מהם מרכיבי האטום? איך

מהם מרכיבי האטום? איך המדענים הגיעו במרוצת ההיסטוריה אל מודל האטום כפי שהוא היום?

החלקיקים בגרעין האטום מורכבים מקווארקים, אבל נתחיל מהתחלה:
בהתחלה היתה ההנחה שהחומר רציף. ז"א שאפשר לחלק אותו שוב ושוב לחלקים יותר ויותר קטנים עד אינסוף. והיה יווני (דמוקריטוס) שהגה את הרעיון שהחומר מורכב מחלקיקים קטנים מאד ובלתי פריקים. אבל עד שגילו את זה, לקח הרבה זמן. תאוריות שונות התפתחו המתבססות על העובדה שעדיין לא הוכחה אז, שהחומר מורכב מחלקיקים. והנושא התפתח, והמדענים רובם האמינו בכך, אך עדיין לא היו בטוחים. את חמישים המסמרים האחרונים בארון תקע איינשטיין, כשהסביר תופעה שנקראת "תנועה בראונית" באמצעות העובדה שהחומר מורכב מחלקיקים.

תנועה בראונית היא תנועה אקראית לכל הכוונים (מן רטיטות קטנות ונוירוטיות) שמבצעים חלקיקי אבק קטנטנים (התופעה נצפתה באמצעות מיקרוסקופ) שנמצאים בתוך נוזל או גז. הוא הסביר זאת בזה שגרגר האבק נתקל בחלקיקי החומר (האטומים) והם הגורמים לתנועה המשונה. הוא לא רק הסביר, אלא גם (יחד עם בוזה?) חישב את התלות התיאורטית של המרחק הממוצע של הגרגר מנקודת ההתחלה בזמן. משוואה שמשמשת בהמון תחומים סטטיסטיים אחרים, ושאת התוצאות שלה אפשר למדוד באופן מיידי. ואכן את האלקטרונים גילו כבר מזמן, ותיאוריות שונות בקשר למבנה האטום עלו. אחת התיאוריות שהיתה מקובלת בזמנו מכונה "מודל עוגת הצימוקים" (עוד אחת). לפי המודל הזה, האטום הוא כדור של חומר דליל בעל מטען חיובי, שבו מפוזרים האלקטרונים השליליים כמו צימוקים בעוגה. על המודל הזה לא היה כמעט עוררין, עד שביצע תלמידו של רתרפורד את הניסוי הידוע כ "פיזור רתרפורד".

רתרפורד נתן לתלמידו "עבודות יזומות": ניסויים שהתוצאה שלהם אמורה היתה להיות ברורה מאליה. כך הורה רתרפורד לתלמידו להקרין עלה זהב דק באמצעות קרינת אלפא. גלאים שהוצבו מסביב (משהו כמו לוח צילום) נועדו לבדוק את פיזור חלקיקי האלפא שחדרו דרך העלה. התוצאה שהיתה אמורה להתקבל היתה אפס פיזור. צפיפות החומר לפי המודל המקובל היתה כל כך נמוכה, וחלקיקי אלפא הנם כל כך אנרגטיים, שהם היו אמורים לחדור דרך העלה בקלות. הניסוי נמשל ל"קליעי מכונת יריה הנורים לעבר דף נייר". אלא שלמרבה הפלא סטו כמה מקליעי האלפא ממסלולם, וחלק אף הוחזרו לאחור! התלמיד חזר לרתרפורד במבט מושפל (אני מניח) וסיפר לו שהתקבלה התוצאה הצפויה, חוץ מכמה שגיאות קטנות.
אך לא אדם כרתרפורד יפטור את התוצאות המפתיעות כ "טעות בניסוי". ישב וחשב, והגיע למסקנה שהאטום אינו בצפיפות אחידה, אלא שרוב מכריע של המאסה שלו (הטעונה במטען חיובי) מרוכזת
במקום אחד קטן (גרעין, אותו מקיפים האלקטרונים השליליים) בצפיפות גבוהה מספיק כדי להדוף את חלקיקי האלפא הבודדים שמגיעים לסביבתה הקרובה. כמו כל פיזיקאי טוב הוא גם חישב את צורת הפיזור, ביצע שוב את הניסוי בצורה מדוייקת, ופרץ עוד נתיב בדרך לפיזיקה ולכימיה המודרנית.

