden Teile direkt vergleichen lassen: Der aktivere Teil enthält das Radium. Die Fotoplatte braucht Tage der Belichtung plus Entwicklung und zeigt nur „schwarz oder nicht“ — ein feiner Vergleich zweier Proben ist damit kaum möglich. Bei Hunderten von Trennschritten wäre die Plattenmethode viel zu langsam und zu ungenau gewesen.

Die Aussage ist falsch. Leuchtfarben zeigen Nachleuchten (Fluoreszenz/Phosphoreszenz): Sie geben Energie ab, die sie vorher als Licht aufgenommen haben, und werden im Dunkeln nach kurzer Zeit dunkel. Radium leuchtet dagegen ohne jede vorherige Bestrahlung und hört auch nach Jahren im Dunkeln nicht auf. Die Energie stammt aus dem Inneren der Atome, nicht aus gespeichertem Licht — das ist das Kennzeichen der Radioaktivität (Becquerels Schubladenversuch). Das Leuchten ist nur eine Folge: Die Strahlung regt umliegende Stoffe und die Luft zum Leuchten an.

Zufällig waren: die bewölkten Tage Ende Februar 1896, die den geplanten Versuch verhinderten; und dass Becquerel gerade ein Uransalz als nachleuchtenden Stoff gewählt hatte — mit einer anderen fluoreszierenden Substanz (z. B. Zinksulfid) hätte die Platte in der Schublade hell bleiben müssen.

Beispiele (drei genügen): 1. Becquerel entwickelte die ungenutzte Platte trotzdem — er prüfte seine Annahme („ohne Sonne keine Schwärzung“), statt sie vorauszusetzen. 2. Er nahm das unerwartete Ergebnis ernst, wiederholte den Versuch im Dunkeln und mit lange gelagertem Salz und veröffentlichte es. 3. Marie Curie ersetzte die Fotoplatte durch das Elektrometer und machte die Strahlung damit messbar — eine Zahl statt „schwarz oder nicht“. 4. Sie variierte gezielt eine Größe nach der anderen (chemische Form, Temperatur, Masse) und fand so den Zusammenhang „nur die Uranmenge zählt“. 5. Aus dem Widerspruch bei der Pechblende leitete sie eine Hypothese ab (neues Element) und prüfte sie durch jahrelanges Trennen und Nachmessen.

Der erste Teil der Aussage ist teilweise richtig: Ohne den bewölkten Himmel wäre die Entdeckung 1896 wohl nicht in dieser Form gelungen — der Zufall hat den Anstoß gegeben. Der zweite Teil ist falsch: Der Zufall lieferte nur eine Beobachtung, keine Erkenntnis. Erst die wissenschaftliche Haltung — eine Erwartung formulieren, sie prüfen, das Unerwartete nicht wegerklären, sondern durch Kontrollversuche und Messungen absichern — machte aus dem dunklen Fleck die Entdeckung der Radioaktivität. Viele Menschen hätten die Platte gar nicht entwickelt oder die Schwärzung als Fehler abgetan. Urteil: Zufall und Wissenschaft schließen sich nicht aus; der Zufall war der Auslöser, die Methode war die Entdeckung.