Een atoom kan ook best exotisch zijn!

Een atoom kan ook best exotisch zijn!

Bekijk eens je smartphone, je schoenen, het water in je glas of de wortelen in je bord: alles wat je ziet, is gemaakt van atomen (dat geldt zelfs voor het glas en het bord!). Een watermolecule bijvoorbeeld bestaat uit twee waterstofato-men en één zuurstofatoom: zo weet je meteen waar de fameuze formule H2O voor staat. De wortelen en de vele componenten van je smartphone zijn dan weer opgebouwd uit andere atomen die met elkaar verbonden zijn.

 

Toch hebben al die atomen een gemeenschappelijk kenmerk. Het zijn alle-maal zogenaamde 'klassieke' atomen. Tegenwoordig besteden onderzoekers echter ook veel aandacht aan een andere familie atomen: de zogenaamde 'exotische' atomen.

Dat is een woord dat je wellicht doet wegdromen over verre landen, zon, ei-landen en kokosbomen ... Bestemmingen dus die nogal verschillen van wat we hier kennen, zij het dan wel met ingrediënten waarmee we vertrouwd zijn (zee, zand, zon,…). Dat is hetzelfde verhaal  als met de exotische atomen. Want dat zijn klassieke atomen, die toch een klein beetje anders zijn. Dat ver-schil zit hem bijvoorbeeld in hun elektronen. Want in feite zijn het niet allemaal elektronen… Uiteindelijk zijn exotische atomen in staat om materie te vormen die ook nogal ongebruikelijk is – 'exotische materie’ als het ware, die zich niet echt gedraagt zoals de materie in ons water, ons bord of ons glas.

Wil je meer weten? Dan klik hier.

Laten we eerst nog eens bekijken wat een 'klassiek' atoom is.
Dat is het kleinste deeltje van een eenvoudig lichaam, d.w.z. van een  che-misch zuiver element. Uiteraard kunnen atomen samen verbindingen vormen, zoals het  water waarnaar we zonet verwezen, of polymeren, kunststoffen of organisch materiaal ...

Een atoom bestaat uit een kern en een elektronenwolk. In de kern is bijna de volledige massa van het atoom geconcentreerd (meer dan 99 %). De kern bestaat uit positief geladen protonen en elektrisch neutraal geladen neutro-nen. Rond de kern cirkelen één of meer negatief geladen elektronen. Meestal houden de positieve ladingen van de kern en de negatieve ladingen van de elektronenwolk elkaar in evenwicht.
In de tabel van de chemische elementen (de tabel van Mendeljev) wordt al die informatie voor elk van de elementen vermeld.

hier je tabel van Mendeljev met de toepassing van de elementen in het echte leven>

Lees ons artikel over atomen.

Recept om exotische atomen te maken

Bij het aanmaken van een exotisch atoom vervangen de onderzoekers een van de elektronen door een ander deeltje met dezelfde elektrische lading. Ze doen dit door klassieke atomen met stralen exotische deeltjes te bombarde-ren.  Na afloop van die operatie stoten de klassieke atomen uiteindelijk een van hun elektronen af om een van die andere deeltjes op te vangen. Op die manier worden ze zelf 'exotisch'.

 

Op deze afbeelding worden de drie fasen duidelijk weergegeven: eerst is er het klassieke atoom, dat vervolgens door exotische deeltjes (mauve) wordt gebombardeerd, waarna het klassieke atoom exotisch wordt.

De elementaire deeltjes die hierbij worden gebruikt, zijn in theorie meervoudig. Het kunnen muonen, pionen, antiprotonen, kaonen, … zijn, maar er is wel de-gelijk een verschil tussen deze deeltjes. Een exotisch atoom kan pas ontstaan als het deeltje dat in de plaats komt van een elektron, lang genoeg leeft.
Die levensduur moet langer zijn dan de tijd diehet deeltje nodig heeft om rond de kern te draaien. En zoiets gaat heel snel. Amper een fractie van een se-conde. Daarmee bedoelen we enkele miljoensten van miljardsten van een se-conde! Dat betekent dat het exotische deeltje in één seconde tijd miljoenen miljarden keer rond de atoomkern draait ...

 

Muonen, pionen en antiprotonen zijn de drie deeltjes die fysici het vaakst ge-bruiken voor dit soort experimenten. De eerste twee zijn onstabiel. De levens-duur bedraagt 2 microseconden voor een muon en 26 nanoseconden (mil-jardsten van een seconde!) voor een pion.

Een antiproton (een negatief geladen proton) is moeilijker te verkrijgen we-gens zijn hoge massa. Maar de levensduur van dit deeltje is wel oneindig.

Een onbekende wereld gaat voor ons open

In de keuken van de exotische atomen hebben we een ruime keuze aan ingrediënten. De vraag is nu alleen nog wat we met die exotische atomen zullen aanvangen.


Het is mogelijk dat die atomen nieuwe materialen opleveren, met andere ei-genschappen  dan die van de klassieke atomen. Het zouden in elk geval exo-tische materialen zijn, aangezien ze op  basis van exotische atomen zijn ge-maakt.  Deze onderzoeken zouden tot materialen kunnen leiden die een ware revolutie kunnen ontketenen in de doeltreffendheid van onze computers of in de manier waarop we ons verplaatsen dankzij de supraconductiviteit.

Drie wetenschappers (Jean-Pierre Sauvage, Sir J. Fraser Stoddart en Ber-nard L. Feringa) mochten in 2016 zelfs de Nobelprijs in ontvangst nemen voor hun onderzoek naar het gedrag van die 'exotische' materialen.

De jury van de Nobelprijs bekroonde het werk van het drietal omdat ze van mening was dat ze "de poort naar een onbekende wereld hebben opengezet, waar materie vreemde toestanden kan doorlopen, zoals supergeleiders, su-pervloeistoffen (waarbij superfluïditeit een toestand van de stof is waarin ze zich gedraagt als een vloeistof zonder enige viscositeit) of fijne magnetische films …"

“Waardoor we een veel beter theoretisch inzicht krijgen in de mysteries van materie en waardoor we de kans krijgen om nieuwe, innoverende materialen te creëren.” We hebben dus nog heel wat werk voor de boeg!

Reageer

Fijn dat je van je laat horen!