Det fantastiske neutronet

Citation preview

DONALD J. HUGHES

Det fantastiske neutronet ■=

CAPPELENS REALBØKER

Det fantastiske neutronet

CAPPELENS REALBØKER 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Robert Galambos: Nerver og muskler. C. V. Boys: Fysikk med såpebobler. Donala J. Hughes: Det fantastiske neutronet. C. G. Jung: Det ubevisste. Alfred Romer: Det aktive atomet. Goran Bergman: Fuglenes liv. Donald G. Fink og David M. Lutyens: Fjernsynets fysikk. Michael H7. Ovenden: Liv i universet.

Donald J. Hughes

Det fantastiske neutronet Oversatt av Hedvig Wergeland

OSLO 1963

J. W. CAPPELENS FORLAG

Originalens titel: The Neutron Story. Copyright © 1959 by Educational Services Incorporated. Norsk utgave: © 1963 J. W. Cappelens Forlag A/S, Oslo. Trykt i Nationaltrykkeriet, Oslo.

Cappelens Realbøker

Den moderne naturvitenskap har forandret vårt liv, vår kultur og vårt verdensbilde. Hver dag bringer forskningen nye resultater som for få år siden bare eksisterte i fantasi­ rike fremtidsskildringer. Men for hver dag synes også gapet mellom naturvitenskapens og legmannens viten å bli større, og det blir stadig vanskeligere å følge med i den forskning som forandrer vår verden. Det er populærvitenskapens oppgave å slå bro over dette gapet. Det er en viktig oppgave, som må løses hvis ikke vår kultur skal rakne, en oppgave som er like viktig som forskningen selv. Cappelens Realbøker er en nyskapning innenfor norsk populærvitenskapelig litteratur. Seriens hovedformål er å gi en oversikt over moderne naturvitenskap i en populær form, og utgiverne håper at bøkene vil gi støtet til fort­ satte studier hos leserne. Forfatterne av Cappelens Real­ bøker er ikke bare eksperter på sine spesielle områder, de er også valgt på grunn av sine evner til å fremstille sin viten på en fengslende måte. Dels er bøkene hentet fra den amerikanske populærvitenskapelige Science Study Series, som er anerkjent som verdens fremste serie i sitt slag, dels er det andre bøker av norske og utenlandske forfattere av tilsvarende høy kvalitet som presenteres for det norske publikum i Cappelens Realbøker. 5

Den faglige kvalitet i Cappelens Realbøker garanteres av et veiledende konsulentutvalg bestående av professor, dr. med. Alf Brodal, professor Knut Fægri, direktør Gunnar Randers og professor Harald Wergeland. Etter­ hvert vil serien danne et moderne fagbibliotek som spenner over emner fra fysikk til psykologi, fra medisin til geologi. Det er vårt håp at serien vil være til nytte for alle dem som ønsker å holde seg orientert om den moderne naturvitenskaps fremskritt, for derigjennom bedre å kunne forstå den verden vi lever i.

Innhold

Forord. 1. Det allsidige neutronet .......................................................

9

Neutronets natur og bedrifter. - Dets korte men spennende historie. - En byggesten for alt stoff. 2. Gåter og løsninger................................................................

17

Atomet og kjernen. - Kjernestrukturens gåte. Neutronet blir oppdaget. - Neutronet inne i en atom­ kjerne. 3. Bølger og partikler .............................................................

30

Både bølge og partikkel. - Neutronets størrelse. Avbøyning av en neutronstråle. - Neutronspeil. 4. Inne i neutronet ....................................................................

45

Hvordan neutronet spaltes. - Neutronet som magnet. - Polariserte neutroner. - Mesoner inne i neutronet. 5. Kjerner og neutroner...........................................................

61

Kjerneinnfanging av langsomme neutroner. - Radioisotoper, hvordan de fremstilles og hva de kan gjøre. - Hvordan grunnstoffene ble dannet. - Kjernen som en matt krystallkule. 6. Atomkonfigurasjoner...........................................................

77

Fysiske egenskaper og atomkonfigurasjoner. - Hvor­ dan hurtige neutroner forandrer krystaller. - Hvordan langsomme neutroner sonderer dem. - Om hydrogen­ atomer. - Magnetiske atomer. 7

7. Kalde neutroner og svingende atomer.............................. 92 Hvordan neutroner blir avkjølt. - Atomsvingninger som varmeenergi. - Hvordan kalde neutroner av­ slører atomære bevegelser. - Svingningsfrekvenser for atomer. - Høyfrekvente svingninger i hydrogen. 8. Kjedereaksjonen.................................................................... 108 Grunnprinsipper for fisjonen. - Kjedereaksjonen. Atombomben. - Atomreaktoren. - Fisjon, fusjon og neutronets fremtid. - Slutning. Register ........................................................................................

124

Forord

Jeg hadde det store hell å få lære om neutronet direkte av Enrico Fermi selv, like fra den første kjedereaksjonen i 1942, og videre gjennom mange år, til hans død i 1954. Da Mrs. Fermi, som da var i The Physical Science Study Committee, ba meg om å skrive denne lille beretningen om neutronet, påtok jeg meg oppgaven med glede. Den ville gi meg en anledning til å bringe videre til mange mennesker den brennende iver etter å trenge inn i materiens natur, som Fermi så utrettelig la for dagen. Og det har vært en stor opplevelse å skrive den. For mens jeg for­ søkte å gjøre rede for neutronets store betydning, har jeg stadig hatt i tankene mange inspirerende samtaler med Fermi, hvor disse begrepene etterhvert ble klar­ gjort for meg. Fordi neutronets reaksjoner så klart belyser funda­ mentale fysiske lover, forteller så meget om atomets bygning, og dessuten har stor praktisk betydning, er det velegnet som emne for en monografi i denne serien. Jeg har egentlig hatt tre nokså forskjellige grupper av lesere i tankene. For det første alle de unge studentene, som vil gå videre for på egen hånd å drive forskning på ukjente områder. For det annet dem som studerer realfag i den høyere skolen, men kommer til å fortsette på for­ skjellige ikke-vitenskapelige felter. Og endelig de almin­ nelige leserne, som ikke følger noen kurser, men er in­ teressert i hva moderne vitenskap innebærer. 9

