Hoeveel verschillende atomen zijn er?

Hoeveel verschillende atomen zijn er?
Atoomsoorten, ook wel chemische elementen genoemd, zijn een oude jeugdhobby van me. Als ik iets tegenkom dat me interessant lijkt voor een wat groter publiek, post ik het hier. Wat steeds weer op zal duiken is de kreet Periodiek Systeen der Elementen waarin alle atoomsoorten op een slimme manier geordend zijn op basis van hun kernlading. Een geniaal idee van de Russische scheikundige Dmitri Mendelejev, in 1869. De kernlading, ook wel atoomnummer genoemd, staat bovenin het vakje. Zo hoort nummer 28 bij het element nikkel, door chemici afgekort tot Ni. Een nikkelatoom heeft dus 28 protonen in zijn kern, en verder een vergelijkbaar aantal ongeladen neutronen om de 28 positief geladen protonen bij elkaar te houden. 

Hoeveel verschillende atomen zijn er? Aflevering 9.

January 26, 2021

Nuclear physicist's voyage toward a mythical island

by Lund University Credit: Pixabay/CC0 Public Domain

Theories were introduced as far back as the 1960s about the possible existence of superheavy elements. Their most long-lived nuclei could give rise to a so-called "island of stability" far beyond the element uranium. However, a new study, led by nuclear physicists at Lund University, shows that a 50-year-old nuclear physics manifesto must now be revised.

The heaviest element found in nature is uranium, with a nucleus containing 92 protons and 146 neutrons. The nuclei of heavier elements become more and more unstable due to the increased number of positively charged protons. They therefore decay faster and faster, usually within a fraction of a second.

A "magical" combination of protons and neutrons may however lead to elements with rapidly increasing lifetimes. Just such a "magical" number of protons has long been predicted for the element flerovium, which has the atomic number 114 in the periodic table. In the late 1960s a theory was introduced by Lund physicist Sven-Gösta Nilsson, among others, that such an island of stability should exist around the then still undiscovered element 114.

"This is something of a Holy Grail in nuclear physics. Many dream of discovering something as exotic as a long-lived, or even stable, superheavy element," says Anton Såmark-Roth, doctoral student of nuclear physics at Lund University.

Inspired by Nilsson's theories, the researchers have studied the element flerovium in detail and made ground-breaking discoveries. The experiment was conducted by an international research team led by Dirk Rudolph, a professor at Lund University.

Within the framework of the research program FAIR Phase-0 at the particle accelerator facility GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt, Germany, up to 6 1,018 (6,000,000,000,000,000,000) calcium-48 atomic nuclei were accelerated to 10% of the speed of light. They bombarded a thin film of rare plutonium-244 and, through atomic nuclear fusion, flerovium could be created, one atom at a time. In the 18-day-long experiment, the research team then registered radioactive decay of some tens of flerovium nuclei in a detection device specially developed in Lund.

Through the exact analysis of decay fragments and the periods within which they were released, the team could identify new decay branches of flerovium. It was shown that these could not be reconciled with the element's previously predicted "magical" properties.

"We were very pleased that all the technology surrounding our experimental set-up worked as it should when the experiment started. Above all, being able to follow the decay of several flerovium nuclei from the control room in real time was very exciting," says Daniel Cox, postdoc in nuclear physics at Lund University.

The new results, published in the research journal Physical Review Letters, will be of considerable use to science. Instead of looking for the island of stability around the element 114, the research world can focus on other as yet undiscovered elements.

"It was a demanding but, of course, very successful experiment. Now we know, we can move on from element 114 and instead look around element 120, which has not been discovered yet. Now the voyage to the island of stability will take a new course," concludes Anton Såmark-Roth.

26 jan 2021

Synthesizing new superheavy elements to open up the eighth period of the periodic table. Aflevering 8.


Figure 1: Simulation showing a smaller nucleus (nickel in this case) fusing with a larger one (gold). Nuclear physicists at RIKEN have proposed a new way to estimate the optimum incident energy for synthesizing new superheavy elements that will open up the eighth period of the periodic table. Credit: JENS KONOPKA & HENNING WEBER/SCIENCE PHOTO LIBRARY

Measurements of collisions between small and large atomic nuclei by RIKEN physicists will inform the quest to produce new elements and could lead to new chemistry involving superheavy elements.

Two tantalizing goals lie nearly within the grasp of experimental nuclear physicists. One is to break into the eighth row of the periodic table. So far, scientists have made all the elements in the first seven rows—from hydrogen (one proton) to oganesson (118 protons). Thus, synthesizing heavier elements will open up new ground.

The other goal is to locate the 'island of stability' in the sea of superheavy nuclei. Superheavy elements generally become more unstable the more protons they contain. For example, the most stable isotope of nihonium (113 protons) has a half-life of nearly eight seconds, whereas that of oganesson is a mere 0.7 milliseconds. But theorists think that this trend will change for nuclei lying just beyond oganesson. They conjecture that a particularly stable nucleus exists that is 'doubly magic," having magic numbers of both protons and neutrons. Long-lived superheavy elements will open up a new type of chemistry, which involves more protracted reactions.

To realize these goals, experimentalists need to determine how to maximize their chances of producing superheavy nuclei since it is estimated to take more than three months to synthesize a single atom. To do this, they need to know the repulsive force two nuclei experience when they approach each other due to the attractive force of the nuclear potential.

