kernfysica

De kleinset detector van het LHC, de LHCb, blijkt de interessantste resultaten tot nu op te leveren.

LHC: eerste harde bewijs nieuwe natuurkunde opgedoken?

Laat een reactie achter / Wetenschap / Door / 24 november 2011

De Large Hadron Collider heeft verschillen ontdekt in hoe deeltjes en antideeltjes radioactief vervallen. Dit kan helemaal niet, zegt het Standaardmodel. Nieuwe natuurkunde?

Waarom is er meer materie dan antimaterie?
Tijdens de Big Bang is er ongeveer evenveel materie als antimaterie gevormd. Vervolgens vernietigden de meeste materie en alle antimaterie elkaar in een vernietigende zee van straling. De kosmische achtergrondstraling is daar een afgezwakt overblijfsel van. Er bleef een klein restje materie over, dat waar wij uit bestaan. Een bekend natuurkundig raadsel is waarom er meer materie dan antimaterie is. Antimaterie is het gemakkelijkst te beschrijven als materie die terug in de tijd reist. Het is materie met alle eigenschappen, behalve massa, omgedraaid. Een antiproton, bijvoorbeeld, is even zwaar als een proton maar heeft een negatieve lading en bestaat uit drie antiquarks.

De kleinset detector van het LHC, de LHCb, blijkt de interessantste resultaten tot nu op te leveren.
De kleinset detector van het LHC, de LHCb, blijkt de interessantste resultaten tot nu op te leveren.

Kleinere detector toont eerste bewijs
Nu, voor het eerst, zijn er in de LHC van het CERN overtuigende bewijzen gevonden voor natuurkunde die materie ‘voortrekt’ boven antimaterie. Het eerste teken van nieuwe natuurkunde dat opduikt bij het LHC. Zou supersymmetrie kloppen? De spanning stijgt in de het natuurkundewereldje. Ironisch genoeg komt de ontdekking niet van de twee hoofddetectors van de LHC, ATLAS en CMS waar samen tienduizend mensen werken, maar van de kleinere LHCb, waar zeshonderd mensen werken.

Afwijking in verval anti-D0-mesonen
Het Standaardmodel staat alleen kleine verschillen toe in het gedrag van materie en antimaterie. Zo moet een antimateriedeeltje vrijwel even snel uit elkaar vallen als een materiedeeltje. Daar blijkt echter weinig van te kloppen: D0-mesonen (die zijn  deeltjes die niet zoals protonen en neutronen uit drie, maar slechts uit twee quarks bestaan) vallen anders uit elkaar dan anti-D0 mesonen. Onmogelijk, volgens het Standaardmodel. Deze deeltjes vallen uiteen in hetzij een pion en antipion of kaon en antikaon.De waarschijnlijkheid dat zich een pionpaar vormt in plaats van een kaonpaar is bij materie-D0 mesonen 0,8% groter dan bij antimaterie-D0 mesonen. Dat is acht keer zoveel als maximaal toegestaan door het Standaardmodel [2]. Het resultaat heeft een statistische significantie van 3,5 sigma (standaardafwijkingen). Dit komt neer op een kans van 1:2000 dat het hier om een statistische uitschieter gaat. Niet beslissend genoeg voor de natuurkundigen van de LHCb, die daarom doorgaan met het uitspitten van de data van de rest van 2011. De onderzoekers hopen zo een resultaat met vijf sigma (vijf keer de standaardafwijking in een normale verdeling) te bereiken, wat neer komt op een kans van 1 op de 1,7 miljoen dat het om een statistische fout gaat.

Supersymmetrietheorie SUSY de oplossing?
Deze afwijking is juist wel goed te verklaren met behulp van supersymmetrie, SUSY, een theorie die het standaardmodel uitbreidt met zware ‘super’ varianten voor elk bekend deeltje. Deze extra deeltjes produceren vereist enorm veel energie, de reden dat we ze nog niet waargenomen hebben. Als virtuele deeltjes bestaan ze (als een van de vormen van SUSY klopt) wel – elk deeltje, hoe zwaar ook, bestaat, zij het voor een extreem korte tijd, zegt  de onzekerheidsrelatie van Heisenberg. Sommige van die virtuele deeltjes kunnen het verval van bestaande deeltjes (zoals de D0-mesonen) veranderen. In Grossman’s studie (2) kunnen SUSY-deeltjes als gluino’s, de superversie van gluonen die de sterke kernkracht overbrengen, de asymmetrie bevorderen tot meer dan één procent. 0,8 procent valt hier binnen.

Supersymmetrie zou ook een ander netelig probleem oplossen. Als supersymmetrie klopt, krijgt het Higgsdeeltje – dat overigens steeds meer weg krijgt van het Schotse meermonster Nessie – precies de juiste massa. Dit zou het Standaardmodel behoeden voor ineenstorting. SUSY levert met die enorme dierentuin aan superdeeltjes ook een aantal goede kandidaat-deeltjes voor donkere materie. Viervijfde van alle materie bestaat uit donkere materie en kunnen we alleen waarnemen door de zwaartekrachtsinvloed. Er komt wel weer een netelig probleem bij. Als het Higgsdeeltje niet blijkt te bestaan, wat dan?

