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Vater der nuklearen und röntgenspektroskopischen Analytik

Von Siegfried Niese

Seit dem Jahr 2007 erinnern die GDCh und die ungarische chemische Gesellschaft mit der Hevesy-Vorlesung an den Naturforscher Georg von Hevesy. Der vor 125 Jahren in Budapest geborene Hevesy hatte ein bewegtes Leben: Politische Gründe zwangen ihn, Ungarn, Deutschland, Dänemark und die von ihm dort eingerichteten Laboratorien zu verlassen.

Vater der nuklearen und röntgenspektroskopischen AnalytikIm Jahr 1944 erhielt Hevesy den Nobelpreis für Chemie
Georg von Hevesy wurde am 1. August 1885 in Budapest als fünftes Kind einer wohlhabenden jüdischen Familie geboren. 1,2) Nach einer hervorragenden Ausbildung im Elternhaus und im katholischen Gymnasium der Piaristen begann er sein Studium in Budapest. Er setzte es in Berlin und Freiburg im Breisgau fort und schloss es im Jahr 1908 mit einer Dissertation über die elektrolytische Abscheidung von Natrium aus Natriumhydroxid ab. Anschließend untersuchte er als Assistent in Zürich bei Richard Lorenz die elektrolytische Abscheidung von Alkali- und Erdalkalimetallen, wobei er auch einmal Albert Einstein durch das Physikalisch-Chemische Institut führte. Danach verbrachte er einige Monate in Karlsruhe bei Fritz Haber.

Im Jahr 1911 ging Hevesy zu Ernest Rutherford nach Manchester, um sich mit der Radioaktivität vertraut zu machen. Rutherford hatte gerade entdeckt, dass die Atome winzige Kerne besitzen und die entfernteren Elektronen die Größe der Atome bestimmen. Dabei war anfangs unklar, weshalb sie nicht durch die elektrostatische Anziehung vom Kern aufgesaugt werden. Erst das Atommodell von Nils Bohr, der im Jahr 1912 nach Manchester kam, erklärte dieses Problem. Dabei waren ihm auch die Kenntnisse von Hevesy, mit dem er am meisten diskutierte und eine lebenslange Freundschaft schloss, sehr nützlich. In dieser Zeit wurden immer mehr neue Glieder der radioaktiven Zerfallsreihen entdeckt. Sie zeigten ein ähnliches chemisches Verhalten, aber da sich ihre physikalischen Eigenschaften unterschieden, galten sie als neue radioaktive Elemente. Hevesy bestimmte als erster mit einer neuartigen Durchflussmethode die Löslichkeit der sehr kurzlebigen Emanation des Aktiniums (Halbwertszeit 4 s) in Flüssigkeiten. Er fand ähnliche Werte, wie sie für die Emanation des Radiums zuvor bestimmt worden waren - ein weiteres Beispiel für die Ähnlichkeit einiger damals bekannter Radioelemente.

Indikatormethode

Aus den beim Zerfall des Radons an Glaswänden abgeschiedenen Rückständen ließ sich durch Blei das Radioelement Radium-D abtrennen. Ra-D fand sich auch in den Bleiverbindung, die nach der Gewinnung von Uran und Radium aus Uranerzen verblieben. Hevesy sollte als nächste Aufgabe die geringen Spuren an Ra-D aus dem aus St. Joachimsthal angelieferten Bleisalz abtrennen. Man kannte noch keine Isotope und wusste deshalb nicht, dass Ra-D das radioaktive Bleiisotop 210Pb ist. Nach einigen vergeblichen Trennversuchen hatte Hevesy die Idee, das Ra-D gerade weil es sich nicht von Blei trennen ließ, als Indikator für den Nachweis geringer Bleimengen und zur Untersuchung chemischer Vorgänge zu nutzen. Zur quantitativen Bestimmung des Hafniums in den unterschiedlichen Mineralen gaben Hevesy und seine Mitarbeiter der Zirkonverbindung ein dem Hafnium benachbartes Element in bekannter Menge zu.