Now, Taiki Tanaka of the RIKEN Nishina Center for Accelerator-Based Science and co-workers have measured this repulsion by firing small nuclei (neon, magnesium and calcium) at large ones (curium and uranium) and measuring how they scattered.

They discovered that the repulsive barrier is mostly affected by the deformation of the larger nucleus, which is shaped like a rugby ball. Comparison with the excitation functions for producing known superheavy elements suggests that firing the smaller nucleus such that it approaches the side of the deformed larger nucleus will be the most effective strategy for producing new superheavy nuclei.

If this trend holds for heavier nuclei then the optimum energy of the smaller nucleus can be determined just by measuring the repulsive barrier of the larger nucleus, which only takes about a day. "From this systematic study, we've proposed a new method to estimate the optimum incident energy to synthesize a new element," says Tanaka.

The team plans to use this knowledge to make new superheavy elements. "In the short term, we will try to make new elements such as elements 119 or 120," explains Tanaka. "In a decade or two, we want to reach the island of stability, but we're not sure where it is."


Wat doen we met al die verschillende atomen? Aflevering 7.

Overgenomen van een webbericht van het populair wetenschappelijke tijdschrift Discover.

When it comes to the elements, humans are pretty good at ensuring that nothing goes to waste. We’ve put nearly every element on the periodic table to work,whether it’s fueling chemical reactions within our bodies or propelling payloads to orbit.

We all know what some of the 118 elements are used for — we breathe oxygen, pourchlorine in our swimming pools and wrap gold around our fingers — but what about some of the more underrated members of the periodic table? Take, for example,yttrium, hafnium and samarium — did you even know they existed?

This interactive periodic table from Seattle-based designer Keith Enevoldsen puts the elements in the context of their uses, making for a far more relevantway to study chemistry.Along with the name and atomic number of each element, Enevoldsenadded helpful graphics and a short explanation of how each element is put to use. Some of those more obscure elements play fundamental roles in shaping modern-day society: lighter flints use cerium, smoke detectors have americium inside, and color televisions need Europium to function.

A few elements have no current uses, such as protactinium and berkelium. The short-lived, man-made elements starting with einsteinium have no uses at the moment either, as they don’t stick around long enough for scientists to experiment on them. As the search for new elements continues, however, we may yet find something useful, especially if researchers ever happen upon the “island of stability” a point where large elements become stable enough to stick around again.

Met name de link naar het Periodiek Systeem van Enoldson is de moeite waard!


Superzware elementen: dichtbij het Eiland van de Stabiliteit. Aflevering 6.

Onderstaande tekst is afkomstig van Scientific American, 7 mei 2014.

Atoomkernen met meer dan 92 atomen (uranium) komen in de natuur niet voor of zijn in ieder geval nooit waargenomen. Deze superzware elementen,ook wel trans-uranen genoemd kunnen wel in het laboratorium worden gemaakt. Beschreven wordt hoe onderzoekers er in zijn geslaagd om element nr. 117 te produceren. Dit superzware element dat voorlopig ununseptium (een-een-zeven) wordt genoemd, komt niet in de natuur voor. Om het te maken schoten onderzoekers kernen van calcium (met 20 protonen in hun kern) op kernen van berkelium (met 97 protonen). Maar ook berkelium is een element dat niet in de natuur voorkomt. Ook dat moet je eerst maken door weer andere kernen op elkaar te schieten. Het duurde twee jaar voordat men voldoende (enkele milligrammen) berkelium had verzameld om de sprong naar 117 te wagen. Vervolgens produceerde men 1 atoom per week van het element 117! Dit is dus echt geduldwerk op het randje van wat technisch mogelijk is.Deze superzware kernen zijn allemaal erg onstabiel. Ze vervallen heel snel in lichtere kernen. Zo ook 117 dat in een aantal stappen vervalt naar isotoop 266 van het element lawrencium. Deze atoomkern bevat 103 protonen en 163 neutronen. Een atoomkern die nog niet eerder was waargenomen. En deze kern bleek relatief zeer stabiel te zijn. Waar vrijwel alle andere superzware isotopen in fracties van seconden overgaan in lichtere, meestal ook nog instabiele kernen, bleek de halfwaardetijd (de tijd dat de helft van een groot aantal kernen is vervallen in andere kernen) maar liefst 11 uur te bedragen. En die vondst geeft de kernchemici zoals deze onderzoekers wel worden genoemd, de hoop dat ze met hun superzware kernen in de buurt van het zogenoemde Eiland van Stabiliteit komen, een plek in het Periodiek Systeem waar tussen alle zeer instabiele lichtere en zwaardere elementen een groeptransuranen zit met een relatief lange levensduur. Volgens de theorie zou dat het geval moeten zijn.

Superheavy Element 117 Points to Fabled “Island of Stability” on Periodic Table. Aflevering 5.

