Atoom

In de filosofie

Het basisidee dat materie bestaat uit kleine ondeelbare deeltjes is erg oud en komt voor in veel oude culturen zoals Griekenland en India . Het woord atoom is afgeleid van het oud-Griekse woord atomos , wat "niet te kraken" betekent. Dit oude idee was gebaseerd op filosofisch redeneren in plaats van op wetenschappelijk redeneren, en de moderne atoomtheorie is niet gebaseerd op deze oude concepten. Dat gezegd hebbende, werd het woord 'atoom' zelf door de eeuwen heen gebruikt door denkers die vermoedden dat materie uiteindelijk korrelig van aard was. ^{[1] [2]}

De wet van Dalton van meerdere proporties

Atomen en moleculen zoals weergegeven in John Dalton is een nieuw systeem van chemische filosofie vol. 1 (1808)

In het begin van de 19e eeuw verzamelde de Engelse chemicus John Dalton experimentele gegevens die door hemzelf en andere wetenschappers waren verzameld en ontdekte hij een patroon dat nu bekend staat als de " wet van meerdere proporties ". Hij merkte op dat in chemische verbindingen die een bepaald chemisch element bevatten, de inhoud van dat element in deze verbindingen zal verschillen door verhoudingen van kleine gehele getallen. Dit patroon suggereerde Dalton dat elk chemisch element met andere wordt gecombineerd door een fundamentele en consistente massa-eenheid.

Er zijn bijvoorbeeld twee soorten tinoxide : de ene is een zwart poeder dat 88,1% tin en 11,9% zuurstof bevat, en de andere is een wit poeder dat 78,7% tin en 21,3% zuurstof bevat. Als deze cijfers worden aangepast, is er in het zwarte oxide ongeveer 13,5 g zuurstof voor elke 100 g tin en in het witte oxide is er ongeveer 27 g zuurstof voor elke 100 g tin. 13,5 en 27 vormen een verhouding van 1: 2. In deze oxiden zijn er voor elk tinatoom respectievelijk één of twee zuurstofatomen ( SnO en SnO 2 ). ^{[3] [4]}

Als tweede voorbeeld beschouwde Dalton twee ijzeroxiden : een zwart poeder dat 78,1% ijzer en 21,9% zuurstof bevat, en een rood poeder dat 70,4% ijzer en 29,6% zuurstof bevat. Als deze cijfers worden aangepast, is er in het zwarte oxide ongeveer 28 g zuurstof voor elke 100 g ijzer en in het rode oxide is er ongeveer 42 g zuurstof voor elke 100 g ijzer. 28 en 42 vormen een verhouding van 2: 3. In deze respectievelijke oxiden zijn er voor elke twee ijzeratomen twee of drie zuurstofatomen ( Fe 2 O 2 en Fe 2 O 3 ). ^{[a] [5] [6]}

Als laatste voorbeeld: distikstofoxide is 63,3% stikstof en 36,7% zuurstof, stikstofmonoxide is 44,05% stikstof en 55,95% zuurstof, en stikstofdioxide is 29,5% stikstof en 70,5% zuurstof. Als deze cijfers worden aangepast, is er in distikstofoxide 80 g zuurstof voor elke 140 g stikstof, in stikstofmonoxide is er ongeveer 160 g zuurstof per 140 g stikstof en in stikstofdioxide is er 320 g zuurstof voor elke 140 g stikstof. g stikstof. 80, 160 en 320 vormen een verhouding van 1: 2: 4. De respectievelijke formules voor deze oxiden zijn N 2 O , NO en NO 2 . ^{[7] [8]}

Kinetische theorie van gassen

Aan het einde van de 18e eeuw ontdekten een aantal wetenschappers dat ze het gedrag van gassen beter konden verklaren door ze te beschrijven als verzamelingen van submicroscopische deeltjes en hun gedrag te modelleren met behulp van statistieken en waarschijnlijkheid . In tegenstelling tot de atoomtheorie van Dalton, beschrijft de kinetische theorie van gassen niet hoe gassen chemisch met elkaar reageren om verbindingen te vormen, maar hoe ze zich fysiek gedragen: diffusie, viscositeit, geleidbaarheid, druk, enz.

Brownse beweging

In 1827 gebruikte botanicus Robert Brown een microscoop om te kijken naar stofdeeltjes die in het water drijven en ontdekte dat ze onregelmatig bewogen, een fenomeen dat bekend werd als " Brownse beweging ". Men dacht dat dit werd veroorzaakt door watermoleculen die de korrels omgooien. In 1905 bewees Albert Einstein de realiteit van deze moleculen en hun bewegingen door de eerste statistische fysische analyse van de Brownse beweging te maken . ^{[9] [10] [11] De} Franse natuurkundige Jean Perrin gebruikte het werk van Einstein om experimenteel de massa en afmetingen van moleculen te bepalen, waardoor fysiek bewijs werd geleverd voor de deeltjesaard van materie. ^[12]

Ontdekking van het elektron

Het Geiger-Marsden-experiment :
Links: Verwachte resultaten: alfadeeltjes passeren het pruimenpuddingmodel van het atoom met een verwaarloosbare afbuiging.
Rechts: Waargenomen resultaten: een klein deel van de deeltjes werd afgebogen door de geconcentreerde positieve lading van de kern.

In 1897 ontdekte JJ Thomson dat kathodestralen geen elektromagnetische golven zijn, maar gemaakt van deeltjes die 1.800 keer lichter zijn dan waterstof (het lichtste atoom). Thomson concludeerde dat deze deeltjes afkomstig waren van de atomen in de kathode - het waren subatomaire deeltjes. Hij noemde deze nieuwe deeltjes bloedlichaampjes, maar ze werden later omgedoopt tot elektronen . Thomson toonde ook aan dat elektronen identiek zijn aan deeltjes die worden afgegeven door foto-elektrische en radioactieve materialen. ^[13] Het werd snel erkend dat elektronen de deeltjes zijn die elektrische stromen in metalen draden transporteren . Thomson concludeerde dat deze elektronen uit de atomen van de kathode in zijn instrumenten kwamen, wat betekende dat atomen niet ondeelbaar zijn zoals de naam atomos suggereert.

Ontdekking van de kern

JJ Thomson dacht dat de negatief geladen elektronen door het atoom waren verdeeld in een zee van positieve lading die over het hele volume van het atoom was verdeeld. ^[14] Dit model wordt ook wel het pruimenpuddingmodel genoemd .

Ernest Rutherford en zijn collega's Hans Geiger en Ernest Marsden begonnen twijfels te krijgen over het Thomson-model nadat ze moeilijkheden hadden ondervonden toen ze probeerden een instrument te bouwen om de verhouding tussen lading en massa van alfadeeltjes te meten (dit zijn positief geladen deeltjes die worden uitgezonden door bepaalde radioactieve stoffen zoals radium ). De alfadeeltjes werden verstrooid door de lucht in de detectiekamer, wat de metingen onbetrouwbaar maakte. Thomson was een soortgelijk probleem tegengekomen in zijn werk aan kathodestralen, dat hij oploste door een bijna perfect vacuüm in zijn instrumenten te creëren. Rutherford dacht niet dat hij hetzelfde probleem zou tegenkomen, omdat alfadeeltjes veel zwaarder zijn dan elektronen. Volgens het model van het atoom van Thomson is de positieve lading in het atoom niet voldoende geconcentreerd om een ​​elektrisch veld te produceren dat sterk genoeg is om een ​​alfadeeltje af te buigen, en de elektronen zijn zo licht van gewicht dat ze moeiteloos opzij moeten worden gedrukt door de veel zwaardere alfadeeltjes. Toch was er sprake van verstrooiing, dus besloten Rutherford en zijn collega's deze verstrooiing zorgvuldig te onderzoeken. ^[15]