Of een andere theorie?
Toch is nog niet iedereen overtuigd, waaronder Grossman zelf. Misschien dat Grossman’s berekeningen niet kloppen. Hij gebruikte namelijk benaderingen in de berekeningen waarmee de maximale afwijking volgens het Standaardmodel op een tiende procent werd bepaald. Grossman denkt daarom dat er in de loop van 2012 veel nieuwe berekeningen zullen verschijnen.

Wellicht verklaart deze asymmetrie ook waarom er meer materie is dan antimaterie. Toekomstige studies moeten hier meer licht op werpen. Het natuurkundewereldje kijkt ondertussen reikhalzend uit naar meer aanwijzingen voor nieuwe natuurkunde. Want na drie decennia wordt het Standaardmodel wel erg saai.

Eindelijk een witte kerst vieren in de subtropen. Van een feeststemming zal bij een nucleaire winter waarschijnlijk geen sprake zijn.

Kan er weer een nucleaire winter komen?

3 reacties / Visionaire vragen / Door / 9 september 2011

Tijdens de Koude Oorlog was een kernoorlog een zeer reële dreiging. Het scheelde op bepaalde ogenblikken maar weinig, of de beschaving die we nu kennen had niet meer bestaan. Gelukkig is het Amerikaans en Russische kernarsenaal een stuk kleiner dan het was, maar een kernoorlog is nog steeds in staat om de aarde zware schade toe te brengen. Wat zouden de gevolgen zijn als er een wereldwijde of zelfs maar een beperkte kernoorlog uitbreekt?

Eindelijk een witte kerst vieren in de subtropen. Van een feeststemming zal bij een nucleaire winter waarschijnlijk geen sprake zijn.
Eindelijk een witte kerst vieren in de subtropen. Van een feeststemming zal bij een nucleaire winter waarschijnlijk geen sprake zijn.

Enorme stofwolken nemen alle licht weg
De gevolgen van een grootschalige kernoorlog op het klimaat zijn te vergelijken met die van een enorme asteroïdeinslag. De grote paddenstoelwolken van nucleaire explosies brengen grote hoeveelheden stof tientallen kilometers de atmosfeer in. Dat is de stratosfeer, de atmosferische laag boven de troposfeer. Omdat dit stof veel zonlicht absorbeert, wordt de lucht eromheen nog heter, wat het stof nog hoger in de atmosfeer brengt. Het stof maakt ook korte metten met de ozonlaag, waardoro veel meer schadelijke UV-straling het aardoppervlak bereikt.

In de stratosfeer regent het nooit. Belandt stof dus eenmaal in de stratosfeer, dan kan het maar op een manier verdwijnen: door de zwaartekracht of de stralingsdruk van de zon. Helaas werkt de zwaartekracht op microscopische deeltjes relatief veel minder sterk. Bij deze kleine afmetingen lijkt de lucht steeds meer op stroop. Het gevolg hiervan is dat de aarde wordt bedekt door een dikke deken die alle zonlicht tegenhoudt. En dat deze laag pas na een tot twee jaar begint weg te trekken.

Grote hongersnood
Dat is niet alleen maar slecht nieuws voor de planten. En van organismen die direct of indirect van planten leven, zoals de mens. Weliswaar zullen de meeste planten, enkele knolgewassen uitgezonderd, afsterven, maar als zaden kunnen ze jarenlang overleven. Het kost jarenlang wieden om de zaadbank van onkruidzaden in een moestuin uit te putten. Zaden van woestijnplanten kunnen zelfs eeuwen intact blijven.

De situatie voor dieren en de mens is veel vervelender. Uit fossiele overblijfselen van eerdere natuurrampen weten we bijvoorbeeld dat in het schemerduister enorme kluwens  schimmels de overblijfselen van de bossen gaan verteren. Na een paar weken tot maanden is het voedsel op en zullen maar een handjevol overlevenden overblijven. Ze zullen met kakkerlakken en ratten moeten vechten om het laatste voedsel en de muffe lucht inademen. Stralingsziekte en vitaminetekorten zullen de overlevenden terugbrengen tot een schamele rest. Dan ontstaat het volgende probleem.

De zwaarste atoomexplosie ooit was die van de Sovjetbom Tsar Bomba op Nova Zembla.
De zwaarste atoomexplosie ooit was die van de Sovjetbom Tsar Bomba op Nova Zembla.

Temperatuur daalt over het grootste deel van de wereld tot onder het vriespunt
Zelfs een matig grote vulkaanuitbarsting kan al oogsten laten mislukken door stof de stratosfeer in te blazen. Zo kende Europa in 1812 het “jaar zonder zomer”, waarin de oogsten mislukten. De oorzaak: de vernietigende uitbarsting van de vulkaan Tambora in 1812. Als vijftig bommen ter grootte van die op Hiroshima tot ontploffing worden gebracht, zal dit verwoestende vuurstormen in de steden opwekken. Vele miljoenen tonnen roet komen zo in de atmosfeer terecht, een veelvoud van wat vulkanen kunnen opwekken. Het effect hiervan betekent vrijwel direct een ijstijd, die kouder is dan de laatste IJstijd. In de belangrijkste landbouwgebieden daalt de temperatuur zelfs in de zomer tot onder het vriespunt. Kortom: dat wordt jarenlang hongerig bibberen in de vrieskou.

