Die raaiselagtige struktuurtjies
BO: Die ontploffing van die Amerikaanse atoombom oor
die Japanse stad Ngasaki, 9 Augustus 1945.
Foto: U.S. National Archives (U.S. Military or Department of Defence)
Met die atoombom wat in die Tweede Wêreldoorlog op die Japanse stad Hirosjima gegooi is, is tienduisende mense binne minder as ’n minuut gedood deur ’n handvol uraan omtrent so groot soos ’n appel. Met die tweede oorlogtydse kernbom, op die stad Nagasaki, het ’n klompie plutonium nog tienduisende die ewigheid ingeblaas. Klein bietjies materie—magtige verwoesters. Watter verskriklike krag skuil daar dan in die ontsettend klein atoompie?
Grafika, tensy anders vermeld: MSKARG
WAT is ’n atoom? Dis ’n minuskule stukkie massa maar dis ook ’n magtige klein struktuurtjie—’n raaiselvormpie van louter energie wat in een hegte entiteit “opgebondel” is.
En as jy daardie energie in die atome kan “losruk”, kry jy werklik die verskriklikste kragte wat in die stoflike heelal moontlik is. Het die wêreld dan nie net voor die middel van die twintigste eeu beleef hoe twee Japanse stede met slegs twee atoombomme platgevee is nie?
Met die eerste bom—wat op die stad Hirosjima gegooi is—is tienduisende mense binne minder as ’n minuut gedood deur ’n handvol uraan omtrent so groot soos ’n appel. Met die tweede bom, op die stad Nagasaki, het ’n klompie plutonium nog tienduisende die ewigheid ingeblaas.
Die meeste mense weet seker dat ’n enkele atoom ontsettend klein is—trouens, hy is so onbeduidend in omvang dat jy met geen mikroskoop kan loer wat werklik binne-in hom aangaan nie. Daar is sowat 25 miljoen atome op ’n speld se kop. Die atoom is dan ook die heel kleinste deeltjie van enige van die elemente, waaroor in ’n ander artikel breedvoeriger vertel word.
Tog is ons hele konkrete, geskape werklikheid geskoei op energie en atome... alles in die onmeetlike hemelruim tot by ons eie vingernaels of voetsole. Die atome van minder as honderd van die elemente wat in die vrye natuur bestaan, verbind op ’n menigte maniere met mekaar om molekules te vorm. Uit sulke molekules is jou wonderlike liggaam en die hele wêreld om jou opgebou.
MAAR voor en tydens die donker Middeleeue en selfs daarna is glad nie op hierdie manier aan materie gedink nie. Sekere van die ou Grieke, wys soos hulle was, het selfs gemeen dat alles wat bestaan net uit vier dinge opgebou is: aarde, lug, water en vuur.
Griekse geleerdes het in die vroeë Christelike era in Alexandrië, Egipte, ’n rare filosofie rondom hierdie gewaande vierdelige werklikheid uitgewerk. En dit was dié filosofie wat in die Middeleeue deur die sogenaamde “alchemiste” tot selfs koddiger redenasies omskep is waaroor ons vandag net beterwetig kan glimlag.
As daar net vier elemente is—só het die Middeleeuse kwak-skeikundiges gereken—dan moet dit mos moontlik wees om enigiets te skep deur dié elemente in presies die regte verhoudings saam te smelt of te meng. Die mens sou selfs goud kon maak indien hy net die regte resep daarvoor het!
Daardie koorsagtige soeke na goud het tot die mees buitensporige jaagtogte agter skimme aan gelei. Só was daar die Italiaanse alchemis Bernard Trevisan (1406-1490), wat sy lewe aan dié sinlose droom gewy het. Daar word vertel dat Trevistan onder meer goedgelowig die gele van tweeduisend hoendereiers twee weke lank saam met gelyke dele olyfolie en vitrioel gekook het.
Soos so baie andere het hy gereken hy kon die wonderformule vind om basiese grondstowwe in goud te verander. Soos soveel ander is die stomme Trevisan later wreed ontnugter na sy graf.
