De geschiedenis van het atoom

Theorieën en modellen

Alle materie is opgebouwd uit atomen. Dit is iets dat we nu als een gegevens beschouwen en een van de dingen die je meteen aan het begin van de scheikundelessen op de middelbare school leert. Desondanks zijn onze ideeën over wat een atoom is verrassend recent: nog geen honderd jaar geleden waren wetenschappers nog aan het discussiëren over hoe een atoom er precies uitzag. In dit artikel bekijken we de belangrijkste modellen die zijn opgesteld voor het atoom en hoe deze in de loop van de tijd zijn veranderd.

Democritus

Ofschoon we begin 19^de eeuw starten bestond het idee van atomen al lang daarvoor. In feite moeten we helemaal terug gaan naar het oude Griekenland om zijn ontstaan te vinden. Het woord “atoom” komt uit het Oudgrieks en vertaalt betekent het “ondeelbaar”. De oude Griekse theorie is aan verschillende wetenschappers toegekend maar wordt vooral toegeschreven aan Democritus en zijn mentor Leucippus. Democritus leefde van 460 – 370 voor Christus. Hoewel hun ideeën over atomen primitief zijn vergeleken met onze huidige concepten schetsen ze het idee dat alles is gemaakt van atomen, onzichtbare en ondeelbare bollen van materie van oneindig type en aantal.

Deze wetenschappers stelden zich voor dat atomen varieerden van vorm, afhankelijk van het type atoom. Ze stelden zich voor dat ijzeratomen haken hadden die ze aan elkaar vasthielden, wat uitlegde waarom ijzer een vaste stof is bij kamertemperatuur. Wateratomen waren glad en glibberig, wat verklaart dat water bij kamertemperatuur vloeibaar was en kon worden gegoten. Hoewel we nu weten dat dit niet het geval is legden hun ideeën well de basis voor toekomstige atoommodellen.

John Dalton

Het duurde echter lang voordat er op deze fundamenten verder werd gebouwd. Pas in 18034 begon de Engelse chemicus John Dalton een meer wetenschappelijke definitie van het atoom te ontwikkelen. Hij putte uit de ideeën van de oude Grieken bij het beschrijven van atomen als kleine, harde bollen die ondeelbaar zijn en dat atomen van een bepaald element identiek aan elkaar zijn. Het laatste punt is er een dat vrijwel nog steeds geldt met als opmerkelijke uitzondering de isotopen van de verschillende elementen. Die verschillen in hun aantal neutronen. Aangezien het neutron pas in 1932 werd ontdekt kan Dalton dit nog niet hebben geweten. Dalton kwam ook met theorieën over hoe atomen samen verbindingen maken. Ook stelde hij een eerste reeks chemische symbolen voor van de bekende elementen.

Daltons schets van de atoomtheorie was een begin maar het vertelde ons nog steeds niet echt veel over de aard van atomen zelf. Er volgde een volgende periode van stilte waarin onze kennis over atomen niet veel vorderde. Er waren enkele pogingen om te definiëren hoe atomen eruit zouden kunnen zien. Lord Kelvin stelde dat ze een vortex-achtige structuur zouden kunnen hebben maar het was pas net na het begin van de 20^ste eeuw dat de vooruitgang bij het ophelderen van de atomaire structuur echt begon te vorderen.

 

Joseph John Thomson

De eerste doorbraak kwam aan het einde van de 19^de eeuw, in 1897 om precies te zijn, toen de Engelse natuurkundige Joseph John Thomson ontdekte dat atomen toch niet zo ondeelbaar waren als eerder werd beweerd. Hij deed experimenten met kathodestralen geproduceerd in een ontladingsbuis en hij ontdekte dat de stralen werden aangetrokken door positief geladen platen en werden afgestoten door negatief geladen platen. Hij leidde hieruit af dat de stralen negatief geladen moesten zijn.

Door de lading van de deeltjes in de straling te meten kon hij afleiden dat ze tweeduizend keer lichter waren dan waterstof en door het metaal waarvan de kathode was gemaakt te veranderen kon hij zien dat deze deeltjes in veel soorten atomen aanwezig waren. Hij had het elektron ontdekt en hij toonde aan dat atomen niet ondeelbaar zijn maar bestaan uit kleinere samenstellende deeltjes. Thomson kreeg hiervoor in 1906 de Nobelprijs.

In 1904 presenteerde hij op basis van zijn bevindingen zijn model van het atoom. Het werd het plumpudding-model genoemd (deze term was niet door Thomson zelf bedacht). Het voorzag het atoom als een bol met positieve lading met overal elektronen als pruimen in een pudding. Wetenschappers waren begonnen met het kijken in het binnenste van het atoom maar het model van Thomson zou niet lang standhouden. Het was een van zijn studenten die het bewijs leverde om het naar de geschiedenis te verbannen.

Ernest Rutherford

Ernest Rutherford was een Nieuw-Zeelandse natuurkundige die onder Thomson aan de universiteit van Cambridge studeerde. Het was zijn latere werk aan de universiteit van Manchester dat meer inzicht zou verschaffen over de binnenkant van een atoom. Dit werk kwam er nadat hij in 1908 al een Nobelprijs had gekregen voor zijn werk op het gebied van de chemie van radioactieve stoffen.