Enda man måtte vente å finne store forskjeller mellom disse tre gruppene, var det heldigvis ikke vanskelig å skrive en og samme bok for dem alle. Jeg syntes ikke det var nødvendig å gjøre noen utstrakt bruk av matematikk eller tekniske uttrykk for å forklare neutronets natur og hva det kan utrette. Heller ikke behøvde den subatomære verden å fremstilles på noen sensasjonell måte, for at man skulle forstå det tillokkende ved den. Etter min mening er historien om neutronet vitenskapelige kjensgjerninger, hvis betydning og skjønnhet kan skildres uten høyere matematikk eller store overskrifter. Jeg er sikker på at De vil være enig med meg i dette - historien rummer mystikk, dybde og skjønnhet, hvis mening kan meddeles til alle som er villige til å lytte oppmerksomt, selvom de ikke skulle ha noen teknisk skolering. Mange mennesker har medvirket ved utgivelsen av denne boken, så liten som den er. Blant disse vil jeg særlig gjerne takke Mrs. Laura Fermi, som ga meg anledningen til å fortelle neutronets historie, og Dr. S. A. Goudsmit, som så elskverdig har hjulpet hele tiden. Mrs. Jeanne Stough ytet stor hjelp med å forberede manuskriptet, mens George R. Cox og Dr. Robert C. Garth hjalp til med illustrasjonene. Når det gjelder overføringen av manuskriptet til en virkelig bok, står jeg i særlig takk­ nemlighetsgjeld til John H. Durston og Bruce F. Kingsbury fra the Physical Science Study Committee, og til Mrs. Lee Wertheim. Donald J. Hughes

1 Det allsidige neutronet

Vi har ofte hørt historier om underfulle og mystiske hendelser - mest fra fjerne land eller eldgamle tider. Og enda finnes det andre underfulle og mystiske riker inne i ganske alminnelige kjente ting, hvis vi bare kan se dem riktig. For våre fem sanser kan disse tingene nok ta seg temmelig prosaiske ut. Men med den merkverdige sjette sans som vi har i følsomme instrumenter, er det som om vi opplevde en ny verden inne i stoffet, så for­ underlig at det nesten overstiger vår fatteevne. Og denne lilleputtverden har en egenskap som gjør den enda mer tiltrekkende: i motsetning til eventyret er den sann. Det er en underlig verden, dette subatomære rike, men meget virkelig. En stor del av det er ennå ukjent, og vil kanskje alltid være det, skjønt utforskningen daglig foregår i økende tempo. Etter hvert som vårt kjennskap til denne atomverdenen stadig har vokst, iblant langsomt og møy­ sommelig, undertiden i store sprang, har vi funnet nye midler til hjelp ved undersøkelsene. Denne boken handler om ett av dem, og det stemmer overens med mikroverdenens natur at dette hjelpemidlet viser seg å være et ørlite stykke materie, uten elektrisk ladning.

*** Det kan se underlig ut å ofre en hel bok på en eneste partikkel, og det til og med slik en liten en. Hensikten med historien er ganske enkelt å beskrive neutronet, dets . 11

natur og dets merkelige bedrifter. Sant nok, den handler om innviklede saker. Før vi er ferdige, skal vi ha spekulert over iallfall noen av universets mest overveldende mys­ terier, og ha studert menneskets aller største vitenskapelige landevinninger. Men la oss før vi kommer i gang med fortellingen, tenke over hvordan det bitte lille neutronet kan fortjene så stor oppmerksomhet i så imponerende omgivelser. Enda kjemikere, fysikere og matematikere i genera­ sjoner hadde lært om materiens atomære struktur, hadde neutronet for bare snaue tredve år siden ingen plass i deres tankeverden, for det var ennå ukjent. Men så viktig er denne partikkelen i dagens fysikk, at et helt område av forskningen - neutronfysikken - grunner seg på dens egenskaper. Og ung som denne nye grenen av naturvitenskapen er, berører den så mange faser av teoretisk forskning og har så stor og betydningsfull praktisk anvendelse, at den i virkeligheten er meget mer enn ett enkelt arbeidsfelt. Vi behøver bare å tenke på produksjon av elektrisk kraft i stor målestokk ved hjelp av atomenergi, eller driften av kjempestore hurtiggående undervannsbåter, for å forstå neutronets praktiske mulig­ heter. I tillegg til disse mer dramatiske anvendelsene, spiller neutronet en viktig rolle i «ren» eller grunnleggende vitenskap, hvor praktiske resultater ikke er målet. Neu­ tronets innsats her er ikke på langt nær så iøynefallende som atomenergien, men vil sannsynligvis bli til større velsignelse for menneskeheten i det lange løp. Hvordan kan det ha seg at dette lille stykke materie bare i løpet av tredve år kunne vise seg så allsidig? En annen partikkel, protonet, som ligner det meget, har ikke frembragt resultater som kan sammenlignes med neutronets, enda den har vært kjent meget lenger. Det er ingen gren av forskningen som kalles «protonfysikk», skjønt man i lang tid har vært klar over protonets grunn­ leggende egenskaper. 12

