Een atoom is een fundamentele bouwsteen van materie. We zien een afbeelding van het atoom in boeken en misschien heb je tijdens je schooltijd wel eens een atoom getekend. Ziet een atoom er ook zo rond uit?
Het eigenlijke plaatje van een atoom
Wij zijn een wezen dat alles wil visualiseren. We willen licht zien in termen van stralen of zelfs abstracte grootheden zoals liefde in termen van gedragingen. Misschien verzekert visualisatie het bestaan van iets in mijn ogen. Ja, de essentie van het bestaan van iets is de visualisatie ervan.
Daarom werden de concepten van atomen afgedankt totdat Albert Einstein de mensen atomen liet visualiseren door middel van de statistische interpretatie van Brownse beweging. Viola! Er is een atoom, het bestaat wiskundig. Maar het eigenlijke beeld van het atoom bleef duister vanwege zijn miniatuurkarakter. Nu liggen de zaken anders.
Hoe ziet een atoom eruit?
Atomen zijn dingen waaruit elke materie is opgebouwd. Dus, in zekere zin, zie je atomen. Het is wat alles is, jij bent ook een klomp atomen, nietwaar? Maar heeft u zich wel eens afgevraagd hoe een atoom, een individueel atoom, er uit ziet?
Een atoom is ongeveer 10-100 miljardste fractie van een meter groot. Dus, het visualiseren van een individueel atoom is een enigszins moeilijke taak, niet onmogelijk zoals de moderne technologie heeft geïnsinueerd. Ondanks deze miniatuur heeft de ontwikkeling van de elektronenmicroscoop wetenschappers nu in staat gesteld daadwerkelijk foto’s te maken van een atoom. Een foto van een atoom, een enkel en geïsoleerd atoom, vindt u hier.
Atomen zijn puntvormige voorwerpen. Een punt op papier is bij benadering cirkelvormig en in de driedimensionale ruimte is het een bol. Het is dus in zekere zin gebruikelijk om een atoom als bolvormig te zien.
Ook als je een microscoop met een zeer hoge resolutie hebt, die een voorwerp kan onderscheiden dat op bijna honderden miljoenste fractie van een meter van elkaar gescheiden is, kun je gewoon een puntje zien, een bolletje. Misschien zullen we in de toekomst veel gedetailleerder kunnen zien, maar voorlopig is het gewoon een bolletje. Het betere beeld van een atoom is een wiskundig beeld.
Is het atoom dan een perfecte bol?
De foto die we tot nu toe hebben genomen, laat zien dat ze bolvormig zijn. Zelfs vanaf het begin van de schooltijd werd ons geleerd dat atomen bolvormig zijn, elke demonstratie bevatte een bolvormig biljartbalachtig object als atoom. Maar is dit bolvormige beeld wel juist?
In bepaalde benaderingen is dit beeld van het atoom wel juist. Er kunnen vervormingen zijn en die kunnen we negeren om het gemakkelijk te maken. De wolken van elektronen draaien rond een potentiaal dat wordt opgewekt door een kern met een bepaalde discrete energie, waardoor wij een bolvormig beeld krijgen.
Hindernissen bij de visualisatie
De grootte van een atoom is uiterst klein. Er zijn dus verschillende moeilijkheden bij het afbeelden ervan. Gewoon zichtbaar licht heeft een golflengte die veel groter is dan de atoomgrootte, zodat het niet kan worden gebruikt om atomen te zien. Dergelijk licht kan worden verstrooid en er wordt geen duidelijk beeld gevormd. Elektronen hebben echter een golflengte die 100.000 maal kleiner is dan die van zichtbaar licht, zodat zij een beter oplossend vermogen hebben.
Elektronenmicroscoop kan ook worden gebruikt om atomen te zien, maar toch heeft hij een beperkte resolutie. We kunnen alleen het bolvormige beeld van een atoom zien, zoals we hierboven hebben besproken. En een microscoop met een betere resolutie dan een elektronenmicroscoop is nog niet ontwikkeld.
De grootte van de atoomwereld is niet alleen de reden dat het moeilijk is om het te visualiseren, maar ook de eigenaardigheid ervan maakt het nog ingewikkelder. De elektronen in een atoom gedragen zich zowel als golf als als deeltje en er is onzekerheid, de onzekerheid van Heisenberg. Atomen zien zoals we objecten in het echte leven zien is dus volkomen absurd. Er is maar één waar beeld van het atoom en zijn wiskundige beeld.
Het werkelijke beeld van een atoom
Atomen zijn eigenlijk onzichtbaar voor ons. Zichtbaar licht, het licht dat wij zien, kan het beeld van een atoom niet oplossen. Dus, het werkelijke beeld van een atoom is wiskundig. Wiskunde is het enige dat door natuurkundigen wordt waargenomen en een wiskundig beeld is het ware beeld van het atoom.
Volgens dit beeld bevinden de elektronen zich rond de kern, elk in een vaste toestand, voorgesteld door een wiskundige functie die een golffunctie wordt genoemd. Niet alleen elektronen, maar alle kwantumdeeltjes kunnen worden voorgesteld door een golffunctie. De golffunctie bevat alle informatie over het deeltje en als we er waarden aan willen meten, gebruiken we een operator die ermee verbonden is.
Op soortgelijke wijze kunnen ook de deeltjes in de kern, neutronen en protonen, worden voorgesteld door dergelijke toestandsfuncties. Tenslotte hebben we alleen nog de wiskundige waarde nodig van de verschillende grootheden die met een deeltje zijn verbonden, en die kunnen we uit die functies verkrijgen. Als we ze met grotere nauwkeurigheid kunnen berekenen, is de resolutie groter. Zo ziet een foto van een atoom eruit, je rekent gewoon, zien is immers ook een daad van meten.