Atoom

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 (waterstof) dat alleen een proton is. De massa van een proton is 1,67262 × 10⁻²⁷ kg, van een neutron 1,67493 × 10⁻²⁷ kg en van een elektron 0,00091 × 10⁻²⁷ kg.

Atomen worden gerangschikt naar het aantal protonen in hun kern, hun atoomnummer. 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.

Een chemisch element bestaat uit atomen met hetzelfde atoomnummer. Deze elementen kunnen worden gerangschikt in een tabel, een periodiek systeem zodanig dat elementen in dezelfde tabelkolom overeenkomstige chemische eigenschappen hebben (Dmitri Mendeleev, 1869). De vorm van deze experimenteel gevonden tabel werd pas in de 20ste eeuw begrepen toen de quantummechanica van het Waterstofatoom ontwikkeld werd.

Van de eerste 83 chemische elementen, uitgezonderd 43 en 61, bestaat tenminste één stabiele isotoop. Alle elementen met atoomnummer groter dan 83 hebben geen stabiele isotoop. Ze zijn radioactief, 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.

In neutronensterren en zwarte gaten komt echter ook materie voor die niet uit atomen is opgebouwd, vreemde materie. De studie van deze – vanuit aards perspectief bijzondere – vormen van materie is het terrein van 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 een atoom

De elektronenwolk

Het elektron (lading e, massa m) in het waterstofatoom wordt beschreven door de golffunctie ψ(r,θ,φ) die een oplossing is van de schrödinger vergelijking in bolcoördinaten, zie Waterstofatoom. Deze bepaalt de waarschijnlijke afstand r tot de kern

r = ε_on²h² / πme²

en de energie

E = −e² / 8πε_or

Er zijn oplossingen bekend voor n = 1,2,3 ... Voor n = 1 is er maar 1 oplossing. Voor n = 2 zijn er 4 met dezelfde r maar verschillende θ,φ afhankelijkheid. Voor n = 3 zijn er 9 oplossingen en voor n = 4 zijn er 16. De gebieden op afstanden r van de kern voor verschillende n heten schillen.

Voor elektronen in een atoom met atoomnummer groter dan 1 zijn geen golffuncties bekend maar ze worden verondersteld in schillen vergelijkbaar met die in waterstof te ’golven’. Het maximale aantal in een schil is 2n². Dit verklaart dat in het moderne periodiek systeem de tabelrijen lengtes 2, 8, 8, 18, 18, 32, 32 hebben.

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 elektronen in de buitenste schil bepalen vooral de scheikundige eigenschappen van de atomen. Sommige natuurkundige eigenschappen, bijvoorbeeld de elektrische 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

De atoomkern bestaat protonen en neutronen die bij elkaar gehouden worden door de sterke kernkracht. Het aantal neutronen is bijna altijd groter dan het aantal protonen.

Protonen en neutronen zijn opgebouwd uit quarks, quantumdeeltjes van het Standaard Model van alle materie en kracht.

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 proberen één of meer elektronen uit de omgeving aan te trekken, een anion zal 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.

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.

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 gescheiden kan worden in protonen en neutronen. Die kerndeeltjes gelden thans ook niet meer als elementair.

Het idee van de grens aan de deelbaarheid is echter onaangetast gebleven en men zou kunnen stellen dat wat nu kwantumdeeltjes genoemd worden de eigenlijke ’atomen’ zijn zoals Democritus die bedoelde.

Wat het begrip ondeelbaar betreft, dient men voor ogen houden dat de begrippenkaders in vroegere tijden anders waren: wetenschap en religie waren niet zo onderscheiden als heden. De term individu betekent ook: niet deelbaar. Als we een individu in stukken hakken, verliezen we de karakteristieke eigenheid van het individu.

In 1714 liet Leibniz een soort atoomtheorie het licht 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 welke andere georganiseerde hiërarchische eenheid dan ook.

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 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 rondcirkelen rondom de atoomkern, en dat zij zich in bepaalde banen met eigen energieniveaus bevinden. 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, waarmee hij aangaf dat het inderdaad niet mogelijk was van een elektron de precieze plaats in een atoom aan te geven.

Bronnen, noten en/of referenties

Bronnen, noten en/of referenties