Hart van de Materie 8: De kern valt verder uiteen in protonen

Een eerste glimp van het proton

Rutherford stopte niet met het uitvoeren van boeiende experimenten en drong steeds dieper door in de structuur van de materie. Tijdens nieuwe proeven met zijn scintillatietoestel liet hij een stroom alfadeeltjes los op het detectieplaatje uit zinksulfide, maar dekte dit in eerste instantie af met een metalen plaatje, waar de alfastralen niet doorheen geraakten. Tenminste, zolang het toestel vacuum bleef. Bracht hij een hoeveelheid waterstofgas in het toestel, dan doken er plotseling wel stralen op, die in staat waren om door het metalen plaatje te dringen en op de detector te botsen.

De verklaring lag voor de hand. De zware alfadeeltjes knikkerden (letterlijk, zij het dan op atoomschaal) de veel lichtere waterstofdeeltjes door het metalen plaatje heen, tot op de detector. Vreemder werd het, toen Rutherford ontdekte dat wanneer alfadeeltjes met de stikstofatomen uit de lucht botsen, er extra waterstofionen ontstaan. Vulde hij zijn toestel met zuiver stikstofgas, dan werd dit fenomeen nog duidelijker!

 

Rutherford besloot uit deze waarnemingen dat de botsingen tussen stikstofatomen en alfadeeltjes hevig genoeg waren om de stikstofatomen te beschadigen en daarbij waterstofionen te produceren. In symbolen wordt dat dan

14N + α → X + 1H.

want ook al weten we ondertussen dat daarbij ook zuurstof gevormd wordt, dat kon Rutherford met zijn opstelling toen niet nagaan. Voor alle duidelijkheid: een waterstofion is niet meer dan de kern van een waterstofatoom dat zijn enige elektron verloren heeft. Vermits de kern van waterstof in meer dan 99,98% van de gevallen uit niet meer dan een proton bestaat, duiden die drie termen (proton, waterstofkern, waterstofion) in feite hetzelfde aan.

In 1919 en 1920 voeren Rutherford en zijn medewerker James Chadwick een reeks experimenten uit, waarbij ze tal van lichte elementen bombarderen met alfadeeltjes. Stikstof, zuurstof, aluminium… alle produceren ze daarbij een snel deeltje dat overeenstemt met een waterstofatoom (en inderdaad een lading van één positieve elementaire eenheid heeft). Het deeltje komt dermate vaak voor, dat ze er een naam voor bedenken: het proton. Technisch gesproken was Rutherford niet de eerste die protonen had waargenomen. In 1886 was Goldstein al in staat geweest om positief geladen stralen op te wekken in een kathodestraalbuis. Alleen ging Rutherford verder dan enkel die waarneming en was hij in staat om zijn waarnemingen juist te interpreteren.

Ondertussen was aan Rutherfords periode in Manchester trouwens een einde gekomen. In 1919 was hij aangesteld als hoofd van de Cavendish Laboratory in Cambridge, wat hij bleef tot aan zijn dood in 1937. Onder zijn leiding werden de grenzen van onze kennis over het atoom en zijn fysische structuur steeds verder verkend. Velen onder zijn medewerkers mochten zelf ook de Nobelprijs in ontvangst nemen (James Chadwick, Patrick Blackett, John Cockcroft, Ernest Walton, …)

 

De nevelkamer en de alchemist

Met de ontdekking van het proton was het werk nog niet gedaan. Zo bleef er nog de vraag waar dat proton vandaan kwam en wat de rol van dat alfadeeltje juist was. Het zou nog duren tot in 1925 voor daar een antwoord op kwam. Hiervoor moesten de onderzoekers de reactie kunnen zien – en dat deden ze in een nevelkamer, een toestel dat was ontworpen door de Schotse fysicus Charles Thomson Rees Wilson. De onderzoeker was op het idee gekomen tijdens een wandeling in de Schotse mist. Zelf herinnert hij zich die dag als volgt:

“In September 1894 I spend a few weeks in the Observatory which then existed on the summit of Ben Nevis. The wonderful optical phenomena shown when the sun shone of the clouds surrounding the hill top, and especially the coloured rings surrounding the sun, or surrounding the shadow cast by the hill-top or observer of mist or cloud, greatly excited my interest and made me wish to imitate them in the Laboratory.”

Een nevelkamer bestaat uit een glazen fles bevestigd aan een zeer sterke vacuümpomp. De fles wordt gevuld met lucht die verzadigd is met waterdamp waarna de zuiger snel naar buiten wordt getrokken. Hierdoor daalt de druk in de kamer, wat het mengsel van lucht en waterdamp snel afkoelt en in een zeer onstabiele, oververzadigde staat brengt. Komt er nu een vorm van radioactieve, ioniserende straling in een dergelijke kamer, dan ioniseert deze straling de atomen op haar weg en zorgt daarbij voor een zichtbare trail van kleine waterdruppeltjes.

