Streven. Jaargang 15

[p. 547]

Wetenschappelijke kroniek
Rudolf L. Mössbauer
Nobelprijs natuurkunde 1961
H. Jans S.J.

DE Nobelprijs voor Fysica werd in 1961 verdeeld tussen de Amerikaan L. Hofstadter en een jonge Duitse fysicus, Dr. Mössbauer. Hiermede werd de grote verdienste erkend van de ontdekking welke deze laatste in 1958 deed, en die voortaan het Mössbauer-effect wordt genoemd. Mössbauer is er in geslaagd, te bepalen in welke omstandigheden de zgn. resonantiefluorescentie van atoomkernen te verwezenlijken is, een proces dat op een onverhoopt duidelijke wijze de Algemene Relativiteitstheorie van Einstein door een nieuw experiment kwam bevestigen. Mössbauer deed zijn ontdekking in München en Heidelberg, maar is ondertussen natuurlijk reeds aangeworven door de Amerikanen als research fellow aan het California Institute of Technology.

Het begrip fluorescentie

Eerst moeten we even herinneren aan een paar fundamentele begrippen van de lichtstraling. Het zgn. witte licht, waarvoor ons menselijk oog gevoelig is, bestaat uit een hele reeks elektromagnetische golven met verschillende frequenties (aantal trillingen per seconde). Aan iedere frequentie beantwoordt een bepaalde kleur. Newton slaagde er in, dit witte licht met behulp van een prisma te ontleden in het fraai gekleurde spectrum, dat een continue overgang vertoont van rood over geel, groen en blauw naar violet. Dit is de samenstelling van het licht dat de zon uitstraalt. Er bestaan echter ook lichtbronnen die slechts licht uitzenden van enkele bepaalde frequenties: dan is dit licht gekleurd en wordt het door een prisma ontbonden in slechts enkele lijnen, een zgn. lijnenspectrum. Hoe ontstaat een dergelijk, discontinu emissiespectrum? Iedereen kent het merkwaardige gele licht van de natriumlampen in havenopslagplaatsen en langs bepaalde wegen. Dit licht ontstaat wanneer natriumdamp aan een wisselend elektrisch veld wordt onderworpen. Zoals ieder atoom bestaat ook natrium uit een kleine positieve kern en een aantal elektronen die zich rond deze kern op verschillende (energie-)niveaus bevinden. Het aangelegde elektrische veld doet in een groot aantal atomen de elektronen overspringen van een niveau van lagere energie naar een hoger niveau. Door deze opslorping of absorptie van energie bevinden deze atomen zich in een excitatie-toestand. Na een min of meer korte duur vallen de elektronen op een lager niveau terug en de energie die daarbij weer vrijkomt, uit zich als lichtstraling. Natrium emitteert het ons vertrouwde gele licht, omdat in de gegeven omstandigheden slechts elektronen-sprongen tussen een paar welbepaalde niveaus voorkomen, waardoor uitsluitend geel licht wordt uitgezonden.

Aangezien de mens gedurende vele eeuwen slechts die licht-emissie als ‘normaal’ ervaren had die optreedt wanneer hij iets verbrandt of sterk verhit, heeft hij voor deze vreemd aandoende lichtstraling (zonder noemenswaardige verhit-

[p. 548]

ting) de nieuwe term fluorescentie ingevoerd, omdat dergelijke verschijnselen voor het eerst aan het mineraal fluoriet waren waargenomen. We kunnen dus zeggen dat de natriumdamp fluoresceert. Maar fluorescentie kan ook op een heel andere wijze tot stand komen: sommige variëteiten van fluoriet b.v. beginnen te fluoresceren omdat zij zelf eerst met licht bestraald worden. De alomtegenwoordige TL-lampen werken volgens beide processen: onder invloed van een elektrisch veld, dat wij zelf inschakelen, begint kwikdamp in de buis te fluoresceren. Maar de damp zendt tevens een krachtige, niet ongevaarlijke, ultraviolette straling uit: daarom wordt de wand van de buis bestreken met een stof die onder invloed van dit ultraviolet licht op haar beurt begint te fluoresceren en zichtbaar licht uitzendt.

