Hart van de Materie 16: Pauli en het neutrino

Halverwege de jaren 1930 zat het atoommodel goed in mekaar. De elektronen golfden in hun orbitalen, de kern bestond uit de protonen van Rutherford en de neutronen van Chadwick. Nochtans was men er zich om allerlei redenen van bewust dat de zoektocht naar de structuur van de materie verre van afgelopen was. Sommige van deze redenen vloeiden voort uit theoretische beschouwingen en berekeningen, andere uit vragen die onderzoekers zich stelden over het atoom.

 

De schoepen van een stoomturbine
Bron: ajitkumar.bhopa, Wikipedia. CC BY-SA 3.0

Een van die beschouwingen was de vraag of er bij het radioactieve verval van een kern met productie van een β-deeltje energie verloren ging dan wel bewaard bleef. In de klassieke natuurkunde en scheikunde gelden er verschillende behoudswetten. Zo is er het behoud van massa in een scheikundige reactie: de massa van de reagerende stoffen moet gelijk zijn aan de massa van de reactieproducten. Ook energie blijft behouden: zij het mogelijks onder een andere vorm. Een auto zal de chemische energie in de brandstof gebruiken om er mechanische energie van te maken (en warmte-energie). Bij het remmen met je fiets zet je bewegingsenergie om in wrijvingswarmte (en die voel je op je remblokjes en op je banden). Een energiecentrale gebruikt warmte om stoom te maken en daarmee de turbineschoepen van een elektriciteitsgenerator aan te drijven.

Al deze zaken kan je gemakkelijk nagaan: meten is weten! Maar hoe zit dat nu bij desintegrerende atomen?

Om te beginnen moeten we even bekijken wat er juist gebeurt bij dit zogenoemd β-verval. Dit komt voor bij atomen die te veel neutronen bevatten in hun kern om stabiel te zijn. In dergelijke gevallen zet een neutron zich om in een proton en een elektron.

Het proton blijft zitten op de plaats van het neutron (en daardoor verandert het atoom van element) en het elektron schiet het atoom uit. Dit gebeurt bijvoorbeeld bij het verval van koolstof-14 tot stikstof-14 :

Wat blijkt nu? Het spectrum van de β-deeltjes, en daarmee bedoelt men de verschillende energieën die de ontsnappende β-deeltjes kunnen hebben, is nogal breed - ontsnappende β-deeltjes kunnen vele verschillende energieniveaus hebben. Alfadeeltjes en gammastralen, de twee andere vaak voorkomende vormen van radioactieve straling, hebben dit echter niet: daar heeft een straal een vaste, nauw luisterende energie.

Vermits de rest van de reactie (voor zover men dat kon zien in de jaren 1920 en 1930) steeds hetzelfde bleef, zou dat willen zeggen dat er soms veel, soms weinig energie verdwijnt. En dat is in strijd met de regel dat energie altijd blijft bestaan.

Bovenaan: Nauwe energiespectra van vier alfastralers
(van links naar rechts: polonium-209, plutonium-239, polonium-210 en americium-241).
Onderaan: Breed energiespectrum van bismuth-210 (ofwel Radium E zoals het toentertijd werd genoemd),
gemeten en gepubliceerd door G.J.Neary.
Bron: boven: Cadmium, Wikimedia, Publiek domein.
Onder: aangepast van Neary GJ (1940) The β-Ray Spectrum of Radium E, Roy. Phys. Soc. (London), A175, 71 (1940).

 

Niels Bohr wou, om dit fenomeen te begrijpen, zelfs het principe van behoud van energie opgeven. Tot in 1930 Wolfgang Pauli met een alternatieve verklaring voor de dag kwam. In een brief, gericht aan de Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (Zwitserland), schreef hij:

…considering […] the continuous β-spectrum, I have hit upon a desperate remedy to save the "exchange theorem" of statistics and the energy theorem. Namely [there is] the possibility that there could exist in the nuclei electrically neutral particles that I wish to call neutrons […] The mass of the neutron must be of the same order of magnitude as the electron mass and, in any case, not larger than 0.01 proton mass. The continuous β-spectrum would then become understandable by the assumption that in β decay a neutron is emitted together with the electron, in such a way that the sum of the energies of neutron and electron is constant.

