Het atoom

wat is materie?

In verwondering vragen wij: Hoe is alles wat wij zien , kunnen aanraken, horen, ruiken, opgebouwd en ontstaan?
De oude Griekse filosofen vroegen zich al ruim voor de westerse jaartelling af af hoe materie is opgebouwd. Er was een gedeeld idee dat er zoiets moest zijn als prote hyle: oermaterie en of apeiron: het onbeperkte. uit deze oermaterie zouden vervolgens de oerelementen water lucht vuur en aarde zijn ontstaan. Volgens de overlevering spraken Thales van Milete over water als zijnde het zichtbare en kenbare oerelement. Zijn leerling Anaximander en diens leerling Anaximeness spraken over lucht, Volgens Empedocles was water de vloeibare vorm van materie, aarde de vaste vorm en lucht de gasvorm. In vuur zag hij als vorm warmte en licht. Xenophanes van Colophon stelde dat alles is geboren uit het oerelement aarde en uiteindelijk terugkeert naar de aarde

Het atoommodel

Democritus van Altera, een Griekse wiskundige,

astronoom en filosoof, die ca. 460 – 370 voor het begin van de westerse jaartelling leefde, stelde dat de wereld is opgebouwd uit uiterst kleine deeltjes die niet meer gedeeld kunnen worden. Deze deeltjes noemde hij atomos wat ondeelbaar betekent.

De oude Grieken kwamen door redeneren tot de conclusie dat materie bestaat uit kleine ondeelbare deeltjes. John Dalton (1766–1844) een Engelse meteoroloog en scheikundige kwam door experimenteren tot eenzelfde conclusie dat atomen bouwstenen van de materie zijn en dat zij ondeelbaar of onverwoestbaar zijn. Verder kwam hij tot de conclusie dat verschillende chemische elementen bestaan uit verschillende atoomsoorten en dat chemische verbindingen worden gevormd door combinatie van atomen van verschillende elementen. zijn.

Tegenwoordig weten wij dat materie, het universum, de aarde en alles wat er leeft inderdaad bestaat uit atomen. Wat verstaat de wetenschap tegenwoordig onder atomen? Voor wij daar nader op ingaan constateren wij dat er ondanks vele observaties, veel geteste en afgeleide kennis, ook veel onzekerheden over atomen bestaan. Daarom is het goed ons te realiseren dat wanneer wij over atomen praten, wij net als Dalton en Democritus eigenlijk over een atoommodel praten. Ook het tegenwoordige beeld dat wetenschappers hebben van atomen is daarom niet meer dan een model ofwel een educated guess.

Atomen staan voor elementen
Elk atoom vertegenwoordigt een element. Het meest voorkomende atoom of element in het universum is waterstof. Tot nu toe kennen wij 118 verschillende elementen of atomen
Afhankelijk aan wie je het vraagt onderscheidt men 94 tot 98 elementen die van nature voorkomen. Element 43:technetium, (Grieks voor kunstmatig), element 61: promethium en element 85: astatine werden eerst in het laboratorium gesynthetiseerd voor zij in de natuur werden gevonden. De andere elementen elementen die werden gesynthetiseerd zijn element 95 tot en met 118.
Voorbeelden van elementen die van nature voorkomen zijn: waterstof, helium, zuurstof, stikstof, koolstof, ijzer, lood, aluminium, koper, zilver, goud, platina en uranium.

Elementen worden internationaal aangeduid met een latijnse naam. Waterstof heet hydrogenium en wordt afgekort met H. Helium blijft Helium en wordt aangeduid met He. Zuurstof in het Latijn is oxygenium en wordt afgekort met O. Stikstof heet Nitrogenium en wordt afgekort met N. Koolstof heet carbonium en wordt afgekort met C. IJzer in het latijn is ferrum en wordt afgekort met fe. Koper is cuprum en wordt afgekort met Cu enz. Alle elementen en hun Latijnse namen zijn te vinden in het zogenaamde periodieke systeem.

Een atoom is onvoorstelbaar klein
Bijzonder aan een atoom is dat het verschrikkelijk klein is. Om een indruk te krijgen: Een gemiddelde menselijke lichaamscel is 10 keer zo klein als een haardikte. Wij hebben een microscoop nodig om zo’n cel te zien. Deze piep, piep, piepkleine cel is opgebouwd uit 100 biljoen ofwel 100.000.000.000.000 atomen.
In de kern van een atoom bevinden zich protonen en neutronen deze zijn uiteraard nog veel kleiner als het atoom veel kleiner. Ergens om de kern zijn de elektronen. Deze zijn nog veel kleiner als de protonen en de neutronen.
Om ons voorstellingsvermogen een indruk te geven moeten wij ons de protonen en neutronen in de kern voorstellen als een rijstkorrel die in het midden van de grasmat van de Johan Cruyff Arena ligt, De elektronen bevinden zich dan ergens aan de buitenkant van het stadion en zijn meer dan 1800 keer zo klein als die rijstkorrel op de grasmat.

