Gefeliciteerd, achterhaald atoom

Een eeuw geleden bedacht Niels Bohr dat in een atoom de elektronen in vaste banen rond de kern cirkelen. Nu weten we beter.

Achteraf gezien lag het natuurlijk volstrekt voor de hand: het idee dat een atoom bestaat uit elektronen en protonen, en dat die elektronen dan rond die kern cirkelen in keurige banen.


Dat soort gedraai en gecirkel kennen we maar al te goed. Het hele zonnestelsel bestaat uit bollen, de planeten, die in hun eigen tempo in een ellips rond de zon bewegen. En anders herkennen we hetzelfde beeld wel van bijvoorbeeld Jupiter en zijn tientallen manen. Dus wie eenmaal bedenkt dat een atoom een kern heeft waar elektronen omheen bewegen, heeft het miniatuur zonnestelsel al haast vanzelf ontdekt.


En zo ging het dus ook rond 1910. Voor zover natuurkundigen überhaupt belangstelling hadden voor atomen, ze dachten liever na over straling en golven, gingen de discussies over de vraag waar in het atoom de elektronen zaten. Ernest Rutherford had in 1908 in Manchester met Geiger en Marsden ontdekt dat flinterdun goudfolie nu en dan een deeltje dat erop geschoten wordt keihard terugkaatst. Alsof rijstpapier een kanonskogel tegenhoudt, noteerden ze verbouwereerd. Maar in Manchester rijpte daarna wel voor het eerst het idee dat atomen dus een solide kern moesten hebben.


Waar, was de vraag van collega's elders, zaten in dat geval de elektronen? In een soort glazige negatieve pudding met positief geladen krenten, wellicht, zoals met name J.J. Thomson in Cambridge het zich voorstelde? Of toch in een klein zonnestelseltje, zoals Rutherford en companen het zich intuïtief voorstelden?


Alweer achteraf gezien lijkt het onbegrijpelijk dat in de herfst van 1911 de jonge Deense natuurkundige Niels Bohr zich uitgerekend in Cambridge bij Thomson meldde, de man van het puddingmodel. Dezelfde Bohr immers die juli 1913 drie artikelen zou publiceren, die met ongekende precisie uitlegden hoe een atoom werkt. En hoe het eruitziet: een miniatuur zonnestelsel, met de kern in het midden en elektronen die er omheen draaien. Waarom ging deze Bohr niet naar Rutherford in Manchester, als hij hel allemaal zo goed wist? Waarom wilde hij naar Thomson?


Aanscherping

De geschiedenis komt nu raar over, zegt wetenchapshistoricus Helge Kragh van de universiteit van Aarhus in Denemarken, maar is dat niet. Feit is dat Niels Bohr in 1911 helemaal niet naar Engeland toog om het atoom te doorgronden. Hij ging voor een aanscherping van zijn eigen werk aan elektronen in metalen, waarop hij in mei van dat jaar summa cum laude was gepromoveerd in Kopenhagen. In dat veld was er één absolute autoriteit: Nobelprijswinnaar 1906 John J. Thomson in Cambridge. Die moest hij spreken.


Maar Cambridge wordt een deceptie. Vorige maand verscheen een nieuw boek van conservator Finn Aaserud van het Bohr Archive over Bohrs verblijft in Engeland, aan de hand van tot nu toe onbekende liefdesbrieven die hij aan zijn jonge echtgenote Margrethe thuis schreef. Daarin is te lezen dat Bohr in Cambridge zich al snel zijn vergissing om naar Thomson te gaan realiseert. Zijn wetenschappelijke idool blijkt in werkelijkheid nauwelijks geïnteresseerd in een uitgebreide discussie over elektronen in metalen. En al helemaal niet met de over-energieke prater Bohr, die in zijn tamelijk briljante proefschrift ook korte metten had gemaakt met Thomsons bekende theorie van de elektronen. Dat had pijn gedaan. En kwaad bloed gezet.


