אטום

הדמיה של אטום הליום וסדרי הגודל. הכתם האפור הוא ענן ההסתברות להימצאות האלקטרונים, ובמרכז בסגול גרעין האטום. רוב הנפח שאנו חשים הוא למעשה ריק.

אָטוֹם (ביוונית: ἄτομος, "אָ֫טוֹמוֹס"), שפירושו "אינו ניתן לחיתוך" – "א" (לא ניתן/לא אפשרי) "טומי" (חתך/חיתוך) – הוא החלקיק הקטן ביותר שמטענו החשמלי הכולל הוא אפס, והמאפיין יסוד כימי ומבדיל אותו מיסודות כימיים אחרים. הוא מורכב מגרעין, המכיל פרוטונים, שלהם מטען חשמלי חיובי, ונייטרונים שאין להם מטען חשמלי, וסביב הגרעין סובבים אלקטרונים שנושאים מטען שלילי. מספר האלקטרונים באטום בדרך כלל שווה למספר הפרוטונים, כך שאטום הוא נייטרלי. מסת האלקטרון קטנה בהרבה ממסת פרוטון ונייטרון, ולכן המסה של האטום היא בקירוב סכום המסות של הפרוטונים והנייטרונים.

מקור המונח אטום

המונח "אטום" נטבע במאה ה-5 לפנה"ס על ידי הפילוסוף היווני דמוקריטוס, ששיער את קיומו של חלקיק שאינו בר חלוקה. בתחילת המאה ה-19 השתמש ג'ון דלטון בהשערה זו על מנת להסביר מדוע יסודות מגיבים ביניהם תמיד ביחסים כמותיים קבועים של מספרים שלמים. מאוחר יותר, בשנת 1897 גילה ג'יי ג'יי תומסון את האלקטרון והסיק כי הוא חלקיק המשותף לכל היסודות הכימיים. מכאן התברר כי היסודות מורכבים מחלקיקים יסודיים יותר. המונח "אטום" ממשיך לשמש ככינוי למערך החלקיקי הקטן ביותר של יסוד, מבלי לפקפק באפשרות קיומם של חלקיקי יסוד שבאמת אינם ניתנים לחלוקה, כהשערת דמוקריטוס. רוב האטומים בטבע אינם בודדים אלא יוצרים פרודות (מולקולות), כלומר במבנים המכילים שניים או יותר אטומים הקשורים זה לזה בקשר כימי.

יסודות כימיים

הטבלה המחזורית של היסודות

הטבלה המחזורית: היסודות מוגדרים במספר אטומי - הנקבע לידי מספר הפרוטונים, ומסה אטומית המוגדרת כמסה של הפרוטונים והנייטרונים, כאשר מסת האלקטרונים לא מחושבת. השורות מסמלות את סדר האלקטרונים והטורים את המשפחות הכימיות. הטור משמאל כולל יסודות בעלות אלקטרון יחיד בשכבה הפעילה, והטור הימני, את היסודות האצילים. הנטייה למסור או לקבל אלקטרונים נקראת השורה האלקטרומוטיבית. משמאל מתכות הנוטות למסור אלקטרונים (תגובה בסיסית) מימין, אל מתכות, לקבל אלקטרונים (נטייה חומצית) יסודות אצילים לא משתתפים בקשר כימי.

כל יסוד מאופיין באטום בעל מספר פרוטונים קבוע האופייני רק לו. מספר זה מכונה המספר האטומי. בעוד המסה האטומית (משקל אטומי) הוא סכום משקלם של הפרוטונים והנייטרונים. בטבלה המחזורית של דמיטרי מנדלייב רשומים היסודות השונים בסדר עולה לפי המספר האטומי שלהם, והם מסומנים בסימון מקוצר של אותיות לטיניות המיוחד לכל יסוד כימי. לדוגמה: C עבור אטום פחמן, ו-Al עבור אטום אלומיניום.(ראה בטבלה: הברזל Fe מספר הפרוטונים ( מספר אטומי) הוא 26 ומשקל (מסה) אטומי הוא 55.8: ) אטום שנגרעו ממנו או נוספו לו אלקטרונים כך שמטענו החשמלי שונה מאפס, נקרא יון.

