Het atoom en de eeuw van ontdekkingen

Onlangs werd er op de BBC televisie een serie lezingen uitgezonden van een professor in de natuurkunde over de wordingsgeschiedenis van het idee van het atoom als het kleinste ondeelbare deeltje van de materie.

Reeds de Grieken hadden dit al voorgesteld, maar dat was in de vergetelheid geraakt.

De 19de eeuw was er een van grote ontdekkingen. Ook had de industriële ontwikkeling in Engeland een grote vlucht genomen. Aan de Manchester Universiteit van technologie zwaaide professor Ernest Rutherford (1871-1937) de scepter. Hij werd daarbij geassisteerd door de Deen Niels Bohr.

Ze waren geheel verschillend van aard. De eerste sterk gericht op experimenteel onderzoek en heel intuïtief, de laatste meer een theoreticus met een wiskundige benadering van de problemen.

Aan het einde van de negentiende eeuw kwam professor Bolzman met het idee van het atoom als kleinste deel van de materie op de proppen. Maar zoals altijd bij nieuwe ideeën ontmoette hij zoveel tegenstand dat hij zich in 1906 verhing. Jammer, want een jaar tevoren had de jonge Albert Einstein onomstotelijke bewezen dat hij het bij het rechte eind had.

Pas later toonde Einstein (1879-1955), proefondervindelijk aan dat atomen bestonden. Hij strooide een aantal heel fijne zaadjes uit in een bak met water en zag tot zijn verbazing dat de deeltjes een dans uitvoerden. Dat kon alleen veroorzaakt zijn doordat de atomen van het water er tegenaan botsten.

Röntgen
De Duitse natuurkundige Wilhelm Röntgen ontdekte een stralingsverschijnsel opgewekt door een stroom te geleiden door een met gas gevulde buis in 1896. Bij gebrek aan een betere naam noemde men de straling X- rays. X staat voor “onbekende” straling.

Het is elektromagnetische energie, die afgegeven wordt door de actie van vrije elektronen op de kringloopelektronen, of de kern van een stof. Het heeft de vorm van golven zoals warmtestraling en licht, maar met kleinere golflengtes.

X-rays en gamma-rays verschillen alleen in hun oorsprong. De eersten komen uit een kathodebuis, terwijl de laatste van radio-isotopen (radioactieve verbindingen) stammen.

De straling heeft een tweeledig karakter: het vertoont zich als een golfverschijnsel, of als energiepakketjes, zogenoemde fotonen.

Bequerel
De Franse natuurkundige Antoine Henri Bequerel experimenteerde in die tijd met Uranium, wat als het aan zonlicht werd blootgesteld, fluoresceerde en een beeld achterliet op een fotografische plaat.

Op een bewolkte dag kon hij dat experiment niet herhalen en borg het uranium samen met de plaat in een kast. Tot zijn verbazing vond hij een afdruk van het uraniumstuk op de plaat. Dus had het uranium van zichzelf een uitstraling.

Curie
Het echtpaar Curie interesseerde zich voor de stralingsverschijnselen van Bequerel en isoleerde uit pekblende een element met veel sterkere stralingsverschijnselen dan uranium, wat ter ere van madame Curie’s vaderland, Polonium werd gedoopt. Later ontdekte ze een element met nog sterkere uitstraling, wat radium werd genoemd.

Rutherford kwam op de gedachte om met radioactiviteit onderzoek naar het atoom te doen. Zo bevestigde hij een haast tot atoom dun uitgeslagen velletje bladgoud over een bronzen plaat en bombardeerde die met Röntgenstralen. Maar ach, niets bijzonders was te zien.

Op een dag liep hij zijn assistent voorbij, die juist uit het laboratorium kwam, en zei tussen neus en lippen door op zijn vraag of er iets te zien was geweest: “weerkaatsing”. Ja, als hij de kern kon raken, dan was dat echt een bewijs dat er zoiets als een atoomkern bestond.

Dagenlang in het donker tuurden de studenten naar het scherm. Pas nadat er 8000 deeltjes op af waren gevuurd, bonsde er een tot grote vreugde van de waarnemers terug. Begrijpelijk natuurlijk als men bedenkt dat een atoom eigenlijk voor het grootste deel uit ruimte bestaat.

Tijdens het programma van de BBC kon men zien hoe de professor een voetbal in zijn arm nam alsof dat de kern van een atoom was, waarvan de buitenkant op een straal van een halve mijl lag.

Hij zei ook dat als men alle ruimte uit zijn lichaam eruit zou pompen, er maar iets ter grootte van een korreltje zout zou overblijven.

In die tijd trachtte men zich nog een beeld van het atoom te vormen. Gedacht werd aan het zonnestelsel. Een centrale kern waaromheen de elektronen als planeten draaiden, ieder in zijn eigen cirkelbaan.

Dat was nog het beeld, dat ons op scheikundeles werd voorgehouden. Toen werd dat beeld nog wat verfijnd doordat men dacht aan een steen in het water, die zich verwijdende rimpels veroorzaakt. Daar was dus een kern en eromheen vibreerden ringen.

Niels Bohr
Niels Bohr, die ondertussen teruggekeerd was naar Denemarken, verzette zich tegen dat beeld. Zoals men weet straalt elke materie zijn eigen spectrum uit. Dat is een specifiek plaatje van kleurbanden waaraan men het materiaal kan herkennen. Hiermee zag hij dat bij afgifte of opname van energie, de elektronen een kwantumsprong maakten.

Bohr dacht toen aan een gebouw van meerdere verdiepingen waarop de elektronen huishielden, terwijl de kern in de parterre verdieping school.

Heisenberg
Dan komt de Duitse geleerde Werner Heisenberg (1901-1976) op het toneel. Hij werkte samen met Bohr. Op een vakantietocht naar Helgoland en zittend op een heuvel daar, moederziel alleen, kwam hij tot de conclusie dat al die beelden van het atoom “hogwash”, onwaar, was. Dat het onmogelijk is zich zoiets als een atoom voor te stellen.

Aan de hand van zijn wiskundige berekeningen, drukte hij toen een atoom van een bepaalde stof uit in een matrix van getallenreeksen.

Daar was dus de nieuwe school met Heisenberg en Niels Bohr aan de ene kant en de oude school, wier meest gevierde proponent een Oostenrijkse natuurkundige was.

De controverse werd beslist ten gunste van de nieuwe school en in 1927 was de “kwantummechanica algemeen aanvaard”. Einstein heeft tot aan zijn dood de kwantumtheorie verworpen.

Achmad Kooiman