Reis naar de kern | 2. De Atoomrevolutie

Waar is alle materie uit opgebouwd, en welke wetten volgen die deeltjes om alles op aarde en de rest van het heelal vorm te geven? Wat is antimaterie, en wat heeft quantumtheorie daarmee te maken? In Reis naar de kern neemt Ivo van Vulpen, deeltjesonderzoeker bij CERN in Genève en verbonden aan de Universiteit van Amsterdam, je mee langs al deze grote vragen. Je denkt misschien dat dat ver van je normale belevingswereld afstaat, maar al deze inzichten worden dagelijks gebruikt. Van de GPS op je telefoon, tot de scanners in ziekenhuizen..

Over Reis naar de Kern

Na Terug naar de Oerknal met Govert Schilling en Baan door het Brein met Iris Sommer is het nu tijd voor een nieuw avontuur: Reis naar de kern. Een fascinerende duik in de wereld van de allerkleinste deeltjes, waar de allergrootste vragen worden beantwoord. In vijf afleveringen zoomen we in op de wereld van het atoom, de quantummechanica, antimaterie en de ontdekking van het Higgs Boson.

Reis naar de Kern is een podcast van BNR. Tekst en presentatie: Ivo van Vulpen. Concept: Connor Clerx. Eindredactie: Annick van der Leeuw. Montage: Gijs Friesen en Connor Clerx. Sounddesign en mixage: Gijs Friesen.

Over Ivo

Ivo van Vulpen is als deeltjesfysicus werkzaam aan de Universiteit van Amsterdam, het Nationaal Instituut voor subatomaire fysica (Nikhef) en hij doet onderzoek bij de deeltjesversneller (Large Hadron Collider) bij CERN in Genève. Hij is hoogleraar Wetenschapscommunicatie, in het bijzonder betreffende de natuurkunde, aan de Universiteit Leiden. In 2018 verscheen zijn eerste boek: De melodie van de natuur.

Lees ook dit artikel op BNR.nl

Transcript aflevering

Als je gaat vertellen over de zoektocht naar de bouwstenen van de natuur kunnen we het best starten bij het moment dat iedereen ziet als de start van de reis: het jaar 1912 als het ons voor het eerst lukt om een plaatje te maken van een atoom. Die stap levert een schat aan informatie op en maakt dat we in één klap ons beeld van hoe de natuur werkt compleet moeten herzien. We leren bijvoorbeeld dat alles op aarde uiteindelijk maar uit drie unieke bouwsteentjes bestaat. En we leren dat de logica die de natuur volgt op die piepklein schaal to-taal anders is dan die van onze wereld als mensen. We zien dingen die helemaal niet zouden moeten kunnen volgens alles wat we tot dan toe dachten. Deeltjes blijken op meerdere plekken tegelijk te kunnen zijn en we ontdekken verborgen eigenschappen en nieuwe krachten. Kortom, het hele bouwwerk moet op de schop. En hoewel de zoektocht naar de logica en fundamenten achter deze nieuwe realiteit tot op de dag van vandaag voortduurt geef ik in deze aflevering ook een paar voorbeelden van hoe de inzichten al een toepassing hebben gevonden: niet alleen in de werking van een computerchip of de quantumcomputer, … maar diep in het atoom vonden we ook een manier om onszelf als mensheid te vernietigen. Het onderwerp van deze aflevering is de atoomrevolutie.

Maar laten we starten waar we nu zijn: op straat, in de studio, in de auto of waar je deze podcast dan ook beluistert. Als je om je heen kijkt zie je dat de wereld is opgebouwd uit een groot aantal verschillende materialen: de stof van de stoel waarin je zit, de bakstenen van het gebouw waar je langsloopt of het keramiek van de beker waar je je koffie uit drinkt. Op school hebben we geleerd dat er zo’n kleine honderd elementaire bouwstenen zijn, de elementen, waarvan het kleinste ondeelbare brokje een atoom wordt genoemd. Er zijn in de natuur stoffen zoals zuurstof en ijzer die opgebouwd zijn uit één type atoom, in dit geval zuurstofatomen of ijzeratomen, maar er zijn ook veel stoffen waarvan de kleinste unieke bouwsteen een combinatie is van verschillende atomen. Zo’n bouwsteen noemen we een molecuul. Een bekend voorbeeld is bijvoorbeeld water (dat is een combinatie is van 2 waterstofatomen en 1 zuurstofatoom), maar ook suiker, alcohol en DNA zijn ingewikkelde combinaties van atomen van verschillende elementen. Als je wilt begrijpen waarom stoffen hun eigen unieke eigenschappen hebben is het cruciaal om hun bouwstenen te begrijpen. Maar dat gaat niet zomaar. De natuur geeft haar geheimen namelijk niet zomaar prijs. Atomen zijn meer dan een miljoen keer kleiner dan het kleinste voorwerp dat je met je oog kunt zien en het lijkt dan ook een onmogelijke opgave deze wereld te leren kennen.

