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Große Entdecker und Erfinder – der Uran Entdecker Martin Heinrich Klaproth

Uran ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol U und der Ordnungszahl 92. Hören wir Uran, so denken wir zunächst an den Stoff, aus dem Atombomben gemacht und mit dem Kernkraftwerke betrieben werden.
Doch Uran ist mehr: Es ist ein relativ weiches, silber-weißes Metall hoher Dichte, dessen Isotope radioaktiv sind. Als Isotope bezeichnet man Arten von Atomen, deren Atomkerne gleich viele Protonen (gleiche Ordnungszahl), aber verschieden viele Neutronen enthalten. Die Uran-Isotope sind instabil, d. h., durch radioaktiven Zerfall wandeln sie sich nach mehr oder weniger langer Zeit in andere Atome um. Unter Radioaktivität (lat. radius ‚Strahl‘ und activus ‚tätig‘, ‚wirksam‘; dt. Strahlungsaktivität) versteht man die Eigenschaft instabiler Atomkerne, spontan ionisierende Strahlung auszusenden. Der Kern wandelt sich dabei unter Aussendung von Teilchen in einen anderen Kern um oder ändert unter Energieabgabe seinen Zustand.
Eine besondere Bedeutung erlangte das Uran nach der Entdeckung der Kernspaltung im Jahr 1938 im Kaiser-Wilhelm-Institut für Chemie in Berlin unter der Leitung von Otto Hahn.
Doch von alle dem wusste der Apotheker und Chemiker Martin Heinrich Klaproth Ende des 18. Jahrhunderts noch nichts.
Klaproth wurde am 1. Dezember 1743 in Wernigerode als Sohn eines Schneiders geboren. Er besuchte die Stadtschule in Wernigerode und ging anschließend zur Lehre in die Ratsapotheke in Quedlinburg. Dort war er zunächst für sechs Jahre tätig. Danach arbeitete er von 1766 bis 1770 als Apothekengehilfe in der Hofapotheke Hannover, der Mohrenapotheke Berlin und der Ratsapotheke Danzig. Während seines Berlinaufenthaltes bildete er sich bei dem aus Halberstadt stammenden Chemiker Prof. Dr. Johann Heinrich Pott weiter. Zudem nahm er auch Unterricht bei dem bedeutenden Chemiker seiner Zeit, Andreas Sigismund Marggraf, der Direktor der Physikalisch-Mathematischen Klasse der Königlichen Akademie der Wissenschaften war.
Prof. Martin Heinrich KlaprothKlaproth kehrte 1770 aus Danzig nach Berlin zurück und arbeitete dort in der Apotheke Zum Weißen Schwan. Die Apotheke wurde von dem angesehenen Apotheker, Chemiker und Metallurgen Valentin Rose dem Älteren geführt, der Klaproth weiter ausbildete. Es entstand eine freundschaftliche Beziehung zwischen diesen beiden, und als Rose kurze Zeit später verstarb, führte Klaproth die Apotheke weiter. Zudem übernahm er die Erziehung der vier Kinder seines verstorbenen Arbeitgebers. Die Apotheke stand wirtschaftlich auf gesunden Füßen, was Klaproth ermöglichte sich ein Versuchslabor einzurichten.
Klaproth hielt auch die Verbindungen zu seinen früheren Lehrern Dr. Pott und Marggraf. Bei einem Besuch Marggrafs lernte er dessen Nichte Christine Sophie Lehmann kennen. Es entwickelte sich eine Beziehung, die schon bald zur Heirat führte. Christine Lehmann war die Tochter des wohlhabenden Kaufmanns Joachim Friedrich Lehmann. Andreas Marggraf hatte die Bärenapotheke nach dem Tod seiner Mutter durch Erbstreitigkeiten verloren. Sie ging zunächst an seinen Bruder Henning Marggraf, der sie an seinen Schwager Lehmann verkaufte. Diese Apotheke erwarb Klaproth 1780 nach der Heirat mit Christina Sophia Lehmann und er führte sie 20 Jahre lang.
