In de kookpotten van de moderne alchimie MARTIJN VAN CALMTHOUT
Gepubliceerd op 03 december 1994 00:00, bijgewerkt op 15 januari 2009 20:47

De jacht op steeds weer nieuwe elementen heeft kort geleden geleid tot de vondst van nummer 110. Dat gebeurde, evenals de voorgaande drie, in Darmstadt. Het element bestaat weliswaar maar een kwart milliseconde en je hebt er niets aan, maar daar gaat het niet om. De mens heeft nu eenmaal kathedralenbouwers nodig.

HET WAS donderdag 10 november 1994, Darmstadt. Na bijna een maand voorbereidend meten hadden de onderzoekers van de Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) eindelijk hun belangrijkste experiment aan de praat.

Sinds twee dagen vlogen kernen van nikkelatomen uit de versneller van het lab tegen speciaal geprepareerde plaatjes lood. Detectoren keken toe. Dr Victor Ninov was die ochtend begonnen aan de analyses van de eerste magneetband met meetgegevens.

Het was hèt moment om even achterover te leunen. Nu de zaak eindelijk op rolletjes liep, had groepsleider prof. dr Sigord Hofmann, alom bekend als een onvermoeibaar werker, aangekondigd pas na de lunch op het lab te zullen zijn. De godfather van de Duitse jacht op superzware atoomkernen, prof. dr Peter Armbruster, werkte thuis. Ook een groep gastonderzoekers van een concurrerend instituut in het Russische Dubna was er niet. Die maakte een toeristisch vaartochtje op de Rijn.

Ninov haalde spectrum na spectrum op zijn beeldscherm, lange reeksen grillige lijntjes die duidden op het vervallen van allerlei radioactieve stoffen die in de proefopstelling waren gemaakt bij de botsingen. De computer speurde, rekende, combineerde de gegevens.

En dan, Ninov is eigenlijk nog maar net begonnen, is het raak bij een event van de vorige middag om negen over half vijf. Een reeks van vier gebeurtenissen valt als een sleutel in het vooraf gedefinieerde slot.

Nu al, binnen twee dagen bombarderen? Ninov laat de analyse nog eens passeren. Maar de gegevens spreken voor zichzelf. In de SHIP-detector van GSI is de dag ervoor een atoom ontstaan dat nog niet in het Periodiek Systeem voorkomt. Een samenklontering van 110 protonen en 159 neutronen, de zwaarste atoomkern die ooit is gevonden. Het lang verwachte element 110 is eindelijk echt gezien, al blijkt uit de berekeningen dat het maar ongeveer een kwart milliseconde bestaat voor het radioactief vervalt.

Ninov wacht Hofmann, altijd stipt op tijd voor de lunch, op in de hal. Als de olijke, maar verlegen en iets corpulente onderzoeksleider binnenstapt, is één blik genoeg. 'Ik hoefde de spectra eigenlijk niet eens meer te zien, die kon ik al dromen', zegt Hofmann met glimmende pretoogjes, nagenietend van dat mooie moment van een week of wat terug.

Tien jaar na 'zijn' vondst van elementen 107, 108 en 109 kreeg Armbruster, een zacht pratende, kleine, bebaarde man met na al die jaren het gezicht van een vermoeide Columbus, het nieuws ditmaal niet meteen te horen. Pas toen hij op vrijdag weer op het lab arriveerde, lag er een kort artikel op zijn toetsenbord. 'Production and Decay of 269110', te publiceren in Zeitschrift für Physik A. Zijn naam stond er al boven. Hij had bijna tranen in de ogen, erkent hij nu vanachter zijn kaffee. 'De vierde'

'We hadden Peter kunnen bellen, maar dan had hij het niet stil kunnen houden, dit is op zo'n moment bijna te veel zijn levenswerk', zegt de huidige groepsleider Hofmann bijna verontschuldigend. Samen met Ninov kroop hij op 10 november achter de tekstverwerker en kwam er niet eerder dan om een uur of twee 's nachts weer achter vandaan.

'We waren er zo vol van, we hadden niet eens door dat het al zo laat was', zegt hij. De maandag erop overhandigde hij het door dertien auteurs geschreven artikel persoonlijk op de redactie in Heidelberg. Submitted November 14, 1994, staat erboven. Die middag was er tussen de bedrijven door een fles Sekt van de Labor-directie.