I struktur er protonet og neutronet meget like. For­ skjellen er først og fremst at protonet har en positiv elektrisk ladning, mens neutronet, som det ligger i navnet, er elektrisk nøytralt. Likevel er det denne tilsynelatende ubetydelige forskjellen som ligger til grunn for neutronfysikkens forbausende mangfoldighet. I denne boken skal vi lære å kjenne noen av de spennende detaljene om hvordan neutronene på så mange måter brukes som føl­ somme redskaper i den rene forskning, og samtidig har viktige praktiske anvendelser. Men først må vi forstå hvorfor nettopp mangelen på elektrisk ladning er grunn­ laget for neutronets makt. Mangelen på ladning er så viktig fordi så å si alle de andre delene som materien er sammensatt av, er elektrisk ladd. Protonet er positivt, de fleste elektroner negative, og skjønt atomet som helhet er nøytralt, består det av en positiv kjerne, omgitt av elektroner. Som vi vet virker elektriske ladninger sterkt på hverandre, de tiltrekker hverandre hvis ladningene er forskjellige, og frastøter hverandre hvis de er like. For å gjøre klart hva det gjelder, så la oss tenke oss at vi vil undersøke eller forandre den indre strukturen - atomene - i et stykke stoff ved å bom­ bardere det med hurtige atomære partikler, som vi bruker som sonde. Vi ville møte store vanskeligheter hvis vi brukte ladde partikler - la oss si protoner - til prosjek­ tiler. Et proton som ble skutt inn i et eller annet materiale, ville raskt bli stanset av de elektriske kreftene mellom dets ladning og de negativt ladde elektronene i stoffets atomer. På grunn av den elektriske vekselvirkningen, som raskt reduserer protonets energi, må man ha stor begynnelseshastighet for i det hele tatt å kunne bruke protoner til å undersøke et stoff. Men neutronet, som ikke har noen elektrisk ladning, går lett inn i stoffet, uhindret av elektronenes elektriske ladninger. Som vi ser av fig. 1, går neutronene i rette baner og bryr seg i det hele tatt ikke om atomene, med13

Fig. 1. Neutronets gjennomtrengningsevne er meget større enn protonets. Atomenes negativt ladde elektroner stanser raskt de positivt ladde protonene. Bortsett fra sjeldent forekommende sammenstøt med kjerner trenger de uladde neutronene uhindret gjennom stoffet. Denne illustrasjonen er (i likhet med de andre her i boken) en symbolsk fremstilling av det vi vet om materiens be­ standdeler, og ikke et korrekt billede. Vi kan ikke avbilde subatomære partikler nøyaktig, fordi de har egenskaper som ligger utenfor vår erfaringskrets. Av den grunn må vi godta en modell eller et symbol, men det kan bare gi en antydning om de egenskapene som for­ skerne har utledet av indirekte observasjoner og teoretiske beregninger.

mindre de skulle støte direkte sammen med selve kjernen. Neutronet ville ikke behøve stor hastighet for å trenge igjennom stoffet, og kunne i virkeligheten gjøre det selv om det beveget seg meget langsomt. Som vi skal få høre mer om senere, varierer både neutronets og alle andre partiklers egenskaper i meget høy grad med hastigheten. For å utføre bestemte oppgaver ved hjelp av neutroner, enten det nå er i forskning eller i praktisk anvendelse, er det viktig å kunne bruke neutroner med den hastighet som passer best for hver enkelt oppgave. Da neutroner av hvilken som helst hastighet lett kan trenge inn i stoffet, står hele fartsregistret til rådighet, og man kan velge den hastighet som i hvert tilfelle er mest hensiktsmessig. Hele denne boken vil i virkeligheten belyse hvordan man­ 14

gelen på ladning er den grunnleggende egenskap som i den korte tiden neutronene har vært kjent, har gitt dem så umåtelig stor betydning på nesten alle områder av ren og anvendt vitenskap. Kanskje ville det være nyttig på dette trinn av frem­ stillingen å gi en oversikt over hva neutronet har utrettet i en «levetid» på mindre enn tretti år. Senere skal vi gå nærmere inn på de mest oppsiktsvekkende resultatene. Siden omstendighetene ved dets «fødsel» - dvs. dets oppdagelse - er den rene roman, skal vi vie vårt neste kapittel til denne spennende historien, og her nøye oss med å understreke at neutronet, som ble «født» så sent som i 1932, nå er i sin beste alder. Det ventet såvisst ikke lenge med å vise hva det dugde til, for i 1939, i sjuårsalderen, ble neutronet midlet til å iverksette urankjernens kløvning. Dette er den prosess som for første gang viste at veibare mengder av stoff virkelig kunne tilintetgjøres under utvikling av energi. Energimengden, som forlengst var forutsagt i Einsteins ligning: E=mc2, var uhyre stor, og oppdagelsen inn­ varslet en ny form for brennstoff, materien selv. Og i 1942, i den unge alder av 10 år, var neutronet med på fri­ gjøringen av energi fra masse i praktisk målestokk, ved den kontrollerte kjedereaksjonen. Bare tre år senere ble denne kjedereaksjonen, hvor neutronene inngikk sammen med uran, brukt til å lage atombomben. Kort etter sluttet den annen verdenskrig. Da var tiden inne for neutronet til å vise at det hadde store muligheter også på ikke-militære felter. Neutronets virk­ somhet på områder hvor det kunne gagne menneskene, ble raskt mer omfattende - så raskt at i løpet av et par år ble den fredelige bruk av atomenergi gjenstand for internasjonalt samarbeide. Neutronet var såvidt 21 år gammelt, da president Eisenhower i en tale til De Forente Nasjoners hovedforsamling i desember 1953 foreslo at det skulle opprettes et internasjonalt organ for å fremme 15

anvendelsen av atomkraften til nyttige formål. To år sen­ ere ble den første verdensomfattende «Atoms for Peace»konferansen holdt i Genéve, og den store rikdom av teknisk materiale som ble lagt frem på denne konferansen, var et avgjørende bevis for den høyde neutronet, som da var 23 år, hadde nådd på det praktiske område. Neu­ tronets 26. leveår ble markert ved den annen Genévekonferanse, som var mer enn dobbelt så stor som den første. Og Den Internasjonale Atomenergi-kommisjon ble en fast institusjon, med hovedkvarter i Wien og mer enn 80 nasjoner som medlemmer. Så viktige som disse praktiske sakene er - produksjon av elektrisk kraft, drivstoff for skip, og radioisotoper til bruk i medisinen og industrien - så er det allikevel først og fremst neutronets anvendelser i ren forskning som vi her skal se på. Disse anvendelsene er meget vanskeligere å beskrive og meget mindre håndgripelige enn slike opp­ lagte saker som atomubåter. Men historien om dem er minst like spennende. I grunnforskningen beskjeftiger vi oss med de lovene som gjelder for all materie og dens ytringsformer, enten det er i atomets lille verden, eller i stjernetåkenes astronomiske målestokk. Neutronet, som er en av byggestenene for all materie, er av særlig be­ tydning for oppdagelsen og forståelsen av disse grunn­ leggende lovene. Endog egenskapene hos selve neutronet i fri tilstand skaffer oss meget å vite om materiens innerste struktur. Men enda mer finner vi i dets vekselvirkninger med andre partikler og med større stoffprøver. De åpen­ barer følsomt og på mange forskjellige måter de dypeste sammenhenger mellem elementærpartiklene, som alt er bygd opp av. Når vi nå er blitt klar over hvor umåtelig betydningsfull denne partikkelen er, så la oss først ta for oss den gåten hvis løsning førte til neutronets oppdagelse, og dernest de fengslende egenskapene hos neutronet selv og dets forskjelligartede reaksjoner overfor alle former for stoff. 16

