Tip:
Highlight text to annotate it
X
In de meeste onderwerpen moet je al vrij geavanceerd zijn voordat je
interessante filosofische onderwerpen kan aanpakken,
maar in de chemie vlieg je er al dadelijk in.
En het filosofisch
meest interessante deel is het atoom.
Het idee van het atoom ontstond
toen filosofen
zich gingen afvragen: He, als ik nu eens
bijvoorbeeld een appel zou doorsnijden
en ik bleef maar snijden tot de appel - laat me even een
leuk uitziende
appel tekenen.
Daar heb je hem.
Een mooi ogende appel. En je bleef maar snijden,
steeds kleinere stukken.
Uiteindelijk krijg je een stuk zo klein, zo klein, dat je
het niet meer snijden kan.
En ik weet zeker dat sommige van deze filosofen het
met een mes gingen proberen. Ze voelden gewoon aan dat,
oh, als ik eens een scherper mes zou nemen, dan zou ik
kunnen blijven snijden.
Dat is een filosofische constructie, die
eerlijk gezegd niet te veel verschilt van
hoe vandaag over het atoom wordt gedacht.
Een mentale abstractie die ons toelaat om
een heleboel waarnemingen in het universum te beschrijven.
Deze filosofen zeiden: "Nou, op een gegeven moment
hebben we een stukje appel
dat we niet verder meer kunnen verdelen."
En zij noemden dat een atoom.
En dat is niet alleen zo voor een appel, zeiden ze,
maar voor elke stof die je
in het universum kan tegenkomen.
Het woord atoom betekent in het Grieks letterlijk 'onsnijdbaar'.
Onsnijdbaar of ondeelbaar.
Onsnijdbaar of ondeelbaar.
Nu weten we dat het eigenlijk is wel 'snijdbaar' is en hoewel dat
geen kleinigheid is, is het niet de kleinste vorm van
materie die we kennen.
We weten nu dat een atoom is opgebouwd uit andere, meer
fundamentele deeltjes.
Laat me dat even opschrijven.
Daar hebben we het neutron.
Dadelijk teken ik hoe dat allemaal inpast in
structuur van een atoom.
We hebben een neutron.
We hebben een proton.
En we hebben elektronen.
Elektronen.
Daar ben je misschien al mee vertrouwd als je kijkt
naar die oude video's over atomen, daar zie je een tekening
die er ongeveer zo uitziet.
Ik probeer er een te tekenen.
Zoiets krijg je dan.
Deze dingen draaien errond
zoals hier.
Ze hebben banen die er zo uitzien.
En misschien iets dat er zo uitziet.
En het algemene idee achter deze tekeningen
- je vindt ze nogal eens
in labs van de regering - is dat
je een kern hebt in het centrum van een atoom.
Je hebt een kern in het centrum van een atoom.
En we weten dat een kern neutronen en protonen bevat.
Neutronen en protonen.
En we gaan wat meer vertellen over welke elementen
zoveel neutronen en zoveel protonen hebben.
En vervolgens een baan, en ik ga nu het woord 'baan' gebruiken
hoewel we straks zullen zien
dat het woord 'baan' eigenlijk onjuist is of zelfs
de verstandelijk onjuiste wijze is om te visualiseren wat
een elektron aan het doen is.
Maar het oude idee was dat deze elektronen
een baan rond de kern volgen die veel lijkt op de manier waarop de
aarde rond de zon of
de maan rond de aarde draait.
En het is aangetoond dat dat eigenlijk
een heel verkeerde manier is.
Wanneer we wat leren over kwantummechanica zullen we zien waarom dit
niet werkt, welke tegenstrijdigheden opduiken
wanneer je probeert om een model te maken waar een elektron
als een planeet rond de zon beweegt.
Maar dit was een origineel idee, en ik denk
dat dit de meest courante
voorstelling van een atoom is.
Ik zei dat een atoom filosofisch interessant is.
Waarom is het filosofisch interessant?
Deze voorstelling van een
atoom doet de lijn vervagen tussen fysieke
realiteit en informatie, en
er is niet echt iets als ware materie of ware
deeltjes op de manier zoals we er in ons dagelijks leven over denken.
