Auer von Welsbach und das RadiumWalter Kutschera

Fakultät für Physik, Isotopenforschung und KernphysikUniversität Wien

62. Lehrerfortbildungswoche, Universität Wien, 27. Februar 2008

Brief History of Radioactivity1895 Wilhelm Roentgen (Germany) discovers X-rays.

Wilhelm Conrad Röntgen(1845-1923, German)

Nobel Prize in Physics 1901“in recognition of the extraordinary services he has rendered by the discovery of the remarkable rays subsequently named after him.“

Brief History of Radioactivity1895 Wilhelm Roentgen (Germany) discovers X-rays.1896 Henri Becquerel (France) discovers the radioactivity of Uranium.

Antoine Henri Becquerel(1852-1908, French)

Nobel Prize in Physics 1903“in recognition of the extraordinary services he has rendered by his

discovery of spontaneous radioactivity“

Brief History of Radioactivity1895 Wilhelm Roentgen (Germany) discovers X-rays.1896 Henri Becquerel (France) discovers the radioactivity of Uranium. 1898 Marie and Pierre Curie (France) isolate two new, radioactive elements,

Polonium and Radium from pitchblende (uranium oxide), which are 1010 (Po) and 107 (Ra) times more radioactive than uranium itself.

Marie Sklodowska-Curie Pierre Curie(1867-1934, Polish, French) (1859-1906, French)

Nobel Prize in Physics 1903“in recognition of the extraordinary services they have rendered by their joint researches

on the radiation phenomena discovered by Professor Henri Becquerel“

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αβ–

238U, t1/2 = 4.47x109 a

226Ra, t1/2 = 1600 a

210Po, t1/2 = 138 d

Protonnumber

Neutron number

The decay chain of 238U

Marie Sklodowska-Curie(1867-1934, Polish, French)

Nobel Prize in Chemistry 1911“in recognition of her services to the

advancement of chemistry by the discovery of the elements radium and polonium, by the isolation of radium

and the study of the nature and compounds of this remarkable

element“

Brief History of Radioactivity1895 Wilhelm Roentgen (Germany) discovers X-rays.1896 Henri Becquerel (France) discovers the radioactivity of Uranium. 1898 Marie and Pierre Curie (France) isolate two new, radioactive elements,

Polonium and Radium from pitchblende (uranium oxide), which are 1010 (Po) and 107 (Ra) times more radioactive than uranium itself.

1905 Albert Einstein publishes his theory of special relativity, and his most famous formula: E = Mc2.

Albert Einstein(1879-1955)

(German, Swiss, American)

Nobel Prize in Physics 1921“for his services to Theoretical Physics, and especially for his discovery of the

law of the photoelectric effect“

Brief History of Radioactivity1895 Wilhelm Roentgen (Germany) discovers X-rays.1896 Henri Becquerel (France) discovers the radioactivity of Uranium. 1898 Marie and Pierre Curie (France) isolate two new, radioactive elements,

Polonium and Radium from pitchblende (uranium oxide), which are 1010 (Po) and 107 (Ra) times more radioactive than uranium itself.

1905 Albert Einstein publishes his theory of special relativity, and his most famous formula: E = Mc2.

1908 Ernest Rutherford distinguishes alpha and beta rays, and shows that alpha particles are Helium.

1911 Ernest Rutherford shows through alpha-particle scattering on Gold foils that the atom has a “small” nucleus which combines nearly the whole mass.

Ernest Rutherford(1871-1937, NZ/British)

Nobel Prize in Chemistry 1908

"for his investigations into the disintegration of the elements,

and the chemistry of radioactive substances"

Was passierte damals in Wien?

1908 Dr. Karl Kupelwieser (1841-1925), ein Wiener Jurist, Industrieller und Mäzen, stiftet 500.000 Kronen (~ 5 Millionen Euro) der Kaiserlichen Akademie der Wissenschaften in Wien zum Bau des “Instituts für Radiumforschung”.

