Die Entdeckung der Radioaktivität um 1900 startete eine intensive Forschung, die zur Entwicklung neuer medizinischer Heilmethoden und zu bahnbrechenden Kenntnissen über den Aufbau der Atomkerne führte. Mit der Kernphysik verknüpfen viele Menschen aber auch Ängste, sei es wegen der Bedrohung durch Kernwaffen oder wegen der Gefahren, die von Kernkraftwerken ausgehen. Zur Überprüfung der Intensität und der Art der radioaktiven Strahlung stehen verschiedene Messgeräte zur Verfügung. Die Sendung gliedert sich in folgende Abschnitte:
Antonie Becquerel entdeckte radioaktive Strahlung eher zufällig.
Eine Fotoplatte war offensichtlich schon vor der gewünschten Aufnahme durch eine
bis dahin unbekannte Strahlung teilweise belichtet worden. Da damals das
wertvolle Fotomaterial sehr gewissenhaft in lichtundurchlässiger Verpackung
aufbewahrt wurde, musste es sich um eine Strahlung handeln, die mühelos dickes
Papier durchdringt. In der Sendung wird die Entdeckung von Becquerel
nachempfunden. Auf ein unbelichtetes Polaroid-Fotopapier wurde längere Zeit ein
uranhaltiger Gesteinsbrocken gelegt. Damit wird nun das Studio fotografiert,
nach der Entwicklung zeigt sich im Bild ein stärker belichteter Streifen, der von einer
radioaktiven Strahlung des Gesteins stammt. Das Forscher-Ehepaar Curie fand heraus, dass die radioaktive Strahlung von bisher
unbekannten chemischen Elementen ausgeht, die natürlicher Weise bei der
Entstehung der Erde gebildet wurden. Man spricht hier von "natürlicher
Radioaktivität", während radioaktive Endprodukte aus Reaktoren zur künstlichen
Radioaktivität gezählt werden.
Der Mensch verfügt über keinerlei
Sinneswahrnehmung für Radioaktivität, deshalb werden zum Nachweis spezielle
Geräte benötigt. Das Geiger-Müller-Zahlrohr wird später in der Sendung näher
erklärt. Damit wird nun die Strahlung eines Radium-Präparats "gezählt". Mit
einem starken Magnetfeld senkrecht zum Strahl spaltet sich die radioaktive
Strahlung in drei Teile auf. Die Richtungen der Ablenkungen zeigen, dass der
erste Teil ("
-Strahlung") positiv geladene Teilchen enthält - es sind Heliumkerne.
Der zweite Teil ("ß-Strahlung") enthält negativ geladene Teilchen - es
sind Elektronen. Der dritte Teil ("
-Strahlung") enthält ungeladene
Teilchen - es sind elektromagnetische Wellenpakete mit sehr hoher Energie bzw.
Frequenz.
Die drei Sorten radioaktiver Strahlung verhalten sich in Materialien ganz
verschieden. -Strahlung wird bereits in dünnen Schichten von Papier absorbiert, ß-Strahlung erst in dickeren Schichten
von Metall. -Strahlung dagegen kann auch von
dicken Schichten Blei oder Beton nur abgeschwächt, aber nie völlig absorbiert
werden. Wie kann man dieses unterschiedliche Verhalten von -, ß- und -Strahlen
erklären. Bei - und ß-Strahlen gibt es in Materie eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass sie mit dem Kern oder
mit Elektronen wechselwirken. -Teilchen geben wegen ihrer großen
Masse bei jedem Stoß mit einem Kern viel Energie ab und haben deshalb eine sehr
kurze Reichweite. ß-Teilchen können wegen ihrer kleinen Masse Energie
eher an Leitungselektronen übertragen. Deshalb werden sie besonders gut in
Metallen absorbiert. Bei -Photonen ist die Wahrscheinlichkeit
einer Wechselwirkung mit Materieteilchen sehr gering, weil sie nicht auf elektrische
Kräfte reagieren. Wenn sie an einen Kern Energie abgeben, dann kann es sein,
dass das Photon dabei verschwindet (Fotoeffekt). Deshalb werden -Strahlen in Materie nur
abgeschwächt. All diese Ergebnisse lassen sich übersichtlich in einer Tabelle zusammenfassen.
