Streven. Jaargang 7

[p. 255]

Moderne opvattingen over het atoom
door Dr. W. van Dingenen,
Physisch laboratorium der Leuvensche Universiteit.

I. De atoom-physica

In den geest van den mensch heeft, vanaf de vroegste tijden zijner geschiedenis, een diepe zin voor ordening, wetmatigheid en eenheid bestaan. Omringd door de overweldigende verscheidenheid van dingen en verschijnselen, hebben reeds de ouden in hun drang naar synthese, het bestaan vermoed van een eenig grondbestanddeel der materie. Zoo zou de atoomgedachte, als postulaat voor Lucretius en Democritus vooropgezet, met den tijd uitgroeien tot den hechten grondslag waarop onze moderne natuur- en scheikunde bouwt. Dat de veelvuldigheid der stof enkel in de combinaties van dezelfde bouwelementen zou gelegen zijn, die gedachte zat diep in het onderbewustzijn van den mensch. We hoeven maar even te denken aan die groote utopisten uit de middeleeuwen, de alchimisten, wier ideaal, de stofwisseling, op onze dagen werkelijkheid is geworden.

Eenigzins in vergetelheid geraakt, werd de atoomgedachte in de 17e eeuw, onder de stuwkracht van Newton, den schepper der klassieke mechanika, weer opgevat.

Aan de scheikundigen echter komt de eer toe, haar het eerst in dienst te hebben gesteld van de moderne wetenschap. De groote Lavoisier stelde de hypothese voorop als zouden de gemeenschappelijke bouwelementen van de stof herleid kunnen worden tot een vast aantal atomen. Die hypothese vond ingang; op dit oogenblik schat men hun aantal op 92 of hoogstens 93, 90 zijn met zekerheid gekend.

Eerst vanaf het midden der 19e eeuw zou ook de physica de discontinue structuur der stof aanvaarden, om spoedig tot het klassieke atoombeeld te komen. Hadden de natuurkundigen zich tot dan toe uitsluitend aan de studie der golftheorie ge-

[p. 256]

wijd, vooral de schitterende theorie der electromagnetische golven van Maxwell, nu zou men de stof van een heel ander standpunt uit bestudeeren.

Volgens de nieuwe opvatting doet de stof zich voor als een aggregaat van een zeer groot aantal uiterst kleine deeltjes, elk nog in het bezit van een bepaald volume en massa. De klassieke theorie stelde zich deze deeltjes voor als kleine elastische bolletjes, onderworpen aan de wetten van Newton's mechanica, en met onderlinge wisselwerkingen in den aard der electrostatische Coulomb-krachten. Al heel gauw werd deze nieuwe physica gesplitst in de thermodynamica, de kinetische gastheorie, de kristallographie en andere, welke ieder op zich zelf een speciale uiteenzetting zouden vergen.

Na langdurige studie slaagde men erin het aantal, den omvang, de massa, ja de snelheid van die onooglijk kleine deeltjes te bepalen. Het atoom, oorspronkelijk een product van de verbeelding, scheen meer en meer een werkelijkheid te worden. Was het den mensch eindelijk gelukt door te dringen tot de diepste structuur der materie? Had men de materieele cel ontdekt?

De verdere ontwikkeling der wetenschap heeft positief op deze vraag geantwoord, door ons stap voor stap een vollediger inzicht te geven in de natuur en het wezen van het atoom. Stilaan zelfs is het elementaire stofdeeltje een wonderbare analogie gaan vertoonen met de levende cel: het bezit een gansch eigen eenzelvigheid, en we vinden het heel normaal te spreken van zijn ontstaan, zijn leven en zijn dood.

Het feit dat de stof dus bestaat uit een massa van die deeltjes, de atomen, waartusschen zich groote ruimten bevinden, doet de zaken die ons omringen als veel minder stevig voorkomen dan wij ze denken. De meest massieve tafel bestaat tenslotte meer uit de ruimte tusschen de atomen dan uit de atomen zelf? Alleen de onderlinge aantrekkingskracht der atomen, welke van op verren afstand werkt, verklaart de stevigheid.