2

Gåter og løsninger

Den første demonstrasjonen av neutronets betydning i moderne fysikk fant sted umiddelbart etter at det ble oppdaget: det hjalp til å løse problemet om oppbygningen av atomkjernen, som selv bare hadde vært kjent i atten år. Men før vi beretter historien om oppdagelsen av neu­ tronet og om dets plass i kjernestrukturen, må vi gi en oversikt over noen av de enkleste kjennsgjerninger om atomet, idet vi konsentrerer oss om dets sentrale del, kjernen. Når vi har gjort det, kan vi så meget bedre vur­ dere neutronets fundamentale betydning, samtidig som vi får være vitne til på hvilken dramatisk måte viktige fremskritt i vitenskapen undertiden blir gjort. Men vi skal ikke tape av syne det faktum at oppdagelsen av neutronet - hvor overraskende og spennende den enn var hvilte trygt på et stort antall forutgående omhyggelige undersøkelser. Tilsammen gjorde de det endelige gjennom­ bruddet mulig. ATOMET OG KJERNEN

I løpet av det 18. og 19. århundre hadde kjemikerne langsomt samlet beviser for at all materie består av meget små partikler som de kalte atomer, altfor små til at man kan se dem, selv gjennom de sterkeste mikroskoper. Ved å iaktta hvordan forskjellige stoffer reagerte med hverandre, hadde de vært istand til å foreta nøyaktige bestemmelser 2. Neutron

17

Molekyl

•o«

Grunnstoff

Sammensatt stoff

Fig. 2. Naturens mangfoldighet fremkommer ved at grunnstoffer forener seg til sammensatte stoffer. Grunnstoffer består av atomer av en og samme sort. Sammensatte stoffer består av molekyler, som kan inneholde mange sorter atomer. Hvordan atomer danner grunn­ stoffer og molekyler sammensatte stoffer er vist her. Det er bare 92 grunnstoffer som forekommer i naturen, men de forbinder seg på utallige måter til den verden vi kjenner fra våre sanseinntrykk.

av disse usynlige partiklenes vekt og størrelse, og til å lære noe om hvordan uensartede atomer forener seg og danner den store mangfoldighet av forskjellige stoffer som utgjør vår verden. Således visste man at grunnstoffene, elementene, som hydrogen, oksygen, jern, kobber osv., er særlig enkle stoffer, for hvert av dem består av bare én bestemt sort atomer. Andre stoffer, som kalles sammen­ satte stoffer, inneholder mer enn én sort atomer, som vi ser i fig. 2. Et grunnstoffatom forblir vesentlig uforandret når det forbinder seg med andre, selv om det for våre sanser later til at egenskapene forandrer seg merkbart. Oksygenatomer i form av oksygengass i atmosfæren er for eksempel de samme som dem som i forbindelse med hydrogenatomer danner vann. Lenge før man hadde studert atomenes indre struktur, hadde kjemikerne lært meget om grunnstoffene, hvorav gassen hydrogen inneholder de letteste atomene og metallet uran de tyngste. Et utall av eksperimenter har etterhvert avslørt atom­ enes oppbygning. Det meste av atomvolumet er opptatt 18

av banene til elektroner, som beveger seg med stor hastig­ het, og som hvert av dem bærer en negativ elektrisk enhetsladning. Hydrogenatomet inneholder bare ett elek­ tron, uran har 92. Da elektronene er meget lette, er praktisk talt hele atomets vekt konsentrert i et lite om­ råde i midten, kjernen. Gjennom kjemiske eksperimenter hadde man fått kjennskap til atomenes vekt og hvordan de gjensidig virker på hverandre ved hjelp av sine ytterste elektroner. Disse resultatene ga imidlertid nesten ingen opplysninger om kjernen. Kjemiske forandringer, slik som for eksempel forbrenning, angriper bare de ytterste elektronene, mens kjernen som ligger dypt innenfor, overhodet ikke påvirkes. Det er endog mulig å slutte fra kjemiske reaksjoner til antallet elektroner i det enkelte grunnstoffatom. Den russiske kjemiker Mendelejev hadde også virkelig ordnet alle elementene i en bestemt kjemisk rekkefølge, som strakte seg fra hydrogen til uran. Skjønt han ikke tenkte på elektroner - for elektronet var ennå ikke oppdaget hadde han ordnet stoffene etter antall elektroner, 1 for hydrogen og 92 for uran. Senere fant man at den rekke­ følgen han hadde stilt opp med kjemiske metoder, kunne bekreftes ved hjelp av røntgenstråler. Ut fra atomers reaksjon på røntgenstråler kan antallet elektroner måles direkte. Igjen var elementenes rekkefølge den samme - ett elektron for hydrogen, to for helium osv., til 92 for uran. Da atomer normalt ikke har noen elektrisk ladning, var det klart at hvert atom på en eller annen måte måtte inneholde et kvantum positiv elektrisitet, som kunne opp­ veie elektronenes negative ladning. Dessuten måtte det meste av atomets vekt være forbundet med denne positive ladningen, for elektronene er ytterst lette. Men kjemiske eksperimenter kunne ikke fortelle hvor i atomet denne positive ladningen og massen var å finne. I 1910 oppdaget den britiske fysiker Ernest Rutherford at massen og den positive ladningen var konsentrert 19