Begin deze week is de ontdekking geaccepteerd voor publikatie in het decembernummer. Inmiddels is de eerste waarneming van 9 november uitgebreid met nog drie gevallen waarin het element 110 werd gezien. Note added in proof, heet dat. Armbruster: 'Maar al hadden we maar één waarneming gehad, dan hadden we het nog gepubliceerd.'

Vanwaar toch die haast? Armbruster heft de handen. Omdat, legt hij met een zucht uit, 'we weten dat de groep in Dubna al een maand voor ons was begonnen met een campagne om element 110 te maken. Met een geheel andere methode, en niet dat ik ze veel kans geef, maar er bestaat daardoor toch wel een zekere nervositeit.'

Een hartverzakking bij Hofmann zou niet denkbeeldig zijn geweest als het nieuws van 110 eerder uit Dubna was gekomen dan uit zijn eigen machine. Enkele jaren lang leken Hofmann en Ninov de laatsten der Mohikanen onder de Duitse atoom-alchimisten te worden. De groep die tussen 1981 en 1984 de drie nieuwste elementen - 107, 109 en 108 - toevoegde aan het periodiek systeem, werd vrijwel opgeheven toen het GSI in 1986 besloot een nieuwe versneller te bouwen.

TOT EIND vorig jaar waren er nauwelijks mogelijkheden om te zoeken naar nieuwe, nog zwaardere elementen. Een frustrerende tijd, erkent Hofmann. En zelfs Armbruster vertrok voor enige tijd naar het buitenland.

De synthese van superzware elementen is namelijk in toenemende mate een kwestie van stug doordouwen. Superzware atoomkernen worden bij het GSI gemaakt door zware kernen van lood (element 82) of bismuth (83) te beschieten met iets lichtere kernen van bijvoorbeeld chroom (element 24), ijzer (26) of nikkel (28) in de hoop dat beide zullen fuseren. De fusiekans daalt dramatisch naarmate het produkt zwaarder moet zijn. En als ze al ontstaan, vallen zulke kernen direct weer via spontane kernsplijting uiteen.

Met de apparatuur die in 1984 nog Armbrusters persoonlijke triomf, element 108, opleverde, zou nu minstens een half jaar onafgebroken moeten worden gemeten om één kern van het element 110 te vinden. En zoveel tijd krijgt niemand, in welk versnellerinstituut dan ook. Laat staan in een instituut als GSI, dat een nieuwe, peperdure ionenversneller moet rechtvaardigen met snelle resultaten.

In de stille jaren schaafde Hofmann echter met engelengeduld aan die praktische beperking. Een hele waslijst van aanpassingen heeft de Darmstadtse meetmethode nu meer dan tien keer zo nauwkeurig gemaakt. 'In plaats van jaren meten hebben we het nu weer over weken, zoals bij 108 en 109 het geval was.' Pas sinds oktober dit jaar is Darmstadt met de nieuwe meettechnieken weer in de race naar superzware kernen. Met onwaarschijnlijk snel succes, laten zelfs de op zijn Duits ietwat gereserveerde onderzoekers wel doorschemeren. Glück gehabt, en ze slaan de ogen neer.

Theoretici hebben jaren reikhalzend naar dit moment uitgekeken. Eindelijk hebben zij weer een nieuw punt op de landkaart der elementen, een smal schiereiland dat zich in een zee van instabiliteit bevindt. Een punt om hun theorieën aan te toetsen.

Op aarde lijken nergens atoomkernen voor te komen die zwaarder zijn dan uraan. Sinds de opkomst van de kernsplijting zijn, aanvankelijk vooral in wapenlaboratoria als Lawrence Livermore in de Verenigde Staten en Dubna in de vroegere Sovjet-Unie en sinds 1975 in Darmstadt, tussen 1940 en 1984 nieuwe elementen tot element 109 gemaakt. Maar toen leek het op te zijn, wat onderzoekers ook voor kernen op elkaar schoten.

Dat komt vooral doordat de nieuwe atomen steeds sneller uit elkaar vallen door radioactief verval. Het in 1974 in Berkeley ontdekte element 105 leefde gemiddeld nog bijna een seconde, element 109 net geen tweeduizendste seconde - en 110 nu ongeveer eentiende daarvan.

Naar maatstaven van fysici nog steeds behoorlijk stabiel omdat het een eeuwigheid is vergeleken met andere processen in de atoomkern. Maar als alles direct vervliegt, wordt meten snel onmogelijk. Sommige theorieën voorspellen dat pas rond element 114 weer langer levende superkernen zouden kunnen bestaan, omdat daar een verdeling van protonen en neutronen kan bestaan die mooi symmetrisch is en dus stabieler.

