Atoom

Bestand:Atom.svg

Heliumatoom (vereenvoudigd weergegeven). De kern, met twee protonen (rood) en twee neutronen (groen), is omgeven door twee elektronen (geel).

Een atoom is van ieder scheikundig element de kleinste bouwsteen met de chemische eigenschappen van het element. Een atoom is een uiterst klein, ca 10^-10 meter, deeltje met een nog veel kleinere kern, ca 10^-14 meter, en één of meer elektronen. De atoomkern bestaat uit protonen en neutronen, uitgezonderd de eenvoudigste atoomkern die geen neutron bevat, en bevat meer dan 99% van de atoommassa. Atomen worden gerangschikt naar het aantal protonen in hun kern, hun atoomnummer. Een chemisch element bestaat uit atomen met hetzelfde atoomnummer. Deze elementen kunnen worden gerangschikt in een tabel, een periodiek systeem.

Atomen met hetzelfde atoomnummer maar verschillend aantal neutronen in de kern heten isotopen. Een neutraal atoom bevat evenveel elektronen als protonen. Een ion is een atoom met minder of meer elektronen dan protonen.

Van 80 chemische elementen bestaat tenminste één stabiele isotoop. Alle elementen met atoomnummer groter dan 83 hebben geen stabiele isotoop. De kernen vervallen tot kernen met kleiner atoomnummer wat heel lang, millioenen jaren kan duren.

Vrijwel alle scheikundige en natuurkundige eigenschappen van de op aarde voorkomende materie zijn gekoppeld aan de eigenschappen van atomen. Het atoom is daarom een sleutelbegrip in deze beide wetenschappen. De fysische eigenschappen van afzonderlijke atomen, waarbij scheikundige stofeigenschappen buiten beschouwing worden gelaten, worden bestudeerd in de atoomfysica.

In bijvoorbeeld sterren, neutronensterren en zwarte gaten komt echter ook materie voor die niet uit atomen is opgebouwd. De studie van deze – vanuit aards perspectief bijzondere – vormen van materie is het terrein van de plasmafysica en de astrofysica.

Een atoom is onvoorstelbaar klein; er gaan meer atomen in een glas water, dan er glazen water in alle oceanen op aarde gaan.

Componenten van het atoom

Bestand:Bouw materie.PNG

opbouw van materie

Een atoom bestaat uit subatomaire deeltjes: een uiterst kleine, positief geladen atoomkern, die is opgebouwd uit protonen, positief geladen deeltjes, en neutronen (niet geladen), met daaromheen een wolk van elektronen, die negatief geladen zijn. De elektronenwolk blijft rondom de kern zitten door de elektrische aantrekking tussen de positief geladen kern en de negatief geladen elektronen, kernbinding genoemd. Een sterk vereenvoudigd model van een atoom, het zogenaamde planeetmodel van Hantaro Nagaoka, wordt weergegeven in de bovenstaande illustratie.

De studie van de atoomkernen is het terrein van de kernfysica. Het is mogelijk de bouwstenen van de kern nog verder te splijten in nog kleinere subatomaire deeltjes. Dit is het terrein van de hoge-energiefysica.

De elektronenwolk

Bestand:HAtomOrbitals.png

Elektronenwolk van waterstofatoom in verschillende energietoestanden. Lichtere kleur betekent grotere kans dat het elektron zich daar bevindt.

De grootte van een atoom wordt bepaald door de elektronenwolk. Afhankelijk van het atoomnummer varieert de straal van een atoom van circa 60 pm (helium) tot 275 pm (francium) . Sinds begin jaren 80 is dat groot genoeg om met behulp van atomic force microscopy (AFM) en scanning tunneling microscopy (STM) te visualiseren.

De elektronenwolk wordt het best beschreven als een golffunctie, een niet direct waarneembare grootheid die in de kwantummechanica wordt gebruikt. Deze grootheid is gerelateerd aan de kans een elektron binnen een eindig volume aan te treffen. Deze kansverdelingen van elektronen worden vaak "schillen" genoemd (de juiste naam voor de omgeving waarin het elektron zich kan bevinden is "orbitaal"), omdat de elektronen met de hoogste energie zich over het algemeen verder van de kern, in de "buitenste schil", zullen bevinden.

De elektronen in de buitenste schil bepalen vooral de scheikundige eigenschappen van de atomen. Sommige natuurkundige eigenschappen, bijvoorbeeld de geleiding van een stof, worden ook door de buitenelektronen bepaald. Andere natuurkundige eigenschappen hebben echter meer met de binnenelektronen te maken, zoals het opwekken van röntgenstraling.

De kern

Veel natuurkundige eigenschappen, bijvoorbeeld massa en veel soorten radioactief verval, hebben niets met elektronen te maken; daar speelt juist de atoomkern met daarin protonen en neutronen een grote rol.

