How big is Waterstofatoom?

Een waterstofatoom is het eenvoudigste atoom: één elektron dat door één proton wordt vastgehouden. Het is ongeveer 0,11 nanometer breed, oftewel 110 picometer, gemeten als twee keer de Bohrstraal. Een nanometer is een miljardste van een meter en een picometer is een duizendste van een nanometer.

Grootte

Een atoom heeft geen scherpe rand. Zijn elektron volgt geen vaste baan zoals een planeet. De kwantumfysica beschrijft het elektron in plaats daarvan als een waarschijnlijkheidswolk: het elektron is het waarschijnlijkst op één bepaalde afstand van de kern te vinden en minder waarschijnlijk verder weg. Scheikundigen definiëren de grootte van een atoom daarom op meerdere manieren, en elke manier geeft een ander getal.

Het getal hier is twee keer de Bohrstraal. De Bohrstraal, 52,9 picometer, is de afstand tot het proton waarop het elektron zich het waarschijnlijkst bevindt. Twee keer dat is 106 picometer, afgerond 110. De naam eert Niels Bohr, wiens atoommodel uit 1913 het elektron in een cirkelvormige baan met precies die straal plaatste.

Andere definities geven andere groottes. Twee waterstofatomen die tot een molecuul zijn verbonden, liggen met hun middelpunten 74 picometer uit elkaar. Een andere maat, de van der Waals-straal, is gebaseerd op hoe dicht twee afzonderlijke atomen elkaar kunnen naderen voordat ze elkaar wegduwen. Volgens die maat is een waterstofatoom ongeveer 220–240 picometer breed.

Groottevergelijkingen

• Een waterstofatoom is ongeveer 60.000 keer zo breed als het proton in zijn midden, dat ongeveer 1,7 femtometer breed is. Een femtometer is een miljoenste van een nanometer.
• Als een waterstofatoom werd vergroot tot de lengte van een American-footballveld, dat inclusief de eindzones 110 meter lang is, zou het proton minder dan 2 millimeter breed zijn.
• Ongeveer 750.000–950.000 waterstofatomen, naast elkaar, zouden de breedte van een mensenhaar beslaan.
• Een waterstofatoom is 1,06 ångström breed, iets meer dan één. De ångström, 100 picometer, is een eenheid die wordt gebruikt voor de afmetingen van atomen en de lengte van chemische bindingen.
• Geen enkele gewone lichtmicroscoop kan een waterstofatoom laten zien. Het fijnste detail dat zo'n microscoop kan onderscheiden, is ongeveer 0,2 micrometer, bijna 2.000 keer de breedte van het atoom. Een micrometer is een miljoenste van een meter.

Het meest voorkomende element

Waterstof is het meest voorkomende element in het heelal. De Zon bestaat qua massa voor ongeveer 75% uit waterstof. Bij de hoge temperaturen in de Zon versmelten waterstofkernen tot helium, waarbij enorme hoeveelheden energie vrijkomen. Op aarde wordt het meeste waterstof aangetroffen in water.

Zwaardere vormen van waterstof

Atomen van hetzelfde element met een verschillend aantal neutronen heten isotopen. Bij meer dan 99,97% van de waterstofatomen op aarde bestaat de kern uit één enkel proton zonder neutronen. In 1931 detecteerden Harold Urey en zijn collega's aan Columbia University een zeldzamere vorm, deuterium, met ongeveer twee keer de massa.

Een derde vorm, tritium, heeft naast zijn proton ook twee neutronen. Het is radioactief, en de helft van elk monster vervalt elke 12,3 jaar. Tritium ontstaat van nature hoog in de atmosfeer, wanneer kosmische straling stikstofmoleculen in de lucht treft.

Bronnen

• Bohr Radius. NIST, CODATA 2022.
• Theoretical Calculation of Absolute Radii of Atoms and Ions. Part 1. The Atomic Radii. Ghosh and Biswas, International Journal of Molecular Sciences, 2002.
• The Bohr Model. In Chemistry 2e. OpenStax, 2019.
• The Hydrogen Atom. In University Physics Volume 3. OpenStax, 2016.
• Hydrogen: Radii of Atoms and Ions. WebElements, University of Sheffield.
• Hydrogen. Royal Society of Chemistry, Periodic Table.
• Helium. Royal Society of Chemistry, Periodic Table.
• Atomic Weight of Hydrogen. Commission on Isotopic Abundances and Atomic Weights.
• Radionuclide Basics: Tritium. U.S. Environmental Protection Agency.
• The International System of Units (SI). 9th edition, version 4.01. BIPM, 2026.
• Proton RMS Charge Radius. NIST, CODATA 2022.
• 2026 NFL Rulebook. National Football League, 2026.
• Just How Small Is "Nano"?. National Nanotechnology Initiative.
• The Nobel Prize in Chemistry 2014: Press Release. Royal Swedish Academy of Sciences, 2014.