Atomair verrassingsei splijt ‘verkeerd’

Zeventig jaar na de ontdekking van atoomsplitsing staan fysici opnieuw versteld van het splijtgedrag van atomen. Een kwikisotoop blijkt niet volgens de boekjes uiteen te vallen.

Kernsplitsing voorziet dagelijks in zo’n 14 procent van de totale menselijke energiebehoefte, maar nog altijd begrijpen fysici niet precies hoe het werkt. Hoe groot dat gebrek aan kennis is, blijkt uit een onderzoek waarin kwik-180-atomen alle bekende splitsingswijsheden aan hun laarzen lapten (Physical Review Letters, december 2010). Op compleet onverwachte wijze breekt het atoom op in twee ongelijke stukken.

Voordat dit splitsgedrag aan het licht kwam, leek de wereld van kernsplitsing nog overzichtelijk. Het overgrote merendeel van de atomen splitsen namelijk altijd in twee evengrote stukken. Uitzonderingen zijn bekend, maar goed gedocumenteerd. Zo weten we dat sommige grote atomen niet symmetrisch splitsen. Zo blijft van uranium na afloop één groot brok tin-132 en één kleiner restant over. De reden daarvoor is simpel: tin-132 is een zogenaamd ‘magisch’ atoom. De 50 protonen en 82 neutronen in de kern vullen de energieniveaus van het atoom volledig. Het resultaat is een extreem stabiel splitsingsproduct dat energetisch gunstig is om te maken.

Tot voor kort leek met die kennis het recept voor splitsing duidelijk: het gebeurt óf symmetrisch, óf asymmetrisch met magische splitsingsproducten. Bij Belgisch onderzoek aan het Zwitserse Cern viel echter ineens de bodem onder die veronderstelling vandaan. De onderzoekers gebruikten voor hun ontdekking een instrument dat in staat is radioactieve isotopen te maken en analyseren, en lieten het apparaat een straal tallium-180 produceren. Die atomen vervielen door een elektron in te vangen, waardoor één van hun 81 protonen in een neutron veranderde. Daardoor bleef kwik-180 over.

‘Vooraf hadden we verwacht dat kwik-180 zou splitsen in twee zirkonium-90 atomen’, vertelt Piet van Duppen, nucleair fysicus aan de Katholieke Universiteit Leuven. Dat men verwachtte dat het atoom op die manier zou splitsen, is overigens dubbel logisch. Want niet alleen is die manier van splitsen symmetrisch, zirkonium- 90 is met zijn 40 protonen en 50 neutronen bovendien ook nog eens ‘magisch’.

De verrassing was dan ook compleet toen bleek dat kwik-180 helemaal niet symmetrisch splitste. In plaats daarvan brak het atoom asymmetrisch en produceerde één brokstuk rutenium-100 en een brokstuk krypton-80, beiden atomen die niet magisch zijn.

Aanvankelijk snapte niemand waarom kwik-180 niet volgens de gebaande paden splitste. Collega’s van van Duppen uit de theoretische fysica bedachten echter een voorzichtige verklaring. Uit hun berekeningen bleek dat 10,5 tera-elektronvolt nodig was voor splitsing in gelijke brokken. Op basis van het massaverschil tussen kwik-180 en tallium-180 kreeg het atoom slechts 9,5 tera-elektronvolt startkapitaal mee. Daardoor leek het op voorhand onwaarschijnlijk dat kwik-180 überhaupt zou kunnen splitsen.

Het atoom deed dat in de praktijk echter een stuk vaker dan gedacht. De verklaring die de theoreten vonden was dat asymmetrische splitsing energetisch een stuk voordeliger was dan men vooraf gedacht. Ze ontdekten die verrassende uitkomst door een energielandschap te maken waarop de benodigde energie voor bepaalde vervormingen van het atoom – waaronder ook splitsing – werd afgezet. Om te begrijpen hoe dat in zijn werk ging, kun je het atoom het beste vergelijken met een vloeistofdruppel. Van Duppen: ‘Als je zo’n vloeistofdruppel een beetje vervormt, zou je bijvoorbeeld een rugbybal of een pannenkoek kunnen maken. Bij elke configuratie verandert de totale energie. Je kunt elk punt dat je zo krijgt uitzetten op een landschap dat weergeeft hoe de energie van die vloeistofdruppel zich verhoudt tot een bepaalde vervorming.’

De energieniveaus in dat landschap werden gebaseerd op het samenspel tussen verschillende processen in de atoomkern. Zo speelden de oppervlaktespanning, de elektrostatische lading en de kernkrachten allemaal een rol. Bestudering van het resultaat leerde dat er een ideaal pad was waarlangs de atoomkern kon splitsen. Dat was het pad van de experimenteel gevonden asymmetrische splitsing. ‘We zien nu dat de topologie dat aanduidt, maar waarom dat zo is, snappen we nog niet’, geeft van Duppen toe.

En zo kan het dat meer dan 70 jaar na de ontdekking van atoomsplitsing, jaren na de ontwikkeling van de atoombom en in een wereld waarin vele nucleaire reactoren draaien, we nog altijd niet helemaal begrijpen hoe atoomkernen nu precies splitsen. Van Duppen: ‘Wij doen fundamenteel onderzoek en willen snappen hoe bijvoorbeeld de sterke en zwakke interacties in atomen precies plaatsvindt. Maar we zijn daarbij nog ver verwijderd van een sluitend begrip. Deze ontdekking helpt ons de atoomkern beter te doorgronden.’

Dit bericht is eerder verschenen in NWT Magazine