In zijn proefschrift had Bohr een gewaagde metaaltheorie opgesteld, waarin hij gebruik maakt van de dan nog controversiële ideeën van de Duitser Max Planck, die aanneemt dat energie in kleine pakketjes voorkomt, in plaats van in iedere gewenste hoeveelheid. Met die zogeheten quantumtheorie blijkt een aantal eigenschappen van metalen te verklaren en voorspellen, die met de oude theorie van onder meer J.J. Thomson een raadsel blijven. Planck, die de straling van hete voorwerpen probeerde te begrijpen, bedoelde het energiequantum als rekentruc. Bohr vatte het letterlijk op: energie kwam van nature in pakketjes.


Maar prachtidee of niet, Thomson wil er niet over praten, en Bohr kiest eieren voor zijn geld. Na een paar maanden Cambridge besluit hij te verkassen naar Manchester, waar Ernest Rutherford de andere grote naam in de Britse natuurkunde is. Daarbij laat Bohr wel het plan varen om de elektronentheorie van zijn proefschrift verder aan te scherpen. In plaats daarvan mengt hij zich enthousiast in Rutherfords onderzoek en bespiegelingen over de bouw van het atoom en vooral de plek van de elektronen daarin.


In eerste instantie doet hij dat vooral als ongebonden criticus. Bohr staat andere theoretici bij in berekeningen aan het atoommodel met de cirkelende elektronen. Maar gaandeweg realiseert hij zich dat die modellen onmogelijk correct kunnen zijn. Een elektron dat in een gekromde baan beweegt, straalt energie uit. Daardoor verliest het hoogte. Uiteindelijk, is zijn conclusie, zal ieder elektron op de kern storten. Onvermijdelijk. En omgekeerd is het feit dat dat dus niet gebeurt, gezien de stabiliteit van de materie, het echte raadsel. Kennelijk, besluit Bohr ergens in die maanden, gelden voor elektronen in het atoom de klassieke wetten van het elektromagnetisme dus niet.


Wild idee

Exact op de dag is het niet te traceren, zegt in Aarhus historicus Helge Kragh, maar ergens in 1912 realiseert Bohr zich voor het eerst dat de oplossing van dat raadsel ligt in dezelfde quanta die eerder zijn metaaltheorie zo hadden geholpen. Hij ontwerpt een quantumtheorie voor het allereenvoudigste atoom, waterstof, met een proton als kern en één elektron dat daar omheen draait. Daarin kan het elektron niet iedere willekeurige baan kiezen, maar alleen banen waarin de gequantiseerde energie van het elektron past. Het elektron kan bovendien van de ene baan naar de volgende springen, als er precies de vereiste hoeveelheid energie wordt toegevoegd, of uitgestraald.


In eerste instantie is er nauwelijks reden om Bohrs wilde idee over het binnenwerk van het atoom serieus te nemen. En dat doen de natuurkundigen dus ook nauwelijks, zegt Kragh in Aarhus. 'De belangstelling ontstaat op het moment dat Bohr in zijn theorie de aansluiting maakt bij het spectrum van waterstof.' Dat spectrum van licht dat waterstofatomen kunnen uitzenden - bijvoorbeeld in het zonlicht - heeft een reeks markante lijnen. Kennelijk straalt het gas niet zomaar iedere hoeveelheid energie uit, maar alleen bepaalde waarden. De Duitse amateurfysicus en apotheker Johannes Balmer heeft voor de ligging in het zonnespectrum van die lijnen zelfs een eenvoudig wiskundig verband afgeleid. Zonder te weten waar dat verder vandaan komt.


Bohrs quantumatoom verklaart Balmers formule echter in één klap. De lijnen in het spectrum ontstaan doordat elektronen in waterstofatomen van de ene toegelaten baan naar de andere springen. Daarbij zenden ze alleen bepaalde hoeveelheden energie uit. Bohr laat moeiteloos zien welke energie. Het is vooral die passage in de artikelen van Bohr in 1913 die zijn theorie geloofwaardig maken. En Bohr beroemd, althans onder mede-fysici.


