Als je denkt dat wetenschappers tijdens hun werk altijd met hun hoofd in de wolken zitten, heb je het goed mis. Natuurlijk, dat komt voor, maar het is toch wel erg belangrijk dat er gescoord wordt. En dat niet alleen omdat je beroemd kunt worden als je iets heel moois ontdekt, maar ook omdat succes beloond wordt met geld voor verder en voor nieuw onderzoek. Het is dan ook heel belangrijk om snel je resultaten te publiceren en om aan de weg te timmeren op internationale congressen.
Prijzen voor wetenschap heb je in soorten en maten. Maar de meest bekende prijs, die ook het meeste prestige geeft, is de Nobelprijs.
De Nobelprijswinnaar 2015 (wetenschap) is professor Gerard t'Hoofd.
Met berekeningen en formules proberen natuurkundigen deeltjes met wonderbaarlijke eigenschappen te voorspellen. Maar om het bestaan te bewijzen is waarneming in de ‘echte’ wereld belangrijk. Voor het aantonen van het bestaan van het Higgsdeeltje waren tientallen jaren en de Large Hadron Collider nodig. Nobelprijswinnaar prof. dr. Gerard ’t Hooft (Theoretische Natuurkunde, UU) over wat er in de natuurkunde doorgaat voor bewijs. Hoe afhankelijk ben je van ingewikkelde technologie? En wat betekent dat voor de toekomst als theorieën nog complexere apparatuur vereisen?
We gaan in deze module proberen uit te zoeken waarom bepaalde wetenschappers gegadigden waren voor een Nobel-prijs, of deze ook daadwerkelijk gekregen hebben. Je leert daarmee tamelijk wat verschillende dingen, nieuw of verder:
Nieuwe kennis van natuur- en scheikunde. (Men zegt wel dat scheikunde eigenlijk een hoek is van de natuurkunde. Dat is misschien wel zo, maar dan wel de leukste hoek, vinden wij.)
Kritisch informatie zoeken, vooral via internet.
In deze module gaan we ook verder met de theorie. Tot dusver zijn aan de orde geweest:
elementen. Klas 3.
een eenvoudige atoom- en molecuultheorie. Klas 3 en/of Module 1: Groene Vakantie.
Je zou kunnen zeggen, dat we tot dusver iets hebben gezien dat je een bouwplan van de materie zou kunnen noemen. Daarin zijn de bouwstenen atomen, moleculen en ionen.
Maar dan kun je jezelf of je leraar afvragen: “Waarom krijg je met atomen soms moleculen zoals bij methaan of water, en soms zouten en dus ionen?”
En sommige elementen maken het wel erg bont: Van chloor bestaan moleculen Cl2 maar ook Cl- , ClO-, ClO2-, ClO3-, en ClO4-. En kijk eens naar zwavel :S8, S2-, S22-, SO42-, SO32- ; en deze lijst is nog niet eens volledig.
En dan bestaat er ook nog radioactiviteit.
Je moet dan toch gaan denken dat er een dieper bouwplan bestaat waarmee we het gedrag van atomen tenminste enigszins kunnen verklaren.
In deze vierde module gaan we op zoek naar zo’n bouwplan.
Dat kan heel goed door het werk van een aantal onderzoekers te bestuderen. We kiezen daarvoor geleerden waarvan we, als we terugkijken, kunnen zien dat ze voor de ontwikkeling van zo’n bouwplan heel belangrijk zijn geweest. Dat was in hun eigen tijd niet altijd zo duidelijk.
Opbouw van de module De Nobelprijs
Het proces van deze module heeft verschillende fasen:
De fasen
Inhoud van elke fase
Fase 1
In deze fase ga je een onderzoek doen naar het werk van wetenschappers die van belang waren voor het denken over een bouwplan van materie.
Je krijgt van je docent instructies over het werk van de wetenschappers en je gaat ook zelf onderzoeken wat elke wetenschapper heeft gedaan.
Bij deze fase is het van belang dat je de onderstaande vragen voor elke wetenschapper kunt beantwoorden:
Wat heeft de onderzoeker gedaan?
Was dat logisch om te doen, of zat er een creatieve gok bij?
Wat waren de waarnemingen?
Wat concludeerde hij daaruit?
Wat betekende dat voor het bouwplan van de atomen?
Fase 2
In tweetallen ga je aan de slag met het maken van een tijdbalk.
Fase 3
Wat we praktisch kunnen met onze nieuwe kennis.
Fase 4
Een nieuw atoommodel.
Er worden 8 lessen aan deze module besteed (zie planner).
Jullie gaan verschillende onderzoekers bestuderen. Maar om hun werk enigszins te plaatsen is het nodig dat je iets weet over de lijn die achteraf in de gebeurtenissen te zien is. Sommige zaken die wat erg kort beschreven zijn zullen tijdens jullie studie duidelijker worden.
In de tweede helft van de 19e eeuw brak een stormachtige ontwikkeling van de natuurkunde los. De ontdekkingen tuimelden over elkaar heen (zie je het voor je?).
Kijk maar naar ontwikkelingen die te maken hebben met ons onderwerp van nu (er gebeurde veel meer, dat van belang was voor bijvoorbeeld communicatie, reizen, begrip over licht, ruimte en tijd en zoiets “gewoons” als batterijen, gloeilampen, auto’s en koelkasten).
1855 Geissler slaagt erin een gasontladingsbuis te maken.
1858 Plücker monteert er twee elektroden in en laat vonken overspringen. Hij neemt een gloed waar.
1875 Crookes kan dit nog beter en zet een obstakel tussen de elektroden. Hij concludeert dat er
straling van de kathode uit moet gaan.
1876 Goldstein noemt deze straling kathodestralen.
1886 Goldstein gebruikt een kathode met gaten erin. Hij ziet nu een gloed aan de andere kant van
de buis en concludeert dat er straling door de kathode moet gaan: kanaalstralen.
1891 Stoney denkt dat kathodestralen bestaan uit deeltjes, die hij elektronen noemt.
1895 Röntgen ontdekt de naar hem genoemde straling. (Elektromagnetische straling met een
hogere energie dan UV-straling.) Hij was bezig met onderzoek naar kanaalstralen, maar zag
dat een karton met een zout erop, dat hij voor een andere proef had klaargemaakt, licht begon
uit te zenden. Dat verschijnsel heet fluorescentie, en was in andere vorm al veel langer bekend.
Belangrijk is daarbij, dat de stof die licht begon uit te zenden, BaPt(CN)6 , niet radioactief is.
1895 Lenard maakt een kathodestraalbuis waarbij de kathodestralen door een aluminiumfolie heen
de buis kunnen verlaten.
Hij denkt net als zijn voorgangers dat de straling uit golven bestaat, omdat ze
door het aluminium heen kunnen.
1895 Perrin laat de straling op een cilinder vallen. Die wordt negatief geladen.
“Dus zijn het deeltjes”, zegt hij.
1896 Becquerel …..
1897 Thomson …..
1906 Rutherford …..
1911 Millikan doet zijn beroemde proef met geladen oliedruppeltjes.
Hij bepaalt nauwkeurig de lading van het elektron.
Op de selectie van zijn waarnemingen is wel wat aan te merken.
Bestudeer de inrichting van de module Nobelprijs
Je gaat het werk van een aantal wetenschappers bestuderen, maar om al hun werk te bestuderen heb je meer dan 8 lessen nodig. Hierdoor moet je je beperken tot de leerdoelen die bij elke wetenschapper staat in de onderstaande tabel.
Wetenschappers
Leerdoelen
Dalton
Atoommodel van Dalton
De atoomtheorie van Dalton beschrijven.
Mendelejev
Het periodiek systeem der elementen
Welke informatie had Mendelejev toen hij aan de ontwikkeling van zijn periodiek systeem begon?
Het systeem/werk van Mendelejev beschrijven.
Relevantie van Mendelejev’s werk voor het bouwplan van atomen.
Tip: Mendelejev heeft geen voorspelling gedaan over het bouwplan.
Marie en Pierre Curie, Becquerel
Straling en energie
Beschrijf wat Becquerel heeft ontdekt en hoe hij dit heeft ontdekt.
Beschrijf het werk van de Curies:
Waar was Marie Curie opzoek naar?
Wat hebben ze ontdekt?
Hoe hebben ze dit ontdekt?