Häufig experimentierte Klaproth in seinem Laboratorium. Besonders inspiriert war er bei der Analyse von Mineralien und wurde so zu einem großen Entdecker und Chemiker. Nebenamtlich wirkte er seit 1787 als Professor der Chemie an der Berliner Artillerieschule, als Dozent am Collegium medico-chirurgicum und als Lehrer des Berg- und Hütteninstitutes. Letzte Tätigkeit weckte wohl noch zusätzlich sein Interesse an der Analyse von Bergbauprodukten.
Im Jahr 1789 entdeckte Klaproth so die Elemente Zirkon und Uran. 1792 folgte Strontium, 1795 Titan, 1797 Tellur und 1803 Cer.
Das Uran, seine erste und wohl bedeutendste Entdeckung isolierte er aus dem Mineral Pechblende, das auch Uranitit genannt wird. Das ist ein häufiger vorkommendes Mineral aus der Mineralklasse der „Oxide und Hydroxide“.




Ab 1800 arbeitete Klaproth als ordentlicher Chemiker an der Akademie der Wissenschaften und als Nachfolger von Franz Carl Achard.
In den Jahren von 1795 bis 1815 gab er sechs Bände seiner „Beiträge zur chemischen Kenntnis der Mineralkörper“ heraus; der Mineralienanalyse galt seine ganz besondere Vorliebe. Auch der Bestimmung des Silber-, Kupfer-, Zinkgehaltes von Metallen, Münzen und der Glasanalyse galt Klaproths Interesse. Ferner entwickelte er ein Aufschlussverfahren für Silikate (Eindampfen mit Kalilauge, Schmelzen im Silbertiegel). Er fand Phosphate im Harn, klärte die Zusammensetzung von Alaun, Apatit auf, analysierte Rotkupfererz, Gelbbleierz, Aragonit, Lepidolith, Dolomit, Smaragd, Topas, Granat und Titanit.
Zudem erbrachte Klaproth Pionierleistungen in der Chemie, in dem er für eine Reihe von noch nicht bekannten oder unrichtig eingeordneten Verbindungen neue qualitativere Analyseverfahren einführte. Er gab präzise Versuchsbeschreibungen, die auch Angaben über mögliche Fehlerquellen enthielten, was seinerzeit noch nicht allgemein üblich war. Nebenher trug er eine immense Mineraliensammlung zusammen, die am Ende seines Lebens 4828 Stücke umfasste und nach seinem Tod von der Berliner Universität angekauft wurde und sich heute im Berliner Museum für Naturkunde befindet.
1810 erhielt er auf Vorschlag Alexander von Humboldts eine Berufung als Professor der Chemie an die neu gegründete Berliner Universität. 1815 wurde er zum auswärtigen Mitglied der Göttinger Akademie der Wissenschaften gewählt.
Am Neujahrstag 1817 verstarb Klaproth an einem Schlaganfall. Er wurde auf dem Berliner Dorotheenstädtischen Friedhof beigesetzt. Martin Heinrich Klaproth war einer der ganz großen Chemiker seiner Generation und als Entdecker von Elementen in der anorganischen Chemie wohl führend in seiner Zeit.

Die Entdeckung und Erforschung der Radioaktivität – Teil 3

Die Radioaktivität war entdeckt und in vielen Ländern versuchten Wissenschaftler dazu neue Erkenntnisse zu gewinnen.
Schon vor der Entdeckung der Radioaktivität beschäftigten sich Physiker zudem mit Untersuchungen zur atmosphärischen Elektrizität. Anfangs galt Luft als Isolator, bei genauer Beobachtung zeigte sich jedoch, dass Luft in der freien Atmosphäre durchaus leitend sein kann. Doch wie ist dieses Phänomen physikalisch zu erklären?
