De race naar de atoombom

de race naar de atoombom

HoutekietAntwerpen / Utrecht

Rogier Deckmyn

De race naarde atoombom

De wonderjarenvan de natuurkunde

1895-1945

© Rogier Deckmyn / Houtekiet / Linkeroever Uitgevers nv 2011

Houtekiet, Katwilgweg 2, b-2050 [email protected]

Omslag Jan HendrickxZetwerk Intertext, Antwerpen

Foto’s © Archief Gazet van Antwerpen

isbn 978 90 8924 160 3 d 2011 4765 10

nur 911

Niets uit deze uitgave mag worden verveelvoudigd en/of openbaar gemaakt door middel van druk, fotokopie of op welke andere wijze ook, zonder voorafgaande schriftelijke

toestemming van de uitgever.No part of this book may be reproduced in any form, by

print, photoprint, microfilm or any other means, without written permission of the publisher.

21 | Oppenheimer ii 353

Chronologie 365

7

Inleiding

Aan het eind van de 19de eeuw leunen de meeste natuur-kundigen vergenoegd achterover in de overtuiging dat

zij stilaan de meeste, zo niet alle natuurlijke verschijnselen kunnen verklaren. Op een paar losse eindjes na kan men de boeken sluiten, zo is de wijdverspreide mening. Onder meer Pieter Zeeman (Nobelprijs 1902) en Max Planck (Nobelprijs 1918) krijgen als jongeman van hun professoren te horen dat ze beter een ander vak kunnen kiezen. De mening dat de fysica klaar is heeft wellicht veel te maken met de gren-zen die fysici aan hun eigen vakgebied stellen. Zij meten en bestuderen de verschijnselen in de natuur, maar vinden het niet nodig om die verschijnselen te verklaren via theorieën over de bouw van de stof. Alle deelgebieden van de fysica zijn als het ware aaneengeklit door één onaantastbare wet: de wet van behoud van energie. Nog geen twintig jaar later is de hele fysica veranderd. De nieuwe generatie fysici heeft zich op de bouw van het atoom gestort en het hele raamwerk van de natuurkunde blijkt dringend aan restauratie toe. Rond 1890 gelooft men in het bestaan van atomen als kleinste ondeelbare deeltjes van de materie, maar dan als hypothetisch model. Niemand heeft er ook maar een vermoeden van wat men zich bij die atomen moet voorstellen, maar één ding is zeker: ze gedra-gen zich naar de wetten van de klassieke mechanica, net

8

zoals grotere, zichtbare en voelbare modellen. Er bestaat op dat ogenblik ook nauwelijks twijfel over het feit dat het hele universum gevuld is met een al even ongrijpbaar als myste-rieus medium, de ether. Het mechanistische beeld van de natuurkunde sluit uit dat iets zich kan voortbewegen zonder middenstof. Hoe kan je een trap oplopen als er geen treden zijn? Licht bijvoorbeeld plant zich onbetwistbaar voort in de ruimte, dus moet er in die ruimte een middenstof zijn die deze beweging toelaat. Alleen blijkt die middenstof moeilijk te vatten. Ze moet dus wel materieloos zijn, want niemand heeft ze ooit gezien, gevoeld of geroken. En dan komt Ludwig Boltzmann met zijn kinetische gas-theorie. Boltzmann kan de eigenschappen van gassen ver-klaren door zich voor te stellen dat zij bestaan uit minus-cule deeltjes die zich met een waanzinnige snelheid door-heen de ruimte bewegen. In een afgesloten ruimte botsen ze voortdurend tegen de wand en tegen elkaar. Om uit de be weging van dat nagenoeg oneindig groot aantal ongecon-troleerde projectielen wetten te filteren neemt Boltzmann zijn toevlucht tot een nieuwe wiskundige methode, de sta-tistische mechanica. Hij neemt bijvoorbeeld voor elk atoom of elke molecule in een gas dezelfde snelheid aan, de gemid-delde snelheid. Veel natuurkundigen gruwen bij de gedach-te alleen al en Boltzmann krijgt een hoop kritiek te verwer-ken. In 1897 vertrouwt Ernst Mach hem toe dat hij ‘niet echt gelooft in die atomen’. Ook Wilhelm Ostwald verkondigt nog in het begin van de twintigste eeuw dat men de atoom-hypothese niet nodig heeft om de natuurverschijnselen te bestuderen en op 27 april 1900 geeft William Thomson, Lord Kelvin of Largs, voor de Royal Institution in Londen, zijn gehoor mee dat hij geen heil ziet in die zogenaamde statis-tische mechanica. Boltzmann heeft een paar jaar eerder zijn atoomtheorie uiteengezet tijdens een bijeenkomst van de Keizerlijke Aca-

9

demie der Wetenschappen in Berlijn. Ostwald, (Nobelprijs voor Chemie 1909), Kelvin en Mach bevinden zich in het publiek en zijn mannen met gezag. Mach, die via experimen-tele weg de snelheid van het geluid aantoont is daarenboven meer filosoof dan natuurkundige, een zéér gevaarlijke com-binatie. Hij valt terug op het positivisme van Auguste Com-te en is van mening dat de wetenschap zich dient te beper-ken tot wat zij direct kan meten. Metafysische en teleologi-sche conclusies moeten overgelaten worden aan filosofen en theologen en die hele atoomhypothese is niets meer dan een metafysische veronderstelling die geen plaats hoort te hebben in een empirische wetenschap. Boltzmann trekt zich dergelijke kritieken erg aan. De man die uiteindelijk de muze zal worden van Albert Einstein en indirect aan de basis ligt van de kwantummechanica is manisch depressief. Nadat hij in 1902 een eerste mislukte zelfmoordpoging heeft onder-nomen, hangt hij zich op 5 september 1906 op, ditmaal met succes. Vanaf het ogenblik dat de avant-garde van de natuurkun-de zich op de bouw van de materie stort, gaat het ineens hard. In 1895 ontdekt Röntgen de X-stralen, Een jaar later kan J.J. Thomson aantonen dat kathodestralen bestaan uit elektrisch geladen deeltjes die duizendmaal lichter zijn dan een waterstofatoom. In datzelfde 1896 ontdekt Henri Bec-que rel de radioactiviteit en kort daarna pikken Marie en Pierre Curie het onderwerp op en ontdekken twee nieuwe elementen, polonium en radium. Intussen heeft Max Planck in 1900 zijn formule voor de straling van een zwart lichaam gepubliceerd en als kers op de taart komt Albert Einstein in 1905 aandraven met de speciale relativiteitstheorie. Niemand die nog twijfelt aan het bestaan van atomen en de ether wordt afgevoerd naar de composthoop van de foutieve aanna-mes. De voorlopers van de nieuwe mechanica hebben in één decennium de grootheden van de oude mechanica van het

10

podium gejaagd. Intussen wordt het duidelijk dat er on voor-stelbare hoeveelheden energie in de atomen zijn opgeslagen. De immer waakzame oorlogsindustrie is meteen klaarwak-ker en wacht zijn kans af. De ontploffing van de eerste Bom staat vanaf dat ogenblik in de sterren geschreven, met een even grote zekerheid als de wetten van de natuurkunde.

11

1

Henri Becquerel en de ontdekking van de radioactiviteit

De grote tragedie van de wetenschap: het om zeep helpen van een prachtige hypothese door een akelig feit.

thomas huxley

Röntgen

In 1895 besluit Wilhelm Conrad Röntgen zich te richten op het onderzoek van kathodestralen. Die stralen ontsnap-

pen uit de kathode, de elektrode waar de elektronen uit ontsnappen. Die kathode is ingesmolten in een bijna lucht-ledige buis, waar hoge stroomstoten door gestuurd worden (kathodestraalbuis). De kathodestraalbuis waar wij het meest mee vertrouwd zijn is de beeldbuis van een klassiek televi-sietoestel. De woorden ‘bijna’ en ‘hoog’ zijn echter zeer rekbare be grippen. De kwaliteit van de waarnemingen hangt dan ook volledig af van de sterkte van de stroom en het bereik-te vacuüm. Röntgen is niet de eerste die experimenteert met kathodestralen. De ontwikkeling van dit toestel is al een paar eeuwen aan de gang. In 1709 neemt Francis Hauksbee

12

waar dat er lichtflitsen kunnen waargenomen worden in een glazen vat waaruit de lucht wordt weggepompt en dat vervolgens wordt aangesloten op een bron van wrijvings-elektriciteit. Dat wegpompen van de lucht moet je dan wel met een korreltje zout nemen. Minder dan een druk van 20 hPa (luchtdruk is 1.013 hPa) kan men op dat ogenblik niet bereiken. Veel meer dan een curiosum is het toestel van Hauksbee voorlopig niet. Anderhalve eeuw later, in 1858, vindt Johann Heinrich Geissler (1813-1879) een pomp uit waarmee je een veel beter vacuüm kan bekomen, een stuk minder dan 1hPa. Dankzij de Rumkorffklos kan men boven-dien veel hogere spanningen aanleggen. Het curiosum van Hauksbee promoveert op slag tot zowat het belangrijkste toestel in de geschiedenis van de natuurkunde. Datzelfde jaar al doet Julius Plücker (1801-1868) volop experimenten met de nieuwe pomp. Bij een bijna luchtledige buis verdwijnt het licht uit de buis, maar op de glaswand, in de buurt van de kathode verschijnt een groenachtig licht. Eugen Goldstein

J.J.Thomson met helemaal rechts een kathodestraalbuis.

