Geschiedenis van de atoomtheorie
De atoomtheorie kent een lange voorgeschiedenis. De voorlopers van de atoomtheorie vinden we in het atomisme van de Griekse natuurfilosoof Democritus. Deze theorie werd overgenomen door Epicurus en vereeuwigd in het natuurgedicht De rerum natura van Lucretius. Onder invloed van het christelijke geloof was de theorie een hele tijd minder populair. In de zeventiende eeuw kende het atomisme een heropleving en werd de natuurfilosofie omgevormd tot een wetenschappelijke theorie. De huidige experimenten van CERN met de Large Hadron Collider en het succes van de Standaardtheorie laten zien dat het atomisme nog steeds leeft (zij het in een moderne variant) en zeer succesvol blijkt bij het verklaren van materie.
1. Democritus' atomisme

De term atoom is afgeleid van het Griekse woord ‘atomos’ wat ‘ondeelbaar’ betekent. De term gaat terug op het atomisme, een klassieke natuurfilosofische theorie van Democritus. Democritus redeneerde dat alles wat bestaat, verder opgesplitst moest kunnen worden tot je uiteindelijk atomos of ondeelbare deeltjes zou bekomen. Hij geloofde dat alles wat bestond, opgebouwd moest zijn uit deze kleine ondeelbare deeltjes.

Natuurfilosofen zoals hij en Epicurus meenden dat deze ondeelbare deeltjes doelloos rondzweefden in een onbegrensde ruimte om zo nu en dan met elkaar in botsing te komen en nieuwe structuren te vormen. Die botsingen zouden uiteindelijk tot het bestaan van alle materiële dingen die we om ons heen kunnen zien, inclusief wijzelf, hebben geleid. Alles wat bestaat, zou dan het resultaat zijn van toevallige botsingen van atomen en geen ‘plan van bovenaf’ zoals religieuze theorieën ons willen doen geloven.

Een prachtige uiteenzetting van de atoomtheorie van Epicurus vind je in De rerum natura van de Romeinse dichter Lucretius. Lucretius (99–55 vot.) zette de natuurfilosofische atoomtheorie om in versvorm om zo een groter publiek te bereiken. De Historische Uitgeverij gaf enkele jaren geleden een mooie tweetalige versie uit van dit werk. De Nederlandse vertaling en inleiding zijn van de hand van Piet Schrijvers.

De natuur der dingen

Materie omvat zowel begindeeltjes van dingen
als wat bestaat uit een verbinding van die deeltjes.
Begindeeltjes op zich zijn echter onverwoestbaar
en trotseren elke kracht door hun massiviteit,
al schijnt het moeilijk te geloven dat er dingen
gevonden kunnen worden die totaal massief zijn.
Een bliksemschicht dringt immers door een huismuur heen,
net als geschreeuw en stemmen, ijzer gloeit in vuur,
een gruwelijke warmte laat de stenen springen,
hardheid van goud wordt bij verhitting zacht en vloeit,
en zelfs ijzig brons gaat smelten in een vlam,
doordringend stromen kou en warmte via zilver;
wij voelen dit als onze hand een beker vasthoudt,
waarin volgens gebruik water wordt geschonken.
Zo lijkt massiviteit in dingen onbestaanbaar.
Maar toch, de ware uitleg van de natuur van dingen
dwingt mij - let op! - in enkele verzen te verklaren
dat er wezenheden zijn, massief en onverwoestbaar
de zogeheten zaden, begindeeltjes van dingen,
waaruit al het bestaande nu is geschapen. (boek I, 483-502)

2. Wetenschappelijk atomisme

Het atomisme had gedurende de middeleeuwen weinig aanhang maar kende sinds de opkomst van de wetenschappelijke methode in de zeventiende eeuw een heropleving nadat Newton in zijn Principia speculeerde dat materie uit aparte, ondeelbare deeltjes zou bestaan die op elkaar zouden inwerken door elkaar aan te trekken en af te stoten.