Tussen 1908 en 1913 voerden Rutheford en zijn collega's een reeks experimenten uit waarbij ze dunne metaalfolies bombardeerden met alfadeeltjes. Ze zagen dat alfadeeltjes werden afgebogen door hoeken groter dan 90 °. Om dit uit te leggen, stelde Rutherford voor dat de positieve lading van het atoom niet over het volume van het atoom wordt verdeeld, zoals Thomson geloofde, maar geconcentreerd is in een kleine kern in het midden. Alleen zo'n intense ladingconcentratie zou een elektrisch veld kunnen produceren dat sterk genoeg is om de waargenomen alfadeeltjes af te buigen. ^[15]

Ontdekking van isotopen

Terwijl hij experimenteerde met de producten van radioactief verval , ontdekte radiochemicus Frederick Soddy in 1913 dat er op elke positie van het periodiek systeem meer dan één type atoom leek te zijn . ^[16] De term isotoop is bedacht door Margaret Todd als een geschikte naam voor verschillende atomen die tot hetzelfde element behoren. JJ Thomson creëerde een techniek voor isotopenscheiding door zijn werk aan geïoniseerde gassen , wat vervolgens leidde tot de ontdekking van stabiele isotopen . ^[17]

Bohr-model

Het Bohr-model van het atoom, waarbij een elektron onmiddellijke "kwantumsprongen" maakt van de ene baan naar de andere met winst of verlies van energie. Dit model van elektronen in banen is verouderd.

In 1913 stelde de natuurkundige Niels Bohr een model voor waarin werd aangenomen dat de elektronen van een atoom in een baan rond de kern zouden draaien, maar dit alleen konden doen in een eindige reeks banen, en alleen tussen deze banen konden springen in discrete energieveranderingen die overeenkomen met absorptie of straling van een foton. ^[18] Deze kwantisering werd gebruikt om uit te leggen waarom de banen van de elektronen stabiel zijn (gezien het feit dat normaal gesproken ladingen bij versnelling, inclusief cirkelvormige bewegingen, kinetische energie verliezen die wordt uitgezonden als elektromagnetische straling, zie synchrotronstraling ) en waarom elementen elektromagnetische straling absorberen en uitzenden. straling in discrete spectra. ^[19]

Later dat jaar leverde Henry Moseley aanvullend experimenteel bewijs ten gunste van de theorie van Niels Bohr . Deze resultaten verfijnden het model van Ernest Rutherford en Antonius van den Broek , waarin werd voorgesteld dat het atoom in zijn kern een aantal positieve nucleaire ladingen bevat dat gelijk is aan zijn (atoom) nummer in het periodiek systeem. Tot deze experimenten was het niet bekend dat het atoomnummer een fysieke en experimentele grootheid was. Dat het gelijk is aan de atomaire nucleaire lading blijft vandaag het geaccepteerde atomaire model. ^[20]

Chemische bindingen tussen atomen werden in 1916 door Gilbert Newton Lewis verklaard als de interacties tussen hun samenstellende elektronen. ^[21] Aangezien bekend was dat de chemische eigenschappen van de elementen zich grotendeels herhaalden volgens de periodieke wet , ^[22] suggereerde de Amerikaanse chemicus Irving Langmuir in 1919 dat dit verklaard zou kunnen worden als de elektronen in een atoom verbonden of geclusterd waren in sommige manier. Men dacht dat groepen elektronen een reeks elektronenschillen rond de kern bezetten . ^[23]

Het Bohr-model van het atoom was het eerste volledige fysieke model van het atoom. Het beschreef de algemene structuur van het atoom, hoe atomen aan elkaar binden, en voorspelde de spectraallijnen van waterstof. Bohr's model was niet perfect en werd al snel vervangen door het nauwkeurigere Schrödinger-model, maar het was voldoende om alle resterende twijfels weg te nemen dat materie uit atomen bestaat. Voor scheikundigen was het idee van het atoom een ​​nuttig heuristisch hulpmiddel geweest, maar natuurkundigen hadden twijfels of materie echt uit atomen bestaat, aangezien nog niemand een volledig fysisch model van het atoom had ontwikkeld.

Het Schrödinger-model

Het Stern-Gerlach-experiment van 1922 leverde verder bewijs van de kwantum-aard van atomaire eigenschappen. Wanneer een bundel zilveratomen door een speciaal gevormd magnetisch veld werd geleid, werd de bundel gespleten op een manier die correleerde met de richting van het impulsmoment van een atoom, oftewel spin . Aangezien deze draairichting aanvankelijk willekeurig is, wordt verwacht dat de straal in een willekeurige richting afbuigt. In plaats daarvan werd de straal opgesplitst in twee directionele componenten, overeenkomend met de atomaire spin die naar boven of beneden gericht was ten opzichte van het magnetische veld. ^[24]

In 1925 publiceerde Werner Heisenberg de eerste consistente wiskundige formulering van de kwantummechanica ( matrixmechanica ). ^[20] Een jaar eerder had Louis de Broglie de de Broglie-hypothese voorgesteld : dat alle deeltjes zich tot op zekere hoogte gedragen als golven, ^[25] en in 1926 gebruikte Erwin Schrödinger dit idee om de Schrödinger-vergelijking te ontwikkelen , een wiskundig model van het atoom. (golfmechanica) die de elektronen beschreef als driedimensionale golfvormen in plaats van puntdeeltjes. ^[26]

Een gevolg van het gebruik van golfvormen om deeltjes te beschrijven, is dat het wiskundig onmogelijk is om precieze waarden te verkrijgen voor zowel de positie als het momentum van een deeltje op een bepaald tijdstip; dit werd bekend als het onzekerheidsprincipe , geformuleerd door Werner Heisenberg in 1927. ^[20] In dit concept kon voor een bepaalde nauwkeurigheid bij het meten van een positie alleen een reeks waarschijnlijke waarden voor momentum worden verkregen, en vice versa. ^[27] Dit model was in staat om waarnemingen van atoomgedrag te verklaren die eerdere modellen niet konden, zoals bepaalde structurele en spectrale patronen van atomen groter dan waterstof. Dus de planetaire atoommodel werd verwijderd ten gunste van een beschreven orbitaal zones rond de kern waar een bepaald elektron meest waarschijnlijk worden waargenomen. ^{[28] [29]}

Ontdekking van het neutron

Door de ontwikkeling van de massaspectrometer kon de massa van atomen met grotere nauwkeurigheid worden gemeten. Het apparaat gebruikt een magneet om het traject van een ionenbundel te buigen, en de mate van afbuiging wordt bepaald door de verhouding van de massa van een atoom tot zijn lading. De chemicus Francis William Aston gebruikte dit instrument om aan te tonen dat isotopen verschillende massa's hadden. De atoommassa van deze isotopen varieerde in gehele getallen, de zogenaamde whole number rule . ^[30] De verklaring voor deze verschillende isotopen wachtte op de ontdekking van het neutron , een ongeladen deeltje met een massa vergelijkbaar met het proton , door de natuurkundige James Chadwick in 1932. Isotopen werden vervolgens uitgelegd als elementen met hetzelfde aantal protonen, maar verschillend aantal neutronen in de kern. ^[31]

Splitsing, hoogenergetische fysica en gecondenseerde materie

In 1938 richtte de Duitse chemicus Otto Hahn , een student van Rutherford, neutronen op uraniumatomen in de verwachting transuraniumelementen te krijgen . In plaats daarvan toonden zijn chemische experimenten barium als product aan. ^{[32] [33]} Een jaar later bevestigden Lise Meitner en haar neef Otto Frisch dat het resultaat van Hahn de eerste experimentele kernsplijting was . ^{[34] [35]} In 1944 ontving Hahn de Nobelprijs voor scheikunde . Ondanks Hahn's inspanningen werden de bijdragen van Meitner en Frisch niet erkend. ^[36]

Door de ontwikkeling van verbeterde deeltjesversnellers en deeltjesdetectoren in de jaren vijftig konden wetenschappers de effecten van atomen die met hoge energieën bewegen, bestuderen. ^[37] Neutronen en protonen bleken hadronen te zijn , of composieten van kleinere deeltjes die quarks worden genoemd . Het standaardmodel van de deeltjesfysica werd ontwikkeld dat tot dusver met succes de eigenschappen van de kern heeft verklaard in termen van deze subatomaire deeltjes en de krachten die hun interacties beheersen. ^[38]

Subatomische deeltjes

Hoewel het woord atoom oorspronkelijk een deeltje aanduidde dat niet in kleinere deeltjes kan worden gesneden, bestaat het atoom in modern wetenschappelijk gebruik uit verschillende subatomaire deeltjes . De samenstellende deeltjes van een atoom zijn het elektron , het proton en het neutron .

