Atomen zijn de basiseenheden van materie en de bepalende structuur van elementen. De term "atoom" komt van het Griekse woord voor ondeelbaar, omdat ooit werd gedacht dat atomen de kleinste dingen in het universum waren en niet konden worden verdeeld. We weten nu dat atomen bestaan uit drie deeltjes: protonen, neutronen en elektronen - die zijn samengesteld uit nog kleinere deeltjes, zoals quarks.
Atomen zijn ontstaan na de oerknal 13,7 miljard jaar geleden. Toen het hete, dichte nieuwe universum afkoelde, werden de omstandigheden geschikt voor het vormen van quarks en elektronen. Quarks kwamen samen om protonen en neutronen te vormen, en deze deeltjes combineerden zich tot kernen. Dit gebeurde volgens CERN binnen de eerste paar minuten van het bestaan van het universum.
Het duurde 380.000 jaar voordat het universum voldoende was afgekoeld om de elektronen te vertragen, zodat de kernen ze konden vangen om de eerste atomen te vormen. De vroegste atomen waren voornamelijk waterstof en helium, die volgens Jefferson Lab nog steeds de meest voorkomende elementen in het universum zijn. Zwaartekracht zorgde er uiteindelijk voor dat gaswolken samensmelten en sterren vormden, en zwaardere atomen werden (en worden nog steeds) gecreëerd in de sterren en werden door het heelal gestuurd toen de ster explodeerde (supernova).
Atomaire deeltjes
Protonen en neutronen zijn zwaarder dan elektronen en bevinden zich in de kern in het midden van het atoom. Elektronen zijn extreem lichtgewicht en bestaan in een wolk die rond de kern draait. De elektronenwolk heeft een straal van 10.000 keer groter dan de kern, volgens het Los Alamos National Laboratory.
Protonen en neutronen hebben ongeveer dezelfde massa. Een proton is echter ongeveer 1.835 keer zo zwaar als een elektron. Atomen hebben altijd een gelijk aantal protonen en elektronen, en het aantal protonen en neutronen is meestal ook hetzelfde. Het toevoegen van een proton aan een atoom maakt een nieuw element, terwijl het toevoegen van een neutron een isotoop of een zwaardere versie van dat atoom maakt.
Kern
De kern werd in 1911 ontdekt door Ernest Rutherford, een natuurkundige uit Nieuw-Zeeland. In 1920 stelde Rutherford de naam proton voor voor de positief geladen deeltjes van het atoom. Hij theoretiseerde ook dat er een neutraal deeltje in de kern was, wat James Chadwick, een Britse natuurkundige en student van Rutherford's, in 1932 kon bevestigen.
Vrijwel alle massa van een atoom bevindt zich in zijn kern, volgens Chemistry LibreTexts. De protonen en neutronen waaruit de kern bestaat, hebben ongeveer dezelfde massa (het proton is iets minder) en hebben hetzelfde impulsmoment of spin.
De kern wordt bij elkaar gehouden door de sterke kracht, een van de vier basiskrachten in de natuur. Deze kracht tussen de protonen en neutronen overwint de afstotende elektrische kracht die de protonen anders uit elkaar zou duwen, volgens de regels van elektriciteit. Sommige atoomkernen zijn onstabiel omdat de bindingskracht voor verschillende atomen varieert op basis van de grootte van de kern. Deze atomen vervallen dan in andere elementen, zoals koolstof-14 in stikstof-14.
Protonen
Protonen zijn positief geladen deeltjes die worden aangetroffen in atoomkernen. Rutherford ontdekte ze in experimenten met kathodestraalbuizen die tussen 1911 en 1919 werden uitgevoerd. Protonen zijn ongeveer 99,86% zo massief als neutronen.
Het aantal protonen in een atoom is uniek voor elk element. Koolstofatomen hebben bijvoorbeeld zes protonen, waterstofatomen hebben er één en zuurstofatomen hebben er acht. Het aantal protonen in een atoom wordt het atoomnummer van dat element genoemd. Het aantal protonen bepaalt ook het chemische gedrag van het element. Elementen zijn gerangschikt in het periodiek systeem van de elementen in volgorde van toenemend atoomnummer.
Elk proton bestaat uit drie quarks - twee 'up'-quarks (elk met een tweederde positieve lading) en een' down'-quark (met een derde negatieve lading) - en ze worden bij elkaar gehouden door andere subatomaire deeltjes die gluonen worden genoemd, die massaal zijn.
Elektronen
Elektronen zijn klein vergeleken met protonen en neutronen, meer dan 1.800 keer kleiner dan een proton of een neutron. Volgens Jefferson Lab zijn elektronen ongeveer 0,054% zo massief als neutronen.
Joseph John (J.J.) Thomson, een Britse natuurkundige, ontdekte het elektron in 1897, volgens het Science History Institute. Oorspronkelijk bekend als 'bloedlichaampjes', hebben elektronen een negatieve lading en worden ze elektrisch aangetrokken door de positief geladen protonen. Elektronen omringen de atoomkern in banen die orbitalen worden genoemd, een idee dat in de jaren twintig door Erwin Schrödinger, een Oostenrijkse natuurkundige, naar voren werd gebracht. Tegenwoordig staat dit model bekend als het kwantummodel of het elektronenwolkmodel. De binnenste orbitalen rond het atoom zijn bolvormig, maar de buitenste orbitalen zijn veel gecompliceerder.
De elektronenconfiguratie van een atoom verwijst naar de locaties van de elektronen in een typisch atoom. Met behulp van de elektronenconfiguratie en natuurkundige principes kunnen chemici volgens het Los Alamos National Laboratory de eigenschappen van een atoom voorspellen, zoals stabiliteit, kookpunt en geleidbaarheid.
