Atoomtheorie

Aan het eind van de negentiende eeuw experimenteert de Britse natuurkundige Joseph John Thompson aan de universiteit van Cambridge met een luchtledige glazen buis waarin aan weerszijden een draad gesmolten is. Hij brengt een spanningsverschil aan tussen de draden en ziet dat de buis gaat gloeien, licht uitstraalt. Wat Thomson ziet, is de voorloper van de tl-buis of de neonlamp. Dat is niet nieuw, maar Thomson probeert de lichtstraal tussen de draden te buigen met een magnetisch veld, en berekent dat er een stroom negatief geladen deeltjes door de buis gaat die minstens 1000 maal zo klein zijn als het eenvoudige waterstofatoom.

Dat is voor die tijd een heel bijzondere conclusie, want wetenschappers beschouwden het atoom als letterlijk ondeelbaar. Thomson bedenkt een model, aangeduid als de plumpudding of de rozijnencake, waarin duizenden kleine negatief geladen deeltjes zwermen in een wolk van gewichtsloze positieve lading, als rozijnen in een cake.

Thomsons visie blijkt een doorbraak, en zijn kathodestraalbuis is de verre voorloper van de beeldschermen van computers en televisies, maar zijn theorie over het elektron –want dat is het deeltje dat hij beschrijft– houdt niet lang stand. Het is een van Thomsons studenten, Ernest Rutherford (1871-1937), die weinig van de plumpudding heel laat.

Alchemist
Vader Rutherford, wagenmaker, emigreert al voor de geboorte van Ernest vanuit Engeland naar Nieuw-Zeeland, maar de vlotte student wint in 1894 een beurs voor de universiteit van Cambridge en komt terecht in het laboratorium van Thomson.

Rutherford moet net als Thomson het gevecht aanbinden met de gevestigde orde. Als hij in 1904 aantoont dat een atoom van een radioactief element vervalt tot een ander atoom door een deeltje uit te zenden, betitelen zijn collega's hem als de alchemist die meent het recept voor goud gevonden te hebben. Hij laat het er niet bij zitten. Rutherford is een keiharde werker, publiceert in zeven jaar tijd tachtig artikelen, en krijgt in 1908 de Nobelprijs voor scheikunde. Dat is een lichte teleurstelling, want als natuurkundige voelt hij zich wat verheven boven de scheikunde.

Intussen blijft Rutherford, die inmiddels samenwerkt met Hans Geiger aan de universiteit van Manchester, gefascineerd door de samenstelling van het atoom. In 1909 voert hij een bekend experiment uit: hij bombardeert goudfolie van 0,01 millimeter dik met positief geladen heliumdeeltjes en ziet een grote stroom deeltjes dwars door het goudfolie heen gaan. Dat klopt met het plumpuddingmodel. Maar af en toe ziet Rutherford dat er een deeltje terugstuitert, alsof er een harde krent tussen de rozijnen zit.

Dat brengt de natuurkundige tot het atoommodel: er moet in het atoom een stevige kern aanwezig zijn die positief geladen is. Uit het aantal teruggekaatste deeltjes leidt Rutherford af dat deze atoomkern 10.000 maal kleiner is dan het atoom zelf. Het atoom ziet er dus uit als een minizonnestelsel, waarbij de elektronen in willekeurige banen als planeten om de zon cirkelen. Het licht dat Thomson al zag, ontstaat als de baan kleiner wordt en het elektron met de atoomkern fuseert.

Ui
Een paar jaar later, in 1912, bezoekt de pas gedoctoreerde Deen Niels Hendrik David Bohr (1885-1962) het lab van Rutherford. Hij rekent en rekent en rekent aan het model, en concludeert dat zo'n minizonnestelsel heel onstabiel zou zijn. Bohr onderzoekt de samenstelling van het licht dat een waterstofatoom uitzendt. Dat bestaat niet uit een heel spectrum aan golflengtes, maar uit een reeks aparte golflengtes, de spectraallijnen.

Dankzij zijn kennis van de kwantumtheorie van Planck en Einstein komt Bohr in 1913 tot een nieuw atoommodel. Rond de 'harde' positief geladen atoomkern cirkelen weliswaar elektronen, maar alleen in zeer strikt gescheiden lagen, als de schillen van een ui. Springt een elektron 'uit de band', van een baan met een hogere naar een baan met een lagere energie-inhoud, dan zendt het atoom een lichtkwantum uit. In 1922 krijgt Bohr de Nobelprijs voor zijn theorie, die dan al door experimenten bevestigd is.

Intussen is het atoommodel van Bohr verbeterd door de Oostenrijker Erwin Schrödinger. In 1926 veronderstelt Schrödinger dat elektronen zich toch niet volgens vaste banen bewegen, maar in bredere gebieden, zogenaamde waarschijnlijkheidswolken. Dat levert opnieuw een Nobelprijs op voor de atoomtheorie, in 1933.