Streven. Jaargang 4

[p. 609]

Naar een atomische definitie van de lengtestandaard
door Fr. Elliott S.J.

ONDER de slachtoffers der Franse Revolutie was er een dat niemand lang betreurde: het oude stelsel van maten en gewichten. Verschillend van streek tot streek, onnauwkeurig bepaald en niet tot elkaar te herleiden, waren zij juist goed om het bedrog in de handel te bevorderen. In 1790 besloot de Constituante de talloze maten en gewichten van het Ancien Regime door één nieuw en rationeel stelsel te vervangen. In een bevlieging van revolutionnaire romantiek decreteerde zij dat de lengtestandaard door de omtrek van de aardbol zou worden voorgesteld.

Terwijl de 'Academie des Sciences' het nieuwe stelsel bestudeerde, voerde een groep aardrijkskundigen de meting uit van de meridiaan-boog tussen Duinkerken en Barcelona. Het tienmiljoenste deel van een kwart meridiaancirkel zou de 'meter' heten en werd voorgesteld door de afstand tussen de uiteinden van een platina staaf, bewaard in het nationaal archief. In de loop der XIXe eeuw wezen nieuwe meridiaan-metingen uit dat de 'meter' van het archief, een half tiende millimeter korter was dan het tienmiljoenste van het kwart meridiaan. Later bleek de fout een kwart millimeter te bedragen. De aardbol als lengtestandaard te gebruiken was weinig practisch. Het was toch ondoenlijk om na iedere verbeterde meridiaanmeting, alle modellen van de meter over de wereld verspreid, evenredig te corrigeren; vooral daar de methoden om de modellen van de meter onderling te vergelijken veel nauwkeuriger en zekerder waren dan de meridiaanboogtriangulaties.

De eerste bepaling van de meter als breuk van de aardmeridiaan, overleefde de eeuw niet. In 1889 besliste een Internationaal Congres, dat voortaan de 'meter' niet meer zou zijn het tienmiljoenste van een kwart meridiaan, doch de afstand voorgesteld door de platina staaf van het archief. Deze afstand werd met uiterste nauwkeurigheid door twee fijne lijntjes afgetekend op een nieuwe platina-iridium staaf met ×- vormige doorsnee, welke voortaan als 'meter-prototype' zou gelden. Al de landen die het metrisch-stelsel hadden overgenomen ontvingen een kopie van deze standaard.

Ook deze definitie van de meter had nadelen. Het conventionele prototype van de meter kon nu niet meer willekeurig nagemaakt wor-

[p. 610]

den; als het eens zoek raakte of erg beschadigd werd, was het onherroepelijk verloren. Bovendien was de nauwkeurigheid der bepaling beperkt, want de lijntjes die de meter-lengte aftekenen, doen zich bij sterkere vergroting voor als groefjes, waarvan de grenzen lastig zijn waar te nemen.

De destijds bereikte nauwkeurigheid was echter niet te onderschatten. Door de meridiaanmetingen was de omtrek der aarde op 3 km na bekend. Latere metingen herleidden deze fout tot 80 m (1:500.000). De verfijnde microscopische methoden, waarmee de dertig eerste prototypen van de meter van 1889 werden vergeleken, lieten maar een tiende-miljoenste als onzekerheid over. Een dergelijke nauwkeurigheid aangaande de kennis van de aardomtrek zou slechts een speling overlaten van vier meter.

Op zoek naar een nieuwe en betere definitie van de lengtestandaard stelde Jacques Babinet in 1827 voor een lichtgolf te gebruiken. In die jaren was de meter nog altijd bepaald door de aardomtrek, en de natuurkundigen waren zeer bezorgd, dat een eventuele botsing van de aarde met een komeet, de aardbol zou vervormen, en zo de lengte-standaard onherroepelijk beschadigen.... of nog iemand zo'n ramp zou overleven, laat staan zich zou bekommeren om de oude lengte-standaard, lieten zij buiten beschouwing.

