Transcript מודל האטום
מסע אל תוך ה ...חלקיק
מסע אל תוך ה ...האטום
מאז ומעולם חשבו האנשים ממה עשוי
העולם סביבנו ,מה מחזיק את הדברים
יחדיו וכיצד נוצרים חומרים
מה
ב מ צ ג ת?
• נעבור על מודלים שונים למבנה האטום אשר התפתחו לאורך
ההיסטוריה
• מודלים מדעיים הם בדרך כלל מודלים זמניים,
אשר מתפתחים ומשתנים לאור עובדות חדשות
ובעזרת שיטות וטכנולוגיות חדשות.
איך מודל נולד ?
שיטות מחקר וטכנולוגיות חדשות מתפתחות עם הזמן.
• כאשר מבצעים ניסויים חדשים ,מתקבלות תוצאות חדשות
ומידע נוסף נצבר.
• תוצאות חדשות מובילות למסקנות חדשות.
• מסקנות חדשות מובילות למודל חדש.
שאלות שנשאל את עצמנו:
• מה היה המודל הקודם?
• איזה חידושים טכנולוגים היו?
• איזה ניסוי נעשה? (או לא נעשה)
• איזה מסקנה חדשה התקבלה?
בתקופות קדומות האמינו ....
שהטבע בנוי מחומרי מוצא רבים ושונים
המשתנים עם הזמן
ע"י כוחות טבע עליונים ובעזרת אלילים רבים
פילוסופים יוונים פיתחו תפישות
של צמצום ,אחידות ופשטות –
לפיהן הטבע מורכב ממספר קטן של חומרים
אריסטו -פילוסוף
העת העתיקה -ימי הביניים
( 384-322לפני הספירה)
שלושה יסודות -מקבילים למצבי הצבירה
והאש – מקבילה לאנרגיה
תפישות אלו היו מקובלות
עד המאה ה18-
העולם מורכב מארבעה יסודות:
אדמה (מוצק) ,אוויר (גז) ,מים (נוזל),
ואש (יסוד שאינו ניתן לתפיסה ע"י החושים)
וארבע "תכונות" (חום ,קור ,יובש רטיבות)
המאפשרות להפוך כל חומר לחומר אחר.
ביוון -הייתה גם גישה אחרת....
דמוקריטוס -פילוסוף יווני
חלוץ של מתמטיקה וגאומטריה
• היקום מורכב מריק ומחומר
• החומר מורכב מחלקיקים שאינם ניתנים לפירוק
• לחלקיק הוא קרא אטום:
א ט ו ם-נגזר מהמילה היוונית
א-טומוס שפירושה-בלתי ניתן לחלוקה
460-433לפני הספירה
• אטומים שונים זה מזה בצורה ,בגודל ובמשקל
• אטומים מתחברים ליצירת חומרים שונים
• הראשון שקבע את "חוק שימור החומר" כמות החומר ביקום לא משתנה!
חומר משנה צורה ע"י שינוי בהרכב האטומים!
רבים לא האמינו לדעתו!
האלכימאים
פעלו במצריים – לפני 5000שנה
באירופה – מהמאה ה12-
• התבססו על תאוריית ארבעת היסודות
• מטרתם הייתה להפיק זהב ממתכות זולות ,בעזרת
"אבן החכמים" ,לכן שמרו בסוד את תוצאותיהם
• הפיקו מתכות – נחושת ,בדיל ,עופרת ,אבץ
• וגילו יסודות נוספים -זרחן ,ארסן ,ביסמוט
• פיתחו שיטות עבודה במעבדה -זיקוק ,המסה ,סינון
והמציאו כלי מעבדה רבים :מסננים ,תנורים,
מאזניים מדוייקים ,כוסות וכלים כימיים רבים
כ 2,200 -שנה לאחר דמוקריטוס
רוברט בויל (אנגליה)
• בויל ערך ניסויים כמותיים בגזים
• מדד את הקשר בין הלחץ לנפח הגזים
• כתב ספר" :הכימאי הספקן"
1627-1691
הגדיר יסוד – חומר שלא ניתן לפרקו למרכיבים פשוטים יותר
הראשון שערך ניסויים פיזיקלים כמותיים עם חומרים
הגדרת היסודות שהציע התקבלה
והסתיים עידן "ארבעת היסודות"
לבואזייה (צרפת) פריסטלי (אנגליה) ופרוסט (צרפת)
1743-1794
1733-1804
1754-1826
פריסטלי –
גילוי החמצן ע"י חימום כספית חמצנית
ניסויים עם פחמן דו-חמצני
מוליכות החשמלית של גרפיט
לבואזייה -ערך ניסויים ע"י שקילת את המגיבים והתוצרים
שריפה ונשימה מתרחשות בנוכחות חמצן (אותו הגדיר)
המים מורכבים ממימן וחמצן
במערכת סגורה -חומר אינו יכול להיעלם או להיווצר יש מאין
ניסח מחדש את "חוק שימור החומר" !