Dé grote truc om dingen zo klein als een atoom in kaart te brengen hebben we in de vorige podcast al kort besproken. In essentie komt het erop neer dat je iets kunt leren over een object door te bestuderen hoe andere deeltjes er vanaf ketsen. Dat is simpeler gezegd dan gedaan, maar in 1912 was het uiteindelijk Ernest Rutherford die het voor het eerst voor elkaar kreeg. Deze aflevering heeft best veel technische elementen, maar ik ga ze toch benoemen, omdat het een belangrijke stap is en de start van al het moderne deeltjesonderzoek. Ik hoop dat het me lukt je er veilig langs te loodsen. Daar gaan we. Die Ernest Rutherford vuurde deeltjes met grote snelheid af op een heel dun laagje goudatomen, iets dat je het best kunt voorstellen als een vel aluminiumfolie, maar dan van goud. En als ik grote snelheid zeg dan bedoel ik niet 200 of 300 km/uur, maar net iets minder dan een miljard kilometer per uur. Om te kijken waar al die afgeketste deeltjes terecht kwamen had hij een scherm gemaakt dat een lichtflits gaf als er een deeltje op viel. To-taal onverwacht bleek dat sommige deeltjes gewoon bijna recht terugkwamen. Na wat puzzelen bleek dat de enige manier om dat te verklaren was als er in een atoom een kei-harde pit zou zitten. En na alle metingen geanalyseerd kwam inderdaad het bekende beeld van een atoom naar voren zoals we dat op de middelbare school leren en het plaatje van een atoom dat Google of ChatGPT je geeft:

1. Atomen bestaan uit een piepkleine zware atoomkern met een positieve lading
2. Om de atoomkernen draaien lichte elektronen in vaste banen rondjes
3. Elke elektronenbaan heeft een maximum aantal elektronen

Omdat we dit beeld kennen klinkt het niet heel spectaculair, maar in die tijd was het revolutionair! Zo‘n atoom kon namelijk helemaal niet bestaan volgens de toen bekende natuurwetten.

Het eerste probleem met dit beeld is dat volgens de theorie elektronen helemaal geen rondjes rond de kern mochten draaien. Dat klinkt gek, want de beweging van een deeltje dat om iets zwaars heen draait lijkt precies hetzelfde als de beweging van een planeet die om de zon draait. En dat begrijpen al een paar honderd jaren tot in groot detail dankzij de wetten van Newton. Maar er is wel een cruciaal verschil: een elektron is elektrisch geladen en de theorie van de elektromagnetische kracht zegt dat zulke deeltjes energie verliezen als ze om iets heen draaien. Een elektron in een atoom zou dus energie verliezen en binnen een fractie van een seconde op de kern storten. En zelfs als elektronen om de een of andere onverklaarbare reden al keurig rondjes draaien, waarom dan alleen op bepaalde afstanden? Daar is geen en-ke-le reden voor. Het model van een atoom dat uit de experimenten tevoorschijn kwam, kon volgens de theorie dus helemaal niet bestaan.

In zo’n situatie waarin theorie en experiment met elkaar in tegenspraak zijn, delft de theorie meestal het onderspit. Ook in het geval van de elektronen, die vrolijk hun rondjes draaiden. Het was duidelijk dat we iets over het hoofd zagen. Maar wat dan?

In de zoektocht naar een verklaringen voor het atoomprobleem zou uiteindelijk de Deense natuurkundige Niels Bohr de impasse doorbreken met een net zo vreemd als briljant idee. Hij stelde voor, - en let op, dit is volledig uit de lucht gegrepen - dat voor elektronen alleen een combinatie van de snelheid en hun afstand tot de atoomkern toegestaan was. Namelijk alleen als het pre-cies een veelvoud was van een klein brokje basis-energie: ℏ. We zeggen dan ook dat de combinatie van snelheid en afstand gequantiseerd is. En omdat snelheid en afstand gekoppeld zijn legt deze eis daardoor een snoeiharde restricties op aan de plek waar elektronen hun rondjes mogen draaien. Met die nieuwe regel kon Bohr ineens niet alleen de stabiele banen verklaren, op precies dezelfde plek als we in het experiment zagen, maar ook nog eens met de juiste energie. Super! Opgelost dus, al wist niemand waarom die quantisatie er was. In de jaren erna is er een veel complexer theoretisch bouwwerk ontstaan rond dit idee: de quantummechanica. Het klassieke beeld van een elektron als een bolletje dat rondjes draait om de kern is vervangen door een elektron als golf en een wolk van waarschijnlijkheden. Een van de vele bizarre gevolgen van de theorie is dat deeltjes op meerdere plekken tegelijk kunnen zijn. Dat klinkt als waanzin en kan haast niet waar zijn. Maar het bleek te kloppen, net als bij alle andere experimenten die de bizarre voorspellingen van de quantumtheorie gingen controleren. De theorie hield moeiteloos stand en is nu een van de belangrijkste pijlers waar de moderne natuurkunde op rust.

Een van de vragen die de quantummechanica niet beantwoordde was de vraag waarom er een maximum aantal elektronen is per baan. Kortom, waarom zitten de eerste twee elektronen van een stof als Lithium gezellig bij elkaar in de eerste baan en zit dat derde elektron in zijn eentje een stuk verderop waar hij veel minder sterk vastgebonden zit aan de kern? Belangrijk om te weten, want dat losse derde elektron maakt dat Lithium (een metaal) zich chemisch volstrekt anders gedraagt dan Helium (een gas). Ook hier werd weer een merkwaardige oplossing gevonden door een andere wetenschapper, Pauli, die net als Bohr ook de volstrekt arbitraire eis oplegde dat geen twee elektronen in het atoom hetzelfde mogen zijn. Twee jonge Leidse promotiestudenten theoretische natuurkunde - Samuel Goudsmit en George Uhlenbeck verzonnen (of ontdekten, het is maar hoe je het wilt zien) precies 100 jaar geleden dat elektronen een verborgen eigenschap hadden. Elektronen kwamen in twee smaken en de analogie die daarbij vaak gebruikt wordt is het beeld dat elektronen kunnen draaien: en wel linksom óf rechtsom. Als je van veraf kijkt zie je het verschil helemaal niet tussen een linksom en rechtsom draaiende bal en pas als je het aanraakt voel je dat er toch een verschil is. Met dat nieuwe idee pasten er dus ineens wél twee elektronen in de eerste baan (een linksom-draaiend en een rechtsom-draaiend elektron zijn immers niet hetzelfde), maar die derde ‘mag’ er niet meer bij want ja, dan zou hij hetzelfde zijn als een van de andere elektronen die er al waren. En dat mag niet volgens de nieuwe eis … en dus moet hij wel een stuk verderop gaan zitten.

Hebben we hier in de praktijk nou wat aan? Zeker! Absoluut! Het quantummechanisch gedrag van deeltjes is cruciaal om materiaaleigenschappen te begrijpen en dat is weer belangrijk voor de bouwstenen van een computerchip. En ik nodig je uit om een dag door te brengen zonder daar gebruik van te maken en daarna eens een schatting te maken hoe belangrijk dat is voor de Nederlandse economie. De eigenschap spin wordt ook gebruikt in MRI scans in ziekenhuizen. En die wonderlijke voorspellingen van de quantummechanica dat een deeltje twee verschillende eigenschappen tegelijk kan bezitten en dat het op een mysterieuze wijze verstrengeld kan zijn met een ander deeltje, vormt de basis van de quantumcomputer. Die quantumcomputer, als hij er eenmaal is, zal ons ongekende nieuwe mogelijkheden geven en het is dan ook niet vreemd dat er in veel landen stevig in geïnvesteerd wordt. Ook in Nederland. Kortom, ‘quantum is overal’ en gaat in de toekomst een nog veel enorm belangrijke rol spelen in onze maatschappij. Het is goed om te zien dat er collega’s zijn, zoals bijvoorbeeld Julia Cramer die bij de Universiteit Leiden onderzoek doen naar hoe we ook de maatschappij mee kunnen nemen in deze ontwikkelingen en professor Margriet van der Heijden die bij de Technische Universiteit Eindhoven werkt aan de dialoog met de samenleving over de natuurkunde in brede zin.

Na het succes van Rutherford was het een kwestie van tijd voordat de techniek zou verbeteren en we ook de atoomkern zelf zouden kunnen bestuderen. Dat duurde even, maar begin jaren dertig ging het ineens heel erg snel. Zowel in het Verenigd Koninkrijk als in de Verenigde Staten lukte het om deeltjes genoeg energie mee te geven zodat ze de atoomkern konden raken. Een experimentele prestatie van wereldformaat die de onderzoekers de Nobelprijs opleverde en die bekend staat als ‘het splijten van het atoom’. Ik maak even wat reuzenstappen, maar toen het stof neerdaalde bleek de atoomkernen inderdaad piepklein te zijn en opgebouwd uit twee bouwstenen: positief geladen protonen en ongeveer evenveel neutrale neutronen, elk ongeveer 2000 keer zo zwaar waren als een elektron. Een atoom bestaat dus uit een aantal dicht opeengepakte protonen en neutronen in de kern en daaromheen op grote afstand wolken van elektronen om het atoom neutraal te houden. En omdat dit geldt voor alle atomen betekent dit dus dat alles op aarde, en sterker nog, ook alle sterren en andere planeten in het heelal, zijn opgebouwd uit maar drie bouwstenen. Als je Helium wilt maken heb je twee protonen, twee neutronen en twee elektronen nodig en als je goud wilt maken dan pak je ‘gewoon’ 79 protonen, 118 neutronen en 79 elektronen. Het heelal als een puzzel met maar drie verschillende stukjes: ongelooflijk!

Maar, het zal eens niet, het leverde ook weer een hoofdpijndossier op. Hoe kan zo’n atoomkern namelijk überhaupt bestaan? Die positief geladen protonen zitten superdicht bij elkaar als als ze dezelfde lading hebben zouden ze elkaar heel hard af moeten stoten. En waarom blijven die neutrale neutronen eigenlijk bij elkaar zitten? De enige oplossing, weer een noodgreep, was om een nieuwe kracht te verzinnen. Een nieuwe natuurkracht die tegelijkertijd heel sterk moet zijn (namelijk sterker dan de elektromagnetische kracht), maar die buiten de atoomkern weer alle kracht verliest (omdat anders de hele wereld zou samenklonteren tot één grote atoomkern).

Het werd snel duidelijk dat de energie waarmee neutronen en protonen elkaar aantrekken in de kern, de zogenaamde bindingsenergie, afhangt van het aantal protonen en neutronen. Er bleek on-voor-stel-baar veel energie opgeslagen te zijn in atoomkern en we ontdekten dat het energie op kan leveren als atoomkernen samensmelten of juist splitsen. Dit inzicht gaf ons niet alleen antwoord op de vraag hoe de zon aan zijn energie kwam, maar gaf ons als mensheid ook de mogelijkheid om onszelf te vernietigen met atoombommen. Om deze kernfusie en kernsplijting beter te begrijpen is het handig om, gek genoeg, een link te maken met het bedrijfsleven.

We weten dat het voor grote bedrijven op een gegeven moment efficiënter wordt om op te splitsen in kleinere eenheden. De meerwaarde van het bij elkaar blijven weegt dan niet meer op tegen de flexibiliteit en energie die in kleinere eenheden te behalen is. Er is soms een klein zetje nodig om de splitsing in gang te zetten, maar de kosten en het juridisch gedoe betalen zich enorm snel terug. Voor kleine bedrijven geldt juist precies het tegenovergestelde. Want waar de winst voor grote bedrijven te vinden is in opsplitsen, is het voor kleine bedrijven juist verstandig om te fuseren. Natuurlijk moet er eerst geïnvesteerd worden in het proces, maar daarna levert het nieuwe energie en winst op. Gek genoeg blijken voor atoomkernen precies dezelfde wetmatigheden te gelden: het levert energie op als grote atomen splitsen (kernsplijting) en voor kleine atomen als ze fuseren (kernfusie).