Fizeau, een ander Frans geleerde, méér gedreven door zijn natuurkundig inzicht dan door bedenkingen die thuishoren in de literatuur van Jules Verne, toonde in 1864 aan dat lichtgolven als een zeer nauwkeurige en practische lengtestandaard kunnen dienen. Lichttrillingen hebben een volstrekt on veranderlijke golflengte. Iedere lichtgolf kan men onbeperkt samentellen met de volgende, zonder gevaar door die optelling enige fout in te voeren. Lichttrillingen kunnen zonder moeite in een laboratorium verkregen worden, en wat vooral belangrijk is, met uiterste nauwkeurigheid worden gemeten.

Dit laatste is mogelijk dank zij z.g. interferometrische methoden welke berusten op het 'interfereren' van golven wier lengte bijna gelijk is. Interferentie van geluidsgolven wordt aangewend bij het stemmen van een orgel: wanneer twee pijpen dezelfde toon moeten geven, doch niet juist even hoog klinken, hoort men een zweving, welke zich als een geklop voordoet, dat trager wordt naarmate de pijpen beter gestemd zijn, en bij juiste instelling geheel verdwijnt. In 1894 voerden Michelson en Morley de beroemde meting uit, welke de lengte van de meter uitdrukte in golflengten van het rode cadmiumlicht. De afstand, doorlopen door 1.553.163,5 golflengten van deze rode lichtstraal, ver-tegenwoordigde één meter. Op deze bepaling berusten nog steeds alle

[p. 611]

nauwkeurige lengtemetingen voor het wetenschappelijk onderzoek en industriële laboratoria. De fout, gemaakt in de meting van Michelson, was van de grootte van een miljoenste, groter dus dan bij het vergelijken van de platina prototypen. Om als nieuwe definitie van de meter aanvaard te worden, moest de licht-interferometrische methode nog verfijnd worden.

Dit vraagstuk werd sinds 1927 in behandeling genomen door de natuurkundigen van het Amerikaanse Bureau of Standards. Zij onderzochten de mogelijkheid om in plaats van de rode cadmiumlijn de groene kwikzilverlijn te gebruiken.

Kwikdamplampen zenden een zeer intens licht uit met violet-groene kleur. Zulke lampen worden wel eens aangewend voor weg verlichting, of voor bestraling of ontsmetting met ultra-violetlicht. Door een prisma gezien, wordt dat licht o.m. gesplitst in een violette, een groene en een gele lijn. De groene lijn met haar golflengte van 0.0005461 mm scheen wel de meest geschikte lichtstraal te zijn, welke als lengtestandaard kon dienen. Ze is tienmaal intenser dan de rode cadmiumlijn, en bovendien is het oog zeven maal meer gevoelig voor die groene kleur dan voor rood, zodat men er zeventig maal nauwkeuriger metingen mee kan uitvoeren. Verder is het voor de juistheid der meting noodzakelijk de lijn zo smal en scherp mogelijk te maken.

In dat opzicht had de cadmiumlijn een groot nadeel: ze werd voortgebracht door electrische ontladingen verwekt in dampen van gloeiend cadmiummetaal. Welnu, verhitting brengt een sterke agitatie der atomen teweeg, en dit maakt de lijn breder.

Wanneer een atoom zich naar de waarnemer toe beweegt wordt de golflengte van het uitgezonden licht iets korter, wanneer het zich verwijdert iets langer; evenals het geronk van een naderend vliegtuig hoger schijnt dan gewoon, en als het voorbij is lager klinkt. Als nu het licht van snelbewegende atomen door een prisma waargenomen wordt, werken die kleine verschillen in golflengte storend. In plaats van een fijne scherpe lijn, vertoont het een iet of wat breed bandje, met onscherpe randen. Dan staat de physicus voor dezelfde moeilijkheid als een stemmer die de toonhoogte zou willen beoordelen van een zwerm vliegtuigen die in alle richtingen boven zijn hoofd kruisen. Om er uit wijs te worden, zouden de vliegtuigen zo langzaam mogelijk moeten vliegen.

Bij kwikzilver is het nu juist mogelijk de storende invloed van de agitatie der atomen sterk te onderdrukken. Het hoeft niet, zoals cadmium, verwarmd te worden, integendeel; ver beneden nul graden af gekoeld, levert het nog voldoende dampen om er electrische ontladin-

[p. 612]

gen in te verwekken. Bij die zeer lage temperatuur is de beweging der atomen veel geringer en de verkregen lichtband dus veel scherper. Hier komt nog bij dat het kwikzilveratoom bijna dubbel zo zwaar weegt, en zich dus bij eenzelfde temperatuur minder vlug beweegt dan het cadmiumatoom.