13

noemt dit geheimzinnige verschijnsel een paar jaar later Cathodenstrahlen, omdat ze blijkbaar uit de kathode afkomstig zijn. Plücker vindt geen verklaring voor zijn waarnemingen, vooral omdat de wetenschap op dat ogenblik nog niet ver genoeg staat. Plücker neemt ook waar dat een magneet, die in de buurt van de buis wordt geplaatst, de stralen doet af-wijken. Die stralen moeten dus uit elektrisch geladen deel-tjes bestaan. Nog eens tien jaar later ontdekt Hittorf dat dit licht een schaduw vormt als je een voorwerp plaatst tussen de kathode en de glaswand. Schaduwvorming betekent rechtlijnige voortplanting en dat doet dan weer denken aan straling. De Duitse onderzoekers zoals Goldstein, Hertz en Lenard geloven rotsvast in het bestaan van de ether en zijn van mening dat deze stralen een soort ultraviolet licht vor-men dat zichtbaar licht in het glas opwekt door fluorescen-tie. Hertz beweert dat de stralen niet worden afgebogen door een elektrisch veld, maar even later toont J.J. Thomson aan dat Hertz er niet in slaagt om een voldoende hoog vacuüm

Een kathodestraalbuis

14

te creëren. De heren wetenschappers rollen vechtend over de grond. Hertz ontdekt dan weer dat kathodestralen moeiteloos doorheen een dunne filter van goud of aluminium dringen. Hertz overlijdt op 1 januari 1894 en zijn onderzoek wordt voortgezet door zijn assistent Philipp Lenard. Die verbetert op een aantal cruciale punten de kathodestraalbuizen waar-mee Hertz werkt. Zo brengt hij metalen venstertjes aan die dik genoeg zijn om het drukverschil binnen en buiten de buis te weerstaan, maar dun genoeg om de kathodestralen door te laten. Lenard schenkt één van zijn buizen aan Rönt-gen en zal zich dat zijn leven lang beklagen. Crookes stelt vast dat kathodestralen wel degelijk worden afgebogen door een magneet. Het moeten dus wel geladen deeltjes zijn. Crookes windt zich ook op over de kwaliteit van de fotografische platen die hij in zijn lab toegeleverd krijgt. Veel platen vertonen spotten en hij stuurt zelfs een hele levering terug. De vlekken zijn echter niet te wijten aan de slechte kwaliteit van de fotografische platen, maar worden veroorzaakt door straling. Crookes denkt enkel aan kathodestralen en laat de panklare voorzet om een nieuwe soort straling te ontdekken, liggen. Ook Lenard maakt onbe-wust kennis met X-stralen. Bij zijn experimenten met ka-tho destralen stelt hij vast dat ze maar een paar meter door-heen de lucht dringen, maar wel dwars doorheen zijn hand gaan. Ook hij komt niet op het idee dat hij met twee verschil-lende soorten straling te maken heeft. Lenard en Crookes zijn uitstekende wetenschappers, Nobelprijswinnaars zelfs, getraind niet alleen om te kijken maar vooral om te zien. Maar als hij iets ziet wat hij absoluut niet verwacht, wordt zelfs de meest bekwame wetenschapper soms op het ver-keerde been gezet. Röntgen (1845-1923) heeft een Duitse vader en een Neder-landse moeder en brengt zijn jeugd door in Apeldoorn. Aan