Wat was de relevantie van hun werk?
Thomson
Ontdekking van het elektron & het atoommodel van Thomson
Onderdelen van een kathodestraalbuis noemen.
Detectie en afbuiging van kathodestraalbuis beschrijven.
Beschrijf het experiment van Thomson waarbij hij heeft ontdekt dat atomen uit elektronen bestaan.
Beschrijf hoe Thomson doormiddel van een kathodebuisstraal, magnetisch veld en elektrisch veld de verhouding e/m heeft bepaald.
Beschrijf het atoommodel van Thomson en hoe hij aan dit model is gekomen.
Relevantie van Thomson’s werk meteen, nu en voor het bouwplan van atomen.
Milikan
Lading van het elektron
Je kun het experiment van Milikan beschrijven.
Je kunt uitleggen hoe Milikan de lading van een elektron heeft bepaald.
Rutherford
Atoomkern
Beschrijf waaruit alpha deeltjes bestaan en waarom je een sterke magneet nodig hebt om ze af te buigen.
Beschrijf het experiment van Rutherford met de alpha deeltjes.
Wat werd bekend door het experiment van Rutherford? Leg dit uit met behulp van de resultaten van het experiment.
Beschrijf het atoommodel van Rutherford.
Chadwick
Atoomkern
Je kunt uitleggen waarom er nog een ander deeltje aanwezig moet zijn in de kern van een atoom.
Je kunt het experiment van Chadwick beschrijven.
Je kunt uitleggen hoe Chadwick doormiddel van zijn experiment de neutronen heeft ontdekt.
Noem de eigenschappen van de neutronen.
Stel het atoommodel bij op grond van de resultaten van Chadwick.
Bohr
Atoommodel van Bohr
Je kunt uitleggen hoe de elektronen in de elektronenwolk zijn gerangschikt. Gebruik de termen schillen en energieniveaus.
Je kunt aangeven hoeveel elektronen in elke schil aanwezig zijn.
Je kunt uitleggen wat de grondtoestand en de aangeslagen toestand van een elektron inhoudt.
Je kunt uitleggen hoe de analyse methode Colorimetrie gebruik maakt van de bevindingen van Bohr.
Je kunt met een spectroscoop de spectra van een waterstofatoom bekijken en uitleggen.
Een nieuw atoommodel
Componenten van een atoom
Je kunt een atoommodel beschrijven waarin je de ontdekte subatomaire deeltjes duidelijk aangeeft.
Je kunt uitleggen wat het atoomnummer en het massagetal van een atoom inhoudt.
Ionen en isotopen beschrijven.
1. Dalton & Mendelejev
1.1 Mendelejev 1834 – 1907
Strikt genomen heeft Mendelejev geen voorstellen gedaan over het bouwplan van de atomen. Toch heeft hij aan onze gedachten over zo’n bouwplan een belangrijke bijdrage geleverd. Het is aan jullie om het verband tussen zijn werk en dat van de andere wetenschappers die in deze module aan de orde zijn te doorgronden en helde te kunnen vertellen.
Iets over zijn leven
Op 3 september 1860 kwamen in Karlsruhe ongeveer 140 chemici bij elkaar om te overleggen over heel wat zaken waarover verschillende meningen heersten. Omdat het daarbij onder meer ging over atoommassa’s en de manier om die te bepalen, was dit congres buitengewoon belangrijk. Jullie weten zelf al hoe we stofporties bij reacties kunnen bepalen en daarmee ook atoommassa’s, maar in de 18e eeuw waren daar verschillende opvattingen over, en die leidden ook tot verschillende getallen.
Een van de jongste deelnemers in Karlsruhe was de 26-jarige Rus Mendelejev.
Deze Dmitri had al een hele geschiedenis achter de rug.
Hij was in 1834 geboren te Tobolsk in Siberië. Siberië was destijds voornamelijk het verbanningsoord voor politieke tegenstanders van het regime in Rusland en voor echte misdadigers. Zijn ouders waren begaafd, maar arm, mede doordat er 14 kinderen waren, waarvan Dmitri de jongste was en doordat de vader blind werd en zijn baan als leraar aan het Gymnasium moest opgeven. Toen Dmitri 14 was, stierf zijn vader, en moest zijn moeder voor de kost zorgen.
Omdat zij inzag dat de slimme Dmitri in Tobolsk geen toekomst had, verhuisde zij met het gezin naar St. Petersburg. Al in 1850 verkreeg zij voor Dmitri een plaats aan het Pedagogisch Instituut van de Universiteit, een hele prestatie in de geheel op afkomst en voorspraak gebaseerde Russische maatschappij van toen.
Het noodlot bleef toeslaan: kort voor zijn afstuderen kreeg Dmitri tuberculose, destijds vrijwel niet te genezen. Toch herstelde hij. Hij studeerde af en kreeg zelfs een aanstelling aan de Universiteit.
Maar hij wilde meer. In Rusland was het klimaat voor onderzoek niet gunstig. Hij vertrok daarom naar Duitsland en hij werkte later ook in Frankrijk.
In 1867 werd Mendelejev hoogleraar in de Algemene Chemie te St. Petersburg. Nu waren er in de afgelopen decennia heel veel gegevens beschikbaar gekomen, en ook wel theorieën ontwikkeld. Mendelejev ging daarom voor zijn colleges een leerboek schrijven. Maar daarvoor moest hij wel orde scheppen in die overvloed aan niet zo fraai samenhangende gegevens.
1.2 Filmpjes en aanvullende informtie
Bestudeer de onderstaande filmpjes en informatie & beantwoord de vragen die hierbij staan.
Het periodiek systeem der elementen:
Dalton & de rest.....:
Atoomtheorie van Dalton:
Oefening: Vragen over het werk van Dalton en Mendelejev
0%
Na het bestuderen van de filmpjes en de aanvullende informatie kun je de vragen over het werk van Dalton en Mendelejev beantwoorden.
Lees de vragen goed en indien je het antwoord niet weet, kun je de filmpjes nog een keer bekijken.
Over al het werk dat ons een idee heeft opgeleverd over het bouwplan van de atomen kun je een spannend verhaal vertellen. Het lijkt soms op een detective waarbij allerlei dwaalwegen worden bewandeld en dingen gedaan die achteraf erg stom lijken. Maar dan hebben we wel makkelijk praten.
Mooie voorbeelden zijn het werk van Röntgen en van Becquerel. Voorbeelden overigens van dwaalwegen die leidden naar iets heel anders dan waarnaar ze op zoek waren. Geen voorbeelden van stommiteit; in tegendeel: deze mensen letten goed op en hielden hun ogen en hersens open voor onverwachte verschijnselen.
Jullie gaan dat zelf na voor Becquerel. Maar je komt dan vanzelf Röntgen nog even tegen. Sta daar maar niet te lang bij stil
Ja, en dan zijn er de Curies. (Het woord curieus komt daar niet van, maar vooral Marie is wel heel bijzonder.)
Becquerel en de Curies kregen samen in 1903 de Nobelprijs voor de natuurkunde.
Marie Curie en radioactiviteit 1867-1934
In 1898 ontdekte Marie Curie, samen met haar man, de begenadigde natuurkundige Pierre Curie, twee nieuwe elementen die ze radium en polonium noemde. Ze begreep dat de ongebruikelijke eigenschappen van deze radioactieve elementen die ze uit het mineraal pekblende had weten te isoleren, eerder toe te schrijven moesten zijn aan atomaire reacties dan aan chemische processen. Deze ontdekking effende het pad voor de theorie van radioactief verval, wat uiteindelijk zou voeren tot de moderne kernfysica. Marie Curie was, volgens Abraham Pais, 'een gedreven, welhaast obsessieve persoonlijkheid die als de belangrijkste grondlegger van de radiochemie moet worden gezien'.
Marie Curie werd geboren als Marya Sklodowska op 7 november 1867 te Warschau als de jongste van vijf kinderen van Wladislaw en Bronislawa Sklodowski. Haar vader was van vervallen adel en leraar natuurkunde; haar moeder was ooit directrice van een kostschool, maar leed aan tuberculose en deze ziekte had haar behoedzaam gemaakt in het uiten van fysieke affectie jegens haar kinderen. De dood van haar gelovig katholieke moeder veroorzaakte bij de toen tienjarige Mania, zoals Marya thuis genoemd werd, een diepe depressie; zij keerde zich af van religie en werd een overtuigd atheïste.
