Bouw van het atoom
De bouw van een atoom is geen miniatuurzonnestelsel. Een atoom bevat een piepkleine kern van protonen en neutronen, omgeven door elektronen die met kwantumtoestanden worden beschreven. De kern bepaalt de identiteit en bevat bijna alle massa; de elektronenverdeling bepaalt het grootste deel van de chemie.
Drie deeltjes, drie verschillende rollen
Proton
Lading +e. Bevindt zich in de kern. Het aantal protonen Z bepaalt het element.
Neutron
Geen nettolading. Bevindt zich in de kern. Verschillende aantallen neutronen leveren isotopen op.
Elektron
Lading −e. Ongeveer 1/1836 van de massa van een proton. Bevindt zich in kwantumtoestanden rond de kern en bepaalt in sterke mate de chemie.
Een neutraal atoom heeft evenveel elektronen als protonen. Verander je het aantal elektronen, dan ontstaat een ion; verander je het aantal neutronen, dan ontstaat een isotoop; verander je het aantal protonen, dan krijg je een ander element.
Atoomnummer, massagetal en isotopennotatie
Het atoomnummer Z is het aantal protonen. Het massagetal A telt protonen en neutronen op, dus het aantal neutronen is N = A − Z.
²³₁₁Na: Z = 11, A = 23, N = 12.
²³₁₁Na⁺: nog steeds 11 protonen en 12 neutronen, maar nu 10 elektronen.
De atoommassa in het periodiek systeem is meestal geen geheel getal, omdat het een gewogen gemiddelde is van natuurlijk voorkomende isotopen en niet het massagetal van één bepaald atoom.
Van Rutherford naar het kwantumatoom
Rutherfords verstrooiingsexperimenten toonden de kern aan, maar een klassiek elektron dat rond een positieve kern draait zou energie uitstralen en in de kern storten. Bohr introduceerde discrete energieniveaus voor waterstof; de kwantummechanica verving vaste banen door golffuncties en orbitalen.
Een orbitaal is geen baan. Het is een kwantumtoestand waarvan de golffunctie een waarschijnlijkheidsverdeling bepaalt voor waar een elektron kan worden aangetroffen. Schillen en subschillen ordenen deze toestanden op basis van kwantumgetallen en energie.
Dat onderscheid is belangrijk, omdat chemische trends — binding, ionisatie, grootte en spectra — voortkomen uit de energieën en ruimtelijke verdelingen van elektronen, niet uit planeetjes die rond de kern draaien.
Bouw een atoom: lading en massa bijhouden
De tool houdt de drie aantallen bewust gescheiden. De identiteit van de kern volgt uit het aantal protonen; de lading volgt uit het verschil tussen het aantal protonen en elektronen.
Schalen, krachten en wat het atoom bijeenhoudt
Elektronen worden door elektromagnetische aantrekking aan de kern gebonden. Protonen stoten elkaar elektrisch af in de kern, maar op kernafstanden kan de sterke wisselwerking protonen en neutronen samenbinden.
Die twee schalen mogen niet worden verward: chemie herschikt vooral elektronen en gaat doorgaans om elektronvolt per deeltje; kernreacties veranderen de kern en kunnen per gebeurtenis miljoenen keren meer energie vrijmaken.
Zelfs de uitdrukking ‘grootte van een atoom’ vraagt om nuance. Elektronendichtheid heeft geen scherpe grens, zodat atoomstralen worden afgeleid uit afstanden tussen atomen in moleculen of vaste stoffen.
Bewijs waarop het moderne atoommodel is gebouwd
| Bewijs | Wat het aantoonde | Wat het nog niet verklaarde |
|---|---|---|
| Kathodestralen | Atomen bevatten negatieve elektronen; de verhouding tussen lading en massa van het elektron kan worden gemeten. | De plaats van de positieve lading. |
| Millikans oliedruppelproef | De lading van het elektron is gekwantiseerd; gecombineerd met e/m levert dit de massa van het elektron. | De structuur van de kern. |
| Rutherfordverstrooiing | De positieve lading en bijna alle massa bevinden zich in een piepkleine kern. | De stabiele elektronenstructuur en spectra. |
| Atomaire spectra | Atomen hebben discrete elektronische energieën. | Een volledige theorie voor atomen met veel elektronen. |
| Chadwicks neutronenexperimenten | De kern bevat ook neutrale deeltjes met ongeveer de massa van een proton. | De details van kernkrachten en de schillenstructuur van de kern. |
Het model veranderde omdat experimenten eerdere beelden uitsloten. Een wetenschappelijk bruikbaar atoomdiagram moet daarom worden gelezen als een model dat aan concrete waarnemingen is gekoppeld, niet als een letterlijke foto.
Massa, isotopen en de atomaire massaschaal
De massa’s van proton en neutron liggen dicht bij 1 uniforme atomaire massa-eenheid, terwijl een elektron slechts ongeveer 0,00055 u bijdraagt. Daarom is het massagetal A een goede gehele telling van nucleonen, maar geen exacte atoommassa.
Kernbinding verandert de massa eveneens. Een gebonden kern weegt iets minder dan de losse protonen en neutronen samen; de ontbrekende massa correspondeert via E = mc² met de bindingsenergie. Chemische atoommassa’s hebben bovendien betrekking op neutrale atomen en omvatten ook de massa van de elektronen.
De waarde in een periodiek systeem is meestal een volgens isotopenabundantie gewogen gemiddelde. Voor chloor leveren de natuurlijk veel voorkomende isotopen ³⁵Cl en ³⁷Cl een gemiddelde van ongeveer 35,45 u. Geen gewoon chlooratoom heeft ‘35,45 nucleonen’.
Positie, waarschijnlijkheid en de elektronenwolk
De kwantummechanica kent een elektron geen klassieke baan toe met op elk moment een bekende positie en snelheid. Een golffunctie beschrijft de toestand en |ψ|² geeft de waarschijnlijkheidsdichtheid voor positiemetingen.
Tekeningen van orbitalen omsluiten meestal een gekozen fractie — vaak ongeveer 90% — van de waarschijnlijkheid. De grens is dus een visualisatieconventie. De elektronendichtheid loopt door buiten het getekende oppervlak.
Het onzekerheidsprincipe gaat verder dan gebrekkige meettechniek: kwantumtoestanden kunnen niet tegelijk een willekeurig nauwkeurige positie en impuls hebben. Dat is een van de redenen waarom het beeld van planetaire banen uiteindelijk faalt.
Oefeningen
Magnesiumion
²⁴Mg²⁺ heeft Z = 12. Tel de protonen, neutronen en elektronen.
Oplossing
12 protonen, 24 − 12 = 12 neutronen, en 12 − 2 = 10 elektronen.
Isotoop of ion?
Twee atomen hebben 17 protonen; het ene heeft 18 neutronen en het andere 20. Wat is hun onderlinge relatie?
Oplossing
Het zijn isotopen van chloor. Hun aantal protonen — en dus de identiteit van het element — is hetzelfde.
Bewijs van Rutherford
Welke waarneming sluit een gelijkmatig uitgesmeerde positieve lading uit?
Oplossing
De zeldzame afbuigingen onder een grote hoek vereisen dat de positieve lading en bijna alle massa in een zeer kleine regio zijn geconcentreerd: de kern.