Streven. Jaargang 13

[p. 37]

Wetenschappelijke kroniek
De atoomsplitsende bom
door P. Goedertier S.J.

Het eerste gebruik van de atoombom heeft een grooten weerklank gevonden in de wereld. Wij staan voor een verschijnsel naar onzen zin zeldzaam in de geschiedenis van het menschdom, namelijk voor een gebeurtenis die bij iedereen een zeker aantal levensproblemen oproept, niet alléén problemen van wetenschappelijken, maar niet minder van economischen, politieken, socialen en moreelen aard. Hoewel de mensch, en met grond, den geweldigen vooruitgang vermoedt, op wetenschappelijk en dus ook op cultureel gebied gemaakt, toch voelt hij zich als overweldigd door een bitter gevoel van angst tegenover het verstoorde evenwicht in de menschelijke waarden.

De nieuwe ontdekking grijpt in in het leven van iederen mensch; de belangstelling en de angst die de gemoederen bemeestert en in beroering brengt is slechts het teeken van een gezonden menschelijken geest, bewust van zijn recht en van zijn verantwoordelijkheid.

Zoo werden wij ertoe gebracht hier een aspect van de ontdekking te behandelen, en wel het aspect dat zich logisch eerst opdringt: het wetenschappelijk aspect waarvan tenslotte de andere toch afhankelijk zijn.

Wij stellen ons voor, enkele vragen te behandelen met betrekking tot de atoombom, eerder dan een beschrijving te geven van deze laatste zelf. Vooreerst, wijl het militair geheim dat het nieuwe wapen beschermt, maakt dat onze beweringen niet meer dan verstandshypothesen zouden zijn, zonder grond en zonder eenige mogelijke confrontatie met geautoriseerde documenten of eigen ervaring, en vooral, omdat het wetenschappelijk aspect de bijzondere toepassing of gelegenheid die de ontdekking teweegbracht ver overtreft.

Welke physische gronden, welke physische theorieën hebben den natuurkundige tot de ontdekking en het in gebruik stellen van de kernenergie gevoerd? Waarvandaan komt die ontzettende energie?

Een zeker aantal verschijnselen, zooals het photoelectrisch effect, de radioactiviteit en de thermo-ionische emissie van negatieve stofdeeltjes door een negatief geladen materiaal in aanwezigheid van een positief geladen metaal, wijzen erop dat ieder atoom electronen bevat. Daar deze electronen een negatieve lading dragen en slechts een geringe massa bezitten (het electron van het Waterstof-atoom weegt slechts 1/1835 van heel het atoom), moet daarnaast in het atoom nog iets aanwezig zijn dat een positieve lading draagt, en iets dat de atoommassa uitmaakt. De Engelsche natuurkundige Rutherford wist in 1912 door zijn experimenteele dispersiewet vast te stellen dat de geheele positieve lading en bijna de geheele massa voorkomen onder den vorm van een uiterst kleine kern; om die kern héén echter zweeft de naar verhouding veel uitgebreider wolk van zeer kleine, zeer lichte, electrisch-negatief geladen deeltjes, de zoogenaamde buitenste electronen.

De eerste proeven van Rutherford hebben dus als vanzelf de studie van de atoomstructuur ingedeeld in twee gebieden, die zich nogal onafhankelijk van elkaar hebben ontwikkeld. Tot in de jaren circa 1925 beperkte men hoofdzakelijk de onderzoekingen tot de electronenwolk; deze kon men inderdaad verantwoordelijk stellen voor allerlei eigenschappen van het atoom, zooals bijvoorbeeld het vormen van chemische verbindingen van atomen onderling. Op de vraag naar de rangschikking en de gedraging der electronen om de kern heen, werd een

[p. 38]

antwoord gegeven door de Deensche geleerde Niels Bohr, later nog vervolledigd door de principes van de Quanten- en Golfmechanica van Planck, Schrödinger, Heisenberg, de Broglie en Dirac. Nog later verschoof het brandpunt van het onderzoek meer en meer naar de atoomkern zelf. Dit veel verder reikend onderzoek werd vooral voortgezet in Engeland door Chadwick, Cockcroft, Walton en Blackett, alle leerlingen van Rutherford, die zelf de stichter van de Kernphysica mag heeten.