Het elektron is verreweg de minst massieve van deze deeltjes 9,11 × 10 ⁻³¹  kg , met een negatieve elektrische lading en een afmeting die te klein is om met de beschikbare technieken te meten. ^[39] Het was het lichtste deeltje met een gemeten positieve rustmassa, tot de ontdekking van neutrinomassa . Onder normale omstandigheden worden elektronen aan de positief geladen kern gebonden door de aantrekkingskracht die wordt gecreëerd door tegengestelde elektrische ladingen. Als een atoom meer of minder elektronen heeft dan zijn atoomnummer, wordt het als geheel respectievelijk negatief of positief geladen; een geladen atoom wordt een ion genoemd . Elektronen zijn bekend sinds het einde van de 19e eeuw, vooral dankzij JJ Thomson ; zie geschiedenis van subatomaire fysica voor details.

Protonen hebben een positieve lading en een massa van 1.836 keer die van het elektron, at 1,6726 × 10 ⁻²⁷  kg . Het aantal protonen in een atoom wordt het atoomnummer genoemd . Ernest Rutherford (1919) merkte op dat stikstof onder alfadeeltjesbombardement wat leek op waterstofkernen uitstoten. In 1920 had hij geaccepteerd dat de waterstofkern een apart deeltje in het atoom is en noemde het proton .

Neutronen hebben geen elektrische lading en hebben een vrije massa van 1.839 keer de massa van het elektron, of 1,6749 × 10 ⁻²⁷  kg . ^{[40] [41]} Neutronen zijn de zwaarste van de drie samenstellende deeltjes, maar hun massa kan worden verminderd door de nucleaire bindingsenergie . Neutronen en protonen (gezamenlijk bekend als nucleonen ) hebben vergelijkbare afmetingen - in de orde van grootte van2,5 x 10 ⁻¹⁵  m - hoewel het 'oppervlak' van deze deeltjes niet scherp is gedefinieerd. ^[42] Het neutron werd in 1932 ontdekt door de Engelse natuurkundige James Chadwick .

In het standaardmodel van de fysica zijn elektronen echt elementaire deeltjes zonder interne structuur, terwijl protonen en neutronen samengestelde deeltjes zijn die zijn samengesteld uit elementaire deeltjes die quarks worden genoemd . Er zijn twee soorten quarks in atomen, elk met een fractionele elektrische lading. Protonen zijn samengesteld uit twee up-quarks (elk met lading +2/3) en één down-quark (met een lading van - 1/3). Neutronen bestaan ​​uit één up-quark en twee down-quarks. Dit onderscheid verklaart het verschil in massa en lading tussen de twee deeltjes. ^{[43] [44]}

De quarks worden bij elkaar gehouden door de sterke interactie (of sterke kracht), die wordt gemedieerd door gluonen . De protonen en neutronen worden op hun beurt in de kern aan elkaar vastgehouden door de kernkracht , die een residu is van de sterke kracht die enigszins verschillende bereikeigenschappen heeft (zie het artikel over de kernkracht voor meer informatie). Het gluon is een lid van de familie van ijkbosonen , dit zijn elementaire deeltjes die fysieke krachten overbrengen. ^{[43] [44]}

Kern

De bindingsenergie die een kern nodig heeft om uit de kern te ontsnappen, voor verschillende isotopen

Alle gebonden protonen en neutronen in een atoom vormen een kleine atoomkern en worden gezamenlijk nucleonen genoemd . De straal van een kern is ongeveer gelijk aan${\ displaystyle 1.07 {\ sqrt [{3}] {A}}}$ femtometres , waar${\ displaystyle A}$is het totale aantal nucleonen. ^[45] Dit is veel kleiner dan de straal van het atoom, die in de orde van grootte van 10 ⁵  fm ligt. De nucleonen zijn met elkaar verbonden door een aantrekkelijk potentieel op korte afstand dat de resterende sterke kracht wordt genoemd . Op afstanden kleiner dan 2,5 fm is deze kracht veel krachtiger dan de elektrostatische kracht die ervoor zorgt dat positief geladen protonen elkaar afstoten. ^[46]

Atomen van hetzelfde element hebben hetzelfde aantal protonen, het atoomnummer genoemd . Binnen een enkel element kan het aantal neutronen variëren, waardoor de isotoop van dat element wordt bepaald. Het totale aantal protonen en neutronen bepaalt de nuclide . Het aantal neutronen ten opzichte van de protonen bepaalt de stabiliteit van de kern, waarbij bepaalde isotopen radioactief verval ondergaan . ^[47]

Het proton, het elektron en het neutron worden geclassificeerd als fermionen . Fermionen gehoorzamen aan het Pauli-uitsluitingsprincipe dat identieke fermionen, zoals meerdere protonen, verbiedt om tegelijkertijd dezelfde kwantumtoestand te bezetten. Elk proton in de kern moet dus een kwantumtoestand innemen die verschilt van alle andere protonen, en hetzelfde geldt voor alle neutronen van de kern en voor alle elektronen van de elektronenwolk. ^[48]

Een kern met een ander aantal protonen dan neutronen kan mogelijk naar een lagere energietoestand dalen door een radioactief verval waardoor het aantal protonen en neutronen beter overeenkomt. Als gevolg hiervan zijn atomen met overeenkomende aantallen protonen en neutronen stabieler tegen verval, maar met een toenemend atoomnummer vereist de wederzijdse afstoting van de protonen een toenemend aantal neutronen om de stabiliteit van de kern te behouden. ^[48]

Illustratie van een kernfusieproces dat een deuteriumkern vormt, bestaande uit een proton en een neutron, uit twee protonen. Een positron (e ⁺ ) -een antimaterie elektronenbundel wordt geëmitteerd met een elektron neutrino .

Het aantal protonen en neutronen in de atoomkern kan worden gewijzigd, hoewel dit vanwege de sterke kracht zeer hoge energieën kan vereisen. Kernfusie treedt op wanneer meerdere atomaire deeltjes samenkomen om een ​​zwaardere kern te vormen, bijvoorbeeld door de energetische botsing van twee kernen. In de kern van de zon hebben protonen bijvoorbeeld energieën van 3 tot 10 keV nodig om hun wederzijdse afstoting - de coulombbarrière - te overwinnen en samen te smelten tot een enkele kern. ^[49] Kernsplijting is het tegenovergestelde proces, waardoor een kern zich splitst in twee kleinere kernen - meestal door radioactief verval. De kern kan ook worden gemodificeerd door middel van bombardementen door hoogenergetische subatomaire deeltjes of fotonen. Als dit het aantal protonen in een kern wijzigt, verandert het atoom in een ander chemisch element. ^{[50] [51]}

Als de massa van de kern na een fusiereactie kleiner is dan de som van de massa's van de afzonderlijke deeltjes, dan kan het verschil tussen deze twee waarden worden uitgezonden als een soort bruikbare energie (zoals een gammastraal of de kinetische energie van bètadeeltje ), zoals beschreven door Albert Einstein is massa-energierelatie formule${\ displaystyle E = mc ^ {2}}$, waar ${\ displaystyle m}$ is het massaverlies en ${\ displaystyle c}$is de snelheid van het licht . Dit tekort maakt deel uit van de bindingsenergie van de nieuwe kern, en het is het niet-herstelbare verlies van de energie dat ervoor zorgt dat de gefuseerde deeltjes bij elkaar blijven in een toestand die deze energie nodig heeft om te scheiden. ^[52]

