De kleinste eenheid van een chem. element dat nog de kenmerkende eigenschappen van het element bezit en langs chem. weg niet meer te splitsen is. Deze onderling gelijke eenheden beschouwde men oorspronkelijk als ondeelbaar (Grieks: atomos).
Later bleek, dat elke atoomsoort bestaat uit een electrisch positief geladen atoomkern, waarin het gewicht van het a. grotendeels is geconcentreerd en een zeker aantal elektronen. Laatstgenoemden zijn zeer lichte deeltjes, welke een bepaalde elektrische lading dragen. Deze z.g. elementaire lading is de kleinste tot nu toe gevonden electrische lading; alle andere ladingen zijn hele veelvouden van deze. Men kan een electron zodoende beschouwen als een a. van negatieve electriciteit. De totale negatieve lading der electronen compenseert de evengrote positieve lading van de atoomkern, zodat elk a. electrisch neutraal is (atomen waaraan electronen zijn toegevoegd of onttrokken worden respectievelijk negatieve en positieve ionen genoemd).
De kern oefent een electrische aantrekkingskracht op de electronen uit. Deze bewegen met grote snelheden rondom de kern en voeren daarbij tevens een draaiende beweging om een as uit (vgl. de aarde in haar baan), welke naar het Eng. - de spin van het electron wordt genoemd.
Men kan zodoende de bouw van een a. vergelijken met die van ons planetenstelsel (atoommodel van RUTHERFORD), een vergelijking welke slechts ten dele opgaat. De grootste wijzigingen, welke men volgens de nieuwere opvattingen (de z.g. quantumtheorie) in dit model moet aanbrengen, zijn de volgende:
a. Het aanschouwelijke begrip baan van een electron om een kern (vgl. de baan van de aarde om de zon) is volgens de quantumtheorie niet van toepassing op deeltjes van atomaire afmetingen (hierop kan in het bestek van dit artikel niet nader worden ingegaan). In plaats van banen spreken we daarom liever van de bewegingstoestanden van een electron;
b. In atoomverband kan een electron slechts in bepaalde bewegingstoestand, de z.g. stationnaire toestand, (z. voorkomen (de oudere theorie kent een dergelijke selectie niet);
c. In eenzelfde a. kunnen niet twee electronen dezelfde bewegingstoestanden hebben. Vindt men reeds een electron met een bepaalde stationnaire toestand, dan zegt men dat deze toestand ‘bezet’ is.
Rangschikt men de mogelijke toestanden naar Opklimmende energie (ruwweg komt deze volgorde overeen met toenemende afstand tot en afnemende aantrekking van de kern), dan worden de toestanden door de electronen in deze volgorde bezet.
De straal van een a. bedraagt ongeveer één 100.000.000ste cm (1Å); de afmetingen van de kern en van een electron zijn nog 10.000 à 100.000 maal kleiner. De electronenbewegingen geven het a. zijn uitgebreidheid. Men moet dit zo opvatten, dat men 2 a. niet zo dicht bij elkaar kan brengen, dat de electronenbewegingen in elkaar gaan grijpen een uitzondering moet hierbij gemaakt worden voor de buitenste electronen, z.o.), hoewel hiervoor ruimtelijk voldoende plaats zou zijn, ten gevolge van de kleine afmetingen der electronen en kernen.
Het aantal elementaire ladingen van de kern (atoomnummer) bepaalt met welk a. (element) men te doen heeft. De chem. eigenschappen worden bepaald door de toestanden der electronen, speciaal die van de buitenste, daar deze de kleinste aantrekking van de kern ondervinden en zodoende het eerst in wisselwerking met andere atomen kunnen treden. Dit geschiedt b.v. als natrium (Na) met chloor (Cl) reageert, waardoor NaCl ontslaat, dus in het algemeen bij de vorming van chem. verbindingen. Bij het hier genoemde voorbeeld staat het natrium-a. zijn buitenste electron aan het chloor-a. af. Aldus ontstaan een positief geladen natrium-ion en een negatief geladen chloor-ion, welke ionen elkaar aantrekken.