Het vervaardigen van de atoombom heeft die laatste studies in het voorplan van de wereldbelangstelling gebracht.

Onrechtstreeks slaagde men er in iets te weten te komen over de kernstructuur, door een theoretische verklaring te zoeken voor de kernmassa, waarover men vrij volledige gegevens bezit.

Indien men al de elementen rangschikt volgens toenemende kernlading of aantal buitenste electronen, dan ziet men, dat in de zoo ontstane rij van elementen het kerngewicht veel sneller toeneemt dan de kernlading, zoodat bij Waterstof, het eerste element, lading en gewicht gelijk aan één zijn, bij Uranium, het laatste element, de lading 92, het gewicht echter 238 is. Men kan dus niet eenvoudig zeggen dat met elke positieve ladingséénheid in den kern één, en één enkel, zwaar deeltje overeenstemt. Om die overmaat van positieve lading in den kern te verklaren, was men dan ook gedwongen in den kern naast de positief geladen zware deeltjes of protonen, ook nog negatief geladen lichte deeltjes of electronen, ditmaal echter kernelectronen te stellen. Als voorbeeld hiervan geven wij Helium aan, waar de kern 4 protonen bevat en 2 electronen, zoodat het kerngewicht 4 is, de kernlading echter 2, wat soms wordt weergegeven door het symbool .

Metéén was ook opgehelderd dat tamelijk veel atoomgewichten met hooge benadering geheele getallen waren. Vandaar het vermoeden dat de gebroken atoomgewichten bij andere elementen konden verklaard worden door het feit, dat deze elementen uit een mengsel van atomen met verschillende atoomgewichten of aantal protonen, maar met zelfde lading of aantal buitenste electronen, waardoor ze dezelfde chemische eigenschappen vertoonden en dus dezelfde benaming verdienden. Dit vermoeden werd echter weldra een zekerheid, wanneer het bestaan van die zoogenaamde isotopen (ἴσος τόπος) experimenteel werd bewezen en wel langs dubbelen weg, de radioactiviteit en de kanaalstraalanalyse met massaspectrograaf door Aston. Zoo kent men bijvoorbeeld twee verschillende Waterstofatomen:

waarvan de kern één proton bevat of Deuterium waarvan de kern twee protonen en één kernelectron bevat: Zelfs mag men het bestaan van een derde Waterstofatoom veronderstellen.

Daarmee is nochtans de vraag naar het atoomgewicht niet volledig opgelost. Want, zelfs bij nauwkeurige meting, kunnen de atoomgewichten der afzonderlijke isotopen toch nog niet precies door geheele getallen worden voorgesteld. Tusschen het theoretisch voorzien en het experimenteel gemeten gewicht van een bepaalde isotope is steeds een verschil, het zoogenaamd massadefect, op te sporen. Einstein wist daaromtrent in 1905 een theoretisch principe te veralgemeenen, dat Sir J.J. Thomson vroeger voor een bijzonder geval had vooropgesteld: bevat een systeem de energie E, dan brengt dit een zekere massa van het systeem mee, ter waarde E/c² (waar c de voortplantingssnelheid is van het licht). Dit principe wordt dan ook weleens genoemd het equivalentieprincipe van energie en massa. Laat ons hier nochtans niet te vlug den weg inslaan van een bekoorlijke interpretatie: materie en energie is één en hetzelfde. Daarenboven is die massatoename gewoonlijk heelemaal te verwaarloozen; Sir James Jeans heeft bijvoorbeeld berekend, dat de energie voortgebracht door de drijvende kracht van een transatlantische schip van 50.000 ton met een snelheid van 25 mijlen, 28/1000 mg. weegt. Dit echter kan men wel zeggen: in bepaalde uiterste gevallen brengt energie een zekere massatoename mede.

