Wat Is Een Atom?

{h1}

Atomen zijn de basiseenheden van materie. Ze bestaan ​​uit drie deeltjes: protonen, neutronen en elektronen. Definitie van een atoom, kern, proton, neutron, elektron en isotoop.

Structuur van een beryllium-atoom: vier protonen, vier neutronen en vier elektronen.

Structuur van een beryllium-atoom: vier protonen, vier neutronen en vier elektronen.

Krediet: algemeen-fmv Shutterstock

Atomen zijn de basiseenheden van materie en de bepalende structuur van elementen. De term "atoom" komt van het Griekse woord voor ondeelbaar, omdat men ooit dacht 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 werden 13,7 miljard jaar geleden na de Big Bang gemaakt. Naarmate het hete, dichte nieuwe universum afkoelde, werden de omstandigheden geschikt om quarks en elektronen te vormen. Quarks kwamen samen om protonen en neutronen te vormen, en deze deeltjes combineerden in kernen. Dit alles vond plaats binnen de eerste paar minuten van het bestaan ​​van het universum, volgens CERN.

Het duurde 380.000 jaar voordat het universum genoeg 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 nog steeds de meest voorkomende elementen in het universum zijn. De zwaartekracht zorgde er uiteindelijk voor dat gaswolken samensmolten en sterren vormen, en zwaardere atomen werden (en worden nog steeds) in de sterren gecreëerd en door het universum 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 licht en bestaan ​​in een wolk in een baan rond de kern. De elektronenwolk heeft een straal die 10.000 keer groter is dan de kern.

Protonen en neutronen hebben ongeveer dezelfde massa. Eén proton weegt echter meer dan 1800 elektronen. 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 zwaardere versie van dat atoom maakt.

Kern

De kern werd in 1911 ontdekt door Ernest Rutherford, een natuurkundige uit Nieuw-Zeeland, die in 1920 de naam proton voor de positief geladen deeltjes van het atoom voorstelde. Rutherford theoretiseerde ook dat er ook een neutraal deeltje in de kern was, dat James Chadwick, een Britse fysicus en student van Rutherford, in 1932 kon bevestigen.

Vrijwel alle massa van het atoom bevindt zich in de kern. De protonen en neutronen die deel uitmaken van de kern zijn ongeveer dezelfde massa (het proton is iets minder) en hebben hetzelfde impulsmoment, volgens het Lawrence Berkeley National Laboratory.

De kern wordt bijeengehouden door de "sterke kracht", een van de vier fundamentele krachten in de natuur. Deze kracht tussen de protonen en neutronen overwint de afstotelijk elektrische kracht die, volgens de regels van elektriciteit, de protonen anders uit elkaar zou duwen. Sommige atoomkernen zijn onstabiel omdat de bindende kracht varieert voor verschillende atomen op basis van de grootte van de kern. Deze atomen zullen vervolgens vervallen in andere elementen, zoals koolstof-14 die in stikstof-14 vervalt.

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 iets kleiner in massa dan neutronen met een relatieve massa van 0,9986 (in vergelijking met de massa van het neutron die 1 is) of ongeveer 1,673x10-27 kg.

Het aantal protonen in een atoom bepaalt welk element het is. Koolstofatomen hebben bijvoorbeeld zes protonen, waterstofatomen hebben één en zuurstofatomen hebben acht. Het aantal protonen in een atoom wordt het atoomnummer van dat element genoemd. Het aantal protonen in een atoom bepaalt ook het chemische gedrag van het element. Het periodiek systeem der elementen rangschikt elementen in volgorde van toenemend atoomnummer.

Drie quarks vormen elk proton - twee 'up'-quarks (elk met een 2/3 positieve lading) en één' down'-quark (met een 1/3 negatieve lading) - en ze worden bij elkaar gehouden door andere subatomaire deeltjes, gluonen genaamd, die massaal zijn.

elektronen

Elektronen zijn klein in vergelijking met protonen en neutronen, meer dan 1800 keer kleiner dan een proton of een neutron. Elektronen hebben een relatieve massa van 0.0005439 (in vergelijking met de massa van een neutron die 1 is) of ongeveer 9.109x10-31 kg.

