is het onderdeel der natuurkunde, dat zich bezighoudt met de eigenschappen en de structuur der atoomkernen. De onderstelling dat een atoom bestaat uit een positief electrisch geladen kern, waaromheen zich negatieve electronen bewegen (z atoom, atoommodel), werd door Rutherford in 1911 uitgesproken op grond van proeven over de verstrooiing van alpha-stralen bij het passeren van dunne materielaagjes.
De voortzetting van deze proeven door J. Chadwick (1920) bevestigde de onderstelling van A. van den Broek (1913), dat de lading van een atoomkern gelijk zou zijn aan Ze waarbij e de elementaire lading (1,60 X 10_1 coulomb) voorstelt en Z gelijk is aan het atoomnummer (z atoom, atoommodel) d.i. het rangnummer van het betreffende element in het periodiek systeem. Het aantal electronen, dat zich om de kern beweegt, is eveneens gelijk Z. De negatieve lading van een electron is in grootte gelijk aan e, zodat de totale lading van een atoom nul is.Algemeen wordt thans aangenomen, dat alle atoomkernen zijn samengesteld uit neutronen en protonen, welke, naast de electronen, als elementaire materiedeeltjes zijn op te vatten. Het neutron bezit geen lading, het proton een positieve lading e. De massa van een proton is ten naaste bij gelijk aan die van een neutron en ca 1840 maal zo groot als die van een electron. De som van het aantal protonen en neutronen, te zamen ook als nucleonen aangeduid, noemt men het massanummer A. Een kern met atoomnummer Z en massanummer A bevat Z protonen en N = A — Z neutronen. Men duidt zulk een kern aan door links van het chemisch symbool van het betreffende element bovenaan het massanummer en onderaan het atoomnummer te plaatsen. Zo wordt een waterstof (Hydrogenium)-kern, met A = 1, Z = 1, die dus slechts uit één proton bestaat, voorgesteld door 1 1H en een zuurstof (Oxygenium)-kern, met A = 16, Z = 8, door 1860. Kernen met gelijke Z doch verschillende A heten isotoop. Zo zijn 2 1 H (ook deuterium genoemd) en 3 1H (ook tritium genoemd) evenals 1 1 H waterstof isotopen en17 8 ), 18 8 O evenals 16 8 O zuurstof isotopen. Kernen met gelijke A doch verschillende Z noemt men isobaren. Bij de in de natuur voorkomende kernen bedraagt het aantal isotopen bij oneven Z meestal i en slechts in enkele gevallen 2 of 3; bij even Z is dit aantal als regel meer dan 2 en is het grootste aantal 10. Isobare kernen treft men behoudens een enkele uitzondering alleen aan bij even A en even Z.
De aan de dag tredende voorkeur voor even aantallen nucleonen openbaart zich ook in het feit, dat de chemische elementen met even Z zowel in de aardkorst als in de zonne-atmosfeer relatief sterker vertegenwoordigd zijn dan die met oneven Z, terwijl bij een zelfde element de mengverhouding voor de isotopen met even A als regel die met oneven A overtreft. Men kan met deze voorkeur de gedachte verbinden, dat in de kern de nucleonen zich gaarne tot paren samenvoegen.
De massa’s der atoomkernen kunnen met grote relatieve nauwkeurigheid bepaald worden met de massaspectrograaf. Als eenheid van massa gebruikt men in de kernphysica gewoonlijk het zestiende deel der massa van een 16 8 O-atoom. In deze eenheid is de massa van een proton gelijk aan 1,0075, die van een neutron aan 1,0089. De massa van een atoomkern blijkt steeds iets geringer te zijn dan de som van de massa’s der nucleonen, waaruit zij is samengesteld, wanneer deze in vrije toestand zijn.
