Hoe weten we dat atomen bestaan?

Paul M. Sutter is astrofysicus aan The Ohio State University, presentator van “Ask a Spaceman” en “Space Radio,” en auteur van “Your Place in the Universe” (Prometheus Books, 2018). Sutter droeg dit artikel bij aan Space.com’s Expert Voices: Op-Ed & Inzichten.

In 1808 ontwikkelde chemicus John Dalton een zeer overtuigend argument dat leidde tot een verbazingwekkende realisatie: Misschien is alle materie (dat wil zeggen, spullen, dingen, objecten) gemaakt van kleine, kleine stukjes. Fundamentele bits. Ondeelbare bits. Atomaire bits. Atomen.

Dit concept zweefde al een paar millennia rond. Oude culturen waren zich zeker bewust van het algemene idee dat materie was samengesteld uit meer fundamentele elementen (hoewel ze het nogal oneens waren over wat nu precies als een element gold) en wisten dat deze elementen op interessante en vruchtbare manieren werden gecombineerd om complexe dingen te maken, zoals stoelen en bier. Maar door die millennia heen bleef de vraag bestaan: als ik een enkel element zou isoleren en in tweeën zou hakken, en vervolgens die helften weer in tweeën zou hakken, enzovoort, enzovoort, zou ik dan uiteindelijk een zo klein mogelijk stukje element vinden dat ik niet meer zou kunnen hakken? Of zou het oneindig doorgaan?

Gerelateerd: Wat is een atoom?

Na jaren van zorgvuldig onderzoek vond Dalton een verrassende relatie tussen de elementen. Soms kunnen twee elementen op meerdere manieren en in verschillende verhoudingen verbindingen vormen, zoals tin en zuurstof dat kunnen. Maar de verhoudingen van elk element in de verschillende combinaties werden altijd gereduceerd tot zeer kleine getallen. Als de materie oneindig deelbaar was, met geen kleinst mogelijke bit, dan zou elke verhouding toegestaan moeten zijn.

In plaats daarvan ontdekte hij dat een bepaalde hoeveelheid van een element kon samengaan met een gelijke hoeveelheid van een ander element. Of met twee of drie keer het andere element. Dalton vond alleen eenvoudige verhoudingen, overal, in alle gevallen. Als materie uiteindelijk ondeelbaar was, als het uit atomen bestond, dan zouden alleen eenvoudige verhoudingen en proporties zijn toegestaan bij het combineren van elementen.

Teemmassa’s

Honderd jaar later leek deze “atomaire” theorie van materie niet helemaal onzinnig. Een van de grootste uitdagingen was echter dat als atomen echt bestonden, ze veel, veel te klein waren om te zien. Hoe kon je het bestaan bewijzen van iets dat je niet direct kon waarnemen?

Eén aanwijzing voor het bestaan van atomen kwam uit de pas ontdekte studie van de thermodynamica. Om te begrijpen hoe warmtemotoren werkten – met alle bijbehorende begrippen als temperatuur, druk en entropie – realiseerden natuurkundigen zich dat zij gassen en vloeistoffen konden zien alsof zij bestonden uit een vrijwel onbeperkte hoeveelheid minuscule, zelfs microscopisch kleine deeltjes. Zo meet “temperatuur” in werkelijkheid de gemiddelde beweging van al die gasdeeltjes die tegen je thermometer botsen en er hun energie aan overdragen.

Dit was behoorlijk overtuigend, en Albert Einstein was een grote fan van dit soort natuurkunde. Net als alle andere natuurkunde waar hij een fan van werd, revolutioneerde Einstein ze.

Hij was met name geïnteresseerd in het probleem van de Brownse beweging, voor het eerst beschreven in 1827 door Robert Brown (vandaar de naam). Als je een grote korrel in een vloeistof laat vallen, heeft het voorwerp de neiging om helemaal uit zichzelf te gaan wiebelen en rond te springen. En na een paar zorgvuldig uitgevoerde experimenten realiseerde Brown zich dat dit niets te maken heeft met lucht- of vloeistofstromingen.

Brownian motion was gewoon een van die willekeurige onverklaarbare feiten van het leven, maar Einstein zag daarin een aanwijzing. Door de vloeistof te beschouwen als iets dat uit atomen bestaat, kon hij een formule afleiden voor de mate waarin de ontelbare botsingen van de vloeistofdeeltjes dat korreltje heen en weer zouden schuiven. En door dit verband op een solide wiskundige basis te leggen, kon hij een pad aanreiken om van iets wat je kunt zien (hoeveel het korreltje in een bepaalde tijd beweegt) te komen tot iets wat je niet kunt zien (de massa van de vloeistofdeeltjes).

In andere woorden, Einstein gaf ons een manier om een atoom te wegen.

Deze “verenigde staten”

En net toen de mensen zich op hun gemak gingen voelen met de grootte van deze minuscule hapjes materie, en dachten dat dit wel de kleinst mogelijke dingen moesten zijn, kwam er iemand die het nog ingewikkelder maakte.

Parallel aan Einstein werkte een wonderbaarlijk begaafde experimentalist met de naam J.J. Thomson. Aan het eind van de 19e eeuw raakte hij verrukt van spookachtige lichtstralen, de zogenaamde kathodestralen. Als je een paar elektroden in een glazen buis steekt, alle lucht uit de buis zuigt en dan de spanning op de elektroden opvoert, krijg je een bruisende gloed die lijkt uit te gaan van een van de elektroden, de kathode, om precies te zijn. Vandaar de kathodestralen.

