Hart van de materie 6: Atomen geven stralen af

Het zal je maar overkomen. Je hele levenswerk draait om fosforescentie, magnetisme en de polarisatie van licht, en al dat werk wordt op een dag overschaduwd door een haast toevallige ontdekking. Dat overkwam de Franse onderzoeker Antoine Henri Becquerel, op 1 maart 1896. Hij ontdekte het bestaan van radioactiviteit.

Links: Fluorescerende koralen (Underwater Observatory Marine Park, Eilat). Bron: Tiia Monto, CC BY-SA 3.0.
Rechts: Fosforescente wijzerplaat (die nog verlicht blijft nadat het donker geworden is). Bron: Naklig. CC BY-SA 3.0

Fluorescente stoffen absorberen elektromagnetische straling (licht, X-stralen, gammastralen) en zenden de energie ervan onmiddellijk terug uit bij een langere golflengte (zodat de kleur verandert).
Fosforescente stoffen doen hetzelfde, maar stralen de opgenomen energie over een langere tijd bij een lagere sterkte terug uit (denk aan het “glow in the dark”-fenomeen).
Tenminste, dat is de eenvoudige verklaring. Een diepgaandere uitleg van deze processen vereist een goed begrip van de kwantummechanica en daar zijn we in ons verhaal hier nog ver af.
Een ander voorbeeld van fosforescentie vinden we terug in kristallen van zinksulfide (ZnS) – een voorbeeld dat nog van pas komt in verdere episoden van ons verhaal.
Wanneer dergelijke kristallen kleine hoeveelheden ionen van transitiemetalen (zoals Mn2+, Cu2+ of Ag+) bevatten, kunnen deze kristallen fosforescerend licht uitzenden.
Zo zal de aanwezigheid van zilverionen zorgen voor blauw licht en de aanwezigheid van koperionen voor groen licht.

 

Zijn ontdekking volgde op een andere beroemde vondst, door de Duitser Wilhelm Conrad Röntgen, op 5 januari van datzelfde jaar: die van de X-stralen. Becquerel vermoedde dat uraniumzouten, waarvan men wist dat ze fosforescerend waren, een dergelijke vorm van straling zouden produceren. Zijn eerste experimenten leken dit ook aan te tonen. Hij verwoordde het zelf zo, in een lezing voor de Franse Academie des Sciences op 27 februari 1896:

We wikkelden een fotografische plaat met een twee lagen dikke bromide-emulsie in zwart papier, zodat de plaat niet vertroebelde na blootstelling aan de zon voor een dag. Aan de buitenkant van het pak kwam een plak van de fosforescerende stof en het geheel werd gedurende enkele uren aan de zon blootgesteld. Wanneer de fotografische plaat ontwikkeld wordt, kan men het silhouet van de fosforescerende stof in het zwart zien verschijnen op het negatief. Plaatst men een geldstuk of een metalen scherm tussen de fluorescerende stof en het pak, dan ziet men het beeld van deze objecten op het negatief. [...] Men moet uit deze experimenten concluderen dat de fluorescerende stof in kwestie stralen uitzendt, die door het ondoorzichtige papier dringen en zilverzouten reduceren.

Alleen merkte hij zelf niet lang daarna op, dat hij zich schromelijk had vergist. Toen een experiment eens niet kon doorgaan (op een niet zo zonnige dag), bleek dat het uranium ook zonder licht in staat was om het fotografisch papier te zwarten. Bovendien waren sommige zouten van uranium niet fosforescent en lieten ze toch hun sporen na op de fotografische plaat. Ook kwam Becquerel nog te weten dat die uraniumstralen konden worden afgebogen door elektrische of magnetische velden. Daarin verschillen ze overduidelijk van X-stralen (of elektromagnetische straling in het algemeen, zoals licht). Er was kennelijk meer aan de hand, maar wat juist, daar zou de wetenschappelijke wereld enkele jaren voor moeten wachten.

Antoine Henri Becquerel (15 december 1852, Parijs, Frankrijk - 25 augustus 1908, Le Croisic, Bretagne, Frankrijk), hier te zien in zijn laboratorium.
Voor zijn ontdekking van radioactiviteit kreeg Becquerel de helft van de Nobelprijs voor de Natuurkunde in 1903.
De andere helft van de prijs was bestemd voor Pierre en Marie Curie voor hun studie van de Becquerel-straling.  Foto: publiek domein.

