מתחילת הזמן, בני האדם חיפשו להבין ממה מורכב היקום וכל מה שבתוכו. ובעוד שמאגי ופילוסופים עתיקים הגו עולם המורכב מארבעה או חמישה יסודות - אדמה, אוויר, מים, אש (ומתכת, או תודעה) - על ידי העת העתיקה הקלאסית, החלו הפילוסופים להעריך שכל החומר מורכב למעשה מזעיר, אטומים בלתי נראים ובלתי ניתנים לחלוקה.
מאז אותה תקופה, מדענים עוסקים בתהליך של גילוי מתמשך עם האטום, בתקווה לגלות את טיבו האמיתי ואת איפורו. עד המאה ה -20, הבנתנו התחדדה עד כדי כך שהצלחנו לבנות מודל מדויק שלו. ובתוך העשור האחרון הבנתנו הלכה והתקדמה עוד יותר, עד שהגענו לאשר את קיומם של כמעט כל החלקים התיאורטיים שלה.
כיום מחקר אטומי מתמקד בחקר המבנה ותפקוד החומר ברמה התת אטומית. זה לא רק מורכב מזיהוי של כל החלקיקים התת אטומיים שנחשבים להרכיב אטום, אלא בחקירת הכוחות השולטים בהם. אלה כוללים כוחות גרעיניים חזקים, כוחות גרעיניים חלשים, אלקטרומגנטיות וכוח כוח. להלן פירוט של כל מה שלמדנו ללמוד על האטום עד כה ...
מבנה האטום:
ניתן לפרק את המודל הנוכחי שלנו של האטום לשלושה חלקים המרכיבים אותו - פרוטונים, נויטרונים ואלקטרונים. לכל אחד מהחלקים הללו יש מטען משויך, כאשר פרוטונים הנושאים מטען חיובי, אלקטרונים בעלי מטען שלילי, ונויטרונים ללא מטען נטו. בהתאם למודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים, פרוטונים ונויטרונים מהווים את גרעין האטום, בעוד אלקטרונים מקיפים אותו ב"ענן ".
האלקטרונים באטום נמשכים לפרוטונים שבגרעין על ידי הכוח האלקטרומגנטי. אלקטרונים יכולים לברוח ממסלולם, אך רק בתגובה למקור אנרגיה חיצוני המופעל. ככל שהמסלול האלקטרוני קרוב יותר לגרעין, הכוח האטרקטיבי גדול יותר; מכאן שכוח החיצוני הדרוש בכדי לגרום לאלקטרון לברוח חזק יותר.
אלקטרונים מקיפים את הגרעין במסללים מרובים, שכל אחד מהם מתאים לרמת אנרגיה מסוימת של האלקטרון. האלקטרון יכול לשנות את מצבו לרמת אנרגיה גבוהה יותר על ידי קליטת פוטון עם אנרגיה מספקת בכדי להגביר אותו למצב הקוונטי החדש. באופן דומה, אלקטרון במצב אנרגיה גבוה יותר יכול לרדת למצב אנרגיה נמוך יותר תוך קרינת עודפי האנרגיה כפוטון.
האטומים ניטרלים חשמלית אם יש להם מספר שווה של פרוטונים ואלקטרונים. אטומים שיש להם גירעון או עודף אלקטרונים נקראים יונים. אלקטרונים המרוחקים ביותר מהגרעין עשויים להיות מועברים לאטומים סמוכים אחרים או לחלוק אותם בין אטומים. באמצעות מנגנון זה, אטומים מסוגלים להיקשר למולקולות וסוגים אחרים של תרכובות כימיות.
כל שלושת החלקיקים התת-אטומיים הללו הם פרמיונים, סוג של חלקיקים הקשורים לחומר שהוא או אלמנטרי (אלקטרונים) או מורכב (פרוטונים ונויטרונים) באופיו. המשמעות היא שלאלקטרונים אין מבנה פנימי ידוע, ואילו פרוטונים ונויטרונים מורכבים מחלקיקים תת-אטומיים אחרים. קרא קווארקים. ישנם שני סוגים של קווארקים באטומים, שיש להם מטען חשמלי שברירי.
