Met welke snelheid draaien neutronen om hun kern?

Het oude atoommodel zei inderdaad dat het atoom uit een positief geladen atoomkern bestaat, waaromheen de negatief geladen elektronen keurige rondjes draaien - net als de planeten rond de zon.

Een probleem van dit atoommodel is, dat het voorspelt dat het atoom instabiel is. Een elektron dat continu wordt afgebogen (wat nodig is om rond de kern te blijven draaien) moet elektromagnetische straling uitzenden. Bij elektronen in vacuumbuizen was dit voorspelde effect daadwerkelijk waargenomen.

Een elektron dat straling uitzendt, verliest energie. Een elektron dat energie verliest, zal al snel op de atoomkern neerstorten.

Dit gebeurt echter niet.

Dit raadsel werd pas opgelost door de kwantummechanica. De kwantummechanica leert ons dat we het elektron helemaal niet mogen zien als een "klein hard bolletje" dat zich in een baan rond de kern beweegt. Niet alleen mag je niet van een klein bolletje spreken, je kunt zelfs niet zeggen dat het elektron op een bepaalde plek is, of dat het een bepaalde snelheid heeft. Alles wat je kunt zeggen is, dat er een kans van x% is dat het elektron zich in een bepaald gebied bevindt, en dat er een kans van (100--x)% is dat het elektron zich niet in dat gebied bevindt. De snelheid van het elektron is al even onzeker als zijn positie.

Op die manier weten we, dat het elektron zich in de buurt van de atoomkern bevindt. Voor elk gebied rond de atoomkern kunnen we uitrekenen hoe groot de kans is dat we het elektron daar aantreffen.

Dat is alles wat we kunnen zeggen.

Voor de snelheid geldt hetzelfde. Er is een kans van a% dat het elektron een snelheid tussen 0 en p heeft; een kans van b% dat het elektron een snelheid tussen p en q heeft; een kans van c% dat het elektron een snelheid tussen q en r heeft; enzovoort.

Toegevoegd na 27 minuten:
 
Het plaatje (van Wikipedia) laat de waarschijnlijkheidsverdeling zien van een elektron in een waterstofatoom. Dit is de kans dat je het elektron op een bepaalde plek in de buurt van de atoomkern aantreft. Er zijn verschillende plaatjes: de waarschijnlijkheidsverdeling is afhankelijk van de energetische toestand van het elektron. Elke energetische toestand heeft haar eigen plaatje.

De Bronnen hieronder geven veel achtergrondinformatie. De eerste Bron is een Engelstalige Wikipedia-pagina, waarin veel van wat ik hierboven schrijf in detail wordt uitgelegd. De andere Bronnen gaan in op het oude atoommodel (van Niels Bohr).