מאז ראשית הזמן, בני האדם ביקשו להבין ממה מורכב היקום וכל מה שבתוכו. ובעוד קוסמים ופילוסופים עתיקים הגו עולם המורכב מארבעה או חמישה יסודות - אדמה, אוויר, מים, אש (ומתכת, או תודעה) - על ידי העת העתיקה הקלאסית, פילוסופים החלו להעלות תיאוריה שכל החומר מורכב למעשה מזעירים, אטומים בלתי נראים ובלתי ניתנים לחלוקה.
מאז אותה תקופה, מדענים עסקו בתהליך של גילוי מתמשך עם האטום, בתקווה לגלות את טבעו והרכבו האמיתיים. עד המאה ה-20, ההבנה שלנו השתכללה עד כדי כך שהצלחנו לבנות מודל מדויק שלה. ובתוך העשור האחרון, ההבנה שלנו התקדמה עוד יותר, עד כדי כך שהגענו לאשר את קיומם של כמעט כל חלקיה התיאורטיים.
כיום, המחקר האטומי מתמקד בחקר המבנה והתפקוד של החומר ברמה התת-אטומית. זה לא רק מורכב מזיהוי כל החלקיקים התת-אטומיים שחושבים שהם מהווים אטום, אלא חקירת הכוחות השולטים בהם. אלה כוללים כוחות גרעיניים חזקים, כוחות גרעיניים חלשים, אלקטרומגנטיות וכוח משיכה. הנה פירוט של כל מה שבאנו כדי ללמוד על האטום עד כה...
מבנה האטום:
ניתן לפרק את המודל הנוכחי שלנו של האטום לשלושה חלקים מרכיבים - פרוטונים, נויטרונים ואלקטרונים. לכל אחד מהחלקים הללו יש מטען משויך, כאשר פרוטונים נושאים מטען חיובי, אלקטרונים בעלי מטען שלילי וניוטרונים ללא מטען נטו. בהתאם ל מודל סטנדרטי של פיזיקת חלקיקים , פרוטונים ונייטרונים מהווים את גרעין האטום, בעוד אלקטרונים מקיפים אותו ב'ענן'.
הדגם של נילס בוהר אטום חנקן. קרדיט: britannica.com
האלקטרונים באטום נמשכים אל הפרוטונים בגרעין על ידי הכוח האלקטרומגנטי. אלקטרונים יכולים לברוח ממסלולם, אך רק בתגובה למקור אנרגיה חיצוני שמופעל. ככל שהאלקטרון קרוב יותר לגרעין, כוח המשיכה גדול יותר; מכאן שככל שהכוח החיצוני הדרוש כדי לגרום לאלקטרון לברוח חזק יותר.
אלקטרונים מקיפים את הגרעין במספר מסלולים, שכל אחד מהם מתאים לרמת אנרגיה מסוימת של האלקטרון. האלקטרון יכול לשנות את מצבו לרמת אנרגיה גבוהה יותר על ידי קליטת פוטון עם מספיק אנרגיה כדי להגביר אותו למצב הקוונטי החדש. כמו כן, אלקטרון במצב אנרגיה גבוה יותר יכול לרדת למצב אנרגיה נמוך יותר תוך הקרנת האנרגיה העודפת כפוטון.
אטומים הם ניטרליים מבחינה חשמלית אם יש להם מספר שווה של פרוטונים ואלקטרונים. אטומים שיש להם גירעון או עודף של אלקטרונים נקראים יונים. אלקטרונים שנמצאים הכי רחוק מהגרעין עשויים להיות מועברים לאטומים סמוכים אחרים או משותפים בין אטומים. על ידי מנגנון זה, אטומים מסוגלים להיקשר למולקולות ולסוגים אחרים של תרכובות כימיות.
כל שלושת החלקיקים התת-אטומיים הללו הם פרמיונים, סוג של חלקיקים הקשורים לחומר שהוא או אלמנטרי (אלקטרונים) או מרוכב (פרוטונים ונייטרונים) בטבע. משמעות הדבר היא שלאלקטרונים אין מבנה פנימי ידוע, בעוד לפרוטונים וניוטרונים מורכבים מחלקיקים תת-אטומיים אחרים. שנקראים קווארקים. ישנם שני סוגים של קווארקים באטומים, בעלי מטען חשמלי חלקי.
