Atom

Het atoom is de basiseenheid van de materie. Het is het kleinste ding dat een chemische eigenschap kan hebben. Er zijn veel verschillende soorten atomen, elk met een eigen naam, atoommassa en grootte. Deze verschillende atomen worden chemische elementen genoemd. De chemische elementen zijn georganiseerd op het periodiek systeem. Voorbeelden van elementen zijn waterstof en goud.

Atomen zijn erg klein, maar de exacte grootte hangt af van het element. Atomen variëren van 0,1 tot 0,5 nanometer in de breedte. Een nanometer is ongeveer 100.000 keer kleiner dan de breedte van een menselijke haar. Dit maakt het onmogelijk om atomen te zien zonder speciaal gereedschap. Wetenschappers gebruiken experimenten om te leren hoe ze werken en hoe ze met andere atomen omgaan.

Atomen verbinden zich tot moleculen: bijvoorbeeld twee waterstofatomen en één zuurstofatoom vormen samen een watermolecuul. Wanneer atomen samenkomen wordt dit een chemische reactie genoemd.

Atomen bestaan uit drie soorten kleinere deeltjes, protonen genaamd (die positief geladen zijn), neutronen (die geen lading hebben) en elektronen (die negatief geladen zijn). De protonen en neutronen zijn zwaarder en blijven in het midden van het atoom. Ze worden de kern genoemd. Ze zijn omgeven door een wolk van elektronen die zeer licht zijn. Ze worden aangetrokken door de positieve lading van de kern door de elektromagnetische kracht.

Het aantal protonen en elektronen dat een atoom heeft vertelt ons welk element het is. Waterstof heeft bijvoorbeeld één proton en één elektron; het element zwavel heeft 16 protonen en 16 elektronen. Het aantal protonen is het atoomnummer. Behalve waterstof heeft de kern ook neutronen. Het aantal protonen en neutronen samen is het atoomgewicht.

Atomen bewegen sneller als ze in gasvorm zijn (omdat ze vrij kunnen bewegen) dan in vloeibare vorm en vaste materie. In vaste stoffen zitten de atomen dicht op elkaar, zodat ze wel vibreren, maar niet kunnen bewegen (er is geen ruimte) zoals atomen in vloeistoffen doen.

Geschiedenis

Het woord "atoom" komt van het Griekse (ἀτόμος) "atomos", ondeelbaar, van (ἀ)-, niet, en τόμος, een snee. De eerste historische vermelding van het woord atoom is afkomstig uit werken van de Griekse filosoof Democritus, rond 400 voor Christus. De atoomtheorie bleef als een overwegend filosofisch onderwerp, met niet veel feitelijk wetenschappelijk onderzoek of studie, tot de ontwikkeling van de chemie in de jaren 1650.

In 1777 definieerde de Franse chemicus Antoine Lavoisier voor het eerst het begrip element. Hij zei dat een element een basisstof was die niet in andere stoffen kon worden onderverdeeld door de methoden van de chemie. Elke stof die kon worden afgebroken was een verbinding.

In 1803 suggereerde de Engelse filosoof John Dalton dat elementen kleine, massieve bolletjes van atomen waren. Dalton geloofde dat alle atomen van hetzelfde element dezelfde massa hebben. Hij zei dat verbindingen worden gevormd wanneer atomen van meer dan één element samenkomen. Volgens Dalton, in een bepaalde samenstelling, combineren de atomen van de elementen van de samenstelling altijd op dezelfde manier.

In 1827 keek de Britse wetenschapper Robert Brown onder zijn microscoop naar stuifmeelkorrels in water. De stuifmeelkorrels leken te schudden. Brown gebruikte Dalton's atoomtheorie om patronen te beschrijven in de manier waarop ze zich bewogen. Dit werd browse beweging genoemd. In 1905 gebruikte Albert Einstein wiskunde om te bewijzen dat de schijnbaar willekeurige bewegingen werden veroorzaakt door de reacties van atomen, en door dit te doen bewees hij onomstotelijk het bestaan van het atoom. In 1869 publiceerde de Russische wetenschapper Dmitri Mendeleev de eerste versie van het periodiek systeem. Het periodiek systeem groepeert elementen op basis van hun atoomnummer (hoeveel protonen ze hebben). Dit is meestal hetzelfde als het aantal elektronen). Elementen in dezelfde kolom, of periode, hebben meestal gelijkaardige eigenschappen. Bijvoorbeeld, helium, neon, argon, krypton en xenon zitten allemaal in dezelfde kolom en hebben zeer vergelijkbare eigenschappen. Al deze elementen zijn gassen die geen kleur en geen geur hebben. Ook zijn ze niet in staat om met andere atomen te combineren om verbindingen te vormen. Samen staan ze bekend als de edelgassen.