Hij hield nog een slag om de arm:

I admit that my remedy may appear to have a small a priori probability because neutrons, if they exist, would probably have long ago been seen.

maar spoorde zijn collega’s aan om vooral op zoek te gaan naar het onbekende deeltje. Pittig detail is dat er inderdaad twee jaar later zoals we weten door Chadwick een neutron wordt gevonden, maar met een veel te grote massa. Enrico Fermi loste dit op door het vooralsnog hypothetische deeltje van Pauli een neutrino te noemen. Dit is de aangepaste reactie:

waarbij dat laatste symbool het neutrino van Pauli voorstelt. Pauli’s idee redt het behoud van energie (en overigens ook dat van moment en hoekmoment): de som van de energieën van elektron en neutrino samen, blijft constant.

 

 

Links: Enrico Fermi (29 september 1901, Rome, Italië - 28 november 1954, Chicago, Illinois, United States), winnaar van de Nobelprijs Natuurkunde in 1938. Fermi schreef rond het neutrino in 1934 een paper, waarin hij Pauli's neutrino met Paul Dirac's positron koppelde en zo voorzag in een solide theoretische basis voor toekomstig onderzoek naar het neutrino. Het vakblad Nature wees echter Fermi's paper en zei dat de theorie 'te ver van de realiteit' was. Hij stuurde zijn publicatie dan maar ingediend bij een Italiaans tijdschrift,
dat het aanvaardde, maar het algemene gebrek aan interesse in zijn theorie
zorgde ervoor dat hij koos voor een carrière in experimentele fysica.

Foto Publiek domein.

Rechts: Fermi en zijn studenten (de Via Panisperna-boys) op de binnenplaats van het Romeinse Instituut voor Natuurkunde aan de Via Panisperna, rond 1934. Het zou in dit instituut zijn, dat Fermi op een avond tijdens een discussie de term neutrino moet hebben bedacht. Van links naar rechts: Oscar D'Agostino, Emilio Segrè, Edoardo Amaldi, Franco Rasetti en Fermi zelf. Foto Publiek domein.

 

Experimenteel bewijs komt er pas in de jaren 1950 (en wordt beloond met de Nobelprijs in … 1995!) via het werk van Clyde Cowan, Frederick Reines en hun collega’s. Zij gebruiken kunstmatig opgewekte neutrino’s (uit een reactor) die ze laten reageren met vrije protonen. Dit levert neutronen en positronen op. De positronen vinden al gauw een elektron en beide deeltjes annihileren mekaar. Hun massa wordt volledig omgezet in energie, onder de vorm van twee detecteerbare gammastralen.  De neutronen worden gevangen door nabijgelegen atoomkernen en ook dat levert een detecteerbare gammastraal op. Het feit dat deze gammastralen op hetzelfde moment opduiken, leverde het bewijs voor het bestaan van de neutrino’s.

Ondertussen weten we overigens dat er twee vormen van β-stralen (en deeltjes bestaan): de elektronen (β--stralen) en de positronen (β+-stralen). Zoals we al zeiden, komen elektronen vrij wanneer atoomkernen minstens één neutron te veel bevatten; een neutron vormt zich om tot proton en een elektron wordt de kern uitgestuurd, Samen met een neutrino. Zo zijn er ook atoomkernen die te weinig neutronen bevatten (en dus te veel protonen).

Bij elk type verval komt er een bepaald type van neutrino vrij: is het β-deeltje een elektron, dan noemen we dat tegenwoordig formeel een antineutrino; enkel wanneer het β-deeltje een positron is, spreken we van een neutrino.

Geplaatst door Geert op 08/07/2017 om 22:12