De opleiding van Marya is de triomf van de vastberadenheid. Het deel van Polen waar de Sklodowski's woonden, was toen een provincie van Rusland en de Poolse cultuur werd onderdrukt; haar vader werd in 1873 wegens zijn anti-Russische uitingen ontslagen. Marya kreeg geen beurs om verder te studeren, hoewel haar studieresultaten uitstekend waren, omdat in Polen geen vrouwen op de universiteit werden toegelaten. Ze nam een baan aan als gouvernante, waarbij ze haar zuster Bronislawa (Bronia), die in Parijs geneeskunde studeerde, financieel steunde. In haar vrije tijd verkeerde Marya in kringen van de subversieve, clandestiene en feministische 'vrije universiteit'. In 1891 kon haar zuster haar naar Frankrijk laten overkomen. Levend op thee en brood studeerde Marie twee jaar later als eerste vrouw en bovendien cum laude af in de natuurkunde aan de Parijse Sorbonne; een jaar later haalde ze haar graad in de wiskunde. Ze was verlegen en deed zich weinig moeite om vrienden te maken; toch trok ze de aandacht van menig minziek jongmens. Toen een door haar afgewezen aanbidder een halfhartige zelfmoordpoging deed met een opiumpreparaat, merkte ze droogjes op dat hij zijn prioriteiten niet juist had gesteld.
Hoewel haar oorspronkelijke ambitie was terug te keren naar Polen, overtuigde een kortstondig bezoek aan haar vaderland in 1894 haar van de zinloosheid van dit streven. Ze besloot in Frankrijk te blijven, waar ze Pierre Curie reeds had ontmoet. Deze was acht jaar ouder dan zij en hoofd van het laboratorium van de École de Physique et Chimie. 'We begonnen een conversatie die spoedig vriendschappelijk werd,' schreef Marie jaren later. Tussen zijn overtuigingen en de mijne was er, ondanks de grote verschillen tussen onze vaderlanden, een verrassende overeenkomst...' Zij trouwden in 1895 voor de burgerlijke stand en wisselden niet eens trouwringen uit - bij wijze van huwelijksreis maakten zij een tocht per fiets door het platteland. Het echtpaar betrok een appartement in de Rue de la Glacière dat op aandringen van Marie spaarzaam gemeubileerd werd, omdat zij niet van huishoudelijk werk hield.
Ten tijde van zijn huwelijk was Pierre Curie, geboren op 15 mei 1859 te Parijs, een gerespecteerde, hoewel onderbetaalde geleerde. Hij had in 1880 samen met zijn broer Paul Jacques Curie (1855-1941) het piëzo-elektrisch effect ontdekt, het verschijnsel dat geschikte kristallen onder invloed van vormveranderingen elektrische spanningen afgeven. Tevens had hij het magnetisme bestudeerd en zijn doctoraalscriptie Magnetische eigenschappen van lichamen bij verschillende temperatuur vormde een belangrijke bijdrage op dit gebied. De temperatuur waarboven een materiaal geen magnetisme meer vertoont, noemt men naar hem de Curie-temperatuur. Hij werd hoog geschat door Lord Kelvin, maar was volkomen gespeend van ambitie en had een zacht karakter. Marie schreef eens: 'Je kunt met hem niet in een dispuut raken, want hij kan niet kwaad worden.'
De ontdekking van de X-stralen in 1895 door Wilhelm Röntgen (1845-1923) en de onderzoekingen van Henri Becquerel (1852-1908) van de 'emanaties' van uraan zouden bepalend worden voor Maries carrière. In 1897 besloot ze de Becquerel-straling tot haar promotie-onderwerp te maken. Eerst onderzocht ze de andere bekende elementen en ontdekte aldus dat ook thorium actief was; het scheen haar toe dat de Becquerel-straling geen toevallige curiositeit was, maar een fenomeen van brede natuurkundige aard en zij stelde voor dit radioactiviteit te noemen, letterlijk 'stralingsactief’. Ze onderzocht talrijke mineralen en ontdekte dat pekblende, een mineraal dat al eeuwenlang werd gedolven in het Duitse Joachimsthal, een grote activiteit vertoonde, die niet toegeschreven kon worden aan het gehalte aan uraan en thorium Op 12 april 1898 publiceerde Marie haar vermoeden van het bestaan van een ander, nieuw element. Pierre zag meteen het belang van deze ontdekking en liet zijn eigen werk in de steek om verder met Marie samen te werken.*
* Terecht stelt Maries dochter Eve in haar innige memoires Madame Curie: 'We kunnen en moeten ook niet trachten te ontdekken wat, gedurende die acht jaren, door madame Curie werd ontdekt en wat door haar man. Dit zou het echtpaar zelf niet hebben gewenst... Zelf schreven ze altijd: Wij hebben gevonden., wij hebben waargenomen...' Van hen blijft Pierre echter meer de natuurkundige; Marie richt zich in die tijd vooral op het scheikundige werk.
Het werk van de Curies voor het isoleren van de radioactieve componenten uit pekblende is een wetenschappelijke legende. In een lekkende schuur werkten ze dag en nacht waarbij zij, zoals Marie later schreef 'buitengewoon gehandicapt waren door het gebrek aan een goede werkplaats, gebrek aan goede werkomstandigheden, gebrek aan geld en gebrek aan personeel'. Niettemin en ondanks het uitputtende werk 'ijsbeerden we op en neer en spraken over ons werk, dat van nu en morgen. Als we het koud kregen, vrolijkte een kop thee ons op. We leefden in een roes.' Al spoedig vonden ze een metaalachtig element dat enigszins verwant scheen aan bismuth en dat Marie voorstelde polonium te noemen, naar haar vaderland. In december 1898 vonden ze het belangrijke radium, een chemische verwant van barium. Actinium werd in 1900 ontdekt door André Louis Debierne (1874) die met de Curies samenwerkte.*
* In de natuur komen drie radioactieve zware isotopen voor: uraan-238, uraan-235 en thorium-232. Deze vervallen langzaam (halveringstijd enkele miljarden jaar) via alfaverval, waardoor de kernlading en de kernmassa verminderen. De nieuw ontstane kernen (dochterkernen) zijn veel radioactiever dan de moeder-kern en vervallen zelf weer, sommige in een fractie van een seconde, andere zoals radium-226 met een halveringstijd van 1620 jaar. Uiteindelijk vervallen alle tussenproducten tot stabiele isotopen van lood: lood-206, lood-207 en lood-208. In mineralen die uraan of thorium bevatten, treft men dus ook altijd wat van de vervalproducten aan en het waren deze stoffen die de Curies wilden isoleren. Het gaat in totaal om 43 isotopen van 9 elementen met zeer uiteenlopende en toen gedeeltelijk nog volkomen onbekende chemische eigenschappen (tussen haakjes het atoomnummer): uraan (92), protactinium ((91). thorium (90),actinium (89), radium (88), radon (86), polonium (84), bismuth (83) en lood (82). Het edelgas radon ontsnapte tot 1910 aan de chemische analyses en werd ontdekt door Sir William Ramsay (1852-1916); protactinium werd pas in 1917 door Otto Hahn (1879-1968) en Lise Meitner (1878-1968) ontdekt. De radioactieve elementen francium (87) en astaat (85) komen niet in de natuurlijke vervalreeksen voor. De vervalreeks van thorium en de natuurkundige aspecten van de radioactiviteit werden voornamelijk ontsluierd door Frederick Soddy en Ernest Rutherford [19], zie verder aldaar.
In 1900 vatten de Curies hun werk samen in een bijdrage voor het internationale natuurkundecongres. Ze eindigden met de grote vraag die radioactiviteit opwierp: 'Wat is de energiebron voor de Becquerel-straling? Komt deze vanuit de radioactieve substanties of van daarbuiten?' Het was duidelijk dat radioactieve stoffen energie afgaven en er waren geleerden die begonnen te twijfelen aan de wet van behoud van energie. Het was de overtuiging van Marie dat de geheimzinnige energiebron van binnen de atomen kwam en niet van enige chemische reactie. 'Uitgaande van deze boude hypothese,' schreef Rosalynd Pflaum, een van haar biografen, 'werden de mysterieën van het atoom geopenbaard toen de 20e eeuw zich ontplooide.' Pierre en Marie Curie kregen in 1903 samen met Becquerel de Nobelprijs voor natuurkunde, maar niet nadat Pierre een intensieve lobby had gevoerd ten gunste van zijn vrouw, want eerst had men de prijs slechts aan hem willen toekennen. Het echtpaar werd meteen wereldberoemd.