One of the largest atomic nuclei known could lead to the discovery of elements that do not immediately decay
May 7, 2014 |By Clara Moskowitz

The linear accelerator at the GSI laboratory in Germany accelerated calcium ions to 10 percent the speed of light to create element 117.
© G. Otto, GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research

Physicists have created one of the heaviest elements yet, an atom with 117 protons in its nucleus. This jumbo-sized atom sits on the outer reaches of the periodic table where bloated nuclei tend to become less and less stable. Element 117’s existence gives scientists hope, however, that they are getting closer to discovering a rumored “island of stability” where nuclei with so-called magic numbers of protons and neutrons become long-lived. Elements heavier than uranium (with 92 protons) are not usually found in nature, but they can be forced into existence in laboratories. The trouble is: the larger an atomic nucleus gets, the more its protons repel one another with their positive charges, making it, in general, less stable, or more radioactive. Element 117, for example, has a half-life of about 50 thousandths of a second, meaning that within that time about half of it will decay into a lighter element. A U.S.–Russian team first created element 117 in 2010 at the Joint Institute for Nuclear Research in Dubna, Russia. The element is still considered unofficial, and has not yet been formally accepted and added to the periodic table by the International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC). The new appearance of 117, in experiments by the GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research in Darmstadt, Germany, should help the element gain official recognition.

“In contrast to the first discovery, we are a different team at a different place using a different device,” says Christoph Düllmann, who led the GSI collaboration. “I think within the scientific community that will change the view on element 117 from an element that has been claimed to be observed to an element that is confirmed.”

To create 117, with the temporary periodic table placeholder name ununseptium, the researchers smashed calcium nuclei (with 20 protons apiece) into a target of berkelium (97 protons per atom). The experiment was so difficult in part because berkelium itself is tough to come by. “We had to team up with the only place on the planet where berkelium canbe produced and isolated in significant quantities,” Düllmann says.That place is the Oak Ridge National Laboratory in Tennessee, which has anuclear reactor that can create the rare element with a half-life of 330 days. It took the facility about two years to build up a large enough stock of berkelium for the experiment; when about 13 milligrams had accumulated, Oak Ridge scientists shipped it off to Germany for the next stage of the project.

At GSI, researchers accelerated calcium ionsto 10 percent light-speed and sent them colliding into the berkelium. If a calcium and berkelium nucleus collided head-on, occasionally the twonuclei would stick together, fusing to form a new element with acombined total of 117 protons. “We get about one atom per week,” Düllmann says. The scientists did not observe element 117 directly. Instead, they searched for its daughter products after it radioactively decayed by emitting alpha particles—helium nuclei with two protons and two neutrons.

“The heavy nuclei makes an alpha decay to produce element 115, and this also decays by alpha decay,” says Jadambaa Khuyagbaatar of GSI, lead author of a paper reporting the results published May 1 in Physical Review Letters. After a few more steps in this decay chain, one of the nuclei produced is the isotope lawrencium 266—a nucleus with 103 protons and 163 neutrons that had never been seen before. Previously known isotopes of lawrencium have fewer neutrons, and are less stable. This novel species, however, has an astonishingly long half-life of 11 hours, making it one of the longest-lived superheavy isotopes known to date.

“Perhaps we areat the shore of the island of stability,” Düllmann says. No one knows for sure where this island lies, or even if it exists at all. Theory suggests that the next magic numbers beyond those known are around 108, 110 or 114 protons, and 184 neutrons. These configurations, according to calculations, could lead to special properties that allow atoms to survive much longer than similar species.

“All existing data for elements 116, 117 and 118 do confirm that lifetimes increase as one goes closer to the neutron number 184, says theorist Witold Nazarewicz of Oak Ridge, who was not involved in the study. “This is encouraging.” Superheavy magic nuclei may turn out to have interesting shapes that confer stability, such as a so-called bubble configuration with a hole in the middle. “These have never been discovered yet, but the region that is being explored now is really on the edge of bubble territory,” Nazarewicz says.

If an island of stability does exist, there is no limit to how long its nuclei may last. They could turn out to be stable enough to be found in nature, albeit in such small quantities that we have not seen them yet.Numerous searches are on for evidence of these superheavy species already in existence, perhaps having formed through powerful cosmic events such as the merging of two neutron stars. Although none have been found so far, scientists are holding out hope that evidence for the island of stability is just around the corner, one way or another.

2012-07-13, Hoeveel verschillende atomen? 4

We hebben in devorige afleveringen iets verteld over atoomsoorten, vaak elementen genoemd, over hun voorkomen in de natuur en over de wijze waarop ze zijn gevormd. Een van de vragen die de gemoederen nog steeds bezighoudt is de vraag of de 92 elementenuit het klassieke Periodiek Systeem het hele verhaal vertellen of dat er nog andere, zwaardere, elementen bestaan. Of kunnen bestaan.

De reeks elementen uit het klassieke Periodiek Systeem begint met waterstof en eindigt met uranium. Het onderscheid zit allereerst in de kernlading, het aantal protonen in de kern. Behalve protonen zitten er ook neutronen in de kern. Gegeven het aantal protonen kun je nog een beetje spelen met het aantal neutronen. We zeggen dan dat er van een element een aantal isotopen bestaat. Voor een stabiele atoomkern moeten de aantallen protonen en neutronen bij elkaar passen. Zo heeft chloor met 17 protonen twee stabiele isotopen. Een met 18 neutronen en een met 20 neutronen in de kern. Dan is er nog een isotoop met 19 neutronen dat instabiel is.Het vervalt gemiddeld na ongeveer 350.000 jaar doordat een neutron overgaat in een proton (onder uitzending van een elektron) waardoor de chloorkern overgaat in een kern van het element argon dat 18 protonen telt. Er zijn allerlei andere isotopen van chloor met nog andere aantallen neutronen. Maar deze kernen zijn zeer instabiel en leven maar heel kort (van minuten tot fracties van seconden). Ze komen in de natuur dan ook niet voor, maar kunnen wel in het laboratorium worden geproduceerd. Wie hier alles van wil weten, moet hier klikken. Via het Periodiek Systeem krijg je van alle elementen een overzicht van de bekende stabiele en instabiele isotopen, ook wel radioactieve isotopen genoemd.