Eers veel later kon etlike slim wetenskaplikes, soos die Brit John Dalton (1766-1844) en andere, die wêreld oortuig dat daar nie vier boustene in die heelal is nie, maar darem naastenby honderd.
Hierdie boustene is die elemente. Goud self is ’n element, asook yster, koolstof, waterstof, suurstof, chloorgas, natrium, uraan, silikon en ’n string ander. Hulle is enkelvoudige stowwe wat, soos ons gesê het, op ’n duisternis maniere kan “saamkoek”. Met hulle word tafelsout, tee en turfgrond of wat ook al gevorm.
Die elemente is al meermale vergelyk met die letters van die alfabet (waarvan daar maar 26 is) en die verbindings van verskillende elemente weer met die miljoene woorde wat uit daardie letters gevorm kan word.
’n Woord soos “slaan” bestaan byvoorbeeld uit vier verskillende soorte letters: een s, een l, een n en twee a’s—net soos ’n verbinding soos suiker uit 12 porsies koolstof of roet, 22 porsies van die gas waterstof en 11 van die gas suurstof opgebou is.
Water bestaan natuurlik uit waterstof en suurstof. Nou kan ons verder begryp hoe dit moontlik kan wees om suiker te maak van doodgewone water en die atmosfeer se koolstof (wat in die vorm van koolstofdioksied in die lug voorkom).
Ons weet nou ook hoekom dit skeikundig weer heeltemal onmoontlik is om iets met iets te meng en goud uit jou brousel te berei. Goud is immers, soos ons gesien het, ’n element—’n enkelvoudige stof wat nie chemies in enigiets anders “opgebreek” kan word nie.
REGS: Een van die eerste foto’s wat ooit van die binding van atome geneem is—in Januarie 1999 met spesiale tegnieke deur ’n span van die Arizona-staatsuniversiteit onder leiding van prof. John Spence. Die beeld toon die elektroniese bande wat die atome van suurstof en koper bymekaarhou in ’n mineraal-verbinding genaamd kupriet (’n kopererts).
Krediet: ASU Research Magazine / Met vergunning van US National Science Foundation
MAAR presies wat is ’n atoom dan? In sekere opsigte is dit soos ’n klein sonnestelseltjie, hoewel dit ’n hoogs vereenvoudigde voorstelling is. In die middel is die kern (son), terwyl elektrone (planete) teen duiselingwekkende snelhede daarom wentel.
Nie werklik ’n klein sonnestelsel nie...
GELEERDES glo dat die vergelyking van ’n atoom met ’n sonnestelsel waarin planete om ’n son wentel, ten beste slegs ’n gerieflike vereenvoudiging is en nie is soos ’n atoom werklik lyk nie. Só het die Oostenrykse fisikus Erwin Schrödinger byvoorbeeld ontdek dat die elektrone in ’n atoom hulle in der waarheid meer soos golwe gedra as soos deeltjies—en dit is nog lank nie al nie.
Maar hoe groot is ’n atoom dan eintlik? So klein dat ’n enkele
waterdruppel meer as
Die kern bestaan in die reël uit twee soorte deeltjies, naamlik protone en neutrone.
Alle atome is van hierdie drie atoomdeeltjies gevorm en verskil bloot van mekaar in die getal deeltjies waaruit hulle saamgestel is. Die atoom van die ligste element, waterstof, het ’n kern wat slegs uit een proton bestaan, en om hom beweeg ’n enkele elektron.
Daarteenoor het byvoorbeeld die suurstofatoom 8 protone, 8 neutrone en 8 elektrone. En ’n atoom van uraan, die swaarste natuurlike element, het 92 protone, 143 tot 146 neutrone en 92 elektrone.
Só gesien, het die hele stoflik geskape werklikheid weer nie vier of honderd soorte boustene nie, maar ’n skamele drie!
(Goed, benewens die drie soorte atoomdeeltjies, is daar tog ook nog ’n hele klomp sogenaamde subatomiese partikels. Radioaktiwiteit word deur geleerdes beskryf as die spontane verval van atoomkerne deur die uitwerping van subatomiese deeltjies genaamd alfa- en beta-deeltjies, of van elektromagnetiese strale wat x-strale en gammastrale genoem word. Maar baie atoomdeeltjies bestaan dikwels net vir kort rukkies en baiemaal ook net wanneer wetenskaplikes atome in die laboratorium splyt.)