Resonantiefluorescentie en -absorptie

Het zo even aangehaalde voorbeeld kan ons de zgn. resonantiefluorescentie doen begrijpen. De TL-lamp zendt zichtbaar licht uit, omdat ze met (onzichtbaar) ultraviolet licht bestraald wordt: dit kan slechts betekenen dat de elektronensprong naar een hoger niveau (door de opslorping van ultraviolet licht) bij de uitzending van het licht niet in één trek terug wordt afgelegd, maar over verschillende tussenniveaus geschiedt, waarbij de energie in kleinere fracties wordt afgestaan, waaraan kleinere frequenties o.a. van zichtbaar licht beantwoorden. We kunnen ons nochtans een grensgeval voorstellen: het elektron zou bij de lichtemissie identiek dezelfde sprong uitvoeren als die waardoor het atoom geëxciteerd werd. In dat geval zendt de stof, door fluorescentie, dezelfde frequentie uit als die waarmee ze eerst bestraald werd: omdat dit verschijnsel enige analogie vertoont met de resonantieverschijnselen uit de akoestiek, welbekend in gevallen zoals het plotseling meetrillen van kerkramen bij een bepaalde orgeltoon, heet men dit soort fluorescentie resonantiefluorescentie.

Het valt dan niet moeilijk te begrijpen dat er een zeer innig verband moet bestaan tussen deze fluorescentie en de zgn. resonantiefluorescentie. Veronderstellen wij even dat we een natriumlamp laten werken, maar dat we, tussen ons en de lamp in, een vrij dichte natriumdamp aanbrengen. Merkwaardigerwijze zien we dan zelf de lichtintensiteit verminderen: de lichtenergie van de lamp bereikt ons niet meer in haar geheel, maar wordt gedeeltelijk verbruikt om de natriumatomen, die zich tussen ons en de lamp bevinden, in excitatietoestand te brengen. De damp absorbeert dus juist die energie die tevoren als licht tot ons doordrong. Er ontstaat een absorptiespectrum waarvan de donkere lijnen samenvallen met de heldere lijnen van het emissiespectrum van de bron. We hebben een resonantieabsorptie. In de astronomie is dit verschijnsel zeer belangrijk: bij nader toezien blijken b.v. in het zonnespectrum vele donkere lijnen voor te komen, die te wijten zijn aan resonantieabsorptie in gassen, die in de koudere zonneatmosfeer voorkomen.

Gammastralen en energieniveaus in de atoomkern

Op het eerste gezicht kan het vreemd lijken dat resonantiefluorescentie, die de eenvoudigste schijnt te zijn, relatief zelden optreedt. Dit is nochtans begrijpelijk wanneer we bedenken dat de absorptie en de daarop volgende emissie van juist dezelfde energie (of frequentie) slechts mogelijk is indien er in het

[p. 549]

gehele proces nergens energie verloren gaat. En dit is nu veelal wel het geval, en des te meer naarmate het om stralingen met hogere frequentie gaat. We weten immers dat het zichtbare licht slechts een klein onderdeel vertegenwoordigt van het volledige elektromagnetische spectrum dat o.a. ook de radiogolven bevat, de infrarode warmtestraling, de ultraviolette straling, de X-stralen en ten slotte de zeer energierijke gammastralen. Deze laatsten werden eerst als kosmische straling ontdekt en treden op gedurende de zeer grote energie-uitwisselingen die in de kernen van de atomen plaats vinden. Nu hebben sinds het begin van deze eeuw Planck en Einstein ons geleerd dat de elektromagnetische energie ook een corpusculair karakter heeft, gequantificeerd is in zgn. photonen of lichtquanten. Hoe groter de frequentie is, des te groter is de energie-inhoud van het photon. Bij zeer hoge frequenties treedt dit corpusculair karakter steeds meer op de voorgrond. Wanneer een gammaphoton de atoomkern verlaat, dan ondervindt deze kern zulk een sterke terugstoot, dat het photon bij het vertrek reeds een aanzienlijk deel van zijn energie verliest. We kunnen dit vergelijken met het afvuren van een projectiel: hoe sterker de ontploffing is, met des te meer geweld wordt het geschut achteruit geduwd. Maar hoe meer dit terugwijkt, des te meer energie gaat er voor het projectiel verloren. Wanneer dan het gammaphoton, dat reeds energie verloor door de impuls die het aan de kern meedeelde, nu door een andere kern wordt geabsorbeerd en weer geëmitteerd, dan zal het daar een tweede keer een deel van zijn energie aan de kern afstaan. Men kwam tot de conclusie, en men constateerde ook in feite, dat voor gammastralen een resonantiefluorescentie uitgesloten was.

