Atoomtheorie

Op z'n twaalfde staat hij al voor de klas. John Dalton, geboren in 1766 in het Engelse Eaglesfield, behoort tot de religieuze stroming van de Quakers en is daarom niet welkom aan de universiteiten van Cambridge en Oxford. Dat verhindert niet dat hij de grondlegger van de moderne natuurkunde wordt.

Dalton is vooral bekend geworden als de bedenker van de atoomtheorie. Al vele eeuwen eerder, 430 jaar voor het begin van de christelijke jaartelling, veronderstelt de Griekse filosoof Democritus van Adbera het bestaan van atomen –”a-tomos” is Grieks voor ondeelbaar–, harde, ondeelbare bolletjes waaruit alle materie is opgebouwd. Zijn idee wordt echter al snel vervangen door de theorie van Aristoteles –alles bestaat uit aarde, lucht, vuur en water–, die tot aan de zeventiende eeuw gangbaar blijft. Ook de christelijke kerk omarmt de leer van Aristoteles – de visie van Democritus wordt afgedaan als materialistisch en atheïstisch.

Halverwege de zeventiende eeuw brengen wetenschappers zoals Galilei, Boyle en Newton daar –door een degelijke experimentele aanpak– verandering in. In 1704 stelt Newton: „Het lijkt me waarschijnlijk dat God in den beginne de materie gemaakt heeft als harde, massieve, stevige, ondoordringbare, beweegbare deeltjes.” Aan het eind van de achttiende eeuw toont Lavoisier aan dat er diverse verschillende chemische elementen bestaan die met elkaar kunnen reageren en verbindingen vormen. Hoe dat precies gebeurt, beschrijft Dalton in zijn atoomtheorie. Op 21 oktober 1803 leest hij het eerste deel van zijn theorie voor aan de Literaire en Filosofische Sociëteit in Manchester.

Planeet
Dalton heeft zich in de voorafgaande jaren gespecialiseerd als meteoroloog. Hij voert een aantal experimenten met gassen uit, zoals het combineren van koolstof en zuurstof tot koolmonoxide (CO) en kooldioxide (CO₂). Hij stelt vast dat de hoeveelheid zuurstof in kooldioxide precies twee keer zo veel is als die in koolmonoxide. Aan de hand van dat soort proeven komt hij tot de conclusie dat er bepaalde oerstoffen of elementen zijn –in dit voorbeeld: koolstof en zuurstof– die op verschillende manier met elkaar kunnen reageren. Bij sommige reacties kan het product zelfs weer ontleed worden tot de oorspronkelijke elementen.

Dalton rekent aan de gewichtsverhoudingen in chemische reacties en vindt een regelmatig verband tussen de gewichten van de ingrediënten voor en na de reactie. Daaruit concludeert hij dat veel chemische verbindingen opgebouwd zijn uit een aantal basiselementen. De kleinst deelbare hoeveelheid van zo'n element noemt hij –om Democritus in ere te houden– een atoom.

Atomen moeten dus de bouwstenen zijn van alle materie. In 1808 schrijft Dalton: „We zouden net zo goed kunnen proberen een nieuwe planeet aan ons zonnestelsel toe te voegen of een bestaande eruit te verwijderen, als een deeltje toevoegen of verwijderen bij waterstof.”

De atoomtheorie rust op vier pijlers: allereerst veronderstelt hij –in navolging van Democritus en Newton– dat alle materie bestaat uit kleine deeltjes. Het is bovendien onmogelijk die deeltjes te vernietigen of te veranderen in andersoortige atomen: goud kan dus niet ontstaan uit kwik. De derde aanname is dat het gewicht van de atomen karakteristiek is voor een chemisch element, en dat de atomen van een element allemaal even zwaar zijn. Ten slotte stelt Dalton dat bij een chemische reactie de atomen met elkaar combinaties aangaan in vaste, eenvoudige getalsverhoudingen.

Daltons ideeën zijn korte tijd later aangevuld door twee andere grote chemici: de Fransman Joseph-Louis Gay-Lussac en de Italiaan Amedeo Avogadro. Samen vormen ze de grondleggers van de moderne atoomchemie. Pas aan het begin van de twintigste eeuw wankelen drie van Daltons zuilen. De atomen blijken opgebouwd uit kleinere deeltjes –protonen, neutronen, elektronen– en het lukt zelfs atomen te splitsen, op elkaar te laten botsen en de subdeeltjes ervan te bestuderen. Bovendien blijkt later dat er van een en hetzelfde element vormen bestaan met een verschillende samenstelling, atomen met een neutron meer of minder, de zogenaamde isotopen.

Isotopen hebben wel hetzelfde atoomnummer –het aantal protonen in een atoom– maar verschillen van elkaar in gewicht. Dat gewicht –beter is de aanduiding massa– is naar Dalton genoemd: 1 dalton is het twaalfde deel van de massa van het neutrale koolstofatoom met zes protonen en zes neutronen, het12₆C.