Dazu stellten Wissenschaftler verschieden Theorien auf, ohne diese jedoch naturwissenschaftlich untermauern zu können. So wurde beispielsweise die sich ändernde Luftfeuchtigkeit oder auch der Feinstaubgehalt der Luft als Erklärungsversuch herangezogen.
Den beiden Wolfenbüttler Physikern Elster und Geitel genügten diese Ansätze jedoch nicht, sie stellten 1889 ihre eigene Theorie auf: Sie vermuteten frei bewegliche Ionen in der Atmosphäre, die dieses elektrische Leitvermögen ermöglichten.
Zunächst stellten sie elektrolytische Versuche in Flüssigkeiten an und adaptierten die dortigen Prozesse in die Atmosphäre. Dann stellte sich für die beiden Wissenschaftler die Aufgabe ihre Theorie in der Praxis zu beweisen. Dazu mussten sie einerseits Experimente zum elektrischen Leitverhalten von atmosphärischer Luft durchführen, andererseits war der Ionisierungsprozess zu untersuchen und nachzuweisen.
Wir müssen bedenken, dass die Versuchslabore zur damaligen Zeit noch sehr einfach ausgestattet waren, Messgeräte nach heutigem Maßstab gab es zudem auch noch kaum. Die Experimente und Versuche waren einfacher Natur und der genauen Beobachtungsgabe kam ein großer Stellenwert zu.
Prof. Dr. Dr.-Ing. e.h. Julius Elster und sein Partner Prof. Dr. h.c. Dr.-Ing. e.h. Hans Geitel waren jedoch nicht nur Physik-Wissenschaftler, sondern auch erfahrene Techniker. So gaben sie der Radioaktivitätsforschung ein Messgerät an die Hand, das sie „luftelektrischen Zerstreuungsapparat“ nannten und das sie selbstentwickelt hatten sowie von der Braunschweiger Instrumentenbaufirma Günther & Tegetmeyer bauen ließen. Es handelte sich dabei im Wesentlichen um ein Elektroskop mit aufgesetztem Blechzylinder. Mit dem Elektroskop lassen sich elektrische Ladungen und Spannungen messen. Der Blechzylinder wurde elektrisch aufgeladen und mit dem Elektroskop konnte dann der aus der vorhandenen Ionenkonzentration resultierende zeitliche Ladungsverlust ermittelt werden.
Bei ihren Untersuchungen zum Leitungsverhalten atmosphärischer Luft konnten sie Merkwürdiges beobachten: Unter einer Glocke abgeschlossene Luft wurde mit der Zeit zunehmend leitfähiger, bis ein Maximalwert erreicht war. Dieser hielt sich über einen langen Zeitraum weitgehend konstant.
Eine Entdeckung in jener Zeit ließ die beiden Physiker aufhorchen: Als man mit radioaktiven Körpern experimentierte, ließ sich durch die Strahlung, die von diesem Körper ausging, nachweisen, dass die umgebende Luft elektrische Leitfähigkeit erhalten hatte. Unter abgeschlossenen Bedingungen verlief diese Leitfähigkeit ähnlich der, die Elster und Geitel in ihrem Versuch unter der Glocke beobachtet hatten. Die beiden Physiker warfen die Frage auf, ob Radioaktivität für die nachgewiesene elektrische Leitfähigkeit der atmosphärischen Luft, deren Ionisierung, verantwortlich sein konnte. Um diese Frage beantworten zu können nahmen Elster und Geitel weitere Experimente vor.
Der neuseeländische Experimentalphysiker und Nobelpreisträger Ernste Rutherfort (1871-1937) schrieb dazu in einem Rückblick: „Diese Annahme veranlasste Elster und Geitel zu dem kühnen Versuch, eine radioaktive Substanz aus der Atmosphäre zu gewinnen.“
Die Wolfenbütteler Physiker zogen weitere Schlüsse aus ihrer Vermutung: Wenn die Strahlungsquelle für eine radioaktiv verursachte Ionisation in der Luft selbst liegt, so müsste die Luft in Räumen, die weder wetterbedingt noch von Menschenhand beeinflusst werden – also längere Zeit ruht – ein Maximum an elektrischer Leitfähigkeit aufweisen. Daher drängte sich der Gedanke auf, nach einem Raum zu suchen, der die genannten Voraussetzungen erfüllt.
