Vier Jahre im Schuppen: Wie Marie Curie das Radium isolierte

Das Laboratorium, in dem Marie Curie das Radium isolierte, war gar kein Laboratorium. Es war ein aufgegebener Sezierschuppen an der École de Physique et de Chimie in Paris, in der Rue Lhomond. Das Gebäude hatte ein Glasdach, das bei Regen undicht war, keine vernünftige Belüftung und keinen Fußboden, nur festgestampfte Erde. Im Sommer war es erstickend heiß. Im Winter fiel die Temperatur manchmal unter den Gefrierpunkt.

In diesem Raum führte Marie Curie zwischen 1898 und 1902 eines der körperlich anspruchsvollsten Experimente der Wissenschaftsgeschichte durch. Ausgehend von Tonnen Pechblendeerz (einem uranhaltigen Mineral) verarbeitete sie das Material in gewaltigen Chargen chemisch: auflösen, fällen, filtrieren und eindampfen, um die winzigen Spuren radioaktiver Elemente zu konzentrieren, die darin verborgen lagen. Die Arbeit war erschöpfend, monoton und gefährlich. Sie war zugleich eine der folgenreichsten wissenschaftlichen Leistungen des 20. Jahrhunderts.

Der Anfang

Die Geschichte beginnt 1896, als Henri Becquerel entdeckte, dass Uransalze eine durchdringende Strahlung aussandten, ohne jede äußere Energiequelle. Das Phänomen war rätselhaft: Anders als Röntgenstrahlen (die Röntgen gerade erst im Vorjahr entdeckt hatte) benötigten Becquerels Strahlen keine Kathodenröhre, keinen elektrischen Strom, keinerlei Anstoß. Das Uran strahlte einfach, ununterbrochen und von selbst.

Marie Curie, damals Doktorandin an der Sorbonne, wählte dieses Phänomen als Thema ihrer Doktorarbeit. Mit einem empfindlichen Elektrometer (einem Gerät zur Messung elektrischer Ladung, das ursprünglich von ihrem Ehemann Pierre und dessen Bruder Jacques konstruiert worden war) maß sie systematisch die Strahlung jedes bekannten Elements und jeder Verbindung, die sie beschaffen konnte.

Ihre erste wichtige Erkenntnis war, dass die Strahlung eine atomare Eigenschaft war: Sie hing nur von der vorhandenen Uranmenge ab, nicht von der chemischen Form, der Temperatur oder dem Aggregatzustand. Uranoxid, metallisches Uran und in Säure gelöstes Uran erzeugten Strahlung proportional zur Menge der Uranatome. Das bedeutete, dass die Strahlung vom Atom selbst ausging, nicht von irgendeiner chemischen Reaktion oder molekularen Anordnung.

Sie nannte diese Eigenschaft Radioaktivität und schuf damit den Begriff, der ein neues Gebiet der Physik definieren sollte.

Das anomale Erz

Curies zweite Erkenntnis war die entscheidende. Als sie die Radioaktivität von Pechblende (dem Mineral, aus dem Uran gewonnen wird) maß, stellte sie fest, dass diese deutlich radioaktiver war als reines Uran. Das war unmöglich, wenn Uran das einzige radioaktive Element im Erz war. Die überschüssige Radioaktivität musste von einem anderen Element stammen, einem, das noch stärker strahlte als Uran selbst.

Da der Überschuss an Radioaktivität beträchtlich war, musste das unbekannte Element außerordentlich radioaktiv sein, weit mehr als Uran. Doch es war nur in Spurenmengen vorhanden, zu gering, um durch konventionelle chemische Analyse nachgewiesen zu werden.

Pierre Curie erkannte die Tragweite der Entdeckung, gab seine eigene Forschung zur Kristallphysik auf und schloss sich Maries Arbeit an. Gemeinsam machten sie sich daran, das unbekannte Element zu finden.

Zwei neue Elemente

Im Juli 1898 gaben die Curies die Entdeckung eines neuen radioaktiven Elements bekannt, das sie Polonium nannten, nach Maries Heimatland Polen (das damals zwischen Russland, Preußen und Österreich aufgeteilt war und als eigenständiger Staat nicht existierte). Polonium wurde in der Wismutfraktion der Pechblende gefunden und war etwa 400-mal radioaktiver als Uran.

Im Dezember 1898, zusammen mit dem Chemiker Gustave Bémont, gaben sie die Entdeckung eines zweiten neuen Elements bekannt: Radium. Radium wurde in der Bariumfraktion der Pechblende gefunden und war noch intensiver radioaktiv als Polonium. Die Curies schätzten, dass Radium ungefähr eine Million Mal radioaktiver war als die gleiche Masse Uran.

Doch dies waren Ankündigungen einer Entdeckung, keine Beweise für die Existenz. Die Curies hatten die neuen Elemente durch ihre Radioaktivität nachgewiesen, nicht durch Isolierung in reiner Form. Viele Chemiker waren skeptisch. Um zu beweisen, dass Radium ein echtes neues Element war, musste Curie es isolieren, sein Atomgewicht bestimmen und seine Spektrallinien identifizieren.

