Hart van de Materie 10: Gereedschap van de deeltjesjager - de massaspectrometer

Eerder in ons verhaal maakten we reeds kennis met de nevelkamer van Wilson. Maar het snel expanderende onderzoek naar de structuur van de materie had nood aan meer en vooral fijnere apparaten om op de vragen van de onderzoekers te antwoorden.

Het eerste toestel dat daarbij een belangrijke rol heeft gespeeld, was de massaspectrometer. We beginnen echter bij zijn kleine broer – de anodestraalbuis. Over de kathodestraalbuis hebben we het eerder al gehad: deze opstelling lag aan de basis van de ontdekking van het negatief geladen elektron. Hierbij zag men een straal ontstaan aan een kathode die dan doorheen een holle anode passeerde. Bij de anodestraalbuis gebeurde net het omgekeerde. De kathode is er een schijf met een gat in het midden, en de straal begint aan de anode. Kathodestraalbuizen zijn overigens meestal hoog vacuüm getrokken, terwijl er bij een anodestraal steeds wat gas moet aanwezig zijn.

De kathodestraalbuis waarmee Thomson zijn experimenten uitvoerde. Bron: J.J. Thomson, Philosophical Magazine, 44, 293 (1897). Publiek domein.

Links: Schematische weergave van de werking van anodestraalbuizen. Bovenaan staat het toestel van Goldstein uit 1886, onderaan een verbeterde versie, gebouwd in het Cavendish lab van Thomson. Beide tekeningen zijn een bewerking van een originele schets uit J.J. Thomson (1921) Rays of Positive Electricity and their Application to Chemical Analyses, Longmans, Green and Co, London. 2de druk.

Rechts: Anodestraalbuis in werking. Bron: Kkmurray, Wikipedia, CC BY-SA 3.0’ Zie ook https://www.youtube.com/watch?v=WiNB7E0CtgU

 

Wanneer een spanning wordt aangelegd tussen de anode en de kathode, verschijnen er in eerste instantie kathodestralen van de kathode naar de anode (op de figuur in het groen aangeduid). Deze elektronen botsen op de gasmoleculen die ze onderweg tegenkomen, waardoor ze elektronen losslaan uit de moleculen en deze moleculen positief laden (ioniseren). Deze positieve ionen worden dan aangetrokken door de kathode en gaan de andere kant op (blauw in de figuur). Bovendien kan de opstelling gevuld worden met verschillende gassen, waardoor de kleur van de ontlading verandert. Waterstof geeft een rozige kleur, lucht een gele.

Ondertussen (in 1898) had de Duitse onderzoeker Wilhelm Wien reeds bepaald dat de stralen konden worden afgebogen in een magneetveld. Hieruit besloten de onderzoekers dat de stralen bestonden uit geladen atomen (ionen) in gasvorm, met een massa m en lading q. J.J. Thomson stelde vast dat de waarde van q gedeeld door m van de deeltjes in de positieve stralen, gevormd met waterstofgas in de buis, in de grootteorde van 108 C/kg lag. Hij kon dit vergelijken met de q/m-waarde die hij had bepaald voor het elektron (1,758 1011 C/kg). Dit moet betekenen dat het deeltje dat de positieve stralen veroorzaakt, ofwel een veel kleinere lading heeft dan die van het elektron of een veel grotere massa. De tweede hypothese bleek de juiste te zijn (een proton weegt 1830 x meer dan een elektron).

Deze anodestralen vertoonden de volgende eigenschappen:

  • ze bewegen in de tegenovergestelde zin van de kathodestralen.
  • ze worden afgebogen door elektrische en magnetische velden;
  • de stralen in een bundel hebben verschillende snelheden (maar zijn trager dan de kathodestralen);
  • de eigenschappen van de stralen zijn afhankelijk van het gas in de buis;
  • ze veroorzaken ionisatie;
  • zij fluoresceren bij botsing op fotografische platen.

 

Schematische weergave van de opstelling van J.J. Thomson voor de studie van anodestralen. De straal wordt eerst opgewekt in een elektrisch veld, waarin een gas wordt geïoniseerd. Dit gas passeert vervolgens door een magneetveld. De afbuiging wordt gemeten op een fotografische plaat aan de rechterzijde.

Laboratoriumopstelling van J.J. Thomson uit 1909 voor onderzoek naar anodestralen. Publiek domein.  

Fotografische plaat waar de sporen van de twee isotopen van neon op te zien zijn. Publiek domein.

Thomson zag echter meer mogelijkheden voor zijn opstelling. Met zijn apparaat was hij in staat om de twee isotopen van neon van mekaar te scheiden. Isotopen zijn atomen die behoren tot hetzelfde element (en dus hetzelfde aantal protonen bezitten), maar een verschillende massa hebben (want hun kern bevat meer of minder neutronen). Bij neonatomen vinden we twee isotopen: neon-20 en neon-22. Neon bevat 10 protonen, neon-20 bevat 10 neutronen en neon-22 bevat er 12.

