Det er, som om naturen bare vælger at åbenbare nogle af sine hemmeligheder for forskeren, der så at sige blive taget på sengen.

Et vigtigt eksempel på en aldeles uforudset opdagelse er radioaktiviteten, der blev åbenbaret i slutningen af 1800-tallet og snart fik enorme og vidtrækkende konsekvenser for både naturvidenskab, teknologi og medicin.

Hypotesen var forkert, men opdagelsen var skelsættende

Vi skal til starten af 1896, hvor den parisiske fysiker og mineralog Henri Becquerel (1852-1908) var optaget af eksperimenter med fosforescerende mineraler, det vil sige krystaller, der bliver selvlysende efter at være udsat for sollys.

Inspireret af Röntgens netop opdagede stråler mente han, at visse uranmineraler fremviste en ny form for fosforescens ved at udsende de usynlige røntgenstråler – som ellers kun var blevet påvist i elektriske udladninger.

Hypotesen viste sig hurtigt at være forkert, men den førte til en skelsættende ny opdagelse.

Mineralet udsendte usynlige stråler

I februar 1896 arbejdede Becquerel i sit laboratorium i Paris med at påvise rigtigheden af sin antagelse. Men det var nødvendigt med sollys, og da det en periode var overskyet i Paris, lagde Becquerel sit uranmineral og sin fotografiske plade i en skuffe, indpakket i tykt, sort papir.

Til sin forbløffelse opdagede han da, at pladen var eksponeret, også selv om mineralet ikke havde været belyst af Solen overhovedet.

På en eller anden måde havde mineralet selv udsendt usynlige stråler, som ganske vist mindede om røntgenstråler, men som alligevel var noget helt andet. 

Videre undersøgelser viste, at også metallisk uran (som i øvrigt ikke er fosforescerende) udsendte de mærkelige stråler, og det endda med større styrke. Fænomenet havde altså intet at gøre med mineralers selvlysende egenskaber.

Radioaktiviteten blev opdaget to gange

Hvad der i starten blev kaldt 'uranstråler', vakte ingen opsigt, hverken blandt videnskabsmænd eller i offentligheden.

Røntgenstråler blev anset for langt mere interessante, og det tog nogle år, før det stod klart, at Becquerel her havde gjort en vigtig opdagelse – nemlig opdaget radioaktiviteten, et helt nyt naturfænomen.

I en vis forstand blev radioaktiviteten opdaget hele to gange.

Først i 1896 af Becquerel og siden i 1898, da ægteparret Pierre og Marie Curie, der havde fulgt op på Becquerels forskning, opdagede langt mere potente radioaktive kilder og derved for alvor satte radioaktiviteten på det videnskabelige landkort.

Den polskfødte Marie Sklodowska var som 24-årig kommet til Paris for at studere fysik, og i 1895, da hun havde fuldført sine studier, giftede hun sig med den anerkendte fysiker Pierre Curie (1859-1906). Med ægteskabet fulgte et intenst og frugtbart videnskabeligt samarbejde.

De kunne fremvise små mængder af to nye grundstoffer

Marie Curie (1867-1934) viste, at metallet thorium havde samme egenskaber som uran. 'Radioaktivitet' – et navn hun foreslog i 1898 – er altså ikke specielt knyttet til uran.

Af endnu større betydning var det, at hun og hendes mand samme år nåede til den konklusion, at visse uranforekomster indeholdt hidtil ukendte, men stærkt radioaktive grundstoffer.

Arbejdet med at isolere de formodede grundstoffer fra uranen var hårdt, usundt og tidskrævende, men efter flere måneders arbejde i deres primitive laboratorium kunne de fremvise små mængder af ikke mindre end to nye grundstoffer, dog ikke i ren form.

Det ene kaldte de polonium (Po) efter Maries fædreland, mens de kaldte det andet for radium (Ra) efter det latinske radius, der betyder stråle. Der skulle dog gå endnu fire år, før det i 1902 lykkedes dem at fremstille 0,1 gram af et rent radiumsalt. 

Radioaktive stoffer blev den nye mirakelkur

De to nye stoffer var langt mere radioaktive end uran; de var også langt farligere, men det vidste endnu ingen, ikke engang ægteparret selv.

Med opdagelsen af radium skiftede studiet af radioaktivitet karakter, idet det hurtigt fik en høj status og tiltrak sig stor interesse blandt både fysikere, kemikere og læger.