[p. 39]

Nu wij een globaalidee hebben over de kernstructuur en over het relativiteitsprincipe van Einstein, laten we even denken hoe de genoemde elementen zulk een structuur kunnen uitmaken. Bij de vereeniging der bestanddeelen tot één kern gaat een zekere potentieele energie verloren, de zoogenaamde bindingsenergie. Daarmee gaat volgens de relativiteitscorrectie van Einstein een zekere massa verlies gepaard, met andere woorden de kern in zijn geheel genomen moet een kleiner gewicht hebben dan de som der gewichten van de constitueerende elementen. En dit kan als verklaring gelden voor het massadefect.

De quantumtheoretische berekening van de bindingsenergie, voortgebracht door aantrekking, rotatie en trilling, levert trouwens uitslagen op die goed overeenkomen met het experimenteel gemeten massadefect.

Indien de zaken zoo staan, dan biedt het experimenteel massadefect, daar waar het gemeten kan worden, een mogelijkheid om de bindingsenergie te berekenen. Die bindingsenergie is enorm; een enkel voorbeeld voor één der eerste elementen van de reeks zal er ons een idee van geven; het massadefect van het Helium-atoom is 4 × 1,00813 - 4,00389 = 0,02863, wat overeenkomt met een energie van 27 × 10⁶ volt. Dit beteekent, dat een deeltje met lading één, moet versneld worden met een veld, verwekt door een potentiaalverschil van 27 millioen volt, opdat met de zoo verworvene energie kans zou ontstaan de He-kern te verbrijzelen.

Die ontzettende bindingsenergie is een potentieele energie, dit is een gebonden energie die geen arbeid actueel verricht, gelijk de energie bijvoorbeeld van een gespannen boog. Soms echter wordt die potentieele energie omgezet in een arbeidverrichtende of kinetische energie.

En dit gebeurt eerst bij de spontane kerndesintegratie. Bij sommige elementen, de zoogenaamde radioactieve elementen, blijken de kernen bestanddeelen uit te stralen met enorme kinetische energie. Genoemde elementen zenden, spontaan en onafhankelijk van uitwendige invloeden, stralen uit, die zich hoofdzakelijk door ioniseerende werking laten ontdekken. Bij nader onderzoek kan men drie soorten stralen onderscheiden: α-stralen bestaande uit He-kernen, β-stralen bestaande uit kernelectronen en γ-stralen of electro-magnetische stralen, die dus slechts door hun frequentie verschillen van licht- en radiogolven. Nu is het duidelijk, dat een kern die een α-deeltje of He-kern uitzendt, hierbij van aard verandert, aangezien zulk een deeltje een massa van vier éénheden (het atoomgewicht van Helium) en een positieve lading van twee éénheden (de kernlading van Helium) uit de betrokken kern meeneemt. Om soortgelijke redenen wordt bij het uitzenden van een β-deeltje de kernlading met één éénheid vermeerderd, terwijl de massa daarbij niet merkbaar verandert. Met de wijziging van kernlading gaan nu veranderingen in den chemischen aard der betrokken atoom gepaard. Met andere woorden wordt door α- of β-emissie een radioactief element naar een andere kolom van het periodiek systeem verschoven, en wel in het eerste geval twee plaatsen naar links, in het tweede geval één plaats naar rechts, telkens naar een element toe met mindere bindingsenergie, zoodat bij iedere verschuiving de overmaat van potentieele bindingsenergie vrij komt in den vorm van kinetische energie van α- of β-deeltjes. Die groote stralende energie wordt gewoonlijk in de therapeutiek Radioactiviteit genoemd. Zij wordt ook gebruikt als energiebron voor kunstmatige transmutatie, waarover straks. Die energie kon nochtans totnogtoe niet bemeesterd worden, en naar algemeene opinie ligt hier niet het geheim der atoombom.

Een vijftiental jaren na de ontdekking van de spontane desintegratie der labiele radioactieve kernen, slaagde de groote Engelsche natuurkundige Lord Rutherford erin, door beschieting met verschillende soorten van atomaire projectielen, zelf oorspronkelijk van radioactieve uitstraling, kunstmatig, lichte stabiele kernen te verbrijzelen met als gevolg groote energiestraling.

