Waar komt de energie vandaan die elektronen in

http://www.standaard.be/Artikel/PrintArtikel.aspx?artikelId=9N2IOLSE
Waar komt de energie vandaan die elektronen in
beweging houdt, zelfs bij een temperatuur om en
nabij het absolute nulpunt?
donderdag 26 november 2009
Wetenschapswinkel
Daniël Bernard, Waasmunster
Dit is misschien wel een van de meest prangende vragen in de wetenschap. Althans, als je haar wat
breder formuleert: waar komt energie vandaan? Toen het heelal ontstond met de big bang, zo'n 13,7
miljard jaar geleden, is al de energie en materie die er nu is de ruimte in geslingerd. Ook deeltjes als
elektronen kregen energie mee.
'Maar waar al die energie van voor de big bang vandaan komt, dat weten we niet', zegt theoretisch
fysicus Antoine van Proeyen van de KU Leuven. 'We proberen het wel te begrijpen, onder meer door te
onderzoeken uit wat voor soort energie en materie een groot deel van het heelal nu precies bestaat. Een
deel van de energie en materie kunnen we vooralsnog niet waarnemen. We noemen ze nu donkere
materie en donkere energie.'
Maar een ding is zeker, de energie van de elektronen gaat niet verloren.
Van oudsher worden elektronen weergegeven als deeltjes die om een atoomkern draaien. Hoe is het
mogelijk dat zo'n deeltje eindeloos blijft draaien? Om een fietswiel draaiend te houden, moet je er toch
ook continu energie in steken? 'Ja', zegt Van Proeyen, 'maar je kunt die twee situaties niet met elkaar
vergelijken. Krachten zoals de luchtweerstand en de wrijving met het wegdek bestaan niet rond een
atoomkern.'
Als je voor het gemak uitgaat van de klassieke natuurkunde, dan kun je elektronen en een atoomkern
vergelijken met de planeten die rond de zon draaien. Net als de zon met haar zwaartekracht voorkomt
dat de planeten uit de bocht vliegen, zo trekt het elektromagnetische veld rondom de geladen atoomkern
de elektronen naar zich toe. Als de twee krachten - de centrifugale kracht van het elektron en de
aantrekkingskracht van de kern - met elkaar in evenwicht zijn, dan kan het elektron eindeloos blijven
draaien.
Maar jammer genoeg gelden de wetten uit de klassieke natuurkunde niet in de atomaire wereld. 'Volgens
de klassieke natuurkunde zouden de elektronen energie moeten uitstralen', vertelt Van Proeyens collega,
Ward Struyve, eveneens van de KU Leuven. 'Ze veranderen namelijk continu van richting. Van richting
veranderen is hetzelfde als versnellen. En versnellingen van geladen deeltjes gaan gepaard met radiatie
(straling), met andere woorden het afstoten van energie. Daardoor zouden de elektronen moeten
1 van 2
27/11/2009 0:05
http://www.standaard.be/Artikel/PrintArtikel.aspx?artikelId=9N2IOLSE
afremmen en op een gegeven moment op de kern moeten vallen. Maar dat doen ze niet.'
Dit probleem wordt opgelost door de kwantummechanica.
Volgens de kwantummechanica zijn elektronen golffuncties, uitgesmeerd rondom een atoomkern. Op elk
plekje rondom de atoomkern is er een bepaalde kans dat het elektron zich daar bevindt. Theoretisch
althans. Want als je zou gaan meten waar het elektron zit, dan beïnvloed je vervolgens onvermijdelijk de
kansverdeling. Dat volgt uit de onzekerheidsrelatie van Heisenberg die stelt dat snelheid en plaats nooit
tegelijk bepaald kunnen zijn.
De kwantummechanica maakt visualisatie van elektronen rond atoomkernen wel erg lastig. Misschien
kun je een elektron het beste beschouwen als een soort wolk. Al is het wel een heel abstracte wolk. Een
wolk van kansverdelingen.
En dan dat absolute nulpunt; 273 graden Celsius onder nul. Bewegen elektronen ook nog als het zo koud
is? Geen gekke vraag, want bij het absolute nulpunt bewegen atomen niet meer. 'Maar het absolute
nulpunt, dat is iets wat in de fysica niet bestaat', zegt Van Proeyen. 'Stel dat je de temperatuur telkens
halveert, dan zul je altijd nog iets boven het absolute nulpunt blijven zitten. Maar belangrijker nog;
temperatuur en de beweging van één elektron hebben eigenlijk niets met elkaar te maken. Temperatuur
is een maat van energie van een groep van deeltjes (hun onderlinge bewegingen) maar op het niveau van
een individueel elektron kan je daar eigenlijk niet over spreken.'
Vragen aangaande de wetenschappelijke achtergrond van alledaagse fenomenen kunt u sturen naar De
Standaard, Wetenschapswinkel, Gossetlaan 28, 1702 Groot-Bijgaarden, of naar
[email protected], onder vermelding van voornaam, naam en adres.
http://www.standaard.be/wetenschapswinkel
Tomas van Dijk
2 van 2
27/11/2009 0:05