De bijzondere ontdekking die we na 101 jaar nog steeds niet helemaal snappen

De mens bestaat al zo lang, maar nog steeds weten we niet alles over de aarde. Sommige processen zijn namelijk een stuk complexer dan ze op het eerste oog lijken. Dit bijzondere verschijnsel is daar een goed voorbeeld van. Het is een van de belangrijkste ontdekkingen uit de twintigste eeuw, maar nog steeds snappen we het niet helemaal.

Het verschijnsel werd voor het eerst ontdekt door de Duitse wetenschapper Otto Hahn. Hij studeerde in 1921 af aan het Kaiser Wilhelm Instituut voor Scheikunde in Berlijn toen hij iets opmerkte dat hij niet kon verklaren. Een van de elementen waarmee hij werkte, gedroeg zich niet zoals het volgens zijn theorieën zou moeten. Hahn had onbewust het eerste nucleaire isomeer ontdekt. Dit is een atoomkern waarvan de protonen en neutronen anders zijn gerangschikt dan normaal. Hierdoor heeft het ongewone eigenschappen. Het kostten wetenschappers nog eens vijftien jaar onderzoek om Hahns ontdekking te kunnen verklaren.

Een radioactieve ontdekking

In de vroege twintigste eeuw waren wetenschappers op zoek naar nieuwe radioactieve elementen. Dit zijn elementen die, laten we het zo zeggen, een nogal krakkemikkige kern hebben. Af en toe breekt zo’n kern in stukken, waardoor hij spontaan deeltjes vrijgeeft. De onderzoekers hanteerden toen drie criteria voor een nieuwe ontdekking. Een daarvan was de manier waarop het element reageerde op andere stoffen. Ze maten ook de energie en snelheid van de deeltjes die vrijkomen. Dat laatste wordt de ‘halfwaardetijd’ genoemd.

https://youtu.be/yGHuZnfnUtI

In de jaren ‘20 hadden natuurkundigen enkele radioactieve stoffen ontdekt met identieke eigenschappen, maar een andere halfwaardetijd. Deze stoffen heten isotopen. Isotopen zijn dus verschillende versies van hetzelfde element. Uranium is een goed voorbeeld van een radioactief element met veel isotopen. Natuurlijke uraniumisotopen vervallen namelijk tot het element thorium. Dat element vervalt dan weer tot protactinium, met zijn eigen isotopen.

Hahn en zijn collega Lise Meitner waren de eersten die verschillende isotopen ontdekten, afkomstig van het verval van het element uranium. Alle isotopen die ze bestudeerden gedroegen zich zoals verwacht, op één na. Deze isotoop bleek dezelfde eigenschappen te hebben, maar de halfwaardetijd was langer. Ze noemden deze stof ‘uranium Z’. Hahn publiceerde zijn ontdekking van het eerste nucleaire isomeer, ondanks dat hij het niet kon verklaren.

Meer informatie over isomeren

Ten tijde van Hahn’s experimenten dachten wetenschappers nog steeds dat atomen alleen bestonden uit protonen omringt door elektronen. Pas in 1932 veranderde dit dankzij James Chadwick. Hij ontdekte dat een derde deeltje, de neutroon, ook deel uitmaakt van de atoomkern. Met deze nieuwe ontdekking konden natuurkundigen eindelijk isotopen verklaren. Het zijn kernen met hetzelfde aantal protonen en verschillende aantallen neutronen. Daardoor was ook het mysterie achter uranium Z te verklaren. Dat is een isomeer met een minder stabiele energie dan een isotoop. Eerst waren de ontdekkingen alleen belangrijk om wetenschappelijke processen te begrijpen. Maar als je een isomeer eenmaal begrijpt, kun je er ook de vruchten van plukken. Daarom is er veel nagedacht over hoe isomeren het beste ingezet kunnen worden.

Waar gebruiken we de ontdekking voor?

Isomeren zijn een belangrijke toevoeging in de geneeskunde. Omdat isomeren radioactief verval ondergaan, kunnen ze gevolgd worden door speciale camera’s terwijl ze door het lichaam bewegen. Technetium-99m is bijvoorbeeld een isomeer dat artsen veel gebruiken. Naarmate het isomeer vervalt, zendt het bepaalde deeltjes uit, genaamd fotonen. Met behulp van fotonendetectoren kunnen artsen volgen hoe technetium-99m door het lichaam beweegt. Zo kunnen ze beelden maken van het hart, de hersenen, de longen en andere organen. Ideaal bij de ontdekking van ziektes als kanker.

Isomeren zijn ook belangrijk in de astronomie. Sterren worden namelijk gevoed door de energie die vrijkomt bij kernreacties. Omdat isomeren in sterren aanwezig zijn, zijn die kernreacties anders dan op aarde. Dit maakt de studie van isomeren cruciaal om de exacte werking van sterren te begrijpen.

Hoe nu verder?

Nu, een eeuw nadat Hahns ontdekking, ontdekken wetenschappers nog steeds nieuwe isomeren. Wetenschappers hebben tegenwoordig natuurlijk de beschikking over betere technieken. Er bestaat bijvoorbeeld een Faciliteit voor Zeldzame Isotopenbundels aan de Michigan State University. Wetenschappers onderzoeken ook of nucleaire isomeren kunnen worden gebruikt voor ‘s werelds meest nauwkeurige klok. Het zou ook zomaar kunnen dat we in de toekomst isomeer-batterijen gebruiken. Wie weet zijn we dus weer honderd jaar verder, voordat we echt alles begrijpen over deze fascinerende ontdekking.

Hoe het drinken van rode wijn voor sommige een langer leven betekent

Onderwerpen

• radioactief
• scheikunde
• wetenschappelijk onderzoek