Hart van de Materie 11: Van Rutherford naar Bohr: het atoommodel groeit op

Nu we meer weten over de samenstelling van de kern, wordt het tijd om weer de blik op het hele atoom te richten. Tijdens de eerste vijftien jaren van de twintigste eeuw volgden er een hele reeks modellen, waarvan we er reeds een aantal belichtten. Dus, hoewel we met het neutron reeds in 1936 waren aanbeland, keren we nog even op onze stappen terug en zetten we de verschillende atoommodellen nog eens op een rijtje.

We beginnen hierbij met het model van Gilbert Lewis. Hij ontwikkelde in 1902 zijn kubische model. Elk atoom wordt in dit model voorgesteld als een kubus waarvan de hoekpunten bezet kunnen worden door elektronen. Hij publiceert dit echter pas in 1916, in een briljante paper waarin ook typische chemische concepten als de octetregel en de Lewisstructuur worden uiteengezet. Volgens Lewis bestaat een atoom uit een essentieel binnenste deel (de kernel) dat niet deelneemt aan de chemische reactie en als geheel positiever geladen is dan het normale atoom, en een buitenste deel (de shell), die van nul tot en met acht elektronen kan bevatten. In moderne termen – die kernel bestaat uit het atoom zonder de buitenste laag elektronen (en daarvan zijn er maximaal acht aanwezig). Die acht elektronen zitten, nog volgens Lewis, symmetrisch ingeplant rondom die kernel. Bij wijze van voorbeeld zijn hier de voorstellingen van de elementen van de tweede periode (lithium tot fluor).

Lewis, G. N. The Atom and the Molecule. J. Am. Chem. Soc. 1916, 38, 762-785. Publiek domein.

Lees verder...

Geplaatst door Geert op 15/04/2017 om 17:12

Hart van de Materie - Intermezzo: Wat iedereen zou mogen weten over atomen

Even samenvatten wat we nu weten.

  • Een element is een immaterieel gegeven. Het is een typologie, een soort. We stellen een element voor door een symbool uit één of twee letters (zoals H, waterstof, of He, helium). Een atoom van een element is wel een tastbaar object. Het bestaat uit een kern en een elektronenmantel rond die kern. De kern bestaat uit twee soorten nucleonen of kerndeeltjes: protonen (met een positieve lading) en neutronen (met een negatieve lading). Zoals we later bespreken, bestaan deze nucleonen zelf elk uit drie quarks.

Lees verder...

Geplaatst door Geert op 08/04/2017 om 23:31

Hart van de Materie 10: Gereedschap van de deeltjesjager - de massaspectrometer

Eerder in ons verhaal maakten we reeds kennis met de nevelkamer van Wilson. Maar het snel expanderende onderzoek naar de structuur van de materie had nood aan meer en vooral fijnere apparaten om op de vragen van de onderzoekers te antwoorden.

Het eerste toestel dat daarbij een belangrijke rol heeft gespeeld, was de massaspectrometer. We beginnen echter bij zijn kleine broer – de anodestraalbuis. Over de kathodestraalbuis hebben we het eerder al gehad: deze opstelling lag aan de basis van de ontdekking van het negatief geladen elektron. Hierbij zag men een straal ontstaan aan een kathode die dan doorheen een holle anode passeerde. Bij de anodestraalbuis gebeurde net het omgekeerde. De kathode is er een schijf met een gat in het midden, en de straal begint aan de anode. Kathodestraalbuizen zijn overigens meestal hoog vacuüm getrokken, terwijl er bij een anodestraal steeds wat gas moet aanwezig zijn.

De kathodestraalbuis waarmee Thomson zijn experimenten uitvoerde. Bron: J.J. Thomson, Philosophical Magazine, 44, 293 (1897). Publiek domein.

Lees verder...

Geplaatst door Geert op 31/03/2017 om 22:03

Hart van de Materie 9: Ongeladen maar niet onvindbaar: het neutron

Aan het einde van het vorige deel stelden we vast dat het gedaan is met de ondeelbaarheid van de atomen. Blijkbaar bestaan ze uit lichte, negatief geladen elektronen en zwaardere, postief geladen protonen. Hierbij weten we ook dat de netto-lading van de kern (die positief is) wordt gecounterd door een net voldoende elektronen, die rond die kern cirkelen als manen rond een planeet, of planeten rond een ster. Het aantal elektronen varieert naargelang het element waar we mee te maken hebben: waterstof heeft er één, helium twee, enzovoort.

De netto-lading van die kern is tegelijkertijd een goede parameter om de eigenschappen van het betrokken atoom mee in te schatten: het atoomnummer is erkend als meer dan gewoon een rangschikking in een volgorde. Van de elektronen binnenin (vlak tegen de kern aan) weten we dat ze X-stralen genereren als ze uit de kern gegooid worden; de elektronen aan de buitenkant van het atoom bepalen dan weer het chemisch gedrag.

James Chadwick (20 oktober 1891, Bollington, Engeland – 24 juli 1974, Cambridge, Engeland) behaalde zijn bachelor- en masterdiploma’s in 1911, resp. 1913 in Manchester, waar hij onder andere van Rutherford les kreeg. Hij werd daarna de assistent van Hans Geiger (de oud-medewerker van Rutherford) in Berlijn. Bij het uitbreken van de Eerste Wereldoorlog werd hij als Brit in Duitsland geïnterneerd als krijgsgevangene, maar kon zijn tijd besteden aan chemisch onderzoek, Na de oorlog vervoegde hij Rutherford in 1919 in het Cavendishlab in Cambridge.
Daar toonde hij in 1932 het bestaan van het neutron aan. 
Links: James Chadwick, rechts de voorpagina van zijn Letter to Nature waarin hij zijn werk ontvouwt. Beide beelden publiek domein.

Lees verder...

Geplaatst door Geert op 24/03/2017 om 22:46

Hart van de Materie 8: De kern valt verder uiteen in protonen

Een eerste glimp van het proton

Rutherford stopte niet met het uitvoeren van boeiende experimenten en drong steeds dieper door in de structuur van de materie. Tijdens nieuwe proeven met zijn scintillatietoestel liet hij een stroom alfadeeltjes los op het detectieplaatje uit zinksulfide, maar dekte dit in eerste instantie af met een metalen plaatje, waar de alfastralen niet doorheen geraakten. Tenminste, zolang het toestel vacuum bleef. Bracht hij een hoeveelheid waterstofgas in het toestel, dan doken er plotseling wel stralen op, die in staat waren om door het metalen plaatje te dringen en op de detector te botsen.

Lees verder...

Geplaatst door Geert op 17/03/2017 om 22:34

Pagina 1 - 2 - 3 - 4 - 5 - 6