Doch met dergelijke beschouwingen blijven wij nog in de makroscopische physica. Stilaan echter ging de natuurkunde, dank zij haar nauwkeuriger apparaten, er toe over het atoom als een op zich zelf staand individu te bestudeeren. Van nu af

[p. 257]

zou de atoom-physica volop kunnen gebruik maken van het pionierswerk van de vorige generaties. Van de optica, door Fresnel en Christiaan Huyghens, glorie van de Nederlandsche wetenschap der 17e eeuw, gegrondvest; van de kennis der electriciteit, door Coulomb, Laplace, Faraday en Ampère, tot een geheel verwerkt; van de electromagnetische theoriëen, door Maxwell, Lorentz, en Hertz opgebouwd.

Ten slotte van de electronentheorie, door Faraday, lord Kelvin, en den genialen Hollandschen natuurkundige Lorentz, tot dé basis omgevormd voor de verdere studie van het atoom!

Het onvermogen om al de verschijnselen die zich op atomaire schaal voordoen, te verklaren, deed het elementaire beeld van het atoom stilaan groeien. Faraday kwam, op grond van zijn beroemde electrolyse-proeven tot het besluit dat een electrische stroom niets anders was dan een verplaatsing van electronen, en legde aldus de eerste schakel tusschen de stof en de electriciteit. Immers, aan een bepaalde hoeveelheid stof bleek onveranderd een bepaalde hoeveelheid electriciteit verbonden. Dit experimenteele feit vond enkel zijn uitleg hierin, dat aan elk der atomen een zelfde lading zou geassocieerd zijn, m.a.w., elk massacorpuscuul of atoom draagt een of meer electriciteitsdeeltjes of electronen. Dit electron, een nieuwe elementaire bouwsteen van de stof, bleek alras uit de nauwkeurige metingen, een uiterst kleine massa te bezitten, practisch te verwaarloozen naast die van het atoom. In het bezit van een negatieve lading wordt het voorgesteld door e -. Daar het atoom op zichzelf neutraal bleek, moest een positief bestanddeel worden ondersteld, waardoor de negatieve lading van het electron zou geneutraliseerd zijn. Het bestaan van dit positief deeltje werd dan ook door Rütherford bewezen uit de dissymetrische verspreiding namelijk der op atomen afgeschoten α -deeltjes (kleine materie-deeltjes), waaruit hij tevens afleidde dat de positieve lading in het centraal gedeelte, de kern, geconcentreerd lag.

Het atoom, infinitesimaal klein op menschelijke schaal, was dus ook samengesteld uit nog oneindig kleinere bestanddeelen, de laatste bouwsteenen der materie. Als een wereldje op zichzelf, begon men het te vergelijken met het zonnestelsel: in het midden een positieve kern; daarrond draaiend op willekeurige ellipsvormige banen, negatieve electronen, welke de

[p. 258]

kernlading neutraliseeren. De massa door deze planeten meegevoerd is uiterst gering; de kern van het lichtste der atomen, de waterstof-kern of proton, weegt nog tweeduizenmaal zwaarder dan het er omheen cirkelende electron.

Tusschen de gelijke ladingen van kern en electronen heerscht een geweldige electrostatische Coulomb-aantrekking. Enkel door de middenpuntvliedende kracht der snelle cirkelbeweging, worden de electronen niet naar den kern toegehaald, en blijft de stabiliteit der stof verzekerd. Terloops dient er op te worden gewezen, dat het atoom niet veel meer blijkt te zijn dan een volslagen leege ruimte. Het proton immers heeft een diameter 10.000 maal kleiner dan die van het atoom zelf, d.w.z., van den kring door het electron rond de kern beschreven. Om eenigszins concreet de verhoudingen tusschen afstanden en massa's in het atoom voor te stellen, kunnen we volgende vergelijking maken. Leg twee knikkers op een afstand Brussel-Leuven van elkaar, de Brusselsche knikker zijnde het proton en de Leuvensche het electron.

