Ondanks hun minuscuul formaat vormen atomen de fundamentele bouwstenen van letterlijk alles om ons heen: van het scherm waarop je dit leest tot de lucht in je longen. De eigenschappen van atomen tartten vaak elk alledaags voorstellingsvermogen over schaal, leegte en tijd. Dit zijn tien opmerkelijke wetenschappelijke feiten over de deeltjes waaruit wij en het universum zijn opgebouwd.
1. Een mensenhaar is ongeveer 500.000 atomen breed
Hoewel een losse haar voor het blote oog flinterdun lijkt, is het op atomaire schaal een kolossaal object. Een gemiddelde menselijke hoofdhaar heeft een dikte van ongeveer vijftig micrometer. Deel je die afmeting door de diameter van een gangbaar koolstofatoom (ongeveer 0,1 nanometer), dan blijkt dat er zo’n 500.000 atomen naast elkaar passen over de breedte van een enkele haar. Bij een dikkere haar kan dit aantal zelfs oplopen tot een miljoen.
2. Meer atomen in je lichaam dan sterren in het waarneembare universum
Het menselijk lichaam herbergt een duizelingwekkend aantal deeltjes. Een volwassene van zeventig kilo bestaat uit naar schatting 7 × 1027 atomen, voornamelijk een combinatie van waterstof, zuurstof, koolstof en stikstof.
Astronomen schatten dat het complete waarneembare heelal tussen de 1022 en 1024 sterren telt, verdeeld over zo’n twee biljoen sterrenstelsels. Dat betekent dat er in één enkel menselijk lichaam duizenden tot miljoenen keren meer atomen aanwezig zijn dan er oplichtende sterren aan het totale waarneembare firmament staan.
3. Een atoom bestaat voor meer dan 99,9999999% uit lege ruimte
Hoewel een houten tafel of een stenen muur volkomen massief aanvoelt, bestaat alle materie in werkelijkheid vrijwel volledig uit leegte. De atoomkern, waarin bijna alle massa in de vorm van protonen en neutronen zit samengeperst, is tienduizend tot honderdduizend keer kleiner dan het atoom zelf.
Als een atoomkern zo groot zou zijn als een knikker op de middenstip van een voetbalstadion, dan cirkelen de buitenste elektronen ergens op de bovenste rijen van de tribunes rond. Alles daartussenin is volkomen leeg kwantumveld. De reden dat we niet door een stoel heen zakken, is niet te danken aan fysieke aanraking van vaste deeltjes, maar aan de krachtige elektromagnetische afstoting tussen de elektronenwolken.
4. Je deelt miljarden atomen met Albert Einstein
Het klinkt als een vergezochte theorie, maar natuurkundige berekeningen tonen aan dat ieder mens op aarde naar schatting tweehonderd miljard atomen in zijn lichaam draagt die ooit deel uitmaakten van Albert Einstein. De verklaring hiervoor ligt in de biogeochemische kringloop van onze planeet. De stabiele atomen waaruit wij bestaan (voornamelijk koolstof, waterstof, stikstof en zuurstof) zijn miljarden jaren oud en gaan nooit verloren; ze wisselen simpelweg voortdurend van eigenaar.
Tijdens zijn 76-jarige leven ademde Einstein ontelbare keren uit, en na zijn overlijden in 1955 werd zijn lichaam gecremeerd. Daarbij werden zijn organische weefsels omgezet in gassen zoals waterdamp en koolstofdioxide (CO2). Omdat atmosferische luchtstromen gassen binnen twee jaar over de gehele aardbol verspreiden, raakten die deeltjes homogeen vermengd met de lucht. Planten namen die koolstofatomen op via fotosynthese, waarna ze via groenten, granen, vlees en drinkwater in de wereldwijde voedselketen belandden. Omdat één menselijk lichaam uit maar liefst 7 × 1027 atomen bestaat, levert zelfs de allerkleinste statistische verdunning alsnog honderden miljarden gedeelde deeltjes op. Hetzelfde principe geldt overigens voor historische figuren zoals Julius Caesar of Cleopatra.
5. Het overgrote deel van je atomen wordt jaarlijks vervangen
Ons lichaam is geen permanent bouwwerk, maar een dynamisch biologisch doorgangshuis. In de jaren vijftig toonde kernfysicus Paul Aebersold met behulp van radioactieve isotopen al aan dat weefsels zich in een verbluffend tempo vernieuwen. Jaarlijks verlaat naar schatting 98 procent van de atomen in ons lichaam het organisme via ademhaling, transpiratie, celafstoting en spijsvertering, waarna ze worden vervangen door nieuwe bouwstenen uit voedsel en drinkwater.
