Sinds het begin van de tijd hebben mensen geprobeerd te begrijpen waaruit het universum en alles daarin bestaat. En terwijl oude magiërs en filosofen een wereld bedachten die uit vier of vijf elementen bestond - aarde, lucht, water, vuur (en metaal of bewustzijn) - begonnen de klassieke filosofen met het theoretiseren dat alle materie eigenlijk uit kleine bestond, onzichtbare en ondeelbare atomen.
Sinds die tijd zijn wetenschappers bezig geweest met een proces van voortdurende ontdekking met het atoom, in de hoop de ware aard en samenstelling ervan te ontdekken. Tegen de 20e eeuw werd ons begrip zo verfijnd dat we er een nauwkeurig model van konden construeren. En in het afgelopen decennium is ons begrip nog verder gevorderd, tot het punt dat we het bestaan van bijna al zijn theoretische delen zijn gaan bevestigen.
Tegenwoordig is atoomonderzoek gericht op het bestuderen van de structuur en de functie van materie op subatomair niveau. Dit bestaat niet alleen uit het identificeren van alle subatomaire deeltjes waarvan wordt gedacht dat ze een atoom vormen, maar het onderzoeken van de krachten die hen beheersen. Deze omvatten sterke kernkrachten, zwakke kernkrachten, elektromagnetisme en zwaartekracht. Hier is een overzicht van alles wat we tot nu toe hebben leren kennen over het atoom ...
Structuur van het atoom:
Ons huidige model van het atoom kan worden opgesplitst in drie samenstellende delen: protonen, neutronen en elektronen. Elk van deze onderdelen heeft een bijbehorende lading, waarbij protonen een positieve lading dragen, elektronen een negatieve lading hebben en neutronen geen netto lading hebben. In overeenstemming met het standaardmodel van de deeltjesfysica vormen protonen en neutronen de kern van het atoom, terwijl elektronen in een 'wolk' om de aarde draaien.
De elektronen in een atoom worden door de elektromagnetische kracht aangetrokken tot de protonen in de kern. Elektronen kunnen ontsnappen uit hun baan, maar alleen als reactie op een externe energiebron. Hoe dichter de baan van het elektron bij de kern ligt, hoe groter de aantrekkingskracht; dus hoe sterker de externe kracht die nodig is om een elektron te laten ontsnappen.
Elektronen draaien om de kern in meerdere banen, die elk overeenkomen met een bepaald energieniveau van het elektron. Het elektron kan zijn toestand naar een hoger energieniveau veranderen door een foton met voldoende energie te absorberen om het in de nieuwe kwantumtoestand te brengen. Evenzo kan een elektron in een hogere energietoestand naar een lagere energietoestand zakken terwijl de overtollige energie als foton wordt uitgestraald.
Atomen zijn elektrisch neutraal als ze een gelijk aantal protonen en elektronen hebben. Atomen met een tekort of een overschot aan elektronen worden ionen genoemd. Elektronen die het verst van de kern verwijderd zijn, kunnen naar andere nabijgelegen atomen worden overgebracht of tussen atomen worden gedeeld. Door dit mechanisme kunnen atomen binden aan moleculen en andere soorten chemische verbindingen.
Alle drie deze subatomaire deeltjes zijn Fermions, een klasse van deeltjes geassocieerd met materie die ofwel elementair (elektronen) of composiet (protonen en neutronen) van aard is. Dit betekent dat elektronen geen bekende interne structuur hebben, terwijl protonen en neutronen bestaan uit andere subatomaire deeltjes. riep quarks. Er zijn twee soorten quarks in atomen, die een fractionele elektrische lading hebben.
Protonen bestaan uit twee “up” -quarks (elk met een lading van +2/3) en één “down” -quark (-1/3), terwijl neutronen bestaan uit één up-quark en twee down-quarks. Dit onderscheid verklaart het verschil in lading tussen de twee deeltjes, wat neerkomt op een lading van respectievelijk +1 en 0, terwijl elektronen een lading hebben van -1.
Andere subatomaire deeltjes zijn leptonen, die in combinatie met fermionen de bouwstenen van materie vormen. Er zijn zes leptonen in het huidige atoommodel: de elektronen-, muon- en tau-deeltjes en hun bijbehorende neutrino's. De verschillende variëteiten van de Lepton-deeltjes, gewoonlijk "smaken" genoemd, onderscheiden zich door hun afmetingen en ladingen, wat het niveau van hun elektromagnetische interacties beïnvloedt.
Dan zijn er de Gauge Bosons, die bekend staan als "krachtdragers" omdat ze fysieke krachten mediëren. Gluonen zijn bijvoorbeeld verantwoordelijk voor de sterke kernkracht die quarks bij elkaar houdt, terwijl W- en Z-bosonen (nog steeds hypothetisch) verantwoordelijk worden gehouden voor de zwakke kernkracht achter elektromagnetisme. Fotonen zijn het elementaire deeltje waaruit licht bestaat, terwijl het Higgs-boson verantwoordelijk is voor het geven van de massa aan de W- en Z-bosonen.
