כל החומר מורכב מאלמנטים. אבל למה הכל סביבנו כל כך שונה? התשובה קשורה לחלקיקים זעירים. הם נקראים פרוטונים. בניגוד לאלקטרונים, בעלי מטען שלילי, לחלקיקים היסודיים הללו יש מטען חיובי. מהם החלקיקים האלה וכיצד הם פועלים?
פרוטונים בכל מקום
לאיזה חלקיק יסודי יש מטען חיובי? כל מה שניתן לגעת בו, לראות ולהרגיש מורכב מאטומים, אבני הבניין הקטנות ביותר המרכיבות מוצקים, נוזלים וגזים. הם קטנים מכדי להסתכל עליהם מקרוב, אבל הם מרכיבים דברים כמו המחשב שלך, המים שאתה שותה ואפילו האוויר שאתה נושם. ישנם סוגים רבים של אטומים, כולל חמצן, חנקן וברזל. כל אחד מהסוגים האלה נקרא אלמנטים.
חלקם הם גזים (חמצן). אלמנט הניקל בצבע כסף. יש אחריםתכונות המבדילות את החלקיקים הזעירים הללו זה מזה. מה בעצם מייחד את האלמנטים הללו? התשובה פשוטה: לאטומים שלהם יש מספר שונה של פרוטונים. לחלקיק היסודי הזה יש מטען חיובי והוא ממוקם בתוך מרכז האטום.
כל האטומים הם ייחודיים
אטומים מאוד דומים, אבל מספר הפרוטונים השונה הופך אותם לסוג ייחודי של יסוד. לדוגמה, לאטומי חמצן יש 8 פרוטונים, לאטומי מימן יש רק 1, ולאטומי זהב יש 79. אפשר לדעת הרבה על אטום רק על ידי ספירת הפרוטונים שלו. חלקיקים יסודיים אלו נמצאים בגרעין עצמו. אולם במקור חשבו שהוא חלקיק בסיסי, מחקרים עדכניים הראו שהפרוטונים מורכבים ממרכיבים קטנים יותר הנקראים קווארקים.
מהו פרוטון?
לאיזה חלקיק יסודי יש מטען חיובי? זהו פרוטון. זהו שמו של החלקיק התת-אטומי שנמצא בגרעין של כל אטום. למעשה, מספר הפרוטונים בכל אטום הוא המספר האטומי. עד לאחרונה, הוא נחשב לחלקיק בסיסי. עם זאת, טכנולוגיות חדשות הובילו לגילוי שהפרוטון מורכב מחלקיקים קטנים יותר הנקראים קווארקים. הקווארק הוא חלקיק יסודי של חומר שהתגלה רק לאחרונה.
מאיפה מגיעים הפרוטונים?
חלקיק יסודי עם מטען חיובי,נקרא פרוטון. אלמנטים אלו יכולים להיווצר כתוצאה מהופעתם של נויטרונים לא יציבים. לאחר כ-900 שניות, הנייטרון המקפץ מהגרעין יתפרק לחלקיקים יסודיים אחרים של האטום: פרוטון, אלקטרון ואנטי-נייטרינו.
בניגוד לנייטרון, הפרוטון החופשי יציב. כאשר פרוטונים חופשיים מקיימים אינטראקציה זה עם זה, הם יוצרים מולקולות מימן. השמש שלנו, כמו רוב הכוכבים האחרים ביקום, היא בעיקר מימן. פרוטון הוא החלקיק היסודי הקטן ביותר שיש לו מטען של +1. לאלקטרון יש מטען של -1, בעוד שלנייטרון אין מטען כלל.
חלקיקים תת-אטומיים: מיקום ומטען
אלמנטים מאופיינים במבנה האטומי שלהם, המורכב מחלקיקים יסודיים תת-אטומיים: פרוטונים, נויטרונים ואלקטרונים. שתי הקבוצות הראשונות ממוקמות בגרעין (מרכז) האטום ובעלות מסה של מסה אטומית אחת. האלקטרונים ממוקמים מחוץ לגרעין, באזורים הנקראים "קונכיות". הם לא שוקלים כמעט כלום. בעת חישוב המסה האטומית, תשומת הלב מוקדשת רק לפרוטונים ולנייטרונים. המסה של אטום היא הסכום שלהם.
על ידי סיכום המסה האטומית של כל האטומים במולקולה, ניתן לאמוד את המסה המולקולרית, המתבטאת ביחידות של מסה אטומית (הנקראת דלתונים). כל אחד מהחלקיקים הכבדים (נייטרון, פרוטון) שוקל מסה אטומית אחת, ולכן אטום ההליום (He), אשרבעל שני פרוטונים, שני נויטרונים ושני אלקטרונים, שוקל כארבע יחידות מסה אטומית (שני פרוטונים ועוד שני נויטרונים). בנוסף למיקום ולמסה, לכל חלקיק תת-אטומי יש תכונה הנקראת "מטען". זה יכול להיות "חיובי" או "שלילי".
