Hart van de Materie 9: Ongeladen maar niet onvindbaar: het neutron

Aan het einde van het vorige deel stelden we vast dat het gedaan is met de ondeelbaarheid van de atomen. Blijkbaar bestaan ze uit lichte, negatief geladen elektronen en zwaardere, postief geladen protonen. Hierbij weten we ook dat de netto-lading van de kern (die positief is) wordt gecounterd door een net voldoende elektronen, die rond die kern cirkelen als manen rond een planeet, of planeten rond een ster. Het aantal elektronen varieert naargelang het element waar we mee te maken hebben: waterstof heeft er één, helium twee, enzovoort.

De netto-lading van die kern is tegelijkertijd een goede parameter om de eigenschappen van het betrokken atoom mee in te schatten: het atoomnummer is erkend als meer dan gewoon een rangschikking in een volgorde. Van de elektronen binnenin (vlak tegen de kern aan) weten we dat ze X-stralen genereren als ze uit de kern gegooid worden; de elektronen aan de buitenkant van het atoom bepalen dan weer het chemisch gedrag.

James Chadwick (20 oktober 1891, Bollington, Engeland – 24 juli 1974, Cambridge, Engeland) behaalde zijn bachelor- en masterdiploma’s in 1911, resp. 1913 in Manchester, waar hij onder andere van Rutherford les kreeg. Hij werd daarna de assistent van Hans Geiger (de oud-medewerker van Rutherford) in Berlijn. Bij het uitbreken van de Eerste Wereldoorlog werd hij als Brit in Duitsland geïnterneerd als krijgsgevangene, maar kon zijn tijd besteden aan chemisch onderzoek, Na de oorlog vervoegde hij Rutherford in 1919 in het Cavendishlab in Cambridge.
Daar toonde hij in 1932 het bestaan van het neutron aan. 
Links: James Chadwick, rechts de voorpagina van zijn Letter to Nature waarin hij zijn werk ontvouwt. Beide beelden publiek domein.

Tegelijk duiken er nog vragen en nieuwe uitdagingen op. Neem nu het heliumatoom. Daarvan weten we dat de kern een massa heeft van vier deeltjes, maar het atoom heeft slechts twee elektronen die rond die kern cirkelen. Hoe komt dat? Bestaat die kern dan uit vier protonen en nog twee (onopgemerkte) kernelektronen? Dat leek rond 1920 alvast het meest logische antwoord. Ook het bestaan van isotopen, atomen die behoren tot hetzelfde element ook al hebben ze een andere massa, wordt zo verklaard: als de kern verzwaard wordt, gebeurt dat doordat er extra protonen in die kern te vinden zijn, maar hun lading wordt meteen geneutraliseerd door een even groot aantal extra kernelektronen. Hierdoor verandert er niets aan de elektronen buiten de kern (en dus ook niet aan het chemische gedrag van die atomen).

In 1930 ontdekken de onderzoekers Walther Bothe en Herbert Becker echter, dat er een nieuwe vorm van straling opduikt, wanneer ze beryllium (atoomnummer 4) bombarderen met alfadeeltjes (heliumkernen, atoomnummer 2). Deze straling ging dwars doorheen een plaat uit messing van enkele centimeter dik en liet kernen uiteenvallen wanneer ze daarop botste. Zij dachten toen dat ze een hoogenergetische elektromagnetische straling (gammastraling) hadden waargenomen.  Enkele jaren later stootten Irène en Frédéric Joliot-Curie op bijkomende informatie. Zij richtten deze straling op een hoeveelheid paraffine (middelgrote tot grote koolwaterstoffen, dus in essentie niets anders dan koolstof- en waterstofatomen) en ontdekten dat er daarbij protonen vrijkwamen uit de paraffine.

Het was echter James Chadwick, een medewerker van Rutherford, die deze waarnemingen kan plaatsen en verklaren. Om te beginnen richtte hij de straling niet alleen op paraffine, maar ook op stikstofgas, zuurstofgas en de edelgassen helium en argon. Hieruit leidde hij af, dat de verklaring met behulp van gammastraling niet kon kloppen: deze protonen hadden veel meer energie dan kon worden verklaard door een botsing met een (massaloos) foton. Wat wel een mogelijke verklaring bood, was de hypothese dat de straling niet bestond uit elektromagnetische golven, maar uit een nieuw, ongeladen deeltje. Nieuwe berekeningen leidden hem tot het inzicht dat er een tot dan toe onbekend deeltje in het spel was, met een massa die ongeveer gelijk was aan die van het proton (983 ± 1,8 MeV volgens Chadwick, 939,57 MeV vandaag de dag). De reactie die plaatsvond tijdens de experimenten met beryllium, was de volgende:

9Be + α → 13C→ 12C + neutron

In 1932 publiceerde Chadwick zijn resultaten in Nature. Niet dat hij nu echt een neutron had gezien, maar hij had voldoende resultaten verzameld om zijn hypothese, het bestaan van een dergelijk deeltje, te onderbouwen. Het leverde hem de Nobelprijs op in 1935.

Walther Bothe (8 januari 1891, Oranienburg, Duitse Keizerrijk - 8 februari 1957, Heidelberg, West-Duitsland). Bothe vatte zijn studies in de fysica aan in 1908 aan de Friedrich-Wilhelms-Universität (vandaag de dag de Humboldt-Universität zu Berlin), onder andere onder Professor Max Planck. Vlak voor de Eerste Wereldoorlog behaalde hij daar zijn doctoraat. Tijdens de oorlog diende hij bij de cavalerie. Hij viel echter als krijgsgevangene in handen van de Sovjets en zo verbleef hij vijf jaar in Siberië. Hij leert er Russisch en houdt zich vooral bezig met wiskundig werk. Ook ontmoet hij er zijn latere echtgenote, Barbara Below.