Restte nog een oorzaak waardoor de lijnen van het kwikzilver-spectrum, zoals trouwens die van het cadmium, breed en onscherp worden. Beide metalen worden in de natuur gevonden als een mengsel van verschillende 'isotopen': acht voor het cadmium en zeven voor het kwikzilver. De isotopen van een element bezitten dezelfde kernlading, dus hetzelfde atoomnummer, en vertonen ook alle juist dezelfde scheikundige eigenschappen; zij onderscheiden zich echter door een gering verschil in atoomgewicht. Hiermee hangt samen dat dezelfde spectraallijnen door elk van hen uitgezonden, een weinig van elkaar afwijken; het gezamenlijk effect van die afwijking is nogmaals een verbreding van de lijn door dampen van het mengsel uitgezonden. Een volledig scherpe lijn wordt slechts verkregen door een lichtbron gevormd uit één enkel isotoop.

Daar de isotopen van een element in al hun physische en chemische eigenschappen nagenoeg geheel gelijk zijn, is het uiterst lastig ze van elkaar te scheiden, laat staan volledig zuiver in handen te krijgen. Het is ongeveer hetzelfde als frankstukken naar hun gewichtsverschil te willen sorteren, door middel van een kruideniersweegschaal.

De enige doeltreffende weg om een zuiver kwikisotoop te verkrijgen, was het te 'maken'. In de laatste tijden bleek dit mogelijk dank zij de transmutatie of omzetting van een scheikundig element in een ander door middel van een kernreactie. Om een atoom van een element in een ander om te zetten is het voldoende de kern ervan om te vormen. Het is immers de lading van de atoomkern die het aantal electronen bepaalt welke er omheen zullen wentelen en van dit aantal hangen alle scheikundige eigenschappen van het element af. Het gaat er in het atoom aan toe als in de politiek van wat wij een democratie plegen te noemen. De kernlading is als de heersende politieke partij en de mantel-electronen als 's lands bestuur. Het is wel niet de partij die het land bestuurt - doch de partij bepaalt de samenstelling en de politiek der administratieve kaders, en determineert zo de tendenz der regering.

De kernreactie waaraan de ingenieurs van het Bureau of Standards dachten, bestond in de omzetting van goud tot kwik. Door toevoeging van één neutron aan de kern van een goudatoom, stoot deze een electron uit en krijgt hierdoor een positieve lading er bij. De kern met 79 ladingen van het goudatoom is nu een kern met 80 ladingen geworden;

[p. 613]

samen is het aantal electronen tot 80 gestegen, en de eigenschappen van het atoom zijn geworden die van het element nr 80 uit de tabel van Mendelejeff: d.i. van kwikzilver.

De nieuwe kwikzilveratomen onderscheiden zich in niets van de andere, tenzij dat ze alle zonder uitzondering één enkel isotoop vertegenwoordigen. Dit komt omdat het goud, dat in de natuur gevonden wordt, uitsluitend bestaat uit één isotoop met 197 als atoomgewicht, en wanneer er een neutron met de eenheid als massa in de kern bijkomt, wordt de massa van het atoom: 198. In de kernphysica kloppen zulke rekensommetjes altijd perfect; als men tenminste niet te nauw kijkt.

Het meest doeltreffende middel om een atoomkern om te zetten is geweld te gebruiken (de vergelijking met een democratie gaat nog steeds op). De atomen worden met een hagel van neutronen beschoten. In 1940 hadden Amerikaanse natuurkundigen op deze wijze goud gebombardeerd met neutronen vrijgemaakt door de reuzencyclotron van Californië. Doch bombardementen hebben doorgaans een vrij slecht rendement. Pijnlijke ondervindingen ontnamen ons alle illusies omtrent de trefzekerheid van zo'n operatie - ook wanneer de bombardier zogenaamd mikte. De kans om door een neutronenbeschieting de uiterst kleine kern van een atoom te bereiken is zeker even gering als de kans om bij een nachtbombardement van een grootstad juist het stadhuis te treffen; en van mikken op de kern is volstrekt geen sprake.