פרוטונים מורכבים משני קווארקים "למעלה" (כל אחד עם מטען של +2/3) וקווארק "למטה" (-1/3), ואילו הנויטרונים מורכבים מקווארק אחד למעלה ושני קווארקים למטה. הבחנה זו אחראית להבדל המטען בין שני החלקיקים, המסתמן לטעינה של +1 ו- 0 בהתאמה, בעוד שלאלקטרונים יש מטען של -1.
חלקיקים תת-אטומיים אחרים כוללים לפטונים, שמשתלבים עם פרמיונים ויוצרים את אבני הבניין של החומר. ישנם שישה לפטונים במודל האטומי הנוכחי: חלקיקי האלקטרון, המואון והטאו, והניוטרינים הנלווים אליהם. הזנים השונים של חלקיקי הלפטון, המכונים בדרך כלל "טעמים", נבדלים זה מזה בגדלים ובמטענים שלהם, המשפיעים על רמת האינטראקציות האלקטרומגנטיות שלהם.
ואז יש בוסונים מדיים, הידועים כ"נושאי כוח "מכיוון שהם מתווכים כוחות פיזיים. לדוגמה, גלונים אחראים לכוח הגרעיני החזק המחזיק קווארקים יחד ואילו בוסונים W ו- Z (עדיין היפותטיים) מאמינים כי הם אחראים לכוח הגרעיני החלש שמאחורי האלקטרומגנטיות. פוטונים הם החלקיק היסודי המרכיב אור ואילו היגס בוסון אחראי לתת לבוזונים ה- W ו- Z את המסה שלהם.
מסה אטומית:
מרבית המסה של האטומים מגיעים מהפרוטונים והנויטרונים המרכיבים את הגרעין שלה. אלקטרונים הם המסיביים הכי פחות מסיביים של האטום, עם מסה של 9.11 x 10-31 ק"ג וגודל קטן מכדי להימדד בטכניקות עכשוויות. לפרוטונים יש מסה שהיא פי 1,836 מזו של האלקטרון, בגודל 1.6726 × 10-27 ק"ג, בעוד הנויטרונים הם המסיביים ביותר מבין השלושה, ב 1.6929 × 10-27 ק"ג (פי 1,839 ממסת האלקטרון).
המספר הכולל של הפרוטונים והנויטרונים בגרעין האטומים (נקרא "גרעינים") נקרא מספר המסה. לדוגמה, היסוד פחמן -12 נקרא כך מכיוון שיש לו מספר מסה של 12 - שמקורו ב -12 נוקלאונים שלו (שישה פרוטונים ושישה נויטרונים). עם זאת, יסודות מסודרים גם הם על סמך המספרים האטומיים שלהם, זהה למספר הפרוטונים שנמצאים בגרעין. במקרה זה, לפחמן יש מספר אטומי של 6.
המסה האמיתית של אטום במנוחה קשה מאוד למדידה, מכיוון שאפילו האטומים המסיביים ביותר קלים מכדי לבטא ביחידות קונבנציונליות. ככאלה, מדענים משתמשים לעתים קרובות ביחידת המסה האטומית המאוחדת (u) - המכונה גם דלטון (Da) - המוגדרת כשני עשרה מהמסה של אטום ניטרלי חופשי של פחמן -12, שהוא בערך 1.66 × 10-27 ק"ג.
כימאים משתמשים גם בשומות, יחידה המוגדרת כשומה אחת של כל יסוד שתמיד יש אותו מספר אטומים (בערך 6.022 × 1023). מספר זה נבחר כך שאם ליסוד יש מסה אטומית של 1 u, לשומה של אטומים של אותו יסוד יש מסה הקרובה לגרם אחד. בגלל ההגדרה של יחידת המסה האטומית המאוחדת, לכל אטום פחמן -12 יש מסה אטומית של 12 U בדיוק, ולכן שומה של אטומי פחמן -12 שוקלת 0.012 ק"ג בדיוק.
ריקבון רדיואקטיבי:
כל שני אטומים שיש להם מספר זהה של פרוטונים שייכים לאותו יסוד כימי. אך לאטומים עם מספר שווה של פרוטונים יכולים להיות מספר שונה של נויטרונים, המוגדרים כאיזוטופים שונים של אותו יסוד. איזוטופים אלה לרוב אינם יציבים, וכל אלה עם מספר אטומי העולה על 82 ידועים כרדיואקטיביים.