Neutronen
Het bestaan van het neutron werd in 1920 door Rutherford getheoretiseerd en volgens de American Physical Society in 1932 door Chadwick ontdekt. Neutronen werden gevonden tijdens experimenten waarbij atomen op een dunne laag beryllium werden geschoten. Subatomaire deeltjes zonder lading kwamen vrij - het neutron.
Neutronen zijn ongeladen deeltjes die in alle atoomkernen voorkomen (behalve waterstof). De massa van een neutron is iets groter dan die van een proton. Net als protonen bestaan neutronen ook uit quarks - één "up" -quark (met een positieve 2/3 lading) en twee "down" -quarks (elk met een negatieve een derde lading).
Geschiedenis van het atoom
De atoomtheorie dateert al minstens uit 440 voor Christus. aan Democritus, een Griekse wetenschapper en filosoof. Democritus bouwde hoogstwaarschijnlijk zijn atoomtheorie op het werk van filosofen uit het verleden, volgens Andrew G. Van Melsen, auteur van "From Atomos to Atom: The History of the Concept Atom" (Duquesne University Press, 1952).
Democritus 'uitleg van het atoom begint met een steen. Een in tweeën gesneden steen geeft twee helften van dezelfde steen. Als de steen continu zou worden gesneden, zou er op een gegeven moment een stuk van de steen zijn dat klein genoeg was om niet meer te kunnen worden gesneden. De term "atoom" komt van het Griekse woord voor ondeelbaar, waarvan Democritus concludeerde dat het het punt moet zijn waarop een wezen (elke vorm van materie) niet meer kan worden verdeeld.
Zijn verklaring omvatte de idee dat atomen afzonderlijk van elkaar bestaan, dat er oneindig veel atomen zijn, dat atomen kunnen bewegen, dat ze samen kunnen combineren om materie te creëren maar niet samensmelten om een nieuw atoom te worden, en dat ze kan niet worden verdeeld, volgens Universe Today. Maar omdat de meeste filosofen destijds - vooral de zeer invloedrijke Aristoteles - geloofden dat alle materie uit aarde, lucht, vuur en water was ontstaan, werd de atoomtheorie van Democritus terzijde geschoven.
John Dalton, een Britse chemicus, bouwde voort op de ideeën van Democritus in 1803 toen hij zijn eigen atoomtheorie naar voren bracht, volgens de afdeling chemie van Purdue University. Dalton's theorie omvatte verschillende ideeën van Democritus, zoals atomen zijn ondeelbaar en onverwoestbaar en dat verschillende atomen samen vormen om alle materie te creëren. Dalton's toevoegingen aan de theorie omvatten de volgende ideeën: dat alle atomen van een bepaald element identiek waren, dat atomen van een element andere gewichten en eigenschappen zullen hebben dan atomen van een ander element, dat atomen niet kunnen worden gemaakt of vernietigd en dat materie wordt gevormd door atomen combineren in eenvoudige hele getallen.
Thomson, de Britse natuurkundige die het elektron in 1897 ontdekte, bewees dat atomen volgens de Chemical Heritage Foundation kunnen worden verdeeld. Hij kon het bestaan van elektronen bepalen door de eigenschappen van elektrische ontlading in kathodestraalbuizen te bestuderen. Volgens Thomson's paper uit 1897 waren de stralen in de buis afgebogen, wat bewees dat er iets negatief geladen was in de vacuümbuis. In 1899 publiceerde Thomson een beschrijving van zijn versie van het atoom, algemeen bekend als het 'pruimenpuddingmodel'. Een uittreksel van dit artikel is te vinden op de Chem Team-site. Thomson's model van het atoom omvatte een groot aantal elektronen die waren opgehangen in iets dat een positieve lading produceerde, waardoor het atoom een algehele neutrale lading kreeg. Zijn model leek op pruimenpudding, een populair Brits dessert met rozijnen in een ronde cake-achtige bal.
De volgende wetenschapper die het atoommodel verder heeft aangepast en verbeterd, was Rutherford, die studeerde onder Thomson, volgens de afdeling chemie van de Purdue University. In 1911 publiceerde Rutherford zijn versie van het atoom, inclusief een positief geladen kern die in een baan om elektronen draait. Dit model ontstond toen Rutherford en zijn assistenten alfadeeltjes afvuurden op dunne goudplaten. Een alfadeeltje bestaat uit twee protonen en twee neutronen, allemaal bij elkaar gehouden door dezelfde sterke kernkracht die de kern bindt, volgens het Jefferson Lab.
De wetenschappers merkten op dat een klein percentage van de alfadeeltjes verspreid was onder zeer grote hoeken ten opzichte van de oorspronkelijke bewegingsrichting terwijl de meerderheid er nauwelijks doorheen ging. Rutherford was in staat om de grootte van de kern van het gouden atoom te benaderen, en ontdekte dat deze minstens 10.000 keer kleiner was dan de grootte van het hele atoom, waarbij een groot deel van het atoom lege ruimte was. Het atoommodel van Rutherford is nog steeds het basismodel dat tegenwoordig wordt gebruikt.
Verschillende andere wetenschappers bevorderden het atoommodel, waaronder Niels Bohr (gebouwd op het model van Rutherford om eigenschappen van elektronen op basis van het waterstofspectrum op te nemen), Erwin Schrödinger (ontwikkelde het kwantummodel van het atoom), Werner Heisenberg (verklaarde dat men niet allebei de positie en snelheid van een elektron tegelijkertijd), en Murray Gell-Mann en George Zweig (ontwikkelden onafhankelijk de theorie dat protonen en neutronen uit quarks bestonden).