Hiervoor is al terloops aangegeven dat de kernfysici tegenwoordig in het laboratorium kunnen knutselen met isotopen. Door kernen te bestralen met bijvoorbeeld neutronen of andere kernen. Op deze manier blijkt het mogelijk om nieuwe atoomsoorten te creëren die niet in de natuur, in ieder geval niet op aarde voorkomen. Elementen die in het Periodiek Systeem voorbij uranium liggen. Daarom worden ze ook wel transuranen genoemd. Geen van deze ‘nieuwe elementen’ is stabiel. De eerste transuraan was neptunium. Het werd in 1940 geproduceerd en geïdentificeerd. Sindsdien zijn we gevorderd tot nummer 118, waarbij zij opgemerkt dat 117 pas in 2011 werd geïdentificeerd.

Als we alle nu bekende isotopen van deze 118 elementen optellen komen we aan ongeveer 3000 isotopen, waarvan 288 stabiel. De meeste dus instabiel tot zeer instabiel. De vraag is of er een grens is aan dit aantal. Met andere woorden, zou het kunnen zijn dat het onmogelijk is de omvang van de kern onbeperkt groter te maken. Welnu, daar lijkt het inderdaad sterk op. In een recent artikel in Nature (28 juni 2012) is deze vraag beantwoord. Antwoord: kernen met meer dan 6900 (plus of min 500) kerndeeltjes lijken niet te kunnen bestaan. Hoeveel nieuwe elementen daarbij horen durven de auteurs niet te zeggen. Intussen gaat het zoeken naar nieuwe elementen door. Belangrijke drijfveer is het theoretische vermoeden dat er voorbij atoomnummer 126 een groep isotopen zou kunnen bestaan met een relatief grote stabiliteit: het Eiland van Stabiliteit.

Over transuranen en het eiland van stabiliteit (niet helemaal up-to-date maar wel leuk en interessant)
Over isopen
Over de schatting van het maximale aantal atoomsoorten

2012-07-13, Hoeveel verschillende atomen? Aflevering 3.

In deze aflevering kijken we naar het voorkomen en de vorming van de atoomsooorten in de natuur.

In de vorige twee ‘praatjes’ hebben we iets gezegd over atomen, atoomkernen en over de verschillen tussen atomen. Het onderzoek aan de verschillen tussen atomen was aanvankelijk een zaak van chemici. De chemische eigenschappen van atomen zijn bepalend voor de wijze waarop ze met elkaar of met atomen van een andere soort reageren. De wisselwerking en binding tussen atomen wordt vrijwel volledig bepaald door de buitenste regionen van de elektronenwolk die rond de atoomkern aanwezig is. Maar de omvang en structuur van die elektronenwolk wordt op zijn beurt in eerste instantie bepaald door het aantal positief geladen protonen in de kern. Het is dus de kernlading die de atoomsoort bepaalt.

De atoomsoort met de kleinste kernlading is waterstof met 1 proton in de kern (en dus ook 1elektron in de ‘elektronenwolk’. De grootste kernlading die op aarde ind e natuur voorkomt heeft het uraniumatoom met 92 protonen. Nadat in de loop van de tijd steeds meer elementen werden ontdekt en qua chemische eigenschappen gekarakteriseerd, ontdekte men dat de elementen gegroepeerd konden worden in groepen met vergelijkbare chemische eigenschappen. Zo ontdekte men een hele verzameling zogenoemde edelgassen die met elkaar gemeen hebben dat ze nauwelijks of niet chemisch actief zijn. De reeks begint met helium (2) en eindigt bijradon (86).

De Russische onderzoeker Dmitri Mendelejev publiceerde in1869 een periodieke tabel waarin de elementen niet alleen op atoommassa maar ook op eigenschappen waren gerangschikt. Onafhankelijk van Mendelejev kwam de Duitser Lothar Meyer tegelijkertijd met een vergelijkbaar schema. Het schema staat nu bekend als het Periodiek Systeem.

Er komen op aarde 92 atoomsoorten voor, of beter 90 omdat er twee ontbreken in de lijst: technetium (43) en promethium (61) zijn zeer instabiel. De volgende acht elementen komen op aarde verreweg het meeste voor: ijzer (35%), zuurstof (29%), silicium (15%), magnesium (13%), nikkel (2,5%), zwavel (2,0%), calcium (1,2%), aluminium (1,1%), samen goed voor 98,8% van de aardmassa. De andere tachtig zijn zeldzaam tot zeer zeldzaam.

Het menselijk lichaam bestaat voor een groot deel uit water. Logisch dat waterstof en zuurstof relatief veel voorkomen. Daarnaast elementen als koolstof, stikstof, calcium, fosfor, kalium, zwavel, natrium en chloor. Opmerkelijk genoeg zitten er daarnaast nog zo’n vijftig andere elementen in ons lijf. In kleine tot zeer kleine hoeveelheden. Maar veel toch met een belangrijke functie, zoals ijzer dat de kern van het haemoglobine-eiwit vormt. In het heelal als geheel domineren de lichtste elementen, waterstof en helium. Zij maken naar schatting 98% uit van alle atomen die in het heelal voorkomen.

