Hart van de Materie 15: Het Wonderjaar van Rutherford: 1932

Net zoals Einstein een wonderlijk jaar beleefde in 1905 (en de natuurkunde grondig opschudde), geldt dit voor de groep rond Rutherford aan het begin van de jaren 1930: alles kon, the sky was the limit. Vooral 1932 blijkt een wonderjaar te zijn voor de groep onderzoekers in het Cavendishlab in Cambridge. Niet alleen komt collega Chadwick dat jaar voor de dag met het neutron, er zijn nog twee andere mijlpalen die van 1932 een spannend jaar maken in de geschiedenis van de ontsluiering van de materie. 

De International Bunsentagung on Radioactivity in Münster (16-19 mei 1932).
Zittend, van links naar rechts: James Chadwick, Hans Geiger, Ernest Rutherford, Stefan Meyer, Karl Przibram.
Staand, van links naar rechts: Georg de Hevesy, mevrouw Geiger, Lise Meitner, Otto Hahn.
Bron: United States Department of Energy, Flickr, publiek domein

Atomen zijn breekbaar: de deeltjesversneller

Rutherford had in 1911 het bestaan van de atoomkern aangetoond door een goudplaatje te bombarderen met alfadeeltjes. Een tiental jaar later was diezelfde Rutherford in staat om met een straal alfadeeltjes van om en bij de 5 MeV (mega-elektronvolt, miljoen eV), geproduceerd door radioactieve isotopen, kernen van stikstofatomen te vernietigen. Maar dat was niet genoeg. Om het onderzoek naar het splijten van atoomkernen echt op gang te trekken, vond Rutherford, had de wetenschap nood aan bronnen van deeltjes met veel hogere energieën en snelheden.

Jarenlang zochten wetenschappers naar manieren om atomen te versnellen tot een energie van een megawatt en meer, om daar andere, zware atomen mee te beschieten en in stukken te laten breken. Vanuit zijn team zette Rutherford John Cockcroft, Thomas Allibone en Ernest Walton op de zaak. Ze bouwden een toestel dat bekend werd als een Cockcroft-Walton accelerator, en koppelden dat aan een protonenbron. Een cruciaal moment kwam er, toen Cockcroft op een artikel van George Gamow over kwantumtunneling stuitte. Hij begreep daaruit dat kernsplijting al met veel lagere spanningen kon worden opgewekt dan eerst gedacht: protonen met een energie van slechts 300.000 elektronvolt zouden al kunnen doordringen in een kern van een booratoom en het laten uiteenvallen. Rutherford kreeg van de Universiteit van Cambridge een subsidie van duizend pond om voor hen een transformator en alle andere benodigde apparatuur te kopen. Cockcroft en Walton werkten twee jaar lang aan hun versneller.

Kwantumtunneling, zegt u? Dat is weer zo een vreemd, maar waargenomen effect van de kwantummechanica: deeltjes kunnen door een barrière heen, wanneer ze te weinig energie hebben om erover te gaan. Wanneer een deeltje opgesloten zit in een ruimte met niet al te dikke wanden, dan kan het hier dus uit ontsnappen, als had er zich een tunnel door de barrière gevormd. Opgelet – dit is enkel een flauwe manier van voorstellen: in werkelijkheid kunnen we het tunneleffect enkel goed uitleggen met behulp van de wiskundige benadering van de vergelijking van Schrödinger. Bron: MeNS 89

De Cockcroft–Waltongenerator is een elektrisch circuit dat in staat is om een hoge gelijkstroomspanning voort te brengen uit een wisselstroom met lage spanning. Het is het hart van de deeltjesversneller van de Brit John Douglas Cockcroft en de Ier Ernest Thomas Sinton Walton, die daarmee voor het eerst in het labo een atoomkern lieten desintegreren. Het circuit speelt ook een rol in photomultipliers, laserprinters en kopieerapparaten. Bron: Talifero; publiek domein

Cockcroft-Waltongenerator (tentoongesteld in het National Museum of Scotland.
Bron foto: Mike Peel (www.mikepeel.net). CC BY-SA-4.0.

Vanaf maart 1932 draaide de deeltjesversneller van Cockcroft en Walton volop, toen ze lithium en beryllium begonnen te bombarderen met energierijke protonen. Ze verwachtten eigenlijk om gammastralen te vinden, net zoals een groep Franse onderzoekers voor hen, maar dat bleek een maat voor niets: Chadwick had ondertussen het neutron ontdekt en de Franse vinding eens van nader bekeken in het licht van die nieuwe kennis… hij stelde vast dat wat ze gevonden hadden, inderdaad neutronen waren geweest.