Een dergelijk beeld van het atoom legt heel wat verschijnselen uit, zoowel in de physica als in de scheikunde. De reeks van de chemische elementen b.v. (fig. 1) begint met begint met het eenvoudigste,

Fig. 1
Waterstof-atoom
Helium-atoom
Lithium-atoom

de waterstof, dat slechts één electron bezit, door zijn kernlading geneutraliseerd. Volgen de elementen met grootere kernlading en bijgevolg grooter aantal electronen, opdat telkens de positieve aan de negatieve lading gelijk zou blijven. Langs zuiver theoretischen weg kon Mendeljeff aldus zijn periodische tafel opstellen, en het bestaan van nog onbekende elementen met zekerheid voorspellen. De individualiteit, waardoor de atomen der verschillende chemische elementen zich van elkaar

[p. 259]

onderscheidden, werd toegeschreven aan de atoom-kernen. De scheikundige en physische eigenschappen zouden met de negatieve electronen samenhangen. Daardoor kon men chemische affiniteiten en het bestaan van isotopen-elementen uitleggen. De ionisatie, de electrische en optische verschijnselen van de stof vonden daarin eveneens een uitleg, - ja zelfs de stralingsverschijnselen. De verklaring van de uitwisseling van energie tusschen stof en licht deed echter onoverkomelijke moeilijkheden oprijzen, die bewezen dat het klassieke atoombeeld zoo niet verkeerd dan toch onvolledig was. De gelijkstelling door Lorentz van het atoom met een oscilleerende dipool, waarbij een versnelling een uitstraling van energie ten gevolge heeft, wees op de onontkomelijke vernietiging der stof door continuë uitstraling. Daarbij kwam dat het oude atoombeeld noch de lichtuitstraling van zwarte lichamen, noch de regelmatigheid der specifieke lijnen van het spectrum vermocht te verklaren. Om deze drievoudige reden drong, rond 1900, een grondige wijziging van de atoomvoorstelling zich op.

De theorie der Quanta zou daarin voorzien. Aan de sterke intuitie van Max Planck, wiens geboorte-eeuwfeest vorig jaar werd gevierd, danken we de beroemde theorie der energie-quanta, welke de moderne physici toelaat voormelde drie moeilijkheden uit den weg te ruimen. Door Planck als louter hypothetisch voorop gesteld, werd ze later proefondervindelijk bewezen. Zoo zou de energie, tegen alle vroegere continuiteitsbegrippen in, sprongsgewijs veranderen, met zeer kleine discontinuë energie-deeltjes, energie-quanta geheeten. Met een merkwaardig talent werd, door N. Bohr, deze nieuwe gedachte op het klassieke atoombeeld toegepast. Dit leidde echter tot een beperking van de Newtoniaansche mechanica, welke tot dan toe de planeetbeweging der electronen rond den kern kon bepalen. Inderdaad, volgens de klassieke mechanica kon het electron zich in om 't even welken energie-toestand bevinden, d.w.z., zich op een willekeurige baan voortbewegen. De quanta-theorie bepaalt de mogelijke banen tot de zoogenaamde stationnaire toestanden, waarin het electron een energie bezit gelijk aan een geheel aantal malen het energie-quantum. Stellen we (fig. 2) het atoom weer voor door een positieve kern, waarrond een electron (e-) cirkelt, dan zal het electron zich enkel kunnen

[p. 260]

voortbewegen op de banen 1, 2, 3..., zoodat het energie-verschil van het electron overeenkomt met het energie-quantum. Door energie van een atoom verstaan we het arbeidsvermogen dat een electron ontwikkelt op zijn kringloop. Daar nu de afgelegde weg en de snelheid bepaald worden in functie van den arbeid of de energie, en de snelheid van het electron zijn afstand van den kern door de middenpuntvliedende kracht bepaalt, kunnen we zeggen dat de hoeveelheid energie de ringbaan van het electron aangeeft.

De straling wordt verklaard door den discontinuën overgang der electronen van de eene naar de andere baan, waardoor telkens een energie-quantum vrij komt. De regelmaat der spectrumstrepen zou dan enkel een aanduiding zijn van de verscheidene stationnaire banen.