De fusie van twee kernen die grotere kernen creëren met lagere atoomnummers dan ijzer en nikkel - een totaal aantal nucleonen van ongeveer 60 - is gewoonlijk een exotherm proces waarbij meer energie vrijkomt dan nodig is om ze samen te brengen. ^[53] Het is dit energie-vrijmakende proces dat kernfusie in sterren tot een zichzelf in stand houdende reactie maakt. Voor zwaardere kernen, de bindingsenergie per nucleon in de kern begint te dalen. Dat betekent dat fusieprocessen die kernen produceren met atoomnummers hoger dan ongeveer 26, en atoommassa's hoger dan ongeveer 60, een endotherm proces is . Deze zwaardere kernen kunnen geen energieproducerende fusiereactie ondergaan die het hydrostatische evenwicht van een ster kan ondersteunen . ^[48]

Elektronenwolk

Een potentiaalput die volgens de klassieke mechanica de minimale energie V ( x ) laat zien die nodig is om elke positie x te bereiken . Klassiek wordt een deeltje met energie E beperkt tot een reeks posities tussen x ₁ en x ₂ .

De elektronen in een atoom worden door de elektromagnetische kracht aangetrokken tot de protonen in de kern . Deze kracht bindt de elektronen in een elektrostatische potentiaal die de kleinere kern omringt, wat betekent dat een externe energiebron nodig is om het elektron te laten ontsnappen. Hoe dichter een elektron bij de kern is, hoe groter de aantrekkingskracht. Vandaar dat elektronen die dichtbij het midden van de potentiaalput zijn gebonden, meer energie nodig hebben om te ontsnappen dan die op grotere afstanden.

Elektronen hebben, net als andere deeltjes, eigenschappen van zowel een deeltje als een golf . De elektronenwolk is een gebied binnen de potentiaalput waar elk elektron een soort driedimensionale staande golf vormt - een golfvorm die niet beweegt ten opzichte van de kern. Dit gedrag wordt bepaald door een atomaire orbitaal , een wiskundige functie die de waarschijnlijkheid kenmerkt dat een elektron zich op een bepaalde locatie lijkt te bevinden wanneer zijn positie wordt gemeten. ^[54] Slechts een discrete (of gekwantiseerde ) set van deze orbitalen bestaat rond de kern, aangezien andere mogelijke golfpatronen snel vervallen tot een stabielere vorm. ^[55] Orbitalen kunnen een of meer ring- of knooppuntstructuren hebben en van elkaar verschillen in grootte, vorm en oriëntatie. ^[56]

3D-weergaven van enkele waterstofachtige atomaire orbitalen die waarschijnlijkheidsdichtheid en fase tonen ( g- orbitalen en hoger worden niet weergegeven)

Elke atomaire orbitaal komt overeen met een bepaald energieniveau van het elektron. Het elektron kan zijn toestand veranderen naar een hoger energieniveau door een foton te absorberen met voldoende energie om het in de nieuwe kwantumtoestand te brengen. Evenzo kan een elektron in een hogere energietoestand door spontane emissie naar een lagere energietoestand zakken terwijl het de overtollige energie als een foton uitstraalt. Deze karakteristieke energiewaarden, bepaald door de verschillen in de energieën van de kwantumtoestanden, zijn verantwoordelijk voor atomaire spectraallijnen . ^[55]

De hoeveelheid energie die nodig is om een ​​elektron te verwijderen of toe te voegen - de elektronenbindende energie - is veel minder dan de bindingsenergie van nucleonen . Het vereist bijvoorbeeld slechts 13,6 eV om een grondtoestand elektron van een waterstofatoom te strippen ^[57], vergeleken met 2,23  miljoen eV voor het splitsen van een deuteriumkern . ^[58] Atomen zijn elektrisch neutraal als ze een gelijk aantal protonen en elektronen hebben. Atomen met een tekort of een overschot aan elektronen worden ionen genoemd . Elektronen die het verst van de kern verwijderd zijn, kunnen worden overgebracht naar andere nabijgelegen atomen of worden gedeeld tussen atomen. Door dit mechanisme atomen kunnen binding in moleculen en andere vormen van chemische verbindingen zoals ionogene en covalente netwerken kristallen . ^[59]

Nucleaire eigenschappen

Per definitie behoren twee atomen met een identiek aantal protonen in hun kernen tot hetzelfde chemische element . Atomen met een gelijk aantal protonen maar een verschillend aantal neutronen zijn verschillende isotopen van hetzelfde element. Alle waterstofatomen laten bijvoorbeeld precies één proton toe, maar isotopen bestaan ​​zonder neutronen ( waterstof-1 , verreweg de meest voorkomende vorm, ^[60] ook wel protium genoemd), één neutron ( deuterium ), twee neutronen ( tritium ) en meer. dan twee neutronen . De bekende elementen vormen een reeks atoomnummers, van het enkelvoudige protonelement waterstof tot het 118-protonelement oganesson . ^[61] Alle bekende isotopen van elementen met atoomnummers groter dan 82 zijn radioactief, hoewel de radioactiviteit van element 83 ( bismut ) zo gering is dat deze praktisch verwaarloosbaar is. ^{[62] [63]}

Ongeveer 339 nucliden nature op aarde , ^[64] , waarvan 252 (ongeveer 74%) niet waargenomen verval, en worden aangeduid als " stabiele isotopen ". Slechts 90 nucliden zijn theoretisch stabiel , terwijl van nog eens 162 (waarmee het totaal op 252 komt) niet is waargenomen dat ze vervallen, hoewel het in theorie energetisch mogelijk is. Deze worden ook formeel geclassificeerd als "stabiel". Nog eens 34 radioactieve nucliden hebben een halveringstijd van meer dan 100 miljoen jaar en zijn langlevend genoeg om aanwezig te zijn sinds de geboorte van het zonnestelsel . Deze verzameling van 286 nucliden staat bekend als oernucliden . Ten slotte is bekend dat nog eens 53 kortlevende nucliden van nature voorkomen, als dochterproducten van primordiaal nuclideverval (zoals radium uit uranium ), of als producten van natuurlijke energetische processen op aarde, zoals bombardementen op kosmische straling (bijvoorbeeld koolstof -14). ^{[65] [noot 1]}

Voor 80 van de chemische elementen bestaat er minstens één stabiele isotoop . In de regel is er voor elk van deze elementen slechts een handvol stabiele isotopen, het gemiddelde is 3,2 stabiele isotopen per element. Zesentwintig elementen hebben slechts één enkele stabiele isotoop, terwijl het grootste aantal waargenomen stabiele isotopen voor elk element tien is, voor het element tin . Elementen 43 , 61 en alle elementen genummerd 83 of hoger hebben geen stabiele isotopen. ^{[66] : 1-12}

De stabiliteit van isotopen wordt beïnvloed door de verhouding tussen protonen en neutronen, en ook door de aanwezigheid van bepaalde "magische aantallen" neutronen of protonen die gesloten en gevulde kwantumschillen vertegenwoordigen. Deze kwantumschillen komen overeen met een reeks energieniveaus binnen het schaalmodel van de kern; Gevulde schalen, zoals de gevulde schil van 50 protonen voor tin, verlenen een ongebruikelijke stabiliteit aan de nuclide. Van de 252 bekende stabiele nucliden hebben er slechts vier zowel een oneven aantal protonen als een oneven aantal neutronen: waterstof-2 ( deuterium ), lithium-6 , boor-10 en stikstof-14 . Bovendien hebben slechts vier natuurlijk voorkomende, radioactieve oneven nucliden een halfwaardetijd van meer dan een miljard jaar: kalium-40 , vanadium-50 , lanthaan-138 en tantaal-180m . De meeste oneven-oneven kernen zijn zeer onstabiel met betrekking tot bèta-verval , omdat de vervalproducten even-even zijn, en daarom sterker gebonden, als gevolg van nucleaire paarvormingseffecten . ^[67]

Massa

Het overgrote deel van de massa van een atoom is afkomstig van de protonen en neutronen waaruit het bestaat. Het totale aantal van deze deeltjes ("nucleonen" genoemd) in een bepaald atoom wordt het massagetal genoemd . Het is een positief geheel getal en dimensieloos (in plaats van een afmeting van massa te hebben), omdat het een telling uitdrukt. Een voorbeeld van het gebruik van een massagetal is "koolstof-12", dat 12 nucleonen heeft (zes protonen en zes neutronen).

