1 מבנה האטום

‫מבנה האטום‬
‫מהי כימיה?‬
‫ כימיה מוגדרת כמדע העוסק בחומר; הרכב‪ ,‬מבנה‪ ,‬תכונות ומעבר מצורה‬
‫אחת לצורה שנייה‪.‬‬
‫ הכימיה עוסקת במבנה החומרים‪ .‬ממה הם מורכבים‪ -‬מבנה האטום וכיצד‬
‫מרכיביו חברו יחד‪ -‬הקשר הכימי‪.‬‬
‫חומר ואנרגיה‬
‫ חומר‪ -‬בעל מסה‪ ,‬תופס חלל‪.‬‬
‫ אנרגיה‪ -‬היכולת לבצע עבודה‪.‬‬
‫‪1‬‬
‫כימיה בתקופה הקדומה‬
‫ראשית הכימיה היישומית קודמת להיסטוריה הכתובה‪:‬‬
‫ ההפרדה של מתכות מסוימות‪ ,‬כמו נחושת ואח"כ ברזל‬
‫ יצירת מסגים כמו ארד‬
‫ שימוש בחומרי צבע‪ ,‬בזכוכית ועוד‬
‫המודל היווני )מאות ‪ 4-5‬לפני הספירה(‪:‬‬
‫העולם עשוי מתערובות שונות‪ ,‬בפרופורציות שונות‪ ,‬של ארבעה יסודות‬
‫בלבד‪ :‬אדמה‪ ,‬מים‪ ,‬אוויר ואש‪.‬‬
‫על פי אריסטו‪:‬‬
‫תיאוריית החומר של אריסטו נחלה הצלחה מרובה‪,‬‬
‫והחזיקה מעמד עד למאה ה‪ 17 -‬לספירה‪.‬‬
‫כימיה בתקופה הקדומה‬
‫על פי דמוקרטס‪ :‬התיאוריה האטומית של החומר‪ :‬החומר בנוי מחלקיקים‬
‫זעירים‪ ,‬בלתי ניתנים לחלוקה נוספת‪ ,‬הנקראים אטומים‪.‬‬
‫אטום‪ :‬א‪-‬טומוס )בלתי ניתן לחלוקה(‬
‫ההסבר‪ :‬חציית גוש זהב לשניים‪ .‬שני החלקים הינם עדיין גושי זהב‪.‬‬
‫ממשיכים לחלק את הגושים עד למצב שבוא לא ניתן לחלק יותר את‬
‫הזהב‪ .‬אולם‪ ,‬הזהב עדיין שומר על אופיו‪ .‬חלקיק קטנטן זה שלא ניתן‬
‫לחלוקה נוספת נקרא‪ :‬אטום של זהב‪.‬‬
‫הסיבות לאי קבלת התיאוריה של דמוקרטס‪:‬‬
‫ התיאוריה מנוגדת לפילוסופיה של אריסטו‪.‬‬
‫ התיאוריה מנוגדת לאמונות היסוד של הדתות העיקריות‪ .‬היהודים‬
‫הנוצרים והמוסלמים ראו בגישה זו חוסר אמון באל אחד וחומרנות‪,‬‬
‫בשל הטיעון העיקרי כי ניתן להסביר כל דבר בעולם במונחים של‬
‫חומר ותנועה‪.‬‬
‫כימיה בעידן המודרני‬
‫המאה ה‪:17 -‬‬
‫ החל השימוש בשיטות מחקר כמותיות‪ ,‬שקילה לעיתים תכופות יותר‪.‬‬
‫ תחילת חקר הגזים‪.‬‬
‫המאה ה‪:18 -‬‬
‫ לבואזיה ופריסטלי קבעו כי האוויר הוא תערובת של גזים‪.‬‬
‫ האוויר אינו יסוד‪ -‬התיאוריה של אריסטו נסתרה‪.‬‬
‫לבואזיה מנסח את חוק שימור החומר האומר כי כמות שווה‬
‫של חומר קיימת גם לפני הניסוי וגם אחריו‪.‬‬
‫לבואזיה‬
‫אנטואן‪ -‬לורן‬
‫לבואזיה גם הראה כי החמצן והמימן הם יסודות וביחד הם‬
‫מרכיבים את המים‪.‬‬
‫פריסטלי ג'וזף‬
‫בספרו "יסודות הכימיה" מוצגת הכימיה כמדע מודרני‪.‬‬
‫ששם הוא מנתח את המושג יסוד ) ‪ (element‬בדרך‬
‫הקרובה להשקפתנו המודרנית‪.‬‬