En dan… een nieuw begin?
Onze beschaving is zeer complex. Er is maar weinig voor nodig om deze totaal te ontwrichten. Zo is er van bepaalde essentiële onderdelen van computers soms maar één fabriek die het product maakt. Ook vereist dit veel vakkennis die voornamelijk in de grote steden is geconcentreerd. Overlevers met voldoende overlevingsvaardigheden om de twee jaar duisternis, vrieskou en hongersnood door te komen, zullen voornamelijk op het platteland wonen.

Als de berekeningen van sommige pessimisten uitkomen en de duisternis en vrieskou duren tientallen jaren, dan staat zelfs het voortbestaan van de hele mensheid op het spel. Mutaties en gebrek aan voldoende gezonde genetische variatie zullen de mensheid tot aan de rand van uitsterven brengen, misschien zelfs er overheen. Dus laten we hopen dat het niet zover zal komen.

Thorium leek zo onschuldig. Niet giftig en nauwelijks radioactief. De gevolgen waren rampzalig.

Terugstotende atoomkern gevaarlijker dan alfadeeltje

2 reacties / Wetenschap / Door / 1 augustus 2011

Lang werd gedacht dat de kleine deeltjes die radioactieve atoomkernen uitzenden, het voornaamste gevaar vormen. Italiaanse fysici toonden aan dat de terugslag van het deeltje op de rest van de atoomkern veel verwoestender werkt.

Thorium: de langzame sluipmoordenaar

Thorium leek zo onschuldig. Niet giftig en nauwelijks radioactief. De gevolgen waren rampzalig.
Thorium leek zo onschuldig. Niet giftig en nauwelijks radioactief. De gevolgen waren rampzalig.

Thorium is een zilverachtig, radioactief metaal dat erg goed röntgenstraling absorbeert. In de tijd dat de eerste röntgenfoto’s werden gemaakt, injecteerden doktoren routinematig met thorium-232 dioxide. In de dertiger en veertiger jaren ontvingen zo’n twee tot tien miljoen mensen deze injecties.

Het voordeel van thorium dioxide, of Thorotrast zoals het werd genoemd, is dat het niet onmiddellijk giftig is. Ook is thorium niet erg radioactief: de halfwaardetijd is 14 miljard jaar. Sinds het ontstaan van de aarde is misschien maar een achtste deel van het thorium uiteengevallen.

De lange-termijn gevolgen van de thoriuminjecties bleken echter uitermate akelig. Om te beginnen duurt het ongeveer 22 jaar voordat de helft van alle thorium het lichaam verlaten heeft.

Verder valt thorium, als het eenmaal vervalt, ook in sneltreinvaart uit elkaar. Vier van de vijf tussenproducten vallen in seconden tot hooguit enkele uren uit elkaar. Bij elk verval wordt een alfadeeltje, een heliumkern, uitgestoten. Thorotrast bleek daarom sterk kankerverwekkend, maar dan gemeten over een tijd van decennia. Geen wonder dus dat er naar andere middelen werd gezocht en het middel in de vijftiger jaren verdween.

Zolang het metaal niet of nauwelijks in je lichaam terecht komt is er overigens weinig aan de hand.  Er werden enkele grammen bij de patiënten geïnjecteerd. Dat is toxicologisch gezien een enorme hoeveelheid. De gevolgen waren er dan ook naar: een enkele injectie met thorium verkortte de levensverwachting van Duitse patiënten met veertien jaar. Leukemie kwam twintig keer vaker voor bij patiënten, leverkanker zelfs honderd keer vaker.

Alfaverval. Een radioactieve atoomkern stoomt een heliumatoomkern uit. Hier komt het meeste helium op aarde vandaan.
Alfaverval. Een radioactieve atoomkern stoomt een heliumatoomkern uit. Hier komt het meeste helium op aarde vandaan.

Op hol geslagen kernen gevaarlijker dan alfadeeltjes
Maar hoe verwekken alfadeeltjes schade? Zoals bekend zijn  alfadeeltjes in feite helium-4 kernen. Helium is het enige element waarbij het geen enkele wetenschapper ooit gelukt is om het ooit een chemische binding of reactie te laten ondergaan. Kortom: vrij onschadelijk dus. Toch weten we dat thorium desondanks veel kanker veroorzaakt door het beschadigen van bijvoorbeeld DNA .

Evandro Lodi Rizzini en zijn collega’s van de universiteit van het Italiaanse Brescia denken dat natuurkundigen een mechanisme over het hoofd hebben gezien dat nog veel meer schade kan aanrichten. Als een radioactieve kern een alfadeeltje uitstoot, krijgt ook de zware overgebleven kern een stevige dreun. Weliswaar heeft de overgebleven kern een veel kleinere snelheid en energie dan het alfadeeltje, maar het alfadeeltje botst tegen honderden moleculen, waardoor het de energie gelijkmatig afgeeft. De overgebleven kern niet: deze reist misschien maar duizend atomen ver.