Protonen zijn dus de sleutel van ons verhaal. Maar hoe krijg je meer dan 1 positief geladen proton in een kern? Die deeltjes stoten elkaar immers af. Het kan toch omdat er naast de afstotende elektrische kracht nog een tweede, aantrekkende kracht blijkt te bestaan: de sterke kernkracht. Die kracht laat zich pas gelden als de kerndeeltjes heel dicht bij elkaar komen. Deze nieuwe kracht is in feite een soort ‘restfenomeen’ van de wisselwerking tussen zogenoemde quarks, de deeltjes waaruit het proton en ook het neutron zijn opgebouwd.

Behalve deze sterke kernkracht is het de aanwezigheid van neutronen in de kern die samen met de protonen voor een bouwwerk zorgt dat gedurende langere tijd, of voor onbeperkte tijd, in tact blijft. Gegeven de atoomsoort, dus het aantal protonen in de kern, zijn er meestal een paar mogelijkheden voor het aantal neutronen dat samen met de protonen tot een stabiele kern leidt. Zo heeft chloor 17 protonen in de kern. Er zijn twee stabiele kernen, ofwel isotopen van chloor bekend. Een met 17 protonen en 18 neutronen en een met nog twee protonen meer. Er is ook een isotoop met 19 neutronen bekend, maar deze kern is niet volkomen stabiel.

Zo geldt voor alle atoomsoorten dat er verschillende isotopen bestaan, afhankelijk van het aantal neutronen in de kern. Dit aantal moet passen bij het aantal protonen wil de kern stabiel zijn. Een neutron meer of minder levert dan vaak een isotoop op die na een bepaalde tijd een verandering ondergaat richting een meer stabiele kern. Naarmate het aantal neutronen meer afwijkt van het ideale aantal, zal deze transformatie in het algemeen sneller optreden. Het isotoop is dan dus minder stabiel. Voorbij nummer 82 dat hoort bij lood, komen geen stabiele isotopen meer voor.

De vraag die we nu eerst willen verkennen is: waar komen al die elementen,al die atoomsoorten, vandaan? Het is bekend dat er kort na de Big Bang alleen kernen met 1 (waterstof), 2 (helium) en 3 (lithium) protonen voorkwamen. De eerste twee kwamen (en komen in het heelal) verreweg het meeste voor. Zij werden gevormd direct na de eerste ‘afkoeling’ van het superhete, jonge heelal. Drie minuten na de Big Bang lag de verhouding van het aantal atoomkernen waterstof/helium voor zeer lange tijd vast:75% resp. 25% . Waterstofkernen zijn niet anders dan losse protonen. Die waren er al eerder. Vervolgens fuseerden protonen en neutronen. Dat waren dus waterstofkernen met een extra neutron, ofwel zware waterstof, ofwel deuterium. Twee deuteriumkernen konden vervolgens samensmelten (kernfusie) tot een heliumkern (2 protonen, 2 neutronen). En daarmee hield de vorming van zware kernen min of meer op. Voor de vorming van de overige 90 elementen heb je sterren nodig. Sterren als de kosmische ovens van de natuur.

De vorming van atoomkernen in de natuur noemt men nucleosynthese. In de superhete kerncentrales van ‘gewone sterren’ worden nieuwe elementen gevormd door fusieprocessen waarbij waterstof en helium de basis vormen. Daaruit worden zwaardere elementen gevormd die in bepaalde fases van een sterrenleven de ruimte in worden geblazen om later als grondstof te dienen voor tweede- of derde-generatie-sterren waarin nieuwe fusieprocessen nog zwaardere elementen opleveren. Dit gaat door tot het element ijzer (26 protonen, 30 neutronen). Nog zwaardere elementen worden gevormd door een ander mechanisme: neutroneninvangst die vooral optreedt tijdens supernova-explosies. De zware kernen ontvangen een neutron, waarna een van de neutronen, onder uitzending van een elektron, overgaat in een proton. De kernlading is dan dus met 1 toegenomen. En zo komen stap voor stap de zware elementen tot stand.

De elementen ontstonden in de loop van de historie van het heelal. Waterstof en helium direct na de Big Bang, de andere elementen in verschillende stergeneraties. De vorming van nieuwe elementen gebeurt nog steeds in sterkernen en bij explosies van supernova's.

2012-07-02, Hoeveel verschillende atomen? 2

In dit praatje gaan we wat nader in op de vraag wat we precies bedoelen met atoomsoorten en waarin ze met elkaar verschillen.

Vereenvoudigd model van een stikstofatoom

In het eerste deel van deze blog over verschillende soorten atomen heb ik wat verteld over de atoomsfeer in de jaren vijftig. Ik leerde uit allerlei onbegrijpelijke scheikundeboekjes dat alles is opgebouwd uit zo’n 90 verschillende bouwsteentjes of atoomsoorten. Een aantal is algemeen bekend, maar er zijn ook zeldzame atoomsoorten waar je minder van hoort. Zo heb je koolstofatomen en zuurstofatomen en ijzeratomen etc. Maar ook scandiumatomen, praesodymiumatomen en samariumatomen. Die laatste waren voor mij in ieder geval volstrekt nieuw. Ik schreef al die namen op in een schriftje en ik was maar wat trots dat ik ook wist welke afkorting er voor zo’n ingewikkelde naam werd gebruikt. Want die afkortingen waren niet altijd even vanzelfsprekend. Waarom gebruik je voor waterstof de letter H en voor ijzer Fe? Ik leerde dat daar een hele historie achter zit die teruggaat naar de tijd van de eerste scheikundigen die we vaak alchemisten noemen. Zo komtde H van de Latijnse naam van waterstof: hydrogenium waar op zijn beurt weer de Griekse woorden voor water en vormen in zit. En dat klopt ook wel want als je waterstof verbrandt ontstaat er water. En zo komt Fe van het Latijnse woord voor ijzer: ferrum.

