Hart van de Materie 11: Van Rutherford naar Bohr: het atoommodel groeit op

Nu we meer weten over de samenstelling van de kern, wordt het tijd om weer de blik op het hele atoom te richten. Tijdens de eerste vijftien jaren van de twintigste eeuw volgden er een hele reeks modellen, waarvan we er reeds een aantal belichtten. Dus, hoewel we met het neutron reeds in 1936 waren aanbeland, keren we nog even op onze stappen terug en zetten we de verschillende atoommodellen nog eens op een rijtje.

We beginnen hierbij met het model van Gilbert Lewis. Hij ontwikkelde in 1902 zijn kubische model. Elk atoom wordt in dit model voorgesteld als een kubus waarvan de hoekpunten bezet kunnen worden door elektronen. Hij publiceert dit echter pas in 1916, in een briljante paper waarin ook typische chemische concepten als de octetregel en de Lewisstructuur worden uiteengezet. Volgens Lewis bestaat een atoom uit een essentieel binnenste deel (de kernel) dat niet deelneemt aan de chemische reactie en als geheel positiever geladen is dan het normale atoom, en een buitenste deel (de shell), die van nul tot en met acht elektronen kan bevatten. In moderne termen – die kernel bestaat uit het atoom zonder de buitenste laag elektronen (en daarvan zijn er maximaal acht aanwezig). Die acht elektronen zitten, nog volgens Lewis, symmetrisch ingeplant rondom die kernel. Bij wijze van voorbeeld zijn hier de voorstellingen van de elementen van de tweede periode (lithium tot fluor).

Lewis, G. N. The Atom and the Molecule. J. Am. Chem. Soc. 1916, 38, 762-785. Publiek domein.

Covalente enkelvoudige bindingen worden volgens dit model gevormd wanneer twee atomen twee hoekpunten (elektronen) delen, zoals in structuur C hieronder. Ionbindingen worden gevormd door de overdracht van een elektron vanuit één atoom naar een ander. Dit elektron behoort daarbij volledig toe aan zijn nieuwe eigenaar, en de twee atomen delen geen enkel hoekpunt (A). Een tussenliggende staat B met een verdeling van een enkel elektron werd ook gepostuleerd door Lewis.

Lewis, G. N. The Atom and the Molecule. J. Am. Chem. Soc. 1916, 38, 762-785. Publiek domein.

 

Na Wereldoorlog I (in 1919) werkte Irving Langmuir hierop verder en definieerde de begrippen valentie-elektron (elektron in de buitenste zone van het atoom, betrokken in de chemische reacties met andere atomen) en valentieschil (de zone waarin de valentie-elektronen zich bevinden). Tegen dan was de algemene kennis van de atoomstructuur op zich verder ontwikkeld (en zoals we later zullen bespreken, was er ook een nieuwe manier bedacht om over de plaats van de elektronen rond de kern na te denken). Het kubische model heeft zo op zich weinig bijgedragen aan ons begrip van atoomstructuur, maar was van cruciaal belang bij het begrijpen van de chemische binding en de structuur van moleculen.

Links: Gilbert N. Lewis (23 oktober 1875 - Weymouth, Massachusetts,USA ; 23 maart 1946 – Berkeley, Californië, USA).
Lewis werd opgeleid aan de Universiteit van Nebraska en later aan Harvard, waar hij ook enkele jaren praktijkvakken verzorgde. Na een jaar op de Fillippijnen verkreeg hij een positie op het MIT. In 1912 vertrok hij daar en werd professor in fysische scheikunde aan de Universiteit van Californië, te Berkeley. Zijn belang voor de scheikunde kan niet worden overschat: hij droeg bij aan de thermodynamica van chemische reacties, ontwikkelde mee de theorie achter de covalente binding (waar Linus Pauling dan op voortborduurde) en stelde een vernieuwde theorie voor de activiteit van zuren en basen voor. Hij was de eerste die zwaar water (met deuterium op de plaats van neutronenloze waterstofatomen) produceerde, en stelde de term foton voor als eenheid van licht.

Ofschoon de man wellicht een van de best bekende chemici is (toch zeker bij een schoolgaand publiek dat Lewisformules moet leren tekenen), heel wat bijgedragen heeft aan de scheikunde en maar liefst 41 maal genomineerd was voor de Nobelprijs, heeft hij de begeerde medaille nooit gekregen. Hij overleed in zijn labo aan een dosis blauwzuur. Of het een ongeval, dan wel zelfmoord was, is nooit echt duidelijk geworden.