Cockcroft en Walton verlegden vervolgens hun zoektocht en trachtten alfadeeltjes te detecteren. Op 14 april 1932 leek het doel bereikt: bij het bombarderen van lithium dacht Walton alfadeeltjes waar te nemen. Eerst werd Cockcroft erbij geroepen, vervolgens ook Rutherford zelf. Beiden bevestigden die waarneming. Diezelfde avond nog schreef het trio een bijdrage voor het vakblad Nature waarin ze beschreven hoe ze als eersten op kunstmatige wijze een atoomkern in stukken hadden geschoten, volgens deze reactie:

7Li + p+ → 2 4He + 17,2 MeV

Voluit staat daar dat bij een botsing van een voldoende versneld proton met een lithiumkern deze laatste kan uiteenvallen in twee heliumkernen (genoegzaam bekend als alfadeeltjes). Daarbij komt er per gebroken lithiumkern 17,2 MeV aan energie vrij. Deze prestatie werd bekend als de eerste splijting van een atoom. Het leverde het duo in 1938 de Hughes Medal op en in 1951 de Nobelprijs voor de Natuurkunde.

 

Links: Sir John Douglas Cockcroft (27 mei 1897, Todmorden, West Yorkshire, Groot-Brittannië -
18 september 1967, Cambridge, Groot-Brittannië). 
Rechts: Ernest Walton, 6 oktober 1903, Abbeyside, Dungarvan, Ierland - 25 juni 1995, Belfast, Noord-Ierland, Groot-Brittannië). 
Bron van beide foto’s: Nobel Foundation, publiek domein.

Cockcroft en Walton waren zich terdege bewust van de grenzen van hun deeltjesversneller. Een veel beter ontwerp was het cyclotron, ontwikkeld door de Amerikaanse onderzoeker Ernest Lawrence. Niettegenstaande deze technische handicap was het Cavendish Lab toch in staat om de Amerikanen te snel af te zijn, dankzij hun doorzicht in de achterliggende natuurkunde. Het is pas dankzij een gift van Lord Austin (van niet minder dan £ 250.000) dat zelfs een befaamd lab als dat van Rutherford het zich kon veroorloven om een cyclotron te bouwen, gebaseerd op het ontwerp van Lawrence en met een diameter van 910 mm. Tegelijk werd een nieuwe vleugel toegevoegd aan het lab om het toestel te huisvesten. Het cyclotron werd in oktober 1938 in werking gesteld, en twee jaar later naar de nieuwe vleugel verhuisd. Ondertussen was Mark Oliphant, een andere medewerker van Rutherford, in Birmingham een groter toestel (1524 mm diameter) aan het bouwen. De bouw werd vertraagd door het uitbreken van de Tweede Wereldoorlog, en het toestel zou ook reeds verouderd zijn toen het werd voltooid na de oorlog.

Ernest Orlando Lawrence (8 augustus 1901, Canton South Dakota, USA – 27 augustus 1958, Palo Alto, Californië, USA) was een Amerikaans natuurkundige die bekend werd als ontwerper van het cyclotron. Tijdens het Manhattanproject (het Amerikaanse project om een atoombom te ontwikkelen) legde hij zich toe op het opzuiveren van uranium-isotopen. Hij kreeg in 1939 de Nobelprijs voor Natuurkunde voor zijn werk aan het cyclotron. Element nummer 103, lawrencium (Lr), is naar hem vernoemd.

 

Werking van het cyclotron, uit het originele octrooi van Lawrence.
Bron: U.S. Patent 1,948,384 -- Ernest O. Lawrence --
Method and apparatus for the acceleration of ions (1934). Publiek domein.

Het laatste mirakel van 1932

Met dit laatste verhaal werd het er niet minder wonderlijk op – integendeel. De wetenschap leerde immers de tegenpool van de materie kennen: antimaterie.

In de laatste jaren van de jaren 1920 betreedt een bijzondere figuur het toneel: de Engelse fysicus Paul Dirac. In 1928 slaat hij een brug tussen de relativiteitstheorie en de kwantummechanica, en stelt hij een vergelijking voor die de golffunctie van het elektron op relativistische wijze beschrijft (en die later zijn naam gaat dragen).

Paul Adrien Maurice Dirac (8 augustus 1902, Bristol, Groot-Brittannië–20 oktober 1984 Tallahassee, Florida, USA) won de Nobelprijs voor Natuurkunde in 1933, samen met Erwin Schrödinger. Hoewel hij zijn academische carrière was begonnen als elektrisch ingenieur aan de Universiteit van Bristol, blijkt zijn genie vooral in zijn theoretisch wiskundig werk. In 1928 publiceert hij een relativistische golfvergelijking, waarmee voor de eerste keer de speciale relativiteitstheorie wordt uitgewerkt in een kwantummechanische context.