פרוסט – הראה שתרכובת מכילה יסודות ביחס משקלי קבוע
מודל האטום חוזר בגדול!
תחילת המאה ה 19-אנגליה
()1766-1844
דלטון -מתמטיקאי וכימאי
דלטון שיכלל את מודל האטום של דמוקריטוס
והסביר את ההבדל בין אטומי היסודות.
ערך בעיקר ניסויים! וגם -ותרגילים מחשבתיים
פירוק תרכובות
ליסודותיהן
מדידת מסתם של
יסודות
תיאורית דלטון:
• יסודות בנויים מחלקיקים קטנים ביותר
הקרויים אטומים !
• האטומים הם כדוריים צפידים (כמו כדורי
ביליארד)
• כל האטומים של אותו יסוד זהים זה לזה
ושונים מאטומים אחרים בתכונותיהם
הבסיסיות (למשל :מסה)
• אי אפשר ליצור אטומים ,להשמיד או
לפרק לחלקיקים קטנים יותר!
• בתרכובת -אטומים מתרכבים עם אטומים
אחרים ביחס מספרי קבוע
• בתגובה כימית ,האטומים אינם משתנים.
משתנה רק הדרך שבה האטומים השונים
מחוברים זה לזה!!!
• הציע טבלה של היסודות – לפי מסתם
1906
זכה בפרס נובל לפיזיקה
תומסון (פיסיקאי)
אנגליה 1856-1940
מודל "עוגת הצימוקים” או "מודל פודינג השזיפים".
תומסון
ניסוי השפורפרת של תומסון:
טען שדמוקריטוס טעה והאטום ניתן לחלוקה! בתוך שפורפרת זכוכית שהאוויר נשאב ממנה התקין קתודת
מתכת שחימומה גרם לפליטת חלקיקים טעונים .החלקיקים
מצא שיש באטום חלקיקים שליליים ,וכדי
הואצו בעזרת הפרש מתחים חשמלים ועברו דרך החור ,בזרם
להשאר נייטרלי – האטום מורכב ממסה
ישר! הקרן פגעה במסך פלואורסנטי ,שנצנץ בכל פעם שפגע
בו חלקיק טעון .תומסון הסיק שהחלקיקים הטעונים היו בעלי
חיובית.
מטען שלילי .האטומים נייטרלים ,ולכן חייבים להיות בהם
תומסון כינה את החלקיק השלילי אלקטרון
מטענים חיוביים.
מודל האטום של תומסון:
מסה בעלת מטען חיובי ואלקטרונים מפוזרים בה
תומסון (פיסיקאי)
אנגליה 1856-1940
“מודל עוגת הצימוקים” או "מודל פודינג השזיפים".
מסקנותיו העיקריות של תומסון:
האטום ניתן לחלוקה למטענים שליליים ,האלקטרונים ,ולכדור חיובי אחיד
מטענו החיובי של הכדור זהה בגודלו למטענם של כל האלקטרונים יחד
האלקטרונים נעים במעגלים בתוך תחומו של הכדור החיובי של האטום
כל האלקