Een experiment met grote gevolgen
ZATERDAG 21 JANUARI 1989
EXTRA
PAGINA 29
door Ben Apeldoorn
50 jaar geleden brak een tijdperk
van ver strekkende mogelijkheden
èn met vreselijke consequenties
aan. Grote delen van de hedendaag
se natuur-, schei- en zelfs sterren
kunde zouden ondenkbaar zijn zon
der de kennis die we de laatste halve
eeuw over opbouw en functioneren
van atoomkernen hebben weten te
vergaren.
De oude Grieken, onder anderen Dëmo-
J critus en Lucretius, filosofeerden er al
j over: als je nu een oneindig scherp mes
zou nemen, zou je een stofdeeltje dan on
eindig veel malen kunnen doorsnijden
Nee, dat was te gek eigenlijk; op zeker
ogenblik moest er een deeltje overblij
ven dat niet meer te snijden zou zijn zon
der dat dat deeltje zijn kenmerken van de
stof zou verliezen.
De Grieken duidden dat kleinst moge
lijke deeltje aan door middel van een sa
menvoeging van de uitdrukkingen a-pri-
vativum (kleinst mogelijk) en temno
(snijden): a-tomos, de ondeelbare, waar
uit ons woord 'atoom' ontstond. In die
tijd had men er nog geen flauw idee van
hoe ontzagwekkend klein het voor
werpje, het atoom, van dat gedachtenex-
periment zou blijken te zijn.
In kaart
Vele eeuwen gingen voorbij. Natuur- en
scheikundigen hielden zich onder meer
bezig met het zorgvuldig in kaart bren-
gen van de eigenschappen van de ele
menten die van nature op aarde voorko
men. Het bekendste voorbeeld hiérvan is
wel het zogeheten periodieke systeem
van Mendelejev dat rond 90 elementen
telde, gerangschikt naar atoomgewicht.
Waterstof bleek het lichtst te zijn en
kreeg het atoomnummer 1aan het eind
van de lijst prijkte het element uranium
met het atoomnummer 92.
Met sommige elementen bleek echter
iets vreemds aan de hand te zijn. In 1895
ontdekte Röntgen dat bij hoge spannin
gen optredende elektrische ontladingen
(kunstmatige bliksems) in ijle gassen een
soort straling vrijkwam dat dwars door
ondoorschijnende lichamen bleek te
gaan. Onbekend met hun ware natuur
noemde Röntgen ze 'X-stralen'.
Die merkwaardige stralingsvorm trok
de aandacht van de Franse natuurkundi-
In onderzoekscentra over de gehele
andere manier stilgestaan bij Si Vijftig jaar geleden werd voor het eerst een atoomkern gesplitst
dat de mens er 50 jaar geleden in
slaagde voor het eerst de kern van
een atoom te splitsen. De
Netherlands Nuclear Society
organiseert op 1 februari een
symposium daarover in het Electrum
in Arnhem. Maar wat ging er nu
eigenlijk aan vooraf en hoe was het
mogelijk dat men achter de
geheimen en de krachten kwam die
in het kleinste van het kleinste
verborgen liggen?
ge Antoine Henri Becquerel, die s
kelijk dacht aan fluorescentie (ook wel
luminescentie genoemd), een vorm van
licht anders dan door hitte opgewekt.
Zo kende men bijvoorbeeld al foto-lu
minescentie (door een foton, een licht
deeltje), chemi-luminescentie (door een
chemische reactie) en ook bio-lumines-
centie (bijvoorbeeld bij een vuurvliegje
of glimworm).
Met behulp van een fotografische
(lichtgevoelige) plaat kwam Becquerel er
in 1896 enigszins bij toeval achter dat een
bonk uraniumerts de zorgvuldig in licht
dicht papier verpakte fotografische plaat
bleek te hebben 'belicht'.
De klomp erts lag op een plaat alumini
um waaronder zich de fotografische
plaat bevond. Dit kon niets anders bete
kenen dan dat de straling notabene ook
nog dwars door het aluminium moest
zijn gegaan.
Becquerel noemde deze nieuwe stra
lingsoort 'uraanstralen'; ze moesten
rechtstreeks afkomstig zijn van de urani-
um-atomen, want de straling was onder
alle mogelijke omstandigheden (licht,
donker, heet of koud) onveranderd aan
wezig.
Afgezonderd
Deze opmerkelijke vondst deed de Pool
se scheikundige Maria Sklodowska, die
in 1895 was getrouwd met de Franse na
tuurkundige Pierre Curie en om die re
den dan ook als Marie Curie bekend
werd, besluiten om samen met haar echt
genoot dit vreemde stralingsgedrag
nauwkeurig te gaan onderzoeken.
Spoedig bleek dat ook het element
thorium, dat maar weinig lichter was dan
uranium, dezelfde kenmerken vertoon
de. Het echtpaar besloot te proberen de
'stralingsstof af te zonderen, en het re
sultaat overtrof alle verwachtingen.
Op 18 juli 1898 leidde het speurwerk
tot de ontdekking van het eerste nieuwe
element: polonium, naar het geboorte
land van Maria Sklodowska. Na nog vier
jaren van onafgebroken arbeid slaagden
zij er in uit tonnen uraniumhoudend ge
steente pekblende geheten), afkomstig
uit de mijnen van Sankt-Joachimstal in
Bohemen, zegge en schrijven tien gram
af te zonderen met een tweede nieuw ele
ment: radium genoemd.
De straling die door het radium werd
uitgezonden bleek maar liefst een mil
joen maal sterker te zijn dan dat van ura
niumerts. Er kwam nóg een buitenge
woon belangrijk gegeven naar voren: het
proces.gaat gepaard met een gigantische
warmte-ontwikkeling; miljoenen malen
sterker dan bij de heftigste chemische re
acties zoals bij dynamiet of het later uit
gevonden, veel explosievere TNT (Tri-
Nitro-Toluol).
De Curies kregen voor hun ontdek
king van de radio(=stralings)activiteit in
1903 de Nobelprijs voor natuurkunde.
Meteen na die ontdekking begonnen ge
leerden zich intensief bezig te houden
De eerste proef met het nieuw vervaardigde splijtingswapen, de atoom
bom, vond plaats op 16 juni 1945 in de woestijn van Nieuw-Mexico. De ex
plosiewolk steeg tot een hoogte van bijna 15 kilometer boven het aardop
pervlak en reikte tot in de stratosfeer.
Marie en Pierre Curie in hun laboratorium aan het begin van deze eeuw.
Strassmann (links) en Hahn bekijken de opstelling waarmee ze in januari 1939 er voor het eerst in slaagden een ura
niumkern te splijten.
met het kersverse fenomeen. De meeste
van hen vermoedden dat met het door
gronden van aard en oorsprong van de
radioactiviteit veel, zo niet alles van de
atoomstructuren en de daarin heersende
processen zou kunnen worden onthuld.
Rutherford
De ontdekkingen volgden elkaar in
steeds sneller tempo op, en in die begin
fase zou met name de' Britse fysicus Er-
nest Rutherford van zich doen spreken.
Rutherford kon de radioactieve straling
naar snelheid, lading, energie (golfleng
te) en doordringingsvermogen onderver
delen in drie soorten: de alfa-, beta- en
gammastraling. Uit de resultaten van tal
loze proefnemingen leidde hij af dat na
genoeg alle massa zich in een zeer klein
centraal gedeelte van het atoom, de
atoomkern (of: nucleusmoest bevinden,
dat deze een positieve lading bezat en dat
in een wijde baan daaromheen negatief
geladen elektronen draaiden. De positief
geladen atoomkern werd 'proton' ge
noemd.
Later werd dit atoommodel ingrijpend
verbeterd en uitgebreid door Niels Bohr
(1913), Sommerfeld (1915) en De Broglie
(1927). De ontdekking in 1931 van neu
traal geladen, zeer snelle protonen, die
een geweldig doordringingsvermogen
bleken te hebben, de neutronen, stelde
de geleerden in staat nieuwe gegevens af
te leiden over de structuur van atoom
kernen die in ieder geval uit onderdeel
energie en massa. Wat hij bewees was
kortweg dit: als je een gram materie, het
geeft niet wat, geheel in energie omzet,
krijg je dezelfde hoeveelheid warmte als
bij de verbranding van 2.600 ton steen
kool (de formule luidt: E m.c2. E staat
voor energie wat dus gelijk staat aan de
massa (m) maal de lichtsnelheid (c) in het
kwadraat).
Einstein vond dat de massa een maat is
voor de daarin opgeslagen energie en el
ke verandering in die massa brengt een
zelfde, en in zijn pure vorm kolossale
energieverandering met zich mee.
Op basis van die inmiddels legendari
sche vergelijking werden steeds gretiger,
èn argwanender ogen gericht op de
zwaarste atoomkernen: als we die nu
Schematische voorstelling van de
splitsing van een uraniumkern met
een neutron rechts). Behalve een ba-
rium-kem (links onder) en een kryp-
to-kern komen bij de splitsing ook
nog drie nieuwe neutronen vrij die
op hun beurt weer andere kunnen
splijten. Bij de aldus ontstane ket
tingreactie, die razend snel verloopt,
kan de temperatuur stijgen tot mil
joenen graden waardoor
le vernietigingskracht ontstaat
tjes bleken te zijn opgebouwd: de posi
tief geladen protonen en de (neutrale)
neutronen.
Men was het er verder over eens dat de
radioactiviteit moest worden veroor
zaakt door een zich snel of geleidelijk
voltrekkend proces in de atoomkern zelf.
Gezien de grote diversiteit aan atoomge
wichten en dus aan structuren, stelde
men zich de vraag of het mogelijk zou
zijn de atoomkernen als het ware stuk te
schieten door ze te bombarderen met
snelle deeltjes.
Overigens kwam al in 1919 (alweer)
Rutherford op het idee om atomen te be
stralen met alfa-deeltjes, en het lukte
hem om bij het bestralen van stikstofgas,
waterstof en zuurstof te verkrijgen waar
mee hij in feite een al eeuwenoude
droom van alchemisten deed uitkomen.
Rutherford schiep weliswaar geen
goud, maar zijn verbluffende experimen
ten waren dat edelmetaal wel minstens
waard. Hij was in staat gebleken om met
behulp van het ene element een ander
element te
Einstein
Het begrip kernreactie was een feit. Maar
meer dan een flauwe afspiegeling van de
werkelijke krachten die met name in de
zwaarste atoomkernen (uranium, thori
um, radium) lagen opgeslagen was het
toch niet. Eerder, in 1905, had de toen 26-
jarige Albert Einstein in zijn relativiteits
theorie de relatie aangetoond tussen
eens zo door elkaar zouden kunnen ram
melen dat ze splijten, wat een giganti
sche hoeveelheden energie zouden daar
bij wel niet moeten vrijkomen. Om die
massieve, logge kernen zelfs maar in be
weging te krijgen was echter wel wat
meer nodig dan Rutherfords 'armzalige'
alfa-deeltjes. En dan waren er ook nog
die dichtbevolkte, omvangrijke elektro
nenwolken die de zware kernen als elek
trische pantsers omgaven.
Die eerste barrière werd in 1934 ge
slecht door de Italiaanse natuurkundige
Enrico Fermi; hij was de eerste die de al
genoemde neutronen gebruikte om daar
mee de elektronenwolken rondom zware
atoomkernen te breken. Maar de echte
doorbraak zou pas komen een paar
maanden nadat Fermi voor zijn onder
zoek de Nobelprijs had gekregen.
Bombarderen
Sedert de herfst van 1938 waren Otto
Hahn, hoogleraar scheikunde in Berlijn,
en zijn assistent Fritz Strassmann onaf
gebroken op zoek naar nieuwe chemi
sche elementen. Ze waren vaak dag en
nacht aan het werk en in januari 1939 be
sloten ze uranium met een felle neutro
nenbundel te bombarderen.
Groot is de consternatie als aange
toond wordt dat er na de beschieting ba-
rium-isotopen (iets anders opgebouwde
kernen, maar wel met dezelfde chemi
sche kenmerken als normaal barium)
met het atoomnummer 56 en atomen van
het element krypton, met het atoom
nummer 36, in de testruimte blijken voor
te komen.
Het atoomnummer van uranium is 92,
wat precies de som is van 56 en 36. Er was
maar één conclusie mogelijk: Hahn en
Strassmann waren er voor het eerst in ge
slaagd een uraniumkern te splitsen.
Onmiddellijk daarna werd het experi
ment in Amerika herhaald door John
Dunning, een medewerker van Fermi;
op het scherm van een oscilloscoop
schiet steeds een felgroene flits omhoog
als een uraniumkern gespleten wordt.
Het is het bijna tastbare bewijs dat bij de
splitsing van uraniumkernen enorme
hoeveelheden energie vrijkomen.
Op 2 augustus 1939 schrijft Albert Ein
stein president Roosevelt een brief waar
in hij zijn bezorgdheid uitspreekt over
'dit nieuwe fenomeen dat ongetwijfeld
zal leiden tot de constructie van bommen
met een onvoorstelbare vernietigings
kracht'.
Op 16 juni 1945 lijkt in de woestijn van
Nieuw-Mexico de hel losgebroken, met
dit verschil dat een groep mensen vol
verwachting toekijkt hoe dat gebeurt. Ze
zijn voorzien van brillen met zwarte gla
zen en hebben hun gezicht en armen met
zonnebrandcrème ingesmeerd. Het me
rendeel van hen bevindt zich in een be
tonnen bunker, enkelen zijn manmoedig
buiten blijven staan, dat 'ding' staat im
mers kilometers weg.
Paddestoel
Op het tijdstip 'nul' wordt een knop inge
drukt. Zelfs achter hun extra donkere
brillen knijpen de toeschouwers hun
ogen stijf dicht; op de plaats waarop ze
hun blik hadden gericht verschijnt in
eens de zon, maar nu met een allesver-
zengende intensiteit. Een paar seconden
later worden hun gehoorvliezen bijna
verscheurd door een oorverdovend ge
brul, de mannen buiten krimpen ineen
en worden tegen de grond gesmakt; ze
rollen om en om in een wild kolkende
stofzee.
Als het licht is verflauwd en het gedon
der wat draaglijker is geworden, openen
de meeste de ogen zich weer. Monden
vallen open; een reusachtige veelkleuri
ge wolk, staande op een even monstrueu
ze wolkenpilaar, kolkt omhoog, zich
steeds uitbreidend en almaar stijgend.
"Goeie God", fluistert iemand, "dat ding
is net een paddestoel"