Nach längerer Abwägung favorisierten Elster und Geitel eine ungenutzte Höhle. Davon gab es in der näheren Umgebung – im Harz – zahlreiche. Sie hörten sich um, fragten nach, und sie fanden einen Unterstützer für ihr Vorhaben, den Rübeländer Forstmeister Karl Stolze. Dieser war Mitbegründer des örtlichen Harzklubs und im oblag die fremdenverkehrstechnische wie auch die wissenschaftliche Betreuung der Rübeländer Baumannshöhle. Der Forstmeister ermöglichte den Physikern außerhalb der Besuchersaison den Höhlenzutritt. Man hoffte das in dieser Zeit die Luft frei von menschengemachten Verunreinigungen sei, und schob daher das Experiment bis kurz vor Saisoneröffnung hinaus. Am 27. und 28. April 1901 führten sie ihre Messungen durch. Zum Vergleich wurden luftelektrische Messungen am Höhleneingang sowie im „Tanzsaal“ des Höhlenkomplexes durchgeführt.
Auf diese Weise konnten Geitel und Elster messtechnisch ihre Theorie unter Beweis stellen. Die Physiker schrieben in Auswertung ihrer Messungen: „Die vergleichenden Messungen außerhalb und innerhalb der Höhle zeigten nun in schlagender Weise die ganz abnorm gesteigerte Leitfähigkeit der Höhlenluft.“ Als Beweis, und zum Vergleich, führten sie entsprechende Messungen noch in anderen Höhlen durch, die tendenziell ihre Ergebnisse bestätigten.
In der Physikalischen Zeitung Nr.2 1901 veröffentlichten Elster und Geitel folgende Schlussfolgerung: „Da die abgeschlossenen Luftmengen sich so verhalten, als seien in ihnen selbst oder in den einschließenden Wänden geringe Spuren radioaktiver Substanzen zugegen, so erscheint es nicht unmöglich, dass die bisher bekannten radioaktiven Elemente überall verbreitet sind.“
Bereits ein Jahr zuvor, also im Jahr 1900, hatte der Hallenser Physiker Friedrich Ernst Dorn das radioaktive Gas Radon entdeckt. Auch er stellte Versuche zu atmosphärischer Elektrizität an, konnte sie jedoch nicht nachweisen und begründen.
Elster und Geitel hingegen hatten die allgegenwärtige Existenz radioaktiver Substanzen in der atmosphärischen Luft erkannt und nachgewiesen. Dorns Entdeckung des Radons war ihnen aber wohl noch nicht bekannt. Zudem hatten sie nachgewiesen, das an Hand geologischer Abweichungen die elektrische Leitfähigkeit der Luft und damit auch ihre Radioaktivität erheblich schwanken können. Heute wissen wir: Radon ist ein radioaktives chemisches Element mit dem Elementsymbol Rn, das zur Gruppe der Edelgase zählt. Zudem wissen wir, dass Radon fast überall in der Luft vorkommt, jedoch in gesundheitsgefährdenden Konzentrationen zumeist nur in Räumlichkeiten mit geringer oder keiner Be- oder Entlüftung, wobei das eigentliche Gesundheitsrisiko durch die Strahlung der Radon-Zerfallsprodukte entsteht.
Elster, Geitel, Dorn und andere Wissenschaftler hatten entscheidende Grundlagenforschungen betrieben, doch bis ihre Fakten und Erkenntnisse zusammengeführt und auch formuliert werden konnten, verging noch eine Zeit.




Die Entdeckung und Erforschung der Radioaktivität – Teil 2

Zwar hatte Martin Heinrich Klaproth 1789 das Uran entdeckt, seine Entdeckung hatte jedoch für das nächste Jahrhundert keine weitere Bedeutung; das geschlossene newtonsche Weltbild hatte in der Physik weiterhin Bestand.