Maar voorlopig is dat nog ver buiten bereik, zelfs in de experimenteerhal bij Darmstadt, die vanaf de loopbruggen op de eerste verdieping nog het meest op een versteend Spel zonder Grenzen lijkt. Als een immens doolhof staan muren van heuphoge betonblokken in de onafzienbare ruimte, waarin de schaarse rondscharrelende onderzoeker in het niet valt. Overal zoemen vacuümpompen en gloeien displays en flakkeren diodes in muren van stuurcomputers.

De versnellerpijp loopt uit het gebouw achter ons onder onze voeten door naar de diverse eindstations waar de versnelde deeltjes op trefplaatjes botsen. De SHIP-detector, een uit afbuigmagneten en detectoren opgebouwde kookpot van de moderne atoomalchimisten, staat precies recht vooruit.

SHIP kan met onvoorstelbaar hoge precisie vaststellen welke produkten er ontstaan wanneer kernen van nikkel (6228) op lood (20882) klappen. Het apparaat stelt tot op duizendsten van een millimeter vast waar een brok kernmateriaal na de inslag terechtkomt en met welke snelheid. Daaruit laat zich een massa van één enkele atoomkern al berekenen. De identiteit ervan moet echter volgen uit de manier waarop zo'n kern radioactief uit elkaar valt.

Element 110 kan een alfadeeltje, een heliumkern, uitzenden en zo vervallen naar element 108. Ook 108 vervalt weer, naar 106, en dat weer naar 104.
De registratie van een karakteristieke reeks alfadeeltjes geeft aan dat een nikkelatoom is versmolten tot de oorsprong van de reeks, een kern van het nieuwe element 269110. In de eerste meetserie tot 20 november werden zo vier van zulke kernen betrapt.

EEN NAAM hebben de Duitse ontdekkers nog niet voorgesteld voor het nieuwe element - vooralsnog heet het gewoon 110. Die non-naam is een statement, gromt Armbruster, een boodschap aan de internationale federatie voor toegepaste en zuivere chemie, IUPAC. De Nomenclatuurcommissie voor Inorganische Chemie van die instelling heeft het alleenrecht de officiële namen vast te stellen van nieuwe elementen, dat is onbetwist.

'Maar dat is wat anders dan ons voorstel voor 108, hassium, af te wijzen en zelf hahnium voor te stellen en bohrium in plaats van ons nielsbohrium. Ze zullen wel gedacht hebben: och, met Otto Hahn zijn die Duitsers vast ook content. Maar ouders hebben het recht hun kinderen een naam te geven. Dat is een principieel recht.'

De zaak is des te merkwaardiger omdat de naam hahnium onder kernfysici al lang is ingeburgerd voor het in 1970 in Berkeley ontdekte element 105. Komende zomer zal de IUPAC in het Engelse Guildford de zaak beslechten. En Armbruster zal daar gelijk krijgen, zo voorspelt hij, plotseling strijdbaar.

Kans dat er in de praktijk onduidelijkheden zullen optreden, is er overigens niet, zegt de oude fysicus. 'Dit heeft geen enkele technische toepassing meer, het is kennis verwerven per se. Begrijpen waarom alleen bepaalde kernstructuren kunnen bestaan, is als het bouwen van kathedralen. De mens heeft zoiets nou eenmaal nodig.' En hij klopt erbij met zijn rechtervuist op zijn hart.

Woensdag 30 november 1994, Darmstadt. Onderzoeksleider Hoffman heeft twee bureaus tegen elkaar geschoven om alle paperassen bij de hand te hebben die nodig zijn voor het colloquium van vanmiddag. Kerst nadert, nog twintig dagen, zegt de man aan het andere eind van de papiervlakte veelbetekenend. Element 111 wacht, via het beschieten van bismuth met nikkel. 'We hebben element 110 nu kunnen produceren met één geval per drie dagen. In tijd die ons rest, hebben we nog een aardige kans ook der Hundertelf op onze naam te brengen.'

Later in de collegezaal, met de mouwen opgestroopt voor zo'n tweehonderd nieuwsgierige collega-fysici, rode vlekken in zijn hals: 'Meine Herren, ook isotoop 271110 is reeds zeven maal aangetoond.' Zelfs de Russen in de zaal, gasten uit Dubna waar men al sinds september plutonium met zwavel beschiet in de hoop één kern van 110 te vinden, applaudisseren enthousiast.