Buiten de vallei van stabiliteit

Exotische atoomkernen zijn een kort leven beschoren. Experimenten met radioactieve ionenbundels brengen tot nu toe onbereikbare gebieden op de kernkaart in beeld.

Exotische atoomkernen komen op aarde alleen voor in het laboratorium - en dan met een levensduur van soms niet meer dan millisecondes. Bij het publiek is de focus vooral gericht op superzware elementen, zoals eind vorig jaar toen een Duitse onderzoeksgroep aan het Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt kort na elkaar de vondst van de elementen 110 en 111 wereldkundig maakte. Maar behalve deze 'zware jongens' aan de bovenkant van het Periodiek Systeem is er op de kernkaart meer nieuws onder de zon. Zo werd in april 1994 door onderzoekers van opnieuw het GSI en het zusterinstituut GANIL, een zware-ionendeeltjesversneller in het Franse Caen, gemeld dat de sleutelkern Tin-100 voor het eerst was waargenomen. En op het moment wordt jacht gemaakt op Nikkel-78.

Tot de Caen-onderzoekers behoort prof.dr. Mark Huyse van de Katholieke Universiteit Leuven. In Normandië, maar ook in zusterinstituten in Darmstadt, Genève en Louvain-la-Neuve, doet deze kernfysicus experimenteel onderzoek aan exotische kernen, deels gestuurd door vragen uit de astrofysica.

Koolstofcyclus

Huyse: 'Door op aarde exotische kernen te bestuderen krijgen we een beter inzicht in de nucleosynthese in de sterren. Een recent voorbeeld is stikstof-13, van belang voor de koolstofcyclus via welke de zon voor een deel waterstof omzet in helium via tussenkomst van koolstof, stikstof en zuurstof. In uitzonderlijk hete sterren krijgt het instabiele stikstof-13 de tijd niet tot koolstof-13 te vervallen, maar vangt in plaats daarvan een proton in. Voor de sterevolutie is dit van cruciale betekenis, het werk van de onlangs overleden astrofysicus en Nobelprijswinnaar Fowler is er nauw mee verbonden. In ons cyclotron in Leuven hebben we de reactiesnelheid van deze protonvangst gemeten door stikstof-13 in een cyclotron te versnellen en op een waterstofrijke polyethyleen-schijf te schieten.'

Wat maakt kernen als tin-100 en nikkel-78 zo bijzonder? Het zit hem in de aantallen protonen en neutronen waaruit ze zijn opgebouwd. Atoomkernen laten zich karakteriseren via een atoomnummer Z, gelijk aan het aantal protonen, en het massagetal A dat de som van het aantal protonen en neutronen aangeeft. Z geeft het element zijn naam: zo staat nummer 50 voor tin en 28 heet nikkel. Maar van één element kan een hele trits isotopen bestaan: kernen met dezelfde hoeveelheid protonen maar verschillend aantal neutronen. Zo is er stabiel nikkel in de variëteiten A = 58, 60, 61, 62 en 64, waarvan de eerste met 67,8% het meest in de natuur voorkomt. Nikkel-65 is instabiel, met een halfwaardetijd (de tijd waarin de helft van de deeltjes desintegreert) van 2,6 uur. Isotopen met aanzienlijk meer neutronen, zoals nikkel-78, hebben een zeer korte levensduur.

Dat komt doordat er grenzen zijn aan de aantallen protonen en neutronen die zich tot een eenheid laten smeden. Tussen de positief geladen protonen bestaat een elektrostatische afstoting waarvan het destabiliserende effect bij opklimmend atoomnummer sterk toeneemt. Extra neutronen, neutrale deeltjes die net als protonen in hun naaste omgeving aantrekkende kernkrachten uitoefenen en voelen, houden de zwaardere kern toch bij elkaar. 'In zeker opzicht', aldus Huyse, 'gedraagt de atoomkern zich als een druppel, inclusief verschijnselen als oppervlaktespanning en insnoeringen. En net als een druppel kan een kern te groot worden. Symmetrie speelt ook een rol. Protonen- en/of neutronenaantallen van 8, 20, 28, 50, 82, 126 en 184 hebben de voorkeur: de magische getallen. Laten we nu de computer op dit alles los, dan leidt dit tot contouren op de kernkaart waarbinnen 6000 proton-neutron combinaties in min of meer gebonden toestand voorkomen.'

Aan de rand van deze enclave lekken neutronen of protonen bij gebrek aan bindingsenergie weg en verliest het begrip kern zijn betekenis. Huyse: 'In de buurt van die druppellijnen zitten soms halo-kernen, zoals lithium-11. Die heeft acht neutronen, een extreem hoog aantal, en de halfwaardetijd is 8,7 milliseconde. De laatste twee neutronen van lithium-11 zijn zo zwak gebonden dat ze zich als een waas buiten de rest van de kern ophouden en we beter kunnen spreken van lithium-9 met twee neutronen eromheen. Experimenten met lithium-11 ionenbundels op koper- of aluminiumplaatjes leverden de extreme diameter op van 6,3 femtometer, normaal goed voor een kern met drie keer zoveel kerndeeltjes.'

