Kopenhagen triomfeert: hafnium!

Het element hafnium (Hf) viert dit jaar een eeuwfeest. Begin december 1922 wordt het ontdekt in het Universitets Institut for Teoretisk Fysik van de fysicus Niels Bohr, in Kopenhagen. Hetzelfde jaar krijgt Bohr de Nobelprijs voor natuurkunde voor zijn atoommodel. Passend, want de ontdekking is te danken aan precies dat atoommodel. Een paar dagen na de ontdekking houdt Bohr zijn dankrede bij de uitreiking in Stockholm, op 11 december 1922. Daarin presenteert hij onmiddellijk de ontdekking van dat ‘tot nu toe onbekende element 72’ als een triomf van zijn model. De officiële publicatie door de Nederlander Dirk Coster en de Hongaar George de Hevesy (die in 1943 zelf een Nobelprijs zou winnen), gebeurt op 20 januari 1923, in Nature onder de Sherlock Holmes-achtige titel On the Missing Element of Atomic Number 72.

In de race om het periodiek systeem (vastgesteld door Dmitri Mendelejev in 1869) compleet te maken is hafnium een van de allerlaatste stabiele elementen die nog ontbreken. Alleen rhenium (nummer 75) wordt later ontdekt, in 1925. Hafnium viel nooit eerder op omdat het sprekend lijkt op het veel minder zware metaal zirkonium (Zr, atoomgetal 40, dat al in 1824 geïsoleerd werd). Hafnium verbergt zich in zirkoniumverbindingen, als ‘vervuiling’ van een paar procent, precies op de plaats van zirkonium. Het wordt nu toegepast in minuscule elektronische verbindingen en als bijmengsel in legeringen van titanium of wolfraam. De belangrijkste toepassing dankt hafnium aan zijn enorm grote absorptievermogen voor neutronen – 600 keer groter dan zirconium dat ook vaak gebruikt wordt voor het afvangen van neutronen. Daarom zit hafnium vaak in de regelstaven waarmee in een kerncentrale de reactie wordt afgeremd. Bovenal is het populair bij de kleine venijnige kerncentrales die in onderzeeboten worden gebruikt.

De grote ontdekking van Bohr is dat elektronen zich buiten de atoomkern bevinden in heel precies omschreven ‘schillen’ met ieder een eigen energieniveau. Dankzij Bohrs berekeningen kunnen zijn twee medewerkers nummer 72 snel ontdekken. Dat zit zo. Door die nauwkeurig gedefinieerde schillen komt bij het verspringen van elektronen naar een lagere schil een specifieke hoeveelheid energie vrij, in de vorm van een lichtfoton van een bepaalde frequentie. Andersom kan door de inwerking van een specifiek foton een elektron weer naar een hogere schil worden geslagen. Door het bombarderen van een stof met röntgenstraling springen elektronen in de getroffen atomen naar allerlei hogere schillen. De fotonen die ze vervolgens – terugspringend naar een lagere schil – uitzenden verschijnen als spectraallijnen op de meetapparatuur. En omdat de zeven ‘hoofdschillen’ ieder ook weer onderverdeeld zijn in subschillen en die schillen ook zeker niet altijd netjes vollopen is de precieze positie van al die elektronen specifiek per element.

De trigger voor Coster en de Hevesy is dat eerder in 1922 Franse onderzoekers al meldden dat ze ‘72’ hadden gevonden, maar níét met spectraallijnen volgens Bohrs model. Achteloos schrijven de twee in Nature: „We have succeeded in detecting six lines which must be ascribed to the element 72”, wél precies volgens Bohrs voorspellingen. Kopenhagen triomfeert. Dáárom wordt ‘72’ hafnium genoemd, naar Kopenhagen (in het Latijn: Hafnia).