De natuurkundige J.J. Thomson was de eerste die elektronen ontdekte. Dit gebeurde terwijl hij in 1897 met kathodestralen werkte. Hij besefte dat ze een negatieve lading hadden, in tegenstelling tot protonen (positief) en neutronen (geen lading). Thomson creëerde het pruimpuddingmodel, waarin stond dat een atoom als pruimpudding was: de gedroogde vruchten (elektronen) zaten vast in een massa pudding (protonen). In 1909 gebruikte een wetenschapper genaamd Ernest Rutherford het Geiger-Marsden experiment om te bewijzen dat het grootste deel van een atoom zich in een zeer kleine ruimte bevindt die de atoomkern wordt genoemd. Rutherford nam een fotoplaat en bedekte deze met goudfolie, en schoot er vervolgens alfadeeltjes (gemaakt van twee protonen en twee neutronen die aan elkaar vastzaten) op. Veel van de deeltjes gingen door de goudfolie heen, wat bewees dat atomen meestal een lege ruimte zijn. Elektronen zijn zo klein dat ze slechts 1% van de massa van een atoom uitmaken.

In 1913 introduceerde Niels Bohr het Bohr-model. Dit model toonde aan dat elektronen zich in vaste cirkelvormige banen rond de kern bewegen. Dit was nauwkeuriger dan het Rutherford-model. Het was echter nog steeds niet helemaal juist. Sinds de introductie van het Bohr-model zijn er verbeteringen aangebracht.

In 1925 vond chemicus Frederick Soddy dat sommige elementen in het periodiek systeem meer dan één soort atoom hadden. Bijvoorbeeld, elk atoom met 2 protonen zou een heliumatoom moeten zijn. Meestal bevat een heliumkern ook twee neutronen. Sommige heliumatomen hebben echter maar één neutron. Dit betekent dat ze echt helium zijn, want een element wordt gedefinieerd door het aantal protonen, maar ze zijn ook geen normaal helium. Soddy noemt zo'n atoom, met een ander aantal neutronen, een isotoop. Om de naam van het isotoop te krijgen kijken we hoeveel protonen en neutronen het in zijn kern heeft en voegen dit toe aan de naam van het element. Dus een heliumatoom met twee protonen en één neutron heet helium-3, en een koolstofatoom met zes protonen en zes neutronen heet koolstof-12. Echter, toen hij zijn theorie ontwikkelde kon Soddy niet zeker zijn van het bestaan van bepaalde neutronen. Om te bewijzen dat ze echt waren, creëerden natuurkundige James Chadwick en een team van anderen de massaspectrometer. De massaspectrometer meet daadwerkelijk de massa en het gewicht van individuele atomen. Door dit te doen bewees Chadwick dat neutronen moeten bestaan om al het gewicht van het atoom te verantwoorden.

In 1937 werd de Duitse chemicus Otto Hahn de eerste persoon die kernsplijting in een laboratorium creëerde. Hij ontdekte dit toevallig toen hij neutronen op een uraniumatoom schoot, in de hoop een nieuwe isotoop te creëren. Het viel hem echter op dat in plaats van een nieuwe isotoop het uranium gewoon veranderde in een bariumatoom, een kleiner atoom dan uranium. Blijkbaar had Hahn het uraniumatoom "gebroken". Dit was 's werelds eerste geregistreerde kernsplijtingsreactie. Deze ontdekking leidde uiteindelijk tot het ontstaan van de atoombom.

Verder in de 20e eeuw gingen natuurkundigen dieper in op de mysteries van het atoom. Met behulp van deeltjesversnellers ontdekten ze dat protonen en neutronen eigenlijk gemaakt waren van andere deeltjes, quarks genaamd.

Het meest nauwkeurige model tot nu toe komt uit de Schrödinger-vergelijking. Schrödinger realiseerde zich dat de elektronen bestaan in een wolk rond de kern, die de elektronenwolk wordt genoemd. In de elektronenwolk is het onmogelijk om precies te weten waar de elektronen zich bevinden. De Schrödinger-vergelijking wordt gebruikt om uit te vinden waar een elektron zich waarschijnlijk bevindt. Dit gebied wordt de baan van het elektron genoemd.

