alle materie bestaat uit atomen. Dit is iets wat we nu als een gegeven beschouwen, en een van de dingen die je leert aan het begin van de middelbare school of middelbare school scheikundeles. Ondanks dit, zijn onze ideeën over wat een atoom is verrassend recent: honderd jaar geleden discussieerden wetenschappers nog over hoe een atoom er precies uitzag. Deze afbeelding neemt een kijkje op de belangrijkste modellen voorgesteld voor het atoom, en hoe ze veranderd in de tijd.

hoewel onze grafiek begint in de jaren 1800, was het idee van atomen al lang voor. In feite moeten we helemaal terug naar het oude Griekenland om zijn ontstaan te vinden. Het woord ‘atoom ‘komt eigenlijk uit het Oudgrieks en wordt ruwweg vertaald als’ondeelbaar’. De oude Griekse theorie is toegeschreven aan verschillende geleerden, maar wordt meestal toegeschreven aan Democritus (460-370 v .Chr.) en zijn mentor Leucippus. Hoewel hun ideeën over atomen rudimentair waren vergeleken met onze concepten van vandaag, schetsten ze het idee dat alles is gemaakt van atomen, onzichtbare en ondeelbare bollen van materie van oneindig type en getal.

deze geleerden stelden atomen voor als variërend in vorm, afhankelijk van het type atoom. Ze dachten dat ijzeratomen haken hadden die ze aan elkaar vastbinden, wat verklaart waarom ijzer een vaste stof was bij kamertemperatuur. Wateratomen waren glad en glad, wat verklaart waarom water een vloeistof was bij kamertemperatuur en kon worden gegoten. Hoewel we nu weten dat dit niet het geval is, legden hun ideeën de basis voor toekomstige atoommodellen.

het duurde echter lang voordat deze funderingen werden gebouwd. Pas in 1803 begon de Engelse chemicus John Dalton een meer wetenschappelijke definitie van het atoom te ontwikkelen. Hij baseerde zich op de ideeën van de oude Grieken door atomen te beschrijven als kleine, harde bollen die ondeelbaar zijn, en dat atomen van een bepaald element identiek zijn aan elkaar. Dit laatste is een punt dat vrijwel nog steeds geldt, met de opmerkelijke uitzondering zijn isotopen van verschillende elementen, die verschillen in hun aantal neutronen. Maar aangezien het neutron pas in 1932 ontdekt zou worden, kunnen we Dalton deze vergissing vergeven. Hij kwam ook met theorieën over hoe atomen combineren om verbindingen te maken, en kwam ook met de eerste set van chemische symbolen voor de bekende elementen.Dalton ‘ s schets van de atoomtheorie was een begin, maar het vertelde ons nog steeds niet veel over de aard van atomen zelf. Wat volgde was een andere, kortere stilte waar onze kennis van atomen niet zo veel vooruitgang. Er waren enkele pogingen om te definiëren hoe atomen eruit zouden kunnen zien, zoals Lord Kelvin ‘ s suggestie dat ze een vortex-achtige structuur zouden kunnen hebben, maar het was pas net na het begin van de 20e eeuw dat de vooruitgang op het ophelderen van atomaire structuur echt begon op te vangen.de eerste doorbraak kwam eind 1800 toen de Engelse natuurkundige Joseph John Thomson ontdekte dat het atoom niet zo ondeelbaar was als eerder werd beweerd. Hij voerde experimenten uit met kathodestralen die in een ontladingsbuis werden geproduceerd, en vond dat de stralen werden aangetrokken door positief geladen metalen platen, maar afgestoten door negatief geladen. Hieruit leidde hij af dat de stralen negatief geladen moeten zijn.door de lading van de deeltjes in de stralen te meten, kon hij afleiden dat ze tweeduizend keer lichter waren dan waterstof, en door het metaal te veranderen waaruit de kathode werd gemaakt, kon hij zien dat deze deeltjes in vele soorten atomen aanwezig waren. Hij had het elektron ontdekt (hoewel hij het een ‘bloedlichaampje’ noemde), en toonde aan dat atomen niet ondeelbaar waren, maar kleinere samenstellende delen hadden. Deze ontdekking zou hem in 1906 een Nobelprijs opleveren.in 1904 presenteerde hij zijn model van het atoom op basis van zijn bevindingen. Genoemd ‘The Plum Pudding Model’ (hoewel niet door Thomson zelf), het voorzag het atoom als een bol van positieve lading, met elektronen gestippeld overal als pruimen in een pudding. Wetenschappers waren begonnen in de ingewanden van het atoom te kijken, maar Thomson ‘ s model zou niet lang blijven hangen – en het was een van zijn studenten die het bewijs leverde om het naar de geschiedenis te sturen.Ernest Rutherford was een Nieuw-Zeelandse natuurkundige die studeerde aan de Universiteit van Cambridge bij Thomson. Het was zijn latere werk aan de Universiteit van Manchester dat verdere inzichten in de binnenkant van een atoom zou bieden. Dit werk kwam nadat hij in 1908 al een Nobelprijs had ontvangen voor zijn onderzoek naar de chemie van radioactieve stoffen.