Na lang beschieten van het goud (197) verkregen de kernphysici een weinig getransmuteerd kwikzilver (198), echter juist genoeg om de aanwezigheid ervan te kunnen opsporen. Een nogal karig resultaat; het zag eruit alsof men vast was gelopen. De ingenieurs zetten toch taai door. In 1942 kocht het Bureau of Standards 400 gram goud, en kreeg van de Universiteit van Californië gedaan dat het kostbare klompje één of meer jaar aan het neutronenbombardement van het cyclotron zou worden onderworpen. Het ging een transmutatie op grote schaal worden. De oude middeleeuwse alchimist, wiens geest door het laboratorium voor kernphysica rondzwierf, zou er echter niet veel van gesnapt hebben. Hij zou wanhopig gepoogd hebben de nieuwe kabbalistische formules te ontcijferen; maar het toppunt zou hij toch vinden.... dat ze nu beslist goud tot kwikzilver wilden omzetten.

Doch zover waren de kernphysici nog niet: want toen brak wereldoorlog II uit. Ook het wetenschappelijk onderzoek werd in de grote oorlogsmachine betrokken. De toekomst zag er weinig bemoedigend uit. Toch was het juist de oorlog die uitkomst bracht voor de bereiding van kwikisotoop 198. Bepaalde takken van het onderzoek hadden steun ontvangen die men voor vredeswerk nooit zou gekregen hebben. Zo

[p. 614]

kwam de studie der kernreacties met recordtempo vooruit. Een hiermee samenhangend resultaat daarvan was de atoombom - de belangrijke ontdekking echter lag in de uraniumreactor. Deze bleek een overvloedige en onuitputtelijke bron van neutronen, en opende hierdoor nieuwe mogelijkheden voor transmutaties.

Toen de oorlog eenmaal ten einde was werd het goud van Californië naar Oak-Ridge, de atoomstad van de Tenessee-vallei, overgebracht om in de uraniumreactor te worden getransmuteerd. Na een jaar kon reeds 60 mgr kwikzilver overgedistilleerd worden uit het goudklompje. Een hele hoeveelheid was dat. Bedenken wij dat zo'n speldekop kwikzilver even 180 miljoen biljoenen atomen bevat, alle resultaat van een blinde beschieting. Indien die atomen zo groot waren als fijn jacht-schroot, zouden zij naast elkaar geplaatst de oppervlakte van de aarde bedekken.

Deze hoeveelheid was voldoende om een aantal ontladingsbuisjes bij lage druk te vullen. Wanneer nu een electrische vonk door die buisjes ontspringt zenden zij een violet-groen licht uit, waarvan de lijnen uitzonderlijk scherp afgetekend zijn op de spectroscoop. Eindelijk bereikten de onderzoekers het doel van hun inspanning: een geschikter en nauwkeuriger middel om de lengteëenheid te bepalen dan het platina prototype.

In de volgende Internationale Conferentie van Maten en Gewichten zal het Amerikaanse National Bureau of Standards voorstellen de meter te definiëren als 1.831.249,2 golflengten van de groene lijn (5460.7 å) van kwikzilverisotoop 198. Het kwikdamplampje zal dan een practische lengtestandaard verschaffen in het bereik van alle laboratoria, en waarvan de nauwkeurigheid die van het prototype zal overtreffen. Bedenken wij dat de fijne lijntjes getrokken op de platina-meter, op zichzelve reeds een veertiental golflengten breed zijn.

Indien de aardomtrek kon bepaald worden met dezelfde nauwkeurigheid, als de natuurkundigen hopen te bereiken in de nieuwe bepaling van de meter, zou er enkel nog een onzekerheid overblijven van vier centimeter; de afstand tussen Brussel en Ostende zou dan bekend zijn op de dikte van een cigaretten-blaadje na.

Doch we mogen gerust zijn; die atomische definitie van de lengtestandaard zal geen enkele van onze gevestigde gewoonten omverwerpen, en onze kleermaker zal zich nog steeds van zijn oude lintmeter mogen bedienen.