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Untersuchungen über die radioaktiven Substanzen
Marie Curie
(übersetzt von W. Kaufmann)
Dritte unveränderte Auflage
1904
Braunschweig
Friedrich Vieweg und Sohn
Einleitung.
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Die vorliegende Arbeit bezweckt, eine Übersicht über die Untersuchungen
an radioaktiven Substanzen zu geben, die ich seit mehr als vier Jahren
ausführe. Der Ausgangspunkt war eine Untersuchung der von Herrn
Becquerel entdeckten Uranstrahlen. Die Resultate, zu welchen diese
Arbeit mich führte, schienen eine so interessante Perspektive zu
eröffnen, daß Herr Curie, unter Aufgabe seiner eigenen Arbeiten, sich
mit mir vereinigte und wir gemeinsam auf das Ziel hinarbeiteten, die
neuen radioaktiven Substanzen zu extrahiren und näher zu erforschen.
Von Anfang unserer Untersuchungen an hielten wir uns für verpflichtet,
Proben der von uns entdeckten und hergestellten Substanzen an einige
Physiker zu verleihen, vor allen Dingen an Herrn Becquerel, den
Entdecker der Uranstrahlen. So haben wir selbst die Untersuchungen
andrer über die radioaktiven Substanzen erleichtert. Bald nach unsren
ersten Veröffentlichungen befaßte sich auch Herr Giesel in Deutschland
mit der Herstellung dieser Substanzen und verlieh ebenfalls Proben davon
an mehrere deutsche Physiker. Später wurden die Substanzen in
Deutschland und Frankreich in den Handel gebracht und die immer mehr
zunehmende Wichtigkeit des Gegenstandes wurde die Veranlassung zu einer
wissenschaftlichen Bewegung, so daß zahlreiche Arbeiten über die
radioaktiven Körper erschienen sind und noch fortwährend erscheinen, vor
allem im Ausland. Die verschiedenen französischen und ausländischen
Arbeiten führen natürlich zum Teil zu gleichen Resultaten, wie bei jedem
neuen und in Bildung begriffenen Wissenszweig. Das Aussehen der Frage
ändert sich sozusagen von Tag zu Tag.
Vom chemischen Standpunkt aus ist jedoch ein Punkt definitiv gesichert:
Die Existenz eines neuen stark radioaktiven Elements, des Radiums. Die
Herstellung des reinen Radiumchlorids und die Bestimmung des
Atomgewichts des Radiums bilden den wichtigsten Teil meiner persönlichen
Mitarbeit. Diese Arbeit fügt nicht nur den bisher bekannten einfachen
Körpern mit Sicherheit einen neuen von sehr merkwürdigen Eigenschaften
hinzu, sondern enthält auch die Darlegung und Rechtfertigung einer neuen
Methode chemischer Untersuchungen. Diese auf der Radioaktivität, als
einer dem Atom anhaftenden Eigenschaft, beruhende Methode ist es, die
uns, Herrn Curie und mir, die Entdeckung des Radiums ermöglichte.
Während vom chemischen Standpunkte aus die ursprünglich gestellte Frage
als gelöst betrachtet werden kann, ist die Untersuchung der
physikalischen Eigenschaften der radioaktiven Substanzen in voller
Entwicklung begriffen. Gewisse wichtige Punkte stehen zwar bereits fest,
aber eine große Anzahl von Schlüssen ist noch provisorischer Natur. Dies
ist durchaus erklärlich, wenn man die Komplicirtheit der mit der
Radioaktivität zusammenhängenden Phänomene und die Unterschiede zwischen
den verschiedenen radioaktiven Substanzen bedenkt. Die Untersuchungen
verschiedener Physiker, die sich mit diesen Substanzen beschäftigen,
begegnen und durchkreuzen sich fortwährend. Wenn ich auch versuchen
werde, mich auf das eigentliche Ziel meiner Arbeit zu beschränken und
vor allem meine eigenen Untersuchungen darzulegen, so muß ich doch
gleichzeitig die Resultate andrer Arbeiten mitteilen, deren Kenntniß
unerläßlich ist.
Außerdem hatte ich den Wunsch, diese Arbeit zu einer Übersicht des
gegenwärtigen Standes der Frage zu gestalten.