Rutherford bedacht een experiment om atomaire structuur te onderzoeken waarbij positief geladen alfadeeltjes op een dunne plaat goudfolie werden afgevuurd. De alfa-deeltjes waren zo klein dat ze door de goudfolie konden gaan, en volgens Thomson ‘ s model, dat de positieve lading over het hele atoom liet diffunderen, zouden ze dat met weinig of geen afbuiging moeten doen. Door dit experiment uit te voeren, hoopte hij Thomson ‘ s model te kunnen bevestigen, maar uiteindelijk deed hij precies het tegenovergestelde.

tijdens het experiment gingen de meeste alfadeeltjes door de folie met weinig of geen doorbuiging. Echter, een zeer klein aantal van de deeltjes werden afgebogen van hun oorspronkelijke paden onder zeer grote hoeken. Dit was volledig onverwacht; zoals Rutherford zelf merkte, “het was bijna net zo ongelooflijk alsof je vuurde een 15-inch shell op een stuk papier en het kwam terug en raakte je”. De enige mogelijke verklaring was dat de positieve lading niet verspreid was over het atoom, maar geconcentreerd was in een klein, dicht centrum: de kern. Het grootste deel van de rest van het atoom was gewoon lege ruimte.

Rutherford ‘ s ontdekking van de kern betekende dat het atomaire model een heroverweging nodig had. Hij stelde een model voor waarbij de elektronen rond de positief geladen kern draaien. Hoewel dit een verbetering was ten opzichte van Thomson ‘ s model, verklaarde het niet wat de elektronen in een baan hield in plaats van gewoon in de kern te spiralen.

voer Niels Bohr in. Bohr was een Deense natuurkundige die probeerde de problemen met Rutherford ‘ s model op te lossen. Hij besefte dat de klassieke natuurkunde niet goed kon verklaren wat er op atomair niveau gebeurde.; in plaats daarvan beriep hij zich op de kwantumtheorie om te proberen de rangschikking van elektronen te verklaren. Zijn model postuleerde het bestaan van energieniveaus of schillen van elektronen. Elektronen konden alleen worden gevonden in deze specifieke energieniveaus; met andere woorden, hun energie werd gekwantificeerd, en kon niet zomaar een waarde aannemen. Elektronen konden tussen deze energieniveaus bewegen (door Bohr aangeduid als ‘stationaire toestanden’), maar moesten dit doen door ofwel energie te absorberen of uit te zenden.

Bohr ‘ s suggestie van stabiele energieniveaus ging in op het probleem van elektronen die tot op zekere hoogte in de kern spiraalden, maar niet helemaal. De exacte redenen zijn iets complexer dan we hier gaan bespreken, want we komen in de complexe wereld van de kwantummechanica; en zoals Bohr zelf zei, “Als de kwantummechanica je niet diep geschokt heeft, heb je het nog niet begrepen”. Met andere woorden, het wordt een beetje raar.

Bohr ‘ s model heeft niet alle atomaire modelproblemen opgelost. Het werkte goed voor waterstofatomen, maar kon observaties van zwaardere elementen niet verklaren. Het schendt ook het onzekerheidsprincipe van Heisenberg, een van de hoekstenen van de kwantummechanica, die stelt dat we zowel de exacte positie als het momentum van een elektron niet kunnen weten. Toch, dit principe werd niet gepostuleerd tot enkele jaren nadat Bohr zijn model voorgesteld. Ondanks dit alles, Bohr ‘ s is waarschijnlijk nog steeds het model van het atoom dat je het meest bekend bent met, omdat het vaak de eerste geïntroduceerd tijdens de middelbare school of middelbare school scheikunde cursussen. Het heeft nog steeds zijn nut te; het is heel handig voor het verklaren van chemische binding en de reactiviteit van sommige groepen elementen op een eenvoudig niveau.

in ieder geval moest het model nog worden verfijnd. Op dit punt waren veel wetenschappers bezig met het onderzoeken en ontwikkelen van het kwantummodel van het atoom. Hoofd van deze groep was De Oostenrijkse natuurkundige Erwin Schrödinger, van wie je waarschijnlijk al eerder hebt gehoord (Hij is de man met de kat en de doos). In 1926 stelde Schrödinger voor dat, in plaats van de elektronen die in vaste banen of schelpen bewegen, de elektronen zich gedragen als golven. Dit lijkt een beetje vreemd, maar je herinnert je waarschijnlijk al dat licht zich kan gedragen als zowel een golf als een deeltje (wat bekend staat als een golf-deeltje dualiteit), en het blijkt dat elektronen dat ook kunnen.

Schrödinger loste een reeks wiskundige vergelijkingen op om met een model te komen voor de distributies van elektronen in een atoom. Zijn model toont de kern rondom door wolken van elektronendichtheid. Deze wolken zijn waarschijnlijkheidswolken; hoewel we niet precies weten waar de elektronen zijn, weten we dat ze waarschijnlijk in bepaalde gebieden van de ruimte worden gevonden. Deze gebieden van de ruimte worden aangeduid als elektron orbitalen. Het is misschien begrijpelijk waarom middelbare school scheikunde lessen niet leiden in rechte met dit model, hoewel het is het geaccepteerde model Vandaag, want het kost een beetje meer tijd om je hoofd rond!

Schrödinger ‘ s was niet echt het laatste woord op het atoom. In 1932 ontdekte de Engelse natuurkundige James Chadwick (een student van Ernest Rutherford) het bestaan van het neutron, waarmee we ons beeld van de subatomaire deeltjes die deel uitmaken van een atoom completeerden. Het verhaal eindigt daar ook niet.; natuurkundigen hebben sindsdien ontdekt dat de protonen en neutronen die deel uitmaken van de kern zelf deelbaar zijn in deeltjes die quarks worden genoemd – maar dat valt buiten het bereik van deze post! In ieder geval geeft het atoom ons een geweldig voorbeeld van hoe wetenschappelijke modellen in de loop van de tijd kunnen veranderen, en laat zien hoe nieuw bewijs kan leiden tot nieuwe modellen.

genoten van dit bericht & grafisch? Overweeg het ondersteunen van samengestelde rente op Patreon, en krijg previews van komende berichten & meer!

de afbeelding in dit artikel valt onder een Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International Licentie. Zie de richtlijnen voor het gebruik van de inhoud van de site.