Je weet wel, voor mij ziet een deeltje eruit
als een zandkorrel.
Ik kan het oppakken, aanraken.
Terwijl een golf iets is als een geluidsgolf. Alleen maar
een verandering van energie in de tijd.
Maar we zullen in de kwantummechanica zien,
dat het allemaal een beetje in elkaar overgaat wanneer het gaat
over dingen van de grootte van een atoom.
Ik zei dat dit een onjuiste manier was.
Wat is dan de juiste manier?
Dit is geen foto,
het is een afbeelding.
Het is een interessante vraag, wat ik net zei.
Hoe kun je een beeld van een atoom maken?
Want meestal is de golflengte van
licht, vooral dan van zichtbaar licht, veel
groter dan een atoom.
Alles wat we in de natuur 'waarnemen'
is door gereflecteerd licht.
Maar als je met een atoom te doen hebt,
is dat gereflecteerde licht een
te bot instrument om een atoom te observeren.
Hier een afbeelding van een heliumatoom.
Een heliumatoom heeft twee protonen en twee neutronen.
Ten minste dit heliumatoom heeft twee
protonen en twee neutronen.
En zo geven ze het hier weer in de kern.
Ik ga ervan uit dat ze
rood voor proton en paars voor neutron gebruiken.
Paars lijkt een meer neutrale kleur.
En ze zitten in het centrum van dit atoom.
Deze hele waas errond zijn de
twee elektronen van
dit heliumatoom.
Misschien kan er een elektron bijkomen of kan je er een kwijtraken.
Maar dit zijn de twee elektronen.
En je zal zeggen, he, Sal, hoe kunnen die twee elektronen zo wazig
en nogal uitgesmeerd zijn rond dit atoom.
En dat is waar het filosofisch interessant wordt.
Je kunt een pad van een elektron rond een kern
niet beschrijven met het traditionele idee van een baan zoals we die
kennen van planeten of bij dingen op grotere schaal.
Voor een elektron is het niet mogelijk om de exacte
snelheid en de locatie op elk gewenst punt in de tijd te bepalen.
Alles wat je kan weten is een kansverdeling
van waar het waarschijnlijk is.
Op deze afbeelding betekent zwart een hogere
kans, daar heb je veel meer kans om het
elektron te vinden dan hier.
Maar het elektron kan echt overal zijn.
Zelfs hier kan het zijn, waar het helemaal wit is
maar dan met een zeer, zeer, zeer, zeer, zeer
lage waarschijnlijkheid.
Deze functie van waar een elektron zich bevindt, heet
een orbitaal.
Orbitaal.
Niet te verwarren met baan.
Orbitaal.
Vergeet niet, een baan was iets als dit.
Zoals Venus rond de zon draait.
Dat is fysisch erg gemakkelijk voor ons om voor te stellen.
Terwijl een orbitaal is eigenlijk een wiskundige kansfunctie is
die ons vertelt waar we
waarschijnlijk een elektron gaan vinden.
Daar gaat de kwantummechanica
over, maar daar gaan we het
in deze inleidende reeks van chemielezingen niet over hebben.
Maar wel interessant, nietwaar?
Het gedrag van een elektron op die schaal is zo bizar dat
het nogal misleidend is het een deeltje te noemen.
Het heet een deeltje, maar het is geen deeltje in de
betekenis die we gewend zijn in ons dagelijks leven.
Je kunt zelfs niet zeggen waar het precies is.
Het kan overal in deze nevel zijn.
En later zullen we leren dat die nevel verschillende vormen
kan aannemen als we meer elektronen toevoegen aan een atoom.
Maar voor mij brengt dat filosofische kwesties met zich mee:
over wat materie is en hoe echt de dingen
die we zien, wel zijn.
Of hoe echt zijn ze, althans zoals we werkelijkheid hebben gedefinieerd?
Maar goed, ik wil de filosofische toer niet opgaan.
Het hele idee van elektronen, protonen
is gebaseerd op het begrip 'lading'.