החלקיקים היסודיים של המודל הסטנדרטי. קרדיט: PBS NOVA/Fermilab/Particle Data Group
פרוטונים מורכבים משני קווארקים 'למעלה' (כל אחד עם מטען של +2/3) וקווארק 'למטה' אחד (-1/3), בעוד שהנייטרונים מורכבים מקווארק למעלה ושני קווארקים למטה. הבחנה זו מסבירה את ההבדל במטען בין שני החלקיקים, המגיע למטען של +1 ו-0 בהתאמה, בעוד שלאלקטרונים יש מטען של -1.
חלקיקים תת-אטומיים אחרים כוללים לפטון, שמתחברים עם פרמיונים ויוצרים את אבני הבניין של החומר. ישנם שישה לפטונים במודל האטומי הנוכחי: חלקיקי האלקטרון, המיון והטאו והניטרינו הקשורים אליהם. הזנים השונים של חלקיקי הלפטון, הנקראים בדרך כלל 'טעמים', נבדלים על ידי הגדלים והמטענים שלהם, מה שמשפיע על רמת האינטראקציות האלקטרומגנטיות שלהם.
לאחר מכן, ישנם בוזונים של מד, אשר ידועים בתור 'נושאי כוח' מכיוון שהם מתווכים כוחות פיזיים. לדוגמה, גלוונים אחראים לכוח הגרעיני החזק שמחזיק את הקווארקים יחד, בעוד שבוזוני W ו-Z (עדיין היפותטיים) הם מאמינים שהם אחראים לכוח הגרעיני החלש מאחורי האלקטרומגנטיות. פוטונים הם החלקיק היסודי המרכיב את האור, בעוד שבוזון היגס אחראי לתת לבוזונים W ו-Z את המסה שלהם.
מסה אטומית:
רוב המסה של האטומים מגיעה מהפרוטונים והנייטרונים המרכיבים את הגרעין שלו. האלקטרונים הם החלקיקים המרכיבים את האטום הפחות מסיביים, עם מסה של 9.11 x 10-31ק'ג וגודל קטן מכדי להימדד בטכניקות הנוכחיות. לפרוטונים יש מסה שהיא פי 1,836 מזו של האלקטרון, ב-1.6726×10-27ק'ג, בעוד שהנייטרונים הם המסיביים ביותר מבין השלושה, ב-1.6929×10-27ק'ג (פי 1,839 מהמסה של האלקטרון).
המסות של כל 6 הטעמים של הקווארקים, עם פרוטון ואלקטרון (נקודה אדומה) מוצגים בפינה השמאלית התחתונה עבור קנה המידה. קרדיט: ויקיפדיה/Incnis Mrsi
המספר הכולל של פרוטונים וניוטרונים בגרעין האטומים (הנקראים 'נוקלונים') נקרא מספר המסה. לדוגמה, היסוד פחמן-12 נקרא כך מכיוון שיש לו מספר מסה של 12 - נגזר מ-12 הנוקלונים שלו (שישה פרוטונים ושישה נויטרונים). עם זאת, יסודות מסודרים גם על סמך המספרים האטומיים שלהם, שזהה למספר הפרוטונים שנמצאים בגרעין. במקרה זה, לפחמן יש מספר אטומי של 6.
קשה מאוד למדוד את המסה האמיתית של אטום במנוחה, מכיוון שאפילו האטומים המסיביים ביותר הם קלים מכדי לבטא אותם ביחידות קונבנציונליות. ככזה, מדענים משתמשים לעתים קרובות ביחידת המסה האטומית המאוחדת (u) - הנקראת גם דלתון (Da) - המוגדרת כשתים עשרה מהמסה של אטום נייטרלי חופשי של פחמן-12, שהיא בערך 1.66×10-27ק'ג.
כימאים משתמשים גם בשומות, יחידה המוגדרת כשומה אחת של כל יסוד שיש לו תמיד אותו מספר של 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 קרובה 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 בדיוק 0.012 ק'ג.
דעיכה רדיואקטיבית:
כל שני אטומים בעלי אותו מספר פרוטונים שייכים לאותו יסוד כימי. אבל לאטומים עם מספר שווה של פרוטונים יכול להיות מספר שונה של נויטרונים, המוגדרים כאיזוטופים שונים של אותו יסוד. איזוטופים אלו לרוב אינם יציבים, וכל אלה עם מספר אטומי גדול מ-82 ידועים כרדיואקטיביים.
