נוסח השאלה המלא: כיצד נקבעים מספר שכבות האלקטרונים באטום מסוים וכיצד זה משפיע על תכונות האטום?
שלום ליאור, הנושא מעט מורכב, אנסה להסביר את העקרונות הקובעים באופן הפשוט ביותר שאני יכול מצד אחד, ובלי לגרום לחוסר דיוק, מהצד השני :
את שכבות האלקטרונים באטום ניתן לחשב באמצעות מכניקת הקוונטים: על פי התפיסה המדעית הנוכחית, האלקטרונים באטום בודד יכולים להימצא בצורה יציבה אך-ורק אם הם נמצאים בתוך 'אורביטלים אלקרונים'; קבוצות האורביטלים האלקרונים הם הקובעים את שכבות האלקרונים באטום.
ראשית הסבר קצרצר על האורביטלים האלקטרוניים:
לפי תורת הקוונטים, האלקטרון (כמו כל חלקיק אחר) יכול להחשב גם כגל וגם כחלקיק.
עבור כל גל, אפשר לפתח משוואה מתמטית שמתארת את הגל (דוגמא למשוואת גל היא הפונקציה "סינוס" - שמתארת גל מחזורי פשוט). משוואת הגל של כל חומר נקראת משוואת שרדינגר (על שם המדען שהגה אותה) והיא מחושבת על סמך שיקולים של מסה, מטען חשמלי, אנרגיות פוטנציאליות וקינטיות ומספר הנחות יסוד של תורת הקוונטים.
הערך של משוואת שרדינגר (יותר מדוייק: הערך של המשוואה בחזקת 2) הוא מדד הסתברותי להימצאות החלקיק, כלומר הוא מראה מה הסיכוי שחלקיק מסויים ימצא במקום מסויים.
כאשר פתרו את משוואת שרדינגר עבור אלקטרון באטום, מצאו סידרה של פתרונות, כלומר סידרה של משוואות, כל פתרון מהווה אורביטל ("מסלולון") אפשרי לאלקטרון. באטומים שונים האלקטרונים מתאכלסים באורביטלים שונים על פי הסדר האנרגטי שלהם (האורביטלים היותר יציבים מתאכלסים ראשונים), אבל בכל אטום, גם באטום מימן עם אלקטרון בודד, וגם באטום אורניום עם 92 אלקטרונים ישנם כל האורביטלים, פשוט האיכלוס שונה.
כל פתרון / אורביטל מאופיין בשני גורמים עיקריים, מספר – המיצג את רמת האנרגיה הראשית של האלקטרון, ואות לטינית:s,p,d,f,g,h… המיצגת את התנע הזוויתי הקוונטי של האלקטרון (שקובע את הצורה והסימטריה של האורביטל). בפועל, ביסודות הקיימים בטבע בטמפרטורת החדר, אף יסוד לא מאכלס אלקרונים ברמה גבוהה יותר מאורביטל f. אורביטל s יכול לאכלס עד 2 אלקטרונים, אורביטלי p יכולים לאכלס עד 6 אלקרונים, אורביטלי d – עד 10 אלקרונים ואורביטלי f – עד 14 אלקטרונים. דוגמא לסימון אורביטל: 2p או 3s.
התנע הזוויתי (שמיוצג על ידי האות הלטינית) האפשרי – תלוי במספר רמת האנרגיה: ברמה ראשונה, ישנו רק אורביטל s, ברמה שנייה מתווסף אורביטל p ברמה שלישית אורביטל d וכן הלאה. את הסדר האנרגטי של האורביטלים (שהוא גם סדר האיכלוס של האלקטרונים) ניתן לראות בתרשים הבא:
התמונה עובדה מתוך ויקיפדיה
כאשר האיכולוס הוא מלמעלה למטה, ומימין לשמאל על-פי החיצים, חץ אחרי חץ.
ניתן לסכם את הסדר בשורה הבאה*:
כאשר הסדר הוא משמאל לימין. המספרים בכתב עילי – מיצגים כמה אלקטרונים מתאכלסים באורביטל הספציפי, למשל 2p6 משמעו שאורביטל 2p יכול לאכלס 6 אלקטרונים, והמספרים בכתב תחתי כמה אלקטרונים מתאכלסים בסך הכל. לדוגמא איכלוס האלקטרונים באטום גופרית המכיל 16 אלקטרונים יהיה 1s2,2s2,2p6,3s2,3p4.
כיצד זה משפיע על תכונות האטום?
ובכן, זה הדבר הכי משפיע על תכונות האטום.
בהכללה הייתי אומר שכמעט כל הכימיה וכל התכונות של יסוד נקבעות על ידי האלקטרונים בקליפה החיצונית ביותר שלו. כאשר קליפה (או שכבה) אלקטרונית מוגדרת כאלקטרונים הנמצאים החל מאורביטל s אחד עד האורביטל s הבא (לא כולל). מכאן (אפשר לחשב זאת לפי שורת האנרגיה שכתובה למעלה) שקליפות האלקטרונים באטום מכילות 2,8,8,18,18,32 על פי הסדר משמאל לימין. כאשר לאטומים בעלי אותו מספר אלקטרונים בשכבה החיצונית יהיו תכונות כימיות מאוד דומות (ובשל כך נוצרת המחזוריות בתכונות היסודות, כפי שבאה לידי ביטוי בטבלא ה'מחזורית' של היסודות). לדוגמא – לכל המתכות האלקליות-עפרוריות – ישנם בקליפה החיצונית 2 אלקטרונים באורביטל s, והם בעצם הגורמים לתכונותיהם הדומות.
מעניין לציין שהכימאי גילברט לואיס (שאת תורת הקליפות שלו לומדים בבית-הספר התיכון) הגיע עוד בשנת 1902למסקנה שהאלקטרונים באטום מסודרים בקליפות של 2,8,8,18,18 מתוך התבוננות במערכה המחזורית ומחשבה על הקשר הכימי, זאת כ24 שנים לפני ניסוח משוואת שרדינגר ופתרונה עבור אלקטרונים באטום (1926), שהראתה שהוא אכן צדק, באופן מעשי.
* ישנם יוצאים מהכלל, בעיקר באטומים בעלי מספר אלקטרונים גדול, כמו לנתנום (57) או אקטינום (89 אלקטרונים), בהם הסדר משתנה, לדוגמא בלנתנום רמה 5dמתאכלסת לפני 4f.
מאת: ד"ר אבי סאייג
המחלקה לנוירוביולוגיה ומכון דוידסון לחינוך מדעי
מכון ויצמן למדע
הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.