De toepassing van de quanta in de atoomphysica gaf eveneens een quantitatieve verklaring van de X-stralen-spectra, evenals van fluorescentie- en fosforescentie-verschijnselen. Ook de bewegingen van atomen en moleculen in hun geheel werden gequantiseerd, zoodat de klassieke mechanica stilaan door de moderne quanta-theorie werd vervangen.

Al leidde de quanta-theorie, aan de werkelijkheid getoetst, tot mooie resultaten, toch voldeed ze den zoekenden geest der theoretische physici nog niet. Eindelijk zou het hun toch lukken door te dringen tot de grondreden van het quanta-principe. Hier is een uitweiding over de golfmechanica geheel op haar plaats, om ons te laten begrijpen hoe het atoombeeld verder evolueeren zal tot den nu algemeen aanvaarden vorm.

De golfmechanica gaat uit van de onderstelling dat stralings-energie en massa nauw samenhangen. Reeds in 1905 had Einstein, in zijn proeven omtrent het foto-electrisch effect, er op gewezen dat het licht een dubbel karakter bezit: een golfen een materie-karakter. Het foto-electrisch effect is niets anders dan het losmaken, onder een lichtstraal van bepaalde frequentie, van electronen uit de massa. Zoo kan men in een foto-electrische cel een electrische stroom opwekken door ze te bestralen, wat practisch beteekent licht in massa in beweging omzetten. In de televisie en in den klankfilm wordt deze cel dan ook algemeen gebruikt. Aldus ging Einstein over tot het aanvaarden van het licht-corpuscuul, het photon. Een nieuw

[p. 261]

bewijs van het massa-karakter van het licht volgde spoedig in het Compton-effect, waarin de diffusie van de X-stralen aantoonde dat het licht een bepaalde hoeveelheid van beweging bezat, m.a.w. dat men het als een massa met een bepaalde beweging moest beschouwen. Men sprak zelfs van de drukking der stralen: wat voor het zonlicht op de aarde experimenteel vast staat. Het licht, tot dan toe als een louter periodisch verandelijke beschouwd, diende dus ook te worden opgevat als een discontinuë reeks massa-deeltejes, zich verplaatsend met een snelheid van 300.000 kilometer per seconde. Twintig jaren later kreeg L. de Broglie, een der meest vooraanstaande Fransche physici, het geniale idee het golf- en het massa-karakter als twee schijnvormen van dezelfde werkelijkheid te gaan beschouwen, en aan iedere massa een golf toe te schrijven. Kan het licht, een golving, zich als een massa gedragen, waarom zou een massa zich niet even goed als een golving kunnen gedragen? In deze synthese legde de Broglie den grondslag voor de golfmechanica.

Hier ook bleef het niet bij louter hypothese. In 1927 kwam uit Amerika het bericht dat Davisson en Germer, door het richten van een electronenbundel op een kristal, interferentieverschijnselen hadden waargenomen, die het golfkarakter der invallende materiedeeltjes duidelijk aantoonden. Veralgemeenend ging men aan elk massadeeltje een periodisch veranderlijke of golf verbinden. Niet meer de verplaatsing van het massadeeltje zelf bestudeerde men nu, wél de verspreiding in de ruimte van de aan het corpuscuul geassocieerde golf. Die golf zal ons inlichten op welke plaats het deeltje zich op elk oogenblik bevindt. De golfmechanica die als dè huidige vorm der physica mag worden beschouwd, werkt heel wat nauwkeuriger en gevoeliger dan de mechanica van Newton, die er een grensgeval, een benadering van is. Aan Dirac tenslotte komt de verdienste toe, de golfmechanica bij de relativiteitstheorie te hebben gevoegd, en de geassocieerde golf met de magnetische golf van Maxwell te hebben gelijk gesteld.