IN verhouding tot die grootte van ’n atoom, is die elektrone (planeetjies) baie ver van die kern af. Elektrone is ook baie, baie klein in vergelyking met die kern. Trouens, as daardie kern ’n ertjie was, sou die elektrone soos stoffies gewees het wat op ’n afstand van 300 meter daarvandaan beweeg het.
< Vryheidsdans van
LINKS: In die natuur bestaan elektrone meestal slegs as dele van atome. Hier is egter ’n interessante foto van vry begewende elektrone wat met ’n spesiale navorsingsmikroskoop geneem is—’n instrument waarmee voorwerpe tot op die skaal van ’n enkele atoom waargeneem en selfs gemanipuleer kan word. Die foto toon die beweging van elektrone op ’n plat vlak in ’n elektrongas by ’n lae temperatuur. Die vloeiende patroon is deur middel van ’n sterk magnetiese veld geskep.
Krediet: Dr. Raymond Ashoori, MIT / Met vergunning van US National Science Foundation
Waarop dit wil neerkom, is dat die atoom so ampertjies ’n stukkie niks is! ’n Mens word verlei om so te sê, maar dis tog ook ’n misleidende stelling. Want in daardie “niks” lê darem so ’n magtige hoeveelheid energie verskuil dat ’n spreekwoordelike handvol atome genoeg is om ’n heuwel plat te vee as daardie energie maar net kan “ontsnap”.
Wetenskaplikes het ook reeds bereken dat daar in elke gram stof—of dit nou grond, goud of eier-geel is—genoeg energie verborge lê om 200 000 ton water van vriespunt tot kookpunt te verhit.
Dit was die geniale Duits-Amerikaanse geleerde Albert Einstein (1879-1955) wat vir die beroemde formule gesorg het: E = mc2, waar E vir energie staan, m vir massa en c2 vir die snelheid van lig vermenigvuldig met homself. Waarop dit neerkom, is dat massa en energie twee vorms van dieselfde ding is, soos ons ook in die begin van hierdie artikel gesien het.
En dit was hierdie groot geleerde, wat oorlog in murg en been gehaat het, wat uiters bekommerd was dat sy wiskundige teorieë die wetenskaplikes in Nazi-Duitsland in staat sou stel om ’n atoombom te vervaardig en sodoende die Nasionaal-Sosialiste die regeerders van die wêreld sou maak. Daarom dat Einstein op 2 Augustus 1939 sy beroemde brief aan Amerika se pres. Roosevelt geskryf het waarin hy die moontlikheid van die vervaardiging van ’n atoombom uiteengesit het.
Die Amerikaanse oppergesag het geluister. Op 2 Desember 1942 is die eerste sogenaamde kettingreaksie in die splyting van atome in die eksperimentele kernreaktor in Chicago, Amerika, bewerkstellig (kyk illustrasies ondertoe in hierdie artikel). Dit was onder die persoonlike toesig van ene Enrico Fermi, die beroemde Italiaans-Amerikaanse fisikus en Nobelpryswenner. Die pad was oop vir die ontwikkeling van die atoombom... met katastrofale gevolge vir Japan.
Só het die mens dan geleer hoe om die atoom te gebruik. Laat ons hoop en bid dat hierdie kennis altyd voortaan net in diens van die mens aangewend sal word—byvoorbeeld vir die bestryding van kwaadaardige kankers en in kernkragsentrales soos dié van Koeberg in die Kaap—en dat geen land dit ooit weer nodig sal vind om dit in ’n oorlog te gebruik nie.
Die gevolge kan verskrikliker wees as wat enige mens kan bereken.
o Kyk ook artikels oor die elemente, oor Einstein en oor radioaktiwiteit.