Volgens de berekeningen van de Italianen heeft deze overgebleven kern een energie van enkele procenten van die van het alfadeeltje, maar wordt deze energie geconcentreerd op een kleine plek. Volgens het Italiaanse team is de hoeveelheid energie op deze kleine plek zelfs rond de honderd maal groter dan het alfadeeltje zelf. Mogelijk leidt dit tot nieuwe behandelmethodes om de schade door alfastralers te beperken.  Een logisch idee lijkt het slikken van anti-oxidanten die voorkomen dat beschadigde molecuulresten als sloopkogels gaan werken.

Bron:
About The Importance of Nuclear Recoil In α Emission Near DNA

De meeste hitte wordt geproduceerd in de aardkorst en de aardmantel, niet in de aardkern.

Raadselachtige hitteproductie in de aarde

5 reacties / Wereld, Wetenschap / Door / 21 juli 2011

Uit metingen blijkt dat er maar liefst zo’n 44 terawatt aan warmte in de aarde wordt geproduceerd, 2,5 maal zoveel als alle mensen samen gebruiken. En dat is maar goed ook, want dankzij die warmte is er vulkanisme en is de aarde geen dode planeet zoals Mars. Maar waar komt deze warmte vandaan? Ongeveer de helft is namelijk niet te verklaren uit de gangbare bronnen.

De aarde als natuurlijke kerncentrale

De meeste hitte wordt geproduceerd in de aardkorst en de aardmantel, niet in de aardkern.
De meeste hitte wordt geproduceerd in de aardkorst en de aardmantel, niet in de aardkern.

Volgens de gangbare theorieën wordt de aarde warm gehouden door het radioactieve verval van elementen als uranium, thorium (beide zijn in alle vormen radioactief) en de radioactieve kaliumsoort kalium-40. Er is alleen een probleem. Dieper dan een kilometer of tien zijn we niet gekomen. Uit gesteenten van vulkanische oorsprong weten we ongeveer hoe de aardmantel er uit ziet, maar de kern is bijna geheel terra incognita.
Gelukkig is er iets dat zonder problemen door duizenden kilometers rots heen kan bewegen. Neutrino’s. Dus besloot een groepje Japanse onderzoekers om op neutrinojacht te gaan met de neutrinodetector Kamioka Liquid-scintillator Antineutrino Detector (KamLAND). Hiermee kunnen antineutrino’s uit de aarde, door de onderzoekers geoneutrino’s genoemd, worden waargenomen.

Onbekende warmtebron
De eerste waarnemingen, uit 2005, bevestigden nauwkeurig wat al gedacht werd over de samenstelling van de radioactieve elementen en hun verdeling in de aarde. Meer dan vijf jaar later is duidelijk dat hun radioactiviteit niet voldoende is om alle warmte te verklaren. Radioactiviteit verklaart ongeveer de helft van alle warmte. Uranium 8 terawatt, thorium ook 8 terawatt en kalium-40 4 terawatt. Overige radioactieve stoffen leveren drie terawatt, samen ongeveer de helft dus. Er moet nog een andere bron van energie zijn die verklaart wat de aarde warm houdt. Voor een deel kan dit door afkoeling komen, wat de onderzoeker denken[1], of door andere, nog onbekende processen.

Bronnen
1. KamLAND Collaboration, Partial radiogenic heat model for Earth revealed by geoneutrino measurements, Nature Geoscience (2011)
2. What keeps the Earth cooking? – physorg.com (2011)

Foto van de reactor

Zou kernfusie m.b.v. nikkel kunnen werken?

5 reacties / Ideeën en techniek, Wetenschap / Door / 7 december 2021

Twee Italiaanse wetenschappers, Andrea Rossi and Sergio Focardi van de universiteit van Bologna, beweerden begin 2011 een werkende kernfusiecentrale te hebben gebouwd met uitgerekend nikkel. En toonden een demonstratiemodel. We kennen de details uiteraard niet, maar zou deze centrale werken? Zou het ding überhaupt kúnnen werken?

Nikkelisotoop is stabielste atoomkern denkbaar
Op het eerste gezicht lijkt de gedachte alleen al krankzinnig. Nikkel-62 (de nikkelisotoop met een atoomgewicht van 62, m.a.w. 62 kerndeeltjes in de kern) is namelijk de atoomkern met de hoogste bindingsenergie per kerndeeltje. Nikkel kent maar liefst vijf stabiele isotopen, een ander teken dat aantoont hoe stabiel atoomkernen in dit gebied zijn. Ter vergelijking; goud, een zeer zwaar metaal, heeft maar één stabiele isotoop: goud-197. Het kost dus netto energie om nikkel-62 in welke andere atoomkern dan ook te veranderen. Aan de andere kant: slechts drie procent van alle nikkel bestaat uit nikkel-62. Als je net als de onderzoekers beweren te doen, gebruikt maakt van natuurlijk nikkel, dan zal je het meeste te maken hebben met de isotopen nikkel-58 (68%) en nikkel-60 (26%). De overige twee stabiele isotopen, nikkel-59 en nikkel-64, maken elk ongeveer een procent uit van alle nikkel.