Maar dergelijke metingen zijn onmisbaar voor een betere kennis van de atoomkern. De energie-niveaus van de elektronen rond de kern, die we in een paar voorbeelden bespraken, heeft men evenmin ooit ‘gezien’: dat men ze met grote nauwkeurigheid kon bepalen was te danken aan het feit dat men de waargenomen spectra coherent kon interpreteren. Nu blijken ook in de atoomkern zelf een groot aantal energie-niveaus voor te komen: men moet dus proberen een analoge kern-spectroscopie door te voeren. Dergelijke energie-niveaus worden b.v. bepaald door na te gaan bij welke (controleerbare) snelheden protonen (waterstofkernen), die men op andere kernen afschiet, in deze kernen geabsorbeerd en ingelijfd worden. Door de snelheid van de protonen te wijzigen, kan men verschillende niveaus bepalen. Resonantiefluorescentie en -absorptie zijn bijzonder interessant, omdat in dat geval de absorptie en de emissie zo nauwkeurig corresponderen. Wanneer b.v. het radioactieve Osmium¹⁹¹ zich geleidelijk omzet in het stabiele Iridium¹⁹¹, dan komt in laatste instantie een gammaphoton vrij van 129 keV (kilo-elektron-Volt)¹⁾. Iridium dat in de buurt als ‘doelwit’ zou geplaatst zijn, zou een dergelijk photon kunnen opvangen en het weer uitzenden, zou zelf een gammastraler worden met een duidelijke resonantiefluorescentie.... indien de terugstoot van de kernen niet het hele proces in de war stuurde.

1) Eén elektron-Volt is de energie die één elektron verkrijgt wanneer het vrij de spanning van één Volt doorloopt.

Het Mössbauer-effect

Men heeft niet op Mössbauer gewacht om te proberen dit euvel te verhelpen. Malmfors probeerde de resonantiefluorescentie te benaderen door de bron en

[p. 550]

het doelwit der gammastraling op hogere temperatuur te brengen: dan zou de thermische energie het opgelopen deficit moeten compenseren. P.B. Moon plaatste de bron op de rand van een snel ronddraaiende schijf: deze mechanische energie leverde dan het nodige supplement aan energie. Mössbauer echter vond niet nóg een andere methode om de hopeloos gecompromitteerde resonantiefluorescentie enigermate te herstellen, maar ontdekte de fysische voorwaarden onder welke ze, ondanks alles, toch optreedt!

Toen Müssbauer zonder enige vooringenomenheid de invloed van de temperatuur naging op de boven vermelde resonantiefluorescentie van Iridium¹⁹¹, ontdekte hij, tegen de algemene verwachting in, dat het rendement bijzonder goed werd bij zeer lage temperaturen, bij de temperatuur van vloeibare lucht namelijk. En hij wist het fenomeen ook te verklaren.

We weten dat in het algemeen kristallisatie van een bepaalde stof slechts optreedt onder een naar de aard van de stof karakteristieke temperatuur. Bij hogere temperatuur bezitten de moleculen of atomen of ionen waaruit het kristal is opgebouwd, een te grote bewegingsenergie om vaste plaatsen in de kristaltralie in te nemen. Maar ook na de kristallisatie, wanneer die plaatsen eenmaal ingenomen zijn, voeren de atomen nog trillende bewegingen uit, die nog zullen verminderen naarmate de temperatuur verder daalt. Volgens de theorieën van Planck, Einstein en Debye zijn, bij een bepaalde temperatuur, voor een bepaalde atoomsoort in de kristaltralie, ook deze trillingen gequantificeerd. Dit betekent: alleen sommige zijn ‘toegelaten’ bij de gegeven temperatuur. Er is dan een temperatuur, altijd eerder aan de lage kant, op welke een atoomkern niet kán bewegen of meetrillen. Wanneer bij deze temperatuur een gammaphoton de kern verlaat dan zal, aangezien de kern de terugstoot niet kan opvangen, het hele kristal, met zijn miljarden maal grotere massa, uitwijken. Maar onder deze omstandigheden verlaat het photon het kristal zonder noemenswaardig energieverlies. We kunnen dit weer vergelijken met het wegschieten van een projectiel: het zal bij het wegschieten praktisch geen energie verliezen, indien het geschut zo vast verankerd wordt, dat de onvermijdelijke terugstoot door de hele aarde wordt opgevangen! Willen we dit projectiel nu nog volkomen elastisch op een wand doen terugkaatsen, zodat het zonder energieverlies terugkeert, dan zullen we die wand even vast moeten zetten als het geschut. Het Mössbauer-effect komt dus neer op de emissie en de re-emissie van een gammaphoton zonder terugstoot van de atoomkern.