Die Ausführung dieser Untersuchungen geschah in dem Laboratorium der
»École de physique et de chimie industrielles de la ville de Paris«, mit
Erlaubniß von Herrn Schützenberger, dem leider verstorbenen Direktor
dieser Schule, und von Herrn Lauth, dem gegenwärtigen Direktor. Für die
wohlwollende Gastfreundschaft, die ich an dieser Anstalt genossen habe,
spreche ich hierdurch meinen besten Dank aus.
Historische Übersicht.
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Die Entdeckung der Erscheinung der Radioaktivität steht in engem
Zusammenhang mit den an die Entdeckung der Röntgenstrahlen sich
anschließenden Untersuchungen über die photographischen Wirkungen der
phosphorescirenden und fluorescirenden Substanzen.
Die ersten Röntgenröhren besaßen keine metallische Antikathode; die
Quelle der Röntgenstrahlen befand sich auf der von den Kathodenstrahlen
getroffenen Glaswand; gleichzeitig geriet diese Glaswand in den Zustand
lebhafter Fluorescenz. Man konnte sich damals fragen, ob die Emission
der Röntgenstrahlen nicht eine notwendige Begleiterscheinung der
Fluorescenz wäre, unabhängig von der Ursache der letzteren. Diese Idee
ist zuerst von Herrn H. Poincaré[1] ausgesprochen worden. Kurze Zeit
darauf kündigte Herr Henry[2] an, daß er mit phosphorescirendem
Zinksulfid photographische Wirkungen durch schwarzes Papier hindurch
erhalten habe. Herr Niewenglowski[3] erhielt dieselbe Erscheinung mit
belichtetem Calciumsulfid. Endlich erhielt Herr Troost[4] kräftige
photographische Wirkungen mit künstlich hergestellter,
phosphorescirender, hexagonaler Blende und zwar durch schwarzes Papier
und dicken Carton hindurch.
Die soeben citirten Experimente konnten trotz zahlreicher darauf
gerichteter Bemühungen nicht wiederholt werden. Man kann also durchaus
noch nicht als ausgemacht ansehen, daß das Zinksulfid und Calciumsulfid
die Eigenschaft haben, unter der Einwirkung des Lichts unsichtbare
Strahlen auszusenden, die schwarzes Papier durchdringen und auf die
photographische Platte wirken.
Herr Becquerel[5-10] machte ähnliche Versuche mit Uransalzen, von denen
einige fluorescirend sind. Er erhielt starke photographische Wirkungen
mit Urankaliumsulfat durch schwarzes Papier hindurch.
Becquerel glaubte zuerst, daß das fluorescirende Salz sich ähnlich
verhalte wie das Zink- und Calciumsulfid in den Versuchen von Henry,
Niewenglowski und Troost. Aber die weiteren Versuche zeigten, daß das
beobachtete Phänomen mit der Fluorescenz nichts zu tun hatte. Das Salz
braucht durchaus nicht belichtet zu sein; ferner wirken das Uran und
alle seine Verbindungen, ob fluorescirend oder nicht, in gleicher Weise,
und das metallische Uran am allerstärksten. Becquerel fand sodann, daß
die Uranverbindungen, auch wenn man sie in vollkommener Dunkelheit
aufbewahrt, jahrelang fortfahren, auf die photographische Platte durch
schwarzes Papier hindurch zu wirken. Er nahm an, daß das Uran und seine
Verbindungen besondere Strahlen aussenden: Die Uranstrahlen. Er stellte
fest, daß diese Strahlen durch dünne Metallschirme hindurchgehen und
elektrisirte Körper entladen. Er machte ferner Versuche, aus denen er
schloß, daß die Uranstrahlen reflektirt, gebrochen und polarisirt werden
können.
Die Arbeiten anderer Physiker (Elster und Geitel, Lord Kelvin, Schmidt,
Rutherford, Beattie und Smoluchowski) haben die Resultate Becquerels
bestätigt und erweitert, abgesehen von der Reflexion, der Brechung und
Polarisation der Uranstrahlen, die sich in dieser Beziehung wie die
Röntgenstrahlen verhalten; eine Tatsache, die zuerst von Rutherford und
später von Becquerel selbst erkannt wurde.
Erstes Kapitel. Radioaktivität des Uraniums und Thoriums. Radioaktive
Mineralien.
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a) Becquerelstrahlen.
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Die von Herrn Becquerel entdeckten Uranstrahlen wirken auf gegen Licht
geschützte photographische Platten; sie können alle festen, flüssigen
und gasförmigen Körper durchdringen, vorausgesetzt, daß ihre Dicke
genügend gering ist; die durchstrahlten Gase machen sie zu schwachen
Leitern der Elektrizität[5-10].
Diese Eigenschaften der Uranverbindungen entspringen keiner bekannten
erregenden Ursache. Die Strahlung scheint selbsttätig zu sein, ihre
Intensität nimmt durchaus nicht ab, wenn man die Uranverbindungen
jahrelang in völliger Dunkelheit aufbewahrt; es handelt sich also nicht
etwa um eine besondere vom Licht verursachte Phosphorescenz. Die
Selbständigkeit und Konstanz der Uranstrahlen stellen eine ganz
außergewöhnliche physikalische Erscheinung dar. Herr Becquerel[11] hat
jahrelang ein Stück Uran in der Dunkelheit aufbewahrt und festgestellt,
daß die Wirkung auf die photographische Platte am Schlusse dieser Zeit
nicht merklich verändert war. Die Herren Elster und Geitel[12] haben
einen ähnlichen Versuch gemacht und in gleicher Weise die Konstanz der
Wirkung gefunden.
Ich habe die Intensität der Uranstrahlen mittels der Leitfähigkeit der
Luft gemessen. Die Methode der Messungen wird weiter unten auseinander
gesetzt werden. Die erhaltenen Zahlen beweisen die Konstanz der
Strahlung innerhalb der Genauigkeitsgrenzen der Versuche, d. h. auf 2
bis 3 Proz.[13]
Zu diesen Messungen wurde eine Metallplatte benutzt, die mit einer
Schicht von Uranpulver bedeckt war. Die Platte wurde nicht in der
Dunkelheit aufbewahrt, da dies nach den oben angeführten Beobachtungen
ohne Einfluß ist. Die Zahl der mit dieser Platte ausgeführten
Beobachtungen ist sehr groß und erstreckt sich gegenwärtig auf einen
Zeitraum von fünf Jahren.
Ferner untersuchte ich, ob auch irgend welche andre Substanzen sich
ebenso wie die Uranverbindungen verhalten. Herr Schmidt[14]
veröffentlichte zuerst, daß das Thor und seine Verbindungen die gleiche
Eigenschaft haben; eine analoge und gleichzeitige Arbeit von mir ergab
dasselbe Resultat. Ich[15] habe diese Arbeit publicirt, noch bevor ich
Kenntniß von der Schmidtschen Veröffentlichung hatte.
Das Uran, das Thor und ihre Verbindungen emittiren also
Becquerelstrahlen. Ich habe die Substanzen, die eine derartige Strahlung
aussenden, radioaktiv genannt[16], ein Name, der seitdem allgemein
angenommen worden ist.
Durch ihre photographischen und elektrischen Wirkungen sind die
Becquerelstrahlen den Röntgenstrahlen verwandt; sie haben auch, wie die
letzteren, die Fähigkeit, alle Körper zu durchdringen, aber ihr
Durchdringungsvermögen ist außerordentlich verschieden; die Uran- und
Thorstrahlen werden von Millimetern eines festen Körpers aufgehalten und
können sich in Luft nicht weiter als auf einige Centimeter fortpflanzen;
wenigstens gilt dies für den größten Teil der Strahlung.
Die Arbeiten verschiedener Physiker, vor allem diejenigen von Herrn
Rutherford[17], haben gezeigt, daß die Becquerelstrahlen einer regulären
Reflexion, Brechung oder Polarisation nicht fähig sind.
Das schwache Durchdringungsvermögen der Uran- und Thorstrahlen konnte
dazu führen, sie eher mit den sekundären Röntgenstrahlen, die von
Sagnac[18-21] näher untersucht sind, als mit den Röntgenstrahlen selbst
zu vergleichen. Andrerseits kann man versuchen, die Becquerelstrahlen
den in Luft sich fortpflanzenden Kathodenstrahlen (Lenardstrahlen) zur
Seite zu stellen. Man weiß heute, daß diese verschiedenen Vergleiche
alle ihre Berechtigung haben.
b) Messung der Strahlungsintensität.