איזוטופים

איזוטופים הם אטומים בעלי אותו מספר אטומי אך נבדלים במספר הנייטרונים שבגרעיניהם (מספר האלקטרונים והפרוטונים זהה באיזוטופים שונים של אותו אטום ולכן התכונות הכימיות שלהם זהות אבל המשקל האטומי שונה. לפעמים איזוטופים הם בלתי יצבים ונוטים להתפרק בתהליך גרעיני היוצר קרינה. לדוגמה: לברזל 4 איזוטופים, מהם 2 רדיואקטיביים. לכן המשקל האטומי של יסוד כולל גם את האיזוטופים.

המדע העוסק בתכונות מערכי האלקטרונים באטום נקרא פיזיקה אטומית. הכימיה עוסקת בתגובות בין פרודות ואטומים ובקשרים שבין אטומים. פיזיקה גרעינית עוסקת במבנה גרעין האטום ובתגובות גרעיניות, למשל אנרגיה המשתחררת בתהליכים בגרעיני האטום. גודלו של אטום נע בין 62 פיקו-מטר (מיליונית של מיליונית מטר) עבור אטום הליום ל-500 פיקו-מטר עבור אטום צסיום. אטומים הם קטנים מכדי לראותם בעין, אך ישנו אטום אחד סטרונציום שכן הצליחו לצלם עקב הרדיוס הגדול שלו, כמו כן קיימים מיקרוסקופים בעלי כושר הבחנה גבוה מספיק כדי להבחין בהם, למשל מיקרוסקופ מִנהור סורק, ואחרים המסוגלים לזהות את סוג האטום.

מבנה האטום

האטום מורכב מגרעין קטן וכבד, שמסתו כ-99.98% מהמסה הכללית וגודלו כאחד חלקי מאה אלף מהגודל הכולל של האטום. האטום לרוב נייטרלי.

מסביב לגרעין מצויים האלקטרונים, המרוכזים באזורים דמויי קליפות סביב הגרעין, וטעונים שלילית.

סדר האלקטרונים באטום

הדמיה של חמשת האורביטלים הראשונים באטום

ערך מורחב – אורביטל אטומי

מבנה האלקטרונים באטום קובע את תכונותיו הכימיות, כלומר את הנטייה שלו להיקשר לאטומים אחרים ולמולקולות.

מסלולי האלקטרונים סביב הגרעין

כיום אין מייחסים לאלקטרונים מסלולים היקפיים קבועים. על פי המודל העכשווי, הנובע מתורת הקוונטים לא ניתן לייחס לאלקטרון מיקום ומסלול מדויקים. במקום זאת מוגדר עבור כל אלקטרון אורביטל שהוא פונקציית גל המגדירה עבור כל אלקטרון נפח בעל צורה מוגדרת שבה קיימת ההסתברות הרבה ביותר להימצאותו. על פי רוב תוחמים את האורביטל כנפח שבו, על פי פונקציית ההסתברות, יימצא האלקטרון במשך כ-90% מהזמן. כל אורביטל יכול לאכלס עד שני אלקטרונים, כל אלקטרון בעל ספין הופכי. האורביטלים עצמם מסודרים ברמות אנרגיה שונות, כאשר כל רמה מכילה מספר שונה של אורביטלים, על פי סדר מסוים. מצב אלקטרוני יציב של אטום (אוקטט) נחשב למצב שבו סידור האלקטרונים דומה לזה הקיים בגזים אצילים במצב נייטרלי, שהוא מצב בו האורביטל החיצוני מלא במקסימום האלקטרונים שהוא יכול להכיל. כל אטום שאינו במצב זה נוטה להגיע אליו באמצעות קליטה או שחרור אלקטרונים, מהאורביטל הגבוה ביותר, וכך הוא הופך ליון. נטייה זו מסבירה את הקשרים הכימיים האפשריים בין יסודות, ואת תכונותיהם. בקשרים כימיים משתתפים רק האלקטרונים באורביטלים החיצוניים ביותר. צורת האורביטלים יכולה להיות כדורית, אך גם אחרת, כמו שניתן לראות באיור.

