Fysische geologie

Alle materie, inclusief minerale kristallen, bestaat uit atomen, en alle atomen bestaan uit drie hoofddeeltjes: protonen, neutronen en elektronen. Zoals samengevat in Tabel 2.1, zijn protonen positief geladen, neutronen ongeladen en elektronen negatief geladen. De negatieve lading van één elektron brengt de positieve lading van één proton in evenwicht. Zowel protonen als neutronen hebben een massa van 1, terwijl elektronen bijna geen massa hebben.

Het element waterstof heeft de eenvoudigste atomen, elk met slechts één proton en één elektron. Het proton vormt de kern, terwijl het elektron eromheen draait. Alle andere elementen hebben zowel neutronen als protonen in hun kern, zoals helium, dat is weergegeven in figuur 2.2. De positief geladen protonen hebben de neiging elkaar af te stoten, en de neutronen helpen de kern bij elkaar te houden. Het aantal protonen is het atoomnummer en het aantal protonen plus neutronen is de atoommassa. Voor waterstof is de atomaire massa 1 omdat er één proton is en geen neutronen. Voor helium is dat 4: twee protonen en twee neutronen.

Voor de meeste van de 16 lichtste elementen (tot zuurstof) is het aantal neutronen gelijk aan het aantal protonen. Voor de meeste van de overige elementen zijn er meer neutronen dan protonen, omdat er extra neutronen nodig zijn om de kern bijeen te houden door de wederzijdse afstoting van het toenemende aantal protonen geconcentreerd in een zeer kleine ruimte te overwinnen. Silicium heeft bijvoorbeeld 14 protonen en 14 neutronen. Het atoomnummer is 14 en de atoommassa is 28. De meest voorkomende isotoop van uranium heeft 92 protonen en 146 neutronen. Zijn atoomnummer is 92 en zijn atoommassa is 238 (92 + 146).

De punt in het midden is de kern en de omringende wolk geeft aan waar de twee elektronen zich op elk moment kunnen bevinden. Hoe donkerder de schaduw, hoe groter de kans dat er een elektron zal zijn. Een ångström (Å) is 10-10m. Een femtometre (fm) is 10-15m. Met andere woorden, de elektronenwolk van een heliumatoom is ongeveer 100.000 keer groter dan zijn kern.

Elektronen die rond de kern van een atoom cirkelen, zijn gerangschikt in schillen – ook wel bekend als ‘energieniveaus’. De eerste schil kan slechts twee elektronen bevatten, terwijl de volgende schil maximaal acht elektronen bevat. Daaropvolgende schillen kunnen meer elektronen bevatten, maar de buitenste schil van een atoom bevat niet meer dan acht elektronen. De elektronen in de buitenste schil spelen een belangrijke rol in binding tussen atomen. Elementen met een volledige buitenschil zijn inert omdat ze niet reageren met andere elementen om verbindingen te vormen. Ze verschijnen allemaal in de uiterst rechtse kolom van het periodiek systeem: helium, neon, argon, enz. elementen die geen volledige buitenschil hebben, kunnen de buitenste elektronen een interactie aangaan met de buitenste elektronen van nabijgelegen atomen om chemische bindingen te creëren. De elektronenschilconfiguraties voor 29 van de eerste 36 elementen staan vermeld in Tabel 2.2.