Henri (links) stamde af van een lange stamboom van wetenschappers. Zijn vader, Alexander Edmond Becquerel (1820-1891, midden) had het fotovoltaïsch effect voor het eerst waargenomen
(het principe waar we nu zonnecellen door laten werken). Grootvader Antoine César (rechts) had de differentiële galvanometer uitgevonden
en ook een elektrolytische methode voor de extractie van metalen uit ertsen, met behulp van zwavel.
Henri’s zoon Jean (1878-1953, niet op de foto), ten slotte, is meteen de vierde op rij die de leerstoel natuurkunde bekleedde aan het Muséum National d'Histoire Naturelle te Parijs.

Bronnen: Links: Paul Nadar, Collection: Scientific Identity: Portraits from the Dibner Library of the History of Science and Technology, Smithsonian Institution Libraries. Publiek domein.
midden: Paul Nadar - Bibliothèque nationale de France. Publiek domein.
rechts: publiek domein

Schaduwen van radioactief uranium op een fotografische plaat, uit experimenten van Becquerel. Publiek domein

 

Pierre en Marie ontdekken thorium, radium en polonium

De ontdekkingen van Becquerel stimuleerden heel wat onderzoekers om dit onbekende fenomeen grondig te bestuderen. Zo ook de jonge Maria Sklodowska. Ze was geboren op 7 november 1867 in Warschau en opgevoed in goede Poolse traditie, bestemd om een bijdrage te leveren aan het heil en de welvaart van Polen… een land dat ondertussen was verdeeld tussen de grootmachten van die tijd en dus enkel nog bestond in de gedachten van wie het land nog eengemaakt en groots hadden gekend. De sleutel om Polen weer groot te maken was daarbij studie en educatie. Alleen was het in het Polen van Maria Sklodowska (onder het bewind van de Russische tsaar) niet mogelijk voor vrouwen om te studeren. Enkel een (duur) verblijf in een West-Europees land zou hen in staat stellen om een universitair diploma te halen. Maria sloot daarop een pact met haar oudere zus Bronya: Maria zou als au pair gaan werken zodat Bronya in Parijs haar diploma in de geneeskunde kon behalen en Bronya zou daarna op haar beurt de opleiding van Maria financieren.

Maria bracht daarop drie jaar door in een dorp op 150 kilometer van Warschau, als gouvernante van een eigenaar van een bietsuikerfabriek. Niet alleen onderwees ze zijn kinderen, maar ook leerde ze in haar vrije uren de kinderen van de Poolse landarbeiders in het dorp lezen (iets wat eigenlijk verboden was door de Russische overheid). Zelf studeerde ze wat ze maar kon vinden, maar vooral wiskunde, natuurkunde en scheikunde trokken haar aandacht. Ook dit was verboden, maar ze kon rekenen op een scheikundige in de fabriek van haar werkgever voor lessen en praktische training. Tijdens haar verblijf werd Maria verliefd op Kazmierz Zorawski, de zoon van haar werkgever. Zijn familie vond echter dat hij niet beneden zijn stand, met een gouvernante, mocht trouwen. Ondanks haar persoonlijke gevoelens bleef Maria echter in dienst bij de familie, omwille van haar belofte aan haar zus.

In 1889 keerde Maria terug naar Warschau. Haar vader verdiende ondertussen wat meer geld en kon de studies van Bronya in Parijs zelf financieren. Zelf bleef Maria nog twee jaar werken als gouvernante en leerkracht, terwijl ze op zondag en ’s avonds scheikunde leerde in de zogenoemde Vliegende Universiteit van Warschau, een illegale organisatie die universitaire opleidingen voorzag en telkens van plaats veranderde om niet door de Russen te worden ontdekt. Rond haar 24ste verjaardag trok ze dan uiteindelijk naar Parijs. Ze veranderde haar naam in Marie en start als studente aan de Sorbonne. Op drie jaar tijd, door hard werk en concentratie, haalt ze er haar mastergraad in Wis- en Natuurkunde. Het leverde haar een studiebeurs op en de mogelijkheid om de magnetische eigenschappen van gehard staal te bestuderen in dienst van de Société d'encouragement pour l'industrie nationale. En toen? Toen was er Pierre.