כאשר אלמנט עובר ריקבון, גרעונו מאבד אנרגיה על ידי פליטת קרינה - שיכולה להיות מורכבת מחלקיקי אלפא (אטומי הליום), חלקיקי בטא (פוזיטרון), קרני גאמה (אנרגיה אלקטרומגנטית בתדר גבוה) ואלקטרונים המרה. השיעור בו אלמנט לא יציב מתפרק מכונה "אורך החיים שלו", שהוא משך הזמן הדרוש ליסוד של האלמנט למחצית מערכו ההתחלתי.
היציבות של איזוטופ מושפעת מהיחס בין הפרוטונים לנויטרונים. מתוך 339 סוגים שונים של אלמנטים המופיעים באופן טבעי בכדור הארץ, 254 (כ 75%) תויגו כ"איזוטופים יציבים "- כלומר לא נתונים לריקבון. 34 יסודות רדיואקטיביים נוספים חיים אורך חיים של יותר מ- 80 מיליון שנים, והם קיימים גם מאז מערכת השמש המוקדמת (ומכאן מדוע הם מכונים "יסודות קדומים").
לבסוף, ידוע כי 51 יסודות נוספים קצרי מועד מתרחשים באופן טבעי, כ"אלמנטים של בת "(כלומר תוצרי לוואי גרעיניים) של התפרקותם של יסודות אחרים (כמו רדיום מאורניום). בנוסף, אלמנטים רדיואקטיביים קצרי מועד יכולים להיות תוצאה של תהליכים אנרגטיים טבעיים בכדור הארץ, כמו הפגזת קרניים קוסמיות (למשל, פחמן -14, המתרחש באטמוספירה שלנו).
תולדות המחקר:
הדוגמאות המוקדמות ביותר הידועות לתורת האטום הגיעו מיוון והודו העתיקה, שם הוספו פילוסופים כמו דמוקריטוס כי כל החומר היה מורכב מיחידות קטנטנות, בלתי ניתנות להפרדה ובלתי ניתנות להפרדה. המונח "אטום" נטבע ביוון העתיקה והוליד את אסכולת המחשבה המכונה "אטומיזם". עם זאת, תיאוריה זו הייתה יותר מושג פילוסופי מאשר מושג מדעי.
רק במאה ה -19 התנסחה תיאוריית האטומים כעניין מדעי, כאשר הניסויים הראשונים מבוססי הראיות נערכו. לדוגמה, בראשית 1800, המדען האנגלי ג'ון דלטון השתמש במושג האטום בכדי להסביר מדוע יסודות כימיים הגיבו בדרכים מסוימות שניתן לראות וצפויות.
דלטון החל בשאלה מדוע אלמנטים הגיבו ביחס של מספרים שלמים קטנים, והסיק למסקנה שתגובות אלה התרחשו בכפולות שלמות של יחידות בודדות - כלומר אטומים. באמצעות סדרת ניסויים שעסקו בגזים המשיך דלטון את מה שמכונה התיאוריה האטומית של דלתון, שנשארה אחת מאבני היסוד של הפיזיקה והכימיה המודרנית.
התיאוריה מסתכמת בחמישה הנחות יסוד: יסודות, במצבם הטהור ביותר, מורכבים מחלקיקים המכונים אטומים; האטומים של יסוד ספציפי כולם זהים, עד לאטום האחרון ביותר; ניתן להבחין באטומים של אלמנטים שונים על ידי משקלי האטום שלהם; אטומים של יסודות מתאחדים ליצירת תרכובות כימיות; לא ניתן ליצור או להרוס אטומים בתגובה כימית, רק הקבוצה משתנה אי פעם.
בסוף המאה ה -19 החלו מדענים להעריך כי האטום מורכב מיותר מיחידה בסיסית אחת. עם זאת, מרבית המדענים העזו כי יחידה זו תהיה בגודל האטום הקטן ביותר הידוע - מימן. ואז בשנת 1897, באמצעות סדרת ניסויים באמצעות קרני קתודה, הפיזיקאי ג'יי ג'יי. תומפסון הודיע שגילה יחידה שהיא קטנה פי 1000 וקל פי 1800 מאטום מימן.
