CHEMIENOBELPREIS 1921: FREDERICK SODDY

Chemienobelpreis 1921: Frederick Soddy

 

Der britische Wissenschaftler erhielt den Nobelpreis für Chemie für seine Beiträge zur Kenntnis der Chemie radioaktiver Stoffe sowie für Untersuchungen über Vorkommen und Natur der Isotopen.

 

 Biografie

 

Frederick Soddy, * Eastbourne 2. 9. 1877, ✝ Brighton 22. 9. 1956; ab 1905 Dozent für physikalische Chemie an der University of Glasgow, ab 1914-19 Professor für Chemie an der University of Aberdeen; ab 1919 an der Oxford University; führte den Begriff der Isotopie ein und formulierte die Verschiebungssätze der Radioaktivität.

 

 Würdigung der preisgekrönten Leistung

 

Längst war der alte Traum der Alchemisten des Mittelalters als unwissenschaftlich zu den Akten gelegt, nach dem man aus einem Element ein anderes herstellen könne. Doch 1921 erhielt Frederick Soddy für die Erklärung genau dieses Vorgangs den Nobelpreis für Chemie. Sollte mithilfe der Transmutation genannten Reaktion doch noch die alte Hoffnung in Erfüllung gehen, zum Beispiel aus Blei Gold zu machen?

 

Die Ergebnisse des englischen Kaufmannssohns Frederick Soddy lösten eine Revolution bei Chemikern und Physikern aus.Widerlegten sie doch ein Dogma, nach dem sich ein Element auf natürlichem Weg nicht in ein anderes umwandeln lässt. Frederick Soddy aber hatte bewiesen, dass genau das beim so genannten radioaktiven Zerfall laufend passiert, und zwar ohne Zutun des Menschen.

 

 Die Verwandtschaftsverhältnisse der Elemente

 

Dabei schien seit 1869 alles klar, als der russische Chemiker Dmitrij Mendelejew in Sankt Petersburg sein Periodensystem der Elemente vorstellte. Alle damals bekannten chemischen Elemente ordnete er in ein strenges Schema. Jedes Element gehört zu einer Gruppe, deren Mitglieder ähnliche chemische Reaktionen eingehen. So ähnelt Sauerstoff dem Schwefel, der seinerseits anscheinend mit Selen und Tellur verwandt ist — alle diese Elemente gehören zur sechsten Gruppe des Periodensystems.

 

Die Gruppen stehen im Periodensystem nebeneinander, die einzelnen Mitglieder jeder Gruppe untereinander. Zusätzlich werden die Elemente nach ihrem Atomgewicht angeordnet. Das leichteste steht links oben, das schwerste rechts unten. Die dafür verwendeten Ordnungszahlen geben die Anzahl der Protonen im Kern wieder. Allerdings blieben zwischen den damals bekannten rund 70 Elementen einige Lücken — hier fehlten offensichtlich Elemente, die bisher noch nicht entdeckt waren. Eine regelrechte Jagd auf diese fehlenden Elemente des Periodensystems begann. Weil man ihre Eigenschaften aufgrund der Verwandtschaft mit den anderen Elementen der gleichen Gruppe vorhersagen konnte, wurden die Gesuchten auch bald gefunden.

 

Nachdem die Verwandtschaftsverhältnisse unter den Elementen klar waren, musste der alte Alchemistentraum begraben werden. Umwandlungen innerhalb der Gruppen oder Zeilen wurden einfach nicht beobachtet. Auch als 1898 Marie Curie gemeinsam mit ihrem Mann Pierre Curie das neue Element Radium entdeckte (Nobelpreis 1911), gab es keinen Grund, diesen Glauben wieder aufleben zu lassen. Und doch war es gerade der radioaktive Zerfall von Radium, mit dessen Hilfe Frederick Soddy nachweisen konnte, dass sich Elemente tatsächlich ineinander umwandeln.

