שאלות "ממה מורכב החומר?", "מהו טבעו של החומר?" תמיד העסיק את האנושות. מאז ימי קדם, פילוסופים ומדענים חיפשו תשובות לשאלות אלו, ויצרו תיאוריות והשערות מציאותיות ומדהימות לחלוטין. עם זאת, ממש לפני מאה שנה, האנושות התקרבה ככל האפשר לפענוח התעלומה הזו על ידי גילוי המבנה האטומי של החומר. אבל מהו הרכב הגרעין של אטום? ממה כל זה עשוי?
מהתיאוריה למציאות
בתחילת המאה העשרים, המבנה האטומי הפסיק להיות רק השערה, אבל הפך לעובדה מוחלטת. התברר שהרכב הגרעין של אטום הוא מושג מורכב מאוד. הוא מכיל מטענים חשמליים. אבל עלתה השאלה: האם הרכב האטום וגרעין האטום כוללים כמויות שונות של מטענים אלה או לא?
מודל פלנטרי
בתחילה, חשבו שהאטום בנוי מאוד כמו מערכת השמש שלנו. למרות זאתמהר מאוד התברר שהשקפה זו לא לגמרי נכונה. הבעיה של העברה מכנית גרידא של קנה המידה האסטרונומי של התמונה לשטח שתופס מיליוניות המילימטר הביאה לשינוי משמעותי ודרמטי בתכונות ובאיכויות של תופעות. ההבדל העיקרי היה החוקים והכללים המחמירים הרבה יותר שלפיהם האטום בנוי.
חסרונות של המודל הפלנטרי
ראשית, מכיוון שאטומים מאותו סוג ואלמנט חייבים להיות זהים לחלוטין מבחינת פרמטרים ותכונות, גם מסלולי האלקטרונים של אטומים אלה חייבים להיות זהים. עם זאת, חוקי התנועה של גופים אסטרונומיים לא יכלו לספק תשובות לשאלות אלו. הסתירה השנייה נעוצה בעובדה שתנועת האלקטרון לאורך המסלול, אם מוחלים עליו חוקים פיזיקליים נלמדים היטב, חייבת להיות מלווה בהכרח בשחרור קבוע של אנרגיה. כתוצאה מכך, תהליך זה יוביל לדלדול האלקטרון, שבסופו של דבר יגווע ואף ייפול לתוך הגרעין.
מבנה גל אמאו
בשנת 1924, האריסטוקרט הצעיר לואי דה ברולי העלה רעיון שהפך את רעיונות הקהילה המדעית בנושאים כמו מבנה האטום, הרכב גרעיני אטום. הרעיון היה שאלקטרון הוא לא רק כדור נע שסובב סביב הגרעין. זהו חומר מטושטש שנע לפי חוקים הדומים להתפשטות גלים בחלל. די מהר, הרעיון הזה הורחב לתנועה של כל גוף בפניםבאופן כללי, מסבירים שאנו מבחינים רק בצד אחד של התנועה הזו, אבל השני לא בא לידי ביטוי בפועל. אנחנו יכולים לראות את התפשטות הגלים ולא לשים לב לתנועת החלקיק, או להיפך. למעשה, שני הצדדים הללו של התנועה קיימים תמיד, וסיבוב האלקטרון במסלול הוא לא רק תנועת המטען עצמו, אלא גם התפשטות גלים. גישה זו שונה מהותית מהמודל הפלנטרי המקובל בעבר.
קרן יסוד
הגרעין של אטום הוא המרכז. סביבו מסתובבים אלקטרונים. כל השאר נקבע על פי תכונות הליבה. יש צורך לדבר על מושג כזה כמו הרכב הגרעין של אטום מהנקודה החשובה ביותר - מהמטען. אטום מכיל מספר מסוים של אלקטרונים הנושאים מטען שלילי. לגרעין עצמו יש מטען חיובי. מכאן נוכל להסיק מסקנות מסוימות:
- גרעין הוא חלקיק בעל מטען חיובי.
- סביב הליבה יש אווירה פועמת שנוצרת על ידי מטענים.
- הגרעין והמאפיינים שלו הם שקובעים את מספר האלקטרונים באטום.