Al die verschillende atoomsoorten, vaak worden ze elementen genoemd, hebben dus een naam en iets als een afkorting of symbool. Een belangrijke vraag is nu: wat zorgt er nu voor dat ijzer een heel andere stof is dan waterstof? We houden het verhaal een beetje simpel. Een atoom is een extreem klein ‘balletje’. Dit balletje bestaat uit een nog veel kleinere ‘pit’, de atoomkern, en een ijle wolk van elektronen daaromheen. De kern is positief geladen, de elektronen negatief. Onder normale omstandigheden is een atoom elektrisch neutraal: de positieve lading van de kern en de negatieve lading van de elektronen heffen elkaar op. De kleinste atomen, zoals die van helium, meten ongeveer 30 picometer in doorsnede, de grootste, zoals actinium, hebben een tien keer grotere diameter. Als we een meter duizend keer verkleinen komen we bij een millimeter. Nog een keer een factor 1000 brengt ons bij de micrometer, dan komt de nanometer en dat brengt ons bij de picometer. Dat is dus het biljoenste deel van een meter. Als je dertigmiljard heliumknikkertjes op een rij legt, heb je een meter helium. De kern van een heliumatoom is nog eens een factor 10.000 kleiner dan het hele atoom. Kortom, in de wereld van de atomen is het allemaal nogal klein. Het gevolg is dat alles wat we om ons heen kunnen zien en aanraken uit onnoemelijk veel atomen bestaat. Voor klassieke waarnemingsinstrumenten, zoals de microscoop is dat allemaal veel te klein. Ik heb nog geleerd dat atomen niet waarneembaar zijn. Maar er zijn tegenwoordig supermicroscopen waarmee we de atoomwereld wel in beeld kunnen brengen. De mens is niet voor een gat te vangen! Nu terug naar de vraag waar de verschillen tussen atomen vandaan komen.

Om te begrijpen waarom atomen verschillen moeten we naar de atoomkern toe, die kleine harde, positief geladen pit die de elektronenwolk bij elkaar houdt. De atoomkern bestaat uit twee soorten elementaire deeltjes: het proton en het neutron. Het proton en het neutron lijken veel op elkaar en kunnen onder bepaalde omstandigheden in elkaar overgaan. Zo hebben ze ongeveer dezelfde massa (bijna even ‘zwaar’). Verschil is dat het proton elektrisch geladen is, terwijl het neutron geen lading bezit. Het eenvoudigste atoom is het waterstofatoom met een kern die uit één proton bestaat en een ‘elektronenwolk’ daaromheen van één elektron. Nu de algemene regel: de verschillende atoomsoorten of elementen onderscheiden zich van elkaar door het aantal protonen in hun kern. Waterstof met 1 proton, uranium met 92 protonen. Kernen met meer protonen komen op aardeniet voor.

Dat klinkt simpel, maar dat is het toch niet. Probleem: protonen stoten elkaar af. Dus hoehoud je er 92 bij elkaar in een uraniumkern? Dat is alleen mogelijk omdat er nog een andere, aantrekkende kracht blijkt te bestaan, die echter alleen werkt over korte afstanden: de zogenoemde sterke kernkracht. En omdat er behalve neutronen ook nog neutronen in de kern voorkomen. De sterke kernkracht en het voorkomen van neutronen zorgen ervoor dat ook kernen met meer protonen niet direct uit elkaar spatten. Maar het luistert tamelijk nauw. Bij de lichte elementen moet voor een stabiele kern het aantal protonen en neutronen vrijwel gelijk zijn. Naarmate de kernen zwaarder worden, zijn er per proton steeds meer neutronen nodig om de kern stabiel te maken.

Zo hebben heliumatomen twee protonen en twee neutronen in hun kern (Met één neutron gaat het overigens ook nog.). Het element lithium heeft 3xP en 3xN (of 4xN), de volgende is beryllium met 4xP, 5xN, dan borium met 5xP, 5xN (of 6xN). We zien dat bijna alle atoomsoorten nog kunnen variëren waar het gaat om het aantal neutronen in hun kern. Als het aantal neutronen echter te veel afwijkt van het ideale aantal leidt dat tot een kern die niet stabiel is. Vroeg of laat zal er in de kern een omzetting plaatsvinden zodat de verhouding protonen en neutronen een meerstabiele kern oplevert.

We krijgen nu dus het volgende plaatje. Een atoomkern is een verzameling dicht opeengepakte protonen en neutronen. Het aantal protonen in de kern bepaalt de atoomsoort. Gegeven het aantal protonen in de kern zijn er nog verschillende aantallen neutronen mogelijk. Neem het lichte element koolstof met 6 protonen in zijn kern. De meest voorkomende variant van koolstof heeft daarnaast nog 6 neutronen in de kern. Eén procent van dekoolstofatomen heeft een neutron extra in zijn kern. Deze twee variantenzijn stabiel. Daarnaast zijn er allerlei koolstofkernen met meer of minder neutronen die bijna allemaal alleen in het laboratorium geproduceerd worden en bijna allemaal snel veranderen in andere, meer stabiele kernen. Ze zijn zoals het heet, radioactief.