מעבר של אלקטרונים בין האורביטלים

ב-1900 הוכיח מקס פלאנק, שלאנרגיה יש יחידות, מנות קבועות בסיסיות המכונות קוואנטים, וכל מעבר אנרגיה נעשה במנות אלה. ככל שאלקטרון מרוחק יותר מהגרעין, מהירותו גדולה יותר ולכן יש לו יותר מנות אנרגיה. ב-1913 נילס בוהר פיתח את תורת הקוונטים של המערכה המחזורית. סדר האלקטרונים והמרחק בין הגרעין לאלקטרונים הסובבים אותו קובע את התכונות הכימיות של האטום. הכוח השומר על מקומם הוא הכוח האלקטרומגנטי. בנוסף להקפת הגרעין במסלול האנרגיה הקוונטית, סובב האלקטרון סביב עצמו כסביבון הנקרא ספין. הספין יכול להיות חיובי (כיוון השעון) או שלילי, הפוך. האלקטרונים מסתדרים בזוגות של ספין מנוגד לפי רמת האנרגיה שלהם במסלול סביב הגרעין. האלקטרונים קשורים לאטום בכח האלקטרומגנטי שנמדד באלקטרון וולטים בודדים ועד אלפי אלקטרון וולט. מעברים של אלקטרונים מאורביטל אחד לאחר תלויים ברמת האנרגיה של האלקטרון. ככל שהוא באורביטל רחוק מהגרעין, האנרגיה שלו גבוהה יותר. לכן ירידה באורביטל משחררת אנרגיה ועליה לאורביטל גבוה יותר צורכת אנרגיה. בעת מעבר מאורביטל גבוה לאורביטל נמוך משתחררת אנרגיה לפעמים כקרינה אלקטרומגנטית של פוטונים באור נראה, כמו גם בתת-אדום, על-סגול או קרינת רנטגן.(קרינת תת-אדום משמשת לזיהוי מולקולות באמצעות מעברים של אלקטרונים חיצוניים. האנרגיות הגבוהות הגורמות לקרינת רנטגן נובעות ממעברים של האלקטרונים הפנימיים ביותר באטומים כבדים). האנרגיה המשתחררת ממעברים אלה היא הבסיס לתהליכים ביוכימיים של פירוק או בניית מולקולות.

תיאור מבנה הקליפות

הטבלה המחזורית מחולקת על פי האורביטלים

מבנה הקליפות נובע ממשוואת שרדינגר בתורת הקוונטים. זוהי משוואה דיפרנציאלית הקושרת בין פונקציית הגל של האלקטרונים, האנרגיה שלהם, והפוטנציאל הגרעיני (המשיכה החשמלית של הגרעין). הפתרונות של המשוואה בדידים, כאשר לכל פתרון מתאים מספר קליפה ומספר אורביטל. מספר הקליפה הוא שלם המתחיל מ-1, ומספר האורביטלים בכל קליפה שווה למספר הקליפה בריבוע. בכל אורביטל יכולים לשכון שני אלקטרונים, כך שבסך הכל, בקליפה n שוכנים עד 2n² אלקטרונים.

בנוסף, את האורביטלים נהוג לחלק לסוגים, על פי התנע הזוויתי של האלקטרונים בהם. האורביטלים מסומנים לפי הסדר: s, p, d, f. אורביטל s הוא בעל התנע הזוויתי והאנרגיה הנמוכים ביותר. אחריו p המכיל שלושה אורביטלים נפרדים ולכן 6 אלקטרונים. בטבלה המחזורית היסודות אשר האורביטל החיצוני שלהם הוא מסוג s נמצאים בשתי העמודות השמאליות, ואורביטלי p ב-6 העמודות הימניות. אורביטלי d מכילים עד 10 אלקטרונים והם מתכות המעבר, ו-f מכילים עד 14 אלקטרונים והם קבוצת הלנטנידים והאקטינידים.

הגזים האצילים הם העמודה הימנית ביותר, שבה קליפת p מלאה, והם היסודות בעלי המבנה האלקטרוני היציב ביותר, והם אינם פעילים כימית. היסודות בעמודה הצמודה אליה ובעמודה השמאלית ביותר הם הפעילים ביותר מבחינה כימית כי מספיקה תוספת או גריעה של אלקטרון אחד כדי להפוך אותם ליציבים.