De aandacht voor het atomisme in de wetenschap werd versterkt toen de chemicus John Dalton in 1808 A New System of Chemical Philosophy publiceerde. Daarin stelde hij dat:

  • elementen bestaan uit kleine ondeelbare deeltjes, genaamd atomen;
  • ieder element gekarakteriseerd wordt door de massa van het atoom (atomen van hetzelfde element hebben dezelfde massa en atomen van verschillende elementen hebben verschillende massa);
  • en dat bij het ontstaan van nieuwe stoffen (door middel van chemische reacties) alleen de manier verandert waarop atomen met elkaar verbonden zijn, en niet de atomen zelf.

Verder geldt dat: 

  • Voor elementen of enkelvoudige stoffen alle atomen identiek zijn maar ze fundamenteel verschillen van element tot element.
  • Voor verbindingen of samengestelde stoffen de atomen in een vaste verhouding gecombineerd zijn tot moleculen.

Het filosofische principe van het atomisme werd in de loop van de negentiende eeuw opgenomen in een wetenschappelijke theorie die we de atoomtheorie noemen. De nieuwe chemische filosofie van Dalton vormde de basistekst voor dit chemisch atomisme. Er werd sindsdien volop geëxperimenteerd en getheoretiseerd en de deeltjes die men op dat moment als ondeelbaar beschouwde, noemde men 'atomen'.

Aan het einde van de negentiende eeuw kwam men echter tot de ontdekking dat atomen op hun beurt uit nog kleinere deeltjes bestonden. In 1932 kwam men bijvoorbeeld tot de ontdekking van de neutron. Op dat moment werd gedacht dat de elektron, de proton en de neutron de fundamentele bouwsteentjes waren van alle materie. Maar recentere experimenten lieten zien dat er nog meer deeltjes bestonden die als fundamenteel konden worden beschouwd.

Ondanks het feit dat de deeltjes die we nu ‘atomen’ noemen wel verder deelbaar zijn, en dus geen echte 'atomos' zijn zoals Democritus het bedoelde, blijft het filosofische principe van het atomisme toch van kracht. In de studie van de fysica die we nu deeltjesfysica noemen, wordt er nog steeds gezocht naar de fundamentele deeltjes waar alle materie uit is opgebouwd. De fundamentele deeltjes worden nu niet langer ‘atomen’ (die naam is immers al bezet) maar ‘elementaire deeltjes’ genoemd. Elementaire deeltjes zijn deeltjes waarvan verondersteld wordt dat ze geen substructuur meer hebben. De meeste elementaire deeltjes worden voorgesteld als eenpuntige partikels. Een overzicht van de deeltjes die op dit moment als ondeelbaar worden beschouwd, vind je in het artikel over Standaardtheorie. Daarin zie je dat atomen zijn opgebouwd uit protonen, neutronen en elektronen. En dat neutronen en protonen op hun beurt opgebouwd zijn uit nog kleinere deeltjes, namelijk quarks. Quarks zijn een voorbeeld van elementaire deeltjes, net als leptonen en ijkbosonen. IJkbosonen zijn bosonen die fungeren als drager van één van de fundamentele natuurkrachten. 

3. De zoektocht naar elementaire deeltjes

De mogelijkheid om de structuur van partikels te bestuderen is gelimiteerd tot de beschikbare energie van het experiment. Nieuwe technologie die ons in staat stelt om meer energie te gebruiken, maakt het mogelijk om meer deeltjes te splitsen en hun substructuur te bestuderen.

De Large Hadron Collider van CERN (de Europese organisatie voor nucleair onderzoek) is een voorbeeld van zo’n uitmuntend stuk technologie. Telkens wanneer een meer geavanceerdere deeltjesversneller beschikbaar is, worden meer structuren van materie bestudeerbaar. Wat dus op een bepaald moment als elementair deeltje wordt beschouwd, is dat wellicht niet voor eeuwig. Ook de classificatie van materie is niet statisch. Er vinden regelmatig verschuivingen plaats binnen het classificatiemodel van de dingen die bestaan.