Op 19 april 1906 overleed Pierre, inmiddels hoogleraar aan de Sorbonne en lid van de Académie des Sciences, bij een tragisch verkeersongeluk waarbij een kar over hem heen reed en zijn schedel verbrijzelde. Marie nam Pierres post over en werd de eerste vrouwelijke hoogleraar aan de Sorbonne (officieel vanaf 1908). Haar inaugurele rede, uitgesproken na een bezoek aan Pierres graf, was een grote persoonlijke kwelling. In 1911 lopen de gemoederen in Parijs hoog op als zij als eerste vrouw wordt voorgedragen als lid van de Académie des Sciences; in haar plaats wordt de niet onverdienstelijke natuurkundige Edouard Branly (1846-1940) gekozen. Spoedig daarna kreeg Marie Curie de Nobelprijs voor chemie voor haar ontdekking van het element radium. In haar Nobel-lezing eiste zij de prioriteit van deze ontdekking op. 'De geschiedenis van de ontdekking en isolatie van deze substantie verschafte het bewijs van mijn hypothese,' verklaarde zij, 'volgens welke radioactiviteit een eigenschap van het atoom is en een methode kan leveren voor het opsporen van nieuwe elementen.' Zij alleen had, zoals ze verklaarde, de taak van het isoleren van radium uitgevoerd.
In Parijs breekt vervolgens een lastercampagne uit tegen haar, beginnend met een veronderstelde overspelige verhouding met Paul Langevin (1872-1946), een natuurkundige die in Pierres laboratorium gewerkt had aan de opheldering van de temperatuurafhankelijkheid van het magnetisme. De linkse sympathieën van Marie, haar Joods-Poolse achtergrond en haar loopbaan vormen het mikpunt van wat alleen als een reactionaire uiting van collectieve onvrede met de veranderingen in de maatschappij gezien kan worden.
Gedurende de Eerste Wereldoorlog was Marie Curie uiterst actief en patriottisch. Ze ontwikkelde het gebruik van X-stralen voor medische doeleinden en hielp bij het oprichten van permanente en mobiele (voor het leger) radiologische posten en bij de opleiding van het personeel daarvoor. Na de oorlog richtte ze het Radium Instituut te Parijs op en was een prominente figuur in Franse wetenschappelijke kringen. Ze ontving menig eerbetoon tijdens haar bezoeken aan de Verenigde Staten in 1921 en 1929, waarbij haar één gram zuiver radium werd geschonken, wat toen een fortuin waard was. In 1922 werd ze als eerste vrouw in de academie van geneeskunde gekozen; in 1923 kreeg ze een levenslang staatspensioen.
Het gevaar van radioactieve straling was onbekend toen de Curies met hun werk begonnen en ze gingen geheel zorgeloos met de materialen om. Eens droeg Pierre een reageerbuis met een radiumoplossing in zijn borstzak; de brandwonden die hij daaraan overhield, geneesden opvallend langzaam. Marie bewaarde soms lichtgevende substanties bij haar bed en beiden leden af en toe aan wat nu stralings- ziekte wordt genoemd. Later kreeg Marie ernstige lichamelijke klachten die zij zoveel mogelijk verborgen trachtte te houden. Haar notitieboeken uit het lab zijn ook heden ten dage nog gevaarlijk radioactief.
Als moeder was Marie Curie in het openbaar net zo afstandelijk jegens haar dochters Irene en Eve als haar eigen moeder jegens haar was geweest, maar ze was wel degelijk sterk betrokken bij de meisjes. Irene Curie (1897-1956) werd ook natuurkundige en kreeg in 1935 de Nobelprijs voor chemie voor de ontdekking van de kunstmatige radioactiviteit door bestraling van zware elementen met neutronen. Marie Curie stierf op 4 juli 1934 aan leukemie, die niet los gezien kan worden van haar langdurige blootstelling aan stralingsdoses. Zij werd begraven in dezelfde tombe als Pierre Curie op het kerkhof van Sceaux. Haar naam leeft in de natuurkunde voort in die van het kunstmatige element met atoomnummer 96 (Curium) en in de eenheid curie, een maat voor radioactieve stralingsdosis.
Leer iets over het leven van Becquerel en het echtpaar Curie
Over deze drie mensen staat heel veel op internet.
Marie verdient misschien nog wat extra aandacht. Haar gedrevenheid en intelligentie waren zo groot, dat zij een van de grootste natuurkundigen werd die we kennen. En dat in een tijd dat het voor een vrouw helemaal niet vanzelf sprak dat ze zich met zulk werk bezig hield.
2.2 Filmpjes en aanvullende informatie.
Bestudeer de onderstaande filmpjes en informatie & beantwoord de vragen die hierbij staan.
Korte biografie Joseph John Thomson werd geboren op 18 December 1856 niet ver van het Engelse Manchester. Zijn vader overleed toen "J.J." nog maar zestien jaar oud was. De jonge Thomson ging naar de middelbare school in Manchester. Zijn leraar wiskunde moedigde hem aan om een beurs aan te vragen voor deelname aan het prestigieuze Trinity College (Cambridge University). Thomson kreeg de beurs en rondde in 1880 zijn studie wiskunde als één van de beste studenten van zijn lichting af. Trinity bood hem nadat hij een sublieme dissertatie had ingeleverd een zogenaamd fellowship aan. Vanaf 1880 trad Thomson in dienst van het vermaarde Cavendish laboratorium waar hij werkte aan wiskundige modellen die helderheid zouden kunnen scheppen over de aard van atomen en electromagnetische krachten.
Vier jaar later in 1884 werd de pas 28 jarige Thomson verkozen als professor op het Cavendish laboratorium. Hij was eigenlijk onervaren op het experimentele vlak maar leerde snel en zwaaide al gauw de scepter over een florerend onderzoekslab.
Onder zijn bewind zijn er vele belangrijke experimenten uitgevoerd op het vlak van electromagnetisme en atomaire deeltjes. Niet minder dan 7 latere Nobelprijswinnaars zijn hier onder zijn leiding opgeleid.
In 1906 ontving Thomson de Nobelprijs voor de natuurkunde voor zijn grote bijdrage aan de kennis over de bouw van de materie.
In het laatste decennium van de 18e eeuw zijn er drie fundamentele ontdekkingen gedaan: de ontdekking van de Röntgenstraling in 1895, die van radioactiviteit in 1896 en het bewijs van het onafhankelijk bestaan van een negatief elektron met een kleine massa in 1897. De eerste twee ontdekkingen waren plotselinge openbaringen van totaal onverwachte fenomenen, zeldzaamheden in de voortgang van de natuurwetenschap. De laatste was van heel andere aard, het was het resultaat van een door velen gelopen lange tocht naar het begrijpen van de ware aard van elektriciteit.
Je zou kunnen zeggen dat het onderzoek aan ontlading door gassen in zogenaamde kathodestraalbuizen uiteindelijk heeft geleid tot de ontdekking van het elektron.
De kathodestraal en alle fenomenen die horen bij de elektrische ontlading van gassen (fosforescentie, warmteontwikkeling, magnetisatie, etc) waren bekend en beschreven. Onduidelijk was echter wat deze stralen precies waren. De Britse natuurkundigen hielden het op een straal deeltjes. De stralen konden immers radertjes in beweging zetten, er waren schaduwlijnen te zien etc. De Duitse onderzoekers hielden vol dat de kathodestraal zoiets was als een elektromagnetische straal (zoals radiogolven en warmtestraling). De stralen konden namelijk dunne plaatjes metaal met gemak passeren.
Onmiddellijk na zijn aanstelling als professor op het Cavendish laboratorium begon Thomson te experimenteren met stroomgeleiding door gassen. Eén van zijn eerste experimenten was het herhalen van een experiment van de Fransman Jean Perrin in ietwat gewijzigde vorm.
Thomson publiceerde twee belangrijke artikelen, één in 1897 en één in 1899, waarmee de ontdekking van het elektron, een negatief deeltje met een meer dan 1000 maal zo kleine massa als het waterstofion, een feit was.
