LEVE HET ELEKTRON

Binnenkort zullen wij de honderdste verjaardag vieren van het elektron. Volgens sommigen viel de geboorte samen met de oerknal, 15 miljard jaar geleden, maar wij fysici kennen het elektron pas sinds de experimenten met kathodestraalbuizen van J.J. Thompson. In 1895 toonde hij aan dat in wat wij tegenwoordig een tv-buis zouden noemen een stroom deeltjes loopt van de negatieve kant (de kathode) naar de positieve.

Thompson bepaalde hun lading en massa en doopte deze dragers van elektrische stroom "elektronen'. Deze experimenten toonden niet aan dat alle elektronen identiek zijn en sommige anti-atomistische fysici hielden vol dat het elektron geen uniek deeltje is en de gemeten lading slechts een gemiddelde waarde vertegenwoordigde. Daarop deed Millikan experimenten met druppeltjes olie die hij van een lading voorzag en in een elektrisch veld liet zweven. Zo kon hij vaststellen dat de druppeltjes steeds geladen waren met een geheel aantal malen (2x, 3x, 4x) de lading van Thompson's elektron. Door een rooster in de elektronenbuis aan te brengen kon Lee De Forest de elektronenstroom regelen en zelfs versterken. Dit leidde tot de geboorte van de moderne elektronica en de ontwikkeling van radio, tv, radar, rekenmachine, elektronenmicroscoop, etc.

Toen iedereen er van overtuigd was dat het elektron een deeltje was, een fundamentele bouwsteen der natuur, strooide de atoomfysica roet in het eten. Om het gedrag van het elektron in het atoom te verklaren moest men aannemen dat het geen deeltje is maar een golf. Het bewijs voor het golfkarakter van het elektron werd geleverd door Davisson en Germer die elektronen verstrooiden aan een nikkelkristal en dezelfde interferentieringen konden waarnemen als bij de diffractie van röntgenstralen.

Toch is het vreemd dat in het ene experiment het elektron zich gedraagt als een deeltje en in het andere als een golf. Het werd nog vreemder, want het elektron bleek te roteren om zijn eigen as waardoor het in een magneetveld rechtop kan staan of op z'n kop. Ook werd voorspeld en gevonden dat het elektron een anti-deeltje heeft, een positron, met dezelfde massa als het elektron maar positief geladen. Als een elektron botst met een positron verdwijnen beide en blijft er slechts een lichtflits over.

Het beeld dat wij thans hebben van het atoom bestaat uit een positieve kern met een wolk negatief geladen elektronen daar omheen. De kern bepaalt slechts de massa van een stof en de positieve lading trekt de negatieve elektronen naar een bepaalde plaats in een stof. Vrijwel alle andere eigenschappen van materie worden door de elektronen bepaald, niet door de kern. Of een stof hard is of zacht, gasvormig, vloeibaar of vast, blauw, geel of rood, een isolator of een geleider, wat de structuur is van de materie om ons heen wordt door de elektronen bepaald.

Het is de droom van de atoomfysici om het gedrag van de elektronen zo goed te kennen dat op basis daarvan alle mogelijke macroscopische eigenschappen van materie verklaard worden. Atoomfysici zijn dus eigenlijk elektronenfysici en geen kerngeleerden.

In 1948 leerden fysici van AT&T Bell Labs het gedrag van elektronen in een kristal net zo goed beheersen als in de elektronenbuis van Lee De Forest. Zij bouwden een miniatuur elektronenbuis, de transistor, waaruit de micro-elektronica, een compleet nieuwe industrie, zou ontstaan.