Daar hebben we het al over gehad toen we
de wet van Coulomb bespraken.
Je kan over de wetten van Coulomb leren in de natuurkundevideo's.
Maar het idee is dat een elektron
een negatieve lading heeft.
Een proton, soms zo genoteerd,
heeft een positieve lading.
En een neutron heeft geen lading.
En dat is wat er verleidelijk was aan het oorspronkelijke
model van een elektron.
Als ze zeggen, OK, dit ding heeft positieve ladingen, toch?
Laten we zeggen dat dit twee neutronen en twee protonen is.
Laten we zeggen dat het een heliumatoom is.
Dan hebben we hier wat positieve ladingen.
We hebben hier een aantal negatieve ladingen.
Tegengestelde ladingen trekken elkaar aan.
En als deze dingen wat snelheid, genoeg
snelheid, hebben, zouden ze hierrond een baan volgen,
zoals een planeet in een baan rond de zon draait.
Dat is gedeeltelijk zo maar
hoe verder een elektron van de kern weg is, hoe
meer potentiële energie het heeft.
Het zou naar de kern willen bewegen, maar
vanwege de kwantummechanica, zal het niet
zomaar ronde de kern draaien.
Zoals een komeet zou doen rond de Zon. Het is eigenlijk dit
golf-achtig gedrag, beschreven door die
waarschijnlijkheidsfunctie.
Maar hoe verder weg een orbitaal is, des
te meer potentiële energie het heeft.
Daar komen we later in andere video's op terug.
Maar toch, hoe herken je wat een element is?
Ik heb veel gepraat over filosofie en dat allemaal,
maar hoe weet ik dat dit helium is?
Door het aantal neutronen?
Door het aantal protonen?
Of door het aantal elektronen?
Het antwoord is: door het aantal protonen.
Dus als je het aantal protonen in een element kent, kan je
weten welk element dat is.
En het aantal protonen wordt
het atoomnummer genoemd.
Atoomnummer.
Neem bijvoorbeeld een kern met 4 protonen.
4 protonen.
Hoe weten we wat het is?
Nou als we niet van buiten hebben geleerd, kunnen we het opzoeken in het
periodiek systeem der elementen.
En je zou kunnen zeggen, oh, 4 protonen,
dat is beryllium.
Precies daar.
En het atoomnummer is het nummer dat je daar ziet.
En dat is letterlijk het aantal protonen.
En dat is wat het ene
een atoom van een ander onderscheidt.
Als je vijftien protonen hebt
dan heb je met fosfor te doen.
En met zeven protonen
heb je stikstof.
Acht, en het is zuurstof.
Dat is wat het element definieert.
Later gaan we het ook hebben over wat
er gebeurt met de lading en zo.
Of wat er gebeurt als je elektronen bijkrijgt of verliest.
Maar dat verandert niet met welk element je bezig bent.
En ook, wanneer het aantal neutronen verandert,
verander je ook niet het element waar je mee bezig bent.
Maar dat leidt tot een voor de hand liggende kwestie van, goed, hoeveel
neutronen en elektronen heb je?
Nou, als een atoom ladingsneutraal is, dan betekent dat het
hetzelfde aantal elektronen heeft.
Bijvoorbeeld koolstof.
Zijn atoomnummer is zes.
En laten we zeggen dat het massagetal twaalf is.
Nu, wat betekent dat?
Laat ik verder zeggen dat dit een neutraal deeltje is.
Dit is een neutraal atoom.
Dus het atoomnummer voor koolstof is zes.
Dat vertelt ons precies hoeveel protonen het heeft.
Als ik hier een klein model teken is dat in geen
geval een nauwkeurig model.
Ik teken zes -- twee, drie, vier, vijf, zes
protonen in het centrum.
En de *** van deze protonen, elk proton heeft één
atomaire ***-eenheid, en we zullen uitleggen hoeveel
kilogram dat is. Het is een zeer kleine
fractie van één kilogram.
Ruwweg is dat 1,6 maal 10 tot de min 27 kilogram.