Om de kern aan het lijf te komen moet men het electrostatisch veld aan de rand van de kern overwinnen. Om tot een concrete idee te komen van wat hierbij vereischt wordt, stellen wij bijvoorbeeld een Stikstofkern (N) met lading gelijk

[p. 40]

aan 7 elementaire ladingen, en straal van de orde van 10^-12 cm. Dan veroorzaakt die lading op den rand van de kern een potentiaal e.s.e. = 0,98 millioen volt, dus vrijwel één millioen volt. Met een dergelijke spanning moeten dus de projectielen versneld worden, wil men dat zij den kern bereiken. De beschieting van het N-atoom moest gebeuren met snelle en tamelijk zware projectielen, opdat hun kinetische energie mv² aanzienlijk genoeg zou zijn. Rutherford en zijn medewerker Sir James Chadwick gebruikten daartoe de α-stralen of He-kernen van radioactieven oorsprong, waarvan de snelheid nagenoeg 20.000 km/sec bedraagt en het gewicht dat van 4 protonen. Bij deze reactie blijft het α-deeltje in den kern steken, en wordt één proton met groote kinetische energie uit den kern weggeslingerd; tevens wordt het element N getransmuteerd in een Zuurstof-isotope volgens de vergelijking:

Uit de bovengaande beschouwing volgt dat men bij lichtere elementen, waar Z kleiner is, reeds met langzamer projectielen kans op transmutatie krijgt. Het is inderdaad eerst in 1932 aan Cockcroft en Walton gelukt, ook op Litium, met behulp van protonenstralen uit een gewone ontladingsbuis met nog geen 700.000 volt geëxciteerd, transmutatie te bewerken met energiestraling van 2 He-kernen volgens de vergelijking:

Botst nu zulk een proton recht op een Lithium-kern, dan ontstaat er gedurende een ondeelbaar oogenblik een nieuw, echter instabiel deeltje, dat direct weer in twee He-kernen explodeert, die met buitengewoon groote en tegengestelde snelheden uit elkaar vliegen. Een nauwkeurige schatting der massa's van alle bij deze reactie betrokken deeltjes leert ons nu, dat de som der massa's van de beide gevormde, vrij voortbewegende He-kernen, iets kleiner is dan de som der massa's van proton en Lithium-kern samen. Het massaoverschot is echter geenszins tot niets opgelost. Integendeel, dit massaoverschot was inderdaad de massa van de potentieele bindingsenergie, nu omgezet in kinetische energie der uiteenstuivende kernen. Het is ten slotte dus ten koste van de verdwijning van de materie dat deze hun enorme snelheid verkrijgen.

Die energiewinst per reageerend atoom is weliswaar gering; nochtans, wegens het enorm aantal atomen daarbij aanwezig, wordt zij aanzienlijk bij een gegeven hoeveelheid, hoe gering ook, reageerende materie. De theorie toont aan dat zulk een reactie uitgevoerd op 7 gram Lithium en 1 gram Waterstof een energie zou leveren van 500.000 KW.U., een energie voldoende om een 100 PK. motor, dag en nacht, gedurende acht jaar, te drijven.

Maar hierbij bleef men niet staan. Het bleek inderdaad weldra, dat de twee soorten vermelde atomaire projectielen, protonen en α-deeltjes, niet in staat waren om kernen te verbrijzelen, zwaarder dan Stikstof. Bij een aantal transmutatieprocessen van lichte elementen, zooals Lithium en Beryllium, verricht in 1930 door twee Amerikaansche natuurkundigen, Bothe en Becker, werd een nieuwe straling ontdekt, die geen ionisatie op haar baan teweegbracht. Dit deeltje, dat dezelfde massa bezit als het proton, echter ongeladen is, werd dan ook neutron genoemd. Chadwick wist in 1932 die deeltjes te gebruiken voor de desintegratie van zwaarder elementen, zooals Goud. Hun merkwaardigste eigenschap was inderdaad hun groote doeltreffendheid als kerndesintegratieprojec-

[p. 41]

tielen. Chadwick gaf als verklaring hiervan: de afwezigheid van electrische lading, waardoor het deeltje in staat is de gevoelige kerndeelen te bereiken, zonder tegengehouden te worden door de potentiaal-barreelen die hen omringen.

