Atoommodellen

Thomson’s Atomic Model

In 1898 stelde J. J. Thomson het eerste van vele toekomstige atoommodellen. Hij stelde voor dat een atoom de vorm heeft van een bol met een straal van ongeveer 10-10m, waarin de positieve lading gelijkmatig verdeeld is. De elektronen zijn in deze bol ingebed om de meest stabiele elektrostatische opstelling te verkrijgen.

Doet bovenstaande figuur u niet denken aan een doorgesneden watermeloen met pitjes erin? Of, je kunt het ook zien als een pudding met de elektronen als de pruimen of de rozijnen in de pudding. Daarom wordt dit model ook wel het watermeloenmodel, het pruimenpuddingmodel of het rozijnenpuddingmodel genoemd.

Een belangrijk aspect van dit model is dat het ervan uitgaat dat de massa van het atoom gelijkmatig over het atoom is verdeeld. Het atoommodel van Thomson was succesvol in het verklaren van de algemene neutraliteit van het atoom. Zijn stellingen waren echter niet in overeenstemming met de resultaten van latere experimenten. In 1906 kreeg J. J. Thomson de Nobelprijs voor natuurkunde voor zijn theorieën en experimenten over de geleiding van elektriciteit door gassen.

U kunt de Structuur van het Atoom spiekbriefje downloaden door op de onderstaande downloadknop te klikken

Rutherford’s Atoommodel

Het tweede atoommodel was de bijdrage van Ernest Rutherford. Om tot hun model te komen, voerden Rutherford en zijn studenten – Hans Geiger en Ernest Marsden een experiment uit waarbij zij zeer dunne goudfolie met α-deeltjes bombardeerden. Laten we dit experiment eens begrijpen.

α-Particle Scattering Experiment

Experiment

In dit experiment werden hoogenergetische α-deeltjes van een radioactieve bron gericht op een dunne folie (ongeveer 100nm dikte) van goud. Rondom de dunne goudfolie bevond zich een rond, fluorescerend zinksulfide-scherm. Telkens wanneer α-deeltjes het scherm raakten, werd op een punt van het scherm een lichtflitsje geproduceerd.

Resultaten

Gebaseerd op het model van Thomson, zou de massa van elk atoom in het goudfolie gelijkmatig over het gehele atoom verdeeld moeten zijn. Daarom wordt verwacht dat wanneer α-deeltjes de folie raken, zij vertragen en slechts onder een kleine hoek van richting veranderen terwijl zij door de folie gaan. De resultaten van Rutherfords experiment waren echter onverwacht –

• De meeste α-deeltjes gingen onvervormd door de folie.
• Een klein aantal α-deeltjes werd onder een kleine hoek afgebogen.
• Zeer weinig α-deeltjes (ongeveer 1 op 20.000) kaatsten terug.

Conclusies van het α-verstrooiingsexperiment

Op grond van bovenstaande resultaten trok Rutherford de volgende conclusies over de structuur van het atoom:

• Omdat de meeste α-deeltjes onverbogen door de folie gingen, is het grootste deel van de ruimte in het atoom leeg.
• De afbuiging van enkele positief geladen α-deeltjes moet het gevolg zijn van de enorme afstotende kracht. Dit suggereert dat de positieve lading niet gelijkmatig over het atoom is verdeeld zoals Thomson had voorgesteld. De positieve lading moet in een zeer klein volume geconcentreerd zijn om de positief geladen α-deeltjes af te buigen.
• Rutherfords berekeningen tonen aan dat het volume van de atoomkern zeer klein is vergeleken met het totale volume van het atoom en dat de straal van een atoom ongeveer 10-10m is, terwijl die van de atoomkern 10-15m is.

Nucleair model van het atoom

Op basis van zijn waarnemingen en conclusies stelde Rutherford zijn model van de structuur van het atoom voor. Volgens dit model –

• is het grootste deel van de massa van het atoom en de positieve lading geconcentreerd in een zeer klein gebied in het atoom. Rutherford noemde dit gebied de atoomkern.
• Elektronen omgeven de atoomkern en bewegen er met zeer hoge snelheid omheen in cirkelvormige banen, die banen worden genoemd. Deze opstelling lijkt ook op het zonnestelsel, waar de kern de zon vormt en de elektronen de ronddraaiende planeten zijn. Daarom wordt het ook wel het Planetaire Model genoemd.
• Elektrostatische aantrekkingskrachten houden de kern en de elektronen bij elkaar.