Sleutelen

Vorige maand was Kragh spreker op een symposium in Kopenhagen, ter ere van 100 jaar Bohrs atoommodel. Dat Bohr-atoom, zei hij, bestaat historisch gezien eigenlijk helemaal niet. 'Bohr bleef er na de eerste publicatie altijd aan sleutelen. En met groeiende problemen, bijvoorbeeld als blijkt dat zijn theorie uit 1913 alleen voor waterstof perfect werkt, en vanaf helium meteen al nauwelijks meer. Er is geen definitieve versie, ook niet op het moment dat in 1925 Heisenberg het atoom echt de moderne quantumtheorie binnentrekt. Maar feit blijft dat Bohr de eerste stap zet naar het quantumatoom. Behalve misschien Einstein was er in 1913 maar één die zo'n gewaagde sprong aankon en aandurfde: Niels Bohr.'


In feite, zegt ook de Utrechtse wetenschapshistoricus Jeroen van Dongen, heeft Bohrs eenvoudige en concrete beeld van elektronen in vaste banen rond een atoomkern, maar een paar jaar standgehouden. 'Zijn sprong naar het quantum is natuurlijk historisch. Maar in veel opzichten is Bohr tot dat moment ook nog steeds een heel klassiek denkende fysicus, die zich een echte voorstelling van het atoom maakt. Met Heisenberg gaat de quantumtheorie een nieuwe, moderne fase in: geen mechanische modellen meer, maar een theorie die de waarnemingen van atoomspectra kan beschrijven en voorspellen. Dat het werkt is voldoende, wordt gaandeweg het idee, het gaat om het meten. Je een atoom voorstellen, is helemaal niet meer nodig om het te begrijpen.'


ACHTERHAALD: VAN BANEN NAAR WOLKEN

Hoewel Bohrs oude beeld van het atoom (foto rechtsboven) als klein zonnestelsel nog altijd populair is, is het al bijna net zolang achterhaald als het bestaat. Voor zover natuurkundigen zich nog een voorstelling van atomen maken, is dat in termen van waarschijnlijkheden dat een elektron in een bepaalde toestand in het atoom wordt gevonden bij een meting. Op die manier bestaat een atoom uit een atoomkern met daar omheen meer en minder geschikte gebieden voor elektronen. Die zogeheten orbitalen zijn het domein van de quantumtheorie. Plaats en tijd zijn daar vage begrippen; in de wazige kansverdelingswolken zitten wel herkenbare patronen en symmetrieën. De laagste energieniveaus zijn bijvoorbeeld keurig symmetrisch rond de kern. Vorige maand maakten fysici voor het eerst een opname van zulke symmetrische orbitalen (foto boven), in dit geval in een waterstofatoom. Bij meer elektronen in een atoom beginnen quantumwetten een rol te spelen die bijvoorbeeld verbieden dat twee elektronen in exact dezelfde toestand voorkomen. In complexere atomen ontstaan daardoor schillen en steeds complexere lobben, in de elektronenwolk rond de kern. De patronen in de elektronenwolk zijn vooral van belang voor de chemie, omdat ze de verbindingen in moleculen vormen. Fysici hebben van oudsher meer belangstelling voor de atoomkern, de kernkrachten en de radioactiviteit.


NIELS BOHR ( 1885-1962 )

Als er iemand een prater was, was het de Deense theoretisch fysicus Niels Bohr. Anders dan veel van zijn tijdgenoten, leek hij vooral tot nieuwe inzichten te komen door, desnoods oeverloos en soms onnavolgbaar associërend, te discussiëren over een bepaald natuurkundig vraagstuk. Beroemd zijn de eindeloze gesprekken die hij met Einstein voerde over de volledigheid van de moderne quantumtheorie. Door zijn wollige manier van werken en aandacht voor de betekenis van theorieën wordt Bohr vaak gezien als een grote maar wat filosofische fysicus.

Meer over

Wilt u belangrijke informatie delen met de Volkskrant?

Tip hier onze journalisten


Op alle verhalen van de Volkskrant rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright @volkskrant.nl.
© 2019 de Persgroep Nederland B.V. - alle rechten voorbehouden