Atoombouw | Speuren in het kleine

Het abc van de natuur kent maar drie letters. Alle materie in het heelal is opgebouwd uit slechts drie verschillende elementaire deeltjes. Een kaasschaaf, een kangoeroe en een komeet lijken op het eerste gezicht weinig met elkaar gemeen te hebben, maar ze bestaan uit precies dezelfde bouwstenen, zelfs in ruwweg dezelfde verhoudingen.

De drie kosmische legosteentjes zijn de op-quark, de neer-quark en het elektron. Met deze deeltjes kun je alles bouwen wat je maar wilt, van bacteriën tot bolvormige sterrenhopen. Gewoon een kwestie van zorgvuldige rangschikking.

Van op- en neer-quarks hebben veel mensen nog nooit gehoord. De naam doet eerder denken aan een nieuw gezondheidsontbijt dan een de elementaire bouwstof van het heelal. Quarks zijn dan ook nog maar enkele tientallen jaren geleden ontdekt. De ontdekking van het elektron was in 1897. Met elektronen hebben we dagelijks te maken. Zonder elektronen bestaat er geen stroom (= verplaatsing van elektronen). Ook de menselijke intelligentie werkt op elektronen. Onze hersenactiviteit bestaat uit microscopisch kleine stroompulsjes. Om over elektronen na te denken, heb je ze nodig.

De elektronen die door het stofzuigersnoer en de plafonnière stromen, zijn vrije jongens – elementaire deeltjes die alleen met zichzelf rekening hoeven te houden. Quarks zijn heel anders. Gezelschapsdieren zijn het en hun voorliefde gaat uit naar intieme triootjes. Quarks zijn de Siamese drielingen van de natuur en niemand heeft ze ooit kunnen scheiden. Deze drielingen vormen neutronen en protonen en deze vormen met de elektronen voor de atoomdeeltjes. Samengevat:

	Atoomdeeltje	Elementaire deeltjes	Massa	Lading
Kern	Proton	2 op- en 1 neer-quark	1 u	1+
	Neutron	2 neer- en 1 op-quark	1 u	0
Elektronenwolk	Elektron	Elektron	verwaarloosbaar	1-

1 u: atomaire massa-eenheid = 1,66054.10^-27 kg

Met protonen, neutronen en elektronen kun je atomen bouwen. Atomen hebben duidelijke kenmerken en eigenschappen, net als de woorden uit een gewone taal. Volgens Rutherford is een atoom opgebouwd uit een kern met daaromheen een elektronenwolk. Als je een atoom voorstelt als een groot voetbalstadion, dan is de kern slechts een mug op de middenstip. De kern van een atoom is dan ook ongeveer 10 000 keer zo klein als het hele atoom.

Het aantal protonen in de kern is karakteristiek voor elke atoomsoort (ze vormen als ware de pincode van het atoom). Dit aantal geef je aan met het atoomnummer. Dit atoomnummer schrijf je linksonder het elementsymbool, bijv. ₁₇Cl. De som van het aantal protonen en neutronen heet het massagetal (elektronen hebben een verwaarloosbare massa). Het massagetal schrijf je linksboven het symbool van de atoomsoort, bijv. ³⁵Cl. Als het atoomnummer en het massagetal van een atoomsoort bekend zijn, weet je het aantal protonen, neutronen en elektronen van deze atoomsoort.

Iedere atoomsoort wordt gekenmerkt door het atoomnummer. Dit geeft het aantal protonen weer. Het massagetal geeft het totale aantal protonen en neutronen weer.

De atoomnummers en massagetallen zijn te vinden in het Periodiek systeem der Elementen, welke een onderdeel is van de Binas.

Het zwaarste element dat in de natuur voorkomt, is uraan. Een uraanatoom heeft 92 protonen in de kern. Om die bijeen te houden zijn maar liefst 146 neutronen nodig. En rond de atoomkern bewegen 92 elektronen. Elk uraanatoom bestaat dus uit 330 op-quarks, 384 neer-quarks en 92 elektronen – 806 legosteentjes in totaal (tel maar na).

Als quarks en elektronen de letters van het kosmisch schrift vormen en atomen vergeleken kunnen worden met woorden, dan zijn moleculen de zinnen waarin het boek der natuur is geschreven. Moleculen zijn verbindingen van twee of meer atomen. Water (H₂O) is wel het bekendste voorbeeld. Een waterstofmolecuul bestaat uit twee waterstofatomen en één zuurstofatoom. Een kort, maar krachtig zinnetje. Atomen laten zich niet zo maar aaneenrijgen tot moleculen. Net als een gewone zin aan strikte grammaticale regels moet gehoorzamen, bestaan er natuurkundige en scheikundige wetten voor de vorming van moleculen.

Protonen, neutronen en elektronen

Quarks

Taak

Beantwoord onderstaande vragen. Hint maak gebruik van je Binas of het periodiek systeem der elementen.

De kern van een atoom is positief geladen. Ergo een kern bevat positief geladen deeltjes.

Hoe noemt men de positief geladen deeltjes in een atoomkern?

Teken een atoomkern met daarin vier positief geladen deeltjes. Wat zal er in die kern gaan gebeuren? Licht je antwoord toe.




Toch blijven de positief geladen deeltjes in een atoomkern bij elkaar zitten. Dat kan echter alleen als ze van elkaar gescheiden worden gehouden, of als de aantrekkende krachten tussen de deeltjes groter zijn dan de afstotende elektrische krachten. Door de ontdekking van andere, neutraal geladen deeltjes in de atoomkern heeft men de tweede hypothese verworpen.

Door welke deeltjes in de atoomkern worden de positieve deeltjes van elkaar gescheiden gehouden?

Teken nogmaals een atoomkern met vier positief geladen deeltjes en de deeltjes genoemd bij 3.

Een atoom bestaat volgens Rutherford uit een zeer kleine, positief geladen kern en daaromheen bewegende negatieve deeltjes, de elektronen.

Maak een schematische tekening van het atoommodel van Rutherford.




Een atoomsoort heeft atoomnummer 15 en massagetal 31.

Hoeveel protonen, neutronen en elektronen bevat een atoom van dit element?

Hoe groot is de massa (in kg) van dit atoom?

Om welk element gaat het?




Gegeven is ²¹⁰At.

Hoeveel protonen, neutronen en elektronen bevat een atoom van dit element?

Om welk element gaat het?




Uraan bestaat dus uit 806 legosteentjes.

Hoeveel uraanatomen gaan er in één gram?




Als je spieren gaan verzuren wordt melkzuur (C₃H₆O₃) gevormd.

Uit welke atomen is melkzuur opgebouwd?