Tegenvallers van Rutherford’s Atoommodel

• Volgens Rutherford’s atoommodel bewegen de elektronen (planeten) in welbepaalde banen om de kern (zon) heen. Aangezien een lichaam dat in een baan beweegt, versnelling moet ondergaan, moeten de elektronen, in dit geval, versnelling ondergaan. Volgens de elektromagnetische theorie van Maxwell moeten geladen deeltjes, wanneer zij versneld worden, elektromagnetische straling uitzenden. Daarom zal een elektron in een baan straling uitzenden en uiteindelijk zal de baan krimpen. Als dit waar is, dan zal het elektron in de kern spiraliseren. Maar dit gebeurt niet. Het model van Rutherford verklaart dus niet de stabiliteit van het atoom.
• Laten we eens aannemen dat de elektronen niet bewegen en stationair zijn. Dan zal de elektrostatische aantrekkingskracht tussen de elektronen en de dichte kern de elektronen in de kern trekken om een miniatuurversie van het model van Thomson te vormen.
• Het model van Rutherford zegt ook niets over de verdeling van de elektronen rond de kern en de energieën van deze elektronen.

Dus, de atoommodellen van Thomson en Rutherford onthulden belangrijke aspecten van de structuur van het atoom, maar faalden om enkele kritieke punten te behandelen. Nu we de twee atoommodellen kennen, laten we proberen een paar concepten te begrijpen.

Atoomnummer en massagetal

Zoals we nu weten, is een positieve lading op de atoomkern te wijten aan de protonen. Ook is de lading van het proton gelijk maar tegengesteld aan die van het elektron. Het atoomnummer (Z) is het aantal protonen dat in de kern aanwezig is. Het aantal protonen in natrium is bijvoorbeeld 11 en in waterstof 1. Daarom zijn de atoomnummers van natrium en waterstof respectievelijk 11 en 1.

Ook is, om de elektrische neutraliteit te handhaven, het aantal elektronen in een atoom gelijk aan het aantal protonen (atoomnummer, Z). Daarom is het aantal elektronen in natrium en waterstof respectievelijk 11 en 1.

Atoomnummer = het aantal protonen in de kern van een atoom

= het aantal elektronen in een neutraal atoom

De positieve lading op de kern is te danken aan de protonen, maar de massa van het atoom is te danken aan de protonen en de neutronen. Zij staan gezamenlijk bekend als nucleonen. Het massagetal (A) van het atoom is het totale aantal nucleonen.

Massagetal (A) = het aantal protonen (Z) + het aantal neutronen (n)

De samenstelling van een atoom wordt dus weergegeven met het elementensymbool (X) met het massagetal (A) als superscript links en het atoomnummer (Z) als subscript links – AZX.

Leer hier meer in detail over het Atoomnummer.

Isobaren en Isotopen

Isobaren zijn atomen met hetzelfde massagetal maar een verschillend atoomnummer. Bijvoorbeeld 146C en 147N.

Leer hier meer in detail over Isobaren.

Isotopen daarentegen zijn atomen met hetzelfde atoomnummer maar een verschillend massagetal. Dit betekent dat het verschil in de isotopen het gevolg is van de aanwezigheid van een verschillend aantal neutronen in de kern. Laten we dit begrijpen met waterstof als voorbeeld –

• 99,985% van de waterstofatomen bevatten slechts één proton. Deze isotoop is protium (11H).
• De isotoop met één proton en één neutron is deuterium (21D).
• De isotoop met één proton en twee neutronen is tritium (31T). Deze isotoop bestaat in sporen op aarde.

Andere veel voorkomende isotopen zijn – koolstofatomen met 6 protonen en 6, 7, of 8 neutronen (126C, 136C, 146C) en chlooratomen met 17 protonen en 18 of 20 neutronen (3517Cl, 3717Cl).

Noot: Chemische eigenschappen van atomen staan onder invloed van het aantal elektronen, die afhankelijk zijn van het aantal protonen in de atoomkern. Het aantal neutronen heeft een zeer geringe invloed op de chemische eigenschappen van een element. Daarom vertonen alle isotopen van een element hetzelfde chemisch gedrag.

Leer hier meer in detail over Isotopen.

Opgeloste voorbeelden voor jou

Vraag 1: Zoek de kolommen bij elkaar:

1. Massagetal	a. Nucleair model van het atoom
2. J.J. Thomson	b. Aantal protonen
3. Rutherford	c. Aantal nucleonen
4. Atoomnummer	d. Plum pudding model

Oplossing: 1 → c, 2 → d, 3 → a, 4 → b.

Vraag 2: Bereken het aantal protonen, neutronen, en elektronen in 5626Fe.

Oplossing: In 5626Fe is atoomnummer (Z) = 26, massagetal (A) = 56.

Aantal protonen = aantal elektronen = Z = 26.

Aantal neutronen = A – Z = 56 – 26 = 30.