האטום בנוי מחלקיקים טעונים חיובית הקרויים פרוטונים, מחלקיקים ניטרליים הקרויים נויטרונים ומחלקיקים טעונים שלילית הקרויים אלקטרונים. הפרוטונים והנויטרונים מרוכזים בגרעין ויוצרים מסה טעונה חיובית. האלקטרונים, הקטנים מהם פי 2000 לערך, אינם נצמדים לגרעין, אלא נעים סביבו במהירות עצומה הקרובה למהירות האור. המהירות הגבוהה הזו אינה מאפשרת לנו למדוד את מיקומם המדויק של האלקטרונים בכל זמן נתון. לפיכך, אנו מתייחסים אל האטום כאל גרעין המוקף בענן אלקטרונים, כאשר הענן הוא למעשה המתחם בו ניתן למצוא את האלקטרונים בהסתברות הגבוהה ביותר. הענן עצמו מחולק לאזורים מוגדרים במרחב בהם ניתן למצוא את האלקטרונים בהסתברות הגבוהה ביותר ב-90% מהזמן. מרחבים אלה קרויים "אורביטלים אטומיים" וכל אחד מהם יכול לאכלס עד שני אלקטרונים לכל היותר. שני האלקטרונים הללו הם בעלי ספינים הפוכים, כלומר: תנועת הסיבוב שלהם סביב עצמם היא בכיוונים הפוכים.

כל אורביטל מסומל ע"י אות לועזית (למשל: s, p, d, f) בהתאם לצורתו וע"י מספר (1, 2, 3 וכו') בהתאם לרמת האנרגיה בה הוא מצוי. רמות האנרגיה נקבעות ע"י הכוחות הפועלים: כוחות משיכה בין האלקטרונים לגרעין מחד וכוחות הדחייה בין האלקטרונים לבין עצמם מאידך. ככל שהגרעין הוא בעל מטען גבוה יותר - האלקטרונים יימשכו אליו בכוח רב יותר. מאידך, ככל שיש יותר אלקטרונים באטום, גוברים כוחות הדחיה ביניהם ועליהם להתרחק זה מזה במרחב. לפיכך, כאשר לאטום יש אחד או שני אלקטרונים בלבד הם יוכלו להסתדר ברמת האנרגיה הראשונה תוך שהם מאכלסים את האורביטל הכדורי 1s הקרוב ביותר לגרעין. אבל אלקטרון או שניים נוספים יסתדרו כבר ברמת האנרגיה השניה, באורביטל הכדורי 2s המרוחק יותר מהגרעין, בשל כוחות הדחייה הפועלים בינם לבין שני האלקטרונים ברמה הראשונה. עד ששה אלקטרונים נוספים יוכלו להסתדר אף הם ברמת האנרגיה השנייה, אבל כשהם מפוזרים בזוגות בין שלושת האורביטלים דמויי שעון החול 2px 2py, 2pz הממוקמים לאורך צירי x y, z בריחוק מקסימלי זה מזה עקב הדחייה החשמלית ביניהם. אם יהיו אלקטרונים נוספים הם יאכלסו את האורביטלים של רמת האנרגיה השלישית וכן הלאה.

ככל שיש יותר אלקטרונים באטום, הם יסתדרו באורביטלים של רמות אנרגיה גבוהות יותר. האורביטלים נעשים מורכבים יותר ויותר עם העליה ברמת האנרגיה.

הסרטון שלהלן מדגים את הסידור המרחבי של האורביטלים השונים באטום הסקנדיום שסימולו Sc והמכיל 21 אלקטרונים 21 פרוטונים ו- 24 נויטרונים.  סידור האלקטרונים באורביטלים סביב גרעין האטום נובע ממשוואת שרדינגר בתורת הקוונטים, והוא המודל המקובל כיום במדע לסידור המרחבי של האלקטרונים באטום.
 

סרטון זה הופק בידי Manuel Moirera


ד"ר מיכל קם
בוגרת 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 יתקבלו תמיד בברכה.