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[Fig. 1]
Die benutzte Methode besteht in der Messung der Leitfähigkeit der Luft
unter der Einwirkung der radioaktiven Substanzen. Diese Methode hat den
Vorteil, schnell zu sein und vergleichbare Zahlen zu liefern. Der
benutzte Apparat besteht im wesentlichen aus einem Plattenkondensator AB
(Fig. 1). Die fein pulverisirte aktive Substanz ist auf der Platte B
ausgebreitet und macht die Luft zwischen den Platten leitend. Um diese
Leitfähigkeit zu messen, bringt man die Platte B auf ein hohes
Potential, indem man sie mit dem einen Pol einer kleinen
Akkumulatorenbatterie P verbindet, deren andrer Pol an Erde liegt. Da
die Platte A durch den Draht GD an Erde gelegt ist, so entsteht ein
elektrischer Strom zwischen den Platten. Das Potential der Platte A wird
durch ein Elektrometer E gemessen. Unterbricht man in C die Verbindung
mit der Erde, so ladet sich die Platte A und die Ladung bewirkt eine
Ablenkung des Elektrometers. Die Geschwindigkeit der Ablenkung ist
proportional der Stromintensität und kann zu ihrer Messung dienen.
Es ist jedoch vorzuziehen, bei Ausführung der Messung die Ladung der
Platte A zu kompensiren, so daß man das Elektrometer auf Null erhält.
Die hier in Frage kommenden Ladungen sind außerordentlich schwach, sie
können mit Hülfe eines piezoelektrischen Quarzes Q kompensirt werden,
dessen eine Belegung mit A, die andre mit der Erde verbunden ist. Man
unterwirft die Quarzplatte einer Zugkraft von bekannter
Größe durch Aufsetzen von Gewichten auf eine Schale H: diese Zugkraft
wird allmählich hervorgebracht und bewirkt eine allmähliche Entwicklung
einer bekannten Elektrizitätsmenge während der Dauer der Messung. Der
Vorgang kann derart regulirt werden, daß in jedem Augenblick eine
Kompensation stattfindet zwischen der den Kondensator durchfließenden
und der entgegengesetzten vom Quarz herrührenden Elektrizitätsmenge.[^1]
Man kann so in absolutem Maße die während einer gegebenen Zeit den
Kondensator durchfließende Elektrizitätsmenge, d. h. die
Stromintensität, messen. Die Messung ist unabhängig von der
Empfindlichkeit des Elektrometers.
Wenn man eine gewisse Anzahl derartiger Messungen ausführt, so sieht
man, daß die Radioaktivität ein ziemlich genau meßbares Phänomen ist.
Sie variirt wenig mit der Temperatur und wird kaum von den Schwankungen
der Zimmertemperatur beeinflußt; auch eine Belichtung der aktiven
Substanz ist ohne Einfluß. Die Stromintensität zwischen den
Kondensatorplatten wächst mit deren Oberfläche; für einen gegebenen
Kondensator und gegebene Substanz wächst der Strom mit der
Potentialdifferenz zwischen den Platten, mit dem Druck des Gases, das
den Kondensator erfüllt, und mit dem Abstand der Platten (vorausgesetzt,
daß dieser Abstand nicht gar zu groß im Verhältniß zum Durchmesser ist).
Jedoch strebt der Strom für sehr hohe Potentialdifferenz einem praktisch
konstanten Grenzwert zu. Dies ist der Sättigungs- oder Grenzstrom.
Ferner variirt von einem gewissen ziemlich großen Abstand der Platten ab
der Strom kaum mehr mit dem Abstand. Der unter diesen Bedingungen
erhaltene Strom ist es, der bei meinen Untersuchungen als Maß der
Radioaktivität genommen wurde, wenn sich der Kondensator in Luft von
Atmosphärendruck befand.