אלמנטים בעלי אותו מטען נוטים לשקף זה את זה, בעוד שאובייקטים בעלי מטענים מנוגדים נוטים למשוך זה את זה. לאיזה חלקיק יסודי יש מטען חיובי? זהו פרוטון. לנייטרונים אין מטען כלל, מה שנותן לגרעין מטען חיובי כולל. לכל אלקטרון יש מטען שלילי, ששווה בעוצמתו למטען החיובי של פרוטון. האלקטרונים והפרוטונים של הגרעין נמשכים זה לזה, וזהו הכוח שמחזיק את האטום ביחד, בדומה לכוח הכבידה שמחזיק את הירח במסלול סביב כדור הארץ.
חלקיק תת-אטומי יציב
לאיזה חלקיק יסודי יש מטען חיובי? התשובה ידועה: פרוטון. בנוסף, הוא שווה בגודלו ליחידת המטען של האלקטרון. עם זאת, המסה שלו במנוחה היא 1.67262 × 10-27 ק ג, שהיא פי 1836 מהמסה של אלקטרון. פרוטונים, יחד עם חלקיקים ניטרליים חשמלית הנקראים נויטרונים, מרכיבים את כל גרעיני האטום מלבד מימן. לכל גרעין של יסוד כימי נתון יש אותו מספר פרוטונים. המספר האטומי של יסוד זה קובע את מיקומו בטבלה המחזורית.
גילוי הפרוטון
חלקיק יסודי בעל מטען חיובי הוא הפרוטון, שגילויו מתוארך למחקרים המוקדמים ביותר על מבנה האטום. כאשר חוקרים את זרימותיהם של אטומים ומולקולות גזים מיוננים, שמהם הוצאו אלקטרונים, נקבע חלקיק חיובי, השווה במסה לאטום מימן. ארנסט רתרפורד (1919) הראה שחנקן, כאשר הוא מופגז בחלקיקי אלפא, פולט מה שנראה כמו מימן. עד 1920, הוא בודד חלקיק יסודי מגרעיני מימן, וקרא לו פרוטון.
מחקר בפיזיקה של חלקיקים באנרגיה גבוהה בסוף המאה ה-20 שיפר את ההבנה המבנית של טבעו של הפרוטון בתוך קבוצה של חלקיקים תת-אטומיים. הוכח כי פרוטונים וניטרונים מורכבים מחלקיקים קטנים יותר ומסווגים כבריונים - חלקיקים המורכבים משלוש יחידות יסוד של חומר הידועות כקווארקים.
חלקיק תת-אטומי: לקראת תיאוריה מאוחדת גדולה
אטום הוא פיסת חומר קטנה, שהיא אלמנט ספציפי. במשך זמן מה האמינו שזהו פיסת החומר הקטנה ביותר שיכולה להתקיים. אבל בסוף המאה ה-19 ותחילת המאה ה-20, מדענים גילו שאטומים מורכבים מחלקיקים תת-אטומיים מסוימים, ושלא משנה איזה יסוד, אותם חלקיקים תת-אטומיים מרכיבים אטום. מספר החלקיקים התת-אטומיים השונים הוא הדבר היחיד שמשתנה.
מדענים מזהים כעת שישנם חלקיקים תת-אטומיים רבים. אבל כדי להצליח בכימיה, אתה באמת צריך להתמודד רק עם שלושת העיקריים שבהם: פרוטונים, נויטרונים ואלקטרונים. חומר יכול להיטען חשמלית באחת משתי דרכים: חיובי או שלילי.
איך נקרא חלקיק יסודי בעל מטען חיובי? התשובה פשוטה: פרוטון, הוא זה שנושא יחידה אחת של מטען חיובי. ובשל נוכחותם של אלקטרונים בעלי מטען שלילי, האטום עצמו הוא ניטרלי. לפעמים אטומים מסוימים יכולים לצבור או לאבד אלקטרונים ולהרוויח מטען. במקרה זה, הם נקראים יונים.
חלקיקים יסודיים של האטום: מערכת מסודרת
לאטום מבנה שיטתי ומסודר המספק יציבות ואחראי לכל מיני תכונות של החומר. חקר החלקיקים התת-אטומיים הללו החל לפני למעלה ממאה שנים, וכעת אנחנו כבר יודעים עליהם הרבה. מדענים גילו שרוב האטום ריק ומאוכלס בדלילות ב"אלקטרונים". הם חלקיקים קלים בעלי מטען שלילי שמסתובבים סביב החלק הכבד המרכזי, שהוא 99.99% מהמסה הכוללת של האטום. לגלות את טבעם של אלקטרונים היה קל יותר, אך לאחר מחקרים גאוניים רבים, נודע כי הגרעין כולל פרוטונים חיוביים וניטרונים ניטרליים.
כל יחידה ביקום מורכבת מאטומים
המפתח להבנת רוב תכונות החומר הוא שכל יחידה ביקום שלנו מורכבת מאטומים. ישנם 92 סוגים טבעיים של אטומים, והם יוצרים מולקולות, תרכובות וסוגים אחרים של חומרים כדי ליצור את העולם המורכב סביבנו. למרות שהשם "אטום" נגזר מהמילה היוונית אטומוס, שפירושה "ניתן לחלוקה", הפיזיקה המודרנית הראתה שהיא אינה אבן הבניין הסופית של החומר ואכן "מתחלקת" לחלקיקים תת-אטומיים. הם הישויות הבסיסיות האמיתיות המרכיבות את העולם כולו.