ורתרפורד המשיך "להפציץ": הוא גילה את הפרוטון כאשר הפציץ באטומי אלפא גז חנקן והפך אותו לחמצן. ניסויים נוספים כפיזור רתרפורד המשיכו וגילו את המבנה הפנימי של הגרעין. ככל שהאנרגיה של החלקיקים הנורים גבוהה יותר, הם חודרים עמוק יותר לתוך גרעין האטום, וע"י ניתוח הפיזור שלהם אפשר להסיק את מבנה הגרעין. כך הגיעו למסקנה שגרעין האטום מורכב מפרוטונים בעלי מטען חיובי, וניוטרונים בעלי מטען אפס, שהנם מרבית המאסה של האטום. את הגרעין מקיפים אלקטרונים בעלי מטען שלילי היכולים להקיף (בערך) את הגרעין במספר מסלולים יציבים אשר אותם חישב נילס בוהר, כאשר בכל מסלול יש לאלקטרון אנרגיה שונה. הפרוטונים והניטרונים שמרכיבים את הגרעין מוחזקים במקומם ע"י הכוח הגרעיני החלש (אאל"ט) והשילוב של פרוטונים וניוטרונים ביחס מסוים הוא זה שמייצב את הגרעין שלא יתפרק.

לכן עבור אותו מספר של פרוטונים, ז"א אותו יסוד כימי, יש מבנים שהם יציבים ויש שלא יציבים בגלל הבדל במספר הפרוטונים. חומרים בעלי מספר ניוטרונים שונה ואותו מספר פרוטונים נקראים "איזוטופים" של אותו יסוד. כך למשל לאיזוטופ פחמן 14 (C14) יש 6 פרוטונים ו-8 ניוטרונים והוא אינו יציב. לאיזוטופ פחמן 12 (C12) הנפוץ בטבע, יש 6 פרוטונים (מה שאומר שזה אותו יסוד) ו-6 ניוטרונים, והוא יציב. הפרוטונים והניטרונים עצמם מורכבים מקווארקים. זהו חלקיק יסודי שהתגלה שוב ע"י פיזור: במאיצי חלקיקים לוקחים חלקיקים ומאיצים אותם למהירויות עצומות (קרובות מאד למהירות האור) ומנגישים אותם אחד בשני! אנרגית ההתנגשות מפצפצת את החלקיקים, ואז הם מתפרקים לחלקיקים אחרים, יוצרים חלקיקים חדשים, מתחברים מחדש וכדומה. מניתוח תמונת ההתנגשות אפשר להסיק על מבנה החומר: הפרוטונים והניוטרונים מורכבים מ-3 קווארקים כל אחד. לקווארקים האלה יש מטען חשמלי חיובי או שלילי, והם מוחזקים יחד באמצעות הכוח הגרעיני החזק, אשר לו יש 3 סוגי מטען (כמו שמטען חשמלי יש סוג אחד שיכול להיות בפלוס או מינוס) המסומנים באמצעות שלושה צבעים. מטען אפס חזק יכול התקיים בשתי דרכים: או ע"י מטען והמטען ההפוך שלו (אדום ואנטי אדום למשל) וכך ניתן להרכיב חלקיקים העשויים משני קווארקים ונקראים פיונים (כמו האות היוונית פיי) או ע"י שילוב של כל שלושת הצבעים שנותנים ביחד אפס, ואז אנו מקבלים חלקיקים כמו פרוטונים וניוטרונים שמורכבים כל אחד משלשה קווארקים בעלי צבעים משלימים. בינתיים התגלו עוד סוגים של קוורקים המרכיבים חלקיקים "אקזוטיים" בעלי סבירות קטנה מאד להופעה. האלקטרונים, דרך אגב, אינם מורכבים מקווארקים והנם חלקיק יסודי בפני עצמם.

התשובה ניתנה על ידי מומחה KOL מר אלעד עשהאל

---