SDR-Leeuwarden

TERUG HOME

waterstof


Door H.N. van Roon

Waterstof is een van de belangrijkste elementen in ons heelal. We kunnen gerust stellen dat zonder waterstof er geen heelal was geweest, de totale massa van ons heelal bestaat voor ± 90% uit waterstof. Waterstof is ontstaan tijdens de Big-Bang. Van alle waterstofatomen die er op Aarde zijn is 99,98% protium.
Zullen wij eerst eens even ons geheugen opfrissen en laten wij eens teruggaan naar wat basic chemie, wat zijn ook alweer atomen, protonen, neutronen en elektronen en hoe ziet waterstof er uit.?

Atomen, protonen, neutronen en elektronen: 
Materie bestaat uit atomen, een atoom is het kleinst denkbare deeltje wat nog de kenmerken van het element heeft.

De definitie van het begrip atoom kan als volgt worden gesteld:
Een atoom is het kleinste onderdeel van een element met de chemische eigenschappen van dat element, bestaande uit een kern met combinaties van neutronen en protonen en één of meer elektronen gebonden aan de kern door elektrische aantrekking; het aantal protonen bepaalt de identiteit van het element.

atoom


Een atoom bestaat uit een kern met daarin protonen en neutronen, om de kern heen cirkelen elektronen. De protonen hebben een positieve + lading en de protonen bepalen de chemische eigenschappen van het element precies zoals het in de definitie staat. Verander het aantal protonen en je hebt een ander element. Neutronen zitten naast de protonen ook in de kern maar hebben geen elektrische lading. Elektronen cirkelen in banen om de kern heen en hebben een negatieve - lading. De elektronen blijven in een baan om de kern omdat er elektrische aantrekkingskracht is tussen de positieve protonen en de negatieve elektronen, dit word de kernbinding genoemd.

 

 
periodiek systeem
Alle chemische elementen die wij kennen zijn gerangschikt in een tabel wat het "periodieksysteem der elementen" genoemd word.
In het periodiek systeem staan alle elementen op volgorde van atoomnummer, het atoomnummer geeft aan hoeveel protonen er in de kern van het atoom zitten.

En dit brengt ons terug naar het element waterstof. Waterstof is in meer dan een opzicht een uniek element, we vinden het element gelijk linksboven in kolom 1.

Dat betekent dat waterstof maar 1 proton heeft en dus atoomnummer 1 heeft.
isotoop

Zoals ik eerder heb verteld hebben atomen een kern met een protonen en neutronen. Het komt voor dat er een verschillend aantal neutronen in de kern zitten van hetzelfde element, dergelijke atomen worden isotopen genoemd. Bij waterstof is dat ook zo. Het aantal neutronen in de kern bepaalt oa of het element stabiel is of niet.

Wij kennen 3 toestanden waarin waterstof een ander neutronen aantal heeft:
Waterstof-1 of protium

Waterstof-2 of deuterium
Waterstof-3 of tritium

Waterstof-1 of protium:
Protium is een stabiele isotoop van waterstof, de kern bestaat enkel uit 1 proton. Hierin is waterstof ook uniek, het is het enige element wat geen neutronen in de kern heeft.

Waterstof-2 of deuterium:
Ook deuterium is een stabiele isotoop, van alle op Aarde voorkomend waterstof is ongeveer 0,02% deuterium. Deuterium word ook wel zwaar water genoemd. Deuterium heeft 1 neutron in de kern.

Waterstof-2 of tritium:
Tritium is de uitzondering, dit isoptoop is instabiel en zal langzaam vervallen. Tritium is radio actief. Tritium komt in de natuur voor door de interactie van kosmische straling met deuteriumkernen in waterdamp in de atmosfeer.
waterstof verdeling in ons melkwegstelsel














spin flip

Waterstof kan zich gaan gedragen als een super geleidend metaal, die vorm van waterstof word metallisch waterstof genoemd. Het ontstaat onder hoge druk en zeer hoge temperaturen waardoor het gas zo word samengeperst dat het een vloeistof word en de elektronen vrij gaan bewegen. In gasreuzen zoals bv Jupiter zit om de kern enorm veel metallisch waterstof wat ontstaat door de enorme druk die deze planeet op het waterstof uitoefent, meer dan 250.000 atmosfeer. Het metallisch waterstof in de kern gaat zich dan gedragen als een enorme dynamo mede verantwoordelijk voor het magnetisch veld van de planeet.

In ons sterrenstelsel zit een heleboel neutraal waterstof wat radiostraling uitzend, de frequentie waarop het dat doet is 1420,400 MHZ (1,404 GHz) beter bekend als de 21 cm lijn. Neutraal waterstof heeft 1 proton en 1 elektron. Door radiotelescopen is er een map gemaakt die goed weergeeft hoe dit waterstof is verdeeld door de melkweg. 

Hoe ontstaat nou deze radiostraling? Ik kan het op een leuke manier vertellen: De 1420 MHz straling is afkomstig van de overgang tussen de twee niveaus van de waterstof 1s grondtoestand door de interactie tussen de spin van het elektron en de kernspin.

Maar laat ik het maar proberen op een andere manier uit te leggen. Om de waterstofkern draait 1 elektron, als het elektron en de kern in dezelfde richting draaien heeft het atoom meer energie dan wanneer ze in tegengestelde richting draaien. Het gebeurd dat als ze dezelfde kant opdraaien dat het elektron in een keer de andere kant gaat opdraaien, tegengesteld aan de kern. De extra energie die ze had geeft ze dan vrij in de vorm van een foton die radiotelescopen kunnen meten.

Zo’n spin-flip gebeurt maar zelden, volgens de wetten van de kwantum-mechanica is de halfwaardetijd zo’n tien miljoen jaar. Maar omdat er zoveel neutraal waterstof in het heelal is is het te meten.

Voor amateurs is tegenwoordig de waterstoflijn ook te meten, dat is een beetje afhankelijk van waar je zit en hoeveel storing er is op de plaats waar je meet.

Probeer de waterstoflijn eerst eens te meten met de telescopen van SALSA.