תרשים של ריקבון אלפא ובטא בשני איזוטופים של אורניום. קרדיט: energy-without-carbon.org
כאשר יסוד עובר ריקבון, הגרעין שלו מאבד אנרגיה על ידי פליטת קרינה - שיכולה להיות מורכבת מחלקיקי אלפא (אטומי הליום), חלקיקי בטא (פוזיטרון), קרני גמא (אנרגיה אלקטרומגנטית בתדירות גבוהה) ואלקטרוני המרה. הקצב שבו יסוד לא יציב מתפורר ידוע כ'מחצית החיים שלו', שהוא משך הזמן הנדרש ליסוד לרדת למחצית מערכו ההתחלתי.
היציבות של איזוטופ מושפעת מהיחס בין פרוטונים לנייטרונים. מתוך 339 סוגים שונים של יסודות המופיעים באופן טבעי על פני כדור הארץ, 254 (כ-75%) סומנו כ'איזוטופים יציבים' - כלומר אינם נתונים לדעיכה. ל-34 יסודות רדיואקטיביים נוספים יש זמן מחצית חיים ארוך מ-80 מיליון שנה, והם קיימים גם מאז מערכת השמש המוקדמת (ולכן הם נקראים 'יסודות ראשוניים').
לבסוף, ידוע כי 51 יסודות קצרי חיים נוספים מתרחשים באופן טבעי, כ'יסודות בת' (כלומר תוצרי לוואי גרעיניים) של ריקבון של יסודות אחרים (כגון רדיום מאורניום). בנוסף, יסודות רדיואקטיביים קצרי מועד יכולים להיות תוצאה של תהליכים אנרגטיים טבעיים על פני כדור הארץ, כמו הפצצת קרניים קוסמיות (למשל, פחמן-14, המתרחש באטמוספירה שלנו).
תולדות המחקר:
הדוגמאות המוקדמות ביותר הידועות לתורת האטום מגיעות מיוון והודו העתיקה, שבהן פילוסופים כמו דמוקריטוס הניחו שכל החומר מורכב מיחידות זעירות, בלתי ניתנות לחלוקה ובלתי ניתנות להריסה. המונח 'אטום' נטבע ביוון העתיקה והוליד את האסכולה המכונה 'אטומיזם'. עם זאת, תיאוריה זו הייתה יותר מושג פילוסופי מאשר מושג מדעי.
אטומים ומולקולות שונים כפי שמתוארים ב'מערכת חדשה לפילוסופיה כימית' של ג'ון דלטון (1808). קרדיט: תחום ציבורי
רק במאה ה-19 התבטאה תורת האטומים כעניין מדעי, כאשר הניסויים הראשונים המבוססים על ראיות נערכו. לדוגמה, בתחילת המאה ה-18, המדען האנגלי ג'ון דלטון השתמש במושג האטום כדי להסביר מדוע יסודות כימיים הגיבו בדרכים מסוימות הניתנות לצפייה וצפויות.
דלטון פתח בשאלה מדוע היסודות הגיבו ביחסים של מספרים שלמים קטנים, והגיע למסקנה שתגובות אלו התרחשו בכפולות של מספרים שלמים של יחידות נפרדות - במילים אחרות, אטומים. באמצעות סדרה של ניסויים שכללו גזים, דלטון המשיך ופיתח את מה שמכונה תורת האטום של דלטון , שנותרה אחת מאבני היסוד של הפיזיקה והכימיה המודרנית.
התיאוריה מסתכמת בחמש הנחות יסוד: יסודות, במצבם הטהור ביותר, מורכבים מחלקיקים הנקראים אטומים; אטומים של יסוד ספציפי זהים כולם, עד לאטום האחרון; ניתן להבדיל בין אטומים של יסודות שונים לפי משקלם האטומי; אטומים של יסודות מתאחדים ליצירת תרכובות כימיות; אטומים לא יכולים להיווצר או להרוס בתגובה כימית, רק הקיבוץ משתנה אי פעם.
עד סוף המאה ה-19, מדענים החלו להעלות תיאוריה שהאטום מורכב מיותר מיחידה בסיסית אחת. עם זאת, רוב המדענים העזו שהיחידה הזו תהיה בגודל של האטום הקטן ביותר הידוע - מימן. ואז בשנת 1897, באמצעות סדרה של ניסויים באמצעות קרני קתודה, הפיזיקאי J.J. תומפסון הכריז שהוא גילה יחידה קטנה פי 1000 ופי 1800 קלה מאטום מימן.