J.J. Thomson, een Britse fysicus, ontdekte het elektron in 1897. Oorspronkelijk bekend als "bloedlichaampjes", hebben elektronen een negatieve lading en worden ze elektrisch aangetrokken door de positief geladen protonen. Elektronen omringen de atoomkern in paden die orbitalen worden genoemd, een idee dat in de jaren twintig door Erwin Schrödinger, een Oostenrijkse fysicus, naar voren is gebracht. Tegenwoordig staat dit model bekend als het kwantummodel of het elektronwolkmodel. De binnenste orbitalen rondom het atoom zijn bolvormig, maar de buitenste orbitalen zijn veel gecompliceerder.

De elektronenconfiguratie van een atoom is de orbitale beschrijving van de locaties van de elektronen in een typisch atoom. Met behulp van de elektronenconfiguratie en principes van de fysica, kunnen chemici de eigenschappen van een atoom voorspellen, zoals stabiliteit, kookpunt en geleidbaarheid.

Meestal zijn alleen de buitenste elektronenschillen van belang in de chemie.De notatie van de binnenste elektronenschil wordt vaak afgekapt door de beschrijving van de baan met de lange baan te vervangen door het symbool voor een edelgas tussen haakjes. Deze notenschrift vereenvoudigt de beschrijving voor grote moleculen enorm.

De elektronenconfiguratie voor beryllium (Be) is bijvoorbeeld 1s22s2, maar het is geschreven [Hij] 2s2. [Hij] is equivalent aan alle elektronenorbitalen in een heliumatoom. De letters, s, p, d en f duiden de vorm van de orbitalen aan en het superscript geeft het aantal elektronen in die orbitaal. Uranium, als een ander voorbeeld, heeft een elektronenconfiguratie van 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s24e145d106p67s25F4, wat kan worden vereenvoudigd tot [RN] 7s25F4.

neutronen

Het neutron wordt gebruikt als een vergelijking om de relatieve massa van protonen en elektronen te vinden (dus het heeft een relatieve massa van 1) en heeft een fysieke massa van 1.6749x10-27 kg.

Het bestaan ​​van de neutronen werd in 1920 door Rutherford getheoretiseerd en in 1932 door Chadwick ontdekt. ​​Neutronen werden gevonden tijdens experimenten waarbij atomen werden afgeschoten op een dunne laag beryllium. Subatomaire deeltjes zonder lading werden vrijgegeven - het neutron.

Neutronen zijn ongeladen deeltjes gevonden in alle atoomkernen (behalve waterstof-1). De massa van een neutron is iets groter dan die van een proton. Net als protonen worden neutronen ook gemaakt van quarks - één 'up'-quark (met een positieve 2/3 lading) en twee' down'-quarks (elk met een negatieve 1/3 lading).

Isotopes

Het aantal neutronen in een kern bepaalt de isotoop van dat element. Waterstof heeft bijvoorbeeld drie bekende isotopen: protium, deuterium en tritium. Protium, gesymboliseerd als 1H, is gewoon gewone waterstof; het heeft één proton en één elektron en geen neutronen. Deuterium (D of 2H) heeft één proton, één elektron en één neutron. Tritium (T of 3H) heeft één proton, één elektron en twee neutronen.

Geschiedenis van het atoom

De theorie van het atoom dateert althans zo ver terug als 440 B.C. aan Democritus, een Griekse wetenschapper en filosoof. Democritus bouwde waarschijnlijk zijn atoomtheorie op het werk van vroegere filosofen, aldus Andrew G. Van Melsen, auteur van "From Atomos to Atom: The History of the Concept Atom." Parmenides, de leraar van Democritus, staat er bijvoorbeeld om bekend het identiteitsprincipe voor te stellen. Dit principe, dat stelt dat 'alles wat is, samen het wezen vormt', heeft geleid tot andere filosofen, waaronder Democritus, om zijn werk te bevorderen, uiteindelijk leidend tot atoomtheorie.

