Je leest:

Dubbelmagisch nikkel

Dubbelmagisch nikkel

Auteurs: en | 30 maart 1999

Het heelal doorgronden is een eeuwenoude droom die de mens heeft leren omhoog kijken, eerst met het blote oog, later met telescopen en ruimtesondes. Het antwoord op het grote ligt deels besloten in de vraag naar het kleine: de scheikundige elementen op aarde ontstonden ooit in de sterren. Inzicht in de eigenschappen van exotische atoomkernen werpt zijn licht op de ontstaansgeschiedenis van het heelal.

Waar halen sterren hun energie vandaan? Hoe ontstonden de chemische elementen waaruit alles hier op Aarde is opgebouwd? Twee belangrijke kosmologische vragen waarvan het antwoord in de kernfysica ligt. Sterren zijn kernreactoren. Vrijwel alle chemische elementen zijn ontstaan in sterren; in sudderende smeltkroezen of juist in exploderende supernova’s.

Volgens de huidige theorie van de nucleosynthese vindt de productie van de zwaardere elementen tot aan ijzer uitsluitend plaats in sterren die veel heter zijn dan de Zon. In de kern van sterren met een massa groter dan tienmaal die van de Zon kan dat proces doorgaan totdat de kern vrijwel helemaal uit ijzer bestaat. Op dat moment stopt de fusie, waardoor de ster onder zijn eigen zwaartekracht ineenstort en vervolgens explodeert. Tijdens zo’n explosie (een supernova) worden de elementen zwaarder dan ijzer gevormd.

Nucleosynthese, zo wordt de stellaire assemblage van atoomkernen genoemd, de Genesis der elementen. De ruwe krijtlijnen van de nucleosynthese zijn gekend, maar waar de precieze paden lopen van het lichte waterstof tot aan het zware uraan, hoe precies en in welke stellaire omgeving deze alchemie plaatsgrijpt – dat is een groot raadsel. Hier op Aarde vinden we slechts de as – nee, de Aarde is de as van hemelse (of helse?) vuurstormen van miljarden jaren geleden. De mens, zo beschouwd, is letterlijk slechts sterrenas. Een schat aan informatie ligt besloten in de ongeveer driehonderd soorten stabiele atoomkernen hier op Aarde, en in hun verhouding: meer ijzer dan goud, meer zuurstof dan neon. De verhouding waarin de chemische elementen voorkomen is de Steen van Rosetta van de nucleosynthese. Die steen laat zich niet ontcijferen met slechts driehonderd stabiele kernen. De code ligt besloten in de zesduizend instabiele kernen die volgens de kernfysica kúnnen bestaan, maar waarvan we er slechts tweeduizend hebben geobserveerd. Exotische kernen, zo noemen we ze, omdat ze hier niet voorkomen, maar ook en vooral omdat ze vaak zulke onverwachte eigenschappen tentoonspreiden. Genoeg hemels theater. Terug naar Aarde, met twee voeten op de grond. We hebben het over productie van en onderzoek naar exotische kernen. Het is een actueel onderzoeksgebied in de kernfysica, en wel om twee redenen. Ten eerste willen we de theorie over de atoomkern verfijnen. Het is een ingewikkelde theorie. De kern kan bestaan dankzij het samenspel van liefst drie fundamentele natuurkrachten, de elektromagnetische kracht en de zwakke en sterke wisselwerking. Wat we nu doen is extrapoleren vanuit stabiele, op Aarde voorkomende atoomkernen naar de onbekende terreinen van kortlevende, radioactieve kernen. Extrapoleren is niet zonder risico. Je kunt het landschap van de Verenigde Staten niet afleiden uit het dal van de Grand Canyon. Ten tweede weten we dat de synthese van nieuwe atoomkernen geschiedt in heksenketels van brandende sterren. Tijdens de nucleosynthese ontstaat een hele verzameling exotische kernen, die radioactief vervallen tot stabiele. Willen we de exotische kernen begrijpen, dan moeten we ze zélf maken. Dan moeten we de stellaire heksenketel nabootsen, in een onderzoekslab hier op Aarde.

Atoomkernen

De atoomkern, de harde pit in het centrum van het atoom, is opgebouwd uit protonen en neutronen. Neutronen zijn elektrisch neutraal, protonen hebben een positieve lading. Het aantal protonen, aangeduid met het atoomnummer Z, bepaalt de lading van de atoomkern. Om de kern cirkelen de negatief geladen elektronen. Omdat een normaal atoom elektrisch neutraal is, is het aantal elektronen gelijk aan het aantal protonen. Het zijn de elektronen die de chemische eigenschappen van het atoom bepalen. Een chemisch element ontleent zijn identiteit dan ook aan het atoomnummer: nikkel is nikkel omdat het atoomnummer Z = 28 heeft en dus 28 elektronen om zijn kern heeft cirkelen. Protonen en neutronen zijn vrijwel even zwaar (ongeveer 1,7·10-27 kg), en beide zijn veel zwaarder dan elektronen. De massa van het atoom zit vrijwel geheel in de atoomkern, en kun je ruwweg bepalen door het aantal neutronen en protonen op te tellen: dat geeft je het massagetal. Dezelfde chemische elementen kunnen een verschillend massagetal hebben omdat het aantal neutronen niet altijd hetzelfde is. Een stuk nikkel bestaat voor 68% uit atomen 58Ni. Deze nikkelatomen hebben 28 protonen en 30 neutronen, en daarmee een massagetal van 58. 26% van de nikkelatomen is echter 60Ni, dat 32 neutronen heeft. Het restant zijn kleine hoeveelheden 61Ni, 62Ni en 64Ni. De verschillende varianten heten isotopen. Hun massaverschil heeft echter geen invloed op de chemische eigenschappen: nikkel is nikkel. De exacte massa van bijvoorbeeld een atoom 58Ni kun je niet bepalen door domweg 28 proton- en 30 neutronmassa’s bij elkaar op te tellen. Dan zit je te hoog. Dat komt doordat de protonen en neutronen zeer sterk aan elkaar gebonden zijn. Dit levert een grote, negatieve bindingsenergie. Die energie zorgt er via Einsteins relatie E = mc2 voor dat de echte massa van58Ni iets lager is. 28 protonen en 30 neutronen wegen samen 9,71·10-26 kg, terwijl een atoom 58Ni slechts 9,62·10-26 kg weegt. Dat verschil lijkt klein, maar in feite gaat het om buitengewoon grote hoeveelheden energie. Een normaal huishouden kan met de energie in de atoomkernen van een gram nikkel tientallen jaren vooruit.

Nucleosynthese

Een uitvergroting van de kernenkaart in de buurt van 78Ni.

In deze afbeelding vangt een kern 77Ni een neutron in. Het aantal neutronen gaat van 49 naar 50, terwijl het aantal protonen gelijk blijft. Het massagetal gaat van 77 naar 78. Het gevolg van de neutronvangst is dat de kern in de kaart een stapje naar rechts opschuift. Het zo ontstane 78Ni is radioactief en vervalt

Een van de neutronen gaat over in een proton. De kern krijgt zo een proton meer en een neutron minder, zodat het massagetal hetzelfde blijft.

De chemische elementen werden en worden aangemaakt in sterren, uit bouwmateriaal dat stamt van de oerknal. Het ontstaansproces van de atoomkernen heet nucleosynthese (letterlijk: het maken van kernen). Nucleosynthese kan op verschillende manieren plaatsvinden. Twee van dergelijke processen zijn in de kernenkaart aangegeven. Het s-proces (s van slow neutron capture) vindt plaats door kernen die neutronen invangen. Op de kaart begint het s-proces bij krypton, helemaal links. De kryptonkern vangt een neutron in, zodat je in de kaart een stapje naar rechts gaat. Krypton blijft echter krypton, omdat het aantal protonen niet verandert. Het invangen van neutronen gaat door totdat er een isotoop ontstaat die instabiel is en radioactief vervalt. Het verval is bètaverval: een neutron verandert in een proton en zendt een elektron en een antineutrino uit. In de kaart betekent dat een stapje naar links en naar boven (een proton meer, een neutron minder). Komt het proces terug bij de stabiliteitslijn, dan gaat het invangen van neutronen weer verder. Het r-proces bevindt zich daarentegen ver onder de stabiliteitslijn. Het treedt op in exploderende sterren, waar de dichtheid van rondvliegende neutronen zeer hoog is. Het invangen van neutronen gaat hier zó snel dat de instabiele kern geen tijd heeft om te vervallen voordat ze een volgend neutron invangt. De ‘r’ staat dan ook voor rapid neutron capture. Het bijzondere van het r-proces is dat het bij een magische kern een tijdje in de wachtkamer komt: op de kaart bij 50 en 82 neutronen. Die kernen zijn extra stabiel, zodat ze geen extra neutron invangen maar terug in de richting van de stabiliteitslijn vervallen. Het verticale pad dat de materie zo aflegt, heet de wachtlijn.

Magisch

Een paar jaar geleden wisten onderzoekers van het zware-ionenversnellersinstituut GSI in Duitsland voor het eerst 78Ni te produceren (nee, niet “78-nikkel” maar “nikkel-78”). Ze telden gedurende vijf dagen onderzoek op de kop af drie van zulke 78Ni-kernen. We weten bitter weinig van die kern. Sinds de Duitsers tot drie telden, weten we dat ze bestaat, maar dat was eigenlijk geen verrassing. Nikkel-78 is een dubbelmagische kern. Ze bevat 28 protonen en 50 neutronen, en beide aantallen zijn magische getallen in de kernfysica. Een magisch aantal kerndeeltjes verleent een atoomkern extra stabiliteit. Dat verklaart de drukte om nikkel-78: het is magisch in zijn aantal protonen én in zijn aantal neutronen. Juist magische kernen kunnen vanwege hun bijzondere eigenschappen een sleutelrol spelen in het aanscherpen van de theorieën van kernfysica en nucleosynthese. Om kernen te onderzoeken moet je ze eerst maken. We kunnen exotische kernen zoals nikkel-78 produceren met bijvoorbeeld een kernsplijtingsreactie. Door een folie van een isotoop van uraan (238U) te bombarderen met neutronen of protonen, laat je de uraankernen uit elkaar spatten. In de brokstukken bevinden zich enkele nikkel-78-kernen. Het grote probleem bij deze kernreacties is dat er ook andere kernen ontstaan. Honderden andere kernen, in hoeveelheden die tot een miljard keer groter zijn dan de hoeveelheid nikkel-78. Dat is lastig, maar het wordt nog erger. Nikkel-78 bestaat namelijk maar gedurende eentiende seconde. Dan vervalt het. Nikkel-78 is een kortstondige speld in een hooiberg ter grootte van de Mount Everest. Inspanningen in het verleden om de nikkelisotopen te bestuderen leidden tot een nikkelisotoop met massagetal 69: 69Ni. Die heeft slechts vijf neutronen meer dan de zwaarste stabiele nikkelisotoop 64Ni, en is negen neutronen verwijderd van de heilige graal 78Ni. De opdracht is eenvoudig in zijn formulering: ontwikkel een selectieve, efficiënte en snelle manier om de kernen rondom 78Ni te isoleren van de andere splijtingsproducten. De uitvoering is echter aartsmoeilijk.

Babel

Een speld in een hooiberg zoek je met een magneet. Dat is het idee: je selecteert de nikkelkernen door een methode te gebruiken waar alleen díé kernen naar luisteren. Natuurlijk niet met een magneet: de enige methode is hier om de nikkelatomen, en alléén de nikkelatomen, te ioniseren. Ze hebben dan een elektrische lading, zodat je ze met elektrische en magnetische filters van de andere atomen kunt scheiden. Het idee is al oud, maar tot voor kort vormde het selectief ioniseren de flessenhals. Vergelijk de zoektocht maar met het zoeken naar de persoon die jouw taal spreekt in de Toren van Babel. Dat kan op drie manieren. Je kunt je oor te luisteren leggen, uit de gesprekken proberen op te maken wie er dezelfde taal spreekt als jij. Je moet dan wel over een zeer goed gehoor beschikken. Je kunt ook de aanwezigen een voor een aan een tête-à-tête onderwerpen, maar dat is zeer tijdrovend. De beste manier is om je stem te verheffen. Je stelt de menigte een vraag, het rumoer verstomt en enkel diegene die jou verstaat, zal antwoorden. En zo gaan we het doen.

De gascel die we bij het Leuvense experiment gebruiken, hier afgebeeld op ware grootte. De cyclotronbundel komt links achter op de foto binnen en verlaat de cel langs het venster rechtsvoor. De laserbundel valt rechtsachter op de foto de cel binnen. De toevoer van het edelgas is langs boven. De ionen, waar het om te doen is, komen uit de onooglijk kleine opening linksvoor.

Bovenaanzicht van een gascel

Eerst vangen we brokstukken van de versplinterde uraankernen op in een ruimte gevuld met een edelgas (helium of argon). Het edelgas verhindert scheikundige reacties. De radioactieve atomen zweven rustig rond in de gascel. Dan beschijnen we ze met laserlicht. De laserfotonen geven de elektronen van een nikkelatoom een duw, een portie extra energie, zodat ze in een hogergelegen baan terecht komen. Hiermee verheffen we, in de Babelanalogie, onze stem: we kiezen de kleur van de laserfotonen zó, dat ze precies de juiste energie hebben om een elektron van een nikkelatoom in een hogere baan te brengen. Alleen de nikkelatomen luisteren; de andere atomen verstaan de taal niet. Dat komt doordat de elektronen van de andere atomen met dat laserfoton niets kunnen. Ze kunnen de energie van dat foton niet opnemen, omdat de baan waarin ze met die extra energie terecht zouden willen komen, domweg niet bestáát. De verklaring hiervoor ligt in de kwantummechanica; ze kunnen niet bijvoorbeeld de helft van de fotonenergie absorberen. Het is alles of niets.

Resonante laserionisatie

Ionisatieschema Het plaatje van de elektronentoestanden van een atoom is een ingewikkeld schema, dat specifiek is voor dat bepaalde atoom. Het proces van resonante laserionisatie maakt daar gebruik van. De fotonen van de eerste laser hebben exact de energie die nodig is om een elektron van de grondtoestand naar een welbepaalde aangeslagen toestand te tillen. Andere soorten atomen reageren niet op de laser, omdat zij geen toestand met precies die energie beschikbaar hebben. Het elektron in de aangeslagen toestand bevindt zich nog maar een klein stukje van het continuüm van ongebonden toestanden vandaan. Een tweede laser, waarvan de fotonen veel minder energie hebben, volstaat om het daar naartoe te brengen. De ionisatie-energie, de energie die nodig is om het elektron uit de invloedssfeer van de atoomkern te halen, wordt dus in twee stappen bereikt.

Resonante laserionisatie, zo heet het. Alleen dat ene nikkelelektron resoneert lekker mee, omdat het vloeiend Nikkels spreekt. Het luistert, en het klimt een stapje hoger. Het nikkelatoom is echter nog steeds geen nikkelion; het elektron zit er nog steeds aan vast. Daartoe gebruiken we een tweede laser, met fotonen die het resonerende nikkelelektron een extra duwtje geven. Dat kleine duwtje is precies genoeg om het geheel los te slaan uit de invloedssfeer van het atoom. Een harde duw is niet nodig, het was er immers al bijna uit. De andere atomen verstaan ook van deze tweede laser niets. De energie van de fotonen is te laag om hún elektronen los te slaan. Een kien gebruik van deze Babylonische spraakverwarring heeft er voor gezorgd dat we in een kakelende massa alleen die atomen die Nikkels spreken, een elektrische lading hebben gegeven. Ze zijn een elektron kwijtgeraakt en zijn positief geladen. Daarna is het een koud kunstje. Een elektrisch veld heeft voldoende overredingskracht om de geladen nikkelatomen ertoe te bewegen zich af te scheiden van de andere atomen. Een zijdeurtje in de Toren van Babel leidt via een conventionele massascheider naar de detectieopstelling, waar we het radioactief verval bestuderen. De nikkelisotopen zijn niet stabiel. Eigenlijk hebben ze liever een proton meer en een neutron minder. Daar draaien ze hun hand niet voor om: ze zetten gewoon een neutron om in een proton. Het elektrisch neutrale neutron doet dat door uiteen te vallen in een positief geladen proton, een negatief geladen elektron en een uiterst moeilijk te detecteren deeltje zonder lading en waarschijnlijk zonder massa, namelijk het antineutrino. Dit heet bètaverval, en het leidt tot een kern met hetzelfde massagetal, een proton meer en een neutron minder. Op de kernenkaart is dat een stapje omhoog, in het periodiek systeem een stapje naar rechts. Nikkel is koper geworden.

Dochters van koper

Zijn we er al? Nee, nog niet. Na tien jaar intensief onderzoek, ontwikkeling, testen en optimaliseren kwamen we tot een experiment, dat tien dagen en nachten duurde. In dat experiment konden we onze kennis uitbreiden van 69Ni naar 74Ni. De queeste moet ons ooit tot 78Ni brengen – nog vier neutronen te gaan. Toch leren de nikkelisotopen in de buurt van 78Ni ons veel over de geldigheid van de theorie. Zo konden we vaststellen dat de evolutie van de eigenschappen van deze kernen niet echt is zoals we verwachtten. Daar waar de theorie een geleidelijke overgang van de stabiele kernen naar 78Ni voorspelt, geven onze experimenten een ander beeld. Verschillende modellen voor de halfwaardetijd van 78Ni (de tijd die het duurt voordat de helft van de nikkelkernen is vervallen) voorspellen waarden van 50 milliseconde tot 1 seconde. Niet een nauwkeurigheid om trots op te zijn. Onze experimenteel bepaalde halfwaardetijden sluiten echter bepaalde theorieën uit, waardoor de vork zich vernauwt tot een waarde tussen 150 en 250 milliseconde. Met onze experimenten hebben we een belangrijk stuk van de weg naar 78Ni afgelegd. De vier neutronen die we nog moeten toevoegen om 78Ni te bereiken, vormen echter een zeer moeilijke opgave. Daartoe participeren we in twee internationale samenwerkingsverbanden, één rond het manipuleren van radioactieve ionen met behulp van ionenvallen, en één rond de ontwikkeling van een nieuwe generatie detectoren, de zogenaamde germanium-miniball-detectoren. Deze projecten worden ondersteund door groepen uit heel Europa. De bedoeling is om met de ionenmanipulatoren de bundels verder te zuiveren zodat de ongewenste isotopen de meting niet verstoren: we willen nóg selectiever, nóg efficiënter. Het doel is om nikkel-78, onze persoonlijke heilige graal, te isoleren en om met de nieuwe detectoren niets van de straling die het uitzendt, te missen.

Kernfysica

De nucleonen (protonen en neutronen) van de atoomkern blijven bijeen door de sterke wisselwerking, een van de fundamentele natuurkrachten. De sterke wisselwerking is ongeveer 137 keer sterker dan de elektromagnetische en 1038 keer sterker dan de gravitatiekracht. Haar dracht is echter kort: ze is voelbaar op een schaal van slechts enkele femtometers (10-15 m). Kernfysica is een moeilijk vak. Om de atoomkern correct te beschrijven moeten we de wisselwerking tussen de nucleonen doorrekenen. Die wisselwerking, de sterke interactie, kennen we nog niet volledig. Daarnaast is het aantal nucleonen in de kern lastig: het is te groot voor een exacte berekening, zelfs met de krachtigste computer, en het is te klein om er een betrouwbare statistische berekening op los te laten. Daarom gaan we het probleem reduceren. Een van de manieren om dat te doen is uit te gaan van dubbelmagische kernen. De kernfysica kent magische getallen. Atoomkernen waarbij het aantal nucleonen van eenzelfde soort gelijk is aan 2, 8, 20, 28, 50, 82 of 126 blijken extra stabiel te zijn. Een dubbelmagische kern heeft zowel een magisch aantal protonen als een magisch aantal neutronen. Nikkel-78, met 50 neutronen en 28 protonen, is zo’n dubbele hoge hoed. Zo’n kern heeft extra stabiliteit omdat juist deze aantallen het goed met elkaar kunnen vinden. De dubbelmagische kern proberen we op te vatten als een harde pit, als een collectief dat we als een enkel deeltje beschouwen. Kernen in de buurt daarvan beschrijven we als een harde pit met enkele nucleonen extra of juist enkele nucleonen minder (gaten in de pit). Deze aanpak blijkt zeer succesvol in de buurt van stabiele kernen. We zijn echter juist geïnteresseerd in het gebied verderop, weg van de stabiliteitslijn, waar de kernen – meestal tot ons plezier en soms tot onze frustratie – onverwachte eigenschappen vertonen.

Bronnen

Duppen, P van. Isolde – Fabriek van exotische atomen. Natuur & Techniek 1996; 64, 11: pag. 64.

Dit artikel is een publicatie van Natuurwetenschap & Techniek.
© Natuurwetenschap & Techniek, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 30 maart 1999

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.