Wat ons hier echter interesseert, is de manier waarop de golfmechanica de quanta-mechanische voorstelling van het atoom nader heeft toegelicht en voltooid. Aan kern en electron wordt een golf geassocieerd, wat de verklaring geeft van de quanta-toestanden: cirkelend rond de kern, zal het electron

[p. 262]

zich slechts op die banen kunnen bewegen, waarop de geassocieerde golf een stationnaire golf is. Dit beteekent dat de golflengte een geheel aantal keeren moet begrepen zijn in de lengte van de door het electron beschreven baan (fig. 3 geeft het atoombeeld weer zooals het door de golfmechanica werd uitgewerkt).

En nog is het moderne atoombeeld niet volledig. Inderdaad, pas enkele jaren geleden zagen de Nederlandsche geleerden Uhlenbeck en Goudsmit in dat men tot dan toe het eigen magnetisme van kern en electronen had verwaarloosd. De analogie tusschen atoom en zonnestelsel diende nog verder te worden doorgedreven: de electronen, electrisch geladen, draaien, evenals de aarde, op zichzelf rond een bepaalde as, zij bezitten dus een Noord- en een Zuidpool (fig. 3). Door rekening

Fig. 2

Fig. 3

te houden van deze magnetische eigenschap, door namelijk aan kern en electron een bepaalde 'spin' (magnetisch moment) toe te kennen, kon men verschillende verschijnselen in de fijnstructuur van het spectrum verklaren.

Al heeft de atoomvoorstelling in de moderne physica geëvolueerd tot een complex geheel, toch moet men dit alles eerder als een wiskundige abstractie beschouwen. Verder dient er op gewezen dat het determinisme stilaan de baan moet ruimen voor de waarschijnlijkheid, en dat begrippen als massa, plaats, energie of individualiteit er niet heel duidelijk omlijnd staan, dus weer verder gepreciseerd dienen te worden.

II. De kern-physica

Algemeen wordt aangenomen dat de atoom-kern de innerlijke eigenschappen van het element bevat. Zoo houdt ijzer slechts

[p. 263]

dan op ijzer te zijn wanneer de kern van het ijzeratoom vernietigd wordt.

Dank zij de studie van de radioactiviteit, waaraan groote namen als die van Becquerel, Rütherford, het echtpaar Curie, Mr. en Mw. Joliot-Curie, Thibaud en vele andere zijn verbonden, kwam de zoogenaamde kernphysica tot stand. Sedert lang reeds wordt de spontane radioactiviteit bestudeerd en ook toegepast.

De atoomkern met het grootste atomair gewicht, en met volgnummer van 83 tot 93, zenden onophoudend drie soorten stralen uit: de bekende α, β en γ stralen. Een grondig onderzoek wees uit dat de α -stralen bestonden uit ladingen, kleine massadeeltjes (α -deeltjes), waarvan elke twee positieve electrische ladingen draagt, en een massa gelijk aan viermaal die van het waterstofatoom, zoodat het heilumkernen bleken te zijn. De (β -stralen daarentegen bestaan uit negatieve electronen, met groote snelheid uitgezonden. Alleen de γ -stralen hebben een uitgesproken golfkarakter en zouden bestaan uit ultra-snelle photonen. Waar de X-stralen nog door een dunne loodlaag worden tegengehouden, doorboren de γ -stralen met gemak loodplaten van 10 cm. dikte, wat hun veel grooter ernergieinhoud bewijst. Deze energie is equivalent met die door een electron verkregen onder een spanningsverval van 500.000 volt. Natuurlijk rees de vraag: waarin ligt de massa- en energiebron die zulke intensieve stralingen vermag op te wekken?

De α β en γ -stralen moesten ongetwijfeld voortkomen van de afbraak van atoomkernen, wat bewees dat de kern niet het laatste bestanddeel van de stof aangaf.

Voor verdere studie kon de spontane radioactiviteit niet meer nuttig zijn, omdat de waarnemer daarbij een passief toeschouwer blijft.