Democritus 'verklaring van het atoom begint met een steen. Een in twee gehouwen steen geeft twee helften van dezelfde steen. Als de steen onophoudelijk zou worden afgesneden, zou er op een gegeven moment een stuk van de steen klein genoeg zijn dat het niet langer kon 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 ideeën dat atomen gescheiden van elkaar bestaan, dat er een oneindige hoeveelheid atomen zijn, dat atomen in staat zijn te bewegen, dat ze samen kunnen worden gecombineerd om materie te creëren, maar niet samenvloeien om een ​​nieuw atoom te worden, en dat ze kan niet worden verdeeld. Omdat de meeste filosofen in die tijd - vooral de zeer invloedrijke Aristoteles - geloofden dat alle materie werd gecreëerd uit aarde, lucht, vuur en water, 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 de Purdue University. Dalton's theorie bevatte verschillende ideeën van Democritus, zoals atomen die ondeelbaar en onverwoestbaar zijn en die verschillende atomen vormen om alle materie te creëren. Dalton's toevoegingen aan de theorie omvatten de ideeën dat alle atomen van een bepaald element identiek waren, dat atomen van één element verschillende 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 fysicus die het elektron in 1897 ontdekte, bewees dat de atomen eigenlijk kunnen worden verdeeld, volgens de Chemical Heritage Foundation. Hij was in staat om het bestaan ​​van de negatief geladen deeltjes te bepalen door eigenschappen van elektrische ontlading in kathodestraalbuizen te bestuderen. Volgens Thomson's 1897-papier werden de stralen afgebogen in de buis, wat aantoonde dat er iets was dat negatief werd geladen in de vacuümbuis. In 1899 publiceerde Thomson een beschrijving van zijn versie van het atoom, beter bekend als het "plum pudding-model", volgens een artikel uit 2013 van Giora Hon en Bernard R. Goldstein gepubliceerd in het tijdschrift Annalen der Physik. Thomson's model van het atoom omvatte een groot aantal elektronen opgehangen in iets dat een positieve lading produceerde, waardoor het atoom een ​​algehele neutrale lading kreeg, wat leek op een populair Brits dessert dat rozijnen had opgehangen in een ronde, koekachtige bal.

De volgende wetenschapper om het atomische model verder te modificeren en voort te zetten, was Rutherford, die bij Thomson studeerde, volgens de afdeling chemie van Purdue University. In 1911 publiceerde Rutherford zijn versie van het atoom, dat een positief geladen kern omvatte die wordt gereden door elektronen. Dit model ontstond toen Rutherford en zijn assistenten alpha-deeltjes afvuurden op hele dunne vellen goud. (Een alfadeeltje bestaat uit twee protonen en twee neutronen, allemaal samengehouden door dezelfde sterke kernkracht die de kern van een willekeurig atoom bindt, volgens het Jefferson Lab.)

De wetenschappers merkten op dat een klein percentage van de alfadeeltjes onder zeer grote hoeken naar de oorspronkelijke bewegingsrichting werd verstrooid terwijl de meerderheid er nauwelijks doorheen stak. Rutherford was in staat om de grootte van de kern van het goudatoom te schatten, waarbij hij vond dat het ten minste 10.000 keer kleiner was dan de grootte van het gehele atoom, waarbij een groot deel van het atoom een ​​lege ruimte was. Rutherford's model van het atoom is nog steeds het basismodel dat tegenwoordig wordt gebruikt, ondanks zijn beperkingen.

Verschillende andere wetenschappers bevorderden het atomaire model, inclusief Niels Bohr (gebouwd op het Rutherford-model om eigenschappen van elektronen op basis van het waterstofspectrum op te nemen), Erwin Schrödinger (ontwikkelde het quantummodel 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 waren samengesteld uit quarks).

Aanvullende rapportage door Rachel Ross, WordsSideKick.com Contributor

Extra middelen

  • Jefferson Lab: wat is een atoom?
  • CERN: The Early Universe
  • Khan Academy: The History of Atomic Chemistry


Video Supplement: How Small Is An Atom? Spoiler: Very Small..




WordsSideKick.com
Alle Rechten Voorbehouden!
Reproductie Van Materialen Toegestaan Alleen Prostanovkoy Actieve Link Naar De Site WordsSideKick.com

© 2005–2019 WordsSideKick.com