Atomen, Elementen en Moleculen

TERUGHome.html

Al sinds het begin van de mensheid is men bezig om de wereld te begrijpen. Mensen wilden weten waar het leven en de aarde vandaan kwam. Verder wilden ze ook weten waaruit materie bestond.


We gaan nu in op de laatste vraag: waaruit bestaat materie? Materie kan van alles zijn; de lucht die we inademen, een auto waar we in rijden of een cavia-drolletje.


In het oude Griekenland was Thales van Milete de eerste die stof tot nadenken leverde. Hij ontdekte dat alle levende wezens water bevatten, dus dacht hij dat water een elementaire basis (een elementair deeltje) moest zijn. Zijn leerling Anaximander geloofde dit niet en dacht dat lucht de elementaire eenheid was. Pythagoras dacht weer dat getallen de basis van materie vormden. In de Bijbel staat (in het Evangelie van Johannes, Joh 1:1) dat alles gevuld is met het Woord, dat Woord is Jezus, dus alles is gevuld met de liefde van de Here Jezus. Dat is natuurlijk zo. Er bestaan wel atomen en andere deeltjes. Empedocles had voor die tijd een modern idee: alles bestond uit vier elementaire ´elementen´; water, aarde, vuur en lucht. Plato en Aristoteles volgden deze theorie en voegde nog een vijfde ´element´ toe: ether. Aristoteles dacht dat ether (niet die vluchtige vloeistof) de kosmos vulde. Pas in 1905 bewees Albert Einstein dat die ether niet te meten is. Die ether is een theoretisch iets, want er moest toch wel iets in de kosmos zijn.

van links naar rechts: Thales van Milete, Anaximander, Pythogaros, Empedocles, Aristoteles, Plato en Einstein

Leucippus leefde ook in de oudheid (5de eeuw voor Christus) en had zeer moderne ideeen voor zijn tijd. Hij dacht na over het feit dat je materie kunt breken, delen, maar dat er op een gegeven moment iets over zal moeten blijven dat ondeelbaar zal moeten zijn. Het Griekse woord voor ´ondeelbaar´ is toepasselijk ´a-tomos´.


De leerling van Leucippus, Democritus van Adbera, verspreidde de theorie van zijn leraar met succes onder wetenschappers en de volk. Leucippus en Democritus dachten dat alle materie uit deze ´a-tomos´ bestaan en dat deze ´a-tomos´ weer uit dezelfde materie ´a-tomos´ gemaakt was. Het verschil tussen de ene ´a-tomos´ en de andere ´a-tomes´ is de positie, de vorm en de ordening ervan.


Het is echt revolutionair van deze twee heren, want ze hadden een voorgevoel voor het bestaan van elektronen, protonen en neutronen. Ze bedachten zelf dat er lege ruimte tussen deze ´a-tomos´ moest zitten en dat bleek ook eeuwen later.

links: Leucippus

rechts: Democritus van Adbera

Vanaf de oude Grieken tot het begin van de 19ste eeuw, gold de bijbelse Schepping en alles was er mee te beredeneren. Het was trouwens ook gevaarlijk om te twijfelen aan het bestaan van God of de geheimen van God te proberen te ontdekken. Je werd dan gewoon onthoofd.


Daarna ging de wetenschap weer stappen vooruit. Zo was er John Dalton die in 1803 het atoommodel lanceerde. Volgens hem waren atomen massieve bollen. Lorenzo Avogrado berekende in 1811 weer de atoomvolumes; 22,4 liter bij 20 °C. Het woord ´molecuul´ is ook afkomstig van hem.


Wilhelm Röntgen ontdekte weer de röntgenstralen in 1895. Één jaar later in 1896 ontdekte Antoine Becquerel radioactiviteit en weer één jaar later ontdekte Joseph Thompson elektronen.


In 1903 werden isotopen gevonden door Frederick Soddy. Ernest Rutherford lanceerde het kernschilmodel, waarbij elektronen in bepaalde schillen om de atoomkern draaiden. Niels Bohr bedacht daarom in 1913 weer zijn ´planetenmodel´, waar de kern een ster zou zijn en de elektronen de planeten. Zo werd de ene na de andere ontdekking gedaan en tegenwoordig worden er nog steeds ontdekkingen gedaan.


Werner Heisenberg ontwikkelde de kwantummechanica. De wetenschap om deeltjes zeer nauwkeurig te kunnen omschrijven. Hij kreeg de Nobelprijs in 1932 daarvoor. Heisenberg werkte samen met Niels Bohr aan de kwantummechanica en ze ontdekte dat de natuurwetten (van beweging, zwaartekracht en zo) niet gelden op atomair niveau. Erwin Schrödinger ontwikkelde de golfmechanica, de wetenschap waarmee je de plaats van de elektronen kunt benaderen. Deze golfmechanica bleek toch te kort te schieten uiteindelijk, maar toch heeft Schrödinger een schouderklopje verdient. Max Born (Nobelprijs voor de natuurkunde in 1954) ontwikkelde de kwantummechanica verder. Born was één van de belangrijkste natuurkundige van de 20ste eeuw. Wolfgang Pauli ontwikkelde in 1924 het uitsluitingsprincipe. Dit principe gaat er van uit dat alle elektronen van een atoom verschillend zijn en dat verklaart dan ook weer de verschillende chemische eigenschappen van de verschillende elementen.