Atoom massa:
Het grootste deel van de massa van een atoom komt van de protonen en neutronen waaruit de kern bestaat. Elektronen zijn de kleinste massa van de samenstellende deeltjes van een atoom, met een massa van 9,11 x 10-31 kg en een maat te klein om te worden gemeten met de huidige technieken. Protonen hebben een massa die 1.836 keer die van het elektron is, op 1.6726 × 10-27 kg, terwijl neutronen de zwaarste van de drie zijn, op 1.6929 × 10-27 kg (1.839 maal de massa van het elektron).
Het totale aantal protonen en neutronen in de atoomkern ('nucleonen' genoemd) wordt het massagetal genoemd. Het element Carbon-12 wordt bijvoorbeeld zo genoemd omdat het een massagetal van 12 heeft - afgeleid van de 12 nucleonen (zes protonen en zes neutronen). Elementen zijn echter ook gerangschikt op basis van hun atoomnummer, wat hetzelfde is als het aantal protonen dat in de kern wordt gevonden. In dit geval heeft Carbon een atoomnummer van 6.
De werkelijke massa van een atoom in rust is erg moeilijk te meten, omdat zelfs de meest massieve atomen te licht zijn om in conventionele eenheden uit te drukken. Als zodanig gebruiken wetenschappers vaak de verenigde atomaire massa-eenheid (u) - ook wel dalton (Da) genoemd - die wordt gedefinieerd als een twaalfde van de massa van een vrij neutraal atoom van koolstof-12, dat ongeveer 1,66 × 10 is-27 kg.
Chemici gebruiken ook moedervlekken, een eenheid die wordt gedefinieerd als één mol van elk element dat altijd hetzelfde aantal atomen heeft (ongeveer 6,022 x 10)23). Dit aantal is zo gekozen dat als een element een atoommassa heeft van 1 u, een mol atomen van dat element een massa heeft die dicht bij één gram ligt. Vanwege de definitie van de verenigde atomaire massa-eenheid heeft elk koolstof-12-atoom een atoommassa van precies 12 u, en dus weegt een mol koolstof-12-atomen precies 0,012 kg.
Radioactief verval:
Elke twee atomen met hetzelfde aantal protonen behoren tot hetzelfde chemische element. Maar atomen met een gelijk aantal protonen kunnen een verschillend aantal neutronen hebben, die worden gedefinieerd als verschillende isotopen van hetzelfde element. Deze isotopen zijn vaak onstabiel en van al die met een atoomnummer groter dan 82 is bekend dat ze radioactief zijn.
Wanneer een element vervalt, verliest de kern energie door straling uit te zenden - die kan bestaan uit alfadeeltjes (heliumatomen), bètadeeltjes (positronen), gammastraling (hoogfrequente elektromagnetische energie) en conversie-elektronen. De snelheid waarmee een onstabiel element vervalt, staat bekend als zijn "halfwaardetijd", wat de hoeveelheid tijd is die het element nodig heeft om tot de helft van zijn oorspronkelijke waarde te dalen.
De stabiliteit van een isotoop wordt beïnvloed door de verhouding tussen protonen en neutronen. Van de 339 verschillende soorten elementen die van nature op aarde voorkomen, zijn er 254 (ongeveer 75%) bestempeld als "stabiele isotopen" - d.w.z. niet onderhevig aan verval. Nog eens 34 radioactieve elementen hebben een halfwaardetijd van meer dan 80 miljoen jaar en bestaan ook sinds het vroege zonnestelsel (vandaar de naam 'oorspronkelijke elementen').
Ten slotte is bekend dat nog eens 51 kortlevende elementen van nature voorkomen, als "dochterelementen" (d.w.z. nucleaire bijproducten) van het verval van andere elementen (zoals radium uit uranium). Bovendien kunnen kortlevende radioactieve elementen het resultaat zijn van natuurlijke energetische processen op aarde, zoals het bombarderen van kosmische straling (bijvoorbeeld koolstof-14, dat in onze atmosfeer voorkomt).
Geschiedenis van de studie:
De vroegst bekende voorbeelden van atoomtheorie komen uit het oude Griekenland en India, waar filosofen zoals Democritus postuleerden dat alle materie was samengesteld uit kleine, ondeelbare en onverwoestbare eenheden. De term "atoom" werd in het oude Griekenland bedacht en leidde tot de denkrichting die bekend staat als "atomisme". Deze theorie was echter meer een filosofisch concept dan een wetenschappelijk.