Ruwweg is dat 1,6 maal 10 tot de min 27 kilogram (1,67.10e-27).
Elk hiervan is een atomaire ***-eenheid, en
dat is ongeveer gelijk aan, 1,67 maal 10 tot de min 27 kilogram (1,67.10e-27).
Dit is een wel heel kleine ***.
Dat kan je je eigenlijk niet voorstellen.
Tenminste ik toch niet.
Dit geeft me de *** van het gehele koolstofatoom, van dit
koolstofatoom dan toch.
En dit kan eigenlijk
variëren van koolstofatoom tot koolstofatoom.
Het is in wezen de *** van alle protonen
plus alle neutronen.
Elk proton heeft een atomaire *** van één
En elk neutron heeft ook een atomaire *** van één
En elk neutron heeft ook een atomaire *** van één
Dat komt dus neer op het aantal van protonen plus
het aantal neutronen.
Dus in dit geval hebben we zes protonen en
zes neutronen.
Zes neutronen plus zes protonen.
Waar zijn nu de elektronen?
Ik zei dat het neutraal was. Het proton en het elektron hebben dezelfde lading,
maar het proton is positief en het elektron negatief.
Dus is dit een neutraal atoom. Het heeft zes protonen en ook
zes elektronen.
Dat teken ik even.
Maar er waren ook zes neutronen.
Een, twee, drie, vier, vijf, zes.
Dat is de kern daar.
Als ik de elektronen zou willen tekenen
zou ik ze kunnen uitsmeren, maar als we dit een beetje beter willen visualiseren
zouden we kunnen zeggen, dat er zes
elektronen rond orbiteren.
Een, twee, drie, vier, vijf, zes.
We zouden dat
allemaal moeten voorstellen met
een waarschijnlijkheidsfunctie.
Het interessante ding is dat het grootste deel van de ***
van een atoom hier zit.
Je mag
de *** van de elektronen
gerust verwaarlozen.
Omdat de *** van een proton
gelijk is aan de *** van 1.836 elektronen.
Voor alle elementaire
doeleinden kan je *** van het elektron negeren.
Het gaat om de *** van de kern als je spreekt over
*** van het atoom.
Op deze periodieke tabel
kan je het atoomnummer vinden.
Zo is het atoomnummer van zuurstof acht.
Dat betekent acht protonen.
Het atoomnummer van silicium is 14.
Het heeft 14 protonen.
Nu, wat is dit hier?
Laten we eens kijken bij koolstof.
Bij koolstof zie je dat het 12,0107 is.
Dat is de atoommassa van koolstof.
Schrijf ik even op.
Atoommassa van koolstof.
De atoommassa van koolstof is 12,0107.
Wat betekent dat nu?
Betekent dit dat koolstof zes protonen heeft en vervolgens de
rest, de resterende neutronen 6,0107 als *** hebben?
Kan je een neutron dan opdelen?
Nee.
Het betekent dat als je de gemiddelde atoommassa van alle
soorten koolstof die je vindt op
de planeet zou berekenen, je dat
gemiddelde
zou krijgen.
Zo blijkt dat van de twee belangrijke vormen koolstof, de belangrijkste
koolstof-12 is.
Dus dat zit zo.
Die heeft zes protonen en zes neutronen.
En dan is er nog een isotoop van koolstof.
Een isotoop is hetzelfde element met een ander
aantal neutronen.
Nog een andere isotoop van koolstof is koolstof-14, die is veel
schaarser op de planeet.
We weten niet hoeveel in het universum, maar op de aarde.
Nu, als je het gemiddelde van 12 en 14 neemt
dan zou je een atoommassa van 13 krijgen.
Maar koolstof-12 komt in veel grotere hoeveelheden voor
zodat het gemiddelde veel dichter bij 12 ligt.
Dit is zo voor bijna alle
koolstof die je ziet.
Maar er is een kleine beetje van dit.
Dus als je het gemiddelde in verhouding met het voorkomen bepaalt
wordt het dit.
Daardoor heeft
bijna alle koolstof een
gemiddelde atomaire *** van 12,0107.