Ernest Rutherford
Ernest Rutherford

Structuur en onderdelen

Onderdelen

Het complexe atoom bestaat uit drie hoofddeeltjes; het proton, het neutron en het elektron. De isotoop van Waterstof Waterstof-1 heeft geen neutronen, alleen het ene proton en het andere elektron. Een positief waterstofion heeft geen elektronen, alleen het ene proton en het andere neutron. Deze twee voorbeelden zijn de enige bekende uitzonderingen op de regel dat alle andere atomen minstens één proton, één neutron en één elektron hebben.

Elektronen zijn veruit de kleinste van de drie atoomdeeltjes, hun massa en grootte is te klein om met de huidige technologie te meten. Ze hebben een negatieve lading. Protonen en neutronen hebben een vergelijkbare grootte en gewicht, protonen zijn positief geladen en neutronen hebben geen lading. De meeste atomen hebben een neutrale lading; omdat het aantal protonen (positief) en elektronen (negatief) gelijk is, zijn de ladingen gelijk aan nul. Bij ionen (verschillend aantal elektronen) is dit echter niet altijd het geval, en kunnen ze een positieve of negatieve lading hebben. Protonen en neutronen zijn gemaakt van quarks, van twee soorten; up quarks en down quarks. Een proton is gemaakt van twee up quarks en één down quark en een neutron is gemaakt van twee down quarks en één up quark.

Nucleus

De kern bevindt zich in het midden van een atoom. Hij bestaat uit protonen en neutronen. Meestal in de natuur stoten twee dingen met dezelfde lading elkaar af of schieten ze van elkaar af. Het was dus lange tijd een mysterie voor wetenschappers hoe de positief geladen protonen in de kern bij elkaar bleven. Ze losten dit op door een deeltje te vinden dat een gluon wordt genoemd. De naam komt van het woord lijm, want gluonen werken als atoomlijm en plakken de protonen aan elkaar met behulp van de sterke kernkracht. Het is deze kracht die ook de quarks bij elkaar houdt die de protonen en neutronen vormen.

Het aantal neutronen in relatie tot protonen bepaalt of de kern stabiel is of door radioactief verval gaat. Als er te veel neutronen of protonen zijn, probeert het atoom de getallen gelijk te maken door de extra deeltjes te verwijderen. Dit doet het door straling uit te zenden in de vorm van alfa-, bèta- of gammabederf. De kernenergie kan ook op een andere manier veranderen. Bij kernsplitsing splitst de kern zich in twee kleinere kernen, waardoor veel opgeslagen energie vrijkomt. Door dit vrijkomen van energie is kernsplijting nuttig voor het maken van bommen en elektriciteit, in de vorm van kernenergie. De andere manier waarop kernen kunnen veranderen is door kernfusie, wanneer twee kernen samenkomen, of samensmelten, om een zwaardere kern te maken. Dit proces vereist extreme hoeveelheden energie om de elektrostatische afstoting tussen de protonen te overwinnen, omdat ze dezelfde lading hebben. Zulke hoge energieën komen het meest voor in sterren als onze zon, die waterstof versmelt voor brandstof.

Elektronen

Elektronen draaien, of reizen rond, de kern. Ze worden de elektronenwolk van het atoom genoemd. Ze worden aangetrokken naar de kern door de elektromagnetischekracht. Elektronen hebben een negatieve lading en de kern heeft altijd een positieve lading, dus ze trekken elkaar aan. Rondom de kern zijn sommige elektronen verder weg dan andere, in verschillende lagen. Deze worden elektronenschalen genoemd. In de meeste atomen heeft de eerste schil twee elektronen, en daarna allemaal acht. Uitzonderingen zijn zeldzaam, maar ze gebeuren wel en zijn moeilijk te voorspellen. Hoe verder weg het elektron van de kern, hoe zwakker de aantrekkingskracht van de kern. Daarom reageren grotere atomen, met meer elektronen, makkelijker met andere atomen. Het elektromagnetisme van de kern is niet sterk genoeg om de elektronen vast te houden en atomen verliezen elektronen aan de sterke aantrekkingskracht van kleinere atomen.

Een diagram dat de grootste moeilijkheid bij kernfusie laat zien, het feit dat protonen, die positieve ladingen hebben, elkaar afstoten wanneer ze samen worden geforceerd.
Een diagram dat de grootste moeilijkheid bij kernfusie laat zien, het feit dat protonen, die positieve ladingen hebben, elkaar afstoten wanneer ze samen worden geforceerd.