Na zijn terugkeer bleef hij werkzaam aan de Physikalisch-Technische Reichsanstalt in de Duitse hoofdstad, waar hij samen met Hans Geiger onderzoek verrichtte naar de scattering van lichtdeeltjes bij botsing met elektronen (ook wel het Comptoneffect genoemd). Vanaf 1930 bekleedde hij verschillende posities: eerst aan de Justus Liebig-Universiteit van Giessen, daarna aan die van Heidelberg, tot hij in het vizier kwam van de Deutsche Physik-beweging (zie later) die hem in 1934 van die plaats af wou. Om te vermijden dat hij zou emigreren, boden Ludolf von Krehl, Directeur van het Kaiser-Wilhelm Institut für medizinische Forschung, en Max Planck, President of the Kaiser-Wilhelm Gesellschaft hem in 1934 de job aan van directeur van het Institut für Physik (nu het Max Planckinstituut) in die stad. Hij bleef dit tot na de Tweede Wereldoorlog. Hij was er onder andere verantwoordelijk voor de aanschaf van een cyclotron waar hij tijdens de oorlog nuttig wetenschappelijk werk rond het gedrag van neutronen mee kon verrichten. In 1954 kreeg hij de Nobelprijs voor de Fysica samen met Max Born, voor hun werk in nucleaire spectroscopie.

Walther Bothe had niet enkel een passie voor wetenschappen, maar ook voor kunst en klassieke muziek. Hij was een begaafd pianist en hield vooral van Bach en Beethoven.

Frédéric Joliot (19 maart 1900, Parijs, Frankrijk – 14 augustus 1958, Parijs, Frankrijk) en Iréne Joliot-Curie (12 september 1897, Parijs, Frankrijk – 17 maart 1956, Parijs, Frankrijk). Foto uit de jaren 1940.

Irène Curie, dochter van Marie en Pierre Curie-Sklodowska, was van jongs af betrokken bij het werk van haar ouders. Ze studeerde aan de Sorbonne tussen 1912 en 1914 (nota bene vanaf een leeftijd van vijftien jaar), maar moest bij de start van de Eerste Wereldoorlog vluchten naar het platteland. Ze werd daar een jaar later verenigd met haar moeder, met wie ze zij aan zij werkte in veldhospitalen voor de behandeling van oorlogsslachtoffers. De Curies hadden gezorgd voor primitieve X-straalapparatuur, wat het werk van de artsen in die veldhospitalen een pak effectiever maakte om de wonden van de getroffen militairen goed te behandelen, maar wellicht hebben beide vrouwen tijdens die jaren reeds veel te veel straling van de slecht beschermde toestellen moeten doorstaan. Beiden zijn overigens te vroeg gestorven, wellicht door overmatige blootstelling aan radioactieve en andere straling tijdens hun professionele bezigheden.

Na de oorlog werkte Irène Curie aan haar doctoraatsproefschrift rond het verval van polonium. Daar leerde ze Frédéric Joliot kennen, die in hetzelfde instituut werkte als assistent van haar moeder. Curie promoveerde in 1925 tot Doctor in de Wetenschappen; het paar trouwde in 1926. Nadien werkten ze samen verder rond kunstmatige radioactieve reacties, waarbij kortlevende radioactieve isotopen werden gecreëerd. Ze maakten radioactief stikstof uit boor, fosfor uit aluminium en silicium uit magnesium, bv.

27Al + 4He → 30P + 1n

Het leverde hen de Nobelprijs op in 1935. Hun werk stimuleerde een groep Duitse fysici, aangevoerd door Otto Hahn, Lise Meitner en Fritz Strassman, om verder onderzoek te doen naar de splijting van atoomkernen.

Tijdens de Tweede Wereldoorlog waren beide wetenschappers actief in het verzet tegen de Duitse invallers, wat hen beide later het Légion d’Honneur opleverde. Zowel voor als na de oorlog bekleedden beide wetenschappers hoge posities in de Franse administratie. Nog in 1936 werd Irène Joliot-Curie Sous-secrétaire d'État voor wetenschappelijk onderzoek. Frédéric Joliot-Curie werd in 1945 voorzitter van het Commissariat à l’Énergie Atomique; Irène werd er commissaris. Tegelijk had ze de functie van directeur van het Institut du Radium, opgericht door haar moeder. In 1950 werden ze tezamen aan de deur gezet in het Commissariat, omwille van hun politieke banden met de communistische partij in Frankrijk.

Ondertussen was er leukemie vastgesteld bij Irène Joliot-Curie. Ze stierf aan de ziekte in 1956. Frédéric Joliot-Curie nam haar positie als hoofd van de afdeling Kernfysica aan de Sorbonne over, maar overleed zelf niet lang nadien, in 1958. Hun kinderen, Hélène Langevin-Joliot en Pierre Joliot, zetten ondertussen de familiale traditie voort, zij als professor in kernfysica aan de Universiteit van Parijs, en hij als biochemicus aan het Centre National de la Recherche Scientifique.

Bron: James Lebenthal, Publiek domein

 

Geplaatst door Geert op 24/03/2017 om 22:46