Maar dat idee van een isotoop is een interessante.
Vergeet niet, wanneer je het aantal neutronen verandert,
het hetzelfde element blijft.
Je krijgt alleen maar een andere isotoop, een andere
versie van het element.
Dus deze twee versies van koolstof zijn beide isotopen.
Nu wil ik om te eindigen
het hebben over het leukste idee achter atomen. En dat is het
meest filosofisch interessante ding erover.
Het gaat over de relatieve omvang - de elektronen,
die zeer weinig van de *** van een atoom vertegenwoordigen.
Ongeveer 1/2000 van de *** van een atoom komt toe aan de elektronen.
En je kan ze zelfs moeilijk omschrijven als
deeltjes, omdat je me niet precies kunt vertellen waar en
hoe snel ze bewegen.
Ze hebbeen alleen maar een waarschijnlijkheidsfunctie.
Dus de meeste *** van het atoom zit binnen de kern.
En dit is het interessante ding.
Als je naar een gemiddeld atoom kijkt, als je
zegt: dit is mijn atoom.
Laten we zeggen dat ik twee atomen had die aan elkaar vastzitten.
En ik zou vragen: hoeveel hiervan is het werkelijke spul?
Maar als ik spul zeg is dat een erg abstract concept, omdat
we praten toch over de kern, niet?
Omdat het de kern is waar alle
*** zet, het hele spul.
Het nu blijkt dat het eigenlijk een enorm
kleine fractie van het volume van de het atoom is, waar - het volume
van het atoom is moeilijk te definiëren, omdat het elektron
vrijwel overal kan zijn. Maar als je het volume
waar je de meeste kans hebt het elektron te vinden - bijvoorbeeld met 90%
kans dat je waarschijnlijk daar het elektron vindt - dan neemt de
kern ongeveer
1/10.000 van dat volume in.
Als je erover nadenkt, wanneer je naar iets kijkt, als je
kijkt naar je hand of als je naar de muur kijkt of als je
naar je computer kijkt, dan is 99,999% ervan lege ruimte.
Het is niets.
Het is vacuüm.
Als je ultra-kleine deeltjes zou hebben
zouden de meesten recht door de voorwerpen
heen kunnen vliegen.
Vandaar die
vragen over onze greep op de werkelijkheid.
Je kan het draaien of keren
zoals je wil, het is een feit
dat als je naar de bouwstenen op atomair niveau gaat,
het merendeel van de ruimte van een 'voorwerp'
gewoon leeg is.
Je kon er dwars doorheen kunnen gaan als je je
tot die schaal zou kunnen verkleinen.
Ze zeggen dat een helium-atoom hier
ongeveer één femtometer is.
Toch?
Eén femtometer.
Dit is de schaal van de kern van een
heliumatoom, toch?
Eén femtometer.
Dit is een ångström, nietwaar?
En ze zeggen dat dat gelijk is aan 100.000 femtometer.
En alleen maar om een gevoel van schaal te krijgen een ångström is
10 tot de min 10de meter, toch? (1.e-10 m)
Dus het atoom is een ångström groot.
In het geval van helium is de kern
zelfs een kleinere fractie.
Het is 1/100.000.
Als je vloeibaar helium had, dat je
krijgt bij een zeer lage temperatuur.
Dan is het meeste lege ruimte.
Ook in een massieve ijzeren staaf
is bijna alles lege ruimte.
En misschien is er zelfs
binnen de kern lege ruimte waarover we
in de toekomst zouden kunnen praten.
Maar wat mij echt verbaast, is dat de dingen
niet echt solide zijn.
Ze zijn eigenlijk alleen maar lege ruimte, maar ze zien er solide uit
vanwege de manier waarop het licht op hen weerkaatst of de krachten
die ons afstoten als we ertegen aan lopen.
Maar in feite is er echt niets om te raken.
Dat het meeste van al deze dingen hier bijna volledig lege ruimte zijn.
Ik denk dat ik de term vrije ruimte nu heb gebruikt
en ik denk dat ik verdere verbijstering overlaat aan de volgende video