Thans domineert de micro-elektronica de moderne technologie. Geen enkele industrie is zo innovatief en besteedt zoveel geld aan research en ontwikkeling als de micro-elektronica. Geen wonder, want de transistor, computer, radio, tv, telefoon, radar, cd, magnetron, supergeleider, zonnecel, video, walkman, discman, autotelefoon, e-mail, fax en alle mogelijke medische en wetenschappelijke apparaten en technieken kun je niet als olie uit de grond halen. Ze zijn allemaal ontwikkeld in de research-laboratoria van de elektronische industrie. Op dit moment is deze industrie al net zo groot als de hele autobranche. Tegen het jaar 2000 zal de omzet in micro-elektronica over de hele wereld gelijk zijn aan die van de olie of de chemische industrie.

Op het eeuwfeest van het elektron zal Philips ongetwijfeld zijn nieuwste vinding laten zien: de high-definition television. Er zullen echter ook enkele verrassingen uit het wetenschappelijk onderzoek in Nederland te bewonderen zijn. In een samenwerking tussen Philips en de Technische Universiteit Delft is ontdekt dat het transport van elektronen door een nauwe opening gequantiseerd is. Als het kanaaltje waar de elektronen door moeten heel nauw is, ter grootte van de golflengte van de elektronen, zal er interferentie optreden.

Maakt men het kanaaltje een klein beetje breder dan kunnen er niet meteen meer elektronen door. Pas wanneer de breedte gelijk is aan een geheel aantal malen de golflengte van de elektronen, neemt de stroom sprongsgewijs toe. De vinding kan leiden tot een nieuwe klasse elektronische schakelingen, gebaseerd op het golfkarakter van elektronen.

Dezelfde groep in Delft heeft ook een soort draaideur voor individuele elektronen ontwikkeld. In een speciale schakeling worden elektronen, als of het deeltjes zijn, een voor een doorgegeven van de ene plaats in de schakeling naar de andere. Het FOM-Instituut in Nieuwegein zal zijn "Free Electron Laser' demonstreren, een versneller waarin elektronen door een sterk wisselend magneetveld worden gejaagd zodat afstembare laserstraling in het infrarood wordt opgewekt. Het Nationale Instituut voor Kern en Hoge Energie Fysica in Amsterdam toont een 900 MeV elektronenversneller, een soort elektronen-microscoop voor atoomkernen, waarmee het gedrag van quarks in verschillende atoomkernen met elkaar vergeleken zal kunnen worden. Bij het FOM-instituut voor Atoom- en Molecuulfysica ziet men elektronen rondom de kern vliegen binnen in het atoom.

Het is mogelijk dat het eeuwfeest van het elektron ruw zal worden verstoord door een nieuwe meting van de Amerikaanse Nobelprijswinnaar Dehmelt. Terwijl iedereen "weet' dat het elektron oneindig klein is, is Dehmelt op zoek naar de straal van het elektron. Hij heeft een val gebouwd waarin hij het deeltje kan opsluiten en rustig voor lange tijd bestuderen.

Voorlopige meetresultaten laten zien dat de magnetische eigenschappen van het elektron afwijken van de theorie voor een oneindig klein deeltje. Hieruit concludeert hij dat het elektron een straal zou kunnen hebben ter grootte van 1/100.000.000.000.000.000.000 cm.

Ook al is het elektron nog zo klein, waarvan zou het gemaakt zijn? Hoe is het mogelijk dat het zich als deeltje en als golf kan gedragen? Hoe kan het elektron wel massa hebben maar geen grootte? Is het anti-deeltje, het positron, net zo groot of klein? Hoe kunnen ze elkaar annihileren tot een lichtflits terwijl ze allebei uit materie bestaan? Dit zijn vragen voor de volgende eeuw. Zonder de antwoorden te kennen is de micro-elektronica van deze eeuw ontstaan. Het is toch gek dat onze moderne technologie zo afhankelijk is van het elektron terwijl wij niet eens weten hoe groot het deeltje is.

In afwachting van het eeuwfeest rondom het elektron, dat ongetwijfeld in 1995 gaat plaatsvinden, zijn Nederlandse ontdekkingen met elektronen alvast te zien tijdens de nationale wetenschaps- en technologieweek van 11 tot 18 oktober a.s.

    • Frans W. Saris