De werkelijke massa van een atoom in rust wordt vaak uitgedrukt in dalton (Da), ook wel de verenigde atomaire massa-eenheid (u) genoemd. Deze eenheid wordt gedefinieerd als een twaalfde van de massa van een vrij neutraal koolstof-12 atoom , wat ongeveer is1,66 × 10 ⁻²⁷  kg . ^[68] Waterstof-1 (de lichtste isotoop van waterstof die ook het nuclide met de laagste massa is) heeft een atoomgewicht van 1,007825 Da. ^[69] De waarde van dit getal wordt de atoommassa genoemd . Een bepaald atoom heeft een atomaire massa die ongeveer gelijk is aan (binnen 1%) aan zijn massagetal maal de atomaire massa-eenheid (de massa van een stikstof-14 is bijvoorbeeld ongeveer 14 Da), maar dit aantal zal niet precies een geheel getal zijn, behalve ( per definitie) in het geval van koolstof-12. ^[70] Het zwaarste stabiele atoom is lood-208, ^[62] met een massa van207.976 6521  Da . ^[71]

Omdat zelfs de meest massieve atomen veel te licht zijn om direct mee te werken, gebruiken scheikundigen in plaats daarvan de eenheid van mollen . Een mol atomen van een element heeft altijd hetzelfde aantal atomen (ongeveer6.022 × 10 23 ). Dit aantal is zo gekozen dat als een element een atoommassa heeft van 1 u, een mol atomen van dat element een massa heeft van bijna één gram. Vanwege de definitie van de verenigde atomaire massa-eenheid heeft elk koolstof-12-atoom een ​​atoommassa van precies 12 Da, en dus weegt een mol koolstof-12-atomen precies 0,012 kg. ^[68]

Vorm en grootte

Atomen hebben geen goed gedefinieerde buitengrens, dus hun afmetingen worden meestal beschreven in termen van een atoomstraal . Dit is een maat voor de afstand tot waar de elektronenwolk zich uitstrekt vanaf de kern. ^[72] Dit veronderstelt dat het atoom een ​​bolvorm vertoont, waaraan alleen wordt voldaan voor atomen in vacuüm of vrije ruimte. Atoomstralen kunnen worden afgeleid van de afstanden tussen twee kernen wanneer de twee atomen in een chemische binding zijn samengevoegd . De straal varieert met de locatie van een atoom op de atoomkaart, het type chemische binding, het aantal naburige atomen ( coördinatiegetal ) en een kwantummechanische eigenschap die bekend staat als spin . ^[73] Op het periodiek systeem der elementen heeft de atoomgrootte de neiging toe te nemen bij het omlaag bewegen van kolommen, maar kleiner bij het bewegen over rijen (van links naar rechts). ^[74] Bijgevolg is het kleinste atoom helium met een straal van 32  pm , terwijl een van de grootste cesium is om 225 pm. ^[75]

Onder invloed van externe krachten, zoals elektrische velden , kan de vorm van een atoom afwijken van de sferische symmetrie . De vervorming hangt af van de veldgrootte en het orbitale type van buitenste schilelektronen, zoals blijkt uit groepstheoretische overwegingen. Asferische afwijkingen kunnen bijvoorbeeld worden opgewekt in kristallen , waar grote kristal-elektrische velden kunnen optreden op laagsymmetrische roosterplaatsen. ^{[76] [77]} Aanzienlijke ellipsoïdale vervormingen bleken optreden zwavelionen ^[78] en chalcogeen ionen ^[79] in pyriet -type genoemd.

Atoomafmetingen zijn duizenden keren kleiner dan de golflengten van licht (400-700  nm ), zodat ze niet kunnen worden bekeken met een optische microscoop , hoewel individuele atomen kunnen worden waargenomen met een scanning tunneling microscoop . Om de kleinheid van het atoom te visualiseren, moet u bedenken dat een typisch mensenhaar ongeveer 1 miljoen koolstofatomen breed is. ^[80] Een enkele druppel water bevat ongeveer 2  sextiljoen (2 × 10 ²¹ ) zuurstofatomen, en tweemaal het aantal waterstofatomen. ^[81] Een enkele karaats diamant met een massa van2 x 10 ^-4  kg bevat ongeveer 10 sextiljoen (10 ²² ) atomen van koolstof . ^{[noot 2]} Als een appel zou worden vergroot tot de grootte van de aarde, dan zouden de atomen in de appel ongeveer zo groot zijn als de oorspronkelijke appel. ^[82]

Radioactief verval

Dit diagram toont de halfwaardetijd (T _½ ) van verschillende isotopen met Z-protonen en N-neutronen.

Elk element heeft een of meer isotopen met onstabiele kernen die onderhevig zijn aan radioactief verval, waardoor de kern deeltjes of elektromagnetische straling uitzendt. Radioactiviteit kan optreden wanneer de straal van een kern groot is in vergelijking met de straal van de sterke kracht, die alleen werkt over afstanden in de orde van grootte van 1 fm. ^[83]

De meest voorkomende vormen van radioactief verval zijn: ^{[84] [85]}

• Alfa-verval : dit proces wordt veroorzaakt wanneer de kern een alfadeeltje uitzendt, een heliumkern die bestaat uit twee protonen en twee neutronen. Het resultaat van de emissie is een nieuw element met een lager atoomnummer .
• Beta-verval (en elektronenvangst ): deze processen worden gereguleerd door de zwakke kracht en zijn het resultaat van de transformatie van een neutron in een proton, of een proton in een neutron. De overgang van neutron naar proton gaat gepaard met de emissie van een elektron en een antineutrino , terwijl de overgang van proton naar neutronen (behalve bij elektronenvangst) de emissie van een positron en een neutrino veroorzaakt . De elektronen- of positronemissies worden bètadeeltjes genoemd. Beta-verval verhoogt of verlaagt het atoomnummer van de kern met één. Elektronenvangst komt vaker voor dan positronemissie, omdat er minder energie voor nodig is. Bij dit type verval wordt een elektron geabsorbeerd door de kern, in plaats van een positron dat wordt uitgezonden vanuit de kern. Bij dit proces wordt nog steeds een neutrino uitgestoten, en een proton verandert in een neutron.
• Gamma-verval : dit proces is het gevolg van een verandering in het energieniveau van de kern naar een lagere toestand, wat resulteert in de emissie van elektromagnetische straling. De aangeslagen toestand van een kern die resulteert in gamma-emissie treedt meestal op na de emissie van een alfa- of bètadeeltje. Gamma-verval volgt dus meestal alfa- of bèta-verval.

Andere, zeldzamere soorten radioactief verval zijn onder meer het uitwerpen van neutronen of protonen of clusters van nucleonen uit een kern, of meer dan één bètadeeltje . Een analoog van gamma-emissie waardoor aangeslagen kernen op een andere manier energie kunnen verliezen, is interne conversie - een proces dat supersnelle elektronen produceert die geen bètastralen zijn, gevolgd door productie van hoogenergetische fotonen die geen gammastralen zijn. Een paar grote kernen exploderen in twee of meer geladen fragmenten van verschillende massa's plus verschillende neutronen, in een verval dat spontane kernsplijting wordt genoemd .