Hoe werkt het proces?

Foto van de reactor
Foto van de reactor

Rossi en Focardi beweren dat bij het proces waterstofgas (dat uit twee waterstofatomen bestaat)  onder zeer hoge druk (2-80 atmosfeer) en temperatuur in nanodeeltjes nikkel wordt geperst. Op de een of andere manier zou het waterstof uiteenvallen in losse atomen, die zoals bekend uit een enkel proton, waaromheen een enkel elektron hangt, bestaan. De protonen reageren met de nikkelkernen waardoor energie vrijkomt en uiteindelijk koper ontstaat. Volgens de twee onderzoekers stopt de reactie als het nikkel “uitgeput” raakt, wat het geval zou zijn terwijl het grootste deel van het nikkel nog aanwezig is. Dit zou er op wijzen dat vermoedelijk nikkel-59, nikkel-64 of nikkel-62 betrokken zijn bij de reactie.

Koper kent twee stabiele isotopen: koper-63 en koper-65. Koper volgt op nikkel in het periodieke systeem. Het heeft een proton meer in de kern dan nikkel. Als nikkel een proton absorbeert (en niet uiteenvalt), verandert het dus in koper.

Energetische overwegingen
Als we ervan uitgaan dat de kernreactie vrij eenvoudig is en alleen het absorberen van een proton omvat, zijn er twee mogelijke reactiepaden: 62Ni + p -> 63Cu of 64Ni + p ->65Cu. Dit zijn de enige twee reactiepaden waarbij door het opnemen van een proton, een stabiele vorm van nikkel in een stabiele vorm van koper verandert. De vraag is uiteraard of dat energie oplevert. Hiervoor moeten we de massa’s van de betrokken isotopen vergelijken. Massa is immers equivalent aan energie; als (bijvoorbeeld) nikkel-62 en een proton samen meer wegen dan koper-63, dan hebben we een proces dat energie oplevert.

Geen paniek, waarde lezer. De berekening is van lagere-school gehalte. NB: de atoomkernmassa’s worden hier uitgedrukt in daltons (een twaalfde van de massa van een koolstof-12 kern; een proton is 1.007282675 dalton). Een positief massaverschil betekent dat er massa verdwenen is, oftewel energie vrijgekomen is.

NikkelisotoopAtoomgewicht Ni-isotoopInclusief protonKoperisotoopAtoomgewicht Cu-isotoopMassaverschil: Ni-Cu
nikkel-6261,92834562,935628koper-6362,9295970,006031
nikkel-6463,92796664,935249koper-6564,9277890,007460

De conclusie: als deze reactie optreedt komt er inderdaad energie vrij, omgerekend 5,6 tot acht miljoen elektronvolt. Dat is naar nucleaire begrippen niet erg veel. Ter vergelijking: als een uranium-235 atoom splijt, komt er 211 MeV vrij, dat is 25 tot 30 maal zoveel. Aan de andere kant: het gaat hier wel om een proces waarbij slechts minieme hoeveelheden straling vrijkomen, laat staan neutronen (die stabiele atoomkernen radioactief kunnen maken) en allerlei akelige radioactieve isotopen. Daarvoor is de hoeveelheid energie die vrijkomt domweg te klein. Als dit toestel werkt, met de nadruk op als, dan kan er dus inderdaad in iedere huiskamer een veilige kernreactor worden geplaatst. Een aantal heren met aandeeltjes in kolenmijnen of oliebronnen zullen dan heel hard vloeken. Er is ook geen fundamenteel fysische reden waarom dit niet zo kunnen werken.

Technische overwegingen
Het voornaamste probleem bij kernfusie, ook bij deze vorm, is om twee positief geladen deeltjes bij elkaar te brengen zonder dat ze elkaar afstoten of zo hard botsen dat ze weerkaatsen zonder dat er een kernreactie plaats kan vinden. Daarom is de temperatuur in de kernen van sterren of in de experimentele fusiereactoren JET en ITER ook zo hoog. In dit geval gaat om het positief geladen proton en positief geladen nikkel. Om de elektrostatische afstoting tussen beide deeltjes te overwinnen, moet het proton een energie hebben van ongeveer een kwart MeV. Dit vereist gewoonlijk een temperatuur van tientallen miljoenen graden, zoals in het binnenste van sterren. Geen wonder dat kernfysici dus “onmogelijk” roepen.

Aan de andere kant heeft een nikkelkern een aantal zeer aantrekkelijke eigenschappen. Een massieve nikkelkern kan een veel breder energiespectrum absorberen dan een kleine kern als waterstof-2 (deuterium) of boor. Dit maakt kernfusie juist makkelijker: het proton hoeft niet exact de juiste snelheid te hebben. Ook is een nikkelkern ongeveer vijftien keer zo makkelijk te raken als een waterstof- of deuteriumkern (grotere nucleaire dwarsdoorsnede).