15

de natuurkundeschool in Utrecht beoordelen zijn proffen zijn prestaties voor natuurkunde als zeer slecht. Tot over-maat van ramp wordt hij van school gestuurd omdat hij een medeleerling niet wil verraden. Uiteindelijk kan hij terecht in het Eidgenössische Poltytechnicum in Zürich, waar ook dat ander weerbarstige genie, Albert Einstein een onderko-men zal vinden. In 1895, als hij zijn ontdekking doet, werkt hij als hoogleraar natuurkunde aan de universiteit van Würz-burg. Telkens Röntgen aan een nieuw onderwerp begint te werken herhaalt hij de belangrijkste experimenten van de-genen die vóór hem hetzelfde verschijnsel bestudeerden. Als Lenard hem een verbeterde Crookes-buis toestuurt be-sluit Röntgen zijn aandacht te richten op de kathodestralen. Begin november 1895 herhaalt hij een proef die Lenard ook al heeft uitgevoerd. Hij schermt de glazen buis af met een dik zwart karton en laat de stroomstoten op de buis los. Als hij zich even omdraait ziet hij dat een aantal bariumplatino-cyanide kristallen, die wat verder op een plank staan, op-lich ten. Röntgen ruikt onraad. Hij heeft zijn huiswerk ge -maakt en weet dat kathodestralen niet ver in de lucht door-dringen. Die bariumplatinocyanide kristallen staan anders behoorlijk ver uit de buurt. Het is laat, het lab is ver laten en niemand anders kan het gezien hebben. Röntgen, van natu-re al een ernstig en zwijgzaam man, besluit er een nachtje over te slapen. Tijdens de nacht komt hij op het idee dat die fluorescentie niet veroorzaakt wordt door kathodestralen, maar door een ander soort straling, waar tot dusver niemand op gelet heeft. Voorzichtig als hij is, besluit hij het zaakje te onderzoeken, maar aan niemand iets te vertellen. Weten-schappelijke reputaties worden gebouwd op successen en gebroken op premature publicaties en de ontdekking van een totaal nieuw soort straling lijkt zo onwaarschijnlijk… Enkel zijn beste vriend en collega, Theodor Boveri, een bio-

16

loog die in 1888 als eerste stelt dat de chromosomen de ma-teriële dragers zijn van de erfelijkheid, wordt voorzichtig en gedeeltelijk op de hoogte gebracht. De volgende weken experimenteert Röntgen met de buis van Lenard, maar enkel ’s avonds als zijn medewerkers naar huis zijn. Hij laat de stralen invallen op fotografische platen en kan beelden ma-ken van metalen voorwerpen die in een doos zitten. Hij kan zelfs aantonen dat bepaalde metaallegeringen verre van homogeen zijn. De foto’s tonen verschillen in grijs. Als hij zijn eigen geraamte ziet verschijnen op de fotografische plaat achter hem schrikt hij zich een hoedje. Bij het belang-rijkste experiment trilt hij van spanning. Röntgen kan zijn emoties nauwelijks de baas als blijkt dat de stralen, in te-genstelling tot de kathodestralen, niet afgebogen worden door een magnetisch veld. In werkelijkheid zijn de stralen wel elektrisch geladen, maar de magneten zijn in 1895 bij-lange niet sterk genoeg om de energierijke X-stralen merk-baar af te buigen. Die in wezen foute waarneming overtuigt hem ervan dat hij een nieuw soort straling heeft ontdekt. De stralen die hij bestudeert blijken elektrisch neu traal te zijn. Een soort licht dus. Het moet wel. Ze planten zich recht-lijnig voort, ze veroorzaken fluorescentie en werken in op een fotografische plaat. Hij is een kind van zijn tijd en denkt dat het longitudinale vibraties zijn in de ether. Dolenthou-siast beent hij naar huis, dwingt zijn vrouw mee naar het lab en neemt een foto van haar hand. Als zij de fij ne been-derstructuur van haar hand ziet, met de contou ren van de ring rond haar ringvinger, valt ze bijna in zwijm en stamelt: Ik heb mijn overlijden gezien. Röntgen heeft zichzelf overtuigd en begint aan een ver-slag dat hij op 28 december 1895 presenteert aan de decaan van de faculteit natuurwetenschappen van Würzburg, in een artikel met als titel: Über eine neue Art von Strahlen. Op 13 januari 1896 stelt hij zijn werk voor aan Kaiser Wil helm ii,