In 1919 echter slaagde Rütherford in de kunstmatige afbraak van atoomkernen. Hij bombardeerde de kernen van lichte elementen met α -deeltjes waaraan hij een bijkomende energie van 500.000 volt had weten te voegen. De atoomkernen sprongen uiteen, zij zonden op hun beurt α -deeltjes uit en verwerden aldus tot kernen van nog lichtere elementen. Met behulp van uiterst fijne instrumenten, vooral van de massaspectograaf kon men de massa, de snelheid en de lading, ja zelfs den gevolgden weg van de loskomende deeltjes bepalen.

[p. 264]

De samenstelling van de kernen bleek op de eerste plaats te bestaan uit een aantal protonen, waterstofkernen, die de eenheid van positieve lading en van massa zijn geworden. Daarnaast echter zou de studie omtrent de stofwisseling en kunstmatige straling nog een heel stel andere elementaire bouwsteenen van de stof aanwijzen. Waterstof en deuteriumkernen werden in machtige hoogspanningsmagneten 'versneld', zij verkregen het enorme vermogen om de millioenen-volt-sterke bindende kracht der kernen te overwinnen. Ook ontbonden zich sommige kernen onder de γ -stralen voortkomend uit spontane radioactiviteit. Het omzetten van het eene element in het andere, van licht in zwaar en omgekeerd, was nu een alledaagsch geval. Het kwam zoo ver dat de theorie niet bij machte was om den stortvloed van experimenteele bevindingen bij te houden. In den loop van deze proefnemingen kwamen twee nieuwe componenten vak de stof aan het licht: het neutron en het positon.

In 1932 ontdekten M. Chadwick en M. en Mw. Joliot-Curie haast gelijktijdig een vreemd corpuscuul, voortkomende uit de kernen. Het leek een massa te bezitten gelijk aan die van het proton, doch het vertoonde geen enkele electrische lading, vanwaar zijn naam neutron.

Nog geen jaar later, meldden de Amerikanen Anderson en Blackett de ontdekking van een ander deeltje, dat zij uit atoomkernen konden losrukken. Onder bestraling van buitengewoon intensieve stralen, de cosmische stralen, met een energie van boven de tien milliard volt, kwam het zoogenaamde positon vrij, dat zeker een massa moet bezitten even groot als die van het electron. Beider lading bleek ook gelijk te zijn doch van tegenovergesteld teeken. Eindelijk was men er dus in geslaagd het positieve electron, tegenhanger van het lang bekende negatieve electron, onder de samenstellende elementen van de stof te plaatsen. Aanvankelijk werd deze vreemde indringer door menig natuurkundige sceptisch onthaald, totdat zijn bestaan door de fotografie boven allen twijfel werd verheven. Een eigenaardigheid van het positon is zeker zijn levensduur, die het milliardste van een seconde niet overschrijdt. Want het verschijnt altijd in aanwezigheid van electronen, en het draagt in zich een onweerstaanbaren drang om zich met die negatieve deeltjes te verbinden. Wat nog vreemder klinkt: als die twee mekaar ontmoeten, dan blijft niets anders over dan een γ -straal, met

[p. 265]

een licht-energie van 500.000 volt.

Deze stofvernietiging is van zeer groot belang voor de theoretische physica, omdat ze de indentiteit van stof en materie onomstootelijk bewijst. Ook kan het in de practijk van belang zijn te weten dat de massa een geweldige energiebron beteekent. Als men eens massa in energie kon omzetten dan zou de techniek wonderen verrichten.

Omgekeerd ook staat de materialisatie van het licht vast. Fotografisch is bewezen dat de γ -stralen en cosmische stralen plots kunnen overgaan in massa-energie en een positief of negatief electron doen ontstaan met een buitengewone doordringende kracht.

