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.

  • Het aantal protonen bepaalt tot welk element een atoom behoort, en dit aantal is gelijk aan het atoomnummer Z. De totale lading van de kern is dus:

 Z x 1.602·10-19 Coulomb (de lading van één proton) 

  • Het aantal nucleonen levert meteen het massagetal A voor het atoom. Het aantal neutronen wordt weergegeven met N, en inderdaad, A = Z + N.
     
  • Met de twee waarden A en Z kan elk type van kern ondubbelzinnig worden aangeduid, op deze manier:?

Willen we dit korter schrijven, dan gebruiken we het symbool voor het betrokken element en zetten we links bovenaan het totale aantal protonen en neutronen samen (dat heet dan het massagetal van dat isotoop). Willen we expliciet het atoomnummer vermelden (omdat we reacties beschrijven waarbij elementen in mekaar overgaan), dan zetten we dat links onderaan van het symbool.
 

  • Isotopen zijn atomen die behoren tot hetzelfde element (dus met gelijke aantallen atomen) maar onderling verschillend qua aantal neutronen en dus ook qua massagetal A = N + Z. We spreken dus bijvoorbeeld van de uraniumisotopen 235U en 238U, en van de waterstofisotopen 1H, 2H (deuterium, ook wel aangeduid met D) en 3H (tritium, ook aangeduid met T). Deuterium is een natuurlijk voorkomend isotoop; tritium is een product van kunstmatige transmutatie (het omzetten van atomen van één element in die van een ander).

 

Hoe groot is een atoom?

Eerst het ruwe antwoord. Een atoom is ongeveer 10-10 m groot. Dat is een tiende van een miljoenste van een millimeter. Dan het gedetailleerde antwoord. Als we naar een atoom zouden kijken, dan zouden we namelijk vooral lege ruimte zien, met helemaal in het centrum een brokje materie. Dat is de kern van het atoom. Die kern zelf heeft een diameter van ongeveer 10-14 m.  Dat is net alsof er een knikker zou liggen in het midden van een verder absoluut leeg voetbalveld (op een paar nog kleinere elektronen na). De kern bestaat overigens zelf nog uit kleinere deeltjes: protonen en neutronen. De neutronen hebben geen lading, de protonen zijn positief geladen. In de ruimte rond de kern bewegen zich de negatief geladen elektronen, evenveel als er protonen in de kern zitten, zo blijft de lading van het hele atoom neutraal. Het aantal protonen bepaalt de atoomsoort (en al wat daaruit volgt). Waterstofatomen hebben één proton, koolstof heeft er zes, en uraan (het zwaarste natuurlijk voorkomende element op aarde) heeft er maar liefst tweeënnegentig.  -De massa van het atoom wordt vooral bepaald door de (relatief) zware protonen en neutronen (elk 1,6726231 10-19 kg). Elektronen hebben namelijk een massa die 1800 keer kleiner is. Het massagetal van een atoom is dus simpelweg de som van het aantal protonen en neutronen in de kern.

De geschatte diameter van een vrij atoom (dus niet in een covalente binding of opgenomen in een kristalrooster) ligt tussen 62 picometer (6.2·10-11 m) voor helium en 596 picometer (5.96·10-10 m) voor cesium. De grootte van een atoomkern ligt tussen 2,4 femtometer (2.4·10-15 m) voor 1H en 14,8 femtometer (1.48·10-14 m) voor 238U. De kern van een waterstofatoom is dus ongeveer 40 000 keer kleiner dan het atoom zelf. Vermits echter (bijna) de hele massa van het atoom in die kern gelegen is, maakt dat dat de rest van het atoom in essentie een grote leegte is.

 

Waarom zien of voelen we die grote leegte dan niet?