Ich gebe als Beispiel einige Kurven, die die Stromstärke als Funktion
des mittleren Feldes zwischen den Platten für zwei verschiedene
Plattenabstände darstellen. Platte B war mit einer sehr dünnen Schicht
pulverisirten Uranmetalls bedeckt; die mit dem Elektrometer verbundene
Platte A war mit einem Schutzring versehen.
[Fig. 2]
Fig. 2 zeigt, daß die Stromintensität für starke Potentialdifferenzen
zwischen den Platten konstant wird. Fig. 3 stellt dieselbe Kurve in
einem anderen Maßstabe dar und enthält bloß die Resultate für schwache
Potentialdifferenzen; der Quotient aus Stromstärke und
Potentialdifferenz ist für schwache Spannungen konstant und stellt die
Initialleitfähigkeit zwischen den Platten dar. Man kann also zwei
wichtige charakteristische Konstanten dieses Phänomens unterscheiden: 1.
Die Initialleitfähigkeit für schwache Potentialdifferenzen, 2. den
Grenzstrom für starke Potentialdifferenzen. Dieser Grenzstrom ist es,
der als Maß für die Radioaktivität angenommen wurde.
Außer der zwischen den Platten besonders hergestellten
Potentialdifferenz existirt zwischen ihnen noch eine Kontaktkraft, und
die Wirkungen dieser beiden Stromursachen addiren sich; infolgedessen
ändert sich der Absolutwert des Stromes mit dem Vorzeichen der äußeren
Potentialdifferenz. Jedoch ist für hohe Spannungen der Einfluß der
Kontaktkraft zu vernachlässigen und die Stromstärke unabhängig von dem
Vorzeichen des Feldes zwischen den Platten.
[Fig. 3]
Die Leitfähigkeit der Luft und andrer Gase unter der Einwirkung der
Becquerelstrahlen ist von mehreren Physikern studirt worden.[22-24] Eine
sehr vollständige Untersuchung des Gegenstandes veröffentlichte Herr
Rutherford.[17] Die Gesetze der in Gasen durch Becquerelstrahlen
hervorgerufenen Leitfähigkeit sind dieselben wie die bei
Röntgenstrahlung gefundenen. Der Mechanismus der Erscheinung scheint in
beiden Fällen derselbe zu sein. Die Theorie der Ionisation der Gase
unter der Wirkung der Röntgen- oder Becquerelstrahlung giebt sehr guten
Aufschluß über die beobachteten Tatsachen. Diese Theorie soll hier nicht
weiter erörtert werden; ich erinnere nur an die Resultate, zu denen sie
führt:
1. Die Zahl der pro Sekunde im Gase producirten Ionen wird proportional
gesetzt der im Gase absorbirten Strahlungsenergie.
2. Um den einer bestimmten Strahlung entsprechenden Grenzstrom zu
erhalten, muß man einerseits diese Strahlung vom Gase vollständig
absorbiren lassen, indem man einen genügend große absorbirende Masse
benutzt; andrerseits muß man zur Hervorbringung des Stromes alle
erzeugten Ionen benutzen, indem man ein so starkes Feld herstellt,
daß die Zahl der sich wieder vereinigenden Ionen nur einen
unwesentlichen Bruchteil der in derselben Zeit erzeugten Gesamtzahl
von Ionen beträgt, und diese fast vollständig von dem Strom zu den
Elektroden geführt werden. Das hierzu nötige elektrische Feld ist um
so höher, je stärker die Ionisation.
Nach neueren Untersuchungen von Herrn Townsend[25] ist das Phänomen bei
schwachem Gasdruck komplicirter. Der Strom scheint zuerst bei wachsender
Potentialdifferenz einem konstanten Grenzwert zuzustreben, aber von
einer gewissen Potentialdifferenz an beginnt der Strom wieder mit dem
Felde zu wachsen und zwar äußerst schnell. Herr Townsend nimmt an, daß
dieses Anwachsen von einer neuen Ionisation herrührt, die von den Ionen
selbst erzeugt wird, wenn sie unter der Einwirkung des elektrischen
Feldes eine genügend große Geschwindigkeit annehmen, damit ein
Gasmolekül, wenn es von diesen Geschossen getroffen wird, zerbrochen und
in die Ionen, aus denen es besteht, zerteilt wird. Ein starkes
elektrisches Feld und schwacher Druck begünstigen diese Ionisation durch
die schon vorhandenen Ionen, und sobald dies eintritt, wächst die
Stromstärke dauernd mit dem mittleren Felde zwischen den Platten. Der
Grenzstrom kann also nur erhalten werden, wenn die ionisirende Ursache
einen gewissen Wert nicht überschreitet, so daß die Sättigung bereits
bei Feldern erreicht wird, bei denen die Ionisation durch Ionenstoß noch
nicht stattgefunden hat. Diese Bedingung ist bei meinen Versuchen
erfüllt.