קשרים בין אטומים ויצירת פרודות (מולקולות)

קשרים כימיים הם כוחות משיכה בין אטומים, יונים או מולקולות, אשר מאפשרים את היווצרותן של תרכובות כימיות. קשרים אלו אחראים על יציבותם של חומרים ועל תכונותיהם הפיזיקליות והכימיות. ניתן לסווג את הקשרים הכימיים לקבוצות עיקריות לפי אופי האינטראקציה: קו-ולנטיים, יוניים, מתכתיים, קשרי מימן וכוחות ואן דר ואלס.

קשר יוני (אלקטרו-ולנטי) נוצר כאשר אלקטרון עובר מאטום אחד (לרוב מתכת) לאטום אחר (לרוב אל־מתכת), בהמסה במים וגם בפלזמה נוצרים יון חיובי (קטיון) ויון שלילי (אניון). המשיכה האלקטרוסטטית בין היונים יוצרת קשר חזק במבנים גבישיים, כגון מלח בישול (NaCl). קשרים אלה נוטים להיווצר בין יסודות בעלי הבדלי אלקטרושליליות גבוהים. כמו: ${\ce {NaCl -> Na+Cl-}}$

קשר קוולנטי (שיתופי):שני אטומים משתפים ביניהם זוגות של אלקטרונים. קשר זה לא מתפרק ליונים במים, ונחשב לקשר חזק. דוגמה מולקולת חמצן המורכבת משני אטומים :Ö::Ö: או Ö=Ö:

קשר קוולנטי (שיתופי) על-ידי זוגות של אלקטרונים משותפים:

מולקולות מורכבות יכולות להכיל קשרים קו-ולנטים ואלקטר-וולנטים. קשרים קו-ולנטים דוגמה CH_{4 (מתן)} או H2SO4 שמתפרק ליונים במים: ⁺2H ו- ^-- [SO4]

מבנה סליל כפול של DNA: הזוגות אדנין - תימין ן - ציטוזין - גואנין שמצמידים את שני הסלילים בקשרי מימן. קשרים בתוך הטבעות הם קו - וולנטים.

קשר מימני נוצר כאשר אטומים באלי מטען שלילי (כמו חמצן או חנקן) משתפים יון חיובי של מימן. (כמו במבנה הסליל הכפול של ה-DNA)

קשר ואן דר ואלס נוצר בין מולקולות שלהן מטענים חיוביים ושליליים. נוצר מצב של ריכוז מטענים חיוביים במולקולה, לעומת ריכוז שלילי במולקולה השנייה. זהו קשר יחסית חלש, אבל מכיוון שיש קשרים רבים בין המולקולות, נוצר קשר חזק.

קשר מתכתי נוצר במתכות כאשר ענני אלקטרונים משותפים לאטומים במבנה הנקרא סריג. תנועת האלקטרונים מאפשרת מעבר זרם חשמלי ויצירת מגנטיות.

מוצא האטום

האטום נוצר בתהליך שמתחיל ביצירת הקוסמוס, באירוע ייחודי הנקרא המפץ הגדול, ונמשך בפלזמה לוהטת, יצירת חומר, גלקסיות וכוכבים.

המפץ הגדול

תאוריה פיזיקלית אומרת כי בימי קדם התרחש אירוע, שנמשך כ-10^-43 שניות והיווה התחלתו של היקום תוך כדי יצירת סדרה של אירועים. אין מידע מה היה לפניו. תיאוריה אחת מניחה שזהו אירוע חד-פעמי, נקודה זעירה של מסה - אנרגיה או על פי תיאורית ההתכווצות הגדולה של יקום אחר שהתכווץ לנקודה סינגולארית. איננו ידעים כיום מה בדיוק הכילה הנקודה, אך התפוצצות המכונה המפץ הגדול שחררה את כל מה שהיה בה ומכאן מתחילה האבולוציה של האטום. האנרגיה שהשתחררה מוגדרת כפוטנציאל לפעולה, כמו מעבר מאנרגיה לחומר. ההשערה קובעת שבשלב הראשון נוצרו ארבע סוגים של אנרגיה: כוח הכבידה, הכוח הגרעיני (שהתפצל לחזק וחלש), הכוח האלקטרומגנטי ואנרגיה אפלה. תהליך זה שנמשך רק 10^-36 שניות נקרא האחדות הגדולה (Grant Unification)ובו נפרדה אנרגיית הכבידה משלושת האנרגיות, ובו החלה יצירת חומר.