17

die graag op de hoogte blijft van elke wetenschappelijke ontwikkeling en op 23 januari geeft hij een lezing in Würz-burg, de enige keer dat hij voor een groot publiek over zijn werk spreekt. Tijdens die lezing neemt hij een X-stralen foto van de hand van Albert von Kolliker, de grootste anatoom van zijn tijd. De heer von Kolliker blijkt zo vereerd dat hij terstond en ter plekke voorstelt om de nieuw ontdekte stra-ling te noemen naar Röntgen. In Europa spreekt men inder-daad meestal over röntgenstralen, maar in de Angelsaksische landen ligt dat iets moeilijker. Die arme Engelssprekenden krijgen het woord röntgen maar niet uitgesproken en blijven daarom over X-stralen of over radiografie spreken. X-rays kan je zelfs uitspreken terwijl je chewing gum kauwt. Die X staat voor ‘van onbekende oorsprong’, naar analogie met x die steevast de onbekende voorstelt in een wiskundige vergelijking. Hoe dan ook, de ontdekking van Röntgen is de sensatie van het jaar. Reeds op 23 januari 1896 verschijnt een verta-ling van zijn artikel in het Engels en dat wordt meteen we-reldnieuws. Geheimzinnige stralen die dwars doorheen je lichaam gaan! Niet enkel de wetenschappelijke wereld kijkt op, maar ook de ernstige en vooral de populaire kranten brengen het nieuws met grote koppen en sensationele ver-onderstellingen. Mensen kijken angstig om zich heen als ze buitenkomen. Hoeveel van die stralen zullen hun lichaam doorboren? En wat heeft de ether nog meer in petto? Rönt-gen heeft nooit de natuur van die X-stralen achterhaald en die geheimzinnigheid werkt de belangstelling nog in de hand. Eén feit is zeker, Röntgen is de eerste die aantoont dat we omringd worden door onzichtbare, energierijke straling. Röntgen zelf is niet zo opgezet met al die media-aandacht en journalisten die erin slagen om hem een interview te ontfutselen moeten niet hopen op spectaculaire uitspraken van Röntgen, maar eerder op een zachte vorm van depres-siviteit. Een voorbeeld:

18

Journalist: Wat dacht U?

Röntgen: Ik dacht niet, ik onderzocht.

Journalist: Wat is het?

Röntgen: Dat weet ik niet.

Röntgen komt er al snel achter dat die stralen behoorlijk wat energie bevatten. Tijdens zijn experimenten stelt hij vast dat zijn huid rode vlekken vertoont op de plaats waar de X-stralen vaak terechtkomen. De opmerkzame waarne-mer trekt de juiste conclusies en schermt zich in het vervolg goed af, in tegenstelling tot veel anderen die last krijgen van allerlei aandoeningen, tot en met huidkanker. Op zeker ogenblik wordt röntgenapparatuur zelfs een kermisattractie: bekijk je eigen geraamte voor slechts vijf cent. Röntgen sterft op 78-jarige leeftijd aan darmkanker, zeker niet veroorzaakt door X-stralen, waar hij overigens maar een paar jaar aan werkt. Hij weigert patent te nemen op zijn ontdekking. Als in 1901 de eerste Nobelprijs voor Natuurkunde wordt uitge-reikt gaat die dan ook zonder discussie naar Röntgen, die de geldprijs prompt aan de universiteit van München schenkt, waar hij intussen een leerstoel bekleedt. Enkel Philipp Lenard heeft ernstige bedenkingen. Hij vindt dat de prijs op zijn minst mag gedeeld worden. Tenslotte bracht hij de verbeteringen aan de Crookes-buizen aan. Lenard houdt er een blij vende hekel aan Röntgen aan over, temeer daar die nooit, in geen enkel artikel of interview, op de ver-diensten van Le nard wijst. Lenard krijgt later wel een Nobel-prijs, maar hij voelt zich tot op zijn laatste dag miskend en ontwikkelt een sterk gevoel van haat, dat zijn leven blijvend zal beïnvloeden. Een gevoel van haat en miskenning dat zich zal kristalliseren op de joden tijdens het Hitler-regime. De ontdekking van Röntgen is niet rechtstreeks van be-lang bij de ontwikkeling van de kernbom, maar zij doet bij veel natuurwetenschappers een belletje rinkelen. Wie weet

19

hoeveel en welke soorten straling ons nog omringen? De zoektocht naar onbekende energierijke straling kan begin-nen. In januari 1886 schrijft J.J. Thomson een brief aan een van zijn leerlingen, Ernest Rutherford.

Ik heb alle foto’s gezien die tot op heden zijn gemaakt. Er

is een prachtige foto bij van een kikker… En natuurlijk

probeert de professor de werkelijke oorzaak en de aard van

de golven te achterhalen, en is het van groot belang om de

theorie erachter te ontdekken vóór iemand anders dat doet,

want bijna alle Europese geleerden zijn op het oorlogspad.

En of ze dat zijn. Tevergeefs echter, het duurt nog meer dan 15 jaar vooraleer Max Von Laue de ware aard van de stralen ontdekt. Toch levert de zoektocht weliswaar verkeerde, maar zeer belangrijke veronderstellingen op. Soms helpen zelfs verkeerde veronderstellingen de wetenschap vooruit. Rönt-gen zelf vermoedt dat de stralen worden geproduceerd door uv-licht. Later blijkt dat de energie van de X-stralen in het verlengde ligt van deze van de uv-straling. Een goede gok van Röntgen, die er echter niet in lukt om zijn veronderstel-ling experimenteel te staven. Reeds in januari 1896 zien ook de medici het belang van de ontdekking in. De kennis van het menselijk lichaam zal spectaculair toenemen. Röntgen staat aan de wieg van de me dische beeldvorming. Henri Poincaré, de meest vooraan-staande vertegenwoordiger van de mathematische fysica, wordt uitgenodigd om het werk van Röntgen te bespreken. Poincaré geeft een zeer gedetailleerd overzicht, maar voor-al één paragraaf uit het commentaar van Röntgen intrigeert hem.