De natuurkunde hield zich rond deze tijd vooral bezig met de vraag: wat is materie? Met de relativiteitstheorie  (E = mc2, 1905) van Albert Einstein konden vragen beantwoord worden als: welke krachten werken er in een atoom? Men kwam er achter dat de sterkste krachten tussen de kleinste deeltjes werkzaam waren en de zwaartekracht (de zwakste kracht) tussen de grootste massa´s in het heelal werken. Uit deze speurtocht kwam uit dat er vier universele krachten zijn: (i) zwaartekracht, (ii) elektromagnetische kracht, (iii) de (zwakke) kracht in een atoom en (iv) de (sterke) kracht in een atoomkern die de kern bij elkaar houdt. De theorie is trouwens nog niet helemaal af. De ´E = mc2´ van Einstein betekent in woorden ´energie is massa, massa is energie´. De allernieuwste theorie is de ´snaartheorie´, waar ervan uit gegaan wordt dat materie (lees: massa) bestaat uit compacte, trillende bundels van energie (snaren). Op subatomair niveau zou materie de één en dezelfde uniforme structuur van energie zijn; dus alles in het heelal, inclusief de mensheid. Deze theorie is zo nieuw dat wetenschapper er nu mee bezig zijn deze te verbeteren.


Samengevat: Eeuwen hebben wetenschappers geprobeerd om de het wezen van materie en energie bloot te leggen en eeuwen vanaf nu zullen wetenschappers er mee bezig zijn; we kunnen spannende eeuwen én ontdekkingen tegemoet zien!

water, vuur, aarde en lucht

Dus in de oudheid bestond alles uit: water, vuur, aarde en lucht. Alles wat overbleef was gevuld met ether; een denkbeeldig vulsel. John Dalton lanceerde zijn dalton-theorie waarbij atomen massieve bollen waren. Deze massieve atomen waren dus ook niet doordringbaar met straling.


Toen Becquerel radioactiviteit ontdekte, probeerden wetenschappers deze massieve atomen te bestralen. Aangezien ze massief, zijn ketsten alle radioactieve stralingsgolven weer terug. Dat was echter niet zo. Praktisch alle straling ging er doorheen.


Dus atomen zijn dus niet massief, maar voor 99% lege ruimte. Een atoom bestaat uit een kern met daarom draaiende elektronen. Een atoomkern bestaat uit protonen en neutronen. Protonen zijn positief geladen en neutronen zijn neutraal.


Deze deeltjes (protonen, neutronen en elektronen) bestaan weer op hun beurt uit quarks-deeltjes. Quarks heb je in verschillende soorten: down (d), antidown (d), up (u), anti-up (u), strange (s), antistrange (s), charm (c), anticharm (c), bottom (b), antibottom (b), top (t) en antitop (t). Respectievelijk hebben deze deeltjes de volgende lading (-e is de lading van één elektron): -⅓e, +⅓e, +⅔e, -⅔e, -⅓e, +⅓e, +⅔e, -⅔e, -⅓e, +⅓e, +⅔e, -⅔e.


Uit deze quarks-deeltjes kun je alle materie opbouwen; dus ook een cavia-drolletje. Één proton bestaat zo uit twee up´s en één down. Één neutron bestaat dan uit één up en twee down´s. Uit die protonen en neutronen (samen met elektronen) kun je dan weer atomen bouwen. Uit atomen bouw je weer moleculen en uit verschillende moleculen bouw je bijvoorbeeld een cavia-drolletje.


In Zwitserland is er een groot onderzoek bezig om te onderzoeken wat het elementaire deeltje is. Een elementair deeltje is één soort hetzelfde deeltje waaruit quarks-deeltjes weer zouden kunnen bestaan. Niemand weet wat dat deeltjes is tot het gevonden zal worden.

een atoom met de kern en de elektronen

Als we weer terug gaan naar de atoom, dan kom je bij de elementen. Dat zijn de ongeveer honderd atomen, waaruit alles gemaakt is in het heelal en dus ook op aarde.


Alle elementen hebben een nummer (atoomnummer) en een massa (atoommassa). Er zijn 92 natuurlijke elementen. Deze elementen komen van nature op aarde voor, dus zonder ingrijpen van de mens. Er zijn ook kunstmatige elementen; op dit moment 21 stuks. Deze kunstmatige elementen zijn gemaakt door de mens; bewust of als restprodukt bij kernenergie of een atoombom. Plutonium is bijvoorbeeld zo´n element, het is bewust geproduceerd door mensen voor atoombommen.


Je kunt elementen rangschikken op nummer. Dat is gedaan met de chemometer. Tegenwoordig worden elementen gerangschikt op eigenschap; ook wel periodiciteit genoemd. Dat is door Dmitri Mendelejev opgesteld. Zo staan alle elementen met dezelfde eigenschap in dezelfde kolom.

het caffeine - molecuul

Als we met atomen gaan bouwen, kun je moleculen maken. Moleculen zijn dus twee of meer atomen die verbonden zijn. Moleculen kunnen groot of klein zijn: H2 (waterstofgas) is klein, terwijl andere enorm lang kunnen zijn. Een molecuul kan ook bestaan uit verschillende atomen, zoals bijvoorbeeld alcohol (ethanol, C2H6O). Alcohol bestaat dus uit twee koolstof atomen, zes waterstof atomen en één zuurstofatoom. Sommige elementen komen ook als molecuul voor op aarde: zoals H2. Het element is H, terwijl het niet als H voorkomt op aarde. Het komt voor op aarde als molecuul (H2). De meeste elementen kunnen voorkomen als atoom: bijvoorbeeld ijzer (Fe). Fe is een element en kan ook voorkomen als Fe.