Tot diep in de kern van het atoom

Dit artikel gaat over wat er zich binnen de kern van een atoom afspeelt. Waar bestaat een atoomkern uit? Wat zijn quarks en gluonen? En wat spoken ze allemaal uit in de kern van een atoom? Lees verder om hierover alles te weten te komen. Het is trouwens aan te raden om dit artikel op chronologische volgorde te lezen omdat moeilijke termen alleen bij het eerste gebruik worden uitgelegd.

Inhoud

• Opbouw van een atoom
• Klassificatie
• Eigenschappen van de kern
• Nog dieper in de kern: Quarks

Opbouw van een atoom

Een atoom bestaat uit een kern en een elektronenwolk. De kern van een atoom wordt ook wel een nuclide genoemd. Nucliden bestaan uit twee soorten deeltjes; positief geladen protonen en ongeladen neutronen. Om de kern bevindt zich een 'wolk' van elektronen die om deze kern heen cirkelen.

Klassificatie

Atomen worden ingedeeld op basis van de samenstelling van hun kern. Zo bepaald het aantal protonen in een atoomkern tot welk element dit atoom behoort. Verder zijn er nog drie groepen waarin nucliden worden ingedeeld;

Isotopen, isotonen, en isobaren

Nucliden met evenveel protonen, maar een verschillend aantal neutronen, zijn isotopen van elkaar. Als nucliden echter een verschillend aantal protonen bevatten, maar een gelijk aantal neutronen, zijn ze zogenaamde isotonen van elkaar. Tot slot zijn er nog isobaren, dit zijn nucliden die in evenveel nucleonen (protonen en neutronen) bevatten. Het totale aantal neutronen en protonen in een nuclide, wordt het massagetal van het nuclide genoemd. Hieronder een voorbeeld van het gebruik van deze begrippen;

Voorbeelden

Deuterium en tritium zijn isotopen van elkaar; ze hebben beide een kern met slechts één proton (maar tritium heeft twee neutronen in plaats van één). Een helium-3 kern bestaat uit twee protonen en één neutron. Dit maakt helium-3 een isotoon van deuterium (ze hebben evenveel neutronen in hun kern). Daarnaast is helium-3 ook isobaar aan tritium omdat de nucliden even veel (drie) nucleonen bevatten.

Eigenschappen van de kern

Kernstraal

In tegenstelling tot wat veel afbeeldingen van atomen doen vermoeden, is de kern van het atoom geen simpel en solide bolletje. In het middelpunt van een nuclide bevinden zich bijvoorbeeld meer nucleonen dan aan de rand. De straal van de kern van een atoom is dan ook anders gedefinieerd als de straal van een solide bol. Men heeft voor de straal van een nuclide -ook wel de kernstraal genoemd- de volgende definitie gekozen; de kernstraal is de afstand van het middelpunt waarop de materiedichtheid tot de helft is afgenomen (t.o.v. het middelpunt).

Verband tussen de kernstraal en het aantal nucleonen

Nucliden met een groter massagetal (totaal aantal nucleonen) hebben een grotere kernstraal dan nucliden met minder nucleonen. Het is gebleken dat de grootte van de kernstraal R bij benadering evenredig is met de derdemachtswortel van het massagetal A van de kern; R ≈ r₀×A^⅓, waarin r₀ een constante is (voor de liefhebbers: r₀ ≈ 1,4×10^-15 meter). Dit is echter geen exact verband, maar komt bij benadering overeen met de gemeten waarden.

Volume van een nuclide

Als men de kernstraal van een nuclide kent, kan ook het volume van deze kern worden gevonden. Het volume van een bol is afhankelijk van de straal en wordt gegeven door: V = 1⅓×π×r³. Als r in deze vergelijking wordt vervangen door de eerder genoemde definitie van de kernstraal, ontstaat: V = 1⅓×π×(r₀×A^⅓)³ = 1⅓×π×A×r₀³. Hieruit blijkt dat het volume van een nuclide bij benaderering evenredig is met het massagetal. De conclusie die hieruit volgt is dat atoomkernen allemaal ongeveer dezelfde dichtheid hebben (zo'n 1,49×10¹⁷ kg/m³).

Nog dieper in de kern: Quarks

Quarks

De nucliden van atomen bestaan uit protonen en neutronen. Maar wat zijn deze deeltjes eigenlijk? Bestaan ze uit nóg kleinere deeltjes? Het antwoord is ja; protonen en neutronen bestaan uit zogenaamde quarks en gluonen. Nucleonen bestaan uit twee soorten quarks; up-quarks en down-quarks. Deze twee soorten hebben een elektrische lading van respectievelijk +⅔ (up) en -⅓ (down). Een proton bevat één down- en twee up-quarks, en heeft dus een lading van (⅔ + ⅔ - ⅓) +1. Een neutron heeft één up- en twee down-quarks, en is dus neutraal geladen.

Kleurlading

Quarks hebben naast een elektrische lading, ook een zogenaamde kleurlading. Een quark kan zes verschillende kleurladingen hebben; rood, groen, blauw, antirood, antigroen en antiblauw. Daarnaast moeten de drie quarks in een nucleon samen een neutrale kleurlading hebben. Dit kan op twee manieren; rood, groen en blauw is bij elkaar neutraal, en antirood, antigroen en antiblauw.

Gluonen

Quarks blijven bij elkaar door het continu uitwisselen van gluonen. Een gluon dat wordt uitgezonden door een quark heeft twee kleurladingen. Als een groene quark bijvoorbeeld een groen-antiblauw gluon uitzendt, wordt de quark blauw. Dit gaat als volgt: het uitzenden van groen, 'kost' als het ware groen, waardoor de quark zijn kleur kwijtraakt. Maar het uitzenden van de kleur antiblauw, leverd de waarde blauw op.


Hierboven is een voorbeeld te zien van een gluon-transactie tussen twee quarks in een nucleon. De rode quark (bovenste) zendt een rood-antigroen gluon uit (middelste figuur). Hierdoor wordt de rode quark groen. Daarna ontvangt de groene quark (linksonder) dit gluon. Hierdoor wordt de quark rood en blijven de drie quarks samen kleurloos.