20

Uit een groot aantal pogingen blijkt dat de plekken op de

kathodebuis waar de fosforescentie het helderst is, de voor-

naamste bronnen vormen van de X-stralen, dat wil zeggen

dat de X-stralen uitgaan van het gebied waar de kathode-

stralen het glas raken. Als we de kathodestralen in de buis

met behulp van een magneet verplaatsen, zien we dat de

X-stra len van een ander punt uitgaan. Daaruit leid ik af dat

de X-stralen niet identiek zijn aan de kathodestralen, maar

geproduceerd worden door kathodestralen aan het opper-

vlak van de buis.

Henri Becquerel

We weten intussen dat die twee verschijnselen toevallig sa-menvallen en onafhankelijk zijn van elkaar. Poincaré leidt uit de woorden van Röntgen echter een hypothese af die onjuist is, maar wel enorme consequenties heeft. Poincaré begrijpt dat het glas röntgenstralen uitzendt terwijl het fluo-rescerend wordt en dus vraagt hij zich af of alle stoffen met een voldoende groot fluorescerend vermogen behalve zicht-baar licht ook X-stralen uitzenden. Dat moet experimenteel te verifiëren zijn. Poincaré is een theoreticus en nodigt de experimentele fysici uit om zijn idee te onderzoeken. Het Franse genie gaat aan de slag en komt met de meest vreem-de waarnemingen voor de dag. Een van hen is Henri Becquerel. Henri stamt uit een dy-nastie van wetenschappers waarvoor we enig respect moeten opbrengen. Zijn grootvader, Antoine-César slaagt erin 1840 in om het Natuurhistorisch Museum met een nieuwe leer-stoel te verrijken, met hemzelf uiteraard als hoogleraar. Nu is dat Museum niet een instituut als een ander. Deze zeer respectabele instelling is opgericht rond de befaamde Jardin des Plantes en grootheden als Jean-Baptiste Lamarck, Georges

21

Cuvier en Louis-Joseph Gay-Lussac, waren er hoogleraar. Ver-gelijk het met het Institute for Advances Study in Princeton. In 1878 volgt zoon Alexandre-Edmond vader Antoine-César op. De geruchten over nepotisme duiken uiteraard op, maar zowel Antoine-César als Edmond ontpoppen zich tot uitste-kende experimentele fysici en maken hun benoeming meer dan waar. Vooral op het gebied van elektriciteit, lumines-centie, fluorescentie en mineralogie is hun inbreng indruk-wekkend. Zo moet, volgens de supporters van de Becquerels althans, de cel van Daniell eigenlijk de cel van Becquerel he ten en zijn Edmond en Faraday in een ernstig gevecht over prioriteiten verwikkeld. Edmond ontdekt onder ande-re de fotovoltaïsche cel, de moeder van alle zonnepanelen. De Becquerels bezetten gedurende 150 jaar ononderbro-ken de leerstoel experimentele fysica aan het Natuurhisto-risch Museum en van 1829 tot 1908 is minstens één Becque-rel, soms zelfs twee tegelijkertijd, lid van de Académie Française. Henri volgt in 1892 zijn vader op in het Museum. Opnieuw duiken geruchten over nepotisme op. De Becque-rels overleven echter een veelheid aan politieke veranderin-gen in Frankrijk. Van koninkrijk over republiek en keizerrijk en ga zo maar door. Enkel hun bekwaamheid houdt hen in het zadel of wellicht ook wel een beetje hun politieke opvat-tingen, conservatief, katholiek en altijd op de correcte poli-tieke koers van het ogenblik. Antoine-César ontpopt zich tot een heldhaftig officier in het napoleontische leger en in de affaire Dreyfus bijvoorbeeld staat Henri pal achter de autoriteiten. Maar de Becquerels zijn intelligent, uitstekende experi-mentatoren en bijzonder vasthoudend. Henri gaat aan de slag met fotografische platen die in zwart papier worden gewikkeld en daarna worden blootgesteld aan straling van fos forescerende stoffen, die geëxciteerd worden door zon-licht. Het resultaat is nul. Er is nochtans materiaal genoeg.