Het verschil heet het massadefect. De energie, die nodig is om een kern volledig in haar bestanddelen te splitsen, de zgn. bindingsenergie, is, volgens het principe der aequivalentie van massa en energie (z relativiteitstheorie), gelijk aan het massadefect vermenigvuldigd met het quadraat der lichtsnelheid. De bindingsenergie blijkt bij benadering evenredig te zijn met A, dus met het aantal nucleonen. De bindingsenergie per nucleon bedraagt gemiddeld ca 8 MeV (1 MeV is de energie die een elementaire lading e verkrijgt bij het doorlopen van een spanning van 1 millioen volt), hetgeen overeenkomt met 0,009 kern-massa-eenheden. Bij de lichtere en de zeer zware kernen is zij in het algemeen kleiner, bij de middelzware groter dan deze gemiddelde waarde. Voegt men aan een kern met even Z en even JV, waarin dus alle nucleonen „gepaard” kunnen zijn, een nieuw neutron toe, dan is het minder sterk gebonden dan de reeds aanwezige; een tweede toegevoegd neutron is echter weer sterker gebonden.
De energie van een atoomkern in normale toestand stelt men gelijk aan -E, als E de bindingsenergie voorstelt. Bedraagt de energie -E', waarin E' < E, dan zegt men dat de kern in een aangeslagen toestand verkeert. Het blijkt dat de aangeslagen toestanden van een atoomkern een discrete reeks vormen, d.w.z. dat E' niet alle, doch slechts een bepaald aantal waarden E1, E2 enz. tussen o en E kan aannemen, zoals dit ook met de energie der electronen die zich om de kern bewegen het geval is (z atoom, atoommodel). Is een kern in een aangeslagen toestand gebracht, dan zal zij als regel bijna onmiddellijk door uitzending van één of meer gamma-quanta (z gammastralen) overgaan in de normale toestand (grondtoestand). In sommige gevallen geschiedt deze overgang eerst na een langere meetbare tijd. In dat geval zegt men dat de aangeslagen kern gamma-radioactiviteit vertoont en dat de aangeslagen kern isomeer is met de kern in de grondtoestand. Bij aangeslagen kernen bestaat vaak ook de mogelijkheid, dat in plaats van een gamma-quantum één of meer nucleonen worden uitgezonden. Tussen de protonen in een kern werken afstotende krachten ten gevolge van de positieve electrische lading. Uit het feit dat de nucleonen niettemin bijeen blijven moet men besluiten dat er bovendien nog aantrekkende krachten werken. Van deze krachten, de zgn. specifieke kernkrachten, weet men nog betrekkelijk weinig. Uit het feit, dat de bindingsenergie per nucleon niet sterk van het massanummer afhangt, mag men besluiten, dat de werking van deze krachten zich slechts over zeer korte afstanden uitstrekt. Uit de omstandigheid dat kernen, vooral de lichte, bij voorkeur uit ongeveer gelijke aantallen neutronen en protonen zijn samengesteld volgt, dat de wisselwerkingsenergie der kernkrachten tussen een neutron en een proton gelijk is aan die tussen een proton en een ander proton en eveneens gelijk aan die tussen twee neutronen. Bij de kernen met grotere Z doet zich de afstotende werking der positieve ladingen der protonen sterker gevoelen, waardoor de bindingsenergie per nucleon afneemt en de stabiliteit verloren dreigt te gaan. Om de stabiliteit te bewaren moet daarom het aantal neutronen sterker toenemen dan dat der protonen. Voor zeer grote Z (> 83) kan de afstotende werking van de ladingen der protonen niet meer genoegzaam door de aantrekkende werking der specifieke kernkrachten gecompenseerd worden. De kernen worden dan instabiel, hetgeen zich openbaart in het verschijnsel der radioactiviteit. Voegt men aan het zwaarste isotoop van een element nog een of meer neutronen toe of onttrekt men aan het lichtste isotoop een of meer neutronen, dan wordt eveneens het evenwicht der krachten verbroken en ontstaan ook instabiele, radioactieve kernen.
Men stelt zich wel voor, dat de krachtwerking tussen de nucleonen in een kern samenhangt met de mogelijkheid der uitwisseling van zgn. mesonen. Gaat een positief meson van een proton over naar een neutron, dan wordt het eerste een neutron en het tweede het proton. Gaat een negatief meson over van een neutron naar een proton, dan wordt het eerste een proton en het tweede een neutron. Door deze voorstelling wordt aan de nucleonen, hoewel zij als elementaire, d.w.z. als niet-samengestelde, materiedeeltjes zijn te beschouwen, het karakter der onveranderlijkheid ontnomen.