Alfa-partikler

Fig. 3. Avbøyning av alfa-partikler var den nøkkel som førte til Lord Rutherfords oppdagelse av kjernen, et stort skritt fremover i utforskningen av materien. Hans resonnement var at den sterke avbøyning av partiklene som iblant forekom, bare kunne forklares hvis atomets positive ladning var konsentrert i et lite område i midten - kjernen.

i midten av atomet. Hans eksperiment, som markerte begynnelsen til kjernefysikken, gikk ut på å skyte alfapartikler, som man fikk fra radium, gjennom tynne metallplater. Vanligvis passerte alfapartiklene direkte gjennom metallet uten å bli spredt i nevneverdig grad. Men en sjelden gang ble de sterkt avbøyd, eller de ble endog kastet tilbake, så de ikke gikk igjennom metallet i det hele tatt.1 Disse kraftige avbøyningene (se fig. 3) kunne ikke være forårsaket på annen måte, resonnerte Rutherford, enn ved en liten elektrisk ladd partikkel inne i atomet. En kontinuerlig fordeling av ladd materie kunne aldri spre alfa-partiklene i så store vinkler. Hvis derimot massen var plasert praktisk talt i ett punkt, ville alfa-partikkelen bli sterkt frastøtt av elektriske krefter, hvis den til­ feldigvis skulle styre direkte mot dette punktet. Og kjernen 1 Dette eksperimentet er beskrevet i kapitel 13 i «Det aktive atomet» av Alfred Romer (Cappelens Realbøker 1963). 20

kan virkelig i det vesentlige betraktes som et punkt i for­ hold til størrelsen av selve atomet, for den er noe slikt som 10 000 ganger mindre, omtrent 10'12 cm i diameter, mot 10~8 for atomet. GÅTEN OM KJERNENS OPPBYGNING

Selv om man hadde bevist kjernens eksistens, var dens egentlige oppbygning ennå en gåte. Det bilde som fysik­ erne hadde dannet seg av kjernen i det enkleste atomet, hydrogen, lot til å ha meget for seg, men det var en dyptHelium

Hydrogen

1 elektron

Masse 1 Ladning 1

Litium

3 elektroner

2 elektroner

Masse 4 Ladning 2

Uran

Masse 7 Ladning 3

92 elektroner

Masse 238 Ladning 92

Fig. 4. Masse og ladning - dvs. antall av kjernepartikler og antall av protoner - er like store bare i hydrogenatomet, som har et proton og et elektron, men ikke noe neutron. I alle andre grunnstoffer er massen større enn ladningen, særlig i de tunge atomene. Denne illustrasjonen gir en idé om hvordan masse, ladning og antall elek­ troner varierer fra et grunnstoff til et annet. 21

gående vanskelighet ved alle tyngre kjerner. Hydrogen­ atomet er det letteste av alle, og dets masse brukes som enhet - eller mer nøyaktig, dets massetall er enheten. Kjernen, som er spesielt enkel, har fått et særskilt navn protonet. Protonet måtte ha en positiv enhetsladning, for det var velkjent at hydrogenatomet bare inneholder ett elektron. Vanskeligheten begynte allerede med det nestletteste atomet, helium. Man visste at det inneholdt to elektroner, og hadde vekten vært det dobbelte av hydrogenatomets, ville saken vært enkel, for da ville kjernen naturligvis bestå av to protoner. Men istedenfor å være dobbelt så tungt, er heliumatomet fire ganger så tungt som hydro­ gen. Det har et massetall på fire, og enda en kjerneladning på bare to, som svarer til dets to elektroner. Som vist på fig. 4 blir det ikke bedre når vi betrakter tyngre atomer. Likesom hos helium veier kjernene omtrent dobbelt så meget som de ville gjøre hvis de bare bestod av protoner nok til å nøytralisere det kjente antallet av elektroner. For meget tunge kjerner blir det verre enda. Vekten av uran for eksempel, er omkring to og en halv gang så stor som den ville være hvis kjernen bestod av bare protoner i et antall som svarte til antallet elektroner, nemlig 92. Det forekom endog tilfelle da forskjellige atomer av samme grunnstoff hadde forskjellig atomvekt. Således er U235 og U238 kjemisk like, idet begge atomer er uran og inneholder 92 elektroner, men mellem massetallene er det en forskjell på tre enheter, 235 og 238. Hvis atomkjerner bestod av bare protoner, hadde man ingen nøkkel til forståelse av disse isotopene. Man forsøkte å bortforklare disse hårdnakkede uoverensstemmelsene ved å anta at selve kjernen kunne inne­ holde elektroner. Det ble hevdet at elektronene ville opp­ veie protonenes positive ladninger og gjøre det mulig at det var overskytende vekt, uten at kjernens positive nettoladning ble øket. Fra først av så det ut til at dette 22

var en mulig løsning, for den ville ikke bare forklare at det var overskytende vekt, men også at det fantes isotoper. Men da de grunnleggende egenskapene hos protoner og elektroner ble bedre kjent, ble det klart at det ikke var noen mulighet for at det kunne være elektroner inne i den ørlille kjernen. Det er lett å si hvorfor: Elektronene er ganske enkelt for store til å passe inn i kjernen. Men det er meget vanskeligere å forstå den fulle betydning av dette. I neste kapittel skal vi se det bevist på en dramatisk måte ved hjelp av neu­ troner, at enhver partikkel også har Z?ø/ge-egenskaper. Det vil si at hver partikkel oppfører seg som en bølge, med en bølgelengde som er bestemt av dens hastighet, idet stor hastighet svarer til liten bølgelengde. Hvis et elektron skulle kunne være «inne i» kjernen, måtte dets bølge­ lengde være mindre enn kjernens størrelse, og hastig­ heten derfor meget stor. Uheldigvis for denne teorien måtte elektronets energi da ha vært uhyre stor, svarende til et potensial på 50 millioner volt. Da så store energier ikke kan forekomme innenfor kjernen, utelukker denne be­ traktningen hypotesen om at det kunne finnes elektroner innenfor selve atomkjernen. NEUTRONET BLIR OPPDAGET

Nettopp da det så ut til at teorien om kjernens sammen­ setning hadde støtt på en uovervinnelig vanskelighet, ble det utført endel eksperimenter som tilsynelatende ikke hadde noe å gjøre med dette problemet, men allikevel skulle føre til løsningen av det. Det gjaldt forsøk hvor atomer av ett grunnstoff ble omdannet til et annet ved bombardement med alfa-partikler (heliumkjerner). Alfapartikler med stor hastighet kunne man skaffe seg, fordi de utsendes spontant fra radium og lignende tunge kjerner. Rutherford utførte den første slike grunnstoffomdanning ved hjelp av alfa-partikler i 1918, da det 23

lyktes ham å omdanne noen nitrogenatomer til oksygen. Nitrogenet absorberte alfa-partikkelen og ble forvandlet til fluor, og dette gikk over til oksygen ved å sende ut et proton. I 1930 holdt man på med videre studier av disse transmutasjonene ved flere forskjellige laboratorier. Her er vi særlig interessert i arbeidene til Bothe og Becker i Tysk­ land. I sine forsøk oppnådde de en meget gjennom­ trengende stråling når metallet beryllium ble bombardert med alfa-partikler. Det var én stråling som lett kunne gå gjennom flere tommer tykke blyplater. Dette var i sannhet et uventet resultat, for de protoner som man fikk ved den vanlige transmutasjonen, kunne stanses av et ganske tynt lag bly. Den mest gjennomtrengende stråling man på den tid kjente var gamma-strålene, som radium sender ut, og som for eksempel benyttes til å trenge inn i det menneskelige legeme for å ødelegge kreftceller. Men da den nyoppdagede strålingen var mer gjennomtrengende enn de kraftigste gamma-stråler man kjente, virket det Kollektor for ioner som protonene lager

Alfa-

Vakuumkammer

Gjennomtrengende stråler

loniseringskammer

Fig. 5. Gjennomtrengende stråling ble oppdaget av Bothe og Becker. Alfa-partikler som treffer beryllium, fremkaller en stråling som lett går gjennom bly og river løs hurtige protoner fra et stoff som inne­ holder hydrogen.

24

i høy grad usannsynlig at den også kunne bestå av gamma» stråler. De mystiske strålingene ble oppdaget i et ioniseringskanuner (skissert i fig. 5), soni registrerer ioniseringen av gassatomer - dvs. mengden av frie ladninger - før og etter at partikler har passert igjennom. Blyklosser som ble plassert i strålingsbanen, viste strålenes store gjennomtrengningsevne. Så gjorde man en ny og enda mer for­ bausende oppdagelse. Tynne lag av stoffer som inne­ holder hydrogen - for eksempel parafin - fikk den inten­ siteten som ble målt i ioniseringskammeret til å tilta istedenfor å avta. Det var klart at protonene bokstavelig talt ble støtt ut av hydrogenatomene av den mystiske strålingen, og beveget seg hurtig gjennom ioniserings­ kammeret. At det var gamw«-stråler var nå helt utelukket, for de ville kreve uhyre høye energier, av størrelsesorden 50 millioner volt, for å få protonene til å rive seg løs fra parafinskjermen med så store hastigheter som dem man iakttok. En britisk fysiker, James Chadwick, løste gåten. Han fremholdt at det var mest logisk å anta at protonene ble satt i hurtig bevegelse av en partikkel med omtrent samme masse som deres egen. Det er et velkjent prinsipp fra elementær mekanikk, at den energi som overføres i et støt, er størst når de delene som støter sammen har samme masse, som to biljardkuler, for eksempel. Hvis den mys­ tiske strålingen besto av slike partikler, ville det derfor ikke være nødvendig at de hadde så høy energi. Videre ville partikkelens store gjennomslagskraft kunne for­ klares hvis den ikke hadde noen elektrisk ladning. Da ville atomenes elektriske felter nemlig ikke påvirke dens bevegelser. Ved å måle de hastigheter protonene hadde når de ble støtt ut fra forskjellige stoffer, og ved å gjøre bruk av enkel støtteori, var det mulig for Chadwick å bestemme massen av denne nye partikkelen og vise at den lå meget nær protonets masse. 25

Det resonnement som fører til bestemmelsen av neu­ tronets masse er forbausende likefrem, og det kan være nyttig for oss å se på det. Når et neutron støter sammen med en kjerne som er i ro, og overfører bevegelsesenergi til den, er lovene som gjelder for dette støtet de samme enkle som gjelder for sammenstøt mellom biljardkuler. En av disse lovene sier at ved sentralt støt får objektet som rammes en hastighet, omvendt proporsjonal med summen av objektets og prosjektilets masser. Chadwick brukte et tynt skikt som inneholdt nitrogen, og fant at hastigheten av de nitrogenkjernene (masse 14) som ble støtt ut, bare var omkring x/7 av den hastighet som protoner (masse 1) får når de slynges ut fra hydrogen. Dette for­ holdet 7 gir lett neutronets masse M, på grunn av den omvendte proporsjonaliteten: M + 14 M + 1

Løsningen av denne enkle ligningen er M = 1,16, hvilket viser at neutronets masse er omtrent 16% større enn protonets. Nyere og mer nøyaktige målinger viste at neutronets masse ligger meget nær protonets, bare ca. 1 % større. Senere skal vi se at denne forskjellen, så liten som den er, er av stor betydning. Da han hadde bevist at den nye partikkelen eksisterte, og målt massen av den, kalte Chadwick den «neutron». Navnet var i virkeligheten ikke nytt. Vitenskapsmenn hadde i årevis grublet over om det var mulig at det fantes en uladd partikkel med masse omtrent lik protonets. Den mest fristende hypotesen når det gjaldt opprinnelsen til en slik, hadde vært at et elektron kunne forbinde seg med et proton til en stabil nøytral konfigurasjon - noe i likhet med et sammenpresset hydrogenatom. Denne fantasipartikkelen hadde man snakket om som «neutronet» mange år før Chadwicks oppdagelse. Imidlertid vet 'vi at neutronet iallfall ikke er en kombinasjon av proton 26

og elektron. Størrelsen av elektronet utelukker det. Som vi nå skal se er neutronet i virkeligheten en elementærpartikkel, som eksisterer selvstendig og utgjør en grunnbestanddel av materien. NEUTRONET OG KJERNENS OPPBYGNING

Da elektronets eksistens først var fastslått og massen bestemt, ga det umiddelbart svaret på det brysomme problemet om kjernens struktur. Vanskelighetene i sammenheng med den overskytende vekt hos alle kjerner tyngre enn hydrogen, forsvant helt enkelt når man antok at disse kjernene inneholdt et passende antall neutroner. Således ville helium selvfølgelig inneholde to protoner og to neutroner i sin kjerne, som er omgitt av to elektroner. På den måten ville massetallet være 4, men kjerneladningen bare 2. Likedan ville oksygen, som har masse­ tallet 16, men bare ladningen 8, ha en kjerne som inne­ holdt åtte neutroner og åtte protoner og var omgitt av åtte elektroner. Videre var det ikke noe problem med neutronets «størrelse», for dets store masse i forhold til elektronet innebærer at det har en meget mindre bølgeO Neutron

Hydrogen, H1 Massetall 1 Ladning I

• Proton

Beryllium, Be9 Massetall 9 Ladning 4

Oksygen, O16 Massetall 16 Ladning 8

Fig. 6. De bestanddelene som utgjør kjernen i forskjellige lette atomer er vist her. Antallet elektroner som omgir hver kjerne (ikke tatt med på figuren) er lik kjerneladningen, og det normale atom har som helhet ladning null.

27

lengde, slik at det lett kan rummes innenfor kjernens dimensjoner. Oppbygningen av noen av de lettere kjernene med hensyn på neutroner og protoner er vist på fig. 6. Enda et mysterium ved kjernestrukturen, isotopene, viste seg å ha en enkel forklaring. Man hadde i noen tid visst at atomer av et gitt element, for eksempel klor, ikke alle veide nøyaktig like meget, enda de hadde samme kjemiske egenskaper. I virkeligheten var det mulig, ved omhyggelige elektriske og mekaniske metoder, å skille atomene av et gitt grunnstoff fra hverandre i klasser, hver med sin bestemte vekt, eller sitt massetall. Klor­ atomene delte seg i to klart avgrensede grupper eller iso­ toper med massetall henholdsvis 35 og 37. Uran, som hovedsakelig bestod av atomer med masse 238, viste seg også å inneholde noen atomer med masse 235. Uten neutronet var det meget vanskelig å forklare at disse forskjellige atomtypene eller isotopene forekom innen­ for samme grunnstoff, men da neutronet var oppdaget, var det ikke noe problem lenger. Det er klart at begge uranisotopene må ha samme antall protoner i kjernen, for alle uranatomer har 92 elektroner. De tyngre iso­ topene har ganske enkelt flere neutroner, 146 for U238 mot O Neutron

• Proton

Oksygen 16

Oksygen 17

\ qO

-•_°5

8 protoner 8 neutroner 16 massetall

Oksygen 18

/Oao O' le*

\ o9 o_p/ ——

8 protoner 9 neutroner 17 massetall

8 protoner 10 neutroner 18 massetall

Fig. 7. Oksygenisotoper, vist uten elektroner, atskiller seg i masse, men har identiske kjemiske egenskaper. Alle har samme antall protoner.

28

143 for U235. I virkeligheten har nesten alle grunnstoffer flere isotoper. Fig. 7 viser oksygenets. Det var også kjent at isotoper som i vekt atskiller seg svært meget fra de vanlige atomtypene, ofte er ustabile, og går over i stabile former idet de sender ut stråling med stor gjennomtrengningsevne, slik som elektroner eller gammastråler. Disse radioaktive isotopene kunne nå lett forklares, for man så at de var isotoper med uvanlig stort eller uvanlig lite antall neutroner. For hvert antall protoner i kjernen er det et tilsvarende antall neutroner, som sammen med protonene danner den mest mulig stabile kjerne. Den vanligste, eller mest stabile form av et grunnstoff inneholder noe nær dette antallet neutroner. Et antall som er meget større eller meget mindre enn denne «idealverdien», vil føre til en ustabil kjerne, det vil si en radioaktiv isotop. Som vi skal høre om i kapittel 5, har disse radioaktive isotopene i den senere tid fått meget stor betydning både i naturvitenskapen, medisinen og industrien, fordi de så lett kan produseres i store mengder i atomreaktorer. De fremstilles ved at stabile isotoper tilføres neutroner, så forholdet mellom antall neutroner og protoner endres, og kjernen blir ustabil. I dette kapitlet har vi sett hvordan det nyoppdagede neutronet var midlet til å løse de problemene man lenge hadde arbeidet med, omkring forekomsten av isotoper og oppbygningen av atomkjernen. Allerede ved begyn­ nelsen av sin løpebane ga den lille partikkelen et vink om sin dobbelte rolle, både som et allsidig verktøy for den rene vitenskap - et uvurderlig hjelpemiddel til for­ ståelse av materiens struktur - og som grunnlaget for utallige praktiske anvendelser, hvorav produksjonen av radioaktive isotoper bare var den første. I de kapitlene som følger skal vi høre mer om hvordan disse løftene som neutronet tidlig ga, er blitt innfridd.

3 Bølger og partikler

Så enkelt og likefrem som neutronet lot til å være da det ble oppdaget, vet vi likevel nå at det er en innviklet sak. I virkeligheten oppviser det en slik mangfoldighet i sine reaksjoner, at det ville virke helt forvirrende å betrakte dem alle under ett. Flere av dets viktigste egenskaper har man naturligvis kjent helt siden det ble oppdaget. At det viste seg å ha en masse lik protonets, men ingen elektrisk ladning, var jo nettopp det som førte Chadwick til den slutning at det var en ny partikkel han hadde opp­ daget. I dette kapitlet skal vi undersøke noen mer subtile egenskaper hos neutronet, egenskaper som skal hjelpe oss å forstå hvor nyttig det er kommet til å bli på mange felter i løpet av så kort tid. Mange av dets andre fengs­ lende sider vil komme frem etter hvert under lesningen av denne boken. Riktignok vil vi vel til sine tider synes det er vanskelig å danne oss en klar forestilling om hvordan neutronet oppfører seg, for det har de egenskaper som er felles for alt som er så ytterst lite. I denne subatomære lilleputtverdenen hersker overalt kvantemekanikkens lover, og partiklenes oppførsel virker fremmed for vår sunne fornuft, som jo er vant til de lovene som gjelder for større ting i våre daglige omgivelser. Dessuten kan vi ikke direkte iaktta de bevegelser som de små partiklene neutroner, protoner og elektroner - gjør inne i atomet. De er alfor små, selv for de kraftigste mikroskoper, og man 30