Terwijl maagslijmvliescellen en rode bloedcellen zich binnen enkele dagen tot maanden integraal vernieuwen, houden harde botstructuren en het kristallijne eiwit in onze ooglenzen hun atomen aanmerkelijk langer vast. Meer over dit biologische vernieuwingsproces beschrijft wetenschapsauteur Dan Levitt in zijn boek over moleculaire evolutie, zoals uitgelicht door CNN.
6. Afvallen doe je door koolstofatomen uit te ademen
Veel mensen denken ten onrechte dat overtollig lichaamsvet bij gewichtsverlies simpelweg wordt omgezet in warmte of via zweet en ontlasting het lichaam verlaat. De wet van behoud van massa dicteert echter dat vetmoleculen daadwerkelijk ergens heen moeten.
Onderzoekers van de University of New South Wales toonden in een gerenommeerde publicatie in het British Medical Journal aan hoe vetverbranding biochemisch werkt. Wanneer triglyceriden worden afgebroken met zuurstof, wordt maar liefst 84 procent van het vet via de longen uitgeademd in de vorm van koolstofdioxide ($CO_2$). De resterende 16 procent verlaat het lichaam als water via urine en zweet. Wie gewicht verliest, ademt dus letterlijk biljoenen koolstofatomen uit de atmosfeer in.
7. De helft van je atomen stamt uit andere sterrenstelsels
Dat alle elementen zwaarder dan waterstof en helium ooit zijn gesmeed in het binnenste van ontploffende sterren, was al langer bekend. In 2017 toonden astrofysici van de Northwestern University met behulp van supercomputersimulaties echter aan dat deze deeltjes een veel langere kosmische reis hebben gemaakt dan gedacht. Door gigantische galactische winden, aangedreven door supernova-explosies in naburige dwergstelsels, werd intergalactisch gas over afstanden van miljoenen lichtjaren naar de Melkweg geblazen. Ongeveer de helft van de materie in ons zonnestelsel, en dus ook in ons eigen lichaam, is van oorsprong afkomstig van buiten ons eigen sterrenstelsel.
8. Grafeen is exact één atoom dik
In 2004 wisten natuurkundigen Andre Geim en Konstantin Novoselov aan de Universiteit van Manchester een revolutionaire doorbraak te forceren met behulp van een verrassend simpel hulpmiddel: doodgewoon plakband. Door herhaaldelijk plakband op grafiet te drukken en los te trekken, isoleerden zij grafeen: een tweedimensionaal rooster van koolstofatomen gerangschikt in een honingraatstructuur, met een dikte van exact één enkel atoom.
Ondanks deze minimale dikte van 0,335 nanometer is grafeen bij gelijke dikte zo’n tweehonderd keer sterker dan staal, geleidt het elektriciteit en warmte beter dan koper en absorbeert het slechts 2,3 procent van het invallende licht. De ontdekking leverde de onderzoekers in 2010 de Nobelprijs voor de Natuurkunde op.
9. Het aantal atomen in het heelal past nauwelijks in getallen
Het totale aantal atomen in het waarneembare universum wordt door kosmologen geschat tussen de $10^{78}$ en $10^{82}$, een getal met tachtig nullen dat bekendstaat als een quindeciljard. Hoewel dit aantal onbevattelijk klinkt, illustreert het tegelijkertijd de extreme leegte van de kosmos. Verspreid over het gigantische volume van het waarneembare universum komt dit neer op een gemiddelde dichtheid van slechts ongeveer één enkel waterstofatoom per vierkante meter ruimte.
10. De hele mensheid past in een suikerklontje
Omdat atomen vrijwel uitsluitend uit lege ruimte bestaan, bevindt vrijwel alle massa van een mens zich in de atoomkernen. Zou je met een denkbeeldige kosmische pers alle elektronenwolken kunnen samendrukken en alle tussenliggende leegte uit de atomen van de ruim acht miljard wereldburgers kunnen persen, dan blijft er een piepklein volume over.
De gezamenlijke kernen van de totale wereldbevolking hebben een volume van minder dan één kubieke centimeter, exact het formaat van een suikerklontje. Dit microscopische klontje zou dezelfde dichtheid hebben als een neutronenster, wat betekent dat dit suikerklontje op aarde nog altijd meer dan vijfhonderd miljoen ton zou wegen.
Reageren