Onder de straal van een kern verstaat men de afstand waartoe een materiedeeltje, bijv. een neutron of proton, het midden van de kern moet naderen om de inwerking der specifieke kernkrachten merkbaar te ondergaan. Uiteraard is deze afstand niet scherp bepaald en kan hij voor verschillende materiedeeltjes verschillend zijn. Ruw gesproken is deze afstand gelijk aan 1,5 x 10~13 wortel3A cm, als A het atoomnummer van het betreffende element is. Ter vergelijking diene dat de afstand waarop de electronen zich rond de kern bewegen van de orde 10~8 cm is, dus 104— 106 maal zo groot als de kernstraal. Naast lading, massa, energie en afmeting moet aan de atoomkern nog worden toegekend een mechanisch en een magnetisch moment. Aan het mechanisch moment, ook draai-impuls of spin genoemd, kan men de aanschouwelijke voorstelling verbinden van een rotatie van de kern of van de kernbestanddelen om een as. Het bezit van een magnetisch moment wil zeggen, dat de kern zich gedraagt als een klein magneetje (vgl. de aarde, die roteert om haar as en bovendien een magnetische noordpool en zuidpool heeft). De grootte van de spin drukt men uit in de eenheid h/2𝝅, waarbij h de constante van Planck is (6,62 X 10-34 joule sec). In deze eenheid is de spin van het neutron en van het proton, evenals die van het electron, ½ . Voor kernen, die uit een even aantal neutronen en een even aantal protonen bestaan, is zij gelijk nul. Men kan zich hierbij voorstellen, dat de spins der nucleonen elkaar twee aan twee compenseren (aan tegengestelde rotaties beantwoorden). Voor de overige kernen geldt, dat voor de even waarden van A de spin een klein geheel getal, voor de oneven waarden van A een gering aantal malen ½ bedraagt. Hier is dus sprake van een niet volledige compensatie der spins. De grootte der magnetische momenten van de kernen is van de orde 1000 maal zo klein als het magnetisch moment van een electron, hetgeen een der belangrijkste argumenten is voor de opvatting dat in de kern geen electronen als zodanig aanwezig zijn. De aanwezigheid der kernmomenten openbaart zich o.a. in de hyperfijnstructuur der spectraallijnen en komt ook tot uiting bij de molecuulvorming. Wanneer bijv. twee waterstofatomen zich verenigen tot een molecuul, kunnen daarbij de momenten der atoomkernen gelijk of tegengesteld gericht zijn. In het eerste geval spreekt men van ortho-waterstof, in het tweede van para-waterstof. Deze twee waterstofmodificaties, die in normaal waterstofgas in de verhouding 3 : 1 zijn gemengd, verschillen in diverse eigenschappen, o.a. in soortelijke warmte en in spectrum. Dank zij haar verschillende verdampingssnelheid zijn zij door fractionneren van elkaar te scheiden. Ze gaan slechts langzaam in elkaar over.
In het verschijnsel der radioactiviteit heeft men te doen met een spontane transformatie van atoomkernen, waarbij deze overgaan in atoomkernen van een ander element. De transmutatie der elementen doet zich hier dus in spontane vorm in de natuur voor. De ontwikkeling der kernphysica heeft ook de kunstmatige transmutatie mogelijk gemaakt. Het eerste voorbeeld daarvan werd gevonden door Rutherford in 1919 bij een onderzoek naar de verstrooiing van alpha-stralen door stikstof. Hij constateerde, dat daarbij protonen ontstonden en besloot daaruit, dat een alpha-deeltje, dat een stikstofkern treft, daaruit een proton kan vrijmaken.
Door uitzending van een proton (j H) gaat deze instabiele kern dan ook onmiddellijk over in een kern van het zuurstof-isotoop 17 8 O.