הניסויים שלו הראו גם כי הם זהים לחלקיקים שהועברו על ידי האפקט הפוטואלקטרי ומחומרים רדיואקטיביים. ניסויים שלאחר מכן חשפו כי חלקיק זה נשא זרם חשמלי דרך חוטי מתכת ומטענים חשמליים שליליים בתוך האטומים. מכאן מדוע החלקיק - שכונה במקור "גופת גופות" - הוחלף מאוחר יותר ל"אלקטרון ", על פי שחזה החלקיק של ג'ורג 'ג'ונסטון סטוני בשנת 1874.
עם זאת, תומסון גם הניח כי אלקטרונים הופצו ברחבי האטום, שהיה ים אחיד של מטען חיובי. זה התפרסם כ"מודל פודינג השזיף ", שלימים יתברר כשגוי. זה התרחש בשנת 1909, כאשר הפיזיקאים האנס גייגר וארנסט מרסדן (בניהולו של ארנסט רות'רפוד) ערכו את הניסוי שלהם באמצעות נייר כסף וחלקיקי אלפא.
בהתאם לדגם האטומי של דלטון, הם האמינו שחלקיקי האלפא יעברו ישר בנייר כסף עם מעט סטיה. עם זאת, חלקיקים רבים הוסטו בזוויות העולות על 90 מעלות. כדי להסביר זאת, רתרפורד הציע כי המטען החיובי של האטום יתרכז בגרעין זעיר במרכזו.
בשנת 1913, הציע הפיזיקאי נילס בוהר מודל בו האלקטרונים מקיפים את הגרעין, אך יכול היה לעשות זאת רק במערכת סופית של מסלולי מסלול. הוא גם הציע שאלקטרונים יוכלו לקפוץ בין מסלולי מסלול, אך רק בשינויי אנרגיה נפרדים התואמים לקליטה או קרינה של פוטון. זה לא רק ששכלל את המודל המוצע של רתרפורד, אלא גם הוליד את הרעיון של אטום כמותי, בו החומר התנהג במנות דיסקרטיות.
התפתחות ספקטרומטר ההמונים - המשתמש במגנט לכיפוף מסלול קרן היונים - אפשרה למדוד את מסת האטומים ברמת דיוק מוגברת. הכימאי פרנסיס ויליאם אסטון השתמש בכלי זה כדי להראות שיש לאיזוטופים המונים שונים. זה בתורו עקב אחריו הפיזיקאי ג'יימס צ'אדוויק, שבשנת 1932 הציע את הנייטרון כדרך להסביר את קיומם של איזוטופים.
לאורך ראשית המאה העשרים התפתח הטבע הטבעי הקוונטי עוד יותר. בשנת 1922 ערכו הפיזיקאים הגרמנים אוטו שטרן וולטר גרלך ניסוי בו הונחה קרן אטומי כסף דרך שדה מגנטי, שנועד לפצל את הקורה בין כיוון המומנטום הזוויתי של האטומים (או הסיבוב).
התוצאות היו שהקרן התפצלה בשני חלקים, תלוי אם סיבוב האטומים מכוון למעלה או למטה או לא. בשנת 1926 השתמש הפיזיקאי ארווין שרדינגר ברעיון של חלקיקים להתנהג כמו גלים כדי לפתח מודל מתמטי שתיאר אלקטרונים כצורות גל תלת ממדיות ולא כחלקיקים בלבד.
תוצאה של שימוש בצורות גל לתיאור חלקיקים היא שאי אפשר מבחינה מתמטית להשיג ערכים מדויקים הן למיקומו והן לתנופה של החלקיק בכל זמן נתון. באותה שנה ניסח ורנר הייזנברג את הבעיה הזו וכינה אותה "עקרון הוודאות". לדברי הייזנברג, לצורך מדידה מדויקת של מיקום, ניתן להשיג טווח ערכים סביר לתנופה, ולהיפך.
בשנות השלושים גילו פיזיקאים ביקוע גרעיני, הודות לניסויים של אוטו האן, ליס מיטנר ואוטו פריש. הניסויים של האן כללו כיוון נויטרונים לאטומי אורניום בתקווה ליצור אלמנט טרנס-אורניום. במקום זאת, התהליך הפך את הדגימה שלו לאורניום -92 (Ur92לשני אלמנטים חדשים - בריום (B56) וקריפטון (Kr27).