Koude-kernfusie experimenten worden gewoonlijk uitgevoerd met metalen die waterstof absorberen. Met andere woorden: dat nikkelatomen kunnen degenereren als er heel veel waterstof in wordt geperst. Bij extreem hoge druk kunnen er inderdaad tot enige massaprocenten waterstof in bepaalde metalen als palladium worden geperst. Ook bij nikkel is dit mogelijk. Focardi en Rossi gaan inderdaad uit van het zeer kortstondig bestaan van extreem instabiele zogeheten mini-atomen van waterstof, waarbij de elektronen veel dichter op het proton zitten. Deze atomen zouden ongeveer een 10-18 seconden bestaan. Kort, maar ongeveer 100 maal zo lang als kernreacties duren[2].

Hiermee zou inderdaad de Coulomb-afstoting worden overwonnen en kernfusie mogelijk zijn. Aan de andere kant: Bewijzen van dit soort atomen zijn nog nooit waargenomen. Experimenten moeten uitwijzen of dit klopt. Ook is prof. Christos Stremmenos, de schrijver van dit artikel, verantwoordelijk voor het naar Griekenland halen van deze vorm van koude kernfusie. Belangeloos is hij dus niet. Aan de andere kant: als ex-ambassadeur en professor heeft hij een reputatie te verliezen. En als de armlastige Grieken op dit moment Iets kunnen gebruiken is dat wel een bron van overvloedige bijna gratis energie…

Helaas is het laatste nieuws dat de proefopstelling vermoedelijk niet werkt.
Er rijzen ook sterke twijfels aan de geloofwaardigheid van Rossi, omdat zijn claims niet blijken te kloppen en hij, in tegenstelling tot eerdere beweringen, hij toch vooruitbetaling eist.

Bronnen:

1. George Marx, Life in the Nuclear Valley, Phys. Ed (2001)
2. Stremmenos. C., Hydrogen/Nickel cold fusion probable mechanism, Journal of Nuclear Physics (2011)
3. Italian scientists claim to have demonstrated cold fusion, physorg.com (2011)

Zware atoomkernen zoals goud en uranium kunnen alleen gevormd worden als ijzer- of nikkelkernen in zware sterren neutronen invangen. Bron: astronomy.com

Hoe werken kernfusie en kernsplitsing?

5 reacties / Ideeën en techniek, Wetenschap / Door / 9 juli 2011

Koude kernfusie zit in het verdomhoekje. Dit is onterecht. Natuurkundigen die beweren dat koude kernfusie fysisch onmogelijk is, geven hiermee blijk van een gebrekkige kennis van natuurkundige processen. Het probleem met koude kernfusie is niet de fysica, maar de techniek. Lees hier waarom.

Hoe levert kernfusie energie op?

Hoe meer de massa van een atoomkern en de verdeling van protonen en neutronen op die van stabiele vormen van nikkel en ijzer lijkt, hoe groter de bindingsenergie per kerndeeltje.
Hoe meer de massa van een atoomkern en de verdeling van protonen en neutronen op die van stabiele vormen van nikkel en ijzer lijkt, hoe groter de bindingsenergie per kerndeeltje.

Alle baryonische materie (het spul dat uit protonen, neutronen en elektronen bestaat: in de praktijk dus alles om ons heen) bestaat uit atoomkernen waaromheen een wolk elektronen draait. In tegenstelling tot chemische reacties, waardoor alleen atomen andere gegroepeerd worden en de hoeveelheid elektronen verandert, veranderen bij atoomkernreacties ook de ‘eeuwige’ atoomkernen zelf. De hoeveelheid energie die hierbij vrij kan komen is rond miljoen maal groter dan bij chemische reacties. Enkele promilles van de massa van een atoomkern verandert bij kernfusie in energie.

Atoomkern: evenwicht tussen drie krachten
De meest stabiele atoomkernen zijn de stabiele vormen van ijzer en nikkel. Dat heeft te maken met het aantal nucleonen (protonen en neutronen) in de kern. In een atoomkern zijn er drie krachten belangrijk.
De zwakke kernkracht (die deeltjes als neutronen uit elkaar laat vallen) bijvoorbeeld. De sterke kernkracht houdt de drie quarks waaruit een proton en een neutron bestaan bij elkaar, maar een beetje sterke kernkracht ‘lekt’ uit het proton en neutron (de quarks in het ene nucleon wisselwerken een beetje met die van het andere nucleon). Dat restje van de sterke kernkracht (de sterkste kracht die we kennen) laat zo protonen en neutronen aan elkaar ‘kleven’. Tot slot is er de elektromagnetische kracht, die gelijke ladingen (zoals die van de positief geladen protonen) elkaar sterk laat afstoten.

Het aantal nucleonen is bij ijzer en nikkel groot genoeg voor een lage “oppervlaktespanning” in vergelijking met bijvoorbeeld waterstof, waar één kerndeeltje alleen rond zweeft. Tegelijkertijd is het aantal (positief geladen) protonen nog niet zo groot dat de kern door een overmaat aan positieve lading uit elkaar wordt geblazen. Ook ‘beschermen’ de protonen de ongeladen neutronen tegen uiteenvallen door de zwakke kernkracht, omdat het meer energie kost om een extra positief geladen proton tussen de bestaande protonen te proppen, dan het oplevert om een neutron uit elkaar te laten vallen. Kortom: de neutronen werken door de sterke kernkracht als lijm, de protonen houden met hun positieve lading de neutronen gevangen in hun staat als neutron.