Atomen zijn zo klein dat zij tot voor kort alleen afgeleid konden worden door spectrografie. .
Met de huidige microscopische technieken zoals Cryogene elektronen microscopie is het in 2020 gelukt een foto te maken van een koolstofmolecuul. Op deze foto zijn ook atomen weliswaar nog heel vaag maar toch zichtbaar.

Hoe stelt men zich een atoom voor?
Met behulp van al bekende eigenschappen trachtte o.a. Rutherford(1911)

zich een beeld te vormen van het atoom.
In het atoommodel van Rutherford cirkelen lichte elektronen als een wolk om een positief geladen zware kern. In de klassieke natuurkunde zenden bewegende ladingen echter elektromagnetische straling uit, zodat het atoom niet stabiel zou zijn.
Om aan dit probleem te ontkomen, postuleerde Niels Bohr(1913) dat de elektronen zich alleen in banen kunnen bevinden op specifieke afstanden van de kern, en dat een elektron in zo'n baan geen straling uitzendt.

Hoe het atoommodel tegenwoordig te visualiseren
Men stelt zich het atoom voor als een bolvormige driedimensionale ruimte. In het midden van die ruimte van het atoom zit de kern. De kern bestaat uit protonen en neutronen. Het proton heeft een positieve elektrische lading. Het neutron heeft geen elektrische lading. Rondom de kern kunnen negatief geladen elektronen gemeten worden. Daar het elektron beweegt is de positie nooit met zekerheid te bepalen. Wat wel uiterst nauwkeurig te bepalen is, is de waarschijnlijkheid waar het elektron te vinden is. Hoe dichter bij de kern, hoe waarschijnlijker het is dat een elektron daar gemeten kan worden. Daar dit zeer veel posities zijn wordt dit vergeleken met een wolk van posities: een elektronenwolk. Ook al gaat het zoals het geval is bij het waterstofatoom om één elektron.

Elektronen volgens de kwantummechanica
Een vaak gestelde vraag over positieve lading van het proton en de negatieve lading van het elektron is: Hoe komt het dat de negatief geladen elektronen niet neer storten op het positief geladen proton? Een positieve en een negatieve elektrische lading trekken elkaar immers aan. Wij moeten bedenken dat dit een enorme consequentie zou hebben want als dat zou gelden zou het universum niet kunnen bestaan. Elektronen vallen dus niet terug in de kern.
Terug naar de vraag: hoe het komt dat elektronen niet neerstorten op het proton. Dat komt omdat er in de wereld van het allerkleinste, andere wetten gelden dan in de voor ons zichtbare wereld. Wij betreden nu de wereld van de kwantummechanica. De kwantummechanica beschrijft hoe materie zich gedraagt op de schaal van moleculen, atomen, de subatomaire deeltjes: elektronen, protonen, neutronen, hun beweging en interactie.

In de kwantummechanica stelt men zich een elektron voor als gekwantificeerde golffuncties die zich in de ruimte verspreiden en zich soms op beperkte manieren als deeltjes kunnen gedragen.
In gewoon Nederlands betekent dat men aan de hand van het energieniveau van het atoom een groot aantal mogelijke posities (kwanta) berekent waar het elektron zich zou kunnen bevinden. Volgens Heisenberg(1927) is het namelijk onmogelijk om een precieze positie berekening van het elektron te berekenen. Om het nog gekker te maken het elektron of kwantum kan zich op meerdere plaatsen tegelijk bevinden.
De kwantummechanica stelt dat atomen zich voortdurend in een bepaalde energietoestand bevinden. Hoe meer energie in het atoom hoe verder de elektronen van de kern zullen zijn. In de kwantummechanica spreekt men van niveaus van energie.


De kwantummechanica schrijft voor dat wanneer een elektron zich in het energieveld van een atoomkern bevindt, het elektron slechts een bepaald energieniveau in de buurt van deze kern kan bezetten. Wanneer het elektron op een dergelijk energieniveau rust, straalt het niet en kan geen energie verliezen. Het energieniveau dat de laagste energie heeft wordt de grondtoestand genoemd. Dus zelfs als elektronen zich dicht bij de kern van het atoom bevinden, verbiedt de kwantummechanica dat elektronen naar de kern vallen.