Rangschikt men de elementen naar opklimmend atoomnummer, dan komen bepaalde combinaties van toestanden der buitenste electronen na een - zij het met opklimmend atoomnummer toenemend aantal tussentrappen weer terug. De bijbehorende elementen vertonen grote overeenkomst in chem. eigenschappen. Men noemt deze rangschikking daarom het periodiek systeem der elementen. De tot dusver bekende elementen hebben atoomnummers variërend van 1 (waterstof) tot 98 (californium). Hiervan zijn de elementen met atoomnummers 43, 61, 85 en 93 t/m 98 niet in de natuur gevonden, zij behoren tot de z.g. kunstmatig-radioactieve elementen.
De atoomkern van het lichtste element, waterstof, wordt proton genoemd. Het proton, dat dus 1 positieve elementaire lading draagt, heeft een gewicht van 1,67 maal het billioenste deel van een billioenste gram (het gewicht van een electron is nog 1840 maal zo klein). Hel element met atoomnummer 2, helium, heeft een kern welke ongeveer 4 maal zo zwaar is als het proton. Deze kern bestaat uit 2 protonen en 2 neutronen. Een neutron is een electrisch neutraal deeltje met ongeveer hc zelfde gewicht als een proton. Ook de overige atoomkernen zijn opgebouwd uit protonen en neutronen.
Met toenemend atoomnummer zijn aanvankelijk de aantallen protonen en neutronen per kern ongeveer gelijk. Vanaf atoomnummer 20 gaan echter de neutronen steeds sterker overwegen. Bij de zwaarste elementen komen op 2 protonen ruim 3 neutronen voor. De som van het aantal protonen en het aantal neutronen heet het massanummer van de kern.
De massanummers lopen van 1 tot 244. Op eenzelfde aantal protonen komen veelal verschillende aantallen neutronen voor, zodat men dus kernen met hetzelfde atoomnummer (dus hetzelfde element) doch met verschillende massanummers heeft. Dergelijke atomen van eenzelfde element noemt men isotopen.
Binnen de kern oefenen de protonen en neutronen op elkaar en onderling sterke aantrekkende krachten uit via deeltjes, die ca 1/9 à 1/6 maal zo zwaar zijn als het proton (z.g. mesonen). Bij de protonen onderling worden deze krachten tegengewerkt door de onderlinge afstoting der positieve ladingen. De energie, welke nodig is om één of meer protonen en /of neutronen uit de kern te verwijderen, is groot. Per deeltje is deze z.g. bindingsenergie het grootst voor de elementen met massanummers in de buurt van 50, terwijl deze naar grotere massanummers regelmatig afneemt. Men is er in geslaagd sommige zware kernen, door ze met neutronen te beschieten, te splitsen in 2 lichtere kernen, waarbij de winst aan bindingsenergie b.v. als warmte vrij kan komen (atoomenergie).
Bij een zeldzaam isotoop van uranium met massanummer 235 kan deze splitsing, indien een voldoende hoeveelheid van dit isotoop aanwezig is, aanleiding geven tot een kettingreactie, doordat bij een splitsing nieuwe neutronen vrijkomen. De reactie kan dan een lawineachtig, explosief verloop vertonen, waarbij in een korte tijd een zeer groot aantal kernen wordt gesplitst, hetgeen met een zeer intensieve warmteontwikkeling gepaard gaat (atoombom). Een z.g. atoomzuil is zo ingericht, dat de splitsingsreactie wel op grote schaal plaats vindt, maar geen lawineachtig karakter krijgt. Men omgeeft hiertoe geschikt gekozen hoeveelheden uranium door een stof, diode neutronen wel remt, maar niet absorbeert. Bovendien kan men staven van een neutronen absorberende stof meer of minder ver in de zuil brengen, waardoor men de splitsingsreacties in de hand heeft. De ontwikkelde warmte moet vanzelfsprekend door een koelinstallatie worden afgevoerd.
In principe kan men deze warmte benutten voor het aandrijven van een warmtemachine; bij de constructie van een dergelijke ‘atoommotor’ doen zich echter vele technische moeilijkheden voor. D. A. DE VRIES.
Lit: R. KRONIG. Leerboek der natuurkunde. Scheltema & Holkema. Amsterdam, 1951.