Die Größenordnung des Sättigungsstromes, den man mit Uranverbindungen
erhält, beträgt etwa 10^{-11} Ampère für einen Kondensator, dessen
Platten 8 cm Durchmesser und 3 cm Abstand haben. Die Thoriumverbindungen
geben Ströme von derselben Größenordnung und die Aktivitäten der Oxyde
von Uran und Thor sind ganz analog.
c) Radioaktivität der Uran- und Thorverbindungen.
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Es folgen zunächst einige Zahlen, die ich mit verschiedenen
Uranverbindungen erhalten habe; i bedeutet die Stromstärke in Ampère:
i⋅ 10^11
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Metallisches Uran (etwas kohlehaltig) 2,3
Schwarzes Uranoxyd, U_2O_5 2,6
Grünes Uranoxyd, U_2O_4 1,8
Uransäurehydrat 0,6
Natriumuranat 1,2
Kaliumuranat 1,2
Ammoniumuranat 1,3
Uranosulfat 0,7
Urankaliumsulfat 0,7
Uranylnitrat 0,7
Urankupferphosphat 0,9
Uranylsulfat 1,2
Die Dicke der angewandten Schicht von Uranverbindungen hat wenig
Einfluß, vorausgesetzt, daß die Schicht zusammenhängend ist. Einige
Versuche hierüber ergaben:
Schichtdicke (mm) i⋅10^11
---------------- ------------------- -------------
Uranoxyd 0,5 2,7
„ 3,0 3,0
Ammoniumuranat 0,5 1,3
„ 3,0 3,0
Man kann hieraus schließen, daß die Absorption der Uranstrahlen durch
die emittirende Substanz sehr stark ist, da die aus tieferen Schichten
kommenden Strahlen keinen merklichen Effekt
hervorbringen.
Aus den Zahlen, die ich[15] mit Thorverbindungen erhalten habe, ergab
sich folgendes:
1. Die Dicke der angewandten Schicht ist von beträchtlichem Einfluß,
besonders beim Oxyd.
2. Das Phänomen ist nur dann regelmäßig, wenn man eine sehr dünne
aktive Schicht benutzt (z. B. 0,25 mm). Wenn man dagegen eine dicke
Schicht (6 mm) benutzt, so erhält man zwischen weiten Grenzen
schwankende Zahlen, besonders im Falle des Oxyds:
Schichtdicke (mm) i⋅10^11
------------ ------------------- ---------------
Thoroxyd 0,25 2,2
„ 0,5 2,5
„ 2,5 4,7
„ 3,0 5,5 im Mittel
„ 6,0 5,5 „ „
Thorsulfat 0,25 0,8
Es ist hier also eine Ursache zu Unregelmäßigkeiten vorhanden, die bei
den Uranverbindungen nicht existirt. Die mit einer Oxydschicht von 6 mm
erhaltenen Zahlen variiren zwischen 3,7 und 7,3.
Die Untersuchungen, die ich über die Absorption der Uran- und
Thorstrahlen angestellt habe, ergaben, daß die Thorstrahlen ein größeres
Durchdringungsvermögen besitzen als die Uranstrahlen, und daß die vom
Thoroxyd in dicker Schicht emittirten Strahlen durchdringender sind als
diejenigen, die es in dünner Schicht emittirt. Es wurden z. B. folgende
Zahlen für den Bruchteil der Strahlung erhalten, den ein Aluminiumblatt
von 0,01 mm Dicke hindurchläßt:
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Strahlende Substanz Vom Aluminium
durchgelassener Bruchteil
der Strahlung
--------------------------- ---------------------------
Uran 0,18
Uranoxyd, 0,20
U_2O_5
Ammoniumuranat 0,20