Alles in deze wereld bestaat uit atomen, dus het is geen ongewone of verrassende vraag hoe een atoom eruit ziet. Omdat het een microscopisch deeltje is, is het onmogelijk om een atoom met het blote oog te zien.

Wetenschappers hebben eeuwenlang onderzoek gedaan naar het atoom, en nog niet zo lang geleden begonnen zij krachtige microscopen te gebruiken om het atoom van dichtbij te bekijken. Met behulp van een elektronenmicroscoop ontdekten zij dat een atoom verschijnt als twee verbonden bollen.

Als je je afvraagt hoe een atoom er onder een microscoop uitziet, blijf dan lezen. Hier is alles wat je moet weten over atomen en de verschillende meningen over hun uiterlijk.

Wat zijn atomen?

Wetenschappers beschouwen atomen als de belangrijkste bouwstenen in dit universum, waaruit elk organisme op aarde bestaat. Toen John Dalton voor het eerst atomen ontdekte, heerste het idee dat het gewoon kleine bolletjes waren. De definities van dit onzichtbare deeltje zijn echter veranderd.

Elektronen, protonen en neutronen vormen samen één atoom. Het zal je echter verbazen dat deze elementen bestaan uit kleinere deeltjes, quarks genaamd. Atomen kunnen onafhankelijk of samen bestaan, maar ze maken altijd deel uit van een chemische reactie, die plaatsvindt wanneer atomen van verschillende elementen op elkaar inwerken.

Er zij op gewezen dat atomen niet kunnen worden gecreëerd of vernietigd nadat zij 13,7 miljard jaar geleden¹ in de oerknal zijn gevormd, toen quarks zich hadden gevormd tot neutronen en protonen. Ongeveer 380 duizend jaar na de oerknal koelde het heelal voldoende af om kernen elektronen te laten vangen en atomen te vormen.

Het woord "atoom" is afgeleid van het Griekse woord "atomos", dat onzichtbaar betekent. In de 5e eeuw voor Christus was Democritus de eerste die voorstelde dat het combineren van verschillende atomen alle materie veroorzaakte. Boyle, Newton, Galileo en Lavoisier bespraken het atoom verder.

Image Credit: Piqsels

Wat zijn atoommodellen?

Veel wetenschappers en filosofen hebben verschillende atoommodellen voorgesteld die het uiterlijk van een atoom aangeven, waaronder het biljartbalmodel van Dalton, het planetaire model van Rutherford, het "plum pudding"-model van J.J. Thomson en het atoommodel van Bohr. Helaas heeft elk atoommodel zijn nadelen en gebreken vanwege het gebrek aan technologie bij de introductie ervan.

Dalton's Biljartbal Model

Het atoommodel van John Dalton werd geïntroduceerd in 1803¹, en stelde dat deze atomen onverwoestbare, onveranderlijke en onzichtbare bouwstenen waren voor alle materie. Hij was het ook eens met het model van Democritus dat verbindingen verschillende atoomcombinaties zijn.

Zijn veronderstelde atoom lijkt op een biljartbal, vandaar de naam. Dalton's theorie heeft echter bepaalde nadelen. Zo nam hij ten onrechte aan dat de massa van elk atoom hetzelfde is.

J. J. Thomson's Model

Het plum pudding model van JJ Thomson werd geïntroduceerd in 1904¹. Hij stelde dat een atoom een totale neutrale lading had en geloofde dat iets de negatieve lading van een elektron moest compenseren. Thomson geloofde ook dat de positief geladen wolk kleine, ingebedde, negatief geladen deeltjes bevatte, die het uiterlijk van plum pudding, een beroemd Engels dessert, imiteerden. Hij kon echter niet weergevenexperimentele steun voor dit atoommodel.

Model Rutherford

Rutherfords planetaire model¹ introduceert de kern, een positief geladen centrum dat de massa van het atoom bevat. Hij legde uit dat elektronen rond de kern cirkelen, die kleiner is dan het atoom. Maar helaas had zijn model bepaalde gebreken: het ontbrak aan een verklaring voor de stabiliteit van het atoom.

Het model van Bohr

Bohr herzag Rutherfords planetenmodel met een ander atoommodel¹, waarin wordt gesteld dat negatieve elektronen in verschillende vaste banen om een kleine en positieve kern cirkelen. De energie van elke omloopschaal ligt vast en bevat elektronen. Dit atoommodel kon echter het onzekerheidsprincipe van Heisenberg, het Stark-effect of het Zeeman-effect niet onderbouwen.

Hoe ziet een atoom eruit?

Optische microscopen kunnen geen atomen vangen en weergeven, omdat zij niet afhankelijk zijn van lichtdeeltjes, die geen afbuiging veroorzaken. Bijgevolg zou een krachtige microscoop nodig zijn om zelfs maar een wazig beeld van dit deeltje vast te leggen.

Gelukkig kon een wetenschapper ons met behulp van een sterke elektronenmicroscoop een eerste blik op het atoom gunnen. Een elektronenbundel, met een golflengte korter dan het licht, verstrooit wanneer hij een doelwit raakt, waardoor microscopen een beeld kunnen creëren.

Toen wetenschappers begonnen met het gebruik van elektronenmicroscopen om atomen vast te leggen, zagen zij van een afstand roodgloeiende bolletjes. Sommige van deze bolletjes waren onafhankelijk, terwijl andere co-afhankelijk waren en in paren bewogen. Natuurlijk zouden we met een afbeelding van dichterbij kunnen zien hoe het gedetailleerde model eruit ziet, maar daarvoor is de technologie nog niet ver genoeg gevorderd.