Pierre Curie was een gepassioneerd onderzoeker, gedreven door zijn idealen en dromen en de nood aan goed wetenschappelijk werk. Op zijn 21ste had hij samen met zijn broer Jacques piëzo-elektriciteit ontdekt (het fenomeen dat mechanische druk kan zorgen voor elektrische potentiaalverschillen in kwartskristallen). Hij ontwikkelde er bovendien een toestel mee om zwakke elektrische ladingen mee te meten: de Curie-elektrometer. Later, tijdens zijn doctoraatsonderzoek rond magnetisme, ontdekte hij de wet van Curie (in een paramagnetisch materiaal is de magnetisatie omgekeerd evenredig met de temperatuur en evenredig met de sterkte van het externe magneetveld) en de Curie-temperatuur (de temperatuur waarop staal van een ferromagnetisch materiaal verandert in een paramagnetisch materiaal).

 

Materialen die onder invloed van een extern magneetveld zelf niet magnetisch worden (of zwak magnetisch, tegengesteld aan dat externe veld), noemen we diamagnetisch.
Materialen die onder invloed van zo een veld zelf sterk magnetisch worden, zijn paramagnetisch. Wanneer een materiaal al van zichzelf magnetische eigenschappen heeft
(of deze behoudt na magnetisatie door een extern veld), noemen we het ferromagnetisch.

 

Pierre en Marie ontmoetten mekaar door hun gedeelde interesse in magnetisme – zij omwille van haar werk rond gehard staal, hij omwille van zijn doctoraatswerk. Het was liefde op het eerste gezicht. Ze trouwden op 26 juli 1895, niet lang na de doctoraatsverdediging van Pierre. Als huwelijksreis maakten ze een fietstocht door Bretagne.

Niet lang daarna geraakten de waarnemingen van Becquerel bekend in de wetenschappelijke wereld. Marie was onmiddellijk geïntrigeerd door deze vreemde verschijnselen, en maakt gebruik van de École de Physique et Chimie, de Parijse hogeschool waar Pierre ondertussen docent is geworden en waar het koppel een oude schuur mocht inrichten als laboratorium. Becquerel had nog ontdekt dat zijn nieuwe straling de elektrische eigenschappen van de lucht errond veranderde. Om dat te meten haalde Pierre zijn elektrometer weer boven. Het toestel bleek onvervangbaar in het verdere onderzoek.

 

Pierre en Marie Curie in hun laboratorium. Foto uit 1900.
Bron: Vitold Muratov, scan uit Welt im Umbruch 1900-1914". Verlag Das Beste GmbH.Stuttgart.1999 ISBN 3870708379, CC BY-SA 3.0

 

 

 

Links: Piëzo-elektrische apparatuur, gebouwd door Pierre Curie rond 1889. Dit apparaat is een van twee oorspronkelijke piëzo-machines die de Curies gebruikten bij de ontdekking van radium en polonium. Het is de directe voorloper van de moderne dosimeter en als dusdanig een van de eerste instrumenten om radioactiviteit te meten. In de koperen bak zit er een dun stukje kwartskristal, geklemd tussen twee stangen. Dit kristal torst een kleine pan. Wanneer er gewichten worden toegevoegd aan de pan, wordt het kristal mechanisch belast en produceert dan een kleine elektrische lading. Pierre kende dit fenomeen, het piëzo-elektrisch effect, zeer goed – zoals in de tekst vermeld had hij dit samen met zijn broer ontdekt. Hoewel de geproduceerde lading klein is - in de pico-ampère-range – hielp het de Curies om nauwkeurig de activiteit van radioactief materiaal te meten. Enerzijds maten ze de elektrische lading in een condensator, gekoppeld aan één kant van de elektrometer, anderzijds wekten ze een tegenstroom op door het piëzo-elektrisch kristal te belasten, door gewichten te plaatsen op de weegpan. Hierbij pasten ze de gewichten aan, tot beide elektrische stromen gelijk waren. Een wiskundige vergelijking maakte het mogelijk om uit het totale gewicht de totale radioactiviteit te berekenen. Rechts: Toestel gebouwd door Pierre Curie.