Pas in de 19e eeuw werd de atoomtheorie verwoord als een wetenschappelijke kwestie, waarbij de eerste evidence-based experimenten werden uitgevoerd. Begin 1800 gebruikte de Engelse wetenschapper John Dalton bijvoorbeeld het concept van het atoom om uit te leggen waarom chemische elementen op bepaalde waarneembare en voorspelbare manieren reageerden.
Dalton begon met de vraag waarom elementen reageerden in verhoudingen van kleine hele getallen en concludeerde dat deze reacties plaatsvonden in een groot aantal veelvouden van afzonderlijke eenheden - met andere woorden atomen. Door middel van een reeks experimenten met gassen ontwikkelde Dalton de zogenaamde Atomic Theory van Dalton, die een van de hoekstenen van de moderne fysica en chemie blijft.
De theorie komt neer op vijf premissen: elementen, in hun puurste staat, bestaan uit deeltjes die atomen worden genoemd; atomen van een specifiek element zijn allemaal hetzelfde, tot aan het allerlaatste atoom; atomen van verschillende elementen kunnen worden onderscheiden door hun atoomgewichten; atomen van elementen verenigen zich om chemische verbindingen te vormen; atomen kunnen niet worden gemaakt of vernietigd in een chemische reactie, alleen de groep verandert ooit.
Tegen het einde van de 19e eeuw begonnen wetenschappers te theoretiseren dat het atoom uit meer dan één fundamentele eenheid bestond. De meeste wetenschappers waagden echter dat deze eenheid zo groot zou zijn als het kleinste bekende atoom - waterstof. En dan in 1897, door middel van een reeks experimenten met kathodestralen, fysicus J.J. Thompson kondigde aan dat hij een eenheid had ontdekt die 1000 keer kleiner en 1800 keer lichter was dan een waterstofatoom.
Zijn experimenten toonden ook aan dat ze identiek waren aan deeltjes die vrijkwamen door het foto-elektrische effect en door radioactieve materialen. Latere experimenten toonden aan dat dit deeltje elektrische stroom door metaaldraden en negatieve elektrische ladingen in atomen voerde. Daarom werd het deeltje - dat oorspronkelijk een 'bloedlichaampje' heette - later veranderd in 'elektron', naar het deeltje dat George Johnstone Stoney in 1874 voorspelde.
Thomson veronderstelde echter ook dat elektronen door het atoom waren verdeeld, wat een uniforme zee van positieve lading was. Dit werd bekend als het "pruimenpuddingmodel", wat later als fout zou worden bewezen. Dit vond plaats in 1909, toen natuurkundigen Hans Gieger en Ernest Marsden (onder leiding van Ernest Rutherfod) hun experiment uitvoerden met metaalfolie en alfadeeltjes.
In overeenstemming met het atoommodel van Dalton geloofden ze dat de alfadeeltjes met weinig afbuiging dwars door de folie zouden gaan. Veel van de deeltjes werden echter afgebogen onder hoeken van meer dan 90 °. Om dit uit te leggen, stelde Rutherford voor dat de positieve lading van het atoom geconcentreerd is in een kleine kern in het midden.
In 1913 stelde natuurkundige Niels Bohr een model voor waarbij elektronen om de kern draaiden, maar dat kon alleen in een eindige reeks banen. Hij stelde ook voor dat elektronen tussen banen kunnen springen, maar alleen in discrete energieveranderingen die overeenkomen met de absorptie of straling van een foton. Dit verfijnde niet alleen het voorgestelde model van Rutherford, maar leidde ook tot het concept van een gekwantificeerd atoom, waar materie zich in discrete pakketten gedroeg.
Door de ontwikkeling van de massaspectrometer - die een magneet gebruikt om de baan van een ionenbundel te buigen - kon de massa van atomen met grotere nauwkeurigheid worden gemeten. Chemicus Francis William Aston gebruikte dit instrument om aan te tonen dat isotopen verschillende massa's hadden. Dit werd op zijn beurt opgevolgd door natuurkundige James Chadwick, die in 1932 het neutron voorstelde als een manier om het bestaan van isotopen te verklaren.
Gedurende het begin van de 20e eeuw werd de kwantumaard van atomen verder ontwikkeld. In 1922 voerden de Duitse natuurkundigen Otto Stern en Walther Gerlach een experiment uit waarbij een bundel zilveren atomen door een magnetisch veld werd geleid, dat de bundel moest splitsen tussen de richting van de atoomhoek (of spin).
Bekend als het Stern-Gerlach-experiment, was het resultaat dat de straal in twee delen splitste, afhankelijk van het feit of de spin van de atomen al dan niet naar boven of naar beneden was gericht. In 1926 gebruikte natuurkundige Erwin Schrodinger het idee dat deeltjes zich als golven gedragen om een wiskundig model te ontwikkelen dat elektronen beschreef als driedimensionale golfvormen in plaats van alleen maar deeltjes.