Elke radioactieve isotoop heeft een karakteristieke vervalperiode - de halfwaardetijd - die wordt bepaald door de hoeveelheid tijd die nodig is om de helft van een monster te laten vervallen. Dit is een exponentieel vervalproces waarbij het aandeel van de resterende isotoop elke halveringstijd met 50% afneemt. Dus nadat twee halfwaardetijden zijn verstreken, is slechts 25% van de isotoop aanwezig, enzovoort. ^[83]

Magnetisch moment

Elementaire deeltjes hebben een intrinsieke kwantummechanische eigenschap die bekend staat als spin . Dit is analoog aan het impulsmoment van een object dat rond zijn massamiddelpunt draait , hoewel strikt genomen wordt aangenomen dat deze deeltjes puntachtig zijn en niet kunnen worden gezegd dat ze roteren. Spin wordt gemeten in eenheden van de gereduceerde Planck-constante (ħ), waarbij elektronen, protonen en neutronen allemaal spin ½ ħ of "spin-½" hebben. In een atoom bezitten elektronen die rond de kern bewegen, naast hun spin een orbitaal impulsmoment , terwijl de kern zelf impulsmoment bezit vanwege de nucleaire spin. ^[86]

Het magnetische veld dat door een atoom wordt geproduceerd - zijn magnetisch moment - wordt bepaald door deze verschillende vormen van impulsmoment, net zoals een roterend geladen object klassiek een magnetisch veld produceert, maar de meest dominante bijdrage komt van elektronenspin. Vanwege de aard van elektronen om het Pauli-uitsluitingsprincipe te gehoorzamen , waarbij geen twee elektronen in dezelfde kwantumtoestand kunnen worden gevonden , paren gebonden elektronen met elkaar, waarbij een lid van elk paar in een spin-up staat en het andere in een het tegenovergestelde, spin down staat. Dus deze spins heffen elkaar op, waardoor het totale magnetische dipoolmoment in sommige atomen met een even aantal elektronen tot nul wordt teruggebracht. ^[87]

In ferromagnetische elementen zoals ijzer, kobalt en nikkel leidt een oneven aantal elektronen tot een ongepaard elektron en een netto totaal magnetisch moment. De orbitalen van naburige atomen overlappen elkaar en een lagere energietoestand wordt bereikt wanneer de spins van ongepaarde elektronen met elkaar worden uitgelijnd, een spontaan proces dat bekend staat als een uitwisselingsinteractie . Wanneer de magnetische momenten van ferromagnetische atomen op één lijn liggen, kan het materiaal een meetbaar macroscopisch veld produceren. Paramagnetische materialen hebben atomen met magnetische momenten die in willekeurige richtingen uitlijnen als er geen magnetisch veld aanwezig is, maar de magnetische momenten van de individuele atomen in de aanwezigheid van een veld. ^{[87] [88]}

De kern van een atoom zal geen spin hebben als deze een even aantal neutronen en protonen heeft, maar in andere gevallen met oneven getallen kan de kern een spin hebben. Normaal gesproken worden kernen met spin in willekeurige richtingen uitgelijnd vanwege thermisch evenwicht , maar voor bepaalde elementen (zoals xenon-129 ) is het mogelijk om een aanzienlijk deel van de nucleaire spintoestanden te polariseren zodat ze in dezelfde richting zijn uitgelijnd - een voorwaarde genaamd hyperpolarisatie . Dit heeft belangrijke toepassingen bij beeldvorming met magnetische resonantie . ^{[89] [90]}

Energie niveau

De energieniveaus van deze elektronen (niet op schaal) zijn voldoende voor grondtoestanden van atomen tot en met cadmium (5s ² 4d ¹⁰ ). Vergeet niet dat zelfs de bovenkant van het diagram lager is dan een ongebonden elektronentoestand.

De potentiële energie van een elektron in een atoom is negatief ten opzichte van wanneer de afstand tot de kern naar oneindig gaat ; zijn afhankelijkheid van de positie van het elektron bereikt het minimum binnen de kern, ruwweg omgekeerd evenredig met de afstand. In het kwantummechanische model kan een gebonden elektron slechts een reeks toestanden innemen die zijn gecentreerd rond de kern, en elke toestand correspondeert met een specifiek energieniveau ; zie tijdonafhankelijke Schrödingervergelijking voor een theoretische verklaring. Een energieniveau kan worden gemeten door de hoeveelheid energie die nodig is om het elektron van het atoom los te maken , en wordt meestal gegeven in eenheden van elektronvolt (eV). De laagste energietoestand van een gebonden elektron wordt de grondtoestand genoemd, dwz stationaire toestand , terwijl een elektronenovergang naar een hoger niveau resulteert in een aangeslagen toestand. ^[91] De energie van het elektron neemt toe met n omdat de (gemiddelde) afstand tot de kern toeneemt. Afhankelijkheid van de energie van ℓ wordt niet veroorzaakt door de elektrostatische potentiaal van de kern, maar door interactie tussen elektronen.

Om een ​​elektron over te laten gaan tussen twee verschillende toestanden , bijv. De grondtoestand naar de eerste aangeslagen toestand , moet het een foton absorberen of uitzenden met een energie die overeenkomt met het verschil in potentiële energie van die niveaus, volgens het Niels Bohr- model. berekend door de Schrödingervergelijking . Elektronen springen tussen orbitalen op een deeltjesachtige manier. Als bijvoorbeeld een enkel foton de elektronen raakt, verandert slechts een enkel elektron van toestand als reactie op het foton; zie Electron-eigenschappen .

De energie van een uitgezonden foton is evenredig met zijn frequentie , dus deze specifieke energieniveaus verschijnen als afzonderlijke banden in het elektromagnetische spectrum . ^[92] Elk element heeft een karakteristiek spectrum dat kan afhangen van de nucleaire lading, subschalen gevuld met elektronen, de elektromagnetische interacties tussen de elektronen en andere factoren. ^[93]

Een voorbeeld van absorptielijnen in een spectrum

Wanneer een continu spectrum van energie door een gas of plasma wordt geleid, worden sommige fotonen geabsorbeerd door atomen, waardoor elektronen hun energieniveau veranderen. Die opgewonden elektronen die aan hun atoom gebonden blijven, zenden deze energie spontaan uit als een foton, in een willekeurige richting, en vallen zo terug naar lagere energieniveaus. De atomen gedragen zich dus als een filter dat een reeks donkere absorptiebanden vormt in de energie-output. (Een waarnemer die de atomen bekijkt vanuit een beeld dat niet het continue spectrum op de achtergrond omvat, ziet in plaats daarvan een reeks emissielijnen van de fotonen die door de atomen worden uitgezonden.) Spectroscopische metingen van de sterkte en breedte van atomaire spectraallijnen maken de compositie mogelijk en fysische eigenschappen van een te bepalen stof. ^[94]

Nauwkeurig onderzoek van de spectraallijnen onthult dat sommige een fijne structuursplitsing vertonen . Dit gebeurt vanwege spin-orbit-koppeling , wat een interactie is tussen de spin en beweging van het buitenste elektron. ^[95] Wanneer een atoom zich in een extern magnetisch veld bevindt, worden spectraallijnen opgesplitst in drie of meer componenten; een fenomeen dat het Zeeman-effect wordt genoemd . Dit wordt veroorzaakt door de interactie van het magnetische veld met het magnetische moment van het atoom en zijn elektronen. Sommige atomen kunnen meerdere elektronenconfiguraties hebben met hetzelfde energieniveau, die dus verschijnen als een enkele spectraallijn. De interactie van het magnetische veld met het atoom verschuift deze elektronenconfiguraties naar enigszins verschillende energieniveaus, wat resulteert in meerdere spectraallijnen. ^[96] De aanwezigheid van een extern elektrisch veld kan een vergelijkbare splitsing en verschuiving van spectraallijnen veroorzaken door de elektronenergieniveaus te wijzigen, een fenomeen dat het Stark-effect wordt genoemd . ^[97]