15 תגובות

  • רושל

    אטום ואלקטרונים

    שלום לד"ר מיכל קם
    הסבר מצוין רק שאלה
    איך אפשר לחשב כמה כוח דרוש לשחרר אלקטרונים מהאטום ?
    (כוח הכוונה למתח ועוצמת תדר הדרוש לשחרור האלקטרונים)
    ואיך ניתן לדעת כוחות משיכה בין האלקטרונים לגרעין לכל סוגי החומרים?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאיתן אוקסנברג

    תשובה

    שלום רושל
    חישוב תיאורטי של רמות האנרגיה של האלקטרונים נעשה בעזרת מכניקת הקוונטים ופתרון משוואת שרדינגר.
    כדי לקבל את ערכי האנרגיה של האלקטרונים ואת כוחות המשיכה בין האלקטרונים לגרעין עבור כל סוגי החומרים בניסוי, לרוב משתמשים בטכניקה שנקראת בספקטרוסקופיה.
    בניסוי כזה מקרינים את החומר הנחקר בקרן עם אנרגיה גבוהה, כמו קרני X. הקרן יכולה להקפיץ את האלקטרון לרמת אנרגיה גבוהה יותר וכאשר הוא דועך חזרה למצבו הטבעי, הוא פולט אנרגיה שנקלטת על ידי גלאים. האנרגיה שנפלטה היא ההפרש המדוייק בין רמות האנרגיה של האלקטרונים באטום וכך מגלים את ערכי האנרגיה הרצויים.

    אני מקווה ששאלתך נענתה, במידה ואתה רוצה הרחבה או הסברים נוספים, אל תהסס לשאול.

  • מיכל כהן

    אלקטרונים ערכיים

    איך אנחנו יודעים כמה אלקטרונים ערכיים יש לכל יסוד בנושא הקשר הקוולנטי? ועוד שאלה.. איך אנחנו יודעים כמה שכבות אנרגיה יש לכל יסוד וכמה אלקטרונים מסתדרים במדויק בכל שכבה ? תודה !

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאיתן אוקסנברג

    תשובה

    שלום מיכל,
    הדרך הקלה ביותר לדעת את מספר אלקטרוני הערכיות לכל יסוד היא פשוט להסתכל בטבלה המחזורית.
    מספר הטור למעשה מציין את מספר אלקטרוני הערכיות של היסוד. יסוד שימצא בטור השני יהיה עם שני אלקטרוני ערכיות ויסוד שימצא בטור השביעי יהיה עם שבעה אלקטרוני ערכיות.
    הדרך הקלה ביותר לדעת את מספר שכבות האנרגיה שיש לכל יסוד היא גם להביט בטבלה המחזורית.
    מספר השורה מבטא את מספר רמות האנרגיה של היסוד. יסוד שימצא בשורה השניה יהיה עם שתי רמות אנרגיה ויסוד שימצא בשורה הרביעית יהיה עם ארבע רמות אנרגיה.
    בטבלאות מחזוריות מלאות כמו זו:
    http://www.ptable.com/?lang=he
    בפינה השמאלית העליונה של כל יסוד מצויינים מספר האלקטרונים בכל רמת אנרגיה כך שהמספר הכי תחתון מציין את מספר האלקטרונים ברמת האנרגיה החיצונית, כלומר מספר אלקטרוני הערכיות.
    חג שמח

  • מיכל כהן

  • שלף שם טוב

    בלאי וחוזק

    מותר לשאול עוד?
    האם יש בלאי לחלקיקים? או שהם נשארים צעירים ורעננים לנצח למרות הייסורים הקשים שהם עוברים במשך מליארדי שנים.?
    ועוד שאלה
    האלקטרון באטום המימן שבמולקולת המים בעומק של 11 ק"מ
    באוקייאנוס השקט. איך הוא עומד בעומס הזה? ולא קורס אל הגרעין? והוא עוד יכול הרבה יותר! אלקטרון אחד קטן לבד? מה ההסבר לחוזק הזה של מבנה האטום?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאיתן אוקסנברג

    תשובה

    כשמדובר בחלקיקים כמו אלקטרונים פרוטונים וניוטרונים, המושג בלאי אינו מתאים. בדרך כלל שאומרים בלאי, הכוונה היא לשחיקה או לאיבוד של חלק מהחומר, למשל אבן שנשחקת. כדי לפרק אטומים לחלקיקים קטנם יותר דרושה אנרגיה עצומה. חקר החלקיקים מהם בנויים אלקטרונים ופרוטונים נעשה במאיצי חלקיקים בהם מושקעת אנרגיה עצומה כדי ליזום התנגשות בין פרוטונים במהיריות גבוהות מאוד, כך מתאפשר הזיהוי והחקר של חלקיקים אלמנטרים יותר.

    כדי להבין את כמות האנרגיה באטומים, הרי שביקוע אטומי אורניום והוצאת נויוטרון מהגרעין היא הבסיס לנשק גרעיני.
    היתוך גרעיני- כלומר חיבור שני גרעינים יחד דורש טמפרטורות עצומות (כמו בשמש) של מאות מליוני מעלות.

    מקור האנרגיה הוא בפוטנציאל האנרגטי בין הגרעין והאלקטרון שנקרא פוטנציאל קולומבי (בעצם פוטנציאל חשמלי) ותלוי במספר האטומי של הגרעין במטען האלקטרון ובמרחק בינהם.

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאיתן אוקסנברג

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאיתן אוקסנברג

    תשובה לעוד היגס

    בניסיון לתת תשובה פשוטה...
    מסה היא תוצאה של אינטרקציה של חלקיקים עם שדה היגס (לצורך הפשטות עם חלקיקי היגס).
    משקל הוא כוח ששווה למכפלת המסה בשדה הכבידה.

    בגלל שהמשקל תלוי במסה ובהעדר שדה היגס ניתן להתייחס למסה כאפס, משקלך יהיה אפס בשני המקרים.

  • שלף שם טוב

    עוד היגס

    אם נותר לי אשראי לעוד שאלה...
    אני עומד על מאזניים. משקלי 74 קג בידי מתג תאורטי המבטל את שדה היגס עלי. מה יהיה משקלי כשאלחץ על המתג?
    ומה יקרה כאשר אלחץ על המתג בזמן קפיצה מהקומה העשירית?

  • שלף שם טוב

    עוד היגס

    אם היגס נימצא בכל מקום. והמסה שלו- 133- פרוטונים! למה כל כך קשה לגלות אותו אותו? שצריכים את המאיץ הענק הזה ושנים של מחקר?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאיתן אוקסנברג

    תשובה להיגס ועוד היגס

    אלו שאלות טובות
    אני חושב שתמצא את התשובות שאתה מחפש אם תקרא את הכתבה הזו ותראה את הסרטונים שמטמעים בה.

    http://davidson.weizmann.ac.il/online/maagarmada/physics/%D7%94%D7%91%D7...

  • שלף שם טוב

    היגס

    תודה!
    אפוא נמצה בוזוןן היגס ? קראתי שהמסה שלו 133 פרוטונים! והוא נמצה
    בכל מקום! האם הוא בתוך המרחב האטומי? או בין האטומים? האם המסה שלו באה לידי ביטויי במשקל החומר? כמה גרם היגס יש בק"ג ברזל?
    ומה צפיפותו בריק הבין כוכבי?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאיתן אוקסנברג

    תשובה לגבי תנועת האלקטרונים

    למה האלקטרונים נעים סביב הגרעין זו שאלה שהעסיקה פיזיקאים שנים רבות. זו שאלה מורכבת שקיבלה מענה בתורת הקוונטים וקשה מאוד לענות עליה על רגל אחת שכן הפיזיקה הקוונטית שונה מהותית מהפיזיקה הקלאסית.
    בכל זאת אנסה, בתורת הקוונטים ההתיחסות לאלקטרון היא כגל ולא כחלקיק. הוא לא באמת נע באורביטלים סביב הגרעין, האורביטלים מבטאים את המקומות במרחב שהסיכוי למצוא את האלקטרון הוא הכי גבוה. האנרגיה נובעת בחלקה מהאופי הגלי של האלקטרון (כמו שלגל של אור יש אנרגיה) ותלויה באורך הגל של האלקטרון. בחלקה האנרגיה תלויה בפוטנציאל האנרגטי בין הגרעין והאלקטרון שנקרא פוטנציאל קולומבי ותלוי במספר האטומי של הגרעין במטען האלקטרון ובמרחק בינהם.
    לגבי הניסוי התיאורטי שלך...אין תשובה לשאלה הזו מפני שלפי עקרון אי הוודאות אלקטרון (שהוא גל) לא יכול להיות מוגבל לנקודה ספציפית במרחב ובאנרגיה ספציפית. כלומר אי אפשר לעצור אותו כפי שאתה מתאר, זה קצת יותר מורכב.
    האלקטרונים כן מושפעים אחד מהשני שכן יש בינהם דחיה חשמלית (שניהם עם מטען שלילי) והם משפיעים על האנרגיה והספין של האלקטרונים השכנים.
    שוב אלקטרונים לא עוצרים ונופלים משום שההתייחסות אליהם היא כגל ולא כחלקיק.

  • שלף שם טוב

    תנועת האלקטרונים

    למה בעצם האלקטרונים נעים סביב הגרעין? איזה כוח מופעל עליהם?
    מניין האנרגיה הזו? אם ניקח לדוגמה אטום של מימן בודד. אלקטרון אחד מסתובב סביב פרוטון. נושיט אצבע תאורטית כמובן. ונעצור את האלקטרון
    מה יקרה לו? למה אלקטרונים בתנועתם לא מופרעים ע"י אלקטרונים אחרים ועוצרים ונופלים אל הגרעין אשר מושך אותם?