Pas in 't begin van 1939 ging de wetenschap nog een stap verder. Hahn en Strassman, in Duitschland, vonden dat het Uranium-atoom, beschoten met neutronen, niet alléén getransmuteerd werd, maar gesplitst in twee min of meer gelijke deelen. Daarbij werd de potentieele bindingsenergie omgezet in de geweldige kinetische energie van 200 millioen volt. Daar het neutron zelf een energie bezit van 1/3 volt, is het dus bekwaam, telkens als het een Ur-kern splitst, een energie vrij te maken 600 millioen grooter dan degene die het zelf bezit.

Maar daar bleef het niet bij. Indien het echter mogelijk was, het proces zoo te leiden dat de nieuw gevormde deeltjes op hun beurt weer een kernreactie zouden kunnen uitvoeren, zoodat opnieuw zulke deeltjes ontstaan, dan zou de nieuw vrijgemaakte energie de aangewende nog meer overtreffen. Welnu, in hetzelfde jaar 1939, vond Gant te Cambridge dat een bepaalde Uranium-isotope, Ur ₂₃₅, het karakter van zulk een lawine vertoont. Telkens, als een neutron een Ur ₂₃₅-kern bereikt, gebeurt er splitsing in twee deeltjes met geweldige stralingsenergie, en tevens uitzending van vier nieuwe neutronen, die op hun beurt vier Ur ₂₃₅-kernen kunnen splitsen, en zoo voort, totdat heel de aanwezige massa gesplitst is. Een eenvoudige berekening toont aan, dat om een massa van 500 gr. Uranium te laten reageeren - wat aangegeven werd als gewicht van de ontploffingstof der atoombom - slechts 41 achtereenvolgende atomaire reacties vereischt zijn, wat, gezien de snelheid van deze reactie, nog oogenblikkelijk mag heeten.

Ofschoon daarover niets uit bevoegde bron werd bevestigd, mag deze splitsende actie van neutronen op Ur ₂₃₅-kernen zoo goed als zeker worden aangenomen als grondreactie van de atoombom^1.. Al weten wij trouwens daarmee wat er in een atoombom gebeurt, wij weten nochtans nog niet hoe het gebeurt. Het geheim der atoombom blijft heelemaal onopgehelderd. Het starten van zulk een kernreactie laat moeilijkheden oprijzen, waarvan wij de oplossing niet in het minst vermoeden.

En wel vooreerst: hoe is men er in geslaagd de Ur ₂₃₅-isotope te isoleeren? Uranium komt voor als mengsel van ten minste vier variëteiten, waarvan één enkele de lawine-eigenschap vertoont. Die vereischte Uranium-isotope komt slechts in heel geringe hoeveelheid voor in Uraniumzouten, slechts 0,1% volgens het Year Book van de United States Bureau of Mines, uitgave 1941. De aanwezigheid van de andere variëteiten breekt de ketting. Nu is het isoleeren van isotopen een heel moeilijk iets. Van nature uit komen de chemische methodes niet in aanmerking, daar alle isotopen scheikundig zich identisch gedragen. Physische methodes, steunend op het massaverschil van innig gemengde atomen, zijn heel traag en moeilijk door te voeren. Voor den oorlog, had men isotopisch isoleeren verwezenlijkt voor sommige elementen, maar slechts in micro-hoeveelheden. Hier kan men dus vermoeden dat een groot deel van het werk verricht in Amerika, besteed werd aan het isoleeren van groote hoeveelheden der vereischte Ur ₂₃₅-isotope.

Wat de neutronen betreft, is de zaak vermoedelijk gemakkelijker. De aangewende bron is Zwaar-Waterstof of Deuterium, zelf uit zwaar-water verkregen; dit laatste wordt industrieel voorbereid door electrolyse van gewoon water.

