אטום המימן הוא האטום הפשוט ביותר, שמורכב מפרוטון בודד ואלקטרון בודד. למרות הפשטות הזו, בממשך השנים הוצעו תיאוריות רבות בניסיון להסביר את מבנהו הפנימי של האטום הזה. זה התחיל ביוונים הקדומים שהניחו שהאטום הוא היחידה הקטנה ביותר שאינה ניתנת לחלוקה, המשיך לתיאוריות קלאסיות שניסו לתאר את הפרוטון והאלקטרון כמעין מערכת שמש קטנה, עד שהגיע לתיאוריות הקוונטיות של ימינו.
היישומון שלפנינו יאפשר לכם לא רק ללמוד על מבנהו האמיתי של אטום המימן, אלא גם להבין את תהליך העשייה המדעית. הוא יאפשר לכם "לבצע ניסוי" באטום אמיתי ולהשוות את הממצאים לתוצאה שמנבא כל אחד מהמודלים התיאורטיים השונים העוסקים במבנה אטום המימן. כך תוכלו גם אתם, אחרי שתבצעו מספיק ניסויים קצרים או או ניסוי אחד ארוך, לשער מהו המודל הנכון.
להפעלת היישומון לחצו על התמונה.
היישומון הופק במסגרת פרויקט PhET של אוניברסיטת קולורדו
להורדת היישומון ולהרצתו על המחשב לחצו כאן
אם אינכם מצליחים להעלות את היישומון, התקינו את תוכנת Javaweb. לחצו כאן והתקינו לפי ההוראות.
היישומון פועל כך: לפניכם תא עם אטום מימן. באמצעות הידית שמשמאל תוכלו לבחור אם יהיה בו אטום מימן אמיתי – כלומר אם תעשו ניסוי, או שתעברו לניבוי – כלומר תשימו בתוך התא אטום המתאים לאחד המודלים. אני ממליץ לכם להתחיל במצב הניבוי.
בחרו באחת מהאופציות התיאורטיות (אסביר עליהן בהמשך) והפעילו את היישומון. תוכלו להאיר על האטום באור לבן (כלומר אור בכל אורכי הגל), או באור מונוכרומטי בעל אורך גל יחיד, ולחזות בשינויים שהאור הזה גורם לאטום.
בצד ימין למעלה ישנה אפשרות לראות את מצבי האנרגיה הפנימיים של האטום. אם תסמנו את אופציית "הראה ספקטרומטר" תוכלו לראות את ספקטרום האור הנפלט מהאטום. אם תלחצו עכשיו על צלמית התמונה בספקטרום, התצוגה תישמר ותוכלו להשוות בהמשך את הספקטרום שקיבלתם במצב זה לספקטרום המתקבל במצב "ניסוי".
מומלץ לעבוד תחילה במהירות איטית (סרגל המהירויות נמצא בתחתית המסך) כדי לקבל תחושה של התהליך שבו פוטונים נקלטים באטום ומשנים את המצב הפנימי שלו, ולאחר מכן פוטונים נפלטים מהאטום בדרך חזרה למצב היסוד שלו. בהמשך תוכלו לעבור למהירות מרבית כדי לאסוף נתונים בקצב מהיר יותר.
חזרו על הניסוי עבור כל אחד מהמודלים התיאורטים והתרשמו מההבדלים בין התוצאות שמציע כל אחד מהמודלים. אם השתכנעתם שאכן קיים הבדל משמעותי בין המודלים השונים, אזי כעת, כשתבצעו את הניסוי בפועל, תוכלו על פי תוצאותיו לגלות מיהו המודל המתאים ביותר לתיאור אטום המימן. בצעו זאת. מהו המודל הנכון ביותר? העלו את התשובה שקיבלתם לפורום ואנו נדון בכך.
שימו לב – היישומון מאפשר למשתמשים בו לעשות ניסויים רבים, ואני ממליץ לכם לשחק בו ולגלות דברים מענינים חדשים. אם אתם מוצאים ניסוי מעניין או נתקלים בתופעה מעניינת שאתם רוצים לדון בה, העלו זאת לפורום.
המודלים התיאורטיים
כדור הביליארד: מודל שמתאים לתיאוריות מימי יוון הקדומה – האטום הוא היחידה הקטנה ביותר ואין לו מבנה פנימי, אלא הוא פשוט כדור קשיח שכל פוטון שפוגע בו מוחזר מיד.
מודל עוגת הצימוקים: מודל לתתיור אטום המימן שהיה נפוץ בסוף המאה ה-19. על פי המודל הזה המטען החיובי של האטום אינו מרוכז בחלקיק אחד, אלא מרוח בכל רחבי האטום במעין נוזל חסר מסה בעל מטען חיובי. האלקטרון משובץ בתוך הנוזל הזה ויכול לנוע בתוכו.
מודל מערכת השמש הקלאסי: לפי המודל הזה האלקטרון מקיף את הפרוטון שבגרעין האטום בדומה לכוכב לכת שמקיף את השמש. כפי שתראו ביישומון, המודל הזה קורס מאחר שחלקיק טעון שמאיץ פולט אנרגיה, והרי תנועה מעגלית היא תנועה עם תאוצה כך שהמסלול שלו חייב לקטון עם הזמן, עד שהוא יתרסק לתוך הפרוטון.
מודל בוהר: מודל בוהר הוא המודל הראשון לאטום המימן שהתחשב בחלק מחוקי מכניקת הקוונטים והביא לקפיצת מדרגה בהבנת מבנה האטום. לפי המודל הזה, האלקטרון אכן מקיף את הפרוטון במסלול מעגלי אך קיימים רק מסלולים מסוימים מאוד שמותרים לו לכן הוא אינו יכול לקרוס לתוך הפרוטון אלא רק לקפוץ ממסלול למסלול (האנרגיה שלו אינה רציפה, אלא מקוונטטת). פרטים נוספים, ראו בכתבה מודל האטום של בוהר.
מודל דה ברולי: המודל הזה דומה למודל בוהר, אבל מציג קפיצת מדרגה נוספת בהבנת האטום, שלפיה האלקטרונים הם גלים ולא חלקיקים נקודתיים כמו כדור קטן. המודל הזה מסביר מדוע קיימים מסלולים אסורים ומותרים (האם אתם יכולים לחשוב מדוע?) היישומון מאפשר לצפות במודל הזה בכמה דרכים, ואני ממליץ על תצוגת בהירות שמסמנת בכל עת את משרעת הגל לאורך מסלול האלקטרון.
מודל שרדינגר: המודל המתקבל מפתרון מלא של משוואת שרדינגר עבור אטום המימן.
ירון גרוס
המחלקה לפיסיקה של חומר מעובה
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 ואנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה יתקבלו תמיד בברכה.