IJzer en nikkel: volkomen uitgemolken atoomkernen

Zware atoomkernen zoals goud en uranium kunnen alleen gevormd worden als ijzer- of nikkelkernen in zware sterren neutronen invangen. Bron: astronomy.com
Zware atoomkernen zoals goud en uranium kunnen alleen gevormd worden als ijzer- of nikkelkernen in zware sterren neutronen invangen (in vaktermen: het r-proces of s-proces). Bron: astronomy.com

Elke kernreactie waarbij de resulterende kern qua aantallen nucleonen meer op die van nikkel of ijzer lijkt, levert energie op. De bindingsenergie is bij nikkel en ijzer maximaal. Omdat de bindingsenergie negatief is, betekent dat dus ook, dat het extreem veel energie kost om een ijzer- of nikkelkern uit elkaar te slopen. Daarom is het voor een grote ster ook einde oefening als hij eenmaal ijzer en nikkel heeft gevormd. De stralingsdruk valt weg waardoor de ster door de verpletterende zwaartekracht in elkaar klapt. Je krijgt dan een verwoestende explosie: een supernova, die grote hoeveelheden materie, zoals de atomen waaruit jij en ik bestaan, het heelal inspuwt.

Bij kernsplitsing, bijvoorbeeld van de extreem zware uraniumkernen, komt energie vrij omdat de onderlinge elektromagnetische afstoting in de kleinere kernen veel kleiner is. Bij kernfusie, bijvoorbeeld van waterstof in helium, ontstaat vrije energie omdat het restantje van de sterke kernkracht het veel energiezuiniger maakt om twee protonen en twee neutronen aan elkaar te laten kleven dan om vier losse waterstofatomen (dus vier losse protonen met elektronen er om heen) te laten bestaan.

Atoomkern nog steeds een grote onbekende
Overigens weten we minder van de fysica van atoomkernen dan veel mensen denken. De processen in een atoomkern vinden zo’n honderdduizend maal sneller plaats dan die bij chemische reacties, die al extreem snel verlopen. Wat we waarnemen is niet wat er direct in een atoomkern gebeurt, maar het resultaat van misschien wel duizenden gebeurtenissen. We kunnen weliswaar redelijk accuraat berekenen hoe stabiel bepaalde atoomkernen zijn, m.a.w. het eindresultaat voorspellen, maar niet wat er precies gebeurt. Met andere woorden: op atoomkerngebied zijn we zo ver als chemici begin twintigste eeuw op scheikundegebied.
Ook zijn er allerlei vreemde verschijnselen. Er blijken bijvoorbeeld zogeheten “magische getallen” te bestaan, waardoor sommige aantallen kerndeeltjes stabieler zijn dan andere. Waarom, weet niemand. Geen wonder. Het vereist al een extreem snelle supercomputer om te berekenen wat er in één enkel proton of neutron gebeurt, laat staan in een grote atoomkern.

Enige bescheidenheid zou sommige kernfysici, vooral de hete-kernfusie onderzoekers, dus sieren. De manier waarop ze collega’s verketteren die de wetenschappelijke methode op integere manier volgen en ten koste van veel persoonlijke opofferingen onderzoek doen naar koude kernfusie, is schandelijk en een wetenschapper onwaardig.

Volgens sommige kernfysici bestaat er een geheimzinnig eiland van stabiliteit van superzware elementen.

Eiland van stabiliteit: geheimzinnig eiland steeds dichter genaderd

3 reacties / Wetenschap / Door / 6 oktober 2021

Elementen 114 en 116 zijn nu officieel aan het periodiek systeem toegevoegd. Zou het mogelijk zijn stabiele superzware elementen te maken? Volgens sommige kernfysici moet er een ‘eiland van stabiliteit’ bestaan bij een atoomgetal rond de 125 à  130. Om de gedachten te bepalen: het zwaarste min of meer stabiele element is bismut met een atoomgetal van 83. Hoe zou een superzwaar element er uit zien? Eén ding is zeker: het is veel en veel zwaarder dan lood. En misschien is er al een spoor gevonden…

Zware kernen zeer radioactief

eiland van stabiliteit
Volgens sommige kernfysici bestaat er een geheimzinnig eiland van stabiliteit van superzware elementen rond element 112, copernicium. En heel misschien nog rond de 125. – User: Lasunncty, Wikimedia Commons

Het stabielste element denkbaar is ijzer. Hoe dichter andere atoomkernen bij ijzer in de buurt komen, hoe energiegunstiger dat is per kerndeeltje. In feite is dat wat er gebeurt bij kernsplijting en kernfusie: er komt energie vrij omdat de massa van de geproduceerde atoomkernen dichter in de buurt ligt van die van ijzer. Op een gegeven moment, bij bismut en zwaarder, is de hoeveelheid bindingsenergie per nucleon zo laag dat de kernen spontaan uit elkaar vallen. Bismut valt extreem langzaam uit elkaar – sinds de Big Bang zou er van een ton bismut nog geen milligram, een zoutkorreltje, vervallen zijn – maar hoe verder voorbij uranium, hoe korter elementen leven. Uranium-238 gaat ongeveer 4,46 miljard jaar mee.