1. Het is trouwens opvallend dat juist Sir James Chadwick, professor aan de Universiteit van Liverpool, Nobelprijs, die eerst neutronen wist te gebruiken als desintegratieprojectielen, een zeer voorname rol speelde in het tot stand brengen der atoombom.
Naast hem staan onder meer ook Prof. J.D. Cockcroft van Cambridge; Sir Charles Darwin, bestuurder van het 'National Physical Laboratory' te Cambridge; Dr E.O. Lawrence, van California University U.S.A., Nobelprijs, beroemd om zijn cyclotron van 225 ton om de projectielen te versnellen; de Deensche theoreticus Niels Bohr, Nobelprijs. De voorzitter van die groep scientisten is Sir George Thomson van Aberdeen.

[p. 42]

In verband hiermee, krijgt thans een gebeurtenis van den oorlog een bijzondere beteekenis, namelijk de geallieerde luchtaanvallen in 1942-43 op de Zwaar-Waterstoffabrieken in Noorwegen, alsook de sabotagedaden die er werden uitgevoerd.

Het isoleeren van de Ur ₂₃₅-isotope was echter alléén een voorbereidend werk; daarmee is de kernreactie nog geen voldongen feit. Vermoedelijk rezen nog vele moeilijkheden op betreffende de kernreactie zelf, namelijk het starten van de reactie op het gewenschte oogenblik, onafhankelijk van locale en tijdelijke physische voorwaarden. Gezien het gevaar dat de vreeselijke reactie, door totnogtoe onopgespoorde stralingen of dergelijke onbekende factoren, of ook door een altijd mogelijk-begane fout in de voorafgaande berekeningen, elk oogenblik kon plaatsgrijpen, meenen wij dat de natuurkundigen en de technici die de atoombom zelf hebben samengesteld en deel hebben genomen aan de eerste proeven, ook blijk gaven van heldhaftige zelfvergetelheid.

Al deze moeilijkheden behooren stellig tot het gebied van de techniek, maar dan van een zeer hooge techniek, van een techniek die een diepe en zuiver wetenschappelijke kennis veronderstelt.

Wat is nu de uitwerking van de atoombom? Het is duidelijk dat de zeer groote en zeer korttijdige kinetische energie der loskomende kerndeeltjes, een hevige warmte en luchtdruk teweegbrengt, die aanleiding geven tot een luchtverplaatsing, welke het karakter vertoont van een geweldige explosie. Alléén echter de Uranium-atomen worden gesplitst. De schade voortgebracht in de onmiddellijke omgeving is niet het gevolg van een desintegratie, wel echter van de explosie, en vooral van de temperatuurtoename der aarde; deze wordt waarschijnlijk tot smelthitte en zelfs tot verdampingshitte gebracht, juist zooals metalen op de zonsoppervlakte in damptoestand bestaan. Vermoedelijk is de algeheele vernieling in de niet-onmiddellijke buurt toe te schrijven aan de luchtdruk, wiens hevigheid zoo groot moet zijn dat alle materie tot een dun stofgruis wordt verpulverd, wat een heel aannemelijke verklaring oplevert voor de dichte wolk die boven Hiroshuma bleef zweven.

Hiermede hebben wij in eenvoudige taal uiteengezet wat de niet-ingewijde natuurkundige thans weet omtrent de nieuwe energie-bron. Het is weinig en het is veel. Weinig, omdat - zooals wij boven aanstipten - het geheim van het oorlogstuig zelf in zijn geheel een geheim blijft. Veel, omdat het ons een, alhoewel nog onbepaald, toch tamelijk zeker idee geeft van de draagwijdte der nieuwe ontdekking. President Truman zei, toen hij voor hot eerst het gebruik van het oorlogswapen bekendmaakte, dat die nieuwe ontdekking de grondenergie van het Heelal kon breidelen. Wij meenen dat deze woorden werden uitgesproken op het gezag van de groote theoretici die het nieuwe wapen hebben uitgevonden; wanneer men ze begrijpt in dien zin, dat alle bestaande vormen van energie tenslotte een uitwerksel zijn van kernreacties, dan staan wij hier voor een typische realisatie van die heerlijke maar tevens schrikwekkende menschelijke taak: de verovering der materie door den geest.