Van atoom naar kern: hoe klein is klein?

Een atoom bestaat grotendeels uit lege ruimte rond een klein middelpunt. Om over dat middelpunt te praten hebben we een nieuwe eenheid nodig.

• Een typisch atoom is ongeveer 10⁻¹⁰ m groot. Dat is 0,1 nanometer, oftewel één ångström.
• Een kern is ongeveer 10⁻¹⁵ m tot 10⁻¹⁴ m groot. De eenheid voor deze schaal is de femtometer (fm): 1 fm = 10⁻¹⁵ m. Een enkel proton is iets kleiner dan 2 fm, en een grote kern zoals die van lood is ongeveer 14 fm groot.

De kern is dus ongeveer een factor 10⁴ tot 10⁵ kleiner dan het atoom. Andersom gezegd is de verhouding tussen de grootte van de kern en die van het atoom ongeveer 10⁻⁵. Als je een kern opblaast tot de grootte van een erwt (ongeveer 1 cm), zou het bijbehorende atoom tussen de 100 m en 1 km groot zijn. Dat is iets van een voetbalveld tot een klein dorp, met een erwt in het midden.

Bijna alle massa zit in de kern. Een proton en een neutron wegen allebei ongeveer 1,67 × 10⁻²⁷ kg. Een elektron is ongeveer 1.836 keer lichter. Als je alles in een atoom bij elkaar optelt, bevat de kern meer dan 99,9 procent van de massa, ook al neemt de kern maar ongeveer 10⁻¹⁵ van het volume in (een miljoenste van een miljardste).

Daardoor is nucleaire materie extreem dicht: ongeveer 2 × 10¹⁷ kg per kubieke meter. Een volume ter grootte van een suikerklontje (1 cm³) hiervan zou ongeveer 200 miljoen ton wegen. Op aarde zul je zoiets nooit in grote hoeveelheden tegenkomen, maar de kern in elk atoom bestaat hier wel uit. (Neutronensterren zijn de grootschalige versie van dit materiaal.)

Hoe weten we dat? In 1909 schoten Hans Geiger en Ernest Marsden, die in het laboratorium van Ernest Rutherford werkten, alfadeeltjes (snelle, positief geladen heliumkernen) op een heel dun velletje goudfolie. Volgens het populaire beeld van die tijd, J. J. Thomsons "krentenbolmodel", was de positieve lading verdeeld over het hele atoom. Elk alfadeeltje zou er dus met slechts een klein zetje doorheen moeten vliegen.

Maar dit zagen ze:

• Bijna alle alfadeeltjes gingen er recht doorheen.
• Een heel kleine fractie werd onder grote hoeken afgebogen, en enkele kwamen bijna recht terug.

In 1911 begreep Rutherford wat dit betekende: bijna alle positieve lading en massa moet in een piepkleine, dichte kern zitten, terwijl de rest van het atoom leeg is. Rutherford beschreef een grote terugkaatsing later als bijna net zo ongelooflijk als een groot projectiel op vloeipapier afvuren en het naar je terug zien komen. Hij noemde de kern de atoomkern.