Rutherford bedacht in 1911 een experiment om de atomaire structuur te onderzoeken waarbij positief geladen deeltjes werden afgevuurd op een dunne laag goudfolie. De alfadeeltjes waren zo klein dat ze door de goudfolie laag konden gaan. Volgens het model van Thomson, dat aantoonde dat de positieve lading zich over het hele atoom verspreidde, zouden ze dat met weinig of geen afbuiging moeten doen. Met dit experiment hoopte Rutherford het model van Thomson te bevestigen maar hij deed precies het tegenovergestelde.

Tijdens het experiment passeerden de meeste alfadeeltjes de folie met weinig of geen afbuiging. Een zeer klein aantal van de deeltjes werd echter onder zeer grote hoeken van hun oorspronkelijke baan afgebogen. Dit was volkomen onverwacht en zoals Rutherford zelf opmerkte: “Het was alsof je met een 30 cm granaat op een papieren zakdoekje afvuurde en het terugkwam en je raakte”. De enige mogelijke verklaring was dat de positieve lading zich niet door het atoom verspreidde maar concentreerde in een klein dicht centrum: de kern. Het grootste deel van het atoom was gewoon lege ruimte.

De ontdekking van Rutherford betekende dat het atoommodel opnieuw moest worden bekeken. Hij stelde een model op waarbij elektronen om de positief geladen kern draaien. Hoewel dit een verbetering was ten opzichte van het model van Thomson legde het niet uit waarom elektronen in een baan om de kern bleven draaien in plaats van simpelweg naar de kern toe te spiraliseren.

Niels Bohr

Het is ondertussen 1913 geworden en we gaan verder met Niels Bohr. Bohr was een Deense natuurkundige die probeerde de problemen met het model van Rutherford op te lossen. Hij realiseerde zich dat de klassieke natuurkunde niet goed kon verklaren wat er op atomair niveau gebeurd. In plaats daarvan beriep Bohr zich op de kwantummechanica om te proberen de rangschikking van elektronen te verklaren. Elektronen waren alleen te vinden in deze specifieke energieniveaus. Met andere woorden, hun energie werd gekwantificeerd en kon niet zomaar een waarde aannemen. Elektronen konden tussen deze energieniveaus bewegen (Bohr noemde dit stationaire toestanden), maar moesten dit doen door energie te absorberen of energie uit te zenden.

Bohrs suggestie van stabiele energieniveaus ging in op het probleem van elektronen die tot op zekere hoogte naar de kern spiraliseren maar verklaarde het niet helemaal. De exacte redenen hiervoor hebben te maken met de complexiteit van de kwantummechanica.

Het model van Bohr loste niet alle problemen met het atomaire model op. Het werkte goed voor waterstofatomen maar kon waarnemingen van zwaardere elementen niet verklaren. Het was ook in strijd met het onzekerheidsprincipe van Heisenberg. It is een van de hoekstenen van de kwantummechanica en het stelt dat we niet en de exacte positie als het momentum van een elektron kunnen weten. Toch werd dit principe pas enkele jaren nadat Bohr zijn model had voorgesteld, gepostuleerd. Ondanks dit alles is het atoommodel van Bohr waarschijnlijk het model waar we het meest vertrouwt mee zijn. Het is het model van het atoom dat tijdens scheikundelessen op de middelbare school vaak als eerste wordt geïntroduceerd. Het heeft ook nog steeds zijn toepassingen. Het is handig om chemische bindingen en de reactiviteit van sommige groepen elementen op een eenvoudige manier mee uit te leggen.

Erwin Schrödinger

Het model moest in ieder geval nog worden verfijnd. Veel wetenschappers warenbezig met het onderzoeken en ontwikkelen van het kwantummodel van het atoom. De belangrijkste onder hen was de Oostenrijkse natuurkundige Erwin Schrödinger. In 1926 stelde Schrödinger voor dat, in plaats van dat de elektronen in vaste banen of schillen bewegen, de elektronen zich als golven gedragen. Dit lijkt een beetje raar maar ook licht gedraagt zich zowel als een golf en als een deeltje. Het blijkt dat elektronen dat ook kunnen.

Schrödinger loste een reeks wiskundige vergelijkingen op om tot een model te komen voor de verdeling van elektronen in een atoom. Zijn model toont de kern omringd door wolken van elektronendichtheid. Deze wolken zijn wolken van waarschijnlijkheid; hoewel we niet precies weten waar de elektronen zijn weten we dat ze waarschijnlijk in bepaalde gebieden van de ruimte kunnen worden gevonden. Deze gebieden van de ruimte worden elektronenorbitalen genoemd. Hoewel het tegenwoordig het geaccepteerde model is, is het is misschien begrijpelijk waarom lessen scheikunde op de middelbare school niet direct aansluiten bij dit model. Het kost wat meer tijd om het allemaal goed te begrijpen.

James Chadwick

De toevoegingen van Schrödinger waren echter niet de laatste. In 1932 ontdekte de Engelse natuurkundige James Chadwick (een student van Ernest Rutherford) het bestaan van het neutron. Hiermee werd ons beeld over de subatomaire deeltjes waaruit een atoom bestaat, compleet.

Alhoewel, ook hier eindigt het verhaal niet want natuurkundigen hebben sindsdien ontdekt dat de protonen en neutronen waaruit de kern bestaat zelf deelbaar zijn in deeltjes die quarks worden genoemd.