Atoom toch niet zo ondeelbaar als gedacht

Wat is een atoom? De Griek Democritus van Abdera (460-356 v.Chr.) ziet het als een ondeelbaar klein bolletje. Als hij een stuk geitenleer door de helft snijdt, en zo’n helft weer doormidden enzovoort, houdt hij op den duur zo’n klein stukje over dat het niet meer te delen valt; dat is dan atomos, ondeelbaar.

De Britse schoolmeester John Dalton (1766-1844) beschouwt het atoom net als Democritus als het kleinste ondeelbare deeltje. In 1803 houdt hij een lezing over het atoom waarin hij stelt dat elk chemisch element een afzonderlijke atoomsoort is. En elke atoomsoort heeft zijn eigen, karakteristieke eigenschappen.

Krentenbolmodel

Het idee van het atoom als ondeelbaar bolletje begint te wankelen wanneer de Engelse natuurkundige en Nobelprijswinnaar Joseph John Thomson (1856-1940) ontdekt dat elk atoom elektronen bevat. Deze negatief geladen deeltjes bevinden zich volgens hem in een atoom als rozijnen in een krentenbol.

Maar dit krentenbolmodel uit 1902 houdt niet lang stand. Al in 1911 komt de Britse natuurkundige Ernest Rutherford (1871-1937) met een nieuw atoommodel. Een atoom bestaat volgens hem uit een positief geladen kern, die is opgebouwd uit positief geladen protonen. Om die kern cirkelen negatief geladen elektronen als planeten om de zon. Rutherford loopt in 1920 echter tegen een probleem aan: atomen zijn veel zwaarder dan verwacht. Wanneer hij de massa van alle protonen in een atoomkern optelt, komt hij massa tekort. Zou er zich in de kern nog een soort deeltje bevinden dat even zwaar is als een proton, maar dat geen lading heeft?

Neutronen

Een serie experimenten van de Britse natuurkundige James Chadwick (1891-1974) geeft uitsluitsel. In 1932 publiceert hij zijn artikel ”The Existence of a Neutron”. Daarin bewijst Chadwick dat een atoom bestaat uit een kern met daarin positief geladen protonen en ongeladen neutronen. Daaromheen cirkelen negatief geladen elektronen.

De ontwikkelingen hebben sindsdien niet stilgestaan. Al jaren werkt de wetenschap met het standaardmodel van de deeltjesfysica. Ook protonen blijken niet ondeelbaar. Ze worden ingedeeld bij de zogeheten baryonen, deeltjes die zijn opgebouwd uit zogeheten quarks. Een proton bestaat uit twee up-quarks en een down-quark. Deze quarks worden bij elkaar gehouden door lijmdeeltjes, zogeheten gluonen. Een neutron is ook een baryon, en is opgebouwd uit twee down-quarks en een up-quark. Een elektron is een elementair deeltje dat niet verder kan worden opgesplitst, een zogeheten lepton.

Higgsdeeltje

Vandaag de dag heeft deeltjesonderzoek vooral plaats in zogeheten deeltjesversnellers zoals de Large Hadron Collider van het CERN in Genève. Natuurkundigen treffen er allerlei nieuwe subatomaire deeltjes aan, met het Higgsdeeltje uit 2013 als voorlopig hoogtepunt.