Durch Zufall entdeckte der französische Physiker Henry Becquerel dann 1896 die radioaktive Strahlung. Er hatte in einer Dunkelkammer Präparate deponiert, die er mit einer Fotoplatte abgedeckt hatte. Dabei bemerkte er, dass die Platte geschwärzt wurde, obwohl kein Licht einfallen konnte. Er erkannte eine Strahlung, die nicht zum Spektrum des sichtbaren Lichtes gehören konnte. Seine Entdeckung nannte er Uranstrahlen. Becquerel hatte mit seinen Experimenten die Radioaktivität entdeckt, jedoch interessierte das zunächst niemanden.
Etwa 1,5 Jahre später begann die aus Polen stammende Physikerin und Chemikerin Marie Curie mit Forschungen im Bereich der Radioaktivität. Curie, die in Frankreich studiert hatte, war auf der Suche nach einem Thema für ihre Promotion und wandte sich der von Becquerel entdeckten Strahlung zu.
Zuvor, im Jahr 1895, hatte Marie den französischen Physiker Pierre Curie geheiratet, der sie maßgeblich förderte und unterstützte. Zur Auswahl des Themas ihrer Doktorarbeit sowie zu ihren geplanten Experimenten, die sie zusammen mit ihrem Mann Pierre durchführen wollte, schrieb sie folgendes: „Es galt also, die Herkunft der übrigens sehr geringen Energie zu untersuchen, die von dem Uran in Form von Strahlung ständig ausgesandt wurde. Die Erforschung dieser Erscheinung erschien uns ungewöhnlich interessant, umso mehr, da dieses Problem völlig neu war und noch nirgends beschrieben worden war. Ich beschloss, mich der Bearbeitung dieses Themas zu widmen. Ich musste einen Ort zum Durchführen der Experimente finden. Pierre Curie erhielt vom Direktor der Schule die Genehmigung, zu diesem Zweck die verglaste Arbeitsstätte im Erdgeschoss zu benutzen, die als Lager und Maschinensaal diente.“
Die Arbeiten des Forscher-Ehepaares Curie waren äußerst erfolgreich: 1898 entdeckten sie das Radium und das Polonium als Spaltprodukte der Pechblende. Aus ihren zahlreichen Experimenten gewannen sie die Erkenntnis, dass die Uranstrahlung (Becquerel-Strahlung) eine Eigenschaft bestimmter Elementarteilchen – Atome – und keine chemische Eigenschaft der untersuchten uranhaltigen Verbindungen ist. In ihrem diesbezüglichen Forschungsbericht wurde erstmals der Begriff „radioaktiv“ verwendet. Im Jahre 1903 erhielten Marie und Pierre Curie gemeinsam eine Hälfte des Physik-Nobelpreises für „ihre gemeinsamen Arbeiten über die von H. Becquerel entdeckten Strahlungsphänomene“. Die zweite Hälfte des Preises ging an Henri Becquerel.
Die Entdeckung der Radioaktivität hatte die Weltsicht der Naturwissenschaften revolutioniert; der Weg führte von der klassischen in die moderne Physik.
Etwa zur gleichen Zeit wie das Curie-Ehepaar in Frankreich, begannen sich auch Forscher der Harzregion mit dem Strahlungsphänomen zu beschäftigen. Die bergbaulichen Erfahrungen aus dem Harz, die Daten, Fakten sowie die Erz- und Mineraliensammlungen, beflügelten die Forschungen an der Bergakademie Clausthal sowie der TU Braunschweig. Namentliche Leitfiguren dieser Forschungen waren die Wolfenbütteler Physiker Julius Elster (1852-1908) und Hans Geitel (1855-1923), die von einem interdisziplinären Team aus Naturwissenschaftlern, Bergbaufachleuten, Technikern und Ingenieuren bei ihren Forschungen unterstützt wurden.
Es gab damals zwei Theorien für den Ursprung der entdeckten Strahlung. Eine stammte von dem englischen Physiker und Chemiker William Crookes, die andere vom Forscher-Paar Curie.
Um nicht auszuufern möchte ich auf weiter Details beider Theorien hier verzichten. Elster und Geitel experimentierten mit Uranmaterial und konnten an Hand ihrer Ergebnisse die Theorie von Crooks ausschließen. Als nächsten Schritt wollten die beiden Physiker die Curie-These einer Überprüfung zuführen. Ziel ihres Experimentes sollte es sein, zu überprüfen, ob die angenommen Strahlung – die Felder und Wellen – in der Lage wäre, eine mehrere hundert Meter dicke Gesteinsschicht ohne nennenswerten Energieverlust zu durchdringen.
Für ihre Versuche wollten Elster und Geitel den Clausthaler Schacht Kaiser Wilhelm II. nutzen. Da den beiden Forschern jedoch die Erfahrung im Umgang mit Bergbautechnik fehlte, wurde ihnen von Bergrat Lengemann der Bergfachmann Prof. Gerland von der Bergakademie als Versuchsausführender zugeteilt.
Messgeräte für radioaktive Strahlung gab es zur damaligen Zeit noch nicht. Instruktionsgemäß wurden dafür Fotoplatten als Messmittel eingesetzt. Ein Stück Uranerz wirkte dabei an der Oberfläche, am Schacht und im Schacht, jeweils in einer Tiefe von 300 m und 852 m, mit seiner Strahlung auf die Platte ein. Die fotografischen Spuren zeigten nach diesem Versuch keine signifikanten Unterschiede. Als Ergebnis ihres Experimentes formulierten Elster und Geitel dazu: „Nach diesem Versuch erscheint uns die Hypothese der Erregung der Becquerelstrahlen durch andere im Raume präexistierenden Strahlen im höchsten Grade unwahrscheinlich.“
Der Bericht zu ihren Forschungen, den die beiden Physiker am 19. Januar 1899 auf der Versammlung des Braunschweiger Vereins für Naturwissenschaften hielten war spektakulär. Ich möchte behaupten, ihre Hypothese zur Strahlenquelle kann den Ergebnissen der Curies durchaus standhalten: „Da die Eigenschaften Becquerelstrahlen auszusenden, wie es scheint, allen chemischen Verbindungen eines wirksamen Elementes zukommt, so kann sie wohl nicht als Begleiterscheinung eines im eigentlichen Sinne chemischen Vorgangs gedeutet werden, man wird vielmehr aus dem Atome des betreffenden Elementes selber die Energiequelle ableiten müssen. Der Gedanke liegt nicht fern, dass das Atom eines radioaktiven Elementes nach Art des Molecüles einer instabilen Verbindung unter Energieabgabe in einem stabilen Zustand übergeht. Allerdings würde diese Vorstellung zu der Annahme einer allmählichen Umwandlung der activen Substanz zu einer inactiven nöthigen und zwar folgerichtiger Weise unter Änderung ihrer elementaren Eigenschaften.“
Diese Hypothese der Physiker Elster und Geitel traf den Nagel auf den Kopf, wie man so zu sagen pflegt. Und dass war in einer Zeit, als man gerade erst begann die Materie in Form von atomaren Strukturen zu betrachten, eine revolutionäre Erkenntnis.
Diese Hypothese wurde alsbald zur Erkenntnis über Radioaktivität und fügte sich nahtlos als neuer Bestandteil in das Weltbild der Naturwissenschaften ein. Heute definiert man Radioaktivität wie folgt: (lat. radius ‚Strahl‘ und activus ‚tätig‘, ‚wirksam‘; dt. Strahlungsaktivität) ist die Eigenschaft instabiler Atomkerne, spontan ionisierende Strahlung auszusenden. Der Kern wandelt sich dabei unter Aussendung von Teilchen in einen anderen Kern um oder ändert unter Energieabgabe seinen Zustand.
Demnächst folgt Teil III