Atomen zijn zelf verbonden met mekaar in grotere verbanden, in moleculen of in kristallen. Zonder in detail te treden, wil dat zeggen dat atomen op een of andere manier via elektrische krachten aan mekaar hangen. Het zijn deze onderlinge aantrekkingskrachten die stoffen een zekere eenheid geven. Daar komt nog bij, dat we nooit met slechts één enkel atoom te maken hebben, maar steeds met miljarden van miljarden atomen samen. Op onze schaal zorgen al die kleine aantrekkingskrachten tussen individuele atomen voor het ontstaan van typische materiaaleigenschappen zoals elasticiteit, vervormbaarheid, geleiding van warmte en stroom, stroperigheid, enz…

De benaming voor dit soort gebeurtenissen is emergentie: wanneer kleine elementen zich organiseren in een groter geheel en ze daarbij met mekaar beginnen interageren, kunnen er nieuwe eigenschappen, wetmatigheden, patronen en entiteiten ontstaan. Zo heeft een atoom bijvoorbeeld geen kleur. Materie krijgt pas kleur wanneer de juiste atomen op de juiste manier aan mekaar geschakeld worden in een molecule, en wanneer er voldoende moleculen aanwezig zijn om het passerende licht te beïnvloeden. Ook temperatuur en druk (van bijvoorbeeld een gasmengsel) zijn emergente eigenschappen. Losse atomen hebben geen druk of temperatuur – meer nog, op de schaal van een individueel atoom betekenen die termen niets. Het is pas op grotere schaal dat beide grootheden meetbaar zijn (en dus bestaan). Druk is immers het gevolg van de botsing van vele atomen tegelijkertijd tegen een wand, en temperatuur een gevolg van de snelheid waarmee die atomen dat doen. Individuele moleculen, ten slotte, leven ook niet. Leven ontstaat juist als emergente eigenschap wanneer een plejade aan diverse moleculen in een bepaalde organisatievorm interageren met mekaar en zo komen tot zelfreplicerende, metaboliserende structuren.

[Ik besef dat ik met het gelijkstellen van bestaan en meetbaarheid een discussie opstart und kein Ende. In de natuurwetenschappelijke benadering mogen we echter volgens mij nog steeds uitgaan van de wijze woorden van Sir William Thomson, Lord Kelvin, When you can measure what you are speaking about, and express it in numbers, you know something about it, when you cannot express it in numbers, your knowledge is of a meager and unsatisfactory kind; it may be the beginning of knowledge, but you have scarcely, in your thoughts advanced to the stage of science.]

Waarom zijn atoommassa’s eigenlijk geen gehele getallen?

De massa van een atoom is praktisch gelijk aan die van de kern, en dit om twee redenen: elektronen zijn ongeveer 1800 keer lichter dan kerndeeltjes, en er zijn ook minder elektronen dan kerndeeltjes (het aantal elektronen is slechts gelijk aan het aantal protonen, maar er zitten ook nog neutronen in die kern).

Tegelijkertijd hebben een proton en een neutron quasi dezelfde massa.

mp ≈ mn ≈ 1 u (op 1% nauwkeurig)

Zodoende bekomen we een goede schatting voor de relatieve atoommassa door het aantal nucleonen te tellen en dit te vermenigvuldigen met de gemiddelde massa van een nucleon. Makkelijker kan toch niet?

En toch zijn die relatieve atoommassa’s zijn zelden gehele getallen, om verschillende redenen:

  • de opgegeven massa’s zijn steeds die van het element in zijn natuurlijke staat, en dat is praktisch altijd een mengel van twee, drie of meer isotopen. Zo is de opgegeven massa voor chloor (35,45 u) het gewogen gemiddelde van de relatieve atoommassa’s van zijn beide isotopen 35Cl (Ar 34.96 u) en 37Cl (Ar 36.96 u). Natuurlijk voorkomend chloor bevat 75.4% 35Cl en 24.6% 37Cl. De Ar voor chloor is dus:

34.96 u · 0.754 + 36.96 u · 0.246 = 35.45 u

  • Om dezelfde reden heeft ook koolstof geen exacte relatieve atoommassa van 12 u, omdat men rekening moet houden met het bestaan van koolstofisotopen zoals 13C en 14C. 
  • Zelfs de relatieve isotopenmassa’s zijn niet gelijk aan gehele getallen, vermits ook de relatieve massa’s van protonen en neutronen niet gelijk zijn aan 1.
  • De massa van een atoomkern is bovendien altijd lager dan de som van de massa’s van de samenstellende deeltjes omwille van de vrijgestelde bindingsenergie

Om te komen tot een relatieve molecuulmassa (Mr), moet men simpelweg de relatieve atoommassa’s Ar van de samenstellende atomen optellen.

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