Henri Becquerel

23

Zijn vader, Edmond, heeft een schitterende verzameling fos forescerende zouten aangelegd, maar Henri is een beetje huiverig om ze te gebruiken. Blootstelling aan de lucht van die zouten, meestal sulfiden, doet ze veranderen door oxi-datie. Ook de uraniumzouten haalt hij slechts aarzelend uit hun beschermende behuizing, maar om de een of andere reden, noem het wetenschappelijke intuïtie, heeft Henri zijn grootste hoop gesteld op de fosforescerende uranium-verbindingen. Hij herinnert zich dat hij tien jaar geleden plaatjes van uranylbisulfaat en kaliumbisulfaat heeft ge-maakt voor zijn onderzoek naar fosforescentie. Die kristal-len zijn daarenboven bestand tegen blootstelling aan de lucht. Hij moet ze echter terugvragen aan Gabriël Lippmann aan wie hij ze heeft uitgeleend. Een maand later, op 24 fe-bruari 1896, publiceert Becquerel zijn resultaten. Henri be-schrijft zijn experimenten als volgt:

Ik omwikkelde een fotografische plaat met twee vellen zeer

dik zwart papier, zodanig dat de plaat niet grijs wordt door

blootstelling aan zonlicht. Op het papier legde ik aan de

bui tenkant een plaatje fosforescerend materiaal en legde

het geheel een paar uur in de zon. Als ik tussen de fosfores-

cerende stof en het papier een muntstuk legde, of een ijze-

ren scherm met een opgewerkt ajourpatroon plaatste, zag

ik de afbeelding van die voorwerpen op het negatief verschij-

nen. Ik moet dus concluderen dat de fosforescerende stof

de straling afgeeft die door het ondoorschijnende papier

heen dringt en de zilverzouten op de fotografische plaat

reduceert.

Zo op het eerste gezicht kan je hieruit besluiten dat de ver-onderstelling van Poincaré wordt bevestigd, maar Becquerel neemt blijkbaar overhaast besluiten. Op 1 maart 1896 vindt zijn beslissend experiment plaats. Op die dag doet hij een

24

waarneming die afwijkt van de vorige en die belangrijk ge-noeg is om ze de volgende dag al mee te delen op de weke-lijkse bijeenkomst van de Académie des Sciences. Hij voert die week opnieuw hetzelfde experiment uit, ditmaal met een koperen plaatje in de vorm van een Maltezer kruis op het papier. De zon wil echter niet mee en weigert tevoor-schijn te komen. Becquerel stelt de proef uit en stopt het rek met fotografische platen in een lade. Ook de vrijdag en de zaterdag neemt de zon vrijaf en op zondag besluit hij de fotografische platen te vernieuwen en het experiment als mislukt te beschouwen. Hij veronderstelt dat de fotografi-sche platen toch een beetje licht hebben opgevangen en on bruikbaar geworden zijn. Maar opnieuw komt de intuïtie naar boven. Voor hij de platen weggooit besluit hij ze toch te ontwikkelen. Waarom? Niemand die het weet, ook Becque-rel niet. Toeval? Toeval bestaat niet. Neem maar aan dat hij een zeer alerte wetenschapper is. Tot zijn grote verbazing vertonen de platen toch een afbeelding, ondanks de zorg-vuldige afscherming van het licht. Pas bij de wereldtentoon-stelling van 1900 wordt Parijs la ville lumière, maar op dat ogen blik gaan bij Becquerel een hele batterij lichtjes aan. Dit moet verder onderzocht worden, nu, direct en zonder uit stel. Morgen kan een ander dezelfde waarneming doen. Zondag of niet, Henri werkt zich te pletter in zijn lab. Hij be sluit de proef te herhalen en om iedere fout uit te schake-len maakt hij verschillende opstellingen, waarbij hij telkens bepaalde parameters verandert.

Op de bodem van een lichtdichte kartonnen doos legde ik

een fotografische plaat en op de gevoelige kant daarvan een

plaatje uraniumzout. Vervolgens heb ik daarnaast op de-

zelfde plaat nóg een plaatje van hetzelfde zout gelegd, maar

dat was door een dun glazen plaatje gescheiden van de fo-

tografische plaat. Datzelfde deed ik met een rek dat afgedekt

25

was met een plaat aluminium waarin ik een fotografische

plaat had gelegd en vervolgens aan de buitenkant een

plaatje uraniumzout. Het geheel borg ik op in een lichtdicht

karton, en vervolgens in een lade. Na vijf uur heb ik de pla-

ten ontwikkeld, en net als in de voorgaande experimenten

was het silhouet van de kristalplaatjes als een zwarte vlek

zichtbaar, alsof ze fosforescerend waren geworden.