De natuur kent 264 stabiele kernen. 'Op de kaart vormen ze de bodem van de 'vallei van de stabiliteit',' aldus Huyse. 'In hun directe omgeving zijn tot nu toe 2500 instabiele kernen geïdentificeerd, maar slechts ten dele bestudeerd. Sommige liggen zo dichtbij de bodem dat hun levensduur die van de aarde overtreft, zodat ze in mineralen zitten en daar een bron van natuurlijke radioactiviteit vormen. Flankopwaarts in de vallei begint een terra incognita van exotische, sterk instabiele kernen. Niettemin kunnen daar 'eilandjes van stabiliteit' optreden, in het bijzonder rond kernen met magische getallen. Nikkel-78 en tin-100 liggen extreem hoog maar zijn tegelijk dubbel-magisch, vandaar onze interesse in deze buitenbeentjes.'

Radioactief verval

Via radioactief verval dalen instabiele kernen stapje voor stapje langs de vallei omlaag. Afhankelijk van hun positie op de kaart zetten ze neutronen om in protonen of andersom, onder uitzending van een elektron of positron: -straling. Protonrijke kernen verzwelgen soms een elektron uit de binnenste schil: K-vangst. Zware kernen zijn vaak -stralers en verliezen complete heliumkernen van twee protonen en twee neutronen. Steeds is het resultaat een dochterkern die een trede in de vallei is afgedaald. Waarna het proces zich herhaalt. Zo heeft uranium-238 (halfwaardetijd: 4,5 miljard jaar) acht - en zes -emissies nodig om op het stabiele lood-206 uit te komen.

Andersom zijn exotische plaatsen op de kernkaart in het laboratorium te bereiken door verschillende kernen te versmelten. In Darmstadt schieten Peter Armbruster en zijn medewerkers nikkel-64 met een energie van 318 MeV op een trefplaatje van bismuth-209. Bij die snelheid wordt de elektrostatische afstoting (de Coulomb-barrière) juist overwonnen met als gevolg fusie tot een kern van 111 protonen en 161 neutronen. De eerste metingen aan dit nog naamloze superzware element wijzen op een halfwaardetijd van 1,5 milliseconde. Huyse: 'De nieuwe kernen zijn ellipsoïdes. Het echte eiland van superzware bolvormige kernen ligt volgens de theorie bij 114 protonen en 184 neutronen. Met de stabiele uitgangsisotopen van Darmstadt begin je dan weinig. Om er te komen zou je een krypton-bundel op een schijfje lood-208 kunnen richten. Maar dan moet die krypton-isotoop wel acht neutronen meer bezitten dan de zwaarst bekende stabiele variant. Zo'n isotoop aanmaken en er een zuivere radioactieve ionenbundel uit formeren, dat is de uitdaging.'

Fragmenteren

In-vlucht-separatie is daarvoor een goede kandidaat. Bij deze nog jonge techniek ontstaan de exotische kernen door zware ionen te versnellen en op een trefschijf te schieten met het doel ze te fragmenteren. Huyse: 'Als een projectiel-ion een trefschijf-kern schampt, desintegreert de 'overlap' en vliegt het resterende deel 'gestript' van zijn elektronen met ongewijzigde snelheid door. Qua samenstelling kan dat van alles zijn, zowel proton- als neutronrijk. Een groot probleem is dat de gewenste exotische kern er doorgaans maar heel af en toe tussen zit. In Caen schoten we het stabiele tin-112 op een trefplaatje in de hoop bij het schampen twaalf neutronen kwijt te raken. In twee dagen bombarderen zagen onze detectors in totaal elf tin-100 kernen. In zo'n situatie is het zaak ongewenste achtergrondstraling weg te drukken. In Leuven, bij een experiment met een radioactieve neon-19 bundel, werden we misleid toen aluminium onderdelen in de meetkamer een fractie uranium bleken te bevatten.

Hoe de gewenste exotische kern uit de mêlée af te zonderen? Daartoe worden alle fragmenten door een magneetveld gestuurd dat ze naar rato van de verhouding A/Z afbuigt. Alleen een bepaalde serie passeert zo een spleet, de rest wordt tegengehouden. Deze selectie dringt vervolgens door een laagje aluminiumfolie dat kernen afremt in een mate die afhangt van het atoomnummer. Een tweede magneet en een Wien-snelheidsfilter zorgen voor een bundel waarin nog maar één isotoop is overgebleven. Huyse: 'Eventueel kan die bundel in een opslagring worden 'afgekoeld' zodat de kernen met iedere gewenste energie op een trefschijf gemikt kunnen worden. Op die manier komen kernreacties binnen bereik van kortlevende exotische isotopen en kunnen de meest afgelegen delen van de kernkaart alsnog worden bereikt.'