De fermionendans

foto:plaatjesarchief Erica

Vandaag natuurkundeles!
De eerste twee elementen van het "periodiek systeem der elementen" (een overzicht van alle ca.100 elementen waaruit ons heelal is opgebouwd, ontworpen door de Rus Dimitri Mendelejev) zijn waterstof en helium.
Het bestaan van deze twee besefte de hele mensheid toen de eerste waterstofbom ontplofte, maar u en ik genieten er ook dagelijks van: de zon is één grote waterstof bom en de energie die daarbij vrij komt schenkt ons het leven op deze aarde. In de zon wordt waterstof (H) omgezet in Helium (He), als alle waterstof verbruikt is zijn we aan de finale van ons zonnestelsel gekomen, maar dat duurt nog miljarden jaren.
Een atoom waterstof bestaat uit een kern van één proton (dat een positieve lading heeft van +1)en daaromheen een elektron dat een negatieve lading van -1 heeft. Beide ladingen zijn even groot en heffen elkaar dus op, aan de buitenkant is de lading nul.
Heel zeldzaam zijn de waterstof atomen waarbij in de kern naast het proton nog een neutron voorkomt. Een neutron is een deeltje zonder lading wat wel even zwaar is (even veel massa heeft) als een proton.
Van waterstof bestaan dus 2 vormen, één met als kern een proton en één met als kern een proton en een neutron. We zeggen: waterstof heeft twee "isotopen".
Het tweede element helium heeft twee protonen (++) en twee elektronen (--) daar omheen. Kijken we alleen naar de kern dan hebben we bij helium ook te maken met twee varianten dus twee "isotopen": het isotoop 3He en het isotoop 4He.
Het isotoop 3He bestaat uit een kern van twee protonen en één neutron (het kerndeeltje zonder lading) en het isotoop 4He heeft als kern 2 protonen en 2 neutronen.
Helium heeft dus een variant (een isotoop) met een oneven aantal kerndeeltjes namelijk 3He en een isotoop met een even aantal kerndeeltjes 4He.
Let op: het is Helium omdat het twee protonen en twee elektronen heeft en het is waterstof omdat het één proton en één elektron bezit.
Atomen met een oneven aantal kerndeeltjes heten fermionen, die met een even aantal heten bosonen.
Het gas helium is als het ware een Nobelprijsgenerator. Onze landgenoot Heike Kamerlingh Onnes kreeg in 1913 de Nobelprijs voor Natuurkunde omdat hij in 1911 als eerste het heliumgas tot een vloeistof condenseerde en daarna met Holst (de eerste baas van het wereldberoemde natuurkundig laboratorium van Philips) de supergeleiding ontdekte. Bij supergeleiding heeft een stof geen elektrische weerstand meer. Een elektrische stroom kan dan als het ware oneindig lang blijven bestaan.
De ontdekking van supergeleiding was een revolutie in de natuurkunde, ook nu nog is het één van de hot items in de techniek.
Terug naar de fermionen, bosonen en het helium.
Bij extreem lage temperatuur kan het vloeibare helium "superfluïde"worden. Dat is een toestand waarbij er geen weerstand meer is om zich te verplaatsen. Technisch: de viscositeit is nul. Je moet niet proberen je dat voor te stellen.
Nu de fermionendans: de geleerden wisten dat superfluïde alleen voorkwam bij isotopen met een even aantal kerndeeltjes, dus bij helium alleen voor 4He ook Einstein heeft daar nog een steentje aan bijgedragen. U begrijpt voor welk raadsel ze stonden toen bleek dat ook 3He bij een paar milligraden boven het absolute nulpunt van -273,15 graden Celsius, superfluïde wordt.
In 2003 kreeg Legett de Nobelprijs voor natuurkunde omdat hij in 1970 het raadsel had opgelost. Twee 3He kernen doen net alsof ze wel een even aantal kerndeeltjes hebben: ze vormen een paartje en hebben dus (denkt de natuur) 6 kerndeeltjes. Ze doen de fermionendans en zo kan 3He toch ook superfluïde worden!
Leerresultaat: paarvorming is zo gek nog niet.