In een atoom

Als een atoom zo groot was als een voetbalstadion, zou de kern ongeveer zo groot zijn als een erwt in het midden.

Knip een stuk aluminiumfolie doormidden, dan weer doormidden, en ga zo door. Lang voordat de folie op is, krijg je een stukje dat zo klein is dat nog een keer knippen geen aluminium meer oplevert. Dat kleinste stukje is een atoom. Eén atoom is ongeveer een tienmiljardste meter breed, veel te klein om met een lichtmicroscoop te zien, en toch is elk atoom opgebouwd uit maar drie soorten deeltjes.

Drie deeltjes

Protonen en neutronen zitten dicht opeen in een kleine kern in het midden, die bijna alle massa van het atoom bevat. Elektronen zijn eromheen verspreid en nemen bijna alle ruimte van het atoom in. Een kern is ongeveer 10 000 tot 100 000 keer kleiner in doorsnede dan het hele atoom. Volgens NIST is het proton 1836.15 keer zwaarder dan het elektron, dus zelfs een atoom met veel elektronen krijgt ruim minder dan 1% van zijn massa van die elektronen.

Tegengestelde ladingen trekken elkaar aan, dus de negatieve elektronen worden dicht bij de positieve kern gehouden. Protonen stoten elkaar echter af, en een kern met er meerdere zou uit elkaar vliegen als de elektrische kracht de enige kracht was. Een veel sterkere kracht, de sterke kernkracht, houdt protonen en neutronen bij elkaar, maar alleen over de piepkleine afstanden in een kern.

Het atoomnummer

Het aantal protonen bepaalt welk element een atoom is. Elk atoom met 6 protonen is koolstof, en elk atoom met 8 is zuurstof. Dat getal is het atoomnummer, en het periodiek systeem is erop gerangschikt, van waterstof met 1 omhoog. In een neutraal atoom is het aantal elektronen gelijk aan het aantal protonen, dus de ladingen heffen elkaar op. Verliest of wint een atoom elektronen, dan wordt het een ion: natrium dat één elektron heeft verloren, heeft 11 protonen en 10 elektronen, dus het heeft lading +1.

Massagetal en isotopen

Protonen plus neutronen geven het massagetal. Atomen van één element kunnen een verschillend aantal neutronen hebben. Dat zijn isotopen. Koolstof-12 heeft 6 neutronen, en koolstof-14, dat wordt gebruikt om oude voorwerpen te dateren, heeft er 8. Het getal achter de naam is het massagetal, dus het aantal neutronen is altijd het massagetal min het atoomnummer.

Hoe we het ontdekten

Niemand heeft ooit een proton door een lens gezien. Elk deeltje is uit experimenten afgeleid. In 1897 liet J. J. Thomson in het Cavendish Laboratory in Cambridge zien dat kathodestralen bestonden uit kleine negatieve deeltjes die veel lichter waren dan elk atoom: elektronen. Het team van Ernest Rutherford schoot snelle alfadeeltjes op een dun goudfolie, en een paar kaatsten bijna recht terug. In 1911 verklaarde Rutherford dit met een kleine, zware, positieve kern. James Chadwick bewees in 1932 dat de kern ook deeltjes zonder lading bevat, de neutronen, en won daarvoor in 1935 de Nobelprijs voor de Natuurkunde.