Tenslotte kunnen wij de resultaten op het gebied van de kernphysica als volgt samenvatten: de atoomkern is een complex geheel van protonen en neutronen. De opbouw der verschillende atoomtypen gebeurt dan door successievelijke toevoeging aan het eenvoudigste onder hen, de waterstofkern, van protonen en van neutronen. Zoo hebben we b.v.: Waterstofkern: 1 proton, massa 1, lading 1; daar omheen 1 negatief electron. Heliumkern: 2 protonen, 2 neutronen, massa 4, lading 2, geneutraliseerd door twee negatieve electronen die om de kern cirkelen. Litiumkern: 3 protonen, 4 neutronen, massa 7, lading 3, enz.. Tenslotte het laatste element, het uranium, waarvan de kern 92 protonen en een aanzienlijk getal neutronen bevat. Isotopen van een willekeurig element worden dan bekomen door toevoeging van een zeker getal neutronen aan de kern van dat element. Zoo bekomt men inderdaad een atoom met dezelfde electronenconfiguratie. Wat beteekent dat het dezelfde physische en chemische eigenschappen bezit als het atoom waarvan het werd afgeleid. Voegt men b.v. aan een proton een neutron toe dan bekomt men het deuton, kern van het deuterium, met massa 2 en lading 1, waar omheen een negatief electron: isotoop van het waterstofatoom. Elk element zal dus een heele reeks isotopen bezitten, al is het niet waarschijnlijk dat al deze isotopen zullen voorkomen.

Op grond van voorgaand schema zou het ook mogelijk zijn een aantal elementen zelf samen te stellen, door een willekeurige aaneenvoeging namelijk van protonen en neutronen. Er bestaat echter een beperking: alle combinaties zijn niet even

[p. 266]

stabiel. Men heeft kunnen nagaan dat de stabiliteit afhangt van de verhouding tusschen het getal protonen en neutronen, zonder dat men eigenlijk den grond van dezen regel kende. Zoo is deze verhouding voor de lichte atomen gelijk aan 1, wat overeenkomt met een zeer hooge stabiliteit. De zwaardere elementen vallen dan ook veel gemakkelijker uiteen, omdat de verhouding, omwille van het groote getal neutronen, de eenheid verre overtreft. Daarom ook zijn deze elementen onderhevig aan spontane radioactiviteit.

Zoo werd het ideaal van de alchimisten werkelijkheid: het is nu een alledaagsche gebeurtenis zwavel of aluminium in fosfoor om te zetten. Dergelijke omwisselingen geschieden alleen in laboratoria, omdat de daartoe noodige energie ver uitgaat boven wat de industrie vermag. Nochtans dient er op gewezen dat de bij transmutatie loskomende energie de aangewende overtreft. Waar men energieën van slechts 100.000 tot 800.000 volt aanwendt, stooten de machtige bindingskrachten tusschen de atoomcorpusculen, in vorm van uiterst snelle bewegingen, energiën uit die zelden beneden millioenen volt blijven. Gelijk men met een kleine lucifer een heele ton kruit laat ontploffen, zoo kan men, met een in vergelijking zwakke kracht, de geweldigste energiebronnen van de natuur ontginnen.

Om nu de bombardementscorpusculen binnen de kern van een atoom te schieten, moeten we rekening houden met een groote moeilijkheid: de afstootende krachten. De kern immers is omgeven door een electrostatische afstootingskracht, die toeneemt naarmate de kern wordt genaderd, om dan plots om te slaan in een sterke aantrekkingskracht van meerdere millioenen volt. De kern kan beschouwd worden als omgeven

Fig. 4

[p. 267]

door een potentiaalberg, de top van Gamow geheeten, die als een ondoordringbare wal rond de kern sluit. Binnenin ligt dan een put van aantrekking, tegen wiens wanden de protonen en neutronen hun kringloop beschrijven (fig. 4). In zekeren zin hebben we dus binnen in de kern weer een ander zonnestelsel, en hier bleek de theorie der quanta met haar stationnaire banen eveneens van toepassing. Immers de door kernen uitgezonden γ -stralen vertoonden in hun spectrum dezelfde karateristieke lijnstructuur als bij de X-stralen.

Ziehier de laatste voorstelling die men zich van een atoomkern maakte. Een atoomkern bezit een schijnbaren diameter, 100.000 kleiner dan de diameter van een waterstof-atoom. De cirkel op dezen diameter beschreven komt in werkelijkheid overeen met de actiesfeer van de afstootende krachten. Daarbinnen wentelen, in een kleine ruimte, de protonen en neutronen elk op zijn bepaald energie-niveau. Het overspringen van een corpuscuul van het eene naar het andere niveau gaat gepaard met het uitzenden van een γ -straal.

