Atomen

Atomen zijn opgebouwd uit protonen, neutronen en elektronen. De kern of nucleus van een atoom bestaat uit protonen en neutronen. De protonen in de kern geven een atoom een positieve lading. De positieve lading van een proton trekt een negatief geladen elektron aan. Deze elektronen bevinden zich rondom de kern in schillen. Deze (elektronen)schillen nemen ongeveer 99,9% van de ruimte van een atoom. De diameter van een atoom wordt dus bepaald door de diameter van de elektronenschillen. De schillen zijn wel honderdduizend (10⁵) maal zo groot als de kern. Elektronen zijn nog weer kleiner dan protonen en neutronen. Atomen worden veelal vereenvoudigd weergegeven zoals te zien is in figuur 1. Deze schematische weergave weerspiegeld echter niet de realiteit, maar is een schematische weergave dat voor didactische (educatieve) doeleinden wordt gebruikt. Het weergeeft namelijk dat elektronen zich rondom de kern bevinden.

Figuur 1: Vereenvoudigde weergave van een atoom. Deze is opgebouwd uit een kern en elektronen.

In het figuur is namelijk te zien dat de protonen in een kern een positieve lading dragen en de elektronen een negatieve lading. Een gelijke negatieve- en positieve lading heffen elkaar op en vormen een neutraal atoom dat bij elkaar wordt gehouden door elektromagnetische (straling) energie. Voor elke proton in de kern is dus een elektron nodig om de lading te neutraliseren. Toch is het niet zo dat alle atomen het meest stabiel zijn wanneer de lading neutraal is. Deze atomen komen in de natuur dan ook veelal voor als geladen deeltjes of ionen. \[\mathrm{\underbrace{X}_{atoom}\ \underbrace{X^{-}of\ X^{+}}_{ion}}\] Atomen hebben namelijk een neiging om alle elektronenschillen zoveel mogelijk op te vullen met elektronen. Om beter te begrijpen hoeveel schillen alle elementen (atomen) hebben is het goed terugkerende patronen te herkennen.

Atomen vertonen terugkerende eigenschappen. Daarom zijn alle atomen ingedeeld in een tabel genaamd het periodiek systeem der elementen (zie figuur 2). Een meer volledige versie van het periodiek systeem is weergegeven in Binas tabel 99. De eerste versie van het periodiek systeem is gepubliceerd in 1869 door de Russische scheikundige Dmitri Ivanovitsj Mendelejev en deze is met de tijd meer steeds verder aangevuld. In de tabel zijn de deeltjes gesorteerd op het aantal protonen in de kern. Dus de naam van een atoom is dan ook gebaseerd op hoeveel protonen de kern bevat. Maar het valt op dat alle deeltjes niet allemaal naast elkaar staan, maar zijn ingedeeld in groepen.Zo weergeeft elk kolom een groep. Zo geeft de eerste kolom (op waterstof na) de alkalimetalen aan. Deze groepen hebben dezelfde eigenschappen. De rijen in het periodieksysteem weergeven de periodes. De eigenschappen van de elementen herhalen zich in elke periode.

Figuur 2: Periodiek systeem der elementen. Het atoomnummer is weergeven linksonder het symbool.

Het atoomnummer is gelijk aan het aantal protonen in de kern. Zo heeft waterstof maar een proton en dus is het atoomnummer ook 1. Helium heeft twee protonen, dus heeft atoomnummer 2, enzovoort. Het periodiek systeem in de Binas (tabel 99) is meer uitgebreid en bevat ook de atoommassa, elekronenconfiguraties en ladingen. Wanneer een element geladen is heet het niet meer een atoom, maar een ion.

Eerder werd benoemd dat de lading van een atoom komt door het verschil in aantal protonen en elektronen. Wanneer een atoom geladen is (ion) dan wordt alleen het aantal elektronen aangepast, niet het aantal protonen, want dit zou het element veranderen. Wanneer een atoom meerdere protonen bevat dan elektronen dan krijgt het een positieve lading en heet het ook wel een kation. Wanneer het aantal elektronen de meerderheid vormen dan krijgt het atoom een negatieve lading en heet het een anion. Neem waterstof als voorbeeld, deze kan een positieve lading hebben en een negatieve lading. Dus de ladingen +1 en −1 in waterstof kunnen we dan weergeven als H⁺ en H⁻ (zie figuur 3).

Figuur 3: Verschillende ladingen van waterstof.

Hier zijn geen getallen voor de lading geplaatst, want deze hoeven niet worden te worden opgeschreven wanneer de lading +/−1 is, wanneer de lading groter is dan één dan wordt het getal wel achter de lading vermeld. Zuurstof heeft bijvoorbeeld altijd twee negatieve ladingen, dit wordt dan geschreven al O²⁻. In andere woorden, de lading zegt dat er twee elektronen in overschot zijn.

Naast de protonen dat de kern een positieve lading geeft bestaat deze ook uit neutronen. Neutronen hebben geen lading en dragen dus ook niet bij aan de lading van het atoom zoals dat wel te zien is bij protonen en elektronen. De kern kan dan ook verschillende aantal neutronen hebben. Atomen met een verschillende aantal neutronen heten isotopen (zie Binas tabel 25). Om isotopen van elkaar te onderscheiden worden deze genoteerd met een superscript voor het element waarin zowel het aantal protonen als neutronen zijn weergegeven, dit heet ook wel het massagetal. Dus een alternatieve definitie van isotopen zijn dezelfde deeltjes met verschillende massagetallen. Soms wordt voor de duidelijkheid het atoomnummer onder het massagetal geschreven om aan te geven hoeveel protonen de het isotoop bevat. Zo kan worden gesteld van deeltje X: \[\ {_{atoomnummer}^{massagetal}}X \] Een alternatieve schrijfwijze is door het massagetal te schrijven achter de naam. Zo kan bijvoorbeeld \(\mathrm{ {_{20}^{40}}Ca }\) worden geschreven als calcium-40.
Let op: het massagetal is niet gelijk aan de atoommassa(!)

Het aantal neutronen in de nucleus heeft invloed op de stabiliteit van het atoom. Zo is bijvoorbeeld lood met 125 neutronen erg onstabiel, maar lood met 206 neutronen juist erg stabiel. Bij atomen met een erg onstabiele kern kan deze uit elkaar vallen. Zo kunnen neutronen en protonen van de kern worden afgesplitst. In het geval de isotoop spontaan uit elkaar valt wordt er gesproken over radioactief verval.