Nachweisgeräte für Radioaktivität nützen die besonderen Eigenschaften
radioaktiver Strahlen. Neben der Schwärzung von Fotopapier ist die Ionisation
von Luft ein interessanter Ansatz. Ein geladenes Elektroskop entlädt sich bei radioaktiver Bestrahlung, egal ob
die Ladung positiv oder negativ ist. Die Ionisationswirkung der Radioaktivität
ist deshalb kein Fotoeffekt. In einem Geiger-Müller-Zählrohr bewirkt ein radioaktives Teilchen, egal
ob es ein -, ß- oder -Teilchen ist, eine Spur von
ionisierten Gasteilchen und von freien Elektronen. Beide Ladungssorten werden
durch ein elektrisches Feld zwischen der Blechröhre und dem Draht in der Mitte
getrennt. Die Feldstärke ist um den Draht so groß, dass dort beschleunigte
Elektronen eine Lawine weiterer Ionen und Elektronen erzeugen. So tritt pro
Teilchen ein starker Stromimpuls auf, der gezählt wird und an einem Lautsprecher
ein Knackgeräusch verursacht.
Das Prinzip einer Nebelkammer lässt sich leicht mit den Kondensstreifen von
Flugzeugen erklären. Die Luft in der Kammer wird mit Wassermolekülen
angereichert. Sobald "Kondensationskeime" eingebracht werden, formen sich feine
Wassertröpfchen, die eine Nebelspur bilden. Diese Kondensationskeime liefern die
radioaktiven Teilchen, die entlag ihres Weges Luftmoleküle ionisieren.
Die Entdeckung der radioaktiven Strahlen brachte neue Erkenntnisse über den
Aufbau der Atomkerne. Im Atomkern befinden sich positiv geladene Protonen mit
einer etwa 2000fachen Masse gegenüber Elektronen. Bei einem nach außen hin neutralen Atom ist die Anzahl der Elektronen in der Hülle gleich
der Anzahl der Protonen im Kern; man spricht von der Kernladungszahl Z. Bei Streuversuchen mit -Teilchen kann die Kernladungszahl
aus der Winkelverteilung der gestreuten -Teilchen ermittelt werden. Es ist
anschaulich, dass mit zunehmendem Z alle Teilchen unter größeren Winkeln
gestreut werden. Das richtige Z finden die Forscher, indem Sie die
experimentellen Daten mit Computersimulationen vergleichen. Mit den ersten
Forschungsarbeiten trat ein bemerkenswertes Ergebnis zutage. Die Kernladungszahl
Z eines Elements ist identisch mit seiner Ordnungszahl im Periodensystem. Daraus kann man schließen, dass die Chemiker,
die das Periodensystem fast hundert Jahre vorher aufstellten, schon fast alle
der leichteren und mittelschweren Elemente kannten und deshalb in ihrer
Reihenfolge nach Masse keine Lücken für Z auftraten.
Die Ablenkung von Ionen in elektrischen und magnetischen Feldern hängt von
ihrer Masse und ihrer Ladung ab. Francis Aston entwickelte mit dieser Idee ein
Massenspektrometer, das eine Analyse eines Gases nach seinen Bestandteilen
erlaubt. Im Studio werden zuerst die Anteile der Raumluft aufgezeichnet, um dieses Ergebnis mit der ausgeatmeten
Luft des Moderators zu vergleichen. Wie leicht zu vermuten, bleibt der
Stickstoffanteil (Doppelbalken ganz links) dabei konstant, der Sauerstoffanteil
(2. Anzeige von links) ist etwas abgesenkt und der Kohlenstoffdioxidanteil
(Anzeige ganz rechts) deutlich erhöht. Bitte beachten Sie, dass die Balkenhöhen
nicht dem Verhältnis in Prozent entsprechen, sondern in "logarithmischer" Weise
die kleineren Anteile stark vergrößert sind.
In einem zweiten Versuch
wird untersucht, ob ein schwebender Luftballon Wasserstoff oder Helium enthält.
Zur sicheren Analyse mit dem Massenspektrometer reichen bereits die
geringfügigen Ausdünstungen durch die Gummihaut; der Luftballon muss nicht
einmal geöffnet werden. Dabei wird festgestellt, dass Helium viermal so schwer ist wie Wasserstoff: Helium besteht aus zwei
Protonen, die dem Kern zwei positive Elementarladungen geben und aus zwei
Neutronen, die genau so schwer sind wie Protonen, aber ungeladen.
Mit
einem Massenspektrometer können also Atommassen unterschieden werden, die sich
um einen einzigen Baustein des Kerns unterscheiden. Damit konnte herausgefunden
werden, dass chemisch gleichartige Elemente mit leicht verschiedenen Massen
vorkommen. Diese Isotope (griechisch: "gleiche Orte") stehen dann im Periodensystem am gleichen Platz und haben mit der gleichen
Ordnungszahl die gleiche Kernladungszahl, aber verschieden viele Neutronen. Bei
Wasserstoff gibt es drei Isotope: Den einfachen Wasserstoff (kein Neutron), das Deuterium
(ein Neutron) und das Tritium (zwei Neutronen).