Radioaktive stoffer blev for en stund opfattet som en mirakelkur, der kunne helbrede næsten enhver sygdom, fra depressioner til kræft. Stofferne blev flittigt brugt på kursteder og i patentmediciner, for ikke at tale om tandpasta og kosmetik.

Radioaktivitet var det mest 'hotte' forskningsemne

Det var en rigtig dårlig idé, og mange døde af strålingen, inden man erkendte dens farlighed. Marie Curie selv pådrog sig forbrændinger og udviklede senere leukæmi, der menes at have været årsag til hendes død som 66-årig.

Men radioaktivitet var ikke desto mindre det mest 'hotte' forskningsområde i de fysisk-kemiske videnskaber på denne tid, og i 1903 kunne Becquerel og ægteparret Curie dele Nobelprisen i fysik.

Pierre Curie blev kørt over af en hestevogn og døde allerede i 1906, men Marie Curie fik yderligere en Nobelpris i 1911, denne gang i kemi og for sin opdagelse af radium.

Rutherford kunne vise tre typer stråling

Den tidlige udforskning af radioaktiviteten resulterede ikke i afklaring og forståelse, men tværtimod i dyb forvirring og en mængde uafklarede spørgsmål.

Hvilke grundstoffer var radioaktive? Hvordan passede de med det periodiske system? Hvad var den fysiske natur af strålingen? Blev aktiviteten påvirket af ydre faktorer som tryk og temperatur?

I mangel af en teori var forskningen rent eksperimentel, og for hvert svar på ét spørgsmål opstod nye spørgsmål.

Den newzealandske fysiker Ernest Rutherford (1871-1937) kunne vise, at der var hele tre typer af stråling – alfa, beta og gamma – med forskellig gennemtrængelighed og elektrisk ladning. Forskerne var kommet langt – men der var lang vej endnu!

Radioaktive stoffer henfalder uafhængig af ydre omstændigheder

Radioaktivt vand blev i starten af det 20. århundrede solgt som patentmedicin. (Foto: Radioaktivt vand. Fra Robert Greenspan: Medicine. Perspectives in History and Art.)

Sammen med den engelske kemiker Frederick Soddy (1877-1956) viste Rutherford så i 1902, at radioaktive stoffer henfalder på en ganske bestemt måde, karakteriseret ved stoffets halveringstid.

Et grundstof som for eksempel radium henfalder eksponentielt med en halveringstid på cirka 1.600 år, således at der efter 3.200 år kun er en fjerdedel af stofmængden tilbage.

Til alles forbavselse viste eksperimenter, at halveringstiden er fuldstændig uafhængig af ydre omstændigheder. Selv ved ekstremt højt tryk eller ved temperaturer nær det absolutte nulpunkt (− 273 °C) henfalder det radioaktive stof uændret. 

Fysikere kunne skabe naturlige processer i laboratioriet

Endvidere viste det sig, at henfaldet omdanner radium til polonium, der igen, efter yderligere henfald, omdannes til det ikke-radioaktive grundstof bly. Med andre ord, forskerne havde altså i radioaktivitet opdaget en naturlig grundstofforvandling.

Det betød, at grundstofferne ikke længere var uforgængelige, sådan som man havde ment i århundreder. Hvad alkymisterne forgæves havde søgt at realisere i middelalderen og renæssancen, fandt sted i naturen!

Og det varede ikke længe, før Rutherford og andre fysikere var i stand til at reproducere de naturlige alkymistiske processer i laboratoriet.

I 1919 kunne Rutherford meddele, at han havde lavet den første kunstige grundstofforvandling: Ved at beskyde kvælstof med alfapartikler, lavede han det om til ilt.

Radioaktive processer havde en betydelig energiudvikling

Men hvorfra stammede de stråler, der tilsyneladende spontant blev udsendt fra de radioaktive stoffer?

Spørgsmålet fik yderligere aktualitet, da Pierre Curie og hans medarbejder André Debierne (1874-1949) i 1903 kunne fastslå, at de radioaktive processer var ledsaget af en betydelig energiudvikling.

Ifølge en af fysikkens mest fundamentale love er energien bevaret i et lukket system, og så opstod den alligevel spontant i atomer af radium og andre stoffer med lignende egenskaber.