Rechts: Originele nota’s van Gilbert Lewis over zijn kubisch atoommodel (uit 1902). Foto’s beide publiek domein.

 

Na Wereldoorlog I (in 1919) werkte Irving Langmuir hierop verder en definieerde de begrippen valentie-elektron (elektron in de buitenste zone van het atoom, betrokken in de chemische reacties met andere atomen) en valentieschil (de zone waarin de valentie-elektronen zich bevinden). Tegen dan was de algemene kennis van de atoomstructuur op zich verder ontwikkeld (en zoals we later zullen bespreken, was er ook een nieuwe manier bedacht om over de plaats van de elektronen rond de kern na te denken). Het kubische model heeft zo op zich weinig bijgedragen aan ons begrip van atoomstructuur, maar was van cruciaal belang bij het begrijpen van de chemische binding en de structuur van moleculen.

Irving Langmuir (31 januari 1881, Brooklyn, New York, U.S. – 16 augustus 1957, Woods Hole, Massachusetts, U.S.)
bij de toekenning van zijn Nobelprijs in 1932. 
Bron: de Nobelstichting, Publiek domein.

Over het plumpuddingmodel van Thomson hadden we het al eerder, net als over het model waar Rutherford in 1911 de kern mee introduceerde. Nu was Rutherford eigenlijk niet de eerste die met het concept van een atoomkern voor de dag kwam, maar wel de bekendste (omdat er op zijn model is doorgewerkt). In 1904 had de Japanse onderzoeker Hantaro Nagaoka echter reeds een model naar voren geschoven, waarin de elektronen cirkelden rond een zware kern, in ringen zoals die van de planeet Saturnus. Naar analogie met de ringen van deze planeet, die gestabiliseerd worden door hun aantrekking door de planeet Saturnus (via de zwaartekracht), postuleerde Nagaoka ook een zware kern in het hart van het atoom. Hij had hierin alvast gelijk. Andere details van het model zijn onjuist. Waar er wat zwaartekracht betreft geen afstotende kracht bestaat, is die er wel tussen gelijkaardige ladingen. Negatief geladen ringen van elektronen zouden mekaar afstoten. De energetische kost voor het in stand houden van de ringen zou daarom bijzonder hoog geweest zijn. Nagaoka verliet zijn model in 1908.

Het Saturniaanse model van Nagaoka

Maar ook de aanpassingen van Rutherford, die de elektronen op verschillende banen in verschillende richtingen legt, snijden geen hout. Het is immers in tegenspraak met de wetten van Maxwell. Die zeggen immers, dat een lading die een versnelling ondergaat, elektromagnetische straling moet produceren. Een elektron dat rond een kern draait, ondergaat een centripetale kracht en dus een versnelling… Het deeltje zou dan straling moeten uitsturen en daardoor energie verliezen, en uiteindelijk neerstorten op de kern, als een satelliet waarvan de energievoorraad is uitgeput.

De eenparig cirkelvormige beweging. We begrijpen versnelling allemaal intuïtief als een verandering van snelheid. Gaat het over een lineaire beweging (onze wagen op een recht stuk autosnelweg), dan is versnelling inderdaad een verandering van de grootte van de snelheid. Bij een cirkelvormige beweging (zoals op een paardenmolen, of in een bocht) verandert onze snelheid echter ook, maar niet in grootte maar in richting. We blijven in een bocht bewegen omdat we op een of andere manier naar het centrum van de cirkel waarop we draaien, worden aangetrokken. De kracht die deze aantrekking veroorzaakt, is een zogenaamde centripetale of middelpuntszoekende kracht (de blauwe pijl op het schema).

 

Rutherfords model zou daarom snel vervangen worden door een nieuw model – het Rutherford-Bohr-model (vaak gewoon Bohrmodel genoemd) dat hij in 1913 samen met de Deen Niels Bohr naar voren schoof. Voor we dat echter kunnen uitleggen, moeten we (voor de laatste maal in dit verhaal) terug naar de start van de twintigste eeuw, waar de fysica op dat moment grondig door mekaar wordt gehaald door de pioniers van de kwantummechanica.

 

Geplaatst door Geert op 15/04/2017 om 17:12