Karl Kupelwieser – Stifter des Instituts für Radiumforschung

An das geehrte Präsidium der k.k. Akademie der Wissenschaften in Wien

Die Besorgniß, daß meine Heimath Österreich etwa verabsäumen könnte, sich eines der größten ihm von der Natur überlassenen Schätze, nämlich des Minerales URAN-PECHBLENDE wissenschaftlich zu bemächtigen, beschäftigt mich schon seit dem Bekanntwerden derräthselhaften Emanationen ihres Produktes, “Des Radiums”.Ich wollte, so weit meine Kräfte reichen, zu verhindern trachten, daß mein Vaterland die Schande treffe, daß es eine ihm gewissermaßen als Privilegium von der Natur zugewiesene wissenschaftliche Aufgabe sich habe von Anderen entreißen lassen.Es blieb mir hierzu in unserem etwas schwerfälligen Reiche unter den wirklich schon drängenden Umständen kein anderer Weg, als selbst in die Tasche zu greifen, und wenigstens den Pfad zu ebnen versuchen.Die geehrte Akademie mit ihrem Stab von Forschern und die hohe k.k. Regierung mögen das Übrige tun.Ich verpflichte mich demgemäß hiermit, unter Aufwendung eines Höchstbetrages von fünfhunderttausend Kronen der geehrten Akademie der Wissenschaften in Wien ein der physikalischen Erforschung des Radium dienendes Gebäude herzustellen und einzurichten, falls die hohe k.k. österr. Regierung für diesen Zweck:1.) einen dem neu zu erbauenden physikalischen Institute benachbart gelegenen entsprechend

großen Bauplatz der geehrten Akademie um einen sehr billigen Preis käuflich überläßt.2.) Die Unterhaltung und Führung des Institutes, in den nach besonders zu vereinbarenden

Grenzen, in eigene Regie übernimmt.

Hierbei setze ich voraus, daß die k.k. Regierung bereit sein wird, der Akademie die für die wissenschaftlichen Arbeiten dieses Institutes erforderlichen Rohstoffe unentgeltlich oder zu einem mäßigen Preise zu überlassen.Hiernach werde ich der geehrten Akademie aus meinen Mitteln den erwähnten Bauplatz kaufen und im Einvernehmen mit ihr und den von ihr zu bezeichnenden Forschern, ein eigenes Gebäude in architektonisch gefälliger Form herstellen, und für physikalische (nicht ärztliche) Zwecke möglichst vollkommen und reichlich einrichten.Ich bin bereit, auf Wunsch den diesem Zwecke unter den erwähnten Voraussetzungen gewidmeten Barbetrag schon jetzt durch eine Kautionsbestellung bei einer Wiener Bank für eine limitierte Zeit zu binden.Ich bitte das geehrte Präsidium mir zu erklären, daß die k.k. Akademie nach etwa vollendeter Erreichung des Institutszweckes nämlich der Erforschung der physikalischen Eigenschaften des Radiums (insoferne dies denkbar ist) oder im Falle der Unmöglichkeit oder Entbehrlichkeit der weiteren Fortsetzung der physikalischen Radiumforschung das Gebäude und die von mir beigestellten Mittel des Institutes für einen anderen wissenschaftlichen wichtigen Zweck verwenden werde.Ich lege Wert darauf, soweit dies nur irgend möglich ist, der Öffentlichkeit gegenüber anonym zu bleiben, und bitte deßhalb das hohe Präsidium, gelegentlich einer etwaigen Publikation meinen Namen zu verschweigen und auch sonst die Kenntnis meiner Teilhaberschaft an dem Unternehmen gütigst zu unterdrücken.

Pörtschach, am 2. August 1908 Dr. Karl Kupelwieser

Institut für Radiumforschung, 1910

Was passierte damals in Wien?

1908 Dr. Karl Kupelwieser (1841-1925), ein Wiener Jurist, Industrieller und Mäzen, stiftet 500.000 Kronen (~ 5 Millionen Euro) der Kaiserlichen Akademieder Wissenschaften in Wien zum Bau des “Instituts für Radiumforschung”.

1908 In der Auer von Welsbachschen Gasglühlichtfabrik in Atzgersdorf bei Wien(heute im 23. Bezirk) werden aus 10.000 kg Rückständen der Urangewinnungvon Joachimsthal ~ 3 g Radium gewonnen [L. Haitinger und K. Ulrich, Sitz. Ber. Kaiserl. Akad. Wiss. 117 (1908) 619-629].

1910 Stefan Meyer stellt 0.3 g Radium Ernest Rutherford unentgeldlich zur Verfügung.

Stefan Meyer (1872 – 1949)Direktor des Instituts für Radiumforschung von 1910 – 1938

Was passierte damals in Wien?

1908 Dr. Karl Kupelwieser (1841-1925), ein Wiener Jurist, Industrieller undMäzen, stiftet 500.000 Kronen (~ 5 Millionen Euro) der Kaiserlichen Akademieder Wissenschaften in Wien zum Bau des “Instituts für Radiumforschung”.