Laten we nu van kort bij een transmutatieproces volgen. Volgens de klassieke mechanica kan een afgeschoten α -deeltje met een veel lagere energie dan de afstootende kring, onmogelijk doordringen tot de eigenlijke bestanddeelen van de kern. Dus is alle transmutatie uitgesloten. Het gaat er echter in de golfmechanica heel anders toe, omdat alles er door de waarschnlijkheidsleer wordt beheerscht. Daar de golf van een α deeltje niet geheel door de afstootingskrachten zal worden opgeslorpt, blijft het toch mogelijk dat ze door den top van Gamow heen zal dringen. Is het α -deeltje eens in de kern beland, dan biedt de transmutatie geen verdere moeilijkheden meer. De kern kan den indringer absoluut niet verteren en stoot een van haar eigen bestandeelen uit, waarmede ontzettende energieën zijn verbonden. Tegelijk wordt het nieuw element geboren. Willen we zulk een transmutatieproces door een scheikundige formule weergeven, dan schrijven we, als een massadeeltje P een kern A in een kern A' omzet: A + P = A', wat eveneens op een volledig behoud van de energie doelt. Ook is duidelijk dat de gezamenlijke massa van A en P gelijk is aan de massa van A'. Nu schijnt dit laatste experimenteel bepaald niet uitgemaakt. Hier komt ons echter de relativiteitstheorie ter hulp, volgens dewelke een massa m equivalent is met een energie mc2, (c zijnde

[p. 268]

de snelheid van het licht). Het verlies aan massa gedurende een stofwisseling client dus terug te worden gezocht in den vorm van energie, straling of snelheid van uitgestooten deeltjes.

Als men weet dat de totale energie, door een mensch in een lang leven ontwikkeld en volgens de relativiteitstheorie in een massa-equivalent omgezet, één milli-gram bedraagt, dan kunnen we ons een zeker denkbeeld vormen van de enorme energie welke vrijkomt door massaverlies.

Zoover de met zekerheid vaststaande feiten. Wij voegen hier een paar woorden aan toe: omtrent sommige hypothesen, die nog onverklaarde experimenteele gegevens trachten te verklaren.

Meermalen constateerde men dat de negatieve electronen, waaruit de β -stralen bestaan, met verschillende snelheden werden uitgestooten. Om dit te verklaren zag Fermi zich genoodzaakt het bestaan van een nieuw corpuscuul, het neutrino of klein neutron, te aanvaarden. Het zou een oneindig kleine massa bezitten in vergelijking met de reeds onbeduidende massa van het electron. Het zou uitsluitend als energiedrager moeten worden beschouwd. Volgens deze onderstelling zou het uitzenden van een β -straal door een kern tevens gepaard gaan met de omzetting van een neutron in een proton binnen in de kern. Het proton blijft in de kern en een electron en een neutrino worden uitgestooten. Het tekort aan energie dat het electron soms vertoont wordt dan door het neutrino weggevoerd, zoodat er dus geen sprake kan zijn van een verlies aan energie, maar wel van een verdeeling der energie tusschen het electron en het neutron.

Omheen dit neutrino hangt nog een mistige atmosfeer. Werd een nieuwe elementaire bouwsteen van de stof ontdekt? Zonder dat het experimenteel bevestigd werd, schijnt het neutrino meer en meer te worden aanvaard. Vooraanstaande physici als Fermi, de Broglie en Thibaud hebben het reeds aangenomen. Maar in hun drang naar vereenvoudiging schijnen de geleerden ook het lichtquantum, het photon, als een laatste bouwsteen te beschouwen. Uit een positief en een negatief neutrino bestaande zou het een verwaarloosbare massa bezitten. Op die wijze verklaart Dirac het corpusculair karakter van het licht. Eindelooze horizonnen lippen open...