מיטנר ופריש אימתו את הניסוי וייחסו אותו לאטומי האורניום המתפצל ליצירת שני אלמנטים באותו משקל אטומי כולל, תהליך ששיחרר גם כמות ניכרת של אנרגיה על ידי שבירת קשרי האטום. בשנים שלאחר מכן החל מחקר על נשק אפשרי לתהליך זה (כלומר נשק גרעיני) והוביל לבניית הפצצות האטומיות הראשונות בארצות הברית עד שנת 1945.
בשנות החמישים, פיתוח מאיצי חלקיקים משופרים וגלאי חלקיקים אפשרו למדענים ללמוד את ההשפעות של האטומים הנעים באנרגיות גבוהות. מכאן פותח המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים, שהסביר עד כה בהצלחה את תכונות הגרעין, את קיומם של חלקיקים תת-אטומיים תיאורטיים ואת הכוחות השולטים באינטראקציות שלהם.
ניסויים מודרניים:
מאז המחצית האחרונה של המאה העשרים, גילויים חדשים ומרתקים היו לגבי תורת האטום ומכניקת הקוונטים. לדוגמה, בשנת 2012, החיפוש הארוך אחר היגס בוסון הוביל לפריצת דרך בה הודיעו חוקרים העובדים בארגון האירופי לחקר הגרעין (CERN) בשוויץ על תגליתו.
בעשורים האחרונים הרבה זמן ואנרגיה הוקדשו על ידי פיזיקאים לפיתוח תורת שדה אחידה (aka. The Grand Unifying Theory of Theory of Everything). במהותה, מאז שהוצע לראשונה המודל הסטנדרטי, מדענים ניסו להבין כיצד ארבעת הכוחות הבסיסיים של היקום (כוח משיכה, כוח גרעיני חזק וחלש ואלקטרומגנטיות) פועלים יחד.
בעוד שניתן להבין את כוח הכובד באמצעות תיאוריות היחסות של איינשטיין, וניתן להבין כוחות גרעיניים ואלקטרומגנטיות באמצעות תורת הקוונטים, אף תיאוריה אינה יכולה להסביר את כל ארבעת הכוחות העובדים יחד. ניסיונות לפתור זאת הובילו למספר תיאוריות שהוצעו במהלך השנים, החל מתורת המיתרים ועד כוח הכבידה הקוונטי. עד כה, אף אחת מהתיאוריות הללו לא הובילה לפריצת דרך.
הבנתנו את האטום עשתה דרך ארוכה, החל מדגמים קלאסיים שראו בה מוצק אינרטי אשר היה אינטראקציה עם אטומים אחרים באופן מכני, ועד תיאוריות מודרניות בהן האטומים מורכבים מחלקיקים אנרגטיים המתנהגים בצורה בלתי צפויה. אמנם זה לקח כמה אלפי שנים, הידע שלנו על המבנה הבסיסי של כל החומר התקדם במידה ניכרת.
ובכל זאת, נותרו תעלומות רבות שעדיין לא נפתרו. עם הזמן והמשך המאמצים, אנו עשויים סוף סוף לפתוח את סודות האטום האחרונים שנותרו. שוב, יכול מאוד להיות שכל תגלית חדשה שאנו מביאה רק תוליד שאלות נוספות - והן יכולות להיות אפילו יותר מבלבלות מאלה שהגיעו לפני!
כתבנו מאמרים רבים על האטום למגזין החלל. הנה מאמר על המודל האטומי של ג'ון דלטון, המודל האטומי של נילס בוהר, מי היה דמוקריטוס ?, וכמה אטומים יש ביקום?
אם תרצה לקבל מידע נוסף על האטום, עיין במאמר של נאס"א על ניתוח דגימות זעירות, והנה קישור למאמר של נאס"א על אטומים, אלמנטים ואיזוטופים.
הקלטנו גם פרק שלם של אסטרונומיה קאסט שכולל את האטום. האזינו כאן, פרק 164: בתוך האטום, פרק 263: ריקבון רדיואקטיבי, ופרק 394: הדגם הסטנדרטי, בונסון.