Leer het werk van J.J. Thomson kennen
Pas op, internet staat zo vol met informatie, dat je heel veel tijd kunt kwijtraken als je in het wilde weg gaat zoeken.
Een probleem dat zoeken op internet altijd oplevert is, dat de informatie die je vindt niet altijd correct is. Je moet je daarom wat beperken in het aantal sites dat je bezoekt, maar je toch ook weer niet op één bron verlaten. Start met één in jouw ogen betrouwbaar artikel en breid geleidelijk je kennis uit. Controleer steeds aan de hand van nieuwe bronnen de betrouwbaarheid van al je gegevens.
We geven een aantal bronnen die zeker nuttig zijn.
3.3 Filmpjes en aanvullende informatie.
Bestudeer de onderstaande filmpjes en informatie & beantwoord de vragen die hierbij staan.
De onderstaande antwoorden moet je zelf nakijken; vergelijk jouw antwoorden met de goede
antwoorden, en geef aan in welke mate jouw antwoorden correct zijn.
Korte levensloop In encyclopedieën en op Internet is veel informatie te vinden over Ernest Rutherford. Beneden zijn een paar geschikte sites aangegeven. Door deze eerst te bestuderen voorkom je hopelijk dat je verdwaalt in de vele bronnen.
Het verhaal hieronder noemt de hoofdzaken.
In 1871 wordt Ernest Rutherford geboren in Nieuw Zeeland, destijds onderdeel van het Britse rijk. Verder weg van het wetenschappelijke centrum van de wereld ( toen nog West Europa, Londen, Parijs, Berlijn) kun je niet beginnen. Uit een boerengezin als 4e van 12 kinderen. Zijn ouders zagen veel nut in een goede schoolopleiding. Ernest was een goede leerling en ging naar de universiteit. In 1894 kon hij dankzij een beurs naar Engeland om aan de universiteit van Cambridge onder leiding van J.J. Thomson (de man van het elektron) onderzoek te gaan doen.
Hij stond toen al bekend als zeer vindingrijk en in staat geheel nieuwe ideeën te ontwikkelen. Zelf vond hij dat het er vooral om ging om zaken zo eenvoudig mogelijk voor te stellen.
In 1998 werd hij professor in Montreal in Canada (ook onderdeel van het Britse rijk).
Daar kwam hij in 1903 tot de conclusie dat de radioactiviteit die Becquerel en de Curies ontdekt en onderzocht hadden, bestond uit verschillende soorten straling én dat de alfastraling en bètastraling afkomstig waren uit atomen die “kapot gingen”, atomen waar stukken van afbraken. Daarbij ontstonden nieuwe atomen, dus ook nieuwe elementen. Atomen waren dus niet onverwoestbaar en dus ook elementen konden veranderen. Al op 37 jarige leeftijd kreeg hij voor deze ontdekking de Nobelprijs. Een jaar eerder in 1907 was Rutherford teruggekeerd naar Engeland als professor aan de universiteit van Manchester.
Rutherford is vooral beroemd geworden voor zijn tweede grote ontdekking,
de bouw van het atoom. Daarvoor heeft hij nooit de Nobelprijs gekregen. Het beroemde experiment heeft hijzelf niet gedaan, het was een onderzoekje dat hij verzon om een beginnende onderzoeker (Marsden) te laten oefenen. Rutherford was wel degene die de verklaring voor de verrassende uitkomsten bedacht: atomen zijn geen “krentenbollen” maar bevatten een heel kleine compacte positief geladen kern.
In 1917 lukt het Rutherford als eerste om nieuwe atomen te maken. Door stikstofatomen te beschieten met alfa deeltjes ontstonden zuurstofatomen. Daarbij wordt ook duidelijk dat waterstofkernen, de protonen, deel uitmaken van atoomkernen.
Rutherford liet een heel ander soort wetenschap na dan waarmee hij begon.
De vraag is hoe groot zijn aandeel was.
Het moment waarop Rutherford naar Europa kwam, 1894 was bijzonder. Binnen de volgende drie jaar werden Röntgenstraling (Röntgen) en radioactiviteit (Becquerel) ontdekt en werd duidelijk dat het elektron een deeltje was uit het atoom (J.J. Thomson). Er was dus veel werk te doen. Die nieuwe fenomenen moesten begrepen worden. Veel antwoorden komen op het conto van Rutherford.
Van het beslissende experiment staan op internet verschillende animaties/ modelbeschrijvingen. Bij sommige kun je zelf instellingen veranderen, waardoor je beter kunt begrijpen hoe je de afbuiging beïnvloed worden bv. door de lading van de kern.
5.2 Filmpjes en aanvullende informatie.
Bestudeer de onderstaande filmpjes,applet en informatie & beantwoord de vragen die hierbij staan.
Beschrijft hoe Rutherford betastraling kon ontdekken dankzij de zuivere radium die de Curies geproduceerd hadden.
Voor hij de alfastraling kon afbuigen moest hij jarenlang proberen om een voldoende sterke magneet te maken. (1903)
Hoe Rutherford ontdekt dat alpha deeltjes op stikstofatomen waterstofkernen vrijmaken.
Dat ondersteunde de nummering van de elementen naar de lading van de atoomkernen.
En zorgde voor het vermoeden dat in een kern protonen en elektronen zitten (niet helemaal waar)
6.1 James Chadwick en de ontdekking van het neutron:
James Chadwick was een Brits Natuurkundige die in 1932 het neutron heeft ontdekt. Het neutron is een elementair deeltje zonder elektrische lading in de kernen van alle atomen, uitgezonderd het waterstofatoom in haar meest voorkomende isotoop.
Voor de ontdekking van het neutron heeft James Chadwick in 1935 een Nobelprijs gekregen.
Bestudeer het experiment van Chadwick.
5.2 Filmpjes en aanvullende informatie.
Bestudeer de onderstaande film en beantwoord de vragen die hierbij staan.
Toen Bohr begon was bekend dat het waterstofatoom bestond uit een heel klein maar zwaar proton (de positieve kern) en een elektron. Het elektron zou als aan een touwtje rond de kern draaien. De middelpuntvliedende kracht voorkomt dat de elektrische aantrekking het elektron op de kern trekt.
Alleen: dit model kan niet! Een van de grote ontdekkingen van de 19e eeuw was geweest dat zo een ronddraaiende elektrische lading werkt als een zender van elektromagnetische straling. Op dit principe zijn onze radio's, televisies en mobiele telefoons gebaseerd, in feite alles wat draadloos communiceert. Dat principe wordt iedere dag weer opnieuw getest en blijkt steeds te werken!
Probleem 1
Maar het uitzenden van die straling kost energie, een mobiele telefoon moet daarom steeds opgeladen worden. Als het elektron in het waterstofatoom straling zou uitzenden zou het ook energie kwijtraken, het zou langzamer gaan draaien en op de kern vallen. Dat gebeurt niet bij atomen. Als je atomen met rust laat, stralen ze niet en klappen ze niet in elkaar.
Probleem 2
Een ander probleem is dat atomen wel gaan stralen als je ze heel erg verhit.
Als een heet voorwerp licht uitzendt ( gloeit) ontstaan een continu spectrum (de kleuren lopen in elkaar over). Aan de kleur kun je zien hoe heet een voorwerp is, witgloeiend is heter dan roodgloeiend . Voor deze spectra had Planck in 1900 een heel nieuwe theorie opgesteld over de aard van licht. Hij stelde dat licht bestaat uit kleine vaste pakketjes, kwanta genoemd. Die pakketjes kregen de naam fotonen.
De messcherpe lijnspectra (BINAS 20) krijg je alleen van gloeiend gassen waarin de atomen helemaal los van elkaar zijn. Het blijkt dat elke atoomsoort een heel eigen soort straling uitzendt.
Die lijnen noemt men de spectraallijnen. Elke atoomsoort heeft een uniek spectrum, vergelijkbaar met vingerafdrukken. Die lijnen kun je gebruiken om elementen aan te tonen. Dat kan met een gasbrander en een platinadraadje met daarop wat van de stof die je wilt onderzoeken. http://nl.wikipedia.org/wiki/Atomaire-emissiespectrometrie. Astronomen doen het anders.
Maar wat veroorzaakte die messcherpe spectraallijnen?
Bohr dankt zijn roem aan de oplossing voor beide problemen. Tenminste voor het waterstofatoom.
Waarom is het waterstofatoom stabiel en hoe verklaar/bereken je de spectraallijnen?
Bohr besloot dat als voor atomen en elektronen de bestaande regels niet voldeden, er nieuwe regels moesten komen, regels die verklaarden waarom atomen waren zoals ze waren.
Bohr stelde de regel op dat er voor het elektron in het waterstofatoom bepaalde banen mogelijk zijn waarbij het elektron geen energie verliest. Normaal zit het elektron in de baan die het dichtst bij de kern zat, de grondtoestand. In die toestand is het atoom stabiel, gebeurt er niets. Als door een oorzaak van buiten het elektron een zet krijgt (energie opneemt) kan het elektron naar een hoger gelegen baan springen maar alleen daarheen, niet ergens tussenin. Zo een “aangeslagen” elektron kan weer terugvallen naar de oorspronkelijke baan. Dan moet het elektron wel de overtollige energie kwijt en die energie geeft het elektron af door een portie licht (lichtkwantum, een foton) uit te zenden. Zo ontstaan die scherpe spectraallijnen. Elke lijn hoort bij een overgang tussen twee banen. Het energieverschil tussen de twee banen is precies de energie van het uitgezonden lichtkwantum.
Bohr's model kon de plaats van de spectraallijnen in het waterstofspectrum exact berekenen. Voor atomen met meer elektronen bleek dat vooralsnog onmogelijk. Dat zijn model voor waterstof klopte was goed genoeg voor de Nobelprijs in 1922.
Andere wetenschappers zochten naar wiskundige modellen voor het rekenen aan atomen met meer elektronen in de lijn van Bohr.
Dat werd de kwantummechanica. Volgens die kwantummechanica moet je een elektron in een atoom niet meer zien als een balletje dat aan een touwtje vastzit en dus op een vaste afstand rond de kern vliegt, maar als een balletje dat aan een elastiek zit, alle kanten opzwiept en binnen bepaalde grenzen overal kan zitten. Helemaal geen vaste baan meer.
Toch wordt het model van de banen (beter is de term schillen) nog veel gebruikt, met name om bij atomen met meer dan een elektron, die elektronen te kunnen indelen en het Periodiek Systeem te kunnen verklaren.
De kwantummechanica is tegenwoordig algemeen geaccepteerd. Dat was in de tijd van Bohr niet zo. Veel wetenschappers - met Einstein als de bekendste tegenstander - wilden niet geloven dat die kwantummechanica deugde.
Bohr heeft zich ingespannen om de kwantummechanica geaccepteerd te krijgen en in gesprek te blijven met de tegenstanders. Beroemd zijn z’n discussies met Einstein die voortdurend fouten probeerde te vinden in de kwantummechanica. Bohr wist steeds de kritiek te pareren.
Zie tekst over Pais ( Pais over Bohr) en het interview met Pais:
Om een idee te krijgen van Bohr's model is de animatie
Bekijk de onderstaande animatie en beantwoord de onderstaande vragen.
Niels Bohr probeerde oplossingen te bedenken voor deze verschijnselen. Bohr kwam met de conclusie dat het bestaan van een waterstofatoom niet verklaard kon worden met de theorie die toen bekend was. Er moesten nieuwe theorieën komen die verklaarden waarom atomen kunnen bestaan en waarom ze waren zoals ze waren, bijvoorbeeld licht uit kunnen zenden wanneer ze verhit worden.
Om dit probleem te kunnen oplossen introduceerde Bohr een model om dit te verklaren. Hij heeft hierbij drie stellingen opgesteld.
Je gaat aan de hand van een applet twee van deze drie stellingen opstellen. Ga naar de onderstaande link, bestudeer de applet en probeer de eerste twee stellingen op te stellen.
Bohr gebruikte in plaats van banen een andere benaming namelijk schillen. Elk schil heeft een bepaald rangnummer, het schilnummer dat met n aangegeven wordt. Zo heb je een schil met n=1. Dit noemen we de grondtoestand en is het schil dat het dichtst bij de positieve kern zit. Je kunt het tweede schil met n=2 aangeven en zo ook de andere schillen een nummer geven.
Je gaat met behulp van de applet onderzoeken wanneer er sprake is van absorptie en emissie van licht. Vul de onderstaande tabel in.
Volgens de derde stelling van Bohr kun je het energieverschil tussen de schillen berekenen met de formule ΔE = hf.
ΔE is het energieverschil tussen twee energieniveaus f de frequentie van het uitgezonden licht en h de constante van Planck. De constante van Planck is 6,62606957 . 10-34 J.s.
a) Bereken de energieverschillen bij vraag 2.b)Welke conclusie kun je trekken?
Wanneer zendt een atoom licht uit? als het elektron naar een meer baar buiten gelegen baan springt of als het elektron terugvalt naar een meer naar binnen gelegen baan?
Het was bekend dat een waterstofatoom een kern heeft en een elektron die om de kern draait, maar ook dat atomen licht uitzenden als je ze heel erg verhit.
Je gaat in tweetallen aan de slag met een spectroscoop.
Met een spectroscoop kun je het lichtspectrum van lichtbronnen bekijken en concluderen welke type spectrum te zien is.
Bij welke lichtbron heb je messcherpe lijnspectra oftewel emissielijnen in het spectrum gezien?
Bij welke lichtbron heb je zwarte lijnen oftewel absorptielijnen in het spectrum gezien?
Geef aan welke lichtbron een continuspectrum, een emissiespectrum en welke een absorptiespectrum heeft.
Neem Binas tabel 20 en vergelijk jouw resultaten met deze tabel. Komen ze overeen?
Vergelijk de spectra van de verschillende atomen in Binas tabel 20. Wat valt je op?
Langs snelwegen worden speciale lampen gebruikt die geel licht uitstralen. Hoe heten die lampen? Zie ook BINAS tabel 20
In welke richting verschuift de kleur bij een grotere elektronensprong? Naar rood of naar violet?
Binas tabel 20. Hoeveel emissielijnen heeft waterstof in het zichtbaar gebied/spectrum? Noteer de golflengten die bij deze lijnen horen.
Zou je een verklaring kunnen geven voor deze emissielijnen in het emissiespectrum van een waterstofatoom. Bespreek dit met je duo en noteer jullie verklaring.
Wat is er in een ster?
Theorie
De elektronenwolk
Atomaire spectra: door verhitten of door beschieten met elektronen (gasontladingsbuizen) gaan atomen licht uitzenden. Elke atoomsoort geeft een geheel eigen soort licht. Als dat licht wordt geleid door een prisma blijkt, dat er alleen maar kleuren als scherpe lijnen aanwezig zijn in het spectrum. De lijnen zijn voor elk element anders, ze vormen een soort vingerafdruk voor elk element.
Bohr geeft een verklaring voor het atoomspectrum van waterstof:
Het elektron kan alleen in speciale banen rond de kern bewegen. Voor de banen verder van de kern is extra energie nodig. Straling (absorptie van fotonen) maar ook botsingen kunnen de energie leveren om een elektron naar een hoger niveau te brengen.
Als een elektron terugvalt naar een lager niveau, wordt de overbodige energie geloosd door een foton uit te zenden. Elke lijn uit het spectrum komt overeen met een bepaalde energieovergang tussen twee niveaus.
Conclusie:
Volgens Bohr kan een elektron vanuit zijn grondtoestand naar een hogere schil springen, het elektron wordt dan aangeslagen en komt in een aangeslagen toestand terecht. Het elektron kan weer naar zijn grondtoestand springen en zo licht uitzenden.
Het waterstofatoom bestaat dus uit alleen uit discrete energietoestanden.
Aanvullende informatie over het atoommodel van Bohr:
Dankzij onze Nobelhelden weten we nu veel meer over de bouw van het atoom. Zo hebben we gezien dat de buitenkant van een atoom wordt geregeerd door elektronen die volgens Niels Bohr in schillen zijn gerangschikt om een kern. In figuur 1 is te zien hoe een koolstof atoom opgebouwd is volgens het atoommodel van Bohr.