De grote doorbraak die leidde tot de bouw van de eerste echte massaspectrometer kwam er van Francis W. Aston (1877–1945), J.J. Thomsons assistent tussen 1909 en 1914.  Hij vervolmaakte de opstelling van Thomson tegen 1919 en zorgde ervoor dat het toestel zeer precieze scheidingen van isotopen kon uitvoeren – net die scheidingen die Thomsons opvolger Rutherford maar al te graag gebruikte in zijn eigen proeven. Aston scheidde de twee isotopen van chloor (35 en 37) en broom (79 en 81) en vond maar liefst zes isotopen van het edelgas krypton (78, 80, 82, 83, 84 en 86). Het invoeren van een elektromagnetische focus in het toestel liet hem niet minder dan 212 van de 287 in de natuur voorkomende isotopen te identificeren. Al snel daarna werd Aston een fellow van de Royal Society in 1921. Hij behaalde datzelfde jaar de Nobelprijs voor de Scheikunde. Zolang Rutherford de leiding van het Cavendishlaboratorium in handen had, bleef Aston er ruimte behouden voor zijn proeven.

Francis William Aston. Publiek domein. 
(http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1922/aston.html).

Een van de versies van de massaspectrometer, gebouwd door Francis Aston.
Bron: Jeff Dahl, Wikipedia CC BY-SA 3.0

Overigens was het dankzij de massaspectrometer dat de beroemde vergelijking van Einstein, E = mc2 in de praktijk bewezen kon worden. De vergelijking stelt, dat massa en energie niet per se onveranderlijk moeten blijven bestaan (zoals de fysica en de chemie voorschrijven in hun behoudswetten), maar dat ze in mekaar kunnen worden omgezet onder de juiste omstandigheden. Einstein zelf was op dit idee gekomen bij het ontwikkelen van zijn relativiteitstheorie en publiceert het verhaal in zijn annus mirabilis 1905, in het vakblad Annalen der Physik.

Het artikel van Einstein bevat echter enkel de theoretische afleiding van de beroemde vergelijking. Wetenschap heeft nooit genoeg aan een loutere theoretische benadering: zelfs het meest elegante wiskundige bewijs vraagt finaal experimentele bevestiging – een filosofie die we in de laatste episodes van ons verhaal nog meer tegenkomen, wanneer we het hebben over het Englert-Brout-Higgsboson, of over zwaartekrachtgolven. Ook E = mc2 kon niet zonder experimentele steun blijven rondzwerven in de wetenschappelijke wereld. Het uiteindelijke bewijs werd echter pas in 1933 geleverd door Kenneth Brainbridge (Franklin Institute, Pennsylvania). Hij maakte hierbij gebruik van een kernreactie die al eerder werd bestudeerd (onder andere door Rutherford zelf): de botsing tussen een lithiumkern en een deuteriumkern (een waterstofkern waarin een neutron zit), die twee alfakernen oplevert. Door nauwkeurig de massa te meten van alle onderdelen stelde hij vast dat er tijdens deze reactie een kleine hoeveelheid massa verloren gaat en dat die overeenkomt met een extra boost in energie, opgepikt door de alfadeeltjes.

Kenneth Bainbridge (27 juli 1904, Cooperstown, New York - 14 juli 1996, Lexington, Massachusetts). Hoewel hij in feite elektrisch ingenieur wilde worden (aan het MIT), bleek de roep van de fysica te groot. In 1926 startte hij met zijn doctoraatsonderzoek, wat zou leiden tot een (met succes verdedigde) thesis in 1929, getiteld A search for element 87 by analysis of positive rays.

In 1933 en 1934 had hij de kans om met een onderzoeksbeurs enige tijd door te brengen in het Cavendish lab van Rutherford in Cambridge. Bij zijn terugkeer in de VS in 1934 kreeg hij een positie aangeboden op Harvard. Deze Amerikaanse onderzoeker was een van de vaders van de nucleaire spectroscopie en bouwde tijdens zijn carrière massaspectrometers en cyclotrons om isotopen en isotopenscheiding te bestuderen. Tijdens de Tweede Wereldoorlog was hij verantwoordelijke voor de Trinity test (de eerste proef met een kernwapen op 16 juli 1945). Zijn eerste opmerking vlak na de test was het legendarische “Now we’re all sons of bitches.” – een opmerking die Oppenheimer, de leider van het kernwapenonderzoek tijdens de oorlog, later beschreef als een van de beste dingen die vlak na die test gezegd zijn. Na de oorlog keerde Bainbridge terug naar Harvard. Hij bleef de rest van zijn leven actief tegenstander van het militair gebruik van kernenergie.

Bron: Los Alamos National Laboratory, United Stated Department of Energy. Publiek domein.

 

Volgende week - even pas op de plaats, met een steekkaart over atomen en de belangrijkste termen rond hun bouw. 

Geplaatst door Geert op 31/03/2017 om 22:03