מהו מבנה האטום?

ביוון העתיקה, בערך 400 שנה לפני הספירה, העלה הפילוסוף דמוקריטוס השערה מפתיעה: כל החומר בעולם מורכב מיחידות יסודיות זעירות שהוא כינה אטוֹמים – מושג ביוונית שמשמעותו "בלתי ניתן לחיתוך". הוא גם טען כי האופן שבו האטומים הללו מתחברים יחד, בצורות ובכמויות שונות, הוא מה שקובע את זהות החומר שהם יוצרים.

ההשערה של דמוקריטוס הייתה נכונה בבסיסה, אך בימיו לא הייתה שום דרך ישירה או עקיפה להבחין באטומים ולאפיין אותם. הם פשוט קטנים מדי ולכן איננו יכולים לראות אותם בפעולה אלא רק את התוצרים שלהם. רק במאה ה-19, שורה של תגליות הובילו לגילוי האטומים: יחידות היסוד המרכיבות את כל החומרים שאנו מכירים. אך גם אז, למרות מגוון ניסויים שהראו כי כל החומרים המוכרים לנו מורכבים מיחידות יסוד כאלה, לא היה ברור מהם המאפיינים הכימיים והפיזיקליים של יחידות היסוד הללו ואיך הן בנויות. למעשה, בהיותן יחידות יסוד, מדענים רבים סברו כי אין להן מבנה פנימי.

אטום הוא יחידת היסוד המרכיבה את כל החומרים המוכרים. הטבלה המחזורית של היסודות מוצגת בצורת ספירלה | Science History Institute / Science Photo Library

מעוגת צימוקים ועד מערכת כוכבי לכת

בסוף המאה ה-19 גילה הפיזיקאי הבריטי ג'וזף ג'ון תומסון (Thomson) בסדרת ניסויים את קיומו של חלקיק קטן, קל משקל, וטעון במטען חשמלי שלילי, שזכה בהמשך לשם אלקטרון. תומפסון גילה שהאלקטרונים הללו יכולים להיפלט מחומר רגיל שמופעל עליו שדה חשמלי חזק, ולכן הסיק שהם חייבים להימצא בתוך האטום. כיוון שהאטום כולו ניטרלי מבחינה חשמלית, חייב להיות בו חלקיק כלשהו בעל מטען חיובי שיאזן את המטען החשמלי השלילי של האלקטרונים שבו. לכן תומסון שיער שהאלקטרונים נמצאים בתוך כדור בעל מטען חיובי שתופס את רוב נפחו של האטום. המודל הזה כונה "עוגת הצימוקים", כיוון שהאלקטרונים מפוזרים בו כמו צימוקים בתוך עוגה. על כך זכה תומסון בפרס נובל בפיזיקה בשנת 1906.

אלקטרונים מפוזרים בו כמו צימוקים בעוגה. מודל עוגת הצימוקים של תומסון | ויקיפדיה, נחלת הכלל

בשנת 1911 ערך ארנסט רתרפורד (Rutherford), סטודנט לשעבר של תומסון, ניסויים שנועדו למדוד את המטען והמסה של חלקיקים רדיואקטיביים בעלי מטען חשמלי, הקרויים חלקיקי אלפא. במהלך הניסויים שוגרו החלקיקים לעבר רצועות מתכת דקות, והחוקרים ציפו למדוד סטייה קטנה במסלולם בהשפעת המטען החיובי של האטומים ברצועות המתכת. בפועל נמצא שחלק מהחלקיקים הוסט ממסלולו בצורה משמעותית ובזוויות גדולות במיוחד, שאי אפשר להסביר באמצעות מודל עוגת הצימוקים.

רתרפורד הסיק כי המטען החיובי של האטום אינו מפוזר בכל נפחו של האטום, אלא ממוקד במרכזו של האטום, והחלקיקים שהתקרבו אליו הוסטו ממסלולם. עוד הסיק כי האלקטרונים אינם מפוזרים באקראי בתוך האטום, אלא סובבים סביב המרכז הטעון, שנקרא "גרעין האטום", בצורה שמזכירה כוכבי לכת החגים סביב שמש. התיאור הזה של האטום נקרא, בהתאם, "המודל הפלנטרי", או "מודל רתרפורד".

גם מודל רתרפורד לא היה חף מבעיות: הגדולה מביניהן הייתה שחוקי הפיזיקה מלמדים אותנו שחלקיק טעון חשמלית שנע בתנועה מעגלית חייב לפלוט קרינה ולאבד אנרגיה. על כן אפשר לצפות שהאלקטרונים, שמאבדים אנרגיה, ינועו בספירלה הולכת וקטנה עד שייפלו כעבור זמן לא רב לתוך הגרעין. איך ייתכן שהאלקטרונים בכל זאת מקיפים את הגרעין בלי לפלוט קרינה ובלי ליפול לתוכו?