Wat al deze atomen gemeenschappelijk hebben is dat ze 6 protonen in hun kern hebben. En daarom gedragen ze zich chemisch ook allemaal als koolstof. Het zijn, zoals men zegt, allemaal koolstofisotopen. De chemische eigenschappen van een element worden namelijk bepaald door het aantal elektronen in de elektronenwolk rond de kern. Maar dit aantal wordt op zijn beurt weer bepaald door het aantal protonen in de kern. Zodoende bepaalt de positieve lading van de kern de atoomsoort. Voor de echte liefhebbers geeft deze link een overzicht van alle bekende isotopen: http://nl.wikipedia.org/wiki/Isotopentabel

We gaan nog we eens kijken waar al die atoomsoorten vandaan komen. Direct na de Big Bang waren ze er nog niet. En, de aanleiding van deze blogs, we gaan ons bezighouden met de vraag of de 90 elementen die op aarde voorkomen het hele verhaal vertellen.

Een van de plaatsen waar in de jaren zestig de eigenschappen van atoomkernen werden bestudeerd was in Utrecht waar vriendjes van me tijdens hun natuurkunde-opleiding hele nachten doorbrachten bij de Van de Graaffgenerator, een van de eerste typen deeltjesversnellers waarmee atoomkernen op elkaar geschoten konden worden. Professor Pieter Endt, altijd met pijp, zwaaide er de scepter.

Een Van de Graaffgenerator is in wezen een lopende band die elektronen van plek A naar plek B brengt. Daardoor wordt plek A positief geladen en plek B negatief. Het hangt van de constructie af hoe groot je het spanningsverschil kunt maken, maar meer dan een miljoen volt is haalbaar. Geladen deeltjes kun je op deze manier versnellen. Op deze film zie je hoe het ongeveer werkt bij een onderwijsmodel en hoe statische elektriciteit een natuurkundeles toch nog leuk kan maken.

Het effect van statische elektriciteit

Het aardige is dat er in diezelfde tijd ook een popgroep verscheen met de naam Van Der Graaf Generator (let op de subtiele naamverschillen!). Volgens sommigen van het niveau Pink Floyd, maar dat lijkt me iets te veel eer. Maar zeker de moeite waard. Wel heel anders dan de muziek van nu, maar ik weet zeker dat ook veel jongeren de muziek van VDGG interessant en misschien wel mooi vinden als ze de moeite nemen er eens goed voor te gaan zitten. Het is, wat men in die tijd psychedelische rock noemde. Er hoort een bepaald sfeertje bij, dat wel. Je ziet in het begin ook H en He langskomen. Je weet intussen dat het de symbolen zijn voor waterstof en helium, de twee lichtste elementen en de enige twee die kort na de Big Bang in het nog piepkleine heelal aanweig waren (en nog een beetje Li:lithium). Klik hier voor het nummer Lost.

In 2011 kwamen de werelden van rock en Utrechts kernonderzoek dicht bij elkaar toen VDGG een concert gaf in het Utrechtse Tivoli.

2012-07-02, Hoeveel verschillende atomen? 1

Hoeveel verschillende soorten atomen zijn er bekend en hoeveel zijn er in theorie mogelijk? Een recente artikel in Nature prikkelde me om wat over atomen en atoomsoorten te posten. In dit eerste deel gaan we terug naarde jaren vijftig, de tijd dat mijn jeugdige belangstelling voor dit onderwerp werd gewekt.

De jaren vijftig: atoomjaren

Zo rond een jaar of twaalf raakte ik gefascineerd door atomen en alles watdaar mee te maken heeft. Als je weet dat ik in 1945 ben geboren kun je wel nagaan over welke tijd we het dan hebben. Juist, eind jaren vijftig. Dat was een tijd dat er veel over atomen werd geschreven en gepraat. Meer dan nu. Terugkijkend denk ik dat dat vooral kwam omdat atomen toen toch nog wat magischer waren dan tegenwoordig. Een beetje zoals nu quarks en Higgs-deeltjes. Maar er was ook een andere reden waarom atomen toen nogal hot waren. Atomen stonden voor het allerbeste en het allerslechtste dat de mensheid was overkomen. Atomen zouden voor de komende eeuwen voor energie gaan zorgen, dat was het goede nieuws, maar ze konden ook zomaar de wereld laten ontploffen, dat was dus het slechtenieuws.

Zo rond een jaar of twaalf raakte ik gefascineerd door atomen en alles wat daar mee te maken heeft. Als je weet dat ik in 1945 ben geboren kun je wel nagaan over welke tijd we het dan hebben. Juist, eind jaren vijftig. Dat was een tijd dat er veel over atomen werd geschreven en gepraat. Meer dan nu. Terugkijkend denk ik dat dat vooral kwam omdat atomen toen toch nog wat magischer waren dan tegenwoordig. Een beetje zoals nu quarks en Higgs-deeltjes. Maar er was ook een andere reden waarom atomen toen nogal hot waren. Atomen stonden voor het allerbeste en het allerslechtste dat de mensheid was overkomen. Atomen zouden voor de komende eeuwen voor energie gaan zorgen, dat was het goede nieuws, maar ze konden ook zomaar de wereld laten ontploffen, dat was dus het slechte nieuws.