1908 In der Auer von Welsbachschen Gasglühlichtfabrik in Atzgersdorf bei Wien(heute im 23. Bezirk) werden aus 10.000 kg Rückständen der Urangewinnungvon Joachimsthal ~ 3 g Radium gewonnen [L. Haitinger und K. Ulrich, Sitz. Ber. Kaiserl. Akad. Wiss. 117 (1908) 619-629].

1910 Stefan Meyer stellt 0.3 g Radium Ernest Rutherford unentgeldlich zur Verfügung.

1911 O. Hönigschmidt stellt aus dem Auer von Welsbachschen Radium hochreineRadiumstandards her [O. Hönigschmid, Sitz. Ber. Kaiserl. Akad. Wiss. 120 (1911) 1617-1652].

Radium, das wichtigste Element für die Kernphysikin der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts

• 226Ra stellte über 30 Jahre lang die wichtigste Quelle von Alpha-Strahlen dar, mit denen im Labor kernphysikalische Prozesse untersucht werden konnten.

• Erst 1930 – 1940 wurden die ersten Beschleuniger entwickelt.

• Das Institut für Radiumforschung bewahrte aber das Radium, das auf die chemischen Arbeiten von Auer von Welsbach zurückgeht, bis in unsere Zeit auf.

• Seit etwa dem Jahr 2000 hat sich aber an der Technischen Universität München eine erstaunliche Verwendung dafür gefunden. Die jahrzehntelange Lagerung des Radiums in Wien (bzw. imForschungszentrum Seibersdorf)– ohne eine wirkliche Verwendung dafür zu haben – hat sich letzlich gelohnt.

Die Verwendung des Auer von WelsbachschenRadiums für eine neue Form der Krebstherapie:

α - Immuno - Cancer - Therapy

Faculty of Physics E17 Institute of Radiochemistry RCM

Institute for Machine Tools iwb Nuclear Medical Clinic RDI

Prof. Dr. Fritz G. ParakDr. Matthias MentlerDr. Ernst Huenges ** presently „postretired“

Prof. Dr. Andreas TürlerDr. Richard HenkelmannDr. Josue MorenoDr. Eva Kabai

Prof. Dr. Ing. Michael ZähDr. Mark Harfensteller*Dipl. Ing. Andreas Eursch* present API Consultant

Prof. Dr. Markus SchwaigerProf. Dr. Reingard SenekowitschDr. Matthias MiedererDr. Roswitha Beck

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•No natural α–emitting radioisotopes suitable for α- immunotherapy are available from the decay from uranium or thorium.

•The ideal radioisotope for a hospital based nuclei generator is 225Ac with a half life of t1/2 = 10 d.

•A rapid decay leads to the β-emitter 213Bi (t1/2 = 45 min), which can be chelated to cancer specific antibodies.

•Instantaneously following is the cell killing α–decay of213Po (t1/2 = 4 μs, Eα = 8.4 MeV).

• This α-decay is followed only by the β-decay of209Pb (t1/2 = 3.2 h, Eβ = 0.6 MeV)

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αβ–

238U, t1/2 = 4.47x109 a

226Ra, t1/2 = 1600 a

210Po, t1/2 = 138 d

Protonnumber

Neutron number

The decay chain of 238U

225Ac, t1/2 = 10 d

Cyclotron based Production of an 225Ac - 213Bi Nuclear Generator for

α - Immuno - Cancer - Therapy

H–

H+

Radium Processing

Target Preparation

Target TransportationTarget Processing

Ra/Ac Separation

Radium Recycling

Ac-Purification

Target Irradiation

GoalAchieved1.10.07

Schedule Oct. / Nov. 07

Beam current on target μA 100 30 30

Irradiation Time h 150 100 120

Irradiated Ra- Activity mCi 100 5 80

Separated Ac-Activity mCi 50 0,5 25

Die Moral von der Geschichte:

Niemals etwas wegwerfen, das Auer von Welsbach hergestellt hat.

Design goal: 100mCi of 225Ac twice a Month

Beam current: 100μA

Target material: about 100mCi Ra(NO3)2

Power dissipation total: 2.2kW

Power dessipation target material: 0.4kW

Target construction: capsuled rotating Target, 900rpm

Irradiation time: 120h

A targeted application of α-particle emitting radioisotopes by using tumorspecific antibodies

•Reproducible tumorspecific antibodies applied to the bloodstream have a high and stable affinity to tumor cells.

•α-particles have a very high energy transfer to the human tissue compared to β- or γ-radiation. The range is only a few cell distances.

•The chelation of an α-emitter to an antibody guaranties a very high cell killing rate in the tumor avoiding damage in the surrounding tissue.