יצירת החלקיקים האלמנטרים.

החלקיקים היסודיים שנוצרו הם הקווארק, לפטון, בוזון גלואון פוטון וגראויטון. במהלך התקופה שבין 10^-36 עד 10^-12שניות במרחב של פלסמה לוהטת נוצרו חלקיקים הנקראים חומר, אבל בשני מופעים: ברמת האנרגיה האלקטרומגנטית חיובי ושלילי, ברמת האנרגיה האפלה-חומר ואנטי חומר. שניהם זהים כתמונת מראה אבל כאשר הם נפגשים הם מתאיינים.עקבות של תהליך זה נקלטו בצורת גלים אלקטרומגנטים המשודרים מהחלל בכל כיוון והנקראים קרינת הרקע, חלקיקים שלא התאיינו ממשיכים בתהליך ההתפתחות שלהם במקביל. שלב ראשון ביצירה של אטום.

יצירת מרכיבי הגרעין: נוקליאוסינתזה

מרחב הפלסמה מתקרר, בתהליך שחושב לימי קדם, בשורה של תהליכי איחוד ואיון מתקבלים לבסוף שלושת המרכיבים הבסיסיים של האטום: פרוטון, נייטרון ואלקטרון. מכאן ואילך ישלוט הכוח הגרעיני החזק המחבר ביניהם ויוצר אטומים. בעוד הכבידה מתנהלת בכבדות בעקבותיהם. וכך, בתוך המסה של הפלזמה הלוהטת המתפשטת במהירות ומתקררת, הולכים ונבנים האטומים הראשונים. המימן, האטום הבסיסי הפשוט מורכב מפרוטון ואלקטרון. לכאורה הם צמודים, בפועל בהגדרה הכימית של האלקטרון - שהמסה שלו מחושבת כאפס ולו מטען חשמלי שלילי אחד, סובב את הפרוטון שהמסה שלו מחושבת אחד והמטען החשמלי שלו הוא חיובי אחד. נפח האטום הוא נפח מסלולי האלקטרונים שלו: (לדוגמה באטום המימן: אם האלקטרון בגודל של כדור טניס, הוא יסובב פרוטון שהמסה שלו כמכונית קטנה מרוכזת בגרגר אבק במרחק של כ-3 קילומטר ובאטומים כבדים יותר כמו צזיום, הרדיוס ייגדל פי 10). כאשר שני אטומי מימן יתקלו זה בזה במהירות גבוהה במרחב הפלזמה המתקררת, הם יתחברו לגרעין הכולל שני פרוטונים ושני נייטרונים, שאין להם מטען חשמלי והמסה שלהם זהה לזו של הפרוטון, והם מחזיקים זה בזה באמצעות הכח גרעיני החזק, ושני אלקטרונים שמסתדרים יחד באותו מרחק מהגרעין באמצעות הכח האלקטרומגנטי - זה היסוד השני הליום. מעבר מחלקיקי היסוד לאטומים בשלב שני ביצירה של האטום.

יצירת האטומים

אטום חדש נוצר תמיד מהוספת פרוטון או נייטרון לגרעין, ואלקטרונים הנוספים לפי מספר הפרוטונים: תהליך זה נמשך בשלושה מחזורים בתוך הכוכבים והגלקסיות הנוצרות בהדרגה לאחר המפץ הגדול:

האטומים הראשונים

בתוך הפלסמה המכילה את חלקיקי היסוד נוצרים ענני אטומים של מימן והליום. הכוח הרביעי, כוח הכבידה מכנס אותם יחד וכך גם מתרבות התנגשויות בין אטומים, פרוטונים ונייטרונים. כהמשך בתהליך של לכידת הפרוטונים באמצעות הכוח הגרעיני החזק מקבלים יסודות נוספים: ליתיום ובריליום. ענני חומר לוהטים מכילים די אנרגיה כדי להתיך אטומים זה בזה ולהוסיף אטומים כבדים יותר וכך בהדרגה נוספים פרוטונים ומתמלאים מסלולים נוספים של אלקטרונים סביב הגרעין. כוח המשיכה הגובר פועל על ענני חומר לוהט ההולכים ונמשכים למרכז. ככל שהחום והלחץ גוברים נוצרים אטומים גדולים יותר המסה מצטברת וכוח המשיכה גובר.

