De nucleaire klok is weer een tikje dichterbij. Duitse onderzoekers hebben voor het eerst de eigenschappen van thorium-229 in detail bestudeerd. Met thorium-229 kan een klok gemaakt worden die nog nauwkeuriger is dan de huidige atoomklokken.

Een nucleaire klok is gebaseerd op de trillingen van de kern van een thorium-229-atoom. In zo’n klok wordt de kern ‘aangeslagen’ met laserlicht. Rechts staan enkele eigenschappen van thorium-229. De grondtoestand heeft bijvoorbeeld een halfwaardetijd van 7932 jaar, die van de aangeslagen toestand is 7 microseconde. Bron: Düllmann, JGU Mainz

Nee, een nucleaire klok is niet de symbolische doemdagklok die aangeeft hoe dicht we ons bevinden bij een door de mens veroorzaakte wereldramp, zoals een kernoorlog. Het is een klok die de tijd uiterst nauwkeurig bepaalt aan de hand van trillingen van atoomkernen.

Absurd nauwkeurig

Om de tijd te bepalen gebruiken klokken meestal ‘iets’ dat met een vaste frequentie schommelt. Bij ouderwetse staklokken is dat een een slinger die met regelmaat heen en weer beweegt.

Namaak-aanraak
LEES OOK
Namaak-aanraak

Maar er is een veel nauwkeurigere manier om de tijd te bepalen: atoomklokken. Atoomklokken zijn absurd nauwkeurig. Als je ze ongeveer 100 miljoen jaar zou laten lopen, zitten ze er hooguit een seconde naast.

Vanwege die nauwkeurigheid is de seconde sinds de jaren zestig zelfs gedefinieerd als 9.192.631.770 trillingen van een cesium-133-atoom. Toch vinden natuurkundigen het tijd voor een nog preciezer uurwerk: nucleaire klokken.

Nog nauwkeuriger

Nucleaire klokken werken in de basis op dezelfde manier als een atoomklok. Een atoomklok meet de tijd aan de hand van trillingen van elektronen die om een atoomkern heen draaien.

Deze elektronen kunnen verschillende energieën hebben. Een elektron kan naar een hoger energieniveau gebracht worden door er met een laser op te schijnen. Alleen als je met een laser met precies de juiste frequentie op een hoeveelheid atomen schijnt, zullen hun elektronen allemaal naar een hoger niveau gaan. Door vervolgens te meten of de elektronen van alle atomen naar een hoger niveau gegaan zijn, weet je of je laser de juiste frequentie had. Als dat zo is, kun je die frequentie gebruiken om te tijd te bepalen. Als het niet klopt, pas je de frequentie van de laser aan tot je wel goed zit.

Onderzoeker Johannes Thielking van het Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) met de laser opstelling voor de metingen van de nucleaire eigenschappen van thorium-229. Bron: PTB

Een nucleaire klok werkt bijna hetzelfde, alleen wordt er niet naar de trillingen van elektronen gekeken, maar naar die van deeltjes in de atoomkern. De straal van een atoomkern is honderden tot duizenden keren kleiner dan de straal waarin elektronen om de atoomkern draaien. Daardoor raakt de trilling van kerndeeltjes nog minder makkelijk verstoord dan die dan elektronen, zodat die nog regelmatiger is. In theorie is een klok gebaseerd op kerntrillingen, een nucleaire klok, dus nog nauwkeuriger.

Thorium-229

Het nadeel is dat de trillingsfrequentie van kerndeeltjes meestal zo hoog is, dat de huidige lasers niet krachtig genoeg zijn. Maar er is een uitzondering. De energie waarbij thorium-229 heen en weer trilt tussen zijn zogenoemde grondtoestand en aangeslagen toestand (thorium-229 en thorium-229m, respectievelijk), is slechts een paar elektronvolt. Dat is vergelijkbaar met uv-licht, wat door lasers geproduceerd kan worden.

LEESTIP: In het Pocket Science-deel Ruimtetijd vertelt Yannick Fritschy onder andere waarom klokken langzamer lopen als je beweegt, maar juist sneller als je op een bergtop staat. €10,99. Bestel het boek in onze webshop.

Om een nucleaire klok te maken met thorium-229, moeten de eigenschappen daarvan goed bekend zijn. De Duitse onderzoekers hebben het nu voor elkaar gekregen om die eigenschappen te meten. Ze keken onder andere naar de interacties tussen de atoomkern en de elektronen eromheen en naar het magnetische dipoolmoment. Zo leerden ze meer over de structuur en het gedrag van thorium-229.

De laatste stap die nog gezet moet worden, is het ontwerpen van een laseropstelling die afgesteld kan worden op de frequentie van thorium-229. Als dat gelukt is, is het de hoogste tijd om een nucleaire klok te maken.

Mis niet langer het laatste wetenschapsnieuws en meld je nu gratis aan voor de nieuwsbrief van New Scientist.

Lees verder: