De elektron. Een bijzonder deeltje.

Transcriptie

1 Een elektron is een bezig deeltje. Het is veel meer dan zijn massa en lading doet vermoeden. Het bepaald van alle bekende atomen de eigenschappen en reactiviteit. En de zoektocht naar het elektron heeft ook vele andere ontdekkingen opgeleverd. De elektron Een bijzonder deeltje. Lennart Gernand

2 Inhoudsopgave Onderwerp Begrippenlijst Opbouw De elektron De plek van de elektron... 4 Geen schillen maar orbitalen Dirac... 5 Het majorana deeltje Niels Bohr Elementaire deeltjes Eigenschappen... 7 Ion binding... 7 Warmte en elektriciteit Atoom stabiliteit Waar staan we nu?... 8 Snaar theorie... 8 AllesOmvattendeTheorie... 9 Hubble Ultra Deep Field... 9 Einde... 9 Pagina 1 10

3 De les. Onderwerp. Het gaat over de elektronen. Wat zijn dat? En hoe belangrijk zijn ze voor de scheikunde als voor de natuurkunde. Begrippenlijst. 1. Periodiek systeem, perioden en groepen, atoomnummer Elektronen, -configuratie, -affiniteit, orbitalen, kwantum mechanisch model, elektromagnetische kracht Ionen, ionisatie, ionogene binding, gepolariseerde atoombinding, elektra, metalen, vrije elektronenparen Standaard model, Planck, Leptonen, bosonen, quarks Higgs, Snaartheorie. 2 Totaal aan begrippen: 22. Opbouw. Zoals uit de lijst zichtbaar is zijn de begrippen opgedeeld in 5 groepen. Dit is ook de onderverdeling in mijn presentatie. Waarin: Ad 1. Opstarten met wat er is bedacht lang geleden en hoe het is onderverdeeld. Ad 2. Wat doen die elektronen en hoe bestaan ze. Waar zitten ze? Wat kunnen ze? Wat is erover bekend, in een tijdlijn. Ad 3. Gevolg van deze gedragingen van de elektronen. Nu de elektron zijn bestaan heeft kenbaar gemaakt, wat is nu het resultaat. Wat kan de elektron en waar is hij verantwoordelijk voor? Wat wordt er allemaal aan de elektron toegeschreven? Ad 4. Waar zijn we nu? En met welk model leven we nu? Weten we nu alles? Kunnen we nog meer ontdekken over dit deeltje? Ad 5. Welke theorieën zijn er voor de toekomst? Buiten de elektron, waar zijn we met de verklaring van ons bestaan terecht gekomen. Welke theorieën zijn er? Pagina 2 10

4 De elektron. Figuur 1. Een afbeelding van het originele manuscript van Mendelejev zijn periodiek systeem. Als eerste in mijn verhaal is Mendelejev. Hij rangschikte de bestaande atomen op atoommassa, later is dit atoomnummer geworden. Maar hij kwam erachter dat de eigenschappen van de stoffen af te leiden is uit het rangschikken van de atomen op atoommassa. Maar wie bepaalt de eigenschappen van een atoom? Zijn massa? Een elektron is vertaald uit het oud-grieks en betekend niets anders dan een barnsteen dat door wrijving elektrisch geladen word. Maar de oude grieken wisten niet dat er elektronen waren. Wel wisten ze dat je een stof kon blijven delen totdat het niet kleiner kon worden, een atoom werd dat toen genoemd. Maar Rutherford kwam met het huidige atoommodel. Een positief geladen kern met een negatief geladen wolk. Rutherford wist in 1911 een experiment uit te voeren waarbij hij alfa-deeltjes op een goudfolie schoot. Hierdoor kon hij door de verstrooiing van de alfadeeltjes berekenen en bepalen dat er een hele kleine en dichte positief geladen kern was. Met daaromheen een negatief geladen wolk. Maar waar deze uit bestonden was nog niet duidelijk. Niels Bohr kwam in 1913 met zijn model. Een kern met daaromheen een wolk met elektronen, de protonen en neutronen waren nog niet ontdekt. Dit is het model van Bohr: Pagina 3 10

5 In order to explain the results of experiments on scattering of α-rays by matter, Prof. Rutherford has given a theory of the structure of atoms. According to this theory, the atoms consist of a positively charged nucleus surrounded by a system of electrons kept together by attractive forces from the nucleus; the total negative charge of the electrons is equal to the positive charge of the nucleus. Further, the nucleus is assumed to be the seat of the essential part of the mass of the atom, and to have linear dimensions exceedingly small compared with the linear dimensions of the whole atom. The number of electrons in an atom is deduced to be approximately equal to half the atomic weight. Great interest is to be attributed to this atommodel; for, as Rutherford has shown, the assumption of the existence of nuclei, as those in question, seems to be necessary in order to account for the results of the experiments on large angle scattering of the α-rays De plek van de elektron. In 1913 was Bohr die het standaard model van de atoom ontwikkelde. Dit deed hij naar aanleiding van het experiment dat Rutherford deed. Zijn model is nog steeds het gangbare model dat op middelbare scholen wordt gedoceerd. Verder kwam bij tot de conclusie dat de elektronen in schillen zaten op de kern heen, dus niet at ramdom. En elke schil had een maximaal aantal mogelijkheden om elektronen te huisvesten. Bohr wist al dat er verschillende schillen waren. Hij gaf elke schil ook al een naam. Nu werd er veel meer duidelijk. Dit in combinatie met het periodiek systeem maakte de deeltjes steeds beter te rangschikken. Het werd duidelijk. Schil K L M N O P Q Nummer (n) Max. bezetting (2n 2 ) Tabel 1. Het schillen-model van Bohr zoals hij deze heeft opgesteld in Hierin is duidelijk te zien dat hij duidelijk kon zien dat er verschillende schillen verschillend aantal elektronen kon bevatten. Waarom dit zo was, was toen nog niet duidelijk. Geen schillen maar orbitalen. Elektronen kunnen niet overal rond de kern voorkomen. Ze zitten gevangen in orbitalen. Een orbitaal is een gebied waar de kans om een elektron aan te treffen 'groot' is. Het is dus te begrijpen als een waarschijnlijkheid, een kans. Deze waarschijnlijkheidsfunctie komt voor uit de kwantumtheorie. Eén van de basisprincipes van de kwantumtheorie zegt dat je van een elektron nooit tegelijkertijd de plaats én de snelheid kan kennen. Dit noemt men het onzekerheidsprincipe van Heisenberg. Je hebt s-, p- en d-orbitalen. De vorm ervan wordt bepaald door de golfvergelijking van Schrödinger. Het nummer van de schil waar een elektron zich op bevindt noemt men het eerste kwantumgetal voor dat elektron. Het tweede kwantumgetal is het type orbitaal waarin het zicht bevindt. Elektronen draaien ook in een bepaalde richting. Men noemt dit spin! De spin bepaald het Pagina 4 10

6 derde kwantumgetal. Om alle kwantumgetallen te vervolledigen is er ook nog een vierde, het magnetisch kwantumgetal. De vier kwantumgetallen samen vormen als het ware het paspoort van een elektron. Als je ze alle vier kent weet je ook tot welk element het elektron behoort. Figuur 2. De singel elektron orbitalen. Dit zijn de mogelijke orbitalen die een elektron kan aannemen. Naast deze zijn er ook nog meerdere orbitalen mogelijk en meerder schillen. Maar we gaan niet te diep in op deze orbitalen, dat is voor de geniën onder ons. Hier hoort namelijk een hogere wiskunde natuurkunde bij. Dirac Een wiskundig genie. Hij ontketende een gigantische reactie over het besef van de deeltjes. Wiskundig kon hij namelijk deeltjes vangen in een vergelijking. Vergelijking 1: Dirac-vergelijking van een vrije elektron. [( ħ i c t ) α ( ħ i x ) α mc] ψ(x, t) = 0 Op deze manier voorspelde hij ook deeltjes die nog niet waren ontdekt. In 1937 was Majaorana een italiaan zo gek om de dirac-vergelijking aan te passen en kreeg zo een deeltje dat niet was ontdekt tot 2012 door Leo van Kouwenhoven dit deed. Het bijzondere van deze vergelijking van Dirac (vergijking 1) is dat dit een vergelijking is die voort komt uit de speciale relativiteits theorie en een achtergrond heeft van de quantum mechanica. Het majorana deeltje. Een Majorana-deeltje of Majorana-fermion is een type fermion dat zijn eigen anti-deeltje is. Het andere type fermion heet Dirac-fermion, dat verschilt van zijn anti-deeltje. Tot dusver zijn alle fermionen in het standaardmodel van de deeltjesfysica Dirac-fermionen, behalve eventueel de neutrino's. Deze zijn wellicht Majorana-fermionen. In dat geval zou het elektron-antineutrino gelijk zijn aan het elektronneutrino. Of het neutrino een Majorana-fermion is, is niet bekend. Er zijn wel Pagina 5 10

7 verschillende bosonen die hun eigen anti-deeltje zijn, zoals het Z-boson en het foton. (Creative Commons, 2013). Tot op heden past het Majorana deeltje niet in het systeem der elementaire deeltjes. Het is ook een redelijk bijzonder geval. Het begeeft zich namelijk op de grens van materie en anti-materie. En ze spelen mogelijk ook een rol in de kosmologie. Een gangbare theorie veronderstelt dat de mysterieuze donkere materie, die het grootste deel van het heelal vormt, uit Majorana fermionen bestaat. (Webredactie M&C, 2012). Niels Bohr Figuur 3. De schillen van een atoom, wederom is dit een model. In het echt zijn de schillen van veel complexere vormen. De man die het schillen model ontwikkelde aan de hand van het goudfolie experiment van Thomson. Dit sterk vereenvoudigde model van de atoom met zijn banen elektronen wordt nog steeds regelmatig gedoceerd aan de jeugd. Mede omdat het zo eenvoudig is, en mede omdat het goed voor te stellen is. Dit model geeft ook aan hoeveel elektronen er per schil om de kern kunnen draaien. Een schil heeft een maximaal aantal elektronen. En per atoom is het aantal elektronen verschillend, dus ook de bezettingsgraad. Deze bezetting wordt op een bijzondere manier gevuld. Niet schil voor schil, maar per energie niveau. En in sommige gevallen is de eerste elektron in een volgende schil van een lagere energie dan de laatste elektron in de huidige schil. Het vullen van deze schillen, vanaf gaat dan ook volgens het aufbau-principe. Hiervoor is in figuur 3 een voorbeeld gegeven. Schil 1 en 2 worden in volgorde gevuld. Maar na 3p wordt niet 3d gevuld, maar gaan we naar schil 4s, om dan weer terug te keren naar schil 3d. Het energie niveau per elektron is dus niet alleen afhankelijk van de schil! Pagina 6 10

8 Figuur 4. Het aufbau schema, daarin is goed te zien hoe de schillen van een atoom wordt opgebouwd. Met elke nieuwe elektron wordt er een volgend plekje gezocht. Elementaire deeltjes. Dit zijn niet, zoals lang gedacht de atomen, maar de deeltjes waaruit de atomen bestaan. En niet alleen de atomen bestaan daaruit, ook andere energie vormen. Deeltjes die we nauwelijks kunnen vangen, omdat die overal doorheen gaan. En een van deze deeltjes is de elektron. Andere bekende zijn: De Foton, het Neutrino en bij sommige van ons het Higgs Boson, hoewel die nog niet helemaal vast staat! Het is dus duidelijk dat de elektron een elementair deeltje is en nog belangrijker, zal later ook blijken, samen met de proton het atoom en zijn eigenschappen bepaald. De interactie tussen twee atomen of moleculen is grotendeels afhankelijk van de elektron. Eigenschappen Ion binding De elektron is om te beginnen verantwoordelijk voor de ion binding. Een binding tussen twee atomen die een elektron uitwisselen. Een atoom wil heel graag dezelfde elektronen configuratie hebben als een eldegas. Dat betekend dat de buitenste schil vol is. Wanneer de buitenste schil een elektron mist om vol te zijn, dan is het hoogst waarschijnlijk dat dit atoom een elektron wil opnemen, om zo de buitenste schijnbaar vol te krijgen. Hetzelfde geld wanneer er maar één elektron in de buitenste schil zit, dan wil dit atoom die elektron heel graag kwijt, zodat het atoom de buitenste schil schijnbaar vol heeft. Een goed voorbeeld hiervan is Natrium en Chloor. Natrium wil heel graag zijn enkele elektron in de buitenste schil kwijt raken, en chloor wil heel graag een elektron in de buitenste schil erbij hebben. De mate waarin een elektron zijn atoom wil verlaten, of wil adopteren/afstaan is afhankelijk van de ionisatie energie. Per atoom is dit verschillend. En bij de edelgassen is het zo dat het afstaan van een elektron heel veel energie kost. Pagina 7 10

9 Warmte en elektriciteit. Dit is ook een eigenschap welke afhankelijk is van de vrijheid die elektronen hebben in een materiaal. Metalen bestaan uit een rooster, dat wil zeggen dat alle kernen van de atomen in een raster zitten en zo het materiaal vormen. De elektronen die dan in de buitenste schil zitten kunnen dan vrij bewegen en stroom of warmte (een andere energievorm) gemakkelijk overdragen. Figuur 5.Alle elementaire deeltjes die we nu kennen. Allemaal. Op het moment denken de natuurkundige dat het niet kleiner kan. Maar dat dachten we ook van de moleculen een aantal jaar geleden. Atoom stabiliteit. Hiermee wordt niet radioactiviteit bedoeld, maar de mate waarin een atoom met een ander atoom wil reageren. Enkele voorbeelden zijn de alkalimetalen. Dit is een groep in het periodiek systeem waarbij de atomen één elektron hebben in de buitenste schil. Deze stoffen willen zo graag reageren met de omgeving, met name met zuurstof, om die enkele elektron maar kwijt te raken. Deze atomen, zeker in de onderste periode, zijn zeer reactief. En enkel omdat ze, volgens de edelgas configuratie, een elektron teveel hebben in de buitenste schil. Waar staan we nu? Al het bovenstaande, op het majorana-deeltje na, zijn beproefde theorieën die in de praktijk zijn bevestigd door metingen en zo een plek hebben gekregen in het systeem de elementen. De toekomst is nog vol met theorieën over de wereld en het universum. Ook de deeltjes-fysica is nog lang niet klaar en heeft er elke dag een berg vragen bij gekregen. Enkele theorieën waarvan ik weet heb, niet snap of kan uitleggen, maar weet staan hieronder kort omschreven. Let wel, het zullen wellicht meer vragen oproepen dan antwoorden. Snaar theorie Alles is met elkaar verbonden dmv snaren, hele dunne snaren, vergelijkbaar met snaren van een gitaar. Deze snaren zijn zo dun, dat wanneer je een zandkorrel zou uitvergroten tot het huidige universum een snaar een dikte zal hebben van een mensenhaar. Deze theorie is hoofdzakelijk van Pagina 8 10

10 wiskundige aard omdat in deze theorie 11 dimensies zitten (Greene, 2003). Terwijl sommige van ons bezig zijn met de 4 de dimensie, slaat deze theorie een paar stappen over, AllesOmvattendeTheorie Een theorie waarin alle vier de fundamentele krachten samenkomen. Het is tot op heden onverklaarbaar waarom de krachten de gegeven magnitude hebben. Hoe zit dat? En waarom is de zwaartekracht zo zwak? Dark Matter & Dark Energy Wanneer we het uitdijende heelal opmeten en de verschillende snelheden van enkele grote stelsel bekijken dan blijkt dat de hoeveelheid energie en materie, die wij kunnen zien, niet genoeg is om alle bewegingen te verklaren. Er is dus meer energie en materie in het heelal dat wij niet kunnen zien. De laatste berekeningen vertellen ons het volgende: 70% dark energy 25% dark matter 5% visible energy & matter Hubble Ultra Deep Field De hubble telescoop heeft in 1995 van 18 december tot en met 28 december tien dagen zijn lens open gehad op een heel klein donker stukje heelal, een stukje waarvan men dacht dat daar niks zat. En wat bleek, er kwam een foto, die Hubble Deep Field werd genoemd waarin honderden volledige melkweg stelsels werden geteld. Dit was nog maar het begin, later werd het Hubble extreme deep field en als laatste, na de hardware upgrade van de telescoop in 2009 kwam de hubble ultra deep field. Op deze zeer bijzondere foto s zijn galaxies te zien die, zover wij weten enkele miljarden jaren oud zijn, maar het gekke is, deze galaxies zenden licht uit dat 13,2 miljard jaar oud is. Terwijl het heelal, volgens de laatste metingen (De Bernardis, Melchiorri, Verde, & Jimenez, 2008), 13,8miljard jaar oud is. Hoe is dit mogelijk??? Einde Pagina 9 10

11 Bibliografie Chemie Overal. (?,??). chemie overal. Opgehaald van sites.google.com: Creative Commons. (2013, oktober). elektron. Opgehaald van wikipedia: Creative Commons. (2013, maart). majorana. Opgehaald van wikipedia: De Bernardis, F., Melchiorri, A., Verde, L., & Jimenez, R. (2008). The cosmic neutrino background and age of the universe. journal of cosmology and astroparticle physics, Greene, B. (Auteur), Cort, J., & Joseph, M. (Regisseurs). (2003). the elegant universe [Film]. Mols, B. (2009). Eindelijk gemaakt: een atoom als een miniatuurzonnestelsel. NRC Handelsblad,? paard, S. t. (Regisseur). (2012). het majoranadeeltje [Film]. Opgehaald van Webredactie M&C. (2012, april 12). Nanowetenschappers vinden langgezocht Majorana-deeltje. Opgehaald van Pagina 10 10