Periodiek Systeem der Elementen, teruggevonden in een oud schriftje, ca. 1957


Eerst het goede nieuws. De kranten en tijdschriften lieten indrukwekkende plaatjes zien van atoomreactoren (we noemen ze nu kernreactoren). Om die te laten werken had je uranium nodig. De eerste atoomreactor die elektriciteit opleverde stond in Idaho. Dat was in 1951. Ongeveer 100 kilowatt, dus vergelijkbaar met een niet te grote windmolen. In 1953 riep de Amerikaanse president Eisenhower de wereld op om atoomenergie voor vreedzame doeleinden te gaan gebruiken. Hij zal het ongetwijfeld hebben gemeend, maar het betekende niet dat nu ook gestopt werd met de verdere ontwikkeling van atoomwapens (we noemen ze nu kernwapens). Behalve in de VS werd er ook in Groot-Brittannië, Canada en de Sovjetunie aan atoomenergie gewerkt. Niet helemaal toevallig ook de overwinnaars van de Tweede Wereldoorlog. De eerste centrale die commercieel interessante hoeveelheden elektriciteit produceerde, stond in Engeland (in Calder Hall). Juni 1954 namen de Sovjets een op atoomenergie werkende centrale in bedrijf die 5 Megawatt aan het elektriciteitsnet leverde. Het atoomtijdperk was aangebroken. In 1957 werd in Europees verband Euratom opgericht om ook Europa in de atoomvaart der volkeren op te stoten.

De jaren vijftig waren de jaren van de atoomenergie. Niet alleen in elektriciteitscentrales maar al snel ook in onderzeeboten. Die konden met hun atoomaandrijving maandenlang onder water blijven (of onder het ijs, nog veiliger). De plannen voor atoomvliegtuigen bleven science fiction. Wel gingen er langlevende atoombatterijen mee in ruimteverkenners. Kortom een hoop optimisme over de zegeningen van het atoom. In de jaren vijftig. Spannend genoeg voor een nieuwsgierig jochie. En de verwachtingen werden nog groter toen er berichten verschenen over een nieuwe vorm van atoomenergie. Niet gebaseerd op de splijting van zware elementen, maar op de versmelting van lichte elementen. In hun laboratoria waren de natuurkundigen begonnen de zon na te bootsen. Het moest de mensheid een onuitputtelijke en goedkope energiebron opleveren. N.B., het bleek allemaal een stuk moeilijker en nu, zestig jaar later zijn we wel een paar stappen verder maar we zijn er nog lang niet en er zijn nogal wat deskundigen die twijfelen of de grote belofte uit de jaren vijftig ooit ingelost zal worden.


Het negatieve nieuws over het atoom was voor mij misschien nog wel spannender. In dezelfde jaren vijftig was een dodelijke atoomwapenwedloop gaande tussen het de VS en de USSR. De Amerikanen namen in de oorlog een voorsprong. Twee atoombommen braken het laatste verzet van Japan en bezorgden de mensheid een nieuwe verpletterende doodsangst. De volgende oorlog zou een atoomoorlog worden. De paar mensen die het zouden overleven, zouden terug zijn in het Stenen Tijdperk. Zij zouden opnieuw moeten beginnen. Wie mijn boek Zwerg heeft gelezen zal dit spookbeeld ook zijn tegengekomen. In 1949 testten de Sovjets hun eerste atoombom. De eerste bommen werkten op de splijting van zware elementen, net zoals de eersteatoomcentrales. En net als met de centrales kwam daar in de jarenvijftig een nieuw bomtype bij dat werkte op de versmelting van lichteatomen: de waterstofbom. Nog veel verwoestender dan de splijtingsbom eneen nieuwe fase in de wapenwedloop. De Amerikanen lieten de eerstewaterstofbom in 1951 ploffen, de Russen volgden in 1953, naar vermoed nadiefstal van Amerikaanse atoomkennis.

Atomen en atoomkernen
Kortom, het is niet zo gek dat ik in de jaren vijftig geïnteresseerd raakte in atomen. Atoomenergie. Atoomwapens. In de jaren daarna is het atoom een beetje uit dit verhaal verdwenen. Atoomenergie heet nu kernenergie en atoomwapens zijn nu kernwapens. Op zich betere namen omdat de energie inde centrale of de bom afkomstig is uit de kern van het atoom. Maar zeg nu zelf, atoom klinkt beter dan kern.

In de volgende blog wil ik het hebben over de verschillende atoomsoorten die er bestaan. We zijn er hiervoor al twee tegengekomen: de grootste kern, die zich ophoudt in het centrum van het uraniumatoom, en de kleinste die we in het waterstofatoom moeten zoeken. Atoomsoorten ‘zwaarder’ dan uranium komen op aarde in de natuur niet voor. Maar we kunnen ze in het lab wel maken. In de volgende blog gaan we verder met het verhaal van de atoomsoorten. En dat is het verhaal van de atoomkern.

Het Atomium in Brussel, bliktrekker van de Wereldtentoonstelling 1958, symboliseert de verwachting uit de jaren vijftig van een toekomst vol vreedzaam gebruik van atoomenergie (ter land, ter zee en in de lucht).