Eerst splijten: Alle protonen en neutronen bij elkaar houden in grote atoomkernen kost veel meer energie dan de situatie waarin je hetzelfde aantal verdeelt over twee kleinere atomen. Grote atoomkernen zoals Uranium splitsen dan ook maar al te graag, al is daar soms een klein duwtje voor nodig. Bij die splitsing komt energie vrij die in kerncentrales weer gebruikt wordt om water te verwarmen tot stoom … dat weer gebruikt wordt om met behulp van een turbine elektriciteit op te wekken. Bij sommige splijtende atoomkernen blijken neutronen vrij te komen die precies genoeg energie hebben om andere atomen ook het zetje geven om te splijten … waarbij natuurlijk weer neutronen vrijkomen etc. Het idee van een kettingreactie en toepassing in een bom ligt dan voor de hand en dat werd de start van een ongekende wapenwedloop die binnen een paar jaar de atoombom opleverde via het beroemde Manhattan-project.

Fuseren: Bij kleine atoomkernen werkt het dus precies andersom. Daar levert het dus juist energie op door samen te smelten. Maar omdat de kernen elektrisch geladen zijn en elkaar afstoten als ze bij elkaar in de buurt komen gebeurt dat samensmelten alleen op plekken waar het erg warm is waardoor de atoomkernen enorm snel bewegen en elkaar dus wel kunnen raken (net zoals twee magneten wel op elkaar kunnen als je maar hard genoeg drukt). Een van die warme plekken is het centrum van onze zon waar het een paar miljoen graden is. Hoewel we al duizenden jaren weten dat de zon elke dag opkomt, wist tot de ontdekking van de atoomkern gek genoeg niemand waar de zon zijn energie vandaan haalde. En nee, zelfs Albert Einstein niet. De brandstof van de zon, waterstof, is ook hier op onze planeet ruim voorradig, dus het is niet gek dat mensen nadenken over kernfusie hier op aarde. Dat kan, maar blijkt een enorme technologische uitdaging te zijn i.v.m. de temperaturen van miljoenen graden die nodig is. Lastig dus, …. maar niet onmogelijk en natuurkunde-collega's vanuit de hele wereld werken samen in grote onderzoeksprojecten om het voor elkaar te krijgen. Ook Nederlanders! Sterker nog, we hebben een apart instituut in Nederland: DIFFER in Eindhoven.

Ik kan me heel goed voorstellen dat het je nu een beetje duizelt na verhalen over de quantumcomputer en de kernkrachten. Hopelijk ben je er nog. Al die nieuwe inzichten hebben zowel de wetenschap als de maatschappij ingrijpend veranderd. En hoewel veel raadsels nu opgelost waren, levert deze nieuwe theorie ook weer nieuwe vragen op. Zijn die protonen en neutronen dan echt de kleinste bouwstenen van de natuur? En wat zit er nou achter die rare wetten van de quantummechanica? Een extra punt van zorg is dat de quantumtheorie niet in overeenstemming lijkt met die van de zwaartekracht. We missen dus iets.

Maar er was meer vreemds. Veel meer. In het onderzoek naar straling uit de ruimte zagen we deeltjes die geen proton, geen neutron en geen elektron waren. Maar dat waren de enige deeltjes die er waren hadden we net geleerd. Wat is dat nou weer? In de decennia erna leerden we zelf deeltjes maken door protonen op elkaar te schieten in deeltjesversnellers en de ontdekkingen zouden elkaar enorm snel opvolgen, wat uiteindelijk leidde tot de beschrijving van de kleine deeltjes zoals we dat nu nog steeds hebben: het Standaard Model met drie families van elementaire deeltjes, nog kleiner dan de protonen en neutronen en drie quantumkrachten. Maar genoeg voor vandaag. Die ontwikkelingen bespreken we in de volgende aflevering.

See omnystudio.com/listener for privacy information.