In 1930 toont hij aan dat de benaderingen van de kwantummechanica door Heisenberg (de matrixmechanica) en door Schrödinger (golffuncties) gelijkwaardig zijn. Ook later blijft Dirac verder werken aan de theoretische benadering van de kwantummechanica. Hij wordt daarbij een groot voorbeeld voor heel wat theoretici van na de Tweede Wereldoorlog, zoals Richard Feynman. Hij was een van de grootste theoretische genieën van de twintigste eeuw. Tussen 1932 en 1969 bekleedde hij de Lucasian Chair voor Wiskunde aan de Universiteit van Cambridge (zoals Newton zelf lang voorheen, en Stephen Hawking tussen 1979 en 2009).

Links: Dirac in 1933. Bron: Nobel Foundation, Publiek domein. 
Rechts: Eerste alinea van Dirac’s Principle of Quantum Mechanics, Oxford, Clarendon Press, 1958, 4de herziene druk.

Van links naar rechts: Paul Dirac, Wolfgang Pauli (1900-1958) en Rudolf Peierls (1907-1994) in Birmingham.

Op de vraag wat zijn fundamentele filosofie in het leven inhield, moet Dirac ooit geantwoord hebben: “Dat de natuurwetten in mooie vergelijkingen kunnen gevat worden.” Toen Dirac op een keer was uitgenodigd in de Sovjetunie kreeg hij de vraag wat hij dacht over poëzie. Zijn antwoord was: "In de wetenschappen probeert men iets te vertellen wat niemand nog weet op een zodanige manier dat iedereen het verstaat. Bij poëzie is het net omgekeerd." Een vreemde man, zegt u? Neem het van Einstein aan. Die zei ooit over Dirac: "This balancing on the dizzying path between genius and madness is awful."

Bron: Mrjohncummings, Flickr, Science Museum London, Science and Society Picture library, CC BY-SA 2.0

 

Een van de eerste voorspellingen van de Diracvergelijking was bijzonder intrigerend: het bestaan van een soort van anti-elektron, met een even grote massa, maar een tegengestelde lading. Wanneer een positron en een elektron botsen, vernietigen ze mekaar, en blijven er twee fotonen over, die in tegengestelde richting worden uitgestuurd. De energie van elk van beide fotonen is 511 keV (hetgeen er overblijft na conversie van alle massa van beide deeltjes volgens de vergelijking van Einstein, E = mc2).

Schematische weergave van de botsing van een elektron met een positron.

Alleen, zolang er geen experimenteel bewijs volgt, blijft de theorie onbewezen (zoals we al eerder vermeldden). Niet dat dat lang hoefde te duren: in 1932 tonen twee onderzoekers in het team van Rutherford, Patrick Blackett en Giuseppe Occhialini, aan dat een dergelijk positron effectief bestaat. Helaas waren ze niet de eersten – wel, alvast niet de eersten om aan de wereld te verkondigen wat ze hadden gevonden. Terwijl Blackett en Occhialini verder gegevens verzamelden om met een volledige publicatie naar buiten te komen, had Carl Anderson van het California Institute of Technology de eer en het genoegen om zijn waarnemingen als eerste openbaar te maken. Hij behaalde er in 1936 de Nobelprijs in de Natuurkunde mee.

Links: Carl Anderson  bij het ontvangen van zijn Nobelprijs in 1936. Bron: Nobel Foundation ; Publiek domein.

Rechts: Nevelkamerobservatie van het positron door Carl Anderson. Twee sporen schieten weg in tegengestelde richting: het bewijs voor het positron. Bron: Anderson, Carl D. (1933). "The Positive Electron". Physical Review 43 (6): 491–494. DOI:10.1103/PhysRev.43.491

 

Patrick Maynard Stuart Blackett, (18 November 1897, London, Groot-Brittannië – 13 juli 1974, London, Groot-Brittannië) startte zijn loopbaan in de Britse marine. Bron: Nobel Foundation ; Publiek domein.

Tijdens de Eerste Wereldoorlog diende hij op de HMS Carnarvon en de HMS Barham als aspirant-officier en later als onderluitenant. Hij werkte er onder andere een toestel uit om de mate van verandering van de kompaspeiling van het doelwit te meten om de trefzekerheid te verhogen, een toestel waarop de Royal Navy achteraf een patent nam.

De HMS Carnarvon - Bron: Surgeon Oscar Parkes, Publiek domein.

De HMS Barham (in de jaren 1930) - Bron: U.S. Naval Historical Center. Publiek domein.

Blackett was vooral bezorgd over de slechte kwaliteit van de artillerie vergeleken met die van de vijand, en begon op eigen houtje wetenschappelijke handboeken rond het thema te bestuderen. Hij werd gepromoveerd tot luitenant in mei 1918, en trok in januari 1919 op bevel van de Britse legerleiding naar de Universiteit van Cambridge om zijn opleiding af te werken. Blackett raakte onder de indruk van het prestigieuze Cavendish Laboratory, en verliet de marine om wiskunde en natuurkunde te studeren aan Cambridge. Na zijn afstuderen werkte hij tien jaar in het Cavendish Lab.