Die Arbeit der Isolierung

Hier wurde der Schuppen unverzichtbar. Um Radium aus Pechblende zu isolieren, mussten gewaltige Mengen Erz verarbeitet werden. Radium ist in Pechblende in einer Konzentration von etwa einem Teil auf zehn Millionen vorhanden. Um eine messbare Menge zu gewinnen, musste Curie mit Tonnen von Rohmaterial beginnen.

Die österreichische Regierung spendete mehrere Tonnen Pechblenderückstände aus den Uranminen in Joachimsthal (heute Jáchymov, Tschechische Republik). Die Rückstände waren bereits zur Urangewinnung aufbereitet worden und daher günstig zu haben. Sie kamen in Säcken nach Paris und wurden im Hof des Schuppens gelagert.

Curies Methode war die fraktionierte Kristallisation, eine klassische Technik der analytischen Chemie, hier bis an die Grenzen getrieben. Sie löste das Erz in Säure, fällte verschiedene chemische Fraktionen aus und löste und fällte dann wiederholt die Bariumfraktion (die das Radium enthielt). Jeder Zyklus von Auflösung und Fällung erhöhte die Radiumkonzentration gegenüber dem Barium geringfügig, da Radiumchlorid etwas schwerer löslich ist als Bariumchlorid.

Der Prozess war mühsam. Jeder Zyklus verbesserte die Konzentration nur um einen kleinen Faktor. Tausende von Zyklen waren nötig. Curie arbeitete mit Chargen von zwanzig Kilogramm, rührte kochende Lösungen in eisernen Wannen mit einer Stange, die fast so groß war wie sie selbst. Sie verbrachte ganze Tage damit, über Kesseln zu stehen, Lösungen von einem Behälter in den anderen zu gießen, Niederschläge zu filtrieren und die Radioaktivität jeder Fraktion aufzuzeichnen.

„Manchmal musste ich einen ganzen Tag lang eine kochende Masse mit einer schweren eisernen Stange rühren, die fast so groß war wie ich“, schrieb sie später. „Am Ende eines Arbeitstages war ich völlig erschöpft.“

Ein Zehntel Gramm

Nach vier Jahren dieser Arbeit isolierte Curie 1902 schließlich ein Zehntel Gramm reines Radiumchlorid aus mehreren Tonnen Pechblenderückständen. Sie bestimmte das Atomgewicht des Radiums mit 225,93 (der moderne Wert beträgt 226,03) und ordnete es damit endgültig als Element 88 in das Periodensystem ein, unterhalb von Barium in der Gruppe der Erdalkalimetalle.

Das reine Radiumchlorid leuchtete schwach blau im Dunkeln. Marie und Pierre Curie besuchten den Schuppen manchmal nachts, um das Leuchten ihrer Fläschchen zu betrachten. „Eine unserer Freuden war es, abends in unser Arbeitszimmer zu gehen“, erinnerte sich Marie. „Die leuchtenden Röhrchen sahen aus wie schwache Feenlichter.“

Die Isolierung des Radiums war der endgültige Beweis seiner Existenz als Element. Sie brachte die Skeptiker zum Schweigen und etablierte die Radioaktivität als fundamentales atomares Phänomen, nicht als chemische Kuriosität. Sie zeigte auch, dass Atome nicht unveränderlich waren: Sie konnten sich umwandeln, Strahlung aussenden und sich in andere Elemente verwandeln. Das war 1902 eine radikale Idee, die auf die Atomphysik hinwies, die sich in den folgenden Jahrzehnten entwickeln sollte.

Zwei Nobelpreise

1903 teilten sich Marie Curie, Pierre Curie und Henri Becquerel den Nobelpreis für Physik für ihre Arbeiten zur Radioaktivität. Marie war die erste Frau, die einen Nobelpreis erhielt. Pierre starb 1906 bei einem Straßenunfall, und Marie führte die gemeinsame Arbeit allein weiter.

1911 erhielt sie einen zweiten Nobelpreis, diesmal in Chemie, für die Entdeckung von Polonium und Radium und die Isolierung des Radiums in reiner Form. Sie bleibt die einzige Person, die Nobelpreise in zwei verschiedenen Wissenschaften erhalten hat.

Die Begründung des Nobelkomitees hob ausdrücklich die Isolierung des Radiums hervor, die erschöpfende körperliche Arbeit im Schuppen, als die Leistung, die den Chemiepreis verdiente. Die Entdeckung der Radioaktivität war durch den Physikpreis gewürdigt worden. Die Isolierung des Elements war eine eigenständige Leistung, die nicht nur wissenschaftliche Einsicht erforderte, sondern Jahre zermürbender Handarbeit.

