Atomen

Atomen zijn hele kleine deeltjes, waaruit alles bestaat.

Stel je eens voor dat je een heel klein beetje water hebt.

Eén druppel bijvoorbeeld. Je kunt die druppel in tweeën splitsen. Je krijgt dan twee kleinere druppeltjes. Ook die druppeltjes kun je weer in tweeën delen. Zo kun je doorgaan.

De druppeltjes worden steeds kleiner. Maar ieder druppeltje, hoe klein ook, heeft nog dezelfde eigenschappen als water.

Het lijkt alsof je alsmaar door kunt gaan met delen. Toch is dat niet zo. Uiteindelijk heb je nog maar één waterdeeltje over. Dat ene deeltje heeft nog steeds de eigenschappen van water. Maar als je dat deeltje nu nóg kleiner gaat maken, is het géén water meer! Het allerkleinste deeltje van een bepaalde stof noemen we een molecuul.

Een molecuul is vreselijk klein. In één glas water zitten al 6.000.000.000.000.000.000.000.000 watermoleculen. Dat zijn er zes quadriljoen. Dat zijn er zó veel, dat als het uiterst fijne zandkorreltjes waren, je met zo'n hoeveelheid zandkorreltjes heel Nederland met een laag van 20 kilometer zand kunt bedekken!

Dit geeft misschien een beetje een indruk hoe klein een molecuul is.

Maar ook moleculen zijn opgebouwd uit nóg kleinere deeltjes.

Zo bestaat een watermolecuul uit drie van die deeltjes. Eén vrij groot deeltje en twee kleine deeltjes. De twee kleine deeltjes zijn precies hetzelfde. Het grotere deeltje is anders. De kleintjes zijn waterstofdeeltjes. Het grotere is een zuurstofdeeltje. Blijkbaar bestaat water uit twee verschillende stoffen: waterstof en zuurstof. In elk watermolecuul vind je immers twee waterstofdeeltjes en één zuurstofdeeltje. We noemen water een verbinding van waterstof en zuurstof.

Waterstof en zuurstof zijn zelf geen verbindingen. Ze zijn namelijk niet uit verschillende stoffen opgebouwd. Stoffen, die géén verbindingen zijn noemen we elementen. Waterstof is een element, evenals zuurstof. Ze lijken niet veel op elkaar.

De waterstofdeeltjes en de zuurstofdeeltjes leken immers ook niet op elkaar. Zo'n heel klein deeltje van een bepaald element heet nu een atoom.

Nu weet je dus, dat een water molecuul bestaat uit twee waterstofatomen en één zuurstof atoom. Er zijn ruim honderd verschillende elementen bekend.

Dus bestaan er ook ruim honderd verschillende atomen. Elk element heeft zijn kenmerkende eigenschappen. Die eigen schappen zitten als het ware verborgen in het atoom.

Wat is nu het verschil tussen bijvoorbeeld een waterstof atoom en een zuurstofatoom? We hebben al gezien, dat een zuurstofatoom groter is. Maar om precies alle verschillen te kennen, zouden we in het atoom moeten kijken. Je zult het misschien moeilijk kunnen geloven, maar die hele kleine atomen bestaan zelf uit nóg weer véél kleinere deeltjes.

Het zijn protonen, neutronen en elektronen.

Laten we eens naar het zuurstofatoom kijken. Helemaal binnen in het atoom zien we acht protonen en acht neutronen samen gepakt. Die protonen en neutronen samen noemen we de kern van het zuurstofatoom. Die protonen hebben een elektrische lading. Ze zijn positief geladen. Het liefst zouden ze ver bij elkaar uit de buurt blijven. Positieve ladingen stoten elkaar namelijk af. De neutronen zorgen er voor, dat de protonen bij elkaar blijven. Zelf zijn de neutronen niet elektrisch geladen. Ze zijn neutraal. Daarom heten ze ook neutronen. In een atoomkern zitten dus positieve deeltjes en neutrale deeltjes. De atoomkern is daarom positief geladen.

In het zuurstofatoom bevinden zich ook nog acht elektronen.

Ze zijn veel lichter dan een proton of een neutron. De elektronen hebben een negatieve elektrische lading. Alle elektronen bewegen heel snel om de kern heen. Het is net een zonnestelsel in het klein. De atoomkern stelt de zon voor.

De elektronen de planeten. En net zoals de zon aan de planeten trekt, trekt de kern aan de elektronen. In het zonnestelsel noemen we die kracht de zwaartekracht. In het atoom is het de elektrische aantrekkingskracht.

Positieve en negatieve elektrische ladingen trekken elkaar aan. De elektrische aantrekkingskracht probeert de elektronen en de kern daarom bij elkaar te brengen. De kern is namelijk positief geladen, en een elektron negatief. Maar omdat de elektronen zo snel ronddraaien, vallen ze niet op de kern. De planeten vallen immers ook niet op de zon.

Ze draaien er in een baan omheen.

Wel, dat was het zuurstofatoom. Acht protonen en acht neutronen, die samen de kern vormen. En daaromheen acht elektronen. In een zuurstofatoom zitten maar liefst 24 deeltjes!

Het waterstofatoom is veel eenvoudiger. Dat heeft maar twee deeltjes. De kern is heel klein. Het is alleen maar een proton. Er is geen neutron nodig in de kern van een water stofatoom. Om het proton draait één elektron.