Hoe die atoom gesplyt word:
BO: Wannneer die atoomkern van ’n splytbare element soos uraan-235 met ’n neutron as die “koeël” gekloof (gesplyt) word, word die uraankern verdeel in stukke materie waarvan die gesamentlike massa kleiner as die massa van die oorspronklike kern is. Die “ontbrekende massa” word in energie omgesit (ooreenkomstig Einstein se teorie oor massa en energie). Twee of meer neutrone word van die gesplyte kern uitgeskiet, wat op hul beurt nuwe “koeëls” word en ander kerns kan tref (kyk ook hieronder by “Hoe kettingreaksies plaasvind”).
Hoe kettingreaksies plaasvind:
BO: ’n Neutron word met ’n geweldige snelheid in die kern van ’n splytbare element ingeskiet. Die kern absorbeer die neutron en verdeel min of meer in die helfte, waardeur twee nuwe, kleiner atome gevorm word. Neutrone wat uit die gekloofde (gesplyte) atoom vrygestel word, tref ander splytbare atome en kloof hulle ook. Nog neutrone word deur die laasgenoemde atome uitgeskiet en die proses hou aan en aan...
Fusie: ’n selfs kragtiger energiebron
REGS: Hoewel ’n enorme klomp energie deur splyting verkry kan word, kan ’n self groter hoeveelheid deur middel van fusie gegenereer word. Fusie is die opbou van ’n kern met kleiner kerns of met individuele protone en neutrone. ’n Mens kan byvoorbeeld twee soorte waterstofkerns (elk met ’n ander getal neutrone) saamsmelt om helium-4 plus ’n neutron plus energie te vorm. Geweldige hitte is egter daarvoor nodig en verskeie soorte fusie-reaksies vind trouens binne-in die son plaas. Wat meer sê: geen oond is nog ooit gebou wat die hitte kan opwek wat vir fusie vereis word nie. En tog kan ’n splytingsontploffing, wat onmiddellik ’n temperatuur van baie miljoene grade skep, dit wel doen. Splytingsontploffings is al as “snellers” gebruik om fusie-ontploffings te inisieer. Tot dusver is mens-gemaakte fusie-reaksies nog net ter vernietiging gebruik (in waterstofbomme en ander ploftoestelle). As fusie-reaksies ooit vir vreedsame gebruike getem kan word, sal die mensdom ’n groot nuwe kragbron tot sy beskikking hê.
HIER is nog ’n interessantheid: Hoe lyk dit binne-in die kern van daardie deuterium-atoom wat ons hierbo genoem het? (Deuterium staan ook bekend as “swaar waterstof”.) Die deuterium-kern bestaan uit presies een proton en een neutron, wat aan sterk sogenaamde kwantum-effekte onderworpe is omdat hulle so dig “saamgehok” is. Die fassinerende BEELD HIERBY toon sommige van die golfpatrone wat as gevolg daarvan ontstaan.
Krediet : Met vergunning van Argonne National Laboratory / Met vergunning van US National Science Foundation
BO: ’n Kunstenaar se voorstelling van ’n ruimtetuig wat deur antimaterie as die energiebron aangedryf word. Maar in werklikheid is die mensdom nog nie naby daaraan om antimaterie só te “tem” nie. Want materie en antimaterie wis mekaar totaal uit wanneer hulle bymekaarkom met ’n verskriklike vrystelling van energie.
Krediet: NASA Marshall artwork
NTIMATERIE. Antie Wie? Nee, dié anti het niks met ’n tantetjie uit te waai nie, maar is ’n woordelement wat teen of teenstand beteken. Ons lei dus af dat antimaterie iets is wat glad nie van materie “hou” nie.
In die wiskunde is +1 (plus een) en -1 (minus een) mos saam gelyk aan nul.
Anders gestel: ’n positiewe + en ’n negatiewe - kansel­leer mekaar so volledig uit dat die resultaat ’n niks is. Dis nou totaal en heeltemal niks, soos in ’n mens sonder ’n geraamte van wie al die ander dele ook weg is!
Nou het ons boontoe in die hoofteks van hierdie artikel verneem dat alle atome—daardie ontsettend klein materiële dingetjies—uit nog veel kleiner deeltjies saamgestel is. Die verskillende soorte deeltjies het ook verskillende elektriese ladings.
Die elektrone in atome het ’n negatiewe elektriese lading, terwyl die protone ’n positiewe lading het. Neutrone het geen elektriese lading nie of dan wel ’n neutrale lading.