Een gevolg van het gebruik van golfvormen om deeltjes te beschrijven, is dat het wiskundig onmogelijk is om op elk moment nauwkeurige waarden te verkrijgen voor zowel de positie als het momentum van een deeltje. Datzelfde jaar formuleerde Werner Heisenberg dit probleem en noemde het het 'onzekerheidsbeginsel'. Volgens Heisenberg kan men voor een gegeven nauwkeurige positiemeting alleen een bereik van waarschijnlijke waarden voor momentum verkrijgen, en omgekeerd.
In de jaren dertig ontdekten natuurkundigen kernsplijting dankzij de experimenten van Otto Hahn, Lise Meitner en Otto Frisch. Hahn's experimenten omvatten het richten van neutronen op uraniumatomen in de hoop een transuraniumelement te creëren. In plaats daarvan veranderde het proces zijn monster van uranium-92 (Ur92) in twee nieuwe elementen - barium (B56) en krypton (Kr27).
Meitner en Frisch verifieerden het experiment en schreven het toe aan de splitsing van uraniumatomen om twee elementen te vormen met hetzelfde totale atoomgewicht, een proces dat ook een aanzienlijke hoeveelheid energie vrijmaakte door de atomaire bindingen te verbreken. In de jaren die volgden, begon het onderzoek naar de mogelijke bewapening van dit proces (d.w.z. kernwapens) en leidde tot de bouw van de eerste atoombommen in de VS tegen 1945.
In de jaren vijftig konden wetenschappers dankzij de ontwikkeling van verbeterde deeltjesversnellers en deeltjesdetectoren de effecten van atomen die met hoge energie bewegen, bestuderen. Hieruit is het standaardmodel voor deeltjesfysica ontwikkeld, dat tot dusver met succes de eigenschappen van de kern heeft verklaard, het bestaan van theoretische subatomaire deeltjes en de krachten die hun interacties regelen.
Moderne experimenten:
Sinds de tweede helft van de 20e eeuw zijn er veel nieuwe en opwindende ontdekkingen geweest met betrekking tot atoomtheorie en kwantummechanica. Zo leidde in 2012 de lange zoektocht naar het Higgs-boson tot een doorbraak waar onderzoekers van de Europese Organisatie voor Nucleair Onderzoek (CERN) in Zwitserland de ontdekking aankondigden.
In de afgelopen decennia hebben natuurkundigen veel tijd en energie gestoken in de ontwikkeling van een verenigde veldtheorie (ook bekend als Grand Unifying Theory of Theory of Everything). In wezen hebben wetenschappers, sinds het standaardmodel voor het eerst werd voorgesteld, geprobeerd te begrijpen hoe de vier fundamentele krachten van het universum (zwaartekracht, sterke en zwakke nucleaire krachten en elektromagnetisme) samenwerken.
Terwijl zwaartekracht kan worden begrepen met behulp van Einsteins relativiteitstheorieën, en kernkrachten en elektromagnetisme kunnen worden begrepen met behulp van de kwantumtheorie, kan geen van beide theorieën de vier krachten die samenwerken samenwerken verklaren. Pogingen om dit op te lossen hebben in de loop der jaren geleid tot een aantal voorgestelde theorieën, variërend van String Theory tot Loop Quantum Gravity. Tot op heden heeft geen van deze theorieën tot een doorbraak geleid.
Ons begrip van het atoom heeft een lange weg afgelegd, van klassieke modellen die het zagen als een inerte vaste stof die mechanisch met andere atomen in wisselwerking stond, tot moderne theorieën waarin atomen zijn samengesteld uit energetische deeltjes die zich onvoorspelbaar gedragen. Hoewel het duizenden jaren heeft geduurd, is onze kennis van de fundamentele structuur van alle materie aanzienlijk verbeterd.
En toch zijn er nog veel mysteries die nog moeten worden opgelost. Met de tijd en voortdurende inspanningen kunnen we eindelijk de laatst overgebleven geheimen van het atoom ontsluiten. Aan de andere kant kan het heel goed zijn dat nieuwe ontdekkingen die we doen alleen maar meer vragen zullen oproepen - en ze kunnen zelfs nog meer verwarrend zijn dan de eerdere!
We hebben veel artikelen over het atoom geschreven voor Space Magazine. Hier is een artikel over het atoommodel van John Dalton, het atoommodel van Neils Bohr, Who Was Democritus ?, en hoeveel atomen zijn er in het universum?
Als je meer informatie wilt over het atoom, bekijk dan NASA's artikel over het analyseren van kleine voorbeelden en hier is een link naar NASA's artikel over atomen, elementen en isotopen.
We hebben ook een hele aflevering van Astronomy Cast opgenomen over het atoom. Luister hier, Aflevering 164: Inside the Atom, Aflevering 263: Radioactief verval en Aflevering 394: The Standard Model, Bosons.