Plutonium-239, het allerzwaarste element dat tot nu toe ontdekt is in de natuur, heeft een halfwaardetijd van 80 miljoen jaar. Nog zwaardere elementen kunnen alleen kunstmatig gemaakt worden en leven maar kort. Twee recent ontdekte elementen, nu flerovium en livermorium genoemd,  overleven enkele seconden of minder en hebben atoomgetallen 114 (flerovium) en 116 (livermorium).

Eiland van stabiliteit

Toch zijn er enkele theoretische redenen om te veronderstellen dat er een eiland van stabiliteit bestaat voorbij dit instabiele gebied.  Zo zijn er bepaalde “magische getallen”. Als atoomkernen uit aantallen protonen en neutronen bestaan die overeenkomen met deze magische getallen, leven ze veel langer. Dat is ook de reden dat bijvoorbeeld lood zo extreem stabiel is.

Niet onomstreden theoretische berekeningen laten zien dat er voorbij de zwaarste elementen die nu werden onderzocht, atoomnummer Z=114 tot Z = 126, een eiland moet liggen van atoomkernen die dankzij hun samenstelling toch zeer lang moeten blijven leven. Schattingen lopen uiteen van enkele dagen tot zelfs honderden miljoenen jaren. Dit zou ze in het laatste geval tien keer zo radioactief als verarmd uranium maken, maar op zich toepasbaar als materiaal. Het materiaal zal veel dichter zijn dan lood. Dichtheden van dertig of veertig gram per kubieke centimeter worden dan mogelijk. Stel je voor, een stuiterbal die een kilo weegt. Met een presse-papier van een dergelijk superzwaar metaal waait je papier gegarandeerd niet meer weg. Aan de andere kant, je kunt hem maar beter niet op je tenen laten vallen…

Zijn er al superzware elementen uit het eiland van stabiliteit ontdekt?

Kernen uit het eiland van stabiliteit moeten in de natuur voorkomen, denken astrofysici. In extreem zware sterren vinden vlak voor en tijdens de supernova-explosie zeer complexe kernreacties plaats. Er komen in de kern bijvoorbeeld heel veel vrije neutronen voor, die atoomkernen zwaarder dan ijzer fabriceren door het r-proces of het langzamere s-proces. Hierbij worden in een nikkelkern (nikkel is vrijwel even stabiel als ijzer) neutronen ingevangen. Ongeveer wat er in een kerncentrale gebeurt. De grap is dat als dit snel genoeg gebeurt (zoals in het r-proces), de massa van atoomkernen snel toeneemt voordat de kern uit elkaar kan vallen. Het s-proces kan alleen stabiele kernen produceren. Wordt het aantal neutronen te veel, dan zendt de atoomkern een elektron uit (betaverval). Dit proces kan in principe doorgaan tot er rond de 270 kerndeeltjes in de kern voorkomen. Op deze manier zijn zwaardere elementen als koper, goud en uranium ontstaan.

Wetenschappers zouden wetenschappers niet zijn, als ze zich niet hadden afgevraagd of de processen in zware sterren die het zonnestelsel heeft voortgebracht, nog niet veel zwaardere atoomkernen zou hebben kunnen produceren. Uiteraard is er na meer dan vijf miljard jaar bedroevend weinig over van elementen als oganesson (118) en dergelijke extreem instabiele elementen, maar dat geldt uiteraard niet voor de elementen in het mythische eiland van stabiliteit. Wie weet zijn die atoomkernen overal om ons heen. Als we maar goed genoeg zoeken, moeten we ze kunnen vinden.

Dat is precies wat onderzoeker Marinov en zijn collega’s deden. Ze kamden een monster met het licht radioactieve metaal thorium uit. Ze vonden aanwijzingen voor het bestaan van een neutron-arme atoomkern met een atoomgetal van 122 en een atoomgewicht van 292. In het hart van het eiland van stabiliteit dus. Het onbekende element (als dat het werkelijk is) is zeer schaars: ongeveer een miljardste deel van het thorium bestaat uit het element. Omdat het onbekende element neutron-arm is, is het r-proces waarschijnlijk niet de bron.

Wat zou je met element 122 kunnen?

Waarschijnlijk heeft het element allerlei unieke chemische en natuurkundige eigenschappen. Bij dergelijke hoge atoomnummers ontstaan namelijk gedegenereerde portalen, elektronschillen gaan zich met elkaar mengen. Je kan ook akeliger toepassingen bedenken. Vermoedelijk is het goedje namelijk uiterst explosief als het met neutronen wordt bestraald. Een zakatoombom wordt hiermee een mogelijkheid.

Bronnen
1. Heaviest elements yet join periodic table – New Scientist
2. A. Marinov et al., Evidence for a long-lived superheavy nucleus with atomic mass number A = 292 and atomic number Z @ 122 in natural
Th, Arxiv (2008)/Int.J.Mod.Phys.E19:131-140 (2010)