Argon nader bekeken

Het blijft me verbazen hoe dom ik kan zijn!

Ik heb net drie jaar lang allerlei precisiemetingen aan argongas gedaan, maar er was een toevallige opmerking van Andrew Marmary in een filmpje op RI Channel voor nodig om me op een simpel, verbazingwekkend feit te wijzen: argon-atomen – met 18 protonen in elke kern zijn gemiddeld zwaarder dan kalium-atomen die in elke kern één proton meer hebben. Het is een eenvoudig feit dat een opmerkelijk verhaal verbergt!

De relatieve massa van atomen van elk element wordt aan het eind van dit artikel in tabelvorm weergegeven, en als grafiek bovenaan de pagina. Het atoomnummer is het aantal protonen in de kern van elk atoom en de relatieve atoommassa is – heel ruw – het gecombineerde aantal neutronen en protonen in de kern. Een waterstofatoom bijvoorbeeld heeft 1 proton en geen neutronen en heeft een relatieve atoommassa van 1. Heliumatomen hebben 2 protonen en 2 neutronen en een relatieve atoommassa van 4. Uit de grafiek blijkt dat atomen met meer protonen in de kern de neiging hebben om voor elk extra proton ongeveer één extra neutron te hebben – maar niet precies één. Merk op dat de relatieve atoommassa’s niet precies op de rode stippellijn vallen, maar een beetje ‘wiebelen’. En sommige atomen, zoals chloor – met 17 protonen – hebben een relatieve atoommassa van 35,45 die niet in de buurt komt van een geheel getal. Bevat een chloorkern een fractie van een neutron? Nee. Maar om dit te begrijpen moeten we meer weten over isotopen

Zelfs zuivere elementen bevatten atomen met verschillende aantallen neutronen. Natuurlijk voorkomend chloor, bijvoorbeeld, heeft twee isotopen beide met 17 protonen, maar het ene heeft 18 neutronen en een relatieve massa van ongeveer 35 en het andere heeft 20 neutronen en een relatieve massa van ongeveer 37. Het eerste type is ongeveer 3 keer zo talrijk als het tweede, zodat de gemiddelde massa van chlooratomen ongeveer 35,5 is.

En hoe zit het met argon? Heeft dat ook isotopen? Ja. Argon in de atmosfeer heeft drie isotopen, alle met 18 protonen – maar één type (36Ar genoemd) heeft 18 neutronen en een relatieve massa van ongeveer 36 ; een tweede type (38Ar genoemd) heeft 20 neutronen en een relatieve massa van ongeveer 38, en het laatste en meest voorkomende type (40Ar genoemd) heeft 22 neutronen en een relatieve massa van ongeveer 40. Metingen door mijn collega’s van het Scottish Universities Environmental Research Centre hebben aangetoond dat er in normaal argon ruwweg 300 maal meer 40Ar dan 36Ar aanwezig is – en dat 38Ar nog zeldzamer is. Daarom is de gemiddelde atoommassa iets minder dan 40.

Het verbazingwekkende is dat als we deze meting 4 miljard jaar geleden hadden gedaan, toen de aarde werd gevormd, of als we de meting hadden gedaan op argongas van een andere planeet – we een ander antwoord zouden krijgen – een antwoord dat veel dichter bij 36 zou liggen. Dat komt omdat het ‘natuurlijke’ argon eigenlijk het 36Ar is. Als we de experimentele gegevens van de kop van de pagina opnieuw plotten, maar dan met een massa van 36 voor argon in plaats van de experimentele waarde, dan zien we dat het punt keurig op de lijn past.

Dus waar komt al het 40Ar vandaan? Het antwoord is dat het afkomstig is van het radioactieve verval van kalium-40 (40K). Het meeste kalium op aarde heeft 20 neutronen (39K), waardoor de relatieve massa van kalium in de buurt ligt van 39. Er is echter een kleine hoeveelheid kalium met 22 neutronen (41K), waardoor de relatieve massa van kalium iets groter is dan 39. Daarnaast is er een nog kleinere hoeveelheid kalium met 22 neutronen (41K), waardoor de relatieve massa van kalium iets groter is dan 39. Bovendien is er een nog kleinere hoeveelheid kalium met 21 neutronen (40K) en deze isotoop is radioactief en vervalt in 40Ar met een halfwaardetijd van ongeveer 1,2 miljard jaar. Dus in de loop van de 4 miljard jaar geschiedenis van de aarde is ongeveer 90% van onze oorspronkelijke voorraad 40K vervallen tot 40Ar

In het zonnestelsel komt argon eigenlijk meer voor dan kalium, maar op aarde is kalium veel overvloediger dan argon. En ook al is (40K) maar een heel klein deel van de kaliumatomen op aarde – er is zoveel kalium (ongeveer 1/500ste deel van het gewicht van de aarde) dat 40Ar van het radioactieve verval van 40K nu de dominante isotoop van argon op aarde is.

Dus de grafiek aan het begin van de pagina lijkt stom, maar als je de gegevens kunt lezen en de patronen kunt herkennen, dan zie je dat de grafiek boekdelen spreekt. Het spreekt over de geschiedenis van de Aarde en over de geboorte van de elementen in de doodsstrijd van sterren (Nucleosynthese). Wow! En hoe had ik dat niet kunnen zien?

Onderstaande gegevens heb ik van Wikipedia gehaald, dus ik weet dat het moet kloppen 🙂

.18

.97