Eigenlijk is een atoom ontzettend leeg. Je zult verbaasd zijn hoe leeg! Laten we in gedachten het waterstofatoom eens heel sterk gaan vergroten. Het proton vormt de kern van het atoom.

Dat gaan we net zo groot maken als de zon. Om het proton draait het elektron. De afstand tussen het proton en het elektron is op deze schaal maar liefst zo'n tien miljard kilometer! Dat is ver voorbij de baan van Pluto! Je ziet dus wel hoe leeg het atoom eigenlijk is.

Waarom is het dan niet mogelijk er «doorheen te prikken».

Dat komt door het elektron. Dat beweegt namelijk met een enorme snelheid om de kern. Met een ander voorbeeld gaan we proberen dit duidelijk te maken. Zet je fiets eens ondersteboven. Draai het voorwiel zo snel mogelijk rond.

Het lijkt, alsof de spaken overal tegelijk zijn. Als je probeert er een stokje door te steken, zal dat niet gaan.

Kijk wel uit voor je vingers! Staat het wiel stil, dan is dat niet moeilijk meer. Zo is het ook met het elektron.

Het elektron beweegt zó snel, dat het eigenlijk overal tegelijk is. Daarom is het bijna onmogelijk om bij de kern van het atoom te komen.

Hóe snel draait het elektron nu eigenlijk? Wel, de snel heid is tweeduizend kilometer per seconde. En omdat de baan zo klein is, draait het elektron in één seconde vreselijk vaak rond de kern van het atoom. Maar liefst zeven biljard (7.000.000.000.000.000) keer. In één miljoenste seconde maakt het elektron nog altijd zevenduizendmiljoen rondjes! Dit verhaal geldt natuurlijk niet alleen voor het waterstof atoom. Bij elk atoom dat we kennen is het net zo. Toch kunnen de elektronen van één atoom onderling niet botsen.

Dat komt doordat ze allemaal een eigen plaats in het atoom hebben. Het oppervlak waarover een elektron lijkt te bewegen noemen we een schil.

Het elektron van het waterstofatoom zit in de K-schil. De K-schil is de schil, die het dichtst bij de atoomkern ligt. Zuurstof heeft acht elektronen. Twee ervan zitten in de K-schil. Meer elektronen kunnen daar niet in. De overige zes elektronen bewegen op grotere afstanden rond de kern. Ze zitten alle zes in de L-schil. In de L-schil kunnen hoogstens acht elektronen een plaatsje krijgen. Dan is hij vol. Bij het zuurstofatoom is de L-schil dus nog niet helemaal gevuld. Bij zware atomen is dat altijd wel het geval.

Zware atomen zijn atomen met veel deeltjes in de kern. Een goed voorbeeld is uranium. Rond de kern van het uranium atoom bewegen maar liefst 92 elektronen. In de K-schil zitten er twee en in de L-schil acht. Die twee schillen zijn dus allebei vol. De overige 82 elektronen zijn verdeeld over vijf andere schillen. In deze zeven schillen zijn de elektronen niet vrij om te gaan waar ze willen. Alle schillen zijn weer onderverdeeld in sub-schillen. Je merkt, dat de elektronen volgens ingewikkelde regels aan hun eigen plaats zijn gebonden.

We hebben al verteld, dat er ruim honderd verschillende atomen zijn. Elk verschillend atoom heeft een ander aantal protonen, neutronen en elektronen.

Gewoonlijk zijn er in een atoom evenveel elektronen als protonen. Anders zou het atoom een elektrische lading hebben. Twee atomen van hetzelfde element hoeven niet altijd evenveel neutronen te hebben. Wel hebben ze altijd evenveel protonen. Helium bijvoorbeeld heeft twee protonen in de kern. Er zijn dus ook twee elektronen die om de kern heen draaien. Meestal heeft helium ook twee neutronen in de kern. Toch bestaat er ook helium met een iets ander aantal neutronen. Zo'n heliumatoom heeft natuurlijk een ander gewicht. Maar geen elektrische lading. Neutronen zijn immers niet positief of negatief geladen. Elk atoom met twee protonen in de kern noemen we een isotoopvan helium. De verschillende heliumisotopen hebben allen een ander aantal neutronen in de kern. Zo heeft elk element een aantal isotopen.

De zware elementen hebben altijd méér neutronen dan protonen. Dat komt omdat er meer neutronen nodig zijn om alle protonen bij elkaar te houden. Zo is het uranium atoom erg zwaar. Ongeveer 238 keer zo zwaar dan het water stofatoom. In de kern van het uraniumatoom bevinden zich 92 protonen. Er zijn dus ook 92 elektronen. Maar het aantal neutronen is maar liefst 146! In één uraniumatoom zitten dus 92 + 92 + 146 = 330 deeltjes. Natuurlijk heeft uranium ook andere isotopen. Het aantal neutronen in het uranium atoom is dan iets meer of iets minder. Maar uraniumatomen met 146 neutronen komen het meest voor.

Omdat een atoom meestal evenveel protonen als elektronen bezit, is het elektrisch neutraal. De protonen zijn namelijk positief geladen, en de elektronen negatief. Als we nu bij een atoom één of meer elektronen weghalen, dan krijgt het atoom een positieve elektrische lading. Er zijn dan immers meer protonen dan elektronen. Zo kunnen we een atoom ook extra elektronen geven. Het atoom is dan negatief elektrisch geladen. Een geladen atoom noemen we een ion. We zeggen, dat het oorspronkelijke atoom geïoniseerd is.