Streven. Jaargang 10

[p. 41]

Wetenschappelijke kroniek
Dr. P. de Ceuster
Kosmische stralen

DE studie van de kosmische stralen was gedurende de laatste twee decennia van overwegend belang voor een juister inzicht in de atoomstructuur. Daarom geven we hier een kort overzicht van de voornaamste feiten die deze studie in het centrum van de belangstelling hebben geplaatst.

Omstreeks 1932 scheen er een pauze gekomen in de koortsachtige bedrijvigheid die gedurende de vorige decennia had geheerst rond de atoomstructuur en tot een weergaloze omwenteling van het fysische denken had geleid. Het scherp inzicht van een pleïade geniale geleerden, geholpen door instrumenten waarvan de kracht of de verfijning ons nog steeds blijft boeien, had onze kennis op een niveau gebracht van waaruit men rustig de elementen van het atoombeeld kon overschouwen. Alles wees er op dat de synthese zeer eenvoudig zou zijn: zojuist toch was het neutron ontdekt en dit bleek precies nodig om het atoombeeld af te ronden.

Dit beeld zag er dan, rond 1932, ongeveer als volgt uit: het atoom bestaat uit een zeer gecondenseerde kern, die praktisch zijn hele massa bevat en opgebouwd is uit positief geladen waterstofkernen (protonen) en ongeladen waterstofkernen (neutronen). Rond deze kern bevindt zich een ijle electronenwolk waarvan de negatieve lading die van de kern precies neutraliseert. In eerste benadering geldt ook nog heden dit vereenvoudigd atoombeeld.

Dit verleidelijk eenvoudig beeld vereist het bestaan van slechts drie oerdeeltjes: protonen, neutronen en electronen. Het idee om vanuit deze drie oerdeeltjes de verblindende verscheidenheid der materie uit Gods heelal te verklaren was erg aanlokkelijk.

Toch waren enige concessies nodig geweest. Nadat allerhande hypothesen onhoudbaar bleken, had men eraan moeten verzaken de elektronen a.h.w. een welbepaalde plaats te geven in het atoom, zodat er geen sprake kon zijn van een aanschouwelijk atoombeeld. Doch in plaats daarvan had men een ingewikkelde rekenwijze leren kennen - quantum-mechanica genaamd - die ons precies datgene voorrekende waar het op aankwam, namelijk de potentiële energie die ieder elektron bezit op welke plaats in het atoom ook. Op deze wijze kan het gedrag van dit elektron in welke omstandigheid ook voorspeld worden. Dit betekent niet minder dan dat men over de nodige gegevens beschikt om heel de scheikunde a.h.w. her op te bouwen vanuit deze kennis van het atoom.

* * *

Kende men dus de krachten die de wisselwerking bepalen tussen de atoomkern enerzijds en de electronenwolk anderzijds, dan naderde de structuur der stof, om zo te zeggen haar ontknoping met het zoeken naar de krachten die protonen en neutronen in de kern samenhouden.

[p. 42]

In plaats van ontknoping kwam een totaal nieuw probleem te voorschijn. Yukawa berekende in 1935 deze krachten met behulp van de quantum-mechanica die zo bijzonder vruchtbaar gebleken was om de electronen in het zoëven aangehaalde geval uit het slop van de hypothesen op een meer vaste, reële bodem te brengen. De berekening was analoog, doch het resultaat verrassend. Het bleek namelijk onmogelijk deze krachten te verklaren tenzij door het bestaan aan te nemen van een eigenaardig deeltje dat om zo te zeggen het midden houdt tussen een electron en een waterstofkern.

De massa van een electron is zo klein dat ze bijna mag verwaarloosd worden. Stellen we ze gelijk aan één, dan is die van een neutron of een proton ongeveer achttienhonderd. Voor het deeltje dat als bindstof tussen protonen en neutronen in de kern moet dienen, berekende Yukawa nu een massa van ongeveer tweehonderd. Later berekende men zelfs dat het in zware kernen een massa van driehonderd moest hebben.

Dit bleek nauwelijks te geloven, want zijn berekeningen brachten mee dat de algemeen geldende idee van de massaverdeling der materie totaal herzien moest worden. Tot dan toe kon alle materie herleid worden enerzijds tot protonen en neutronen met kenmerkende massa, en anderzijds tot electronen met een te verwaarlozen massa. Om die reden werd dan ook de massa van de protonen als eenheid aangenomen en de massa van de electronen volledigheidshalve op 1/1840 hiervan gesteld. Door Yukawa werden nu deeltjes voorspeld met een massa van 1/10 of van 200 wanneer - zoals nu geschiedt - de massa van een electron als eenheid genomen wordt.