Hvor mærkeligt! To år senere foreslog en ukendt svejtsisk fysiker ved navn Albert Einstein, at energien stammede fra en omdannelse af masse (E = mc²), men uden at han i starten blev taget alvorligt.

Henfaldsloven er en lovmæssighed

Spontaniteten af radioaktive henfald var et andet problem, for de skete tilsyneladende uden nogen årsag. Først med kvantemekanikkens fremkomst i 1920'erne blev det klart, at når man ikke kunne finde nogen årsag, så var det, fordi der ikke er nogen.

Radioaktivitet er et akausalt fænomen, det vil sige det foregår uden en bestemt årsag.

Fænomenet følger ganske vist en bestemt lovmæssighed, nemlig den eksponentielle henfaldslov, men den er af en statistisk karakter og har kun gyldighed for et meget stort antal atomer (1 gram radium indeholder cirka 3 * 10²¹ atomer).

Det kunstige grundstof plutonium er både giftigt og radioaktivt. Isotopen Pu-238 er så højradioaktiv, at den varme, der dannes ved det radioaktive henfald, gør stoffet selvlysende. Da halveringstiden er 88 år, bruges det som en stabil energikilde for instrumenter i rumfarten. (Foto: Plutonium, 1997. Department of Energy, USA.)

For et enkelt radiumatom udtrykker halveringstiden kun sandsynligheden for, at det vil omdannes i løbet af en vis periode.

Radioaktive stoffer er vigtige for jordens energibalance

Den varmeenergi, der ledsager radioaktive processer, var ikke kun af fysisk, men også af geologisk interesse. De radioaktive stoffer i jordskorpen viste sig at være af afgørende betydning for Jordens energibalance.

Hovedparten af Jordens varme stammer ikke fra varmeledning fra den indre Jord, hvilket dengang var den traditionelle antagelse, men fra nedbrydningen af radioaktive stoffer i jordskorpen.

Hvis jordskorpen ikke var radioaktiv, ville den være alt for kold til at huse højtudviklet liv, og vi ville ikke eksistere.

Radioaktive målinger har bestemt jordens alder

Også på et andet område af central betydning for geologien kom radioaktiviteten til at spille en afgørende rolle, nemlig i forståelsen af Jordens alder.

Allerede omkring 1910 antydede målinger af uranholdige mineraler en alder på mindst en milliard år – langt mere, end hvad man tidligere havde troet.

Vores nuværende viden, at Jorden blev skabt for 4,55 milliarder år siden, er i bund og grund baseret på radiometriske metoder og målinger.

Radioaktiviteten ledte til flere opdagelser

Geologien var en af de videnskaber, der uventet profiterede af studiet af radioaktiviteten, men den var langtfra den eneste. Den tværvidenskabelige disciplin radiokemi opstod i starten af det 20. århundrede, og den førte hurtigt til vigtige resultater.

Ikke blot ledte radiokemien til ideen om isotoper, dee vil sige atomarter af samme grundstof med forskellige atomvægte, den ledte også til en ny forståelse af selve begrebet om et grundstof.

Det var ligeledes radioaktiviteten, der i 1911 førte Rutherford til sin skelsættende opdagelse af atomkernen og dermed til grundlaget for den senere kernefysik.

Radioaktivitet er netop et kernefysisk fænomen, da det stammer fra den lillebitte atomkerne og ikke fra det langt større atom.

Tracerteknik anvendes også i nuklearmedicin

Den historiske proces, der i slutningen af 1930'erne førte til uranatomets spaltning og på lidt længere sigt til atombomben over Hiroshima den 6. august 1945, havde sine rødder i udforskningen af radioaktivitet.

Endelig bør nævnes den store betydning, som radioaktive isotoper siden 1930'erne har fået i studiet af biologiske og fysiologiske processer. Ved at blande et grundstof med en lille mængde af en radioaktiv isotop kan man spore grundstoffets vej i biologiske transportprocesser.

Denne såkaldte tracerteknik har også fundet udbredt anvendelse i det medicinske forsknings- og behandlingsområde, der betegnes nuklearmedicin.

Da Becquerel i 1896 påviste sine uranstråler, mente han nok, at det var en interessant opdagelse, men han kunne ikke i sin vildeste fantasi have forestillet sig de mange konsekvenser, den oprindelig noget upåagtede opdagelse skulle få.