Kernel Properties
לנחושת, זכוכית, ברזל, עץ יש את אותם אלקטרונים. אטום יכול לאבד כמה אלקטרונים או אפילו את כולם. אם הגרעין נשאר טעון חיובי, אז הוא מסוגל למשוך את הכמות הנכונה של חלקיקים בעלי מטען שלילי מגופים אחרים, מה שיאפשר לו לשרוד. אם אטום מאבד מספר מסוים של אלקטרונים, אז המטען החיובי על הגרעין יהיה גדול משאר המטענים השליליים. בְּבמקרה זה, האטום כולו ירכוש מטען עודף, וניתן לקרוא לו יון חיובי. במקרים מסוימים, אטום יכול למשוך יותר אלקטרונים, ואז הוא יהפוך למטען שלילי. לכן, אפשר לקרוא לזה יון שלילי.
כמה שוקל אטום?
מסה של אטום נקבעת בעיקר על ידי הגרעין. האלקטרונים המרכיבים את האטום וגרעין האטום שוקלים פחות מאלפית מהמסה הכוללת. מכיוון שמסה נחשבת כמדד לעתודת האנרגיה שיש לחומר, עובדה זו נחשבת חשובה להפליא כאשר לומדים שאלה כמו הרכב גרעין האטום.
רדיואקטיביות
השאלות הקשות ביותר התעוררו לאחר גילוי קרני הרנטגן. יסודות רדיואקטיביים פולטים גלי אלפא, בטא וגמא. אבל לקרינה כזו חייב להיות מקור. רתרפורד ב-1902 הראה שמקור כזה הוא האטום עצמו, או ליתר דיוק, הגרעין. מצד שני, רדיואקטיביות היא לא רק פליטת קרניים, אלא גם הפיכה של יסוד אחד למשנהו, בעל תכונות כימיות ופיזיקליות חדשות לחלוטין. כלומר, רדיואקטיביות היא שינוי בגרעין.
מה אנחנו יודעים על מבנה גרעיני?
לפני כמעט מאה שנים, הפיזיקאי פרוט העלה את הרעיון שהיסודות בטבלה המחזורית אינם צורות אקראיות, אלא הם שילובים של אטומי מימן. לכן, אפשר היה לצפות שגם המטענים וגם מסות הגרעינים יבואו לידי ביטוי במונחים של מספרים שלמים ומטענים מרובים של המימן עצמו. עם זאת, זה לא ממש נכון. על ידי לימוד תכונות האטוםגרעינים בעזרת שדות אלקטרומגנטיים, הפיזיקאי אסטון קבע כי יסודות אשר משקלם האטומי אינו מספרים שלמים וכפולות, למעשה, הם שילוב של אטומים שונים, ולא חומר אחד. בכל המקרים בהם המשקל האטומי אינו מספר שלם, אנו רואים תערובת של איזוטופים שונים. מה זה? אם אנחנו מדברים על הרכב הגרעין של אטום, איזוטופים הם אטומים עם אותו מטען, אבל עם מסות שונות.
איינשטיין וגרעין האטום
תורת היחסות אומרת שמסה אינה מדד שלפיו נקבעת כמות החומר, אלא מדד לאנרגיה שיש לחומר. בהתאם, ניתן למדוד את החומר לא במסה, אלא במטען המרכיב את החומר הזה, ובאנרגיה של המטען. כאשר אותו מטען מתקרב למטען אחר, האנרגיה תגדל, אחרת היא תפחת. זה כמובן לא אומר שינוי בעניין. בהתאם לכך, מעמדה זו, גרעין האטום אינו מקור אנרגיה, אלא שייר לאחר שחרורו. אז יש איזו סתירה.
ניוטרונים
הקורייז, כשהם הופצצו בחלקיקי אלפא של בריליום, גילו כמה קרניים לא מובנות שמתנגשות בגרעין של אטום, דוחות אותו בכוח רב. עם זאת, הם מסוגלים לעבור דרך עובי גדול של חומר. סתירה זו נפתרה על ידי העובדה שהחלקיק הנתון התברר כבעל מטען חשמלי נייטרלי. בהתאם, זה נקרא הנייטרון. הודות למחקר נוסף, התברר שמסת הנייטרון כמעט זהה לזו של הפרוטון. באופן כללי, הנייטרון והפרוטון דומים להפליא. עם התחשבותמתוך גילוי זה ניתן בהחלט לקבוע שהרכב הגרעין של אטום כולל גם פרוטונים וגם נויטרונים, ובכמויות שוות. הכל נפל בהדרגה על מקומו. מספר הפרוטונים הוא המספר האטומי. משקל אטומי הוא סכום מסות הנייטרונים והפרוטונים. אפשר לקרוא לאיזוטופ גם יסוד שבו מספר הנייטרונים והפרוטונים לא יהיה שווה זה לזה. כפי שנדון לעיל, במקרה כזה, למרות שהאלמנט נשאר זהה במהותו, התכונות שלו עשויות להשתנות באופן מהותי.