De buitenkant van een atoom en dus de elektronen in de buitenste schil, bepaalt begrijpelijkerwijs de (chemische) eigenschappen van dat atoom. Dit is ook terug te vinden in het periodiek systeem, waarin elementen die hun buitenste schil op gelijke wijze met elektronen hebben gevuld onder elkaar staan in kolommen. Elementen in dezelfde kolom hebben dus overeenkomstige chemische eigenschappen.
De edelgassen en halogenen vormen beiden een kolom in het periodiek systeem. De edelgassen hebben bijvoorbeeld allemaal hun buitenste schil volledig gevuld met elektronen; de halogenen daarentegen hebben allemaal nog één plekje vrij in hun buitenste schil.
Figuur 1: Koolstof atoom volgens het atoommodel van Bohr in grondtoestand
Energieniveaus
De elektronen in een atoom zitten dus gerangschikt in schillen op verschillende afstanden tot de kern. De elektronen in verschillende schillen bevinden zich hierdoor op andere aftstanden van de positieve kern en dus in een ander energieniveau. In iedere schil kunnen zich slechts een beperkt aantal elektronen bevinden. Dit aantal is te berekenen met de formule e=2n2. In tabel 1 is de relatie tussen schillen en energieniveaus in atomen schematisch weergegeven.
Tabel 1: Schillen en energieniveaus in atomen
Schil
Maximum aantal elektronen
Afstand tot de kern
Energieniveau
Schil n = 3
Schil n = 2
Schil n = 1
18
8
2
De elektronen van een atoom bevinden zich het liefst in een zo laag mogelijk schil, want dan zijn ze dichter bij de kern en dus in een lager energieniveau. Zo zal dus altijd eerst de laagste schil helemaal gevuld worden met elektronen, daarna de tweede enz. Als alle elektronen zich in de laagst mogelijk schillen bevinden en dus de minste energie hebben, dan bevindt het atoom zich in de zogenaamde grondtoestand. Door toevoeging van energie kunnen elektronen overspringen naar een hoger energieniveau. Het atoom bevindt zich dan in de aangeslagen toestand, zoals te zien is in figuur 2. De aangeslagen toestand is instabiel: de elektronen vallen via een omweg terug naar hun oude energieniveau. Hierbij wordt energie afgegeven in de vorm van straling.
Figuur 2: Koolstofatoom volgens het atoommodel van Bohr in aangeslagen toestand
Om een elektron op een hoger energieniveau te krijgen is een hele specifieke hoeveelheid energie nodig. Die hoeveelheid energie is precies gelijk aan het energieverschil tussen de twee schillen. Bij toevoeging van iets meer of iets minder energie zal het elektron niet in de volgende schil terechtkomen, maar ergens in een tussengebied en dat is onmogelijk. Een vergelijking met het lopen op een trap mag het bovenstaande verduidelijken. Als je je voet voldoende hoog optilt kun je de volgende tree bereiken, als je dat niet doet, kom je geen tree hoger uit.
Een van de manieren waarop een atoom energie kan opnemen is door licht op te nemen, ook wel absorberen genoemd. Licht zoals jullie het uit de natuurkundeles kennen bestaat uit lichtdeeltjes die we fotonen noemen. Als een atoom licht absorbeert, neemt het atoom de energie op van een foton. Als de energie van dat foton precies zo groot is als het energieverschil tussen twee schillen, verhuist een elektron naar een hogere schil. Is de energie van het foton groter of kleiner dan het energieverschil, dan wordt het niet opgenomen door het atoom.
Fase 3: Tijdbalk Nobelprijs
Tijdbalk Nobelprijs
Er worden groepen van twee geformeerd en met behulp van de kennis opgedaan in de lessen wordt een geïllustreerde tijdsbalk gemaakt waar gegevens over het leven en het werk van de wetenschappers verwerkt zijn. In de tijdsbalk is mooi te zien hoe de gedachten over de bouw van materie zich ontwikkeld hebben. Je mag best de tijdsbalk wat uitbreiden (grieken?<------->heden). Verwerk i.i.g. de door jullie opgedane kennis grondig.
De tijdsbalk heeft een vast formaat van 120 cm x ca 24 cm
Enkele voorbeelden voor wat inspiratie:
Fase 4: Een nieuw atoommodel
Een nieuw model
Atoom
Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Dit artikel gaat over atoom in de natuur- en scheikunde. Voor atoom in de logica zie atoom (logica).
Heliumatoom. De kern, met twee protonen (rood) en twee neutronen (groen), is omgeven door twee elektronen (geel).
Een atoom is van ieder scheikundig element de kleinste nog als zodanig herkenbare bouwsteen. Er bestaan echter nog kleinere elementaire deeltjes waar de atomen weer uit bestaan, bijvoorbeeld quarks.
Vrijwel alle scheikundige en natuurkundige eigenschappen van de op aarde voorkomende materie zijn gekoppeld aan de eigenschappen van atomen. Het is daarom een sleutelbegrip in deze beide wetenschappen. De eigenschappen van atomen als geheel worden bestudeerd in de atoomfysica.
In bijvoorbeeld sterren, neutronensterren en zwarte gaten komt echter ook materie voor die niet uit atomen is opgebouwd. De studie van deze -vanuit aards perspectief bijzondere- vormen van materie is het terrein van de plasmafysica en de astrofysica
Een atoom bestaat uit een uiterst kleine, positief geladen atoomkern die is opgebouwd uit protonen (het proton is positief geladen) en neutronen (neutraal geladen); met daaromheen een wolk van negatief geladen elektronen. De elektronenwolk blijft rondom de kern zitten door de elektrische aantrekking tussen de positief geladen kern en de negatief geladen elektronen, kernbinding genoemd. Een sterk vereenvoudigd model van een atoom (het zogenaamde planeetmodel van Hantaro Nagaoka) wordt weergegeven in de bovenstaande illustratie.
De studie van de atoomkernen is het terrein van de kernfysica. Het is mogelijk de bouwstenen van de kern nog verder te splijten in nog kleinere subatomaire deeltjes. Dit is het terrein van de hoge-energiefysica.
De elektronenwolk
Elektronenwolk van waterstofatoom in verschillende energietoestanden. Lichtere kleur betekent grotere kans dat het elektron zich daar bevindt.
De grootte van een atoom wordt bepaald door de elektronenwolk. Afhankelijk van het atoomnummer varieert de straal van een atoom van circa 60 (helium) tot 275 (francium) pm. Sinds begin jaren 80 is dat groot genoeg om met behulp van atomic force microscopie (AFM) en scanning tunneling microscopie (STM) te visualiseren.
De elektronenwolk wordt het best beschreven als een kansverdeling, waarbij een elektron zich niet op een exact bepaalde plaats bevindt. Men kan slechts spreken van een bepaalde kans een elektron binnen een eindig volume aan te treffen. Elk elektron van het atoom heeft een andere kansverdeling, hetgeen beschreven wordt met de kwantummechanica. Deze kansverdelingen worden vaak "schillen" genoemd (de juiste naam voor de omgeving waarin het elektron zich kan bevinden is "orbitaal"), omdat de elektronen met de hoogste energie zich over het algemeen verder van de kern, in de "buitenste schil", zullen bevinden.
De elektronen in de "buitenste schil" bepalen vooral de scheikundige eigenschappen van de atomen. Sommige natuurkundige eigenschappen (bijvoorbeeld de geleiding van een stof) worden ook door de buitenelektronen bepaald. Andere natuurkundige eigenschappen hebben echter meer met de binnenelektronen te maken, zoals het opwekken van röntgenstraling.
De kern
Veel natuurkundige eigenschappen (bijvoorbeeld de massa of het radioactief gedrag van het atoom) hebben niets met de elektronen te maken, daar speelt juist de atoomkern met zijn protonen en neutronen een grote rol.
De kern is bijzonder klein: de diameter ligt tussen 1,6 en 15 femtometer, dat is ongeveer 20 000 keer zo klein als het atoom. Doordat elektronen in vergelijking met protonen en neutronen vrijwel geen massa hebben, bevindt vrijwel alle massa van een atoom zich in deze piepkleine kern. De protonen en neutronen worden bij elkaar gehouden door de sterke kernkracht. Het aantal protonen wordt het atoomnummer genoemd. Het bepaalt de chemische eigenschappen van het atoom. Het aantal neutronen is bijna altijd groter dan het aantal protonen. Atomen met een gelijk aantal protonen kunnen als gevolg van een verschillend aantal neutronen verschillen in massa. Ze worden isotopen genoemd. Deze isotopen zijn chemisch identiek, maar hun fysische eigenschappen kunnen verschillen.