Wetenschappers gebruiken andere geavanceerde microscopen om atomen van dichtbij te bestuderen en ze te verplaatsen om de deeltjes te bestuderen. Het is echter nog steeds onmogelijk om vast te leggen hoe ze er dan uitzien.

Image Credit: Anusorn Nakdee, Shutterstock

Kun je atomen zien?

Atomen zijn te klein om met het blote oog te zien, maar specifieke microscopen kunnen ons helpen ze van een afstand te bekijken. Het resultaat zal echter wazig en moeilijk te ontcijferen zijn. De beste manier om het beeld van het atoom vast te leggen is met behulp van een scanning tunneling microscoop.

Tunneling¹ is een kwantummechanisch effect dat je kunt beschrijven als water dat uit de zijkant van een glas lekt. Het tunneling-effect laat elektrische stroom lopen als een kleine naald binnen ongeveer 10-9 m van een metalen oppervlak komt. De afstand kan de grootte van de stroom beïnvloeden, die afneemt naarmate de afstand groter wordt.

Met behulp van deze stroom kan een automatisch controlesysteem een kaart maken van dit metaaloppervlak. De naald beweegt naar het atoom toe om de stroom weer omhoog te brengen wanneer deze omlaag gaat en omgekeerd. Wetenschappers kunnen een beeld maken van het oppervlak en de atomen door de bewegingen van de naald te volgen.

Als de stroom ideaal is, kan het atoom aan de punt van de naald blijven plakken, waardoor je de stroom kunt omkeren als het atoom zich in de gewenste positie bevindt. Met deze techniek kunnen wetenschappers experimenteren met een nieuw soort scheikundig onderzoek.

Image Credit: Piqsels

Welke microscopen kunnen een atoom zien?

Microscopie heeft zich in de loop van de geschiedenis van de wetenschap sterk ontwikkeld naargelang de behoeften van de wetenschappers. Optische microscopen waren aanvankelijk het enige beschikbare microscopie-instrument, maar zij konden niet genoeg details bieden om atomen en nanodeeltjes weer te geven.

Objecten van minder dan 300 nanometer vervormen onder een lichtmicroscoop. Aangezien optische en lichtmicroscopen alleen goed genoeg zijn om in planten- en dierencellen te kijken, moesten wetenschappers krachtiger instrumenten ontwikkelen om atomen te zien.

Elektronenmicroscopen en scanning probe microscopen zijn momenteel de beste instrumenten om atomen van dichtbij te bekijken.

Elektronenmicroscopen

Elektronenmicroscopen kunnen atomen zien, omdat ze dingen meer dan 500.000 keer¹ kunnen vergroten, genoeg vergroting om veel details in cellen te zien, inclusief de atomen. Wanneer we alle soorten elektronenmicroscopen bekijken, is een transmissie-elektronenmicroscoop het beste in het detecteren van nanodeeltjes en atomen.

Deze microscopen werden in 1931 uitgevonden en richten elektronenbundels op een monster. Zodra deze bundels het doelwit raken, verstrooien de elektronen, waardoor het gewenste beeld ontstaat.

Image Credit: Elizaveta Galitckaia, Shutterstock

Scanning Probe Microscopen

Een instrument dat niet afhankelijk is van licht- of elektronenbundels zou helpen atomen in beter detail te bekijken. In de jaren tachtig werden scanning probe microscopen uitgevonden, waarbij een mechanische vinger op nanoschaal werd gebruikt om de plaats en de textuur van atomen te bepalen.

Er zijn twee scanning probe microscopen: atoomkrachtmicroscopen en scanning tunneling microscopen. Het eerste type heeft een verfijnde, atoombrede tip die over het oppervlak van het monster sleept, over atomen heen gaat en in de tussenruimten valt.

Een laser registreert deze kleine stijging en daling en geeft de informatie door aan een computer om 3D-beelden van atomen te produceren, waardoor wetenschappers atomen kunnen bekijken via computerschermen en niet via microscoopoculairen.

Het tweede type analyseert de sondetip en de atomen op een monsteroppervlak om de elektrische stroomverandering tussen hen te meten. Met behulp van de tip kan het veranderingen in de magnetische structuur van het oppervlak op atomair niveau detecteren.

Kunnen atomen gefotografeerd worden?

Ja, je kunt atomen fotograferen met behulp van een geschikte microscoop.

In 2018 legde David Muller van de Cornell University¹ het beeld met de hoogste resolutie van atomen vast. Ze gebruikten een praseodymium orthovanadaat kristal. Met een psychografische techniek konden ze een licht wazig beeld van de rood gloeiende bolletjes vangen.

Ptychografie vereist het gebruik van een elektronenmicroscoop voor de analyse van het kristal door de hoeken van de verstrooide elektronen te berekenen en de vorm van de verantwoordelijke atomen te bepalen.

Het team van Muller gebruikte 2D-materiaal om de elektronenverstrooiing te beperken, waardoor het gemakkelijker te zien was waar de elektronen vandaan kwamen. Ze ontdekten ook dat koeling van het monster zorgt voor een betere atoomstabiliteit, waardoor het gemakkelijker te fotograferen is.

Image Credit: kennethr, Pixabay

Laatste gedachten

Toen wetenschappers voor het eerst atomen ontdekten, leek het onmogelijk om ze ooit te zien. Maar met behulp van geavanceerde microscopen hebben wetenschappers beelden van hoge kwaliteit van atomen vastgelegd, waardoor we weten hoe deze nanodeeltjes eruit zien.

• //byjus.com/chemistry/what-does-an-atom-look-like/
• //www.physicscentral.com/explore/action/atom.cfm
• //www.microscopemaster.com/atom-under-the-microscope.html
• //www.livescience.com/37206-atom-definition.html

Uitgelichte afbeelding: Alexander Raths, Shutterstock