Dit verschijnsel riep vragen op bij natuurkundigen. Waardoor werd de gloed veroorzaakt? Hoe waren ladingen – waarvan toen bekend was dat ze verband hielden met het begrip elektriciteit, maar die verder mysterieus waren – verbonden met die gloed? Thomson ontdekte de code door a) de beste vacuümbuis te maken die iemand ooit had gehad en b) het hele apparaat in supersterke elektrische en magnetische velden te duwen. Als er op de een of andere manier ladingen betrokken waren bij dit kathodestraal gedoe, dan kun je er maar beter van uitgaan dat ze naar die velden zouden luisteren.

En luisteren deden ze. De kathodestraal zou buigen onder invloed van zowel elektrische als magnetische velden. Fascinerend. Dat betekende dat het gloeiende deel verbonden was met de ladingen zelf; als het licht op de een of andere manier gescheiden was van de ladingen, dan zou het er dwars doorheen zeilen, ongeacht de veldinterferentie. En het betekende ook dat kathodestralen van hetzelfde materiaal waren gemaakt als elektriciteit.

Door de mate van afbuiging van de stralen in de elektrische velden te vergelijken met die in de magnetische velden, kon Thomson wat wiskunde afleiden en enkele eigenschappen van deze ladingen berekenen. En hier is waar J.J. zijn Nobelprijs verdiende: Deze “corpuskels” (zijn woord) waren ongeveer 2000 maal kleiner dan waterstof, het lichtst bekende element en dus het kleinste atoom. Deze “elektronen” (ieder ander zijn woord) waren werkelijk opmerkelijk.

Zilver en goud

Het was aan de volgende generatie wetenschappers om de raadsels op te lossen die de resultaten van Thomson opriepen. De belangrijkste daarvan was: Hoe kan iets kleiner zijn dan een atoom, en wat betekent dat voor de structuur van atomen zelf?

Het was Thomsons eigen oud-leerling Ernest Rutherford die, samen met zijn eigen leerlingen Hans Geiger en Ernest Marsden, besloot dingen op goud te schieten om te zien wat er zou gebeuren. De wetenschappers kozen voor goud omdat ze er zeer dunne platen van konden maken, zodat ze er zeker van konden zijn dat ze atoomfysica onderzochten. En ze schoten op heel kleine kogeltjes: alfadeeltjes, dat zijn geladen atomen van helium. Deze deeltjes zijn klein, zwaar en snel – de perfecte wetenschappelijke kogels.

Terwijl de onderzoekers hun schietoefeningen deden, zeilden de meeste alfadeeltjes door het goud alsof het vloeipapier was. Maar af en toe schoten de deeltjes in een willekeurige richting weg. En eens in de zoveel tijd (ongeveer 1 op de 20.000 schoten, en ja, de wetenschappers telden handmatig) ketste een alfadeeltje af op het goud en sloeg terug in de richting waarin het was gekomen.

Gerelateerd: De 5 meest ingenieuze experimenten in de astronomie en natuurkunde

Ongelooflijk! Wat vertelden deze kleine deeltjes ons over goudatomen? De enige logische verklaring, zo concludeerden de onderzoekers, was dat het overgrote deel van de massa van het atoom geconcentreerd was in een heel klein volume. En deze “kern” moet positief geladen zijn. Aangezien de totale lading van het atoom neutraal moet zijn, moeten de elektronen heel erg klein zijn en zwemmen, in een losse wolk om die kern heen draaien of dansen.

Dus, als de alfadeeltjes erdoorheen knalden, troffen ze bijna altijd gewoon lege ruimte aan. Maar een zeer ongelukkig deeltje kon van de kern afvliegen – of erger nog, er frontaal tegenaan botsen – en de baan van de kogel dramatisch veranderen.

Dus, bijna honderd jaar nadat Dalton onomstotelijk het bestaan van het ondeelbare atoom had aangetoond, en op hetzelfde moment dat Einstein een manier had gevonden om die atomen rechtstreeks te meten, ontdekten Thomson en Rutherford dat het atoom helemaal niet ondeelbaar was. In plaats daarvan was het gemaakt van nog kleinere stukjes.

Dus, op hetzelfde moment dat we de atoomtheorie hard maakten, kregen we ons eerste voorproefje van de subatomaire wereld. Vanaf dat punt werd het een stuk rommeliger.

• Ultracold Atoms Provide Insight into Early Universe’s Dramatic Expansion
• The ‘Spooky’ Entangled Atoms Just Brought Quantum Computing One Step Closer
• Scientists Create ‘Star Trek’ Themed ‘Atom Art’

Lees meer door te luisteren naar de aflevering “How Did We Figure Out That Stuff Is Made Of Atoms?”op de “Ask a Spaceman” podcast, beschikbaar op iTunes en op het web op . Met dank aan Bill S. voor de vragen die leidden tot dit stuk! Stel je eigen vraag op Twitter met #AskASpaceman of door Paul te volgen @PaulMattSutter en facebook.com/PaulMattSutter. Volg ons op Twitter @Spacedotcom en op Facebook.