‫מחולל חשמל סטטי שהמציא פריסטלי‪.‬‬
‫‪2‬‬
‫כימיה בעידן המודרני‬
‫פרוסט‪ -‬חוק ההרכב הקבוע‪ :‬בכל תרכובת כימית יש יחס משקלי קבוע בין‬
‫היסודות המרכיבים אותה‪ .‬כלומר‪ ,‬אם נפרק מים מאזורים שונים על פני כדור‬
‫הארץ תמיד נקבל כמות חמצן שהוא כבד פי ‪ 8‬מכמות המימן‪.‬‬
‫החומרים בעולם בנויים מיסודות פשוטים ושונים וכאשר הם‬
‫מתמזגים נוצרות תרכובות כימיות מורכבות ומסובכות יותר‪.‬‬
‫המאה ה‪:19 -‬‬
‫ג'והן דלטון‪ -‬הראשון שביסס את דעותיו על קיומם של אטומים ביסוד‬
‫בעזרת מחקרים וניסויים )קיבל את הגדת דמוקרטס(‪.‬‬
‫ג'והן דלטון‬
‫כימיה בעידן המודרני‬
‫המודל הכדורי של דלטון‪:‬‬
‫ אטומים הינם אבני הבניין של היסודות‪.‬‬
‫אטומים שונים ע"פ דלטון‬
‫ יסודות בנויים מאטומים זהים‪.‬‬
‫ יסודות שונים בנויים מאטומים שונים‪.‬‬
‫תרכובות שונות ע"פ דלטון‬
‫ שני אטומים שונים או יותר‪ ,‬נקשרים ביניהם לתת תרכובת‪.‬‬
‫כימיה בעידן המודרני‬
‫המאה ה‪:19 -‬‬
‫אבוגדרו אמדאו‪ -‬בלחץ ובטמפרטורה נתונים לגזים שונים שנפחם‬
‫שווה יש מס' שווה של מולקולות‪.‬‬
‫לצורך ניסוח החוק טבע אבוגדרו את המונח "מולקולה"‬
‫אבוגדרו אמדאו‬
‫ינס ברצליוס‪ -‬הנהיג את הסמלים המשמשים את הכימיה עד היום‪.‬‬
‫המפרי פרדיי‪ -‬פיתח את האלקטרוכימיה תוך גילוי יסודות חדשים‪.‬‬
‫‪3‬‬
‫כימיה בעידן המודרני‬
‫קרן קרני קתודה‪:‬‬
‫ זרם חשמלי דק‪ ,‬בין שתי אלקטרודות בתווך ריק‪.‬‬
‫קרינה נפלטת מהקתודה‪.‬‬
‫ משהו צריך להעביר את הזרם‬
‫ חלקיקי אטום הנושאים מטען חשמלי שלילי‪.‬‬
‫ ע"פ חישובים מניסוי זה‪ ,‬מצא את היחס בין מטען‬
‫האלקטרון למסתו ‪e/m‬‬
‫‪William Crookes‬‬
‫וויליאם קרוקס‬
‫שנים‪1832-1919 :‬‬
‫ארץ מוצא‪ :‬אנגליה‬
‫תגלית‪ :‬חקר ואפיין את קרני הקתודה הנפלטים‬
‫משפופרת קרני קתודה‪.‬‬
‫מצא כי‪:‬‬
‫‪ .1‬הקרניים נעות בקווים ישרים‪.‬‬
‫‪ .2‬הקרניים גורמות לפוספורסנציה או‬
‫פלואורסנציה בחומר בהן הן נוגעות‪.‬‬
‫‪ .3‬הקרניים מייצרות חום רב במקום פגיעתן‪.‬‬
‫•חשב כי מדובר על מצב צבירה רביעי של חומר‪.‬‬
‫למעשה חשב שמדובר בזרם של חלקיקי חומר בסדר של מולקולות‪.‬‬
‫ זרם חשמלי דק‪ ,‬בין שתי אלקטרודות בתווך ריק‪.‬‬
‫קרינה נפלטת מהקתודה‪.‬‬
‫ משהו צריך להעביר את הזרם‪.‬‬
‫ חלקיקי אטום הנושאים מטען חשמלי שלילי‪.‬‬
‫‪4‬‬
‫‪Joseph. J. Thomson‬‬
‫ג'וזף תומסון‬
‫שנים‪1856-1940 :‬‬
‫ארץ מוצא‪ :‬אנגליה‬
‫תגלית‪ :‬חקר את היחס בין המטען והמסה של חלקיקי‬
