Waarom kunnen onze vingers niet door de lege ruimte in atomen bewegen? En waarom schijnt er geen licht tussen deze gaten door?
De scheikundige John Dalton stelde de theorie voor dat alle materie en objecten opgebouwd zijn uit deeltjes genaamd atomen. Na bijna twee eeuwen wordt deze theorie nog steeds aanvaard in de wetenschap. Elk atoom bestaat uit een enorm kleine nucleus en nog kleinere elektronen, die op een afstand rond het centrum bewegen.
Als je je een tafel inbeeldt die een miljoen keer groter is, dan zijn de atomen waaruit de tafel bestaat zo groot als meloenen. Maar de nucleus in het centrum van de atomen en de elektronen zouden nog steeds veel te klein zijn om ze met het blote oog te kunnen waarnemen. Waarom kunnen onze vingers dan niet door die lege ruimte in atomen bewegen? En waarom schijnt er geen licht tussen deze gaten door?
Om een antwoord te krijgen moeten we naar de elektronen kijken. Jammer genoeg wordt veel van wat we op school leren vereenvoudigd. Elektronen bewegen namelijk niet in een baan rond het centrum van een atoom, zoals planeten dat doen rond de zon. In plaats daarvan zijn elektronen eerder te vergelijken met een zwerm bijen of vogels: hun individuele bewegingen zijn te snel om te volgen, maar je ziet wel hoe de volledige zwerm beweegt.
Elektronen ‘dansen’
Eigenlijk dansen elektronen. Er is geen beter woord voor. Maar ze maken geen willekeurige bewegingen. Vergelijk het met stijldansen, waarbij bewogen wordt in vaste patronen. Elektronen volgen stappen die vastgelegd kunnen worden met een wiskundige vergelijking die naar Erwin Schrödinger genoemd werd.
De danspatronen van elektronen kunnen verschillen: sommige zijn traag en zacht, zoals een wals, terwijl andere snel en energiek zijn, zoals de Charleston. Een elektron houdt vast aan eenzelfde patroon, maar kan soms van patroon veranderen, zolang geen ander elektron al dat patroon volgt. Twee elektronen in een atoom kunnen niet dezelfde stappen zetten: deze regel wordt het uitsluitingsprincipe genoemd.
Elektronen hebben energie nodig om een sneller patroon te beginnen volgen. En als een elektron een trager patroon volgt, verliest het energie. Dus wanneer energie in de vorm van licht op een elektron schijnt, absorbeert het elektron die lichtenergie en begint het volgens een sneller patroon te dansen. Een lichtstraal kan niet door een tafel heen schijnen omdat de elektronen in de atomen energie uit het licht onttrekken. Zeer kort daarna verliezen elektronen die opgenomen energie, misschien onder de vorm van licht. Veranderingen in de patronen van geabsorbeerd en gereflecteerd licht zorgen voor reflecties en kleuren, waardoor de tafel vast lijkt in onze ogen.
Weerstand bij aanrakingen
Waarom voelt een tafel dan ook als vast aan? Veel websites vertellen dat dit komt omdat elektronen een negatieve lading hebben en twee negatief geladen deeltjes elkaar afstoten. Dat klopt echter niet, en het toont ook dat je niet alles moet vertrouwen op het internet. De tafel voelt vast aan door de dansende elektronen.
Als je de tafel aanraakt, komen de elektronen van de atomen in je vingers dicht bij de elektronen in de atomen van de tafel. Als elektronen van een atoom dicht genoeg bij de nucleus van een ander atoom komt, kunnen hun danspatronen veranderen. Dat komt doordat een elektron met een lage lading niet hetzelfde patroon kan volgen rond een nucleus van een ander atoom. Dat atoom heeft namelijk een eigen elektron dat datzelfde patroon volgt. Het nieuwe elektron moet dus een nog niet ingenomen patroon volgen, dat energetischer is. Daarvoor is energie nodig, dat deze keer niet door licht gevormd wordt, maar door de kracht van je vinger.
Twee atomen dicht bij elkaar brengen vergt dus energie omdat al hun elektronen een nog niet ingenomen hogere energietoestand moeten krijgen. Alle tafel- en vingeratomen bij elkaar brengen vergt ongelooflijk veel meer energie, meer dan je spieren kunnen opbrengen. Dat voel je als weerstand tegen je vinger. Daarom voelt een tafel vast aan als je ze aanraakt.
Vertaling: Annelies Dotselaere
