Ammoniumuranat 0,20

Produced by R. S.

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:

-------------------------------------------------------

Strahlende Substanz Vom Aluminium

durchgelassener Bruchteil

der Strahlung

--------------------------- ---------------------------

Uran 0,18

Uranoxyd, 0,20

U_2O_5

Ammoniumuranat 0,20

Untersuchungen über die radioaktiven Substanzen von Marie Curie, übersetzt und mit Litteratur-Ergänzungen versehen von W. Kaufmann · 第 1 / 32 题