Dann bestimmten sie aus den Intensitätsverhältnissen der Linien von Hafnium und dem zugegebenen Element die Hafniumkonzentration in der Probe. Die Röntgenspektralanalyse entwickelte Hevesy mit seinen Mitarbeitern in Freiburg weiter, wo er von 1926 bis 1934 Professor und Direktor des Instituts für Physikalische Chemie war. Ab 1929 gingen sie dazu über, die Probe nicht mehr innerhalb der Röntgenröhre mit Elektronen anzuregen, sondern außerhalb der Röhre mit Röntgenstrahlung. So erfanden sie die Röntgenfluoreszenzanalyse6) -gleichzeitig und in wechselseitiger Kenntnis mit Richard Glocker vom Kaiser-Wilhelm-Institut für Metallforschung, Berlin (später Stuttgart). 7) Hevesy und seine Mitarbeiter setzten sie vor allem zur Bestimmung von Spurenelementen in Gesteinsproben ein. Die Röntgenfluoreszenzanalyse wurde in der Folgezeit ständig weiterentwickelt und fand breite Anwendung in Metallurgie und Geologie. Auf dem Weg von Manchester nach Budapest lernte Hevesy im Radiuminstitut in Wien den Chemiker Fritz Paneth kennen, der ebenfalls vergebliche Trennversuche durchgeführt hatte. Da das Institut für chemische Versuche gut ausgerüstet war, schlug er Paneth vor, mit ihm im Winter 1913 mit Ra-D die Löslichkeit von PbCrO4 in Wasser zu bestimmen. 3) Mit der erfolgreichen Bestimmung der Bleikonzentration in Wasser war die Indikatoranalyse geboren. Nach der Entdeckung der künstlichen Radioaktivität im Jahr 1934 wandte Hevesy die Indikatormethode erfolgreich auf viele biologische Systeme und Prozesse an. Er stellte 32P her und konnte damit einen Austausch von Phosphor zwischen Blutserum und Knochen messen.4) Aus diesen Arbeiten entwickelte sich die Nuklearmedizin, als deren Vater Hevesy gilt. Im Jahr 1944 erhielt Hevesy für die Entdeckung der Indikatormethode und deren erfolgreiche Anwendung in der Biologie und Medizin den Nobelpreis für Chemie.


Röntgenspektroskopie

Hevesy interessierte sich im Sommer 1913 in Manchester auch für Henry Moseleys Arbeiten über die Abhängigkeit der Wellenlänge von Röntgenlinien von der gerade erst definierten Kernladungszahl. Mit dem von Moseley aufgestellten Gesetz ließen sich die Kernladungszahlen von Elementen bestimmen und chemische Elemente qualitativ nachweisen. Hevesy unterstützte Moseley und sie vereinbarten, im Jahr 1914 gemeinsame Versuche mit den Seltenen Erden durchzuführen. Dieses Vorhaben scheiterte am Ausbruch des Ersten Weltkrieges: Moseley fiel im Jahr 1915, Hevesy wurde eingezogen, erkrankte bei einer Marschübung, betreute daraufhin die Röntgengeräte eines Lazaretts und wurde schließlich mit der Inbetriebnahme von zwei Kupferraffinerien betraut.

Nach dem Krieg richtete er in Budapest ein Laboratorium ein, vertrat einen Physikprofessor und wurde im Jahr 1919 während der Räterepublik Professor und Direktor des Physikalisch-Chemischen Instituts an der Budapester Universität. Nach dem Ende der Räterepublik wurde er entlassen und ihm die Lehrbefugnis entzogen. Er verließ Budapest im Jahr 1920 und ging nach Kopenhagen. Mit Johannes Brönstedt gelang es ihm, durch Molekulardestillation Isotope des Quecksilbers und Chlors zu trennen. Als Niels Bohr in sein neues Institut den holländischen Röntgenspektroskopiker Dirk Coster eingeladen hatte, konnte sich Hevesy endlich auch mit dieser Methode vertraut machen. Da er die Goldschmidt'schen Regeln zur geochemischen Mitkristallisation kannte und nach der Bohr'schen Theorie, das bis dahin unbekannte Element Nr. 72 Kernladungszahder vierten Gruppe zuzuordnen war, vermutete er, das dessen Ionenradius dem des Zirkons ähnlich sei. Er suchte Zirkonkristalle aus, reinigte sie von anhaftenden Verunreinigungen mit Säure und danach nahm Coster von ihnen Röntgenspektren auf. Im Jahr 1922 fanden sie sogleich die Röntgenlinien des Elementes 72, das sie Hafnium nannten. 5) Hevesy schloss daraufhin Zirkon mit Kaliumbifluorid auf, kristallisierte K2ZrF6 mehrfach um, und erhielt am Ende K2HfF6. Dabei verfolgten sie den Anreicherungsprozess röntgenspektroskopisch.