Een belangrijk kenmerk van het Mössbauer-effect is zijn uiterste gevoeligheid: het is waarschijnlijk het meest nauwkeurige meetinstrument dat de fysicus thans bezit om energieën met elkaar te vergelijken. Wanneer eenmaal een bron van gammastraling en haar doelwit zich in de Mössbauer-situatie van resonantiefluorescentie bevinden, dan is de kleinste wijziging in hun toestand voldoende om die resonantie te doen verdwijnen. Mössbauer plaatste de bron op de draaiende schijf van een platendraaier en door de aldus toegevoegde energie verdween de fluorescentie van het doelwit.

De meest spectaculaire bijdrage van het Mössbauer-effect was dan ook een totaal nieuw experiment mogelijk te hebben gemaakt, waardoor een van de voornaamste kenmerken van Einsteins Algemene Relativiteit aan een zeer nauwkeurige meting kon worden getoetst. Volgens deze theorie bezit ook de energie een zekere traagheid en moet dus ook het licht, onder invloed van een gravitatieveld, een afbuiging ondergaan. In de tot nog toe uitgevoerde metingen bleef

[p. 551]

deze afbuiging (afbuiging van het licht van een ster wanneer het het gravitatieveld van de zon passeert) echter zo gering, dat het experiment weinig nauwkeurig en niet zeer overtuigend was. Het Mössbauer-effect heeft echter een zo grote gevoeligheid, dat de invloed van de zwaartekracht op het licht, in dit geval het gammaphoton, over zeer korte afstanden kan worden nagegaan. Bij de meting van fluorescentie wordt in principe een nauwe bundel gammastralen van de bron op het doelwit gericht, waarachter en waarnaast twee detectoren van gammastraling worden opgesteld. Zo lang er geen resonantie optreedt, gaan de stralen nagenoeg onverzwakt door het doelwit en worden uitsluitend in de eerste detector, achter het doelwit, geregistreerd. Op het ogenblik dat de resonantiefluorescentie optreedt, vermindert plotseling de rechtstreeks doorgaande straling naar de eerste detector heel gevoelig (door resonantie-absorptie), terwijl de tweede nu een aanzienlijke straling registreert, aangezien het doelwit nu in alle richtingen door fluorescentie photonen uitzendt. In verschillende laboratoria werd de invloed van de zwaartekracht op de photonen gedurende dit proces onderzocht. In april 1960 werd de proefneming in Harvard als volgt doorgevoerd²⁾: bron en doelwit werden in een 22 m hoge toren geplaatst, maar eenmaal bevond de bron zich beneden, zodat de gammastraling energie verloor bij het overwinnen van de zwaartekracht; een ander maal bevond de bron zich boven zodat de photonen energie wonnen dank zij de zwaartekracht. Deze afstanden van enkele meters waren ruim voldoende om de resonantiefluorescentie op nauwkeurig meetbare wijze te beïnvloeden, en de meetresultaten stemmen uitstekend overeen met de theoretisch afgeleide waarden.

De ontdekking van Mössbauer heeft een nieuwe periode ingeluid in het kernonderzoek. Doch alleen reeds de merkwaardige verificatie van Einsteins leer die door het Mössbauer-effect is mogelijk gemaakt, was een Nobelprijs waard.

2) In Harvard waren sinds enige jaren reeds andere proefnemingen aan de gang om de Algemene Relativiteitstheorie te testen. Men zocht het vooral in het onderzoek van de banen van kunstmatige satellieten. De ontdekking van Mössbauer maakte o.m. zulk een diepe indruk op de Amerikanen, omdat hij veel nauwkeuriger resultaten verkreeg met middelen die honderdmaal goedkoper waren dan de brandstof voor één enkele raket.