Kernreacties van dit type, waarbij een alpha-deeltje als projectiel wordt gebruikt, terwijl een proton ontstaat, noemt men wel kortweg (a,p)-reacties. Zij zijn thans met zeer veel elementen bewerkstelligd, waarbij veelal van met het cyclotron versnelde heliumatomen is gebruik gemaakt. Hetzelfde geldt voor de (a, n)-reacties. Naast alphadeeltjes kunnen ook protonen, deuteronen, neutronen en gamma-quanta als „projectielen” tot het verkrijgen van kernreacties worden gebruikt, terwijl elk dezer deeltjes eveneens in aanmerking komt om bij de reacties te worden uitgezonden. Neutronen, die in de natuur als zodanig niet voorkomen, worden daarbij zelf eerst door kernreacties verkregen en hetzelfde geldt voor gamma-quanta. Zo zijn o.a. de volgende reacties bewerkstelligd (n, p), (n, a), (n, y), (n, 2n), (p, n), (P> d), (P> “)> (P> V)> (d, n), (d, p), (d, a), (d, 2n), (a, n), (a, p), (a, n+p), (y, n). De kernen, die door deze reacties ontstaan, verschillen, zoals gemakkelijk is na te gaan, steeds een of enkele eenheden in atoomnummer of in massanummer of in beide, van de oorspronkelijke kern. In veel gevallen zijn zij dan ook niet stabiel, maar radioactief. Men spreekt dan van kunstmatige radioactieve isotopen. De waarschijnlijkheid voor het optreden van een kernreactie wordt bepaald door de kans, dat het projectiel de kern treft en daarin doordringt en door de kans dat een deeltje uit de getroffen kern treedt. Vallen op een dun laagje materie met 1 cm2 oppervlak dat k kernen bevat, n projectielen en treden daarbij P kernreacties op van een bepaald type, dan zegt men dat de werkzame doorsnede voor deze reactie a = P/nk cm2 bedraagt. De orde van grootte der werkzame doorsneden voor kernreacties stemt met die van het quadraat van de kernstraal overeen. Veelal drukt men a uit in 10-24 cm2, waarbij deze eenheid wel als barn (Eng. schuur) wordt aangeduid. Voor reacties, waarbij geladen deeltjes als projectielen worden gebruikt, neemt de werkzame doorsnede in het algemeen sterk toe met de energie der deeltjes. Vandaar dat de ontwikkeling der kernphysica aanleiding heeft gegeven tot het construeren van machtige apparaten tot het versnellen van geladen deeltjes (cyclotron, v. d. Graaff-generator, synchrotron). Een belangrijk hulpmiddel bij het waarnemen van kernreacties is de Wilson-kamer. In fig. 4a en 4b zijn twee voorbeelden van Wilsonphoto’s van kernreacties weergegeven.
In vele gevallen van kernreacties bezit het uitgestoten deeltje een grotere, soms veel grotere, kinetische energie dan het projectiel. Men spreekt dan, naar analogie van de chemische reacties, van een exotherme reactie. De energie, welke bij exotherme kernreacties vrijkomt is, per atoom gerekend, van de orde 106 maal zo groot als bij de exotherme chemische reacties. Anderzijds stuit de energiewinning door middel van kernprocessen op het bezwaar van de zeer geringe werkzame doorsnede. De mogelijkheid dit bezwaar te overwinnen is pas geopend door de ontdekking van het splijten van zware atoomkernen door beschieting met neutronen (O. Hahn, 1938). Dat bij deze splijting, waarbij uit een zeer zware atoomkern twee middelzware atoomkernen ontstaan, energie kan vrijkomen, volgt uit de overweging dat voor de middelzware atoomkernen de bindingsenergie per nucleon het grootst is. Eveneens kan men daaruit besluiten, dat ook bij de opbouw van zeer lichte atoomkernen tot zwaardere energie vrij kan komen (z verder atoombom, atoomenergie en waterstofbom). Met de energie, welke bij de exotherme kernreacties ontstaat, resp. bij de endotherme verdwijnt, correspondeert een vermindering, resp. vermeerdering, der aan de reactie deelnemende massa’s. De regel der relativiteitstheorie dat massa en energie met elkaar samenhangen volgens de betrekking
E = me2 (c = lichtsnelheid)
heeft in de kernphysica dan ook de meest eclatante experimentele bevestiging gevonden (z dematerialisatie en materialisatie).
PROF. DR G. J. SIZOO.