מודל פודינג השזיפים של האטום שהוצע על ידי ג'ון דלטון. קרדיט: britannica.com
הניסויים שלו גם הראו שהם זהים לחלקיקים שנפלטו מהאפקט הפוטואלקטרי ומחומרים רדיואקטיביים. ניסויים שלאחר מכן גילו שחלקיק זה נושא זרם חשמלי דרך חוטי מתכת ומטענים חשמליים שליליים בתוך אטומים. מכאן מדוע החלקיק - אשר נקרא במקור 'גוף' - שונה מאוחר יותר ל'אלקטרון', לאחר החלקיק שחזה ג'ורג' ג'ונסטון סטוני ב-1874.
עם זאת, תומסון גם הניח שהאלקטרונים היו מפוזרים בכל האטום, שהיה ים אחיד של מטען חיובי. זה נודע כ'מודל פודינג השזיפים', שלימים יתברר כשגוי. זה התרחש בשנת 1909, כאשר הפיזיקאים הנס גיגר וארנסט מרסדן (תחת ניהולו של ארנסט רתרפוד) ערכו את הניסוי שלהם באמצעות רדיד מתכת וחלקיקי אלפא.
בהתאם למודל האטומי של דלטון, הם האמינו שחלקיקי האלפא יעברו ישר דרך נייר הכסף עם סטייה קטנה. עם זאת, רבים מהחלקיקים הוסטו בזוויות גדולות מ-90°. כדי להסביר זאת, רתרפורד הציע שהמטען החיובי של האטום מרוכז בגרעין זעיר במרכזו.
בשנת 1913, פיזיקאי נילס בוהר הציע מודל שבו אלקטרונים מקיפים את הגרעין, אך יכלו לעשות זאת רק בקבוצה סופית של מסלולים. הוא גם הציע שאלקטרונים יכולים לקפוץ בין מסלולים, אבל רק בשינויים נפרדים של אנרגיה התואמים את הקליטה או הקרינה של פוטון. זה לא רק חידד את המודל המוצע של רתרפורד, אלא גם הוליד את הרעיון של אטום כמותי, שבו החומר התנהג במנות דיסקרטיות.
ניסוי נייר כסף שנערך על ידי גייגר, מרסדן ורתרפורד. קרדיט: glogster.com
הפיתוח של ספקטרומטר המסה - העושה שימוש במגנט כדי לכופף את מסלולה של אלומת יונים - אפשר למדוד את מסת האטומים בדיוק מוגבר. הכימאי פרנסיס וויליאם אסטון השתמש במכשיר זה כדי להראות שלאיזוטופים יש מסות שונות. זה בתורו עוקב אחרי הפיזיקאי ג'יימס צ'דוויק, שב-1932 הציע את הנייטרון כדרך להסביר את קיומם של איזוטופים.
במהלך המאה ה-20 המוקדמת, הטבע הקוונטי של האטומים פותח עוד יותר. בשנת 1922 ערכו הפיזיקאים הגרמנים אוטו שטרן ו-וולטר גרלך ניסוי שבו כוונה קרן של אטומי כסף דרך שדה מגנטי, שנועד לפצל את הקרן בין כיוון התנע הזוויתי (או הספין) של האטומים.
ידוע כ ניסוי שטרן – גרלך , התוצאות היו שהקרן התפצלה לשני חלקים, תלוי אם הספין של האטומים היה מכוון למעלה או למטה. בשנת 1926, הפיזיקאי ארווין שרדינגר השתמש ברעיון של חלקיקים שמתנהגים כמו גלים כדי לפתח מודל מתמטי שתיאר אלקטרונים כצורות גל תלת מימדיות ולא כחלקיקים בלבד.
תוצאה של שימוש בצורות גל לתיאור חלקיקים היא שאי אפשר מבחינה מתמטית להשיג ערכים מדויקים הן למיקום והן לתנע של חלקיק בכל זמן נתון. באותה שנה ניסח ורנר הייזנברג בעיה זו וכינה אותה 'עקרון אי הוודאות'. לפי הייזנברג, עבור מדידה מדויקת נתונה של מיקום, אפשר לקבל רק טווח של ערכים סבירים לתנע, ולהיפך.
ביקוע גרעיני, שבו אטום של אורניום 92 מפוצל על ידי נויטרון חופשי כדי לייצר בריום וקריפטון. קרדיט: physics.stackexchange.com
בשנות ה-30 גילו פיזיקאים את הביקוע הגרעיני, הודות לניסויים של אוטו האן, ליז מייטנר ואוטו פריש. הניסויים של האן כללו הפניית נויטרונים על אטומי אורניום בתקווה ליצור יסוד טרנסאורניום. במקום זאת, התהליך הפך את דגימת האורניום-92 שלו (Ur92) לשני יסודות חדשים - בריום (B56) וקריפטון (Kr27).