Isotopenverdünnungsmethode

In Freiburg wollte Hevesy für die Altersbestimmung von uranhaltigen Mineralen die elektrochemische Bleibestimmung verbessern, da er bei der Abscheidung von Blei Verluste befürchtete. Deshalb setzte er der Probe vor der Abtrennung radioaktives Blei zu, bestimmte nach der Elektrolyse nicht nur die Masse an Blei sondern auch den Anteil der abgeschiedenen Radioaktivität und korrigierte dann die so ermittelten Verluste an Blei. 8) Diese Isotopenverdünnung fand später Eingang in viele Analysenmethoden, insbesondere in die Aktivierungsanalyse. In der Kerntechnik hilft die Isotopenverdünnung bei der Nuklidbestimmung beim Betrieb und Rückbau von Kernreaktoren und bei der Charakterisierung von radioaktiven Abfällen.

Aktivierungsanalyse

Noch bevor Hevesy 1934 von Freiburg wegen der Entlassung der Juden aus dem öffentlichen Dienst nach Kopenhagen in das von Niels Bohr geleitete Institut für theoretische Physik ging, führte er noch erste Versuche zur Neutronenaktivierung von Seltenen Erden mit einer selbst hergestellten Neutronenquelle durch. Dabei bestimmte er u.a. die Halbwertszeit der in einer Samariumprobe erzeugten Radioaktivität. In Kopenhagen setzte er diese Arbeiten umgehend fort. Er stellte eine Neutronenquelle her, indem er in eine Glasampulle zerkleinertes Berylliummetall füllte und von der benachbarten Klinik, die eine Radiumquelle besaß, aller zwei Wochen das aus dem Radium gebildete Radon in die Ampulle pumpen ließ. In der Ampulle treffen die beim Zerfall des Radons gebildeten Alphastrahlen auf Berylliumkerne und setzen Neutronen frei. Bei den Versuchen, für die ihm bald die Physikerin Hilde Levi, die 1934 als Jüdin unmittelbar nach ihrer Promotion fliehen musste, als Assistentin zur Verfügung stand, stellten sie fest, dass sich die verschiedenen Seltenerdelemente unterschiedlich stark aktivieren ließen Yttriumproben sind meist mit Dysprosium verunreinigt, da deren Ionenradien sehr ähnlich sind und sich deshalb Dysprosium nur schwer von Yttrium trennen lässt. Da Dysprosium besonders stark und Yttrium nur schlecht aktiviert wird, konnten sie Dysprosium direkt in der Yttriumprobe bestimmen. In analoger Weise bestimmten sie auch 0,4% Europiumoxid in Gadoliniumoxid. Auf diese Weise erfanden Hevesy und Levi 1936 die Aktivierungsanalyse.

9) 15 Jahre später standen für die Aktivierungsanalyse Kernreaktoren zur Verfügung in denen man bei Neutronenflüssen bestrahlen konnte, die der von Hevesy verwandten Quelle um zehn Größenordnungen überstiegen. Daraufhin entwickelte sich die Neutronenaktivierungsanalyse zu einer sehr empfindlichen, zuverlässigen und in vielen Fällen zerstörungsfreien Analysenmethode. Sie hat sich besonders zur Analyse von Reinststoffen, geologischen Proben und Standardmaterialien bewährt. Seit 1939 erforschte er mit künstlichen Radionukliden biochemische Prozesse und begründete mit seinen vielfältigen Untersuchungen die Nuklearmedizin. Ende 1943 floh er nach Stockholm, wo er seine radiologischen und biochemischen Arbeiten fortsetzte, 1944 den Nobelpreis für Chemie erhielt, schwedischer Staatsbürger wurde und bis 1965 wohnte und arbeitete.

Letzte Jahre

Bei seinem ersten Besuch nach dem Krieg in Freiburg im Jahr 1949 wurde Hevesy Ehrendoktor der mathematisch-naturwissenschaftlichen Fakultät; 1959 verlieh ihm auch die medizinische Fakultät diesen Titel. Freiburg blieb Hevesys liebster Ort. In Freiburg hatte er studiert, dort hatte er mehrere Jahre als Professor und Institutsdirektor gewirkt und viele Freunde unter den Kollegen gefunden. Hevesy verbrachte in dieser Zeit mehrere Wochen im Jahr in Freiburg. Als er schwer erkrankte, beschloss er, sich in der medizinischen Universitätsklinik in Freiburg behandeln zu lassen. Er starb am 5. Juli 1966 und wurde auf dem Friedhof Freiburg-Littenweiler beigesetzt. Später entsprachen die Kinder Hevesys der Bitte der Ungarischen Akademie der Wissenschaften, und Hevesy wurde mit seiner Frau und seinem Bruder 2001 nach Budapest umgebettet.

Aus Nachrichten aus der Chemie» :: Oktober 2010

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