De kern is bijzonder klein: de diameter ligt tussen 1,6 en 15 femtometer, dat is ongeveer 20 000 keer zo klein als het hele atoom. Doordat elektronen in vergelijking met protonen en neutronen vrijwel geen massa hebben, bevindt vrijwel alle massa van een atoom zich in deze piepkleine kern. De protonen en neutronen worden bij elkaar gehouden door de sterke kernkracht. Het aantal protonen wordt het atoomnummer genoemd en is gelijk aan het aantal elektronen van het ongeladen atoom. Het atoomnummer bepaalt de chemische eigenschappen van een atoom. Het aantal neutronen is bijna altijd groter dan het aantal protonen. Atomen met hetzelfde atoomnummer kunnen als gevolg van een verschillend aantal neutronen verschillen in massa. De verschillende natuurlijke varianten van een stof worden isotopen genoemd. Isotopen zijn onderling chemisch vrijwel identiek, maar hun fysische eigenschappen kunnen aanzienlijk verschillen. Een voorbeeld van een zeldzame isotoop van waterstof is deuterium, "zware waterstof", dat naast ("gewone") zuurstof, het tweede element vormt in zwaar water. Veruit de meest op aarde voorkomende isotoop van waterstof betreft echter protium ('gewone waterstof'): 99,985 %.

Bestand:Sciences exactes.svg

Vereenvoudigde voorstelling van een heliumatoom, met een atoomkern en twee elektronen.

Ionen

De elektromagnetische kracht houdt de elektronen rondom de kern. Bij een neutraal atoom is het aantal protonen gelijk aan het aantal elektronen. Wanneer een atoom een ongelijk aantal protonen en elektronen bevat, en dus niet elektrisch neutraal is, spreekt men van een ion. Ionen met een tekort aan elektronen worden kationen genoemd; ionen met overschot aan elektronen anionen.

Een los voorkomend ion is in principe instabiel: een kation zal, afhankelijk van zijn oxidatietoestand, proberen één of meer elektronen uit de omgeving aan te trekken, een anion zal, afhankelijk van zijn oxidatietoestand, één of meerdere elektronen proberen los te laten. Ionen met gelijke lading stoten elkaar af, met tegengestelde lading trekken zij elkaar aan. Men treft daarom altijd kationen en anionen aan bij elkaar in de buurt, zodat gemiddeld gesproken materie 'elektrisch neutraal' (ongeladen) is, in overeenstemming met de wet van behoud van lading.

Ionen kunnen bij hoge temperaturen gevormd worden in een gas, men spreekt dan van een plasma. Bij lagere temperaturen worden ionen ook in oplossingen aangetroffen. Opgeloste ionen van tegengestelde lading kunnen samen reageren tot een vaste stof en uit hun oplossing neerslaan. Een dergelijke uit ionen gevormde stof noemt men een zout.

Elementen

Atomen kunnen onderscheiden worden naar het aantal protonen in de kern. Dit aantal heet het atoomnummer. Een stof die bestaat uit atomen met hetzelfde atoomnummer heet een element. Er zijn anno 2006 meer dan 118 verschillende elementen bekend, waarvan een aantal echter niet op aarde voorkomt. De elementen worden gerangschikt in het periodiek systeem.

Isotopen

Het komt voor dat de atomen van een element niet allemaal hetzelfde aantal neutronen in de kern bezitten. Men spreekt dan van isotopen. Isotopen hebben (vrijwel) dezelfde chemische eigenschappen, maar andere fysische eigenschappen. Van vrijwel alle elementen is meer dan één isotoop bekend. Daarnaast is het mogelijk om met behulp van kernreacties nieuwe atomen te produceren, maar deze zijn vaak instabiel en ondergaan radioactief verval.

Moleculen

Er zijn gassen die uit losse atomen bestaan, dit zijn voornamelijk de edelgassen, zoals argon, maar ook bijvoorbeeld de damp van kwik. Meerdere atomen kunnen zich echter ook organiseren in moleculen en veel gassen en dampen bestaan niet uit atomen maar uit moleculen. Waterstofgas bijvoorbeeld bestaat uit 2 waterstofatomen.(H2)

Geschiedenis

In het oude Griekenland speculeerden filosofen al over atomen (het atomisme). Een van de grootste vragen was, of materie eindeloos deelbaar was in kleinere deeltjes of niet. Bekende filosofen als Plato dachten van wel. Democritus was het daar duidelijk niet mee eens. Hij stelde dat atomen eigenschappen zoals grootte, vorm en massa hadden. Alle andere eigenschappen die aan materie werden toegeschreven, zoals kleur of smaak, zouden worden veroorzaakt door interacties tussen atomen. De naam atoom die door Democritus is bedacht, komt van het Griekse a-tomos, dat on-deelbaar betekent. Later zijn er nog vele atoomtheorieën opgesteld; deze waren niet alle even onomstreden.

In de negentiende eeuw werd ontdekt dat materie uit deeltjes bestaat; dat waren dus de atomen waarover in de oudheid reeds gefilosofeerd werd. In die periode werd het atomisme in wetenschappelijke kringen opgenomen en onder de noemer atoomtheorie geschaard.

Spoedig bleek dat atomen tóch deelbaar zijn. Ze bevatten elektronen, die gemakkelijk verwijderd worden, en een kern, die in de kernfysica gescheiden kan worden in protonen en neutronen. Die kerndeeltjes gelden thans ook niet meer als elementair (zie quark).

Het idee van de grens aan de deelbaarheid is echter onaangetast gebleven en het valt te verdedigen dat wat nu kwanta genoemd worden de atomen van Democritus zijn.

Wat het begrip ondeelbaar betreft, moeten we wel voor ogen houden dat in vroegere tijden de begrippenkaders anders waren, en wetenschap en religie niet zo onderscheiden waren als heden. De term individu betekent ook: niet deelbaar. Als we een individu in stukken hakken, verliezen we de karakteristieke eigenheid van het individu. Indien we aannemen dat een hiërarchisch opgebouwd stelsel een eenheid is (bijvoorbeeld een atoom, molecule, cel, orgaan, plant, dier, mens), dan kunnen we over het interne organiserende leven van zo'n stoffelijk stelsel spreken als een soort geestelijk atoom, door sommigen ziel of geest genoemd.

In 1714 heeft Leibniz een soort atoomtheorie het licht doen zien: de zogenaamde monadologie. Een monade is vergelijkbaar met een atoom, maar de theorie gaat veel verder dan de huidige opvattingen van een stoffelijk/energetisch atoom. Een monade is de kern, de wezenseenheid van elke materiële eenheid, of het nu een atoom is of een mens of welk ander georganiseerde hiërarchische eenheid van ook.

Bestand:A New System of Chemical Philosophy fp.jpg

Systeem van John Dalton

In 1808 publiceerde de Engelse wetenschapper John Dalton een nieuwe theorie:

1. Elementen bestaan uit kleine deeltjes, atomen genaamd.
2. Elk element wordt gekarakteriseerd door de massa van het atoom; atomen van hetzelfde element hebben dezelfde massa en atomen van verschillende elementen hebben een verschillende massa.
3. Bij het ontstaan van nieuwe stoffen verandert alleen de manier waarop atomen met elkaar verbonden zijn; de atomen zelf veranderen niet.

Een belangrijke vraag waar Dalton geen antwoord op kon vinden, was waar atomen zelf uit bestaan. Aan het einde van de 19e eeuw voerden verschillende wetenschappers experimenten uit met kathodestraalbuizen en langzaam kwamen zij tot het besef dat er zich daarin negatief geladen subatomaire deeltjes bevonden. Joseph John Thomson was in 1897 een van de eersten die daarover publiceerden. Hij gaf de negatieve deeltjes de naam corpuscles. Later zouden zij bekend worden als elektronen. In 1906 kreeg Thomson een Nobelprijs voor zijn ontdekking.

Na de bekendwording van de elektronen bood zich een nieuw probleem aan: atomen waren neutraal en als elektronen negatief waren, zouden er zich in atomen ook nog positief geladen deeltjes moeten bevinden. In 1911 beschreef Ernest Rutherford hoe hij experimenten met goudfolie en α-deeltjes had uitgevoerd (zie: atoommodel van Rutherford) en daaruit concludeerde dat een atoom bestond uit een kleine massieve positief geladen kern met daaromheen de negatief geladen elektronen. Latere experimenten, uitgevoerd door Rutherford en anderen, toonden aan dat de atoomkern twee verschillende deeltjes bevatte: positieve protonen en neutrale neutronen.

In 1914 stelde de Deense wetenschapper Niels Bohr dat de elektronen rondcirkelden rondom de atoomkern, en dat zij zich in bepaalde banen met eigen energieniveaus bevonden (zie: atoommodel van Bohr). Omdat er met het model van Bohr nog steeds een aantal zaken niet verklaard konden worden, kwam Erwin Schrödinger in 1926 met een kwantummechanisch model waarbij elektronen niet als deeltjes, maar als golfverschijnsel werden voorgesteld. Een jaar later kwam Werner Heisenberg met het onzekerheidsprincipe van Heisenberg, waarmee hij aangaf dat het inderdaad niet mogelijk was van een elektron de precieze plaats in een atoom aan te geven.

Zie ook de lijst van deeltjes uit de deeltjesfysica voor een compleet overzicht van alle deeltjes.

Bronnen, noten en/of referenties

Bronnen, noten en/of referenties (en) Atom, Encyclopaedia Britannica (Dode link)Geschiedenis van het atoommodel - esrac.ele.tue.nl Modern atoommodel

Fysische deeltjes

Atomaire deeltjes: Molecuul · Atoom · Ion Subatomaire deeltjes: Nucleon · Atoomkern Bosonen: Foton · Gluon · W-boson · Z-boson · Higgsboson · Graviton · Pion · Meson Fermionen: Quark · Lepton · Neutrino · Elektron · Positron · Muon · Tau · Proton · Neutron · Baryon