Bron: Links: Quartz Piezo Electrometer, Mütter Museum of The College of Physicians of Philadelphia, CC BY-NC-SA 3.0
Rechts: Quadrant-elektrometer, gebouwd door Pierre Curie. Sciene Museum London. Mrjohncummings, CC BY-SA 2.0

 

Schematische weergave (gemaakt door Marie Curie zelf voor een lezing aan de Sorbonne in 1904) van de opstelling
die de Curies gebruikten tijdens hun onderzoek naar de straling van uraniumertsen.
A, B: Plaatcondensator, die tevens diende als ionisatiekast. - C Schakelaar - E Elektrometer -
H Weegschaal - P Batterij - Q Piëzoelektrisch kwarts.
Bron: Publiek domein.

Dankzij de elektrometer maakten Marie en Pierre immers in ijltempo nieuwe ontdekkingen over de vreemde straling. Om te beginnen bleek uit een vergelijking van verschillende uraniumzouten, dat enkel de aanwezige hoeveelheid uranium bepaalde hoe sterk de straling van het monster was. Verder ontdekte ze dat ook thoriumatomen radioactieve straling uitstuurden. Als bron voor uranium gebruikten ze onder andere het mineraal uraniniet (ook wel pekblende genoemd). Uit de vele metingen bleek echter, dat het mineraal een sterkere straling uitstuurde dan het uranium zelf. Er moest dus een tweede radioactieve element in het erts verborgen zitten. In hun zoektocht naar dit onbekende element begon Marie het erts op verschillende manieren te ontbinden. Zo behandelden ze stukken pekblende in verschillende zuren, in de hoop dat het onbekende element gemakkelijk in het zuur zou oplossen (of juist neerslaan), en ze het zo konden afscheiden van de rest van het erts. Elke nieuwe verbinding die daarbij ontstond, werd met de elektroscoop nagemeten, om de sterkte van de straling van die verbinding te bepalen.

Die methode loonde. Twee nieuwe elementen doken op tijdens hun zoektocht: radium en polonium, beide stevige radioactieve stralers. Ook de term radioactiviteit zelf werd bedacht door de Curies.

 

Uraniniet, uit Tsjechië.
Bron: J?drzej Pe?ka, publiek domein.

 

Marie Curie achter de elektroscoop, Pierre Curie kijkt toe.
Foto uit 1904, publiek domein.

Op 25 juni 1903 verdedigde dan ook Marie haar doctoraat, met het proefschrift Recherches sur les Substances Radioactives, het eerste proefschrift in de natuurkunde geschreven door een vrouw. In datzelfde jaar kregen Marie en Pierre Curie samen met Henri Becquerel de Nobelprijs voor Natuurkunde.

Die roem kwam met een hoge prijs, nochtans. Pierre en Marie voelden zich voortdurend ziek, moe, geplaagd door pijn – in retrospect wellicht een gevolg van de voortdurende straling waaraan ze zich blootstelden. Pierre Curie voerde zelfs ooit een experiment uit waarbij hij een stuk radium op zijn huid gedrukt hield gedurende langere tijd. Hij hield er een brandwonde aan over. Marie verloor 10 kilo tijdens haar doctoraatsonderzoek. Zelfs om de Nobelprijs op te halen in Zweden voelden ze zich te moe. Pas in 1905 reisden ze naar Zweden om hem in ontvangst te nemen.

Op 19 april 1906 sloeg het noodlot toe. Bij het oversteken van de Rue Dauphine in Parijs gleed Pierre uit voor de hoeven en wielen van een door paarden getrokken zware wagen, werd vertrappeld en stierf ogenblikkelijk.

 

Zicht op de Rue Dauphine aan het begin van de twintigste eeuw. Zo moet het eraan toe zijn gegaan toen Pierre Curie overleed.
Foto: parisrues.com. Publiek domein (foto van 1900).

Marie Curie in 1908, met haar twee dochters Eve (links, 1904-2007) en Irène (1897–1956).
Tot op de dag van vandaag is Marie Curie de enige vrouw die twee Nobelprijzen op haar naam heeft staan en de enige persoon
die twee Nobelprijzen in twee verschillende wetenschapsgebieden heeft gekregen.  Linus Pauling behaalde weliswaar ook twee Nobelprijzen in verschillende categorieën,
maar kreeg naast de wetenschappelijke Nobelprijs voor de Chemie (in 1954) die voor de Vrede (in 1962).
Bron: Wellcome Library, CC BY 4.0.

 

Marie, die tot dan toe onder haar echtgenoot werkte als hoofd van het laboratorium, kreeg daarop van de Sorbonne de positie van haar echtgenoot als hoogleraar (als eerste vrouw overigens). Op die manier kon ze hun levenswerk verderzetten. Niet dat daarom alle deuren openzwaaiden voor deze grande dame: in 1911 werd haar (ook als vrouw) het lidmaatschap van de Académie des Sciences nog geweigerd, ondanks het feit dat ze als eerste persoon ooit een tweede Nobelprijs toegekend kreeg (voor Scheikunde deze keer, omwille van haar ontdekking en opzuivering van radium en polonium). Een maand later stortte ze in door depressie en nierproblemen. Ze kon pas eind 1912 weer aan het werk gaan.

 

Marie Curie was de enige vrouw die deelnam aan de eerste Solvay-conferentie, in 1911 in Brussel. Dit congres (het eerste van vele) was georganiseerd door de Belg Ernest Solvay
en bracht de top van de toenmalige fysica bij mekaar. ook op latere congressen was Marie Curie meestal de enige vrouw, op bv. de Oostenrijkse Lise Meitner na, dan.
Zittend, van links naar rechts: Walther Nernst, Marcel Brillouin, Ernest Solvay, Hendrik Lorentz, Emil Warburg, Jean Baptiste Perrin, Wilhelm Wien, Marie Curie en Henri Poincaré.
Rechtstaande, van links naar rechts: Robert Goldschmidt, Max Planck, Heinrich Rubens, Arnold Sommerfeld, Frederick Lindemann, Maurice de Broglie, Martin Knudsen,
Friedrich Hasenöhrl, Georges Hostelet, Edouard Herzen, James Hopwood Jeans, Ernest Rutherford, Heike Kamerlingh Onnes, Albert Einstein en Paul Langevin.
Foto publiek domein.

 

Tijdens de Eerste Wereldoorlog lag het onderzoek in Frankrijk stil. Marie Curie gebruikte haar kennis en positie ondertussen om levens te redden. Met X-straalapparatuur, die ze bijeenkreeg door haar netwerk van contacten aan te spreken, kon ze 20 mobiele X-straalapparaten en 200 stationaire toestellen naar het front sturen. Samen met haar dochter Irène trok ze zelf naar de veldhospitalen om de toestellen te bedienen. Het Rode Kruis stelde haar aan als hoofd van de radiologische afdeling. In die hoedanigheid leidde ze heel wat verplegers en artsen op om van de nieuwe technologie gebruik te maken. Na de oorlog zette ze haar werk verderin haar nieuwe instituut, het Radiuminstituut. Onder haar leiding groeit dit uit tot een internationaal centrum voor het onderzoek in de kernfysica.

 

Marie Curie op weg met een van haar mobiele X-straalapparaten. Foto publiek domein.

 

Begin 1934 bezocht Curie haar vaderland Polen voor de laatste keer. Een paar maanden later, op 4 juli 1934, stierf ze immers in het sanatorium van Sancellemoz (in de Haute-Savoie), aan de gevolgen van leukemie, een ziekte die ze wellicht heeft overgehouden aan haar langdurige blootstelling aan radioactieve straling. Ze werd begraven op de begraafplaats in Sceaux, samen met haar man Pierre. Zestig jaar later, in 1995, ter ere van hun prestaties, werden de overblijfselen van Marie en Pierre Curie overgebracht naar het Panthéon, Parijs. Marie Sklodowska-Curie kreeg als eerste vrouw de eer om te worden bijgezet in het Panthéon op haar eigen merites.

 

Titelpagina van het handboek dat Marie Curie schreef rond radioactiviteit. Het is opgedragen aan haar ondertussen overleden echtgenoot Pierre.

 

Rutherford voor het voetlicht

De derde naam die onlosmakelijk verbonden is met de beschrijving van radioactieve straling, is die van Ernest Rutherford.