 

Auf den ersten Blick passt Radium hervorragend in die zweite Hauptgruppe des Periodensystems von Mendelejew direkt unter das Element Barium. Aber eine genaue Untersuchung der Radioaktivität enthüllte Erstaunliches: Immer neue Elemente wurden im Umfeld von Radium entdeckt, sie drohten das Schema des Periodensystems zu sprengen. Die meisten dieser Elemente sind überhaupt nicht stabil, einige sind bereits nach Bruchteilen einer Sekunde wieder verschwunden

 

Vollends am Ende schien das Prinzip des Periodensystems nach einer Untersuchung des Engländers Theodore Richards (Nobelpreis 1914). In radioaktiven Materialien hatte er eine relative Atommasse von 206,08 für Blei gemessen, in stabilem Gestein dagegen liegt dieser Wert bei 207,02. Die Chemiker standen vor einem Rätsel: Offensichtlich gab es zwei verschiedene Bleiatome. Das Periodensystem von Mendelejew aber hatte nur Platz für ein einziges Blei.

 

 Der radioaktive Zerfall

 

Frederick Soddy hatte sich seit Beginn seiner wissenschaftlichen Laufbahn mit radioaktivem Zerfall befasst. Gemeinsam mit dem Briten Ernest Rutherford (Nobelpreis 1908) hatte er bereits 1902 erkannt, dass die Atome sich bei radioaktiven Prozessen verändern. Diese Umwandlungen laufen für verschiedene radioaktiven Elemente verschieden schnell ab. Gemeinsam prägten die Forscher den Begriff Halbwertszeit, nach der sich die Hälfte eines radioaktiven Elements verwandelt hat.

 

Bei diesen Umwandlungen senden die Atomkerne Strahlung aus. 1906 identifizierte Rutherford den Charakter der Alphastrahlung: Es handelt sich um den Kern eines Heliumatoms. Betastrahlung dagegen besteht aus Elektronen, die mit zwei Dritteln der Lichtgeschwindigkeit aus einem Atomkern herausschießen. Bekannt war außerdem, dass Atomkerne positiv geladene Protonen enthalten, deren elektrische Ladung durch negative Elektronen in der Atomhülle kompensiert wird.

 

Frederick Soddy musste nur noch dieses Wissen zusammenfügen. Stößt das radioaktive Element Radium mit der Ordnungszahl 88 einen Heliumkern mit zwei Protonen aus, muss es sich in das Gas Radon verwandeln, das zwei Protonen weniger und damit die Ordnungszahl 86 hat. Sonderlich stabil aber ist dieses Radon nicht. Bereits nach rund vier Tagen hat die Hälfte seiner Atome erneut einen Heliumkern verloren und sich so in das Element mit der Ordnungszahl 84, das Polonium, verwandelt. In wenigen Minuten verwandelt sich dieses wiederum in andere Elemente. Dabei stößt der Poloniumkern bisweilen ein negativ geladenes Elektron aus. Dabei aber erhöht sich die positive Ladung im Kern um eins, es entsteht das Element mit der um eins höheren Ordnungszahl 85, das radioaktive Edelgas Astat. Dieses zerfällt weiter, bis bei einem dieser radioaktiven Prozesse endlich ein stabiler Atomkern entsteht, nämlich Blei mit der Ordnungszahl 82.

 

Drei Reihen solcher radioaktiven Folgereaktionen sind inzwischen bekannt, alle enden sie beim Blei. Allerdings bei verschiedenen Bleiarten. Auch deren Entstehung konnte Soddy erklären: Er nahm an, dass ein Atom durch Alphastrahlung einen Heliumkern verliert. Das entstehende Element steht dann zwei Ordnungszahlen weiter vorn im Periodensystem, und es ist leichter geworden, da es das Atomgewicht des Heliums (relative Atommasse: 4) verloren hat. Sendet dieses Atom nun ein Elektron in Form von Betastrahlung aus, verwandelt es sich in ein Element mit einer um eins erhöhten Ordnungszahl. Wiederholt sich dieser Prozess, entsteht ein Atomkern mit der Ordnungszahl des Ausgangsatoms. Allerdings ist dieses Atom um die Atommasse 4 leichter. Die ausgesendeten Elektronen tragen zum Gewichtsverlust so gut wie nichts bei — erst 1836 Elektronen wiegen ein Proton auf.

 

Offensichtlich können bei radioaktiven Prozessen Atome entstehen, die aus chemischer Sicht identisch mit bekannten Elementen, aber leichter oder schwerer als diese sind. Isotope nannte Frederick Soddy solche verschieden schweren Atome der gleichen Sorte. Für ihre Bestimmung erhielt der Engländer Francis Aston 1922 den Nobelpreis für Chemie.