Als een gebonden elektron zich in een aangeslagen toestand bevindt, kan een interactief foton met de juiste energie gestimuleerde emissie van een foton met een bijbehorend energieniveau veroorzaken. Om dit te laten gebeuren, moet het elektron naar een lagere energietoestand vallen met een energieverschil dat overeenkomt met de energie van het interagerende foton. Het uitgezonden foton en het interacterende foton verplaatsen zich dan parallel en met bijpassende fasen. Dat wil zeggen, de golfpatronen van de twee fotonen zijn gesynchroniseerd. Deze fysische eigenschap wordt gebruikt om lasers te maken , die een coherente bundel lichtenergie kunnen uitzenden in een smalle frequentieband. ^[98]

Valentie en hechtingsgedrag

Valentie is de verbindende kracht van een element. Het wordt bepaald door het aantal bindingen dat het kan vormen met andere atomen of groepen. ^[99] De buitenste elektronenschil van een atoom in zijn niet-gecombineerde toestand staat bekend als de valentieschil , en de elektronen in die schil worden valentie-elektronen genoemd . Het aantal valentie-elektronen bepaalt het bindingsgedrag met andere atomen. Atomen hebben de neiging om chemisch met elkaar te reageren op een manier die hun buitenste valentieschalen vult (of leegmaakt). ^[100] Een overdracht van een enkel elektron tussen atomen is bijvoorbeeld een bruikbare benadering voor bindingen die zich vormen tussen atomen met één elektron meer dan een gevulde schil, en andere die één elektron korter zijn dan een volledige schil, zoals gebeurt. in de verbinding natriumchloride en andere chemische ionische zouten. Veel elementen vertonen meerdere valenties of neigingen om verschillende aantallen elektronen in verschillende verbindingen te delen. Aldus chemische binding tussen deze elementen neemt vele vormen van elektronen verdeling die meer dan eenvoudige elektronen overdracht. Voorbeelden zijn het element koolstof en de organische verbindingen . ^[101]

De chemische elementen worden vaak weergegeven in een periodiek systeem dat is ingedeeld om terugkerende chemische eigenschappen weer te geven, en elementen met hetzelfde aantal valentie-elektronen vormen een groep die is uitgelijnd in dezelfde kolom van de tabel. (De horizontale rijen komen overeen met de vulling van een kwantumschil van elektronen.) De elementen helemaal rechts op de tafel hebben hun buitenste schil volledig gevuld met elektronen, wat resulteert in chemisch inerte elementen die bekend staan ​​als de edelgassen . ^{[102] [103]}

Staten

Afbeelding die de vorming van een Bose-Einstein-condensaat illustreert

Hoeveelheden atomen worden gevonden in verschillende toestanden van materie die afhankelijk zijn van de fysieke omstandigheden, zoals temperatuur en druk . Door de omstandigheden te variëren, kunnen materialen overgaan tussen vaste stoffen , vloeistoffen , gassen en plasma's . ^[104] Binnen een staat kan een materiaal ook in verschillende allotropen voorkomen . Een voorbeeld hiervan is vaste koolstof, die kan bestaan ​​als grafiet of diamant . ^{[105] Er} bestaan ​​ook gasvormige allotropen, zoals dizuurstof en ozon .

Bij temperaturen dichtbij het absolute nulpunt kunnen atomen een Bose-Einstein-condensaat vormen , waarna kwantummechanische effecten, die normaal alleen op atomaire schaal worden waargenomen, op macroscopische schaal zichtbaar worden. ^{[106] [107]} Deze supergekoelde verzameling atomen gedraagt ​​zich dan als een enkel superatoom , wat fundamentele controles van kwantummechanisch gedrag mogelijk maakt. ^[108]

Scanning tunneling microscoop afbeelding van de individuele atomen waaruit dit gouden ( 100 ) oppervlak bestaat. De oppervlakte-atomen wijken af ​​van de bulk- kristalstructuur en rangschikken in kolommen verschillende atomen breed met putjes ertussen (zie oppervlakte-reconstructie ).

Hoewel atomen te klein zijn om te zien, maken apparaten zoals de scanning tunneling microscope (STM) hun visualisatie op de oppervlakken van vaste stoffen mogelijk. De microscoop maakt gebruik van het fenomeen kwantumtunneling , dat deeltjes door een barrière laat gaan die in klassiek perspectief onoverkomelijk zou zijn. Elektronen tunnelen door het vacuüm tussen twee voorgespannen elektroden, waardoor een tunnelstroom wordt verkregen die exponentieel afhankelijk is van hun scheiding. Een elektrode is een scherpe punt die idealiter eindigt met een enkel atoom. Op elk punt van de scan van het oppervlak wordt de hoogte van de punt aangepast om de tunnelstroom op een ingestelde waarde te houden. Hoeveel de punt van en naar het oppervlak beweegt, wordt geïnterpreteerd als het hoogteprofiel. Voor lage bias beeldt de microscoop de gemiddelde elektronenorbitalen af ​​over dicht opeengepakte energieniveaus - de lokale dichtheid van de elektronische toestanden nabij het Fermi-niveau . ^{[109] [110]} Vanwege de betrokken afstanden moeten beide elektroden extreem stabiel zijn; alleen dan kunnen periodiciteiten worden waargenomen die overeenkomen met individuele atomen. De methode alleen is niet chemisch specifiek en kan de atomaire soorten die aan het oppervlak aanwezig zijn niet identificeren.

Atomen kunnen gemakkelijk worden geïdentificeerd aan de hand van hun massa. Als een atoom wordt geïoniseerd door een van zijn elektronen te verwijderen, zal zijn baan wanneer het door een magnetisch veld gaat, buigen. De straal waarmee de baan van een bewegend ion wordt gedraaid door het magnetische veld, wordt bepaald door de massa van het atoom. De massaspectrometer gebruikt dit principe om de massa-ladingsverhouding van ionen te meten . Als een monster meerdere isotopen bevat, kan de massaspectrometer het aandeel van elke isotoop in het monster bepalen door de intensiteit van de verschillende ionenbundels te meten. Technieken om atomen te verdampen omvatten atoomemissiespectroscopie met inductief gekoppeld plasma en inductief gekoppelde plasmamassaspectrometrie , die beide een plasma gebruiken om monsters te verdampen voor analyse. ^[111]

De atom-probe-tomograaf heeft een resolutie van sub-nanometer in 3D en kan individuele atomen chemisch identificeren met behulp van time-of-flight massaspectrometrie. ^[112]

Elektronenemissietechnieken zoals röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS) en Auger-elektronenspectroscopie (AES), die de bindingsenergieën van de kernelektronen meten , worden gebruikt om de atomaire soorten die in een monster aanwezig zijn op een niet-destructieve manier te identificeren. Met de juiste scherpstelling kunnen beide gebiedsspecifiek worden gemaakt. Een andere dergelijke methode is elektronen-energieverlies-spectroscopie (EELS), die het energieverlies meet van een elektronenbundel binnen een transmissie-elektronenmicroscoop wanneer deze interageert met een deel van een monster.

Spectra van aangeslagen toestanden kunnen worden gebruikt om de atomaire samenstelling van verre sterren te analyseren . Specifieke licht golflengten in het waargenomen licht van sterren kan worden afgescheiden en in verband met de gekwantiseerde overgangen in vrije gasatomen. Deze kleuren kunnen worden gerepliceerd met behulp van een gasontladingslamp die hetzelfde element bevat. ^[113] Helium werd op deze manier ontdekt in het spectrum van de zon 23 jaar voordat het op aarde werd gevonden. ^[114]

Baryonische materie vormt ongeveer 4% van de totale energiedichtheid van het waarneembare heelal , met een gemiddelde dichtheid van ongeveer 0,25 deeltjes / m ³ (voornamelijk protonen en elektronen). ^[115] In een stelsel zoals de Melkweg , deeltjes een veel hogere concentratie, waarbij de dichtheid van de materie in het interstellaire medium (ISM) van 10 ⁵ om 10 ⁹ atomen / m ³ . ^[116] The Sun wordt verondersteld om binnen de lokale bel , zodat de dichtheid van de zonne-omgeving is slechts ongeveer 10 ³ atomen / m ³ . ^[117] Sterren ontstaan ​​uit dichte wolken in de ISM, en de evolutionaire processen van sterren resulteren in de gestage verrijking van de ISM met elementen die zwaarder zijn dan waterstof en helium.