‫קתודה בשפופרת קרני קתודה‪.‬‬
‫גילה ואפיין את האלקטרון כמרכיב בסיסי של כל‬
‫האטומים‪.‬‬
‫זכה בפרס נובל ב‪.1906 -‬‬
‫תכונות של קרני קתודה‪:‬‬
‫‪ .1‬אם מחליפים את החומר ממנו בנויה הקתודה‪ ,‬הקרן לא משתנה‪.‬‬
‫‪ .2‬אין תלות אם השפופרת בריק )ואקום( או מלאה בגז‪.‬‬
‫‪ .3‬הקרניים מוסתות ממסלולן מהפרעה של שדות חשמליים או‬
‫מגנטיים‪.‬‬
‫‪ -d‬מגנט‪ ,‬מטה את הקרן‪.‬‬
‫‪ -e‬אובייקט מסתובב בסופו של דבר אינו מטה‬
‫את הקרן‪.‬‬
‫‪ -a‬קרן קרני קתודה ללא מניפולציה‪.‬‬
‫‪ -b‬אובייקט קטן מוכנס בקרן מייצר צל‪.‬‬
‫‪ -c‬מוסיפים שדה חשמלי המטה את הקרן‪.‬‬
‫על ידי מדידות של הסטייה של קרני הקתודה‬
‫כתוצאה משדות מגנטיים וחשמליים שונים‪,‬‬
‫הוא מצא את היחס בין מטען האלקטרון‬
‫למסה שלו‪:‬‬
‫‪e/m= 1.78 × 108 coulomb(C) per gram‬‬
‫‪5‬‬
‫בספרו "חשמל וחומר" מתאר תומסון את מבנה האטום כפי‬
‫שהוא רואה אותו‪:‬‬
‫אנו יוצאים מן ההנחה כי האטום הוא צבר של מערכות פשוטות יותר‪ ,‬וננסה לבדוק את אופיין של‬
‫מערכות אלה‪ .‬ראינו כי גופיף שמסתו כה קטנה‪ ,‬יחסית לזו של האטום‪ ,‬הוא אחד ממרכיביו של‬
‫האטום…הגופיף נושא כמות מוגדרת של מטען חשמלי שלילי והיות שעם כל מטען חשמלי קשור‬
‫תמיד מטען שווה מסוג הפוך‪ ,‬עלינו לצפות כי המטען שלילי של הגופיף קשור עם מטען שווה של‬
‫חשמל חיובי‪".‬‬
‫ע"פ תומסון האטום הוא כדור טעון במטען חיובי ובתוכו משובצים האלקטרונים‬
‫"כמו צימוקים בעוגה" – לכן מודל זה מכונה "מודל עוגת הצימוקים"‪.‬‬
‫כימיה בעידן המודרני‬
‫מיליקן רוברט‬
‫הדיאגרמה של המכשיר בפרסום המדעי ‪1913‬‬
‫המכשיר‬
‫ חלק מהטיפות נטענות‬
‫שלילית‪ .‬טיפה שטעונה‬
‫שלילית נופלת לאט יותר‪.‬‬
‫ הטיפות נעצרות במתח‬
‫מסוים‪ ,‬כאשר יש איזון בין כוח‬
‫‪ 004_MILLIKANOIL.MOV‬הכבידה )‪ (F=mg‬והכוח‬
‫החשמלי )‪.(F=qE‬‬
‫ ידועה עוצמת השדה החשמלי‬
‫ולכן מטענה של כל טיפה‪.‬‬
‫‪ -Atomiser‬מרסס טיפות שמן זעירות וספריות‪.‬‬
‫ נמצא כי מטעני הטיפות הם‬
‫מכפלות של קבוע‪.‬‬
‫חלק מהטיפות עוברות דרך חריץ אל שדה חשמלי‬
‫)בין שתי אלקטרודות ממתכת(‪.‬‬
‫ הקבוע הנו מטען האלקטרון‬
‫הטיפות נטענות בעזרת אלומת קרני ‪.x‬‬
‫‪6‬‬
‫כימיה בעידן המודרני‬
‫המודל הגרעיני של רת'רפורד‪:‬‬
‫בקרל‪ -‬גילה את הרדיואקטיביות )קרינה פעילה(‪ .‬ישנם יסודות כמו‬
‫‪ -U‬אורניום ו‪ R -‬רדיום הפולטים מאליהם קרינה בלתי ניראת‪,‬‬