De lading van het atoom
Het aantal elektronen bepaalt de lading van het atoom,

De massa van de kern van het atoom
De positief geladen kern van het atoom maakt 99,9% van de massa van het atoom uit, maar slechts plusminus 1/100.000 van zijn volume.

Het atoomnummer
Het aantal protonen in de kern van het atoom bepaalt welk element dit atoom vertegenwoordigt. Het atoomnummer (het aantal protonen) bepaalt de chemische eigenschappen van een atoom. Zo is het atoomnummer van waterstof 1 wat betekent dat een waterstof atoom, één proton en één neutron in de kern en één elektron in de schil. Alle atomen van andere elementen hebben meer protonen, neutronen en elektronen. Het veel zwaardere uranium atoom heeft 92 protonen, 92 neutronen in de kern en 92 elektronen in de schil. Het atoomnummer van koolstof 6 bepaalt dat het atoom koolstof 6 protonen, 6 neutronen in de kern heeft en 6 elektronen in de schil.

Isotopen
Een atoom van een element heeft variaties. Normaliter heeft een atoom een gelijk aantal protonen als neutronen. Er zijn echter atomen die geen gelijk aantal protonen en neutronen hebben. Deze atomen noemt men isotopen ofwel variaties van een element. het aantal neutronen bepaalt welke isotoop van het specifieke element wordt weergegeven.

Neutraal atoom
In een neutraal atoom worden de protonen in de kern in evenwicht gebracht door de elektronen.

Ionen
Een atoom dat elektronen heeft gewonnen of verloren, wordt negatief of positief geladen en wordt een ion genoemd.

Quarks
Men veronderstelt dat het proton ook uit deeltjes bestaat en wel uit twee up quarks en een downquarks. De veronderstelde massa van de 3 quarks is echter maar 0,2% van de massa van het proton. De rest veronderstelt men bindingsenergie te zijn.

Gluonen
De quarks zijn weer verbonden door gluonen. Men stelt zich de gluonen voor als spiraalveren. Die voortdurend in beweging zijn.

Het waterstof atoom; het lichtste atoom of element heeft één proton en één neutron in de kern en één elektron in de schil. Alle andere atomen van verschillende elementen hebben allemaal meer protonen, neutronen en elektronen. Het veel zwaardere uraniumatoom heeft 92 protonen, 92 neutronen in de kern en 92 elektronen in de schil.

Moleculen

Verschillende elementen kunnen met elkaar samenklonteren of fuseren. Samengeklonterde atomen van verschillende elementen heten moleculen. Er zijn natuurlijk veel meer soorten moleculen dan elementen. Stel je maar eens voor hoeveel combinaties er mogelijk zijn van 94 atomen. Het bekendste molecuul is het watermolecuul. Dat bestaat uit 2 atomen waterstof en een atoom zuurstof, afgekord als H2O.
Wat is nu een watermolecuul? Stel je voor dat je een liter water eindeloos splitst in een steeds kleinere hoeveelheid water. De hoeveelheid wordt op een gegeven moment zo klein dat je deze met het blote oog niet meer kunt waarnemen. Op een bepaald moment houdt je 1 watermolecuul over. Met een super microscoop is dat nog net niet te zien.
Ook een watermolecuul kun je spitsen en wel in 2 atomen waterstof: H2 en een atoom zuurstof: O. Water is dus een samenklontering van 2 elementen: waterstof en zuurstof.
Wanneer je het zuurstof atoom in het watermolecuul, even laat voor wat het is, kun je daarna alleen de 2 waterstof atomen nog splitsen. Je houdt dan 1 waterstof atoom over. Omdat waterstof atoom het lichtste in het heelal is, is dit dus het allerkleinste deel waarin het molecuul water op te splitsen is.

Scheikunde

Scheikunde of chemie is de wetenschap die zich bezig houdt met het bestuderen, hoe atomen van verschillende elementen zich aan elkaar binden samenklonteren of juist uit elkaar vallen. Men doet dat door bijvoorbeeld te onderzoeken hoe elementen reageren wanneer ze samen worden gebracht en vervolgens de temperatuur te veranderen, de lichtsterkte aan te passen of de druk op elementen te verhogen. Onderzocht wordt, uit welke atomen(elementen) en moleculen materialen bestaan en met welke atomen nieuwe moleculen en materialen te maken zijn.
Het waterstofgas in het molecuul water is bijvoorbeeld vrij te maken door in water een elektrische stroom te laten lopen. Een spontaan chemisch proces, namelijk: roesten, treedt op wanneer ijzer blootgesteld is aan water en het gas zuurstof in de lucht. Een deel van het ijzer gaat dan over in ijzeroxide ofwel (roest).

