במשך זמן רב תכונות רבות של החומר נותרו סוד עבור החוקרים. מדוע חומרים מסוימים מוליכים חשמל היטב, בעוד שאחרים לא? מדוע ברזל מתפרק בהדרגה בהשפעת האטמוספירה, בעוד שמתכות אצילות נשמרות בצורה מושלמת במשך אלפי שנים? רבות מהשאלות הללו נענו לאחר שאדם התוודע למבנה האטום: המבנה שלו, מספר האלקטרונים בכל שכבת אלקטרונים. יתרה מכך, שליטה אפילו ביסודות המבנה של גרעיני האטום פתחה עידן חדש לעולם.
מאילו יסודות בנויה הלבנה היסודית של החומר, איך הם מקיימים אינטראקציה זה עם זה, מה אנחנו יכולים ללמוד מזה?
מבנה האטום בהשקפה של המדע המודרני
כיום, רוב המדענים נוטים לדבוק במודל הפלנטרי של מבנה החומר. לפי מודל זה, במרכז כל אטום יש גרעין, זעיר אפילו בהשוואה לאטום (הוא קטן עשרות אלפי מונים מכלאָטוֹם). אבל לא ניתן לומר את אותו הדבר על מסת הגרעין. כמעט כל המסה של האטום מרוכזת בגרעין. הגרעין טעון חיובי.
אלקטרונים מסתובבים סביב הגרעין במסלולים שונים, לא מעגליים, כפי שקורה בכוכבי הלכת של מערכת השמש, אלא תלת-ממדיים (כדורים ונפח שמיניות). מספר האלקטרונים באטום שווה מספרית למטען של הגרעין. אבל קשה מאוד להתייחס אלקטרון כחלקיק שנע לאורך איזשהו מסלול.
המסלול שלו זעיר, והמהירות כמעט כמו של קרן אור, ולכן נכון יותר להתייחס לאלקטרון יחד עם מסלולו כמעין כדור בעל מטען שלילי.
בני המשפחה הגרעינית
כל האטומים מורכבים משלושה יסודות מרכיבים: פרוטונים, אלקטרונים ונויטרונים.
פרוטון הוא חומר הבנייה העיקרי של הגרעין. משקלו שווה ליחידה אטומית (מסה של אטום מימן) או 1.67 ∙ 10-27 ק ג במערכת SI. החלקיק טעון חיובי, והמטען שלו נלקח כיחידה במערכת המטענים החשמליים היסודיים.
הנייטרון הוא התאום המסתי של הפרוטון, אך אינו טעון בשום צורה.
שני החלקיקים שלעיל נקראים נוקלידים.
אלקטרון הוא ההפך מפרוטון במטען (המטען האלמנטרי הוא −1). אבל מבחינת משקל, האלקטרון איכזב אותנו, המסה שלו היא רק 9, 12 ∙ 10-31 kg, שזה קל כמעט פי 2,000 מפרוטון או נויטרון.
איך זה "נראה"
איך יכולת לראות את מבנה האטום, אם אפילו האמצעים הטכניים המודרניים ביותר אינם מאפשריםובטווח הקצר לא יאפשר להשיג תמונות של החלקיקים המרכיבים אותו. כיצד ידעו המדענים את מספר הפרוטונים, הנייטרונים והאלקטרונים בגרעין ואת מיקומם?
ההנחה לגבי המבנה הפלנטרי של אטומים נעשתה על בסיס תוצאות הפצצת רדיד מתכת דק עם חלקיקים שונים. האיור מראה בבירור כיצד חלקיקים יסודיים שונים מקיימים אינטראקציה עם החומר.
מספר האלקטרונים שעברו דרך המתכת בניסויים היה שווה לאפס. זה מוסבר בפשטות: אלקטרונים בעלי מטען שלילי נדחים מקליפות האלקטרונים של המתכת, שגם להם יש מטען שלילי.
אלומת הפרוטונים (מטען +) עברה דרך נייר הכסף, אבל עם "הפסדים". חלקם נהדפו על ידי הגרעינים שהפריעו (ההסתברות לפגיעות כאלה קטנה מאוד), חלקם חרגו מהמסלול המקורי, וטסו קרוב מדי לאחד הגרעינים.
ניוטרונים הפכו ל"יעילים" ביותר מבחינת התגברות על מתכת. חלקיק בעל מטען ניטרלי אבד רק במקרה של התנגשות ישירה בליבת החומר, בעוד ש-99.99% מהנייטרונים עברו בהצלחה בעובי המתכת. אגב, ניתן היה לחשב את גודל הגרעינים של יסודות כימיים מסוימים על סמך מספר הנייטרונים בכניסה ובפלט.
בהתבסס על הנתונים שהתקבלו, נבנתה התיאוריה השלטת כיום של מבנה החומר, אשר מסבירה בהצלחה את רוב הבעיות.
מה וכמה
מספר האלקטרונים באטום תלוי במספר האטומי. לדוגמה, לאטום מימן רגיל ישרק פרוטון אחד. אלקטרון בודד מסתובב במסלול. היסוד הבא בטבלה המחזורית, הליום, הוא קצת יותר מסובך. הגרעין שלו מורכב משני פרוטונים ושני נויטרונים ולכן יש לו מסה אטומית של 4.
עם צמיחת המספר הסידורי, הגודל והמסה של האטום גדלים. המספר הסידורי של יסוד כימי בטבלה המחזורית מתאים למטען של הגרעין (מספר הפרוטונים שבו). מספר האלקטרונים באטום שווה למספר הפרוטונים. לדוגמה, לאטום עופרת (מספר אטומי 82) יש 82 פרוטונים בגרעין שלו. ישנם 82 אלקטרונים במסלול סביב הגרעין. כדי לחשב את מספר הנייטרונים בגרעין, מספיק להחסיר את מספר הפרוטונים מהמסה האטומית:
207 – 82=125.
למה יש תמיד מספרים שווים
כל מערכת ביקום שלנו שואפת ליציבות. כפי שמיושם על האטום, זה מתבטא בניטרליות שלו. אם לשנייה נדמיין שלכל האטומים בלי יוצא מן הכלל ביקום יש מטען כזה או אחר בגדלים שונים עם סימנים שונים, אפשר לדמיין איזה סוג של כאוס יבוא בעולם.
אבל מכיוון שמספר הפרוטונים והאלקטרונים באטום שווה, המטען הכולל של כל "לבנה" הוא אפס.
מספר הנייטרונים באטום הוא ערך בלתי תלוי. יתר על כן, לאטומים של אותו יסוד כימי יכול להיות מספר שונה של חלקיקים אלה עם מטען אפס. דוגמה:
- 1 פרוטון + 1 אלקטרון + 0 נויטרונים=מימן (מסה אטומית 1);
- 1 פרוטון + 1 אלקטרון + 1 נויטרון=דאוטריום (מסה אטומית 2);
- 1 פרוטון + 1 אלקטרון + 2נויטרון=טריטיום (מסה אטומית 3).
במקרה זה, מספר האלקטרונים באטום אינו משתנה, האטום נשאר ניטרלי, המסה שלו משתנה. וריאציות כאלה של יסודות כימיים נקראים איזוטופים.
האם אטום תמיד ניטרלי
לא, מספר האלקטרונים באטום לא תמיד שווה למספר הפרוטונים. אם לא ניתן היה "לקחת" אלקטרון או שניים מאטום לזמן מה, לא היה דבר כזה גלוון. ניתן להשפיע על אטום, כמו כל חומר.
בהשפעת שדה חשמלי חזק מספיק מהשכבה החיצונית של האטום, אלקטרוני אחד או יותר יכולים "לעוף משם". במקרה זה, חלקיק החומר מפסיק להיות ניטרלי ונקרא יון. הוא יכול לנוע בגז או במדיום נוזלי, ולהעביר מטען חשמלי מאלקטרודה אחת לאחרת. בדרך זו, מטען חשמלי מאוחסן בסוללות, והסרטים הדקים ביותר של מתכות מסוימות מוחלים על פני השטח של אחרים (ציפוי זהב, ציפוי כסף, ציפוי כרום, ציפוי ניקל וכו').
מספר האלקטרונים אינו יציב גם במתכות - מוליכים של זרם חשמלי. האלקטרונים של השכבות החיצוניות, כביכול, הולכים מאטום לאטום, ומעבירים אנרגיה חשמלית דרך המוליך.