Afgezien van de onwaarschijnlijkheid hiervan vroeg men zich met reden af, waarom een dergelijk deeltje nog nooit werd gevonden. Doch in 1947 ontdekte Anderson het deeltje in de kosmische stralen en noemde het meson (of tussendeeltje). Dit was de tweede maal dat de bevestiging van een hypothese uit de atoomstructuur door de studie van de kosmische stralen geleverd werd. Reeds in 1928 had Dirac - weer langs quantum-mechanische berekeningen - tot het bestaan van een neutraal elektron en een positief geladen elektron geconcludeerd. Het neutraal elektron ontsnapt volledig aan de waarneming en werd dan ook tot nog toe nooit aangetroffen, doch in 1932 ontdekte Anderson het positief geladen electron - het positron - in de kosmische stralen.

Het is dan ook niet te verwonderen dat de studie van de atoomkernstructuur in de laatste jaren zich voornamelijk concentreerde op de kosmische stralen en deze studie is nog lang niet afgesloten.

* * *

De kosmische stralen zijn nochtans al lang bekend. Reeds in 1900 werd het bestaan ervan vermoed daar de geweldige apparatuur die radio-actieve stralen aantoont, deze ook optekende wanneer alle radio-activiteit uitgeschakeld scheen. In 1911 vond Hess ze terug in hoge luchtlagen en Regener stelde zelfs vast dat de stralen op dertig kilometer hoogte honderd maal sterker zijn. Later deed men proeven op de bodem van het Constanzameer en vond de straling, nauwelijks verminderd, op 280 m onder de waterspiegel terug. Het is heden bekend dat radio-actieve massastralen compacte massa's des te beter kunnen doordringen naarmate ze energierijker zijn. Zo zijn enkele milimeters lood voldoende om de energierijkste stralen uit de kernomzettingen tegen te houden; wat niet belet dat

[p. 43]

deze stralen toch nog de zeer grote energie van 10⁸ elektronenvolt meevoeren. Sommige kosmische stralen echter blijken in staat om verschillende meters lood te doordringen. Hieruit berekent men voor deze stralen de recordgrote energie van 10¹⁷ elektronenvolt.

Deze primaire energierijke deeltjes, die met quasi-lichtsnelheid ergens uit het heelal komen, gedragen zich als individuele elektrische stromen en moeten dus door het aardmagnetisme afgebogen worden (zie Streven 1956 julinummer). Daardoor wordt het ons onmogelijk hun oorspronkelijke richting te kennen om te bepalen vanwaar ze komen.

In de hogere luchtlagen botsen ze op de atomen van de atmosfeer en slaan er andere - secundaire - deeltjes uit. Deze zijn op hun beurt in staat om uit andere atomen nieuwe deeltjes te slaan. Aldus ontstaan steeds meer en meer stralen, doch in dezelfde mate neemt ook hun kracht af: de oorspronkelijke energie van de zeer schaarse primaire deeltjes wordt tot een immer groter aantal secundaire deeltjes verpulverd.

In deze secundaire stralen werden de mesonen ontdekt. Eerst mesonen met een massa van 200 en 300, zoals Yukawa had voorspeld; later, naarmate de studie vorderde kwamen er ook nog andere te voorschijn met een massa van 500, 1000, 1200 en zelfs 2200. Deze laatste soort heeft dus een massa die groter is dan die van een proton of neutron. Daarbij komt dan nog dat er van iedere soort een positieve, een negatieve en een ongeladen vorm bestaat. Deze verscheidenheid maakt de straling zeer complex. Nu kunnen die deeltjes slechts ten hoogste een miljoenste van een seconde blijven bestaan en zo wordt het ons ook duidelijk waarom ze niet vroeger werden ontdekt: de meerderheid bereikt nooit het aardoppervlak.

* * *

De kosmische stralen zijn zeer schaars, zelfs in de ionosfeer waar de intensiteit honderden malen groter is dan op het aardoppervlak. Om nutteloze opnamen te vermijden moeten zelfs ingenieuze camera's ontworpen worden, die enkel fotograferen wanneer het apparaat door een straal getroffen wordt.

Hoeveel eenvoudiger zou de studie worden indien het gelukte deze kosmische stralen zelf op te wekken; doch men begrijpt allicht dat geen enkel bekend kernproces tot een dergelijke geweldige krachtontplooiing in staat is. De gewone radio-activiteit bereikt ‘slechts’ 10⁶ volt, terwijl de meest moderne waterstofbom geen 10⁸ volt haalt. Om de primaire kosmische stralen op te wekken zou er een kracht nodig zijn van 10¹⁷ volt en deze waarde is zo abnormaal hoog dat er vooralsnog niet aan gedacht kan worden dergelijke krachten op te wekken. De synthese van secundaire kosmische stralen die veel minder energierijk zijn en waarvan de mesonen de interessantste delen vormen, ligt echter wel in ons bereik.

Men beschikt thans over machtige elektromagnetische apparaten, cyclotronen genaamd, die van jaar tot jaar steeds geweldiger worden. In deze cyclotronen worden protonen of heliumkernen vrijgemaakt en aan deze wordt geleidelijk een steeds grotere snelheid gegeven. In 1948 kon dan eindelijk aan heliumkernen de energie van 400 miljoen elektronenvolt gegeven worden die ze volgens berekeningen zouden nodig hebben om kosmische stralen uit de atoomkernen te slaan. En inderdaad, toen deze heliumkernen op koolstof gericht werden sloegen ze er

[p. 44]

de eerste synthetische mesonen uit los. Het apparaat werd kosmocyclotron genoemd¹⁾.

Van af dat ogenblik splitste de studie zich in die van de natuurlijke mesonen en in die van de artificiële mesonen. Beide vullen elkaar prachtig aan, daar de eerste soort de meest energierijke, harde stralen bevat terwijl de tweede soort meer bestuderingsmogelijkheden biedt, aangezien men de energie van de botsende deeltjes beter kent.

* * *

De studie van de kosmische stralen - eerst van de natuurlijke, later ook van de artificiële - is zeer vruchtbaar geweest voor de kennis van de atoomkernstructuur. Ze heeft vraagstukken opgelost en nieuwe problemen opgeworpen.

Het eerste aspect is dat van de structuur der stof zelf. In de geschiedenis van de natuurwetenschappen treffen we een sinusoïde van afwisselende compliceringen en vereenvoudigingen meer dan eens aan. Zo groeide het aantal der elementen tot 92. De studie van de isotopen herleidde ze dan weer tot 3 en op dit ogenblik zijn de oerdeeltjes weer gestegen tot méér dan 20, positieve, negatieve en neutrale. Daarbij komen dan misschien nog zeer kleine ongeladen deeltjes (neutrino's).

Daar men echter op weg is om de mesonen en hyperonen te herleiden tot een enkele nieuwe soort en men ook geleerd heeft dat - hoe wonder het ook moge schijnen - de lading van secundair belang is, bestaat er veel kans op een terugkeer naar slechts drie oerdeeltjes, ditmaal: elektron, meson, proton²⁾. Het blijkt echter minstens voorbarig het proton op te vatten als opgebouwd uit mesonen.

Ook zijn we een stap verder in de spannende opgave om de massa, die we volgens Einstein als gebonden energie kunnen opvatten, zo volledig mogelijk als beschikbare energie vrij te maken. Op grote schaal, zoals dat in de nucleaire wapens of in de atoomreactor het geval is, werd tenslotte toch nog maar een rendement van een tot drie procent bereikt. Op uiterst kleine schaal werd de omzetting reeds vroeger sporadisch doch volledig bereikt. Wanneer namelijk twee electronen met tegengestelde lading elkaar treffen vernietigen ze elkaar en gaan volledig over in de beschikbare energie van een gammastraal. Daar echter een positron en een elektron een uiterst kleine massa hebben, kan een dergelijke omzetting slechts als de allereerste stap op dit gebied worden beschouwd. Een tweede stap wordt gezet door het aanwenden der kosmische stralen. De primaire deeltjes vormen door botsingen met de atomen uit de atmosfeer, langs de mesonen om, miljoenen elektronen en positonen die op hun beurt omgevormd worden tot gammastralen. Op deze wijze ondergaan reeds veel zwaardere deeltjes de volledige omzetting van massa in beschikbare energie. Vooralsnog is het onmogelijk de vrijgekomen energie te benutten, doch het zou de eerste maal niet zijn dat zuiver wetenschappelijke ontdekkingen tot technische verwezenlijkingen uitgroeien.

1) In 1955 werd de energie in de grootste kosmocyclotron opgevoerd tot 6.000 miljoen elektronen volt. De opgewekte protonen liet men tegen koper aanbotsen en in de stukken vond men een waterstofkern met negatieve lading: het antiproton. Alhoewel niet onverwacht - men had op voorhand berekend dat dit effect bij precies deze sterkte kon optreden - baarde deze ontdekking toch veel opzien daar het de eerste maal was dat een atoomkern met negatieve lading aangetroffen werd.

2) De deeltjes met rustmassa 0, d.w.z. fotonen en neutrino's, mogen hier eenvoudigheidshalve wel buiten beschouwing gelaten worden gezien ze minstens als een heel andere vorm van materie kunnen opgevat worden.

[p. 45]

Anderzijds rijzen weer nieuwe problemen op. Zo is geen enkele theorie in staat om al de subatomaire verschijnselen te interpreteren. De ontwikkeling van onze kennis gaat dermate vlug vooruit dat voorspellingen op dit gebied te gewaagd worden. Ook de vraag naar de natuur van de primaire deeltjes blijft open. Zijn het buitengewoon energierijke atoomkernen of gammastralen die buiten de rand liggen van het spectrum der ons bekende elektromagnetische golven? Van waar komen ze? Hoe ontstaan ze? Bestaan ze in vrije vorm in de interstellaire ruimte of ontstaan ze uit de witte dwergen waar abnormale omstandigheden van druk en temperatuur het bestaan van atomen met een atoomgewicht van méér dan 25.000 zouden mogelijk maken en wier ontploffing dan deze energierijke delen zou geven. Dit is een zuivere hypothese, precies als een vroegere, die er diametraal tegenover staat, aangezien zij de kosmische stralen opvat als nevenprodukten van de schepping van atomen.

De kosmische stralen bergen nog vele geheimen en maken de verdere studie ervan tot een opwindend bedrijf.