Rutherford werd geboren op 30 augustus 1871, in Nelson, in Nieuw-Zeeland. Op zijn zestiende kon hij studeren op de Nelson Collegiate School. In 1889 kreeg hij een universiteitsbeurs voor de Universiteit van Nieuw-Zeeland, Wellington. Hij studeerde er in 1893 af als eerste van zijn jaar voor zowel Wiskunde als Natuurkunde, en bleef er nog een tijdje onderzoek doen, tot hij zijn graad van Bachelor in de Wetenschappen haalde in 1894.  Datzelfde jaar won hij een beurs als onderzoeker aan de Universiteit van Cambridge (In Groot-Brittannië). Hij kwam er terecht in het Cavendishlaboratorium, toen onder leiding van J. J. Thomson, ontdekker van het elektron. De ster van Rutherford rees echter pijlsnel aan het natuurkundige firmament. Hij werd al in 1898 professor aan de McGill University in Montreal, waar hij zich op onderzoek naar de kenmerken van die nieuwe straling wierp.

Om te beginnen stelt hij vast dat er verschillende vormen van radioactiviteit bestaan: alfa- en bètastralen. Bètastralen blijken bovendien te worden afgebogen door een magneetveld. Die afbuiging stelt de onderzoekers in staat om de massa/lading-verhouding te berekenen voor die bètastralen. Deze blijkt identiek aan die van het elektron. Alfastraling wordt echter niet door een magneet afgebogen. Rutherford slaagde er in 1902 echter wel in om een alfastraal te buigen door een elektrisch veld, en dat bewees dan dat het hier ging over een stroom van deeltjes. In 1908 toonde hij bovendien aan dat alfadeeltjes niet meer waren dan dubbel geladen heliumkernen. Voor dit laatste ving hij een (groot) aantal alfadeeltjes in een glazen buis en ontlaadde ze met een elektrische vonk. Het spectrum van de deeltjes bleek namelijk identiek te zijn aan dat van helium.

 

Apparaat waarmee Rutherford de aard van de alfadeeltjes aantoonde. In een glazen buisje met een zeer dunne wand (A op de figuur) bracht hij wat hij “emanatie van radium” noemde. Dit is het gas dat ontstaat bij het verval van radium en dat we nu kennen als het edelgas radon. Buisje A wordt met kwik (uit vat Hg(1), gearceerde delen op de figuur) op een bepaalde druk gehouden. Het buisje zit in het midden van een vacuüm getrokken glazen buis B, op zich ook weer afgesloten met een hoeveelheid kwik (uit vat Hg(2)). Deze buis is bovenaan voorzien van elektroden (één in het verticale deel, aangeduid met E1, en één in de horizontale zijarm, aangeduid met E2). De wand van buisje A was zo dun, dat de alfadeeltjes door de wand kunnen passeren Gedurende enkele dagen worden de alfadeeltjes uit A opgevangen in buis B. Door het kwikniveau te laten stijgen (uit het reservoir Hg(2)) worden de deeltjes geconcentreerd in het deel met de elektroden. Wanneer een hoge spanning wordt aangelegd tussen die elektroden, sturen de deeltjes een spectrum uit, dat gelijk is aan dat van helium. Hoe langer het experiment duurt, hoe sterker het heliumspectrum. Bron: Rutherford, 1902. Publiek domein.

Heliumspectrum – Publiek domein

 

Rutherford deed twee (belangrijke) controle-experimenten. Om te beginnen testte hij of er niet gewoon lucht in het toestel doordrong. Echter, dan zou hij niet enkel een heliumspectrum gezien hebben, maar ook een van neon. Daarnaast vulde hij buisje A ook met zuiver helium, maar dan kon hij geen spectrum meer waarnemen (het gas zelf geraakt immers niet door de dunne glaswand).

In 1901 bewijzen Rutherford en chemicus Frederick Soddy ook nog dat een radioactief element verandert in een ander element: radioactief verval – werk waarvoor Rutherford in 1908 de Nobelprijs voor de Scheikunde opstreek. Tegen dan (in 1907) was hij echter al teruggekeerd naar Engeland om daar Professor in de Natuurkunde te worden aan de Universiteit van Manchester. Het is daar dat hij zijn beroemdste experiment uitvoerde: hij ontdekte er de atoomkern. Een verhaal voor de volgende episode.

Geplaatst door Geert op 04/03/2017 om 22:16