הצטברות חומר: גלקסיות וכוכבים

כוח הכבידה מרכז את ענני הגזים הלוהטים והטמפרטורה והלחץ עולים. ההתנגשויות בין האטומים מימן והליום והחלקיקים פרוטונים, נייטרונים ואלקטרונים נדחסים ונוצרים אטומים גדולים יותר המשלימים את הסדרה הראשונה: בור, חנקן, חמצן, פלואור וניאון. העננים הלוהטים מתגבשים לכוכבים, הנמשכים זה לזה ויוצרים גלקסיות. יצירת היסודות הכבדים יותר כבר מצריכה אנרגיות וחום להיתוך גבוהים יותר. התהליכים המתאימים לתנאים אלה מתקיימים בכוכבים שבהם הכבידה כה גבוהה עד שהלחץ והטמפרטורה הגבוהים, יוצרים היתוך של מימן להליום, ושל אטומים שהתנגשו והותכו. בשלב הראשון של התפתחות הכוכבים כבר נוצרים אטומים כבדים יותר (3-26), הכוללים חלק מהמתכות העפרוריות ובעיקר ברזל - שמספרו 26. הברזל והיסודות שנוצרו כבר מהווים את האפר של בעירת הכוכב הולכים ומצטברים עד השלב הבא בחיי הכוכב. עתידו של כוכב תלויה במסה שלו ובכמות המימן שמש לו כדלק. כוח הכבידה מושך את החומר למרכז, ואילו אנרגיית ההתכה של מימן להליום פועלת כנגדה. שיווי משקל בין שני הכוחות שומר על ממדי הכוכב ועוצמת הבעירה שלו. אבל ככל שמלאי המימן שבו מתכלה, הוא הולך ומתקרר והופך ל"ענק אדום"- כוכבים אלה מתפשטים פי 100 ויותר מקטרם המקורי ואורם מתכהה לתחום האדום, אבל הבעירה הפנימית עדיין קיימת. כאשר מלאי המימן ירד, שוב יתכווץ הכוכב ל" ננס אדום" שהחום שלו הוא שאריתי. יש גם כוכבים שממשיכים להאיר אבל הולכים ומתקבצים לכוכבים ננסים. בכל שלב כזה מותכים אטומים זה בזה ויוצרים אטומים גדולים יותר אבל יש כוכבים שבהם לחץ הכבידה עולה ומתגבר על הלחץ הנגדי של ההיתוך. שלב שלישי ביצירה של אטום.

סופרנובה ויצירת האטומים הכבדים

בכוכבים אלה הלחץ והטמפרטורה הפנימית כה גבוהים, המסה קורסת פנימה והם מתפוצצים, אורם מבהיק בעוצמה וקרינה אדירה של אנרגיה בוקעת מהם. בתהליך הנקרא סופרנובה. בתנאים אלה נוצרים האטומים של היסודות הכבדים יותר, כמו זהב, אורניום, כסף, עופרת קובלט ושאר היסודות הכבדים הטבעיים שבטבלה המחזורית (27-92). בתהליך הפיצוץ הנמשך שעות עד כמה ימים, מתפרק הכוכב ונשאר ממנו כוכב זעיר המכיל רק מסה של נייטרונים או חור שחור, אבל גם ענן לוהט של כל היסודות שהרכיבו אותו. על כדור הארץ נמצאות המתכות הכבדות, כמו זהב, אורניום, פלטינה ועוד - שנוצרות רק בתהליך סופרנובה. ומכאן נסיק שהאבולוציה של כדור הארץ כוללת שלב של כוכב שהתפוצץ. שלב רביעי ביצירת אטום.