Bovendien kunnen verschillende vormen van straling met een dergelijke kamer van mekaar onderscheiden worden wanneer de kamer zich in een magnetisch veld bevindt. Geladen deeltjes (elektronen, protonen, alfadeeltjes, etc.) worden dan in verschillende richtingen afgebogen afhankelijk van hun lading en massa (zoals we al eerder zagen, in de kathodestraalbuis). Sporen achtergelaten door elektronen (lichtere bètadeeltjes) zijn vaag en iel en schieten alle kanten uit, vermits dergelijke kleine elektronen gemakkelijk uit koers wordt geslagen door bijna alles wat tegen hen aanbotst (met inbegrip van andere elektronen!). Een proton is zwaarder, maar van tegengestelde lading, zodat een proton minder sterk afbuigt, in tegengestelde richting als een elektron.

Het zware alfadeeltje levert een sterk, haast rechtlijnig spoor op. Bij botsing zal het deeltje een plotse bocht nemen, volgens de wetten van de elastische botsing. Vangt het twee elektronen op, dan wordt het een ongeladen (en dus niet meer detecteerbaar) heliumatoom. Ongeladen deeltjes zijn niet detecteerbaar.

Schema van de nevelkamer van Wilson.

 

Het toestel werd later nog uitgerust met een camera en een microscoop (door Shimizu) en met een veersysteem dat de kamer snel laat expanderen en weer comprimeren zodat de kamer meerdere botsingen per seconde kon detecteren (door Patrick Blackett). Ook ontstonden er verschillende varianten op het basistoestel, zoals de diffusienevelkamer (Alexander Langsdorf, 1936), die op een veel koudere temperatuur wordt gehouden (−26 °C, met behulp van alcohol) en daardoor continu klaarstaat om botsende deeltjes te detecteren. In de jaren 1950 neemt de bubbelkamer over als werkpaard in het laboratorium, maar tegen dan heeft de nevelkamer al de ontdekking van het positron in 1932 en het muon in 1936 (door Carl Anderson) en het kaon in 1947 (door George Rochester en Clifford Charles Butler) op zijn palmares staan.

Charles Thomas Rees Wilson (14 februari 1868 – 15 november 1959) werd geboren op een boerderij in de Pentlandheuvels in de buurt van Edinburgh. Wilson is beroemd geworden door de ontwikkeling van zijn nevelkamer, een toestel dat Rutherford “the most wonderful experiment in the world” noemde. Een mooi compliment van een wetenschapper die er zelf steeds naar streefde om met een zo eenvoudig mogelijk toestel toch goede, gerichte experimenten uit te voeren. Foto uit 1927. Publiek domein

 

Maar terug naar het protonenproducerende experiment. Zodra Rutherford deze nevelkamer onder ogen kreeg en de mogelijkheden ervan begreep, toog hij aan de slag, samen met de jonge Patrick Blackett. Samen voerden ze zijn experimenten van 1917-1919 weer uit, maar nu in een nevelkamer. Zo hoopten ze om meer details te weten te komen over wat er met dat alfadeeltje juist gebeurde na de botsing met het stikstofatoom. Twee mogelijkheden drongen zich op. Ofwel werd het alfadeeltje weer uit het stikstofatoom gekatapulteerd, ofwel werd het erdoor opgenomen en vormde er zich een zwaardere kern. In het eerste geval verwachten we dat de trail van het aanstormende alfadeeltje opsplitst in drie trails: het alfadeeltje na de botsing, het gevormde proton en de zware stikstofkern na de botsing. In het tweede geval zien we slechts twee trails na de botsing (het alfadeeltje ontbreekt).

 

De observaties van Rutherford en Blackett waren overduidelijk: twee sporen waren er te zien na een botsing. De stikstofkern werd omgezet in een zware zuurstofkern. En dus is dit de juiste reactie.

14N + α → 17O + 1H.

Het stikstofatoom (met 7 positieve ladingen in de kern) botst met een alfadeeltje (met twee positieve ladingen) en daar komt dan een proton (één positieve lading) uit voort. Het resterende product moet dus 8 positieve ladingen dragen in plaats van de originele 7. Anders gezegd – dat stikstofatoom werd door die botsing omgezet in een zuurstofatoom. De oude droom van de alchemisten (de transmutatie, het omzetten van een element in een ander) is bij deze waargemaakt (en ondertussen veranderden we effectief lood in goud). Rutherford publiceerde zelf in 1937 zijn bevindingen in een boek getiteld The New Alchemy.

 

 

Het resultaat van enkele nevelkamerexperimenten.
Links: Botsing tussen twee alfadeeltjes. Ze schieten na de botsing uiteen in twee richtingen die loodrecht op elkaar staat.
Rechts: Het resultaat van de botsing tussen een alfadeeltje en een stikstofatoom levert
Credit: M0015316 Experiments by Blackett in a Wilson Cloud Chamber. Wellcome Library, London. Wellcome Images. CC BY 4.0

 

 

 

Geplaatst door Geert op 17/03/2017 om 22:34