Voorbeeld:
Alle atomen bij eenzelfde element hebben een zelfde aantal protonen in de kern, en dus ook hetzelfde aantal elektronen in de elektronenwolk. Het aantal protonen in de kern levert het atoomnummer.
Bij elk element hoort dus één atoomnummer. Dat geldt niet voor de atoommassa: zo bestaan er in de natuur twee soorten chlooratomen die beide zeventien protonen bevatten in de kern maar driekwart van de chlooratomen heeft een kern met achttien neutronen en van een kwart bevat de kern twintig neutronen. Chlooratomen komen dus in twee soorten voor: Cl-35 met zeventien protonen en elektronen en achttien neutronen dus een massa van ongeveer 35, en Cl-37 met zeventien protonen en elektronen maar met twintig neutronen. Cl-35 en Cl-37 noemen we isotopen van chloor. 35 en 37 worden de massagetallen van de chloorisotopen genoemd. Het massagetal van een isotoop geeft het aantal kerndeeltjes: protonen en neutronen samen.
De waarde van 35,45 u voor de atoommassa van chloor is de gemiddelde waarde (let op een gewogen gemiddelde de twee isotopen komen niet evenveel voor. In tabel 25 Binas zijn de belangrijkste isotopen van de verschillende elementen vermeld.
Artistieke impressie van een atoomkern
Ionen
De elektromagnetische kracht houdt de elektronen rondom de kern. Bij een neutraal atoom is het aantal protonen gelijk aan het aantal elektronen. Wanneer een atoom een verschillend aantal protonen en elektronen bevat, en dus niet neutraal is, spreekt men van een ion. Ionen met een tekort aan elektronen worden kationen genoemd; ionen met overschot aan elektronen anionen.
Een ion is in principe instabiel als het los voorkomt; het zal proberen een elektron uit de omgeving aan te trekken, of een elektron proberen los te laten. Ionen met gelijke lading stoten elkaar af. Met tegengestelde lading trekken zij elkaar aan. Men treft daarom altijd tegengestelde ionen bij elkaar in de buurt zodat gemiddeld gesproken de materie weer neutraal is (wet van behoud van lading).
Ionen kunnen bij hoge temperaturen gevormd worden in een gas, men spreekt dan van een plasma. Bij lagere temperaturen worden ionen ook in oplossingen aangetroffen. Ionen van tegengestelde lading kunnen ook uit oplossing neerslaan en een vaste stof vormen die men uit ionen opgebouwd kan beschouwen. Deze stoffen noemt men zouten.
Elementen
Atomen kunnen onderscheiden worden naar het aantal protonen in de kern. Dit aantal heet het atoomnummer. Een stof die bestaat uit atomen met hetzelfde atoomnummer heet een elementaire stof. Er zijn anno 2006 meer dan 118 verschillende elementen bekend, waarvan een aantal echter niet op aarde voorkomt. De elementen worden gerangschikt in het periodiek systeem.
Isotopen
Het is mogelijk dat de atomen van een element niet hetzelfde aantal neutronen in de kern bezitten. Men spreekt dan van isotopen. Isotopen hebben dezelfde chemische maar andere fysische eigenschappen. Van vrijwel alle elementen is meer dan één isotoop bekend. Daarnaast is het mogelijk om met behulp van kernsplijting en kernfusie nieuwe atomen te produceren, maar deze zijn vaak instabiel en ondergaan radioactief verval.
Moleculen
Er zijn gassen die uit losse atomen bestaan, dit zijn voornamelijk de edelgassen, zoals argon, maar het geldt ook voor de damp van bijvoorbeeld kwik. Meerdere atomen kunnen zich echter ook organiseren in moleculen en veel gassen en dampen bestaan uit losse moleculen. Waterdamp bijvoorbeeld bestaat uit watermoleculen die zijn opgebouwd uit twee waterstofatomen en één zuurstofatoom.
Verdiepingsopdrachten
Verdiepingsopdracht Frank-Hertz experiment
Dit is een historisch experiment dat meer duidelijkheid heeft gegeven voor het bestaan van atomen, het bestaan van energieniveaus in atomen.
Maak gebruik van de applet om de onderstaande vragen te beantwoorden.
Dit is een buis gevuld met een gas, in dit geval natrium, in een lage concentratie. De kathode is een gloeidraad (filament) die verhit wordt door elektrische stroom. Elektronen kunnen hierdoor vrijkomen en aangetrokken voelen door het gaas (grid) die aangesloten is op de plus pool van de spanningsbron. Elektronen worden versneld omdat ze aangetrokken voelen door het gaas. Als ze voldoende snelheid hebben kunnen ze door het gaas naar de anode toe en meet je stroom. Dit wordt weergegeven in de grafiek.
De zwarte puntjes in de buis zijn elektronen die bewegen.
Teken een grafiek waarin je duidelijk laat zien wat je verwacht dat er zal gebeuren met de gemeten stroom wanneer de versnelspanning toeneemt.
Stel de spanning op de gloeidraad op 5 volt en laat de spanning op het gaas (de versnelspanning) geleidelijk toenemen. Verklaar wat er met de elektronen gebeurt in de buis.
Stel de spanning op de gloeidraad op 10 volt en laat de spanning op het gaas geleidelijk toenemen zodat een grafiek voor je getekend kan worden. Neem de grafiek over. Komt dit resultaat overeen met jouw verwachting?
Zodra de eerste dip optreedt, gaat de buis gloeien. a) Wat houdt dit dipje in? b) Waardoor ontstaat dat gloeien denk je?
De tweede dip vindt plaats bij het verdubbelen van de spanning van de eerste dip. Geef een verklaring hiervoor.
Hoe zou je met deze resultaten kunnen aantonen dat elektronen alleen maar een bepaalde hoeveelheid energie kunnen opnemen, dus dat energie in atomen gekwantiseerd is? Maak gebruik van de grafiek die je bij opgave 14 hebt getekend.
Het arrangement De Nobelprijs is gemaakt met
Wikiwijs van
Kennisnet. Wikiwijs is hét onderwijsplatform waar je leermiddelen zoekt,
maakt en deelt.
Auteur
Mariebelle Tsang - van der Linde
Je moet eerst inloggen om feedback aan de auteur te kunnen geven.
Laatst gewijzigd
2016-04-12 12:53:17
Licentie
Dit lesmateriaal is gepubliceerd onder de Creative Commons Naamsvermelding 3.0 Nederlands licentie. Dit houdt in dat je onder de voorwaarde van naamsvermelding vrij bent om:
het werk te delen - te kopiëren, te verspreiden en door te geven via elk medium of bestandsformaat
het werk te bewerken - te remixen, te veranderen en afgeleide werken te maken
voor alle doeleinden, inclusief commerciële doeleinden.
Leeromgevingen die gebruik maken van LTI kunnen Wikiwijs arrangementen en toetsen afspelen en resultaten
terugkoppelen. Hiervoor moet de leeromgeving wel bij Wikiwijs aangemeld zijn. Wil je gebruik maken van de LTI
koppeling? Meld je aan via info@wikiwijs.nl met het verzoek om een LTI
koppeling aan te gaan.
Maak je al gebruik van LTI? Gebruik dan de onderstaande Launch URL’s.
Arrangement
Oefeningen en toetsen
Vragen over het werk van Dalton en Mendelejev
Vragen over het werk van de Curies en Becquerel
Vragen over het werk van J.J. Thomson
Het werk van Millikan
Het werk van Rutherford
James Chadwick
IMSCC package
Wil je de Launch URL’s niet los kopiëren, maar in één keer downloaden? Download dan de IMSCC package.
Oefeningen en toetsen van dit arrangement kun je ook downloaden als QTI. Dit bestaat uit een ZIP bestand dat
alle
informatie bevat over de specifieke oefening of toets; volgorde van de vragen, afbeeldingen, te behalen
punten,
etc. Omgevingen met een QTI player kunnen QTI afspelen.
Wikiwijs lesmateriaal kan worden gebruikt in een externe leeromgeving. Er kunnen koppelingen worden gemaakt en
het lesmateriaal kan op verschillende manieren worden geëxporteerd. Meer informatie hierover kun je vinden op
onze Developers Wiki.
Planner