Antimaterie is ’n stof in die heelal wat gelyk is aan materie, maar ook die teenoorgestelde daarvan is. ’n Mens kan
dit as ’t ware materie se bose tweeling noem. Die plusse en die minusse in hul samestellings is omgeruil.
Van elke soort deeltjie is daar dus ’n antideeltje, waarvan ’n aantal fisiese eienskappe dieselfde, maar ander eienskappe—waaronder die elektriese lading—presies die omgekeerde is.
By antimaterie is die ekwivalent van die elektron die positron, maar dié het ’n positiewe lading, nie ’n negatiewe een nie. En die antiproton is weer die antideeltjie van die proton, met ’n negatiewe pleks van ’n positiewe lading.
Antineutrone verskil wel so effentjies van neutrone, maar omdat albei neutraal is, is die verskil nie so aardskuddend nie.
TOG is aardskuddend hier ’n heel paslike woord. Want die verskriklike energie wat vrykom word wanneer materie en antimaterie bymekaar uitkom, is genoeg om ganse wêrelde te kan skeur. In der waarheid wis saamgevoegde materie en antimaterie mekaar heeltemal uit. Al wat oorbly, is energie.
E = mc2 soos Einstein gesê het –– massa en energie is bloot twee vorms van dieselfde ding.
Dit spreek vanself dat niks stofliks kan bly voortbestaan waar groot hoeveelhede materie en antimaterie saamgevoeg sou word nie. Of daar dus ’n heelal van materie hier is en ’n min of meer gelyke heelal van antimaterie doer ver op ’n ander plek, kan geen aardse mens sê nie. Ook nie of die ander opset dalk geld nie: dat daar doodeenvoudig ’n oorwig van materie teenoor antimaterie in die skepping is en, indien wel, waarom dit so is nie.
Uiters klein hoeveelhede antimaterie word wel in ons materiële wêreld gevorm deur kolossale woelinge in die kosmos, maar word onmiddellik weer vernietig sodra die plusse en minusse mekaar ontmoet.
Antimaterie sal nietemin ’n ontsaglike bron van energie wees as dit ooit op ’n manier ingespan sou kon word. ’n Sonvlam wat op ’n keer deur Amerikaanse navorsers op die son waargeneem is, het volgens hul berekening sowat ’n halwe kilogram antimaterie geskep. Dit sou glo genoeg krag kon lewer om die ganse VSA twee dae lank aan die gang te hou—en Suid-Afrika natuurlik ’n goeie aantal dae langer.
Dis voorts interessant dat daar in 1997 ontdek is dat positrone in die middel van ons Melkweg gevorm word. ’n Wentelende ruimte-teleskoop, die sogenaamde Compton Gamma Ray Observatory van die Amerikaanse ruimte-agentskap NASA, het wolke van positrone opgespoor.
Die mens is ook in staat om antimaterie in die laboratorium te verwek. Om antiprotone te maak, word botsings tussen protone teen naby die snelheid van lig bewerkstellig.
In 2002 het wetenskaplikes selfs daarin geslaag om tienduisende antiwaterstofatome te skep en later tot miljoene daarvan. Dis egter steeds nie iets waffers nie en daar lê nog ’n baie lang pad voor.
Want hoewel “tienduisende” dalk na baie klink, is dit eintlik bloedweinig anti-atome. ’n Mens sal 10.000.000.000.000.000 maal soveel moet hê vir genoeg antiwaterstofgas om ’n partytjie-ballon te vul.
En terwyl jy só ’n materiële ballon met die antimateriële gas sal probeer vul, gaan die hele spulletjie natuurlik in sy kanon in skiet en baie meer in puin lê as net jou laboratorium!
Alles klink dalk na iets uit die wetenskap-fiksie. Maar antimaterie is wel deeglik ’n deel van die uiters komplekse en geheimenisvolle stoflike werklikheid om ons. Dit maak die navorsers al hoe weetgieriger.
Nie verniet nie. Dis darem hoogs onwaarskynlik dat hierdie spul genieë met al hul moeite en ywer ten opsigte van antimaterie op ’n antiklimaks sal afstuur!