‫בעלת כושר חדירות גבוהה‪.‬‬
‫רת'רפורד ארנסט‬
‫עם האנס גייגר‬
‫רת'רפורד‪ -‬חקר את טיבה של קרינה רדיואקטיבית ומצא כי היא מורכבת משלושה מרכיבים שונים‪:‬‬
‫חלקיקי אלפא )‪ – (α‬חלקיקים בעלי מטען חיובי‪.‬‬
‫חלקיקי ביתא )‪ – (β‬חלקיקים בעלי מטען שלילי‪.‬‬
‫קרינת גמא )‪– (λ‬‬
‫קרינה חסרת מטען‪.‬‬
‫‪005_SEPARATION.MOV‬‬
‫כימיה בעידן המודרני‬
‫ רתרפורד ערך מספר ניסויים עם חלקיקי אלפא‪.‬‬
‫ סבר שאם קרינה זו‪ ,‬שהיא בעלת מטען חיובי תופנה לעבר לוח של מתכת תחדור הקרינה‬
‫ללא סטייה ממשית ממסלולה המקורי‪.‬‬
‫ תוצאות ניסוייו של רתפורד היו שונות‬
‫ממה שציפה‪...‬‬
‫ניסוי רדיד הזהב‬
‫‪7‬‬
‫‪006_RUTHERFORD.MOV‬‬
‫הניסוי של רת'רפורד‬
‫המודל של תומסון למבנה האטום‬
‫כימיה בעידן המודרני‬
‫"מצאנו כי אחדים חלקיקי אלפא נרתעים ונוטים לאחור‪ .‬היה זה המאורע המדהים‬
‫ביותר שהתרחש בימי חיי‪ .‬לא היה זה פחות אילו ירית פגז של ‪ 15‬אינץ' לעבר‬
‫ממחטת נייר והפגז שב לאחור ופגע בך‪“...‬‬
‫‪8‬‬
‫כימיה בעידן המודרני‬
‫המודל של בוהר‪:‬‬
‫בוהר נילס‬
‫ חלקיקים קטנים‪ ,‬תת אטומיים‪ ,‬אינם נשמעים בכל לחוקים החלים על גופים גדולים‪.‬‬
‫ האלקטרונים באטום נעים במסלולים סגורים מסוימים )אליפטיים( שניתן לחשב את‬
‫צורתם‪.‬‬
‫ אלקטרון הנע במרחק רב יותר מהגרעין נמצא ברמת אנרגיה גבוהה יותר מאלקטרון‬
‫הקרוב לגרעין‪.‬‬
‫ אור נפלט ממעבר של אלקטרון ממסלול גבוה למסלול נמוך‪.‬‬
‫כימיה בעידן המודרני‬
‫גל ‪ -‬הינו התפשטות של הפרעה במרחב‪.‬‬
‫משרעת )אמפליטודה(‪ -‬היא הגודל המקסימלי החיובי של גל מחזורי‪.‬‬
‫כימיה בעידן המודרני‬
‫התאבכות הורסת‬
‫התאבכות בונה‬
‫התאבכות בונה )באיור השמאלי( מתרחשת כאשר כל הגלים מגיעים בשיאם‬
‫ומחזקים זה את זה‪.‬‬
‫התאבכות הורסת )באיור הימני( מתרחשת כאשר סכום האמפליטודות שווה לאפס‪.‬‬
‫עבור שני גלים‪,‬כאשר שני גלים בעלי אותה אמפליטודה‬
‫‪9‬‬
‫כימיה בעידן המודרני‬
‫המודל הקוונטו‪-‬מכני‪:‬‬
‫בוהר חקר את אטום המימן ‪.H‬‬
‫גישר בין הפיזיקה הקלאסית לבין הפיזיקה המודרנית‬
‫חלקיקי חומר מתנהגים כגל וכחלקיק‪ -‬דואליות‪.‬‬
‫התפתחות תיאורית הקוונטים‬
‫אור‪ :‬מורכב מחבילות קבועות של אנרגיה‪ -‬קוונטים‪.‬‬
‫המודל הקוונטו‪-‬מכני‪:‬‬
‫האלקטרונים נעים מסביב לגרעין במסלולים קבועים של אנרגיה‪.‬‬
‫מסלולי האנרגיה אלו נקראים אורביטלים‪.‬‬
‫לא יתכן שימצאו יותר משני אלקטרונים על אותו אורביטל‪.‬‬
‫‪10‬‬