מבנה הגרעין

ערך מורחב – גרעין האטום

בגרעין האטום מצויים הפרוטונים (+) והנייטרונים (ללא מטען) (נקראים יחד נוקלאונים), שמסתם שווה בקירוב, וגדולה פי 1,840 בקירוב ממסת האלקטרון. סכום מספר הפרוטונים ומספר הנייטרונים משמש להגדרת מסתו האטומית של אטום.

הפרוטונים טעונים חיובית והנייטרונים כשמם הם נייטרליים, ולכן הגרעין טעון חיובית. מסיבה זו פועל כוח חשמלי חזק ששואף לפרק את הגרעין, אך כנגדו פועל הכוח החזק אשר מושך את החלקיקים יחד. התורה בפיזיקה שמסבירה את הכוח החזק נקראת כרומודינמיקה קוונטית.

הנייטרונים והפרוטונים עצמם בנויים כל אחד משלושה קוורקים, שהם חלקיקים יסודיים. הכוח החזק הוא גם זה שמחבר את הקוורקים בנוקלאונים.

הנוקלאונים קשורים לגרעין באנרגיה גבוהה מאוד, של מיליוני אלקטרון וולט, ולכן כל תגובה גרעינית, כלומר שינוי בגרעין האטום, מלווה בשחרור או ספיגת אנרגיה רבה. תגובות כמו ביקוע גרעיני, שבו גרעין האטום מתפצל למספר גרעינים, או היתוך גרעיני שבו שני גרעינים מתחברים יחד לגרעין חדש, משחררות אנרגיה רבה שיכולה להיות מנוצלת לצורכי האדם כמו בתחנת כוח גרעינית, או כנגדו, כמו בפצצת ביקוע גרעיני ופצצת היתוך גרעיני.

היסטוריה

מבנה אטום על-פי המודל הפלנטרי, שהופרך (לא בקנה מידה).

את התאוריה הידועה הראשונה בדבר קיומם של אטומים (התורה האטומית) הגו הפילוסופים האטומיסטים ביוון העתיקה, בניסיון להסביר את מבנה החומר. על פי תורתם, מורכבים החומרים בטבע מחלקיקים זעירים, שלהם זיזים ושקעים המסוגלים להתחבר זה לזה (על-פי דמוקריטוס גם תכונות רוחניות היו מורכבות מאטומים). התאוריות בנוגע לאטומים בעת העתיקה לא נשענו על תצפיות של הטבע כי אם על הגות פילוסופית. במשך 2,000 שנים בקירוב, התורה האטומית לא זכתה לאותה הפופולריות לה זכתה תאוריית ארבעת היסודות המתחרה. תאוריה זו, לפיה החומר בעולם מורכב מארבעה יסודות רציפים - אש, אוויר, מים ואדמה - קודמה על ידי הפילוסוף אריסטו במאה ה-4 לפנה"ס.

בשנת 1803 הגה ג'ון דלטון את התאוריה המדעית הראשונה שמסבירה באמצעות אטומים תוצאות נסיוניות. בתגובות כימיות המגיבים נמצאים ביחסים משקליים קבועים, ודלטון הסביר זאת באמצעות השערה כי כל יסוד מורכב מסוג אחד של חלקיקים יסודיים, אשר חוברים יחד לתרכובות. דלטון תיאר את האטומים ככדורים חלקים בלתי ניתנים לחלוקה.

ג'וזף ג'ון תומסון גילה כי מכל סוג של חומר נפלטים אלקטרונים זהים, והבין שבאטום יש אלקטרונים והוא אינו חלקיק יסודי, אלא בעל מבנה פנימי. הוא תיאר את מבנה האטום על פי מודל עוגת הצימוקים, שלפיו המטען החשמלי החיובי מפוזר בצורה הומוגנית באטום והאלקטרונים, חלקיקים בעלי מטען חשמלי נקודתי שלילי, "תקועים" בו כצימוקים בעוגה.