מייטנר ופריש אימתו את הניסוי וייחסו אותו להתפצלות אטומי האורניום ליצירת שני יסודות בעלי משקל אטומי זהה, תהליך שגם שיחרר כמות ניכרת של אנרגיה על ידי שבירת הקשרים האטומיים. בשנים שלאחר מכן, החל מחקר על נשק אפשרי של תהליך זה (כלומר נשק גרעיני) והוביל לבניית פצצות האטום הראשונות בארה'ב עד 1945.
בשנות ה-50, פיתוח מאיצי חלקיקים וגלאי חלקיקים משופרים אפשרו למדענים לחקור את ההשפעות של אטומים הנעים באנרגיות גבוהות. מתוך כך פותח המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים, אשר הסביר עד כה בהצלחה את תכונות הגרעין, קיומם של חלקיקים תת-אטומיים תיאורטיים והכוחות השולטים באינטראקציות ביניהם.
ניסויים מודרניים:
מאז המחצית השנייה של המאה ה-20, תגליות חדשות ומרגשות רבות היו בהתייחס לתורת האטום ולמכניקת הקוונטים. לדוגמה, בשנת 2012, החיפוש הארוך אחר ה היגס בוזון הובילה לפריצת דרך שבה חוקרים העובדים ב- הארגון האירופי למחקר גרעיני (CERN) בשוויץ הודיעה על הגילוי שלה.
מאיץ ההדרונים הגדול (LHC) בארגון האירופי למחקר גרעיני (CERN). קרדיט: home.cern
בעשורים האחרונים, הרבה זמן ואנרגיה הוקדשו על ידי פיזיקאים לפיתוח תיאוריית שדות מאוחדת (הידוע גם בשם Grand Unifying Theory או תיאוריה של הכל ). למעשה, מאז שהוצע לראשונה המודל הסטנדרטי, מדענים ביקשו להבין כיצד ארבעת כוחות היסוד של היקום (כוח הכבידה, כוחות גרעיניים חזקים וחלשים ואלקטרומגנטיות) פועלים יחד.
ואילו כוח הכבידה ניתן להבין באמצעות תיאוריות היחסות של איינשטיין , וניתן להבין כוחות גרעיניים ואלקטרומגנטיות באמצעות תורת הקוונטים , אף תיאוריה לא יכולה להסביר את כל ארבעת הכוחות הפועלים יחד. ניסיונות לפתור זאת הובילו למספר תיאוריות מוצעות במהלך השנים, החל מ תיאוריית המיתרים ל Loop Quantum Gravity . עד היום, אף אחת מהתיאוריות הללו לא הביאה לפריצת דרך.
הבנתנו את האטום עברה דרך ארוכה, ממודלים קלאסיים שראו בו מוצק אינרטי שקיים אינטראקציה עם אטומים אחרים בצורה מכנית, ועד לתיאוריות מודרניות שבהן אטומים מורכבים מחלקיקים אנרגטיים שמתנהגים בצורה בלתי צפויה. אמנם זה לקח כמה אלפי שנים, אבל הידע שלנו על המבנה הבסיסי של כל החומר התקדם במידה ניכרת.
ועדיין, נותרו תעלומות רבות שעדיין לא נפתרו. עם הזמן והמשך המאמצים, נוכל סוף סוף לגלות את הסודות האחרונים שנותרו של האטום. אז שוב, יכול מאוד להיות שכל גילוי חדש שנגלה רק יעורר שאלות נוספות - והן עלולות להיות אפילו יותר מבלבלות מאלה שבאו קודם!
כתבנו מאמרים רבים על האטום עבור היקום היום. הנה מאמר על המודל האטומי של ג'ון דלטון , המודל האטומי של נילס בוהר , מי היה דמוקריטוס?, ו כמה אטומים יש ביקום?
אם תרצה מידע נוסף על האטום, בדוק המאמר של נאס'א על ניתוח דגימות זעירות , והנה קישור ל המאמר של נאס'א על אטומים, יסודות ואיזוטופים .
הקלטנו גם פרק שלם של Cast Astronomy Cast על האטום. תקשיב כאן, פרק 164: בתוך האטום , פרק 263: דעיכה רדיואקטיבית , ו פרק 394: The Standard Model, Bosons .