Becquerel kan niet anders dan besluiten dat er geen oorza-kelijk verband is tussen de afgifte van straling door de ura-niumzouten en hun blootstelling aan het licht. Een verkla-ring voor zijn waarnemingen kan hij niet bedenken. Frede-rick Soddy, een medewerker van Rutherford bestempelt de ontdekking van Becquerel als puur geluk. Louis Pasteur daarentegen beweerde dat op het terrein van waarnemen het toeval enkel voorbereide geesten begunstigt. Henry Becquerel doet ook pogingen om de aard van zijn straling te achterhalen. Hij ontdekt dat ze in staat zijn lucht te ioniseren. Ze veroorzaken een ontlading van een elektro-scoop. Met een elektroscoop kan je enkel kwalitatieve metin-gen uitvoeren. Als je daarmee kwantitatief wil werken ben je ver van huis. Becquerel kan dus niets meer dan vaststellen dat de stralen in staat zijn een elektroscoop te ontla den. Voor het betere, kwalitatieve werk, is het wachten op precie-zere apparatuur. Nu wil het toeval dat de nobele onbekende Pierre Curie dergelijke apparatuur op hetzelfde ogenblik ontwikkelt en dat de nog veel onbekendere Maria Sklodow-ska zich niet alleen op de stralen van Becquerel stort, maar ook hopeloos verliefd wordt op Pierre Curie. Wie zei ook weer dat toeval niet bestaat? Hoe dan ook, 1 maart 1896 is een historische dag. Die dag beseft Becquerel het belang van zijn waarnemingen. Die dag, begint strikt genomen het nucleaire tijdperk. De stralen van Röntgen zijn spectaculairder. Skeletten die zichtbaar

26

worden, stel je voor. Het werk van Becquerel laat minder verbazingwekkende foto’s toe en krijgt dus veel minder aan-dacht in de media. Röntgen wordt een fenomeen, Becquerel blijft in vergelijking daarmee een relatief onbekende voor de publieke opinie, zo werkt het nu eenmaal. De ontdekking van de X-stralen heeft de geneeskunde een enorme boost gegeven, maar de twintigste eeuw wordt toch voor een groot deel gekenmerkt door de ontdekking van de radioactiviteit. Becquerel toont aan dat de straling die wordt uitgezonden door de uraniumzouten niets te maken heeft met blootstel-ling aan licht. Het moet dus een spontaan verschijnsel zijn. Nu is Becquerel wél bereid om zijn kostbare collectie mine-ralen te riskeren om de zaak verder te onderzoeken. Hij komt tot de vaststelling dat alle uraniumzouten met een ont roerende eensgezindheid de straling uitzenden, terwijl die bij geen enkel ander mineraal, fosforescerend of niet, kan worden waargenomen. Tot slot herhaalt hij het experi-ment met een uraanverbinding die niet fosforescerend is en ook hier neemt hij de stralen waar, waaruit hij besluit dat de stralen van Becquerel niets met fosforescentie, maar alles met uranium te maken hebben. Zelf noemt hij de stralen rayons uraniques. Zijn collega’s noemen ze meestal de stralen van Becquerel, maar halfweg 1898 wordt voor het eerst de term ‘radioactieve stoffen’ gebruikt door het echtpaar Curie. Inderdaad, hoewel de ontdekking van Becquerel bij de pu-blieke opinie minder beroering heeft veroorzaakt dan de ontdekking van de uraanstralen, neemt dit niet weg dat de wetenschappelijke wereld er met gretigheid zijn tanden inzet. In Duitsland bestudeert Gerhard Schmidt het ver-schijnsel en in 1898 vindt hij dat ook thorium dezelfde stra-ling vertoont. Marie Curie, die een paar dagen later het-zelfde vaststelt, wordt op de meet geklopt. En in Engeland is Rutherford begonnen aan een opmerkelijke carrière. In mei 1899 bestuderen de Duitse fysici Julius Elster en

27

Hans Geiger de invloed van een magnetisch veld en een elek trisch veld op radioactieve straling. Ook Friedrich Giesel waagt zich aan dat onderwerp en uiteraard ook Henri Bec-querel. Stilaan wordt duidelijk dat minstens een deel van de straling afbuigt in een magnetisch veld. Die straling wordt ‘afbuigende straling’ genoemd en vertoont verdacht veel ge lijkenis met kathodestraling. Later zal Rutherford deze stra ling β-straling noemen en nog later zal men ontdekken dat zowel kathodestralen als β-straling uit snelle elektronen bestaan.

De race naar de atoombom

Documents

Transcript of De race naar de atoombom