בשנת 1911 פינו מודלים אלה את מקומם לטובת המודל הפלנטרי, בעקבות ניסוי רתרפורד. על פי המודל הפלנטרי האטום בנוי מגרעין, שבו מרוכזים פרוטונים (בעלי מטען חשמלי חיובי). מסביב לגרעין חגים ככוכבים בפלנטה אלקטרונים שמטענם שווה והופכי למטענם של הפרוטונים ומספרם כמספר הפרוטונים שבגרעין, כך שמטענם החשמלי השלילי הכולל שווה למטען החיובי הכולל של הפרוטונים ומטען האטום כולו הוא אפס.

בשנת 1932, גילה ג'יימס צ'דוויק כי הגרעין מכיל חלקיק נוסף, הקרוי נייטרון, בעל מסה דומה לזו של הפרוטון אך חסר מטען חשמלי, בזכות תגלית זו זכה צ'דוויק בפרס נובל.

חלקו של המודל הנוגע למיקומם של הנייטרונים והפרוטונים בגרעין מרכזי מקובל עד היום, ועל פיו מסתם של האלקטרונים זניחה בהשוואה למסת הפרוטונים והנייטרונים, כך שמסת האטום מרוכזת בגרעין שנפחו מהווה חלק של כאחד ממיליון-מיליארד מנפח האטום (כי קוטר הגרעין נמדד בפרמי, שהוא אחד חלקי מאה אלף מקוטר האטום שנמדד באנגסטרם).

מודל האטום של בוהר אותו פיתח נילס בוהר מקצה רמות אנרגיה בדידות בהם יכולים האלקטרונים להסתובב. מודל האטום של בוהר מתאים לאטום המימן או לדמויי מימן, שהם אטומים בעלי אלקטרון אחד בלבד (ולכן טעונים חיובית) דוגמת He⁺¹ או Li⁺².

מכניקת הקוונטים שינתה שוב את תפיסת מודל האטום בו האלקטרונים אינם סובבים את גרעין האטום אם כי ממוקמים באזורים מסביבו בהסתברות התלויה ברמת האנרגיה שלהם.

חקר האטומים

אטומים של זהב במיקרוסקופ מִנהור סורק. הפסים הכהים בתמונה נובעים מהחיתוך של גביש הזהב לצורך הסריקה, הגורם לסידור מחדש של פני השטח.

ניתן "לראות" אטומים בודדים במיקרוסקופ מִנהור סורק. המיקרוסקופ סורק באמצעות מחט עדינה את פני החומר, אך ללא מגע בחומר עצמו, ומזרים זרם דרך המחט אל פני החומר. מכיוון שאין מגע בין המחט למשטח, הזרם עובר רק באמצעות מינהור קוונטי (מעבר של חלקיק דרך מחסום). עוצמת הזרם תלויה במרחק של המחט מהחומר ובצפיפות המצבים האלקטרוניים במשטח. באופן זה ניתן לראות אטום בודד, שכן האטום הוא "בליטה" במשטח אשר מגדילה את הזרם. הפסים הכהים בתמונה נובעים מהחיתוך של גביש הזהב לצורך הסריקה, הגורם לסידור מחדש של פני השטח.

זיהוי אטומים

כדי לזהות את סוג האטום (היסוד), ניתן להשתמש במספר שיטות:

ספקטרומטר מסה מודד את יחס המטען למסה של אטום טעון, שמתוכו ניתן לזהות את היסוד.

מיקרוסקופ אלקטרונים יכול לזהות יסודות שונים באמצעות ספקטרום הפליטה שלהם. באופן דומה ניתן לזהות יסודות של כוכבים רחוקים, דרך ספקטרום הפליטה שלהם באור נראה, באמצעות ספקטרומטר אופטי.

ראו גם

• מיון החלקיקים
• יציבות האטום
• פצצת אטום

קישורים חיצוניים

• דנה אשכנזי, מסע בלשי בעקבות החומר
• מבנה האטום, באתר לרגו
• עמית פנדו, מהו מבנה האטום?, במדור "מאגר המדע" באתר של מכון דוידסון לחינוך מדעי, 9 ביוני 2024
• What Does An Atom REALLY Look Like?, סרטון באתר יוטיוב (אורך: 8:43)
• אטומים, דף שער בספרייה הלאומית

הערות שוליים

הערך באדיבות ויקיפדיה העברית, קרדיט,
רשימת התורמים
רישיון cc-by-sa 3.0

אטום41175056Q9121