Tot 95% van de baryonische materie van de Melkweg is geconcentreerd in sterren, waar de omstandigheden ongunstig zijn voor atomaire materie. De totale baryonische massa is ongeveer 10% van de massa van de melkweg; ^[118] de rest van de massa is een onbekende donkere materie . ^[119] Hoge temperatuur in sterren zorgt ervoor dat de meeste "atomen" volledig geïoniseerd zijn, dat wil zeggen dat alle elektronen van de kernen worden gescheiden. In sterresten - met uitzondering van hun oppervlaktelagen - maakt een enorme druk elektronenschillen onmogelijk.

Vorming

Periodiek systeem met de oorsprong van elk element. Elementen van koolstof tot zwavel kunnen in kleine sterren worden gemaakt door het alfaproces . Elementen die verder gaan dan ijzer worden gemaakt in grote sterren met langzame neutronenvangst ( s-proces ). Elementen die zwaarder zijn dan ijzer kunnen worden gemaakt in fusies van neutronensterren of supernovae na het r-proces .

Er wordt aangenomen dat elektronen in het heelal bestaan ​​sinds de vroege stadia van de oerknal . Atoomkernen vormen in nucleosynthesereacties . In ongeveer drie minuten produceerde Big Bang-nucleosynthese het grootste deel van het helium , lithium en deuterium in het heelal, en misschien een deel van het beryllium en boor . ^{[120] [121] [122]}

Alomtegenwoordigheid en stabiliteit van atomen is afhankelijk van hun bindingsenergie , wat betekent dat een atoom een ​​lagere energie heeft dan een ongebonden systeem van de kern en elektronen. Waar de temperatuur veel hoger is dan het ionisatiepotentieel , bestaat de materie in de vorm van plasma - een gas van positief geladen ionen (mogelijk kale kernen) en elektronen. Wanneer de temperatuur onder het ionisatiepotentieel daalt, worden atomen statistisch gunstig. Atomen (compleet met gebonden elektronen) domineerden de geladen deeltjes 380.000 jaar na de oerknal - een tijdperk dat recombinatie wordt genoemd , toen het uitdijende heelal voldoende afkoelde om elektronen aan kernen te laten hechten. ^[123]

Sinds de oerknal, die geen koolstof of zwaardere elementen produceerde , zijn atoomkernen in sterren gecombineerd door het proces van kernfusie om meer van het element helium te produceren , en (via het drievoudige alfaproces ) de opeenvolging van elementen van koolstof tot ijzer ; ^[124] zie stellaire nucleosynthese voor details.

Isotopes such as lithium-6, as well as some beryllium and boron are generated in space through cosmic ray spallation.^[125] This occurs when a high-energy proton strikes an atomic nucleus, causing large numbers of nucleons to be ejected.

Elements heavier than iron were produced in supernovae and colliding neutron stars through the r-process, and in AGB stars through the s-process, both of which involve the capture of neutrons by atomic nuclei.^[126] Elements such as lead formed largely through the radioactive decay of heavier elements.^[127]

Earth

Most of the atoms that make up the Earth and its inhabitants were present in their current form in the nebula that collapsed out of a molecular cloud to form the Solar System. The rest are the result of radioactive decay, and their relative proportion can be used to determine the age of the Earth through radiometric dating.^[128][129] Most of the helium in the crust of the Earth (about 99% of the helium from gas wells, as shown by its lower abundance of helium-3) is a product of alpha decay.^[130]

There are a few trace atoms on Earth that were not present at the beginning (i.e., not "primordial"), nor are results of radioactive decay. Carbon-14 is continuously generated by cosmic rays in the atmosphere.^[131] Some atoms on Earth have been artificially generated either deliberately or as by-products of nuclear reactors or explosions.^[132][133] Of the transuranic elements—those with atomic numbers greater than 92—only plutonium and neptunium occur naturally on Earth.^[134][135] Transuranic elements have radioactive lifetimes shorter than the current age of the Earth^[136] and thus identifiable quantities of these elements have long since decayed, with the exception of traces of plutonium-244 possibly deposited by cosmic dust.^[128] Natural deposits of plutonium and neptunium are produced by neutron capture in uranium ore.^[137]

The Earth contains approximately 1.33×10⁵⁰ atoms.^[138] Although small numbers of independent atoms of noble gases exist, such as argon, neon, and helium, 99% of the atmosphere is bound in the form of molecules, including carbon dioxide and diatomic oxygen and nitrogen. At the surface of the Earth, an overwhelming majority of atoms combine to form various compounds, including water, salt, silicates and oxides. Atoms can also combine to create materials that do not consist of discrete molecules, including crystals and liquid or solid metals.^[139][140] This atomic matter forms networked arrangements that lack the particular type of small-scale interrupted order associated with molecular matter.^[141]

Rare and theoretical forms

Superheavy elements

All nuclides with atomic numbers higher than 82 (lead) are known to be radioactive. No nuclide with an atomic number exceeding 92 (uranium) exists on Earth as a primordial nuclide, and heavier elements generally have shorter half-lives. Nevertheless, an "island of stability" encompassing relatively long-lived isotopes of superheavy elements^[142] with atomic numbers 110 to 114 might exist.^[143] Predictions for the half-life of the most stable nuclide on the island range from a few minutes to millions of years.^[144] In any case, superheavy elements (with Z > 104) would not exist due to increasing Coulomb repulsion (which results in spontaneous fission with increasingly short half-lives) in the absence of any stabilizing effects.^[145]

Exotic matter

Each particle of matter has a corresponding antimatter particle with the opposite electrical charge. Thus, the positron is a positively charged antielectron and the antiproton is a negatively charged equivalent of a proton. When a matter and corresponding antimatter particle meet, they annihilate each other. Because of this, along with an imbalance between the number of matter and antimatter particles, the latter are rare in the universe. The first causes of this imbalance are not yet fully understood, although theories of baryogenesis may offer an explanation. As a result, no antimatter atoms have been discovered in nature.^[146][147] In 1996 the antimatter counterpart of the hydrogen atom (antihydrogen) was synthesized at the CERN laboratory in Geneva.^[148][149]

Other exotic atoms have been created by replacing one of the protons, neutrons or electrons with other particles that have the same charge. For example, an electron can be replaced by a more massive muon, forming a muonic atom. These types of atoms can be used to test fundamental predictions of physics.^{[150][151][152]}

• Oliver Manuel (2001). Origin of Elements in the Solar System: Implications of Post-1957 Observations. Springer. ISBN 978-0-306-46562-8. OCLC 228374906.
• Andrew G. van Melsen (2004) [1952]. From Atomos to Atom: The History of the Concept Atom. Translated by Henry J. Koren. Dover Publications. ISBN 0-486-49584-1.
• J.P. Millington (1906). John Dalton. J. M. Dent & Co. (London); E. P. Dutton & Co. (New York).
• Charles H. Holbrow; James N. Lloyd; Joseph C. Amato; Enrique Galvez; M. Elizabeth Parks (2010). Modern Introductory Physics. Springer Science & Business Media. ISBN 9780387790794.
• John Dalton (1808). A New System of Chemical Philosophy vol. 1.
• John Dalton (1817). A New System of Chemical Philosophy vol. 2.
• John L. Heilbron (2003). Ernest Rutherford and the Explosion of Atoms. Oxford University Press. ISBN 0-19-512378-6.
• Jaume Navarro (2012). A History of the Electron: J. J. and G. P. Thomson. Cambridge University Press. ISBN 9781107005228.

• Sharp, Tim (8 August 2017). "What is an Atom?". Live Science.
• "Hitchhikers Guide to the Universe, Atoms and Atomic Structure". h2g2. BBC. 3 January 2006.