Radioactief verval

Sommige elementen, en veel isotopen, hebben wat men noemt een onstabiele kern. Dit betekent dat de kern ofwel te groot is om zichzelf bij elkaar te houden, ofwel te veel protonen of neutronen heeft. Als dit gebeurt moet de kern zich ontdoen van de overtollige massa of deeltjes. Hij doet dit door middel van straling. Een atoom dat dit doet kan radioactief worden genoemd. Onstabiele atomen blijven radioactief totdat ze voldoende massa/deeltjes verliezen om stabiel te worden. Alle atomen boven atoomnummer 82 (82 protonen, lood) zijn radioactief.

Er zijn drie hoofdtypen van radioactief verval; alfa, bèta en gamma.

  • Alfa-verval is wanneer het atoom een deeltje met twee protonen en twee neutronen eruit schiet. Dit is in wezen een heliumkern. Het resultaat is een element met atoomnummer twee minder dan voorheen. Dus als bijvoorbeeld een berylliumatoom (atoomnummer 4) door alfa-verval zou gaan, zou het helium (atoomnummer 2) worden. Alfa-verval treedt op als een atoom te groot is en wat massa kwijt moet.
  • Bètaverval is wanneer een neutron in een proton verandert of een proton in een neutron. In het eerste geval schiet het atoom een elektron uit. In het tweede geval is het een positron (zoals een elektron, maar dan met een positieve lading). Het eindresultaat is een element met één hoger of één lager atoomnummer dan voorheen. Bètaverval treedt op als een atoom ofwel te veel protonen heeft, ofwel te veel neutronen.
  • Gammaverval is wanneer een atoom een gammastraal of een golf uit de grond schiet. Het gebeurt als de energie van de kern verandert. Dit is meestal nadat een kern al door alfa- of bèta-verval is gegaan. Er is geen verandering in de massa, of atoomnummer of het atoom, alleen in de opgeslagen energie in de kern.

Elk radioactief element of isotoop heeft wat men noemt een halfwaardetijd. Dit is hoe lang het duurt om de helft van een monster van atomen van dat type te laten vergaan tot ze een ander stabiel isotoop of element worden. Grote atomen, of isotopen met een groot verschil tussen het aantal protonen en neutronen zullen dus een lange halfwaardetijd hebben, omdat ze meer neutronen moeten verliezen om stabiel te worden.

Marie Curie ontdekte de eerste vorm van straling. Ze vond het element en noemde het radium. Ze was ook de eerste vrouwelijke ontvanger van de Nobelprijs.

Frederick Soddy voerde een experiment uit om te observeren wat er gebeurt als radiumverval. Hij plaatste een monster in een gloeilamp en wachtte op het verval ervan. Plotseling verscheen er helium (met 2 protonen en 2 neutronen) in de lamp, en uit dit experiment ontdekte hij dat dit type straling een positieve lading heeft.

James Chadwick ontdekte het neutron, door het observeren van vervalproducten van verschillende soorten radioactieve isotopen. Chadwick merkte op dat het atoomnummer van de elementen lager was dan de totale atoommassa van het atoom. Hij concludeerde dat elektronen niet de oorzaak konden zijn van de extra massa omdat ze nauwelijks massa hebben.

Enrico Fermi, gebruikte de neutronen om ze op uranium te schieten. Hij ontdekte dat uranium veel sneller dan normaal vergaan is en veel alfa- en bètadeeltjes produceerde. Hij geloofde ook dat uranium werd veranderd in een nieuw element dat hij hesperium noemde.

Otto Hanh en Fritz Strassmann herhaalden het experiment van Fermi om te zien of het nieuwe element hesperium ook daadwerkelijk is ontstaan. Ze ontdekten twee nieuwe dingen die Fermi niet waarnam. Door het gebruik van veel neutronen zou de kern van het atoom zich splitsen, waardoor er veel warmte-energie vrijkomt. Ook de splijtingsproducten van uranium waren al ontdekt: thorium, palladium, radium, radon en lood.

Fermi merkte toen op dat de splitsing van een uraniumatoom meer neutronen afschoot, die vervolgens andere atomen splitsten, waardoor kettingreacties ontstonden. Hij besefte dat dit proces kernsplijting wordt genoemd en dat het enorme hoeveelheden warmte-energie zou kunnen opleveren.

Die ontdekking van Fermi's leidde tot de ontwikkeling van de eerste kernbom met de codenaam 'Trinity'.

AlegsaOnline.com - 2020 - License CC3