גרעין אטום טעון חיובית וסביבו חגים אלקטרונים. מודל רתרפורד | מקור: Bensteele1995, Wikipedia

במנות מדודות

הפתרון לבעיה הזאת הגיע מתורת הקוונטים, שאחת הקביעות הבסיסיות שלה היא שאור יכול להיפלט רק במנות אנרגיה מדודות, שנקראות פוטונים – חלקיקי האור. הפיזיקאי הדני נילס בוהר (Bohr) הכליל את הרעיון הזה גם לאלקטרונים שבתוך האטום, ויצר כך את המודל המזוהה ביותר עם האטום, שהפך לסמל המקובל שלו. במודל הזה, יש לאטום גרעין שסביבו חגים במהירות אלקטרונים במסלולים נפרדים וקבועים. לעיתים אלקטרון יכול לעבור בין המסלולים הללו במעין קפיצה קוונטית, שבמהלכה הוא בולע או פולט פוטון בתדר המתאים. כל עוד הוא מסתובב במסלולים הקבועים האלה, הוא אינו פולט קרינה ואינו מאבד אנרגיה, כיוון שהוא חייב להימצא רק במסלולים המותרים.

תחת העקרונות הללו, המודל שיצר בוהר הצליח לחזות פרטים רבים בהתנהגותם של האטומים והאלקטרונים הסובבים אותם. עם זאת, הוא לא סיפק הסבר מלא לסיבות מאחוריהם: מדוע יש רק מסלולים מותרים מסוימים? ולמה דווקא הם?

הפתרון הגיע משילוב המכניקה הקלאסית ומכניקת הקוונטים. מודל האטום של בוהר | Ktsdesign / Sciencephotolibrary

הקוונטים מצילים את המצב

עד שנות ה-30 של המאה ה-20 הונחו הפיסות החסרות בתורת הקוונטים שסייעו בהבנת מבנה האטום. הפיזיקאים האוסטרים וולפגנג פאולי וארווין שרדינגר הצליחו, כל אחד בנפרד, לפענח בדיוק רב את המבנה של האטום הבסיסי ביותר – המימן – על בסיס עקרונות תורת הקוונטים. המבנה שהם גילו היה דומה מאוד לזה שתיארו לפניהם רתרפורד ובוהר, אך הביא בחשבון גם אפקטים קוונטיים ששיפרו את הבנת המבנה.

על פי תורת הקוונטים אין לחלקיקים מקום מוגדר. במקום זה יש הסתברויות שונות לכך שחלקיק יימצא במקומות שונים. האובייקט המתמטי שמתאר את הסיכוי למצוא חלקיק במקום מסוים נקרא פונקציית צפיפות הסתברות. אם מחשבים את פונקציית צפיפות ההסתברות של האלקטרון באטום המימן, אפשר לדעת היכן הוא עשוי להימצא.

לפונקציות צפיפות ההסתברות של האלקטרון באטום קוראים "אורביטלים" (Orbitals), ואם ננסה לצייר אותם הם לא ייראו כמו מסלולים מסודרים, אלא כמעין עננים משונים סביב הגרעין. מרכזו של כל ענן כזה נמצא במרחק אחר מגרעין האטום, בדומה למסלולים הנפרדים במודל בוהר.

אפשר להשתמש בעקרונות תורת הקוונטים גם כדי להעריך את מהירותו הממוצעת של אלקטרון באטום: ולגלות שהיא כ-1/137 ממהירות האור. חשוב להדגיש שהאלקטרון לא "נע" בתוך העננים הללו, אלא ענני ההסתברות פשוט מתארים את הסיכוי למצוא את האלקטרון בנקודה מסוימת ובמהירות מסוימת. במובן הזה, האיורים המקובלים של מבנה האטום אינם מדויקים –האלקטרון אינו מסתובב סביב האטום, או לפחות לא במובן הרציף שאנחנו רגילים לחשוב עליו. איך אפשר לטעון שיש לאלקטרון מיקום ומהירות ובה בעת לשלול את עצם התנועה שלו?

זה אחד מהנושאים שבהם תורת הקוונטים מאתגרת את האינטואיציה הבסיסית שלנו. ובכל זאת, מבנה האטום המתואר כאן נבדק ונמדד באינספור ניסויים מאז שנחזה תיאורטית לפני כתשעים שנה בדיוק חסר תקדים. למעשה, התחזיות שהמודל הזה מספק לנו מוצלחות עד כדי כך ששעונים אטומיים מדויקים פועלים על סמך מדידות שמבוססות עליו.