Der Preis

Die Arbeit im Schuppen war nicht nur erschöpfend. Sie war tödlich. Curie handhabte jahrelang radioaktive Materialien ohne Schutz, nicht aus Nachlässigkeit, sondern weil die Gefahren der Strahlung noch nicht bekannt waren. Sie trug Reagenzgläser mit radioaktiven Lösungen in ihren Taschen. Ihre Labortagebücher aus dieser Zeit sind noch immer so stark kontaminiert, dass sie in bleiausgekleideten Behältern aufbewahrt werden müssen und nur von Forschern in Schutzkleidung eingesehen werden können.

Curie entwickelte chronische Gesundheitsprobleme, die sie auf Überarbeitung zurückführte, die aber fast sicher durch Strahlenbelastung verursacht wurden. Sie litt an Müdigkeit, grauem Star und geschädigten Fingerspitzen. Am 4. Juli 1934 starb sie an aplastischer Anämie, einem Zustand, bei dem das Knochenmark keine Blutzellen mehr bildet. Ihr Tod war eine unmittelbare Folge jahrzehntelanger Strahlenexposition.

Die Gefahren des Radiums wurden erst in den 1920er und 1930er Jahren vollständig erkannt, als die Fälle der „Radium Girls“ (Fabrikarbeiterinnen, die Zifferblätter mit Radiumfarbe bemalten und an Knochenkrebs erkrankten) ein öffentliches Umdenken über die Giftigkeit radioaktiver Materialien erzwangen. Curies eigene Forschung hatte die Entdeckung medizinischer Anwendungen des Radiums ermöglicht (die Radiumtherapie war eine frühe Form der Strahlenbehandlung von Krebs), doch dieselbe Strahlung, die Krebszellen abtöten konnte, konnte auch gesundes Gewebe zerstören.

Die Doktorarbeit

Marie Curie dokumentierte ihre Forschung in ihrer Doktorarbeit „Recherches sur les substances radioactives“ (Untersuchungen über die radioaktiven Substanzen), die sie im Juni 1903 an der Sorbonne verteidigte. Die Arbeit beschreibt die Entdeckung der Radioaktivität als atomare Eigenschaft, die Identifizierung von Polonium und Radium, die Methoden der chemischen Trennung und die Messungen, die Radiums Atomgewicht bestimmten.

Die Arbeit ist ein Muster wissenschaftlichen Schreibens: präzise, methodisch und zurückhaltend. Sie protokolliert Jahre erschöpfender Arbeit in ruhiger, nüchterner Prosa. Die Wannen mit kochender Säure, das undichte Dach, die Nächte, in denen sie leuchtende Fläschchen betrachtete, nichts davon erscheint im Text. Curie präsentierte ihre Ergebnisse als reine Wissenschaft, von persönlicher Erfahrung befreit, die Daten für sich selbst sprechen lassend.

Die Kronecker Wallis Ausgabe von Marie Curies Dissertation (englische Ausgabe) reproduziert dieses grundlegende Dokument, die Arbeit, die die Radioaktivität als Gebiet der Physik begründete und ihrer Autorin zwei Nobelpreise einbrachte. Es ist die schriftliche Aufzeichnung dessen, was jene vier Jahre im Schuppen bewirkten.

Die breitere Tradition des wissenschaftlichen Porträts hat sich schwer damit getan, die Realität von Persönlichkeiten wie Curie einzufangen, deren wichtigste Arbeit ebenso körperliche Schwerstarbeit war wie intellektuelle Leistung. Kronecker Wallis‘ Portraying Science untersucht, wie Künstler Wissenschaftler über die Jahrhunderte dargestellt haben, von den idealisierten Posen der Aufklärungsporträts bis zu den unverfälschteren Darstellungen der Moderne.

Was ein Zehntel Gramm bewies

Marie Curies Isolierung des Radiums wird manchmal von der umfassenderen Erzählung der Radioaktivität und der Atomphysik in den Schatten gestellt. Doch die Isolierung selbst war der entscheidende Schritt. Ohne sie wäre Radium eine Hypothese geblieben, ein unsichtbares Etwas, nur durch seine Strahlung nachweisbar. Indem sie das Element isolierte, sein Atomgewicht bestimmte und es in das Periodensystem einordnete, bewies Curie, dass radioaktive Elemente real sind, dass Atome sich umwandeln können und dass das Periodensystem noch nicht vollständig war.

Sie tat dies nicht mit theoretischer Brillanz (obwohl sie auch die besaß), sondern mit vier Jahren körperlicher Arbeit in einem undichten Schuppen, in dem sie Tonnen von Gestein verarbeitete, um eine Menge Radium zu gewinnen, die kleiner war als eine Erbse. Die Arbeit erforderte Geduld, Ausdauer und die Überzeugung, dass das Element da war, im Erz verborgen, darauf wartend, gefunden zu werden. Es war Wissenschaft in ihrer grundlegendsten Form: die Entschlossenheit, der Natur Wahrheit abzuringen, Fraktion um Fraktion.