må ved indirekte metoder slutte seg til hvordan de reagerer, slik som oppdagelsen av neutronet er et godt eksempel på. Men at observasjonene er indirekte, gjør egentlig ingen forskjell, for vi kan fastslå like sikkert at disse små par­ tiklene eksisterer og hva de foretar seg, som vi kan når det gjelder slike store og velkjente gjenstander som tog, fly eller skip. Det er tvert imot en inspirerende oppgave for oss å søke å forstå reaksjonene hos disse uvanlige og usynlige gjenstander som lyder kvantemekanikkens lover. Og de regler som vår «sunne fornuft» pleier å følge, er ofte til liten hjelp for forståelsen - ja faktisk kan de endog være til hindring. Som en følge av at det ikke har ladning, gir neutronet i sine reaksjoner et ut­ merket eksempel på hvordan disse uvante lovene virker. Det kan fritt bevege seg gjennom materien, selv med ganske små hastigheter, og da trer de kvantemekaniske virk­ ningene, som er så fremmede for våre daglige erfaringer, sterkest frem. Vi utfører eksperimenter med disse lang­ somme neutronene i laboratoriene, enda vi ikke kan se dem, og når vi kontrollerer og måler dem, må vi hele tiden så å si tenke i kvantemekaniske vendinger. Vi ser ikke på deres reaksjoner som en uforståelig oppførsel hos gjenstander vi aldri har sett, men som den helt normale oppførsel hos neutronene i vårt laboratorieutstyr. Denne oppførselen kunne vi simpelthen hverken beskrive eller forstå bare ut fra dagliglivets erfaring. La oss nå se på et av de mest bemerkelsesverdige av neutronets karak­ teristiske trekk, nemlig dets tosidige natur, som partikkel og bølge. PARTIKLER OG BØLGER

Før utviklingen av kvantemekanikken, som begynte om­ kring århundreskiftet, mente man at bølger var forholds­ vis enkle og veldefinerte former for bevegelse, i likhet med de kjente lyd- og lysbølgene. Disse var åpenbart helt 31

Innfallende partikkel

Reflektert partikkel

Innfallende bølge

Reflektert bølge

Reflekterende overflate

Fig. 8. Partikler og bølger reflekteres begge fra plane overflater slik at innfallsvinkelen (i) alltid er lik refleksjonsvinkelen (r).

forskjellige fra partikler som elektroner og protoner, som man forestilte seg som små klumper av stoff. Gjennom hele det 18. århundre hadde det vært en langvarig strid om hvorvidt lyset bestod av bølger eller partikler, men ingen våget den gang å antyde at begge svarene kunne ha noe for seg. Riktignok kunne lysbølger og faste partikler til sine tider oppføre seg på samme måte, for eksempel når de reflekteres fra en plan overflate (fig. 8), men man anså ikke denne likheten for å være av noen dypere betydning. Man mente at saken var endelig av­ gjort i og med at eksperimenter hvor lys passerte gjennom vann, «beviste» at det oppførte seg som en bølgebevegelse. Tidlig i dette århundre begynte imidlertid noen for­ uroligende eksperimenter å avsløre at lys virkelig viste endel karakteristiske trekk som man pleide å forbinde med partikler. Og for å øke forvirringen fant man at så utvilsomme partikler som elektroner iblant oppførte seg som bølger. Erkjennelsen av partiklers og bølgers dobbeltsidige karakter betydde en revolusjon i selve grunnlaget for vitenskapelig tenkning, og det krevdes en ny teori, kvantemekanikken (eller bølgemekanikkeri) til forklaring av denne dualismen. Det var Max Planck som i 1900 32

først ble klar over at utstråling av varme eller lys ikke er en kontinuerlig prosess, men foregår i bestemte, at­ skilte mengder. Dette resultatet var av dyptgripende betydning, for det kunne umulig forenes med det syn at lyset var en enkel bølgebevegelse. Teoriens grunnlag er at et bestemt utsnitt av en lysbølge, som kalles et kvantum, i mange henseender opp­ fører seg som en partikkel, og omvendt at enhver partikkel har visse bølgeegenskaper, som for eksempel en bestemt bølgelengde. Et hvert neutron, som naturligvis har en bestemt masse, og for hver hastighet bestemt moment og energi, vil ofte oppføre seg som en partikkel, men ikke desto mindre vil det oppvise trekk som unektelig har bølgekarakter. Når det varte så lenge før denne forunder­ lige dualismen ble oppdaget, var det fordi det bare er i en mikroverden at de kvantemekaniske virkninger får noen betydning. Riktignok er større gjenstander, for eksempel en fotball, også tilordnet en bølge, men bølge­ lengden er så liten at den er uten praktisk betydning. Vi kan derfor uten å begå noen feil, heldigvis se helt bort fra alle de komplikasjoner som en bølgebevegelse innebærer når vi har å gjøre med fotballer. En partikkels bølgelengde er gitt ved en enkel formel som det kan være nyttig å se på, selv om vi ikke her har noen sjanse til å komme inn på dens omfattende teoretiske bakgrunn. Formelen er h ” mv Her er Å (lambda) bølgelengden, m massen og v hastig­ heten, h er et meget lite tall som kalles Planck’s konstant.1 ’) h=6,63xl0~27 erg sek, hvor «erg» er enheten for arbeide eller energi. 1 erg er den energimengde som en masse på 1 gram oppnår når den akselereres med 1 cm/sek2 over en strekning på 1 cm. Formelen vil gi bølgelengden i cm hvis m er uttrykt i gram og v i cm/sek. 1 erg er en meget liten energimengde. En sten på 10 gram, som faller 10 cm, oppnår en energi på sa. 98100 erg. 3. Neutron

33

(a)

|