ענני ההסתברות להימצאות האלקטרון סביב הגרעין. המודל הקוונטי | VectorMine, Shutterstock

גרעין הקשה

גם האופן שבו אנחנו מבינים את המבנה של גרעין האטום השתנה מאוד במאה השנים האחרונות. ניסוי רתרפורד לימד אותנו שבמרכז האטום נמצא גרעין כבד שמטענו החשמלי חיובי. ב-1920, קבע רתרפורד את השם פרוטון לתיאור המרכיב בעל המטען החיובי של גרעין אטום המימן.

בשנים הבאות הבחינו מדענים בתופעות המתרחשות בגרעין האטום שלא ייתכן כי הן נובעות מפרוטונים בלבד. ב-1932 ביצע הפיזיקאי הבריטי ג'יימס צ'דוויק (Chadwick) ניסוי שבו הוא ירה חלקיקי אלפא לעבר אטומים כבדים. כשהחלקיקים פגעו באטומים, נפלטו מהם חלקיקים אחרים, חסרי מטען חשמלי ובעלי מסה דומה למסת הפרוטון. צ'דוויק הסיק כי קיים בגרעין חלקיק נוסף, שזכה לשם נייטרון מאחר שהוא ניטרלי מבחינה חשמלית. צ'דוויק זכה בפרס הנובל בפיזיקה בשנת 1935 על תגלית זו.

הפיזיקה הגרעינית הייתה במוקד העשייה הפיזיקלית במהלך שנות ה-30 של המאה העשרים, וביתר שאת במהלך מלחמת העולם השנייה עקב המרוץ לפיתוח הפצצה הגרעינית. לנייטרון יש תפקיד מפתח בתגובות גרעיניות, והפיזיקאים המשיכו להתעמק בו ובתכונותיו גם בשנים הבאות.

המהפכה הקוונטית לא פסחה גם על חקר גרעין האטום: הפרוטונים והנייטרונים הם חלקיקים זעירים בעלי התנהגות קוונטית, שמורכבותה אף עולה על זאת של האלקטרון. באמצע המאה העשרים גילו הפיזיקאים כי הפרוטון והנייטרון אינם חלקיקים בסיסיים, אלא מורכבים אף הם מחלקיקים קטנים יותר, שזכו לשם קווארקים. כך נמצא עוד פגם בתמונה הקלאסית של האטום: במקום גרעין המורכב מפרוטונים ונייטרונים המובחנים זה מזה, אנו מבינים כיום שאם נסתכל מספיק מקרוב נראה שהוא דומה יותר לאוסף של קווארקים, שנוטים להסתדר יחד בשלשות וכך ליצור נייטרונים ופרוטונים.

הפרוטון והנייטרון מורכבים אף הם מחלקיקים קטנים יותר. אטומים וחלקיקים תת-אטומיים בעיניי הבינה המלאכותית |  Richard Jones / Science Photo Library

סוף כל השאלות?

מאז ראשית המאה ה-19 חלה אם כן התקדמות עצומה בהבנתנו את מבנה האטום. מרגע שעלתה מחדש ההשערה על קיומם של אטומים, הקהילה המדעית מצאה ראיות לקיומם וחשפה לפרטי פרטים את המבנה שלהם.

כיום אנחנו יודעים כי על פי תורת הקוונטים אפשר לתאר את אטום המימן כגרעין יציב וכבד במרכז, ואלקטרון אחד שמפוזר סביבו בתוך ענן הסתברות. האם החידה פתורה? לא בדיוק.

המודל העדכני מדויק מאוד, אך אנחנו יודעים שהוא לוקה בחסר: כיוון שהאלקטרון נע במהירות גבוהה של כמאית ממהירות האור, יש בהכרח אפקטים הקשורים לתורת היחסות הפרטית שמשפיעים על המתרחש באטום. בנוסף, באטומים מורכבים יותר מאטום המימן יש אלקטרונים רבים, ולא רק אחד. האלקטרונים הללו משפיעים זה על זה ומשנים את התנהגותם בהתאם. למעשה, גם כעת עדיין איננו יודעים לחשב במדויק את פונקציית הגל של כל אטום שיש סביבו יותר מאלקטרון אחד – כך שאנחנו לא באמת יודעים את המבנה של רוב האטומים. אף על פי כן, רמת ההבנה העדכנית שלנו מספקת לנו כבר עתה תצפיות אמינות וגם טכנולוגיה שימושית כשעונים אטומיים, חומרים בעלי תכונות מיוחדות וטכנולוגיות קוונטיות.