Rutherford had in 1919 ontdekt dat de kern van het stikstofatoom kan uiteenvallen. Hij vroeg Blackett nu om met een nevelkamer zichtbare sporen van deze desintegratie te vinden. Tegen 1924 had de man 23.000 foto’s met in totaal 415.000 sporen van geïoniseerde deeltjes genomen. Acht daarvan waren gevorkt, en daaruit bleek dat bij de botsing tussen een alfadeeltje en een stikstofatoom eerst een fluoratoom werd gevormd, dat daarna uiteenviel in een zuurstofatoom en een proton. In 1932 en 1933 werkte hij samen met Giuseppe Occhialini. Samen ontdekten ze sporen van het positron in hun nevelkamer. Na zijn werk bij Rutherford in Cambridge verhuisde hij voor vier jaar naar de Universiteit van Londen als hoogleraar natuurkunde. In 1937 verhuisde hij naar de Victoria Universiteit van Manchester (waar Rutherford zelf nog had gewerkt), waar hij een groot internationaal onderzoekslaboratorium op poten zette. In 1947 introduceerde Blackett een theorie waarmee hij de sterkte van het aardmagnetisch veld kon verklaren als functie van de rotatie, in de hoop om zo de elektromagnetische kracht en de zwaartekracht te verenigen. Zijn werk bracht hem naar het gebied van de geofysica, waar hij uiteindelijk hielp om gegevens rond paleomagnetisme te analyseren en finaal ook sterke bewijzen te vinden voor de theorie van de continentale drift.

In 1948 ontving hij de Nobelprijs voor natuurkunde voor zijn onderzoek naar kosmische straling. Patrick Blackett werd in 1953 aangesteld tot hoofd van de Afdeling Natuurkunde van het Imperial College in Londen. Hij trok zich uit het actieve leven terug in juli 1963.

 

Daarmee is het verhaal niet afgelopen. In 1931 voorspelde Wolfgang Pauli het bestaan van het neutrino (en dit werd experimenteel bevestigd in 1956). In 1935 volgde het pion (door Hideki Yukawa) en in 1936 het muon (opnieuw door Anderson). Vijftien jaar later was er een dermate grote variatie aan partikels gevonden, dat het tijd werd om er wat orde in te scheppen. Dit gebeurde in eerste instantie met behulp van het quark-model, en later door het standaardmodel van de materie. Maar dat is voor de verdere afwikkeling van ons vervolgverhaal. Eerst valt Hitler Polen binnen, en belichten we een vreemd huwelijk: dat tussen het nationaalsocialisme en de natuurkunde.

 

Overlijdensbericht – Ernest Rutherford

Met het stukje over het positron nemen we bovendien ook afscheid van Ernest Rutherford. De man onder wiens leiding maar liefst 11 Nobelprijzen verdiend zijn, overleed immers in 1936.

Bron: Image M0011596, Wellcome Library, London (http://wellcomeimages.org), CC BY 4.0

Rutherford werd geridderd in 1914, en kreeg de Orde van Verdienste uitgereikt in 1925. In 1931 kreeg hij de titel van Baron Rutherford van Nelson en Cambridge. Niet alleen was hij hoofd van het Cavendish Laboratory, hij nam ook een aantal extra functies op, waaronder voorzitter van de Raad van Advies van het ministerie van Wetenschappelijk en Industrieel Onderzoek, hoogleraar Natuurlijke Filosofie aan de Royal Institution in Londen en de directeur van de Royal Society Mond Laboratory in Cambridge. Hij was reeds in 1903 gekozen tot Fellow van de Royal Society, en hij trad op als voorzitter van 1925 tot 1930. Hij werd bekroond met vele prijzen en onderscheidingen, waaronder de Rumford Medal, de Copley Medal, de Bressa Prize, de Albert Medal en de Faraday Medal, evenals talloze eredoctoraten en doctoraten. Niet dat al die eretitels hem iets konden schelen. Niels Bohr zei eens, dat hij Rutherford nooit zo kwaad had meegemaakt als die ene keer toen hij de man als Lord aansprak.

Rutherford overleed onverwacht in Cambridge op 19 oktober 1937, 66 jaar oud, na een operatie voor een navelbreuk. Voor een Britse Lord zoals hij stelde het protocol van die dagen dat hij enkel geholpen kon worden door een arts met een adellijke titel, en de vertraging om zo een arts ter plekke te krijgen, heeft hem wellicht het leven gekost. Hij werd begraven in Westminster Abbey, naast Lord Kelvin en in de buurt van Sir Isaac Newton.

 

Geplaatst door Geert op 02/06/2017 om 17:39