De fundamentele krachten in het atoom

Wetenschappelijke inzichten in de 18e, 19e en 20e eeuw stellen dat in atomen vier fundamentele natuurkrachten werkzaam zijn. Deze krachten zijn de sterke kernkracht, de elektromagnetische kracht, de zwakke kernkracht en de zwaartekracht. Over de zwaartekracht later meer.

De elektromagnetische kracht
De elektromagnetische kracht in atomen is verantwoordelijk voor de positief geladen protonen en negatief geladen elektronen. Het neutron - de naam zegt het al - heeft geen lading.
De protonen en neutronen in de kern van het atoom worden hadronen genoemd.
Een vaak gestelde vraag over de elektromagnetische kracht is: Hoe komt het dat de negatief geladen elektronen niet neer storten op het positief geladen proton? Een positieve en een negatieve elektrische lading trekken elkaar immers aan. De consequentie van deze redenering zou zijn dat het universum dan niet zou bestaan. Elektronen vallen dus niet terug in de kern.
Terug naar de vraag: hoe het komt dat elektronen niet neerstorten op het proton. Dat komt omdat er in de wereld van het allerkleinste, andere wetten gelden dan in de wereld van het allergrootste. Wij betreden nu de wereld van de kwantummechanica.

De sterke kernkracht
De elektromagnetische kracht die de protonen een positieve lading geeft zou er normaliter voor zorgen dat de protonen van alle elementen behalve waterstof, uit elkaar geduwd worden en het atoom als het ware zou oplossen. Wij weten immers dat positieve ladingen elkaar afstoten Dit wordt echter voorkomen door de sterke kernkracht die nog sterker is als de elektromagnetische kracht. De sterke kernkracht is overigens alleen werkzaam in het atoom. De protonen en neutronen worden weer opgebouwd uit up quarks en downquarks en worden bij elkaar gehouden door gluonen die de sterke kernkracht doorgeven. Gluonen worden weergegeven als spiraalveertje.

De zwakke kernkracht
De zwakke kernkracht, ook zwakke kracht of zwakke wisselwerking, tussen zware W- en Z-bosonen. Het bekendste effect van de zwakke kernkracht is bètaverval: de emissie van elektronen door neutronen of van positronen door protonen, die, en de daarmee geassocieerde radioactiviteit beïnvloedt
• neutrino's
• geladen leptonen
• quarks
De zwakke kernkracht stelt leptonen en quarks in staat energie, massa en lading met elkaar uit te wisselen. De zwakke kernkracht is beperkt tot in de atoomkern.

Je kunt dan de vraag stellen; hoe komt het dat atomen en elementen aan elkaar klonteren? Wat wij waarnemen is dat elk systeem in de natuur streeft naar een stabiele energie toestand. Een systeem van samengeklonterde atomen heeft een stabielere energie toestand als los voorkomende atomen. Dat weten wij omdat samengeklonterde atomen minder energie hebben dan de energie van hetzelfde aantal los voorkomende atomen bij elkaar opgeteld. Dat betekent dat bij het samenklonteren van atomen energie vrijkomt en wanneer wij de samengeklonterde atomen weer willen bevrijden dat wij weer deze energie moeten toevoegen. Deze vrijgekomen of toegevoegde energie noemen wij bindingsenergie.
Wanneer wij daarna bedenken dat Albert Einstein in 1905 kwam met E=M x C2wat betekent dat energie gelijk is aan massa, is ook te begrijpen dat het aantonen van het lichtere gewicht van samengeklonterde atomen - bijvoorbeeld in een molecuul – vergeleken met de losse atomen ook verklaart dat samengeklonterde atomen minder energie hebben.
Ook werd aangetoond dat de kern bestaande uit protonen en neutronen van een atoom lichter is, dan wanneer de protonen en neutronen los van elkaar gewogen worden.

Kernsplijting
Nu we weten hoe klein atomen zijn, is het nog onvoorstelbaarder dat het splijten van atoomkernen genoeg energie oplevert om een hele provincie van stroom te voorzien en dat het fuseren van diezelfde kern zoals dat in de zon gebeurt nog eens vier keer zoveel energie oplevert. Het klassieke "planetaire" model van een atoom. De protonen en neutronen in de kern worden omcirkeld door elektronen in een "baan" rond de kern.

Literatuur

Bryson, Bill. Een kleine geschiedenis van bijna alles, Atlas, Amsterdam, (2015)
Chaisson, E.McMillan, S. Astronomy Today. Pearson Prentice Hall, Upper Saddle River, (2005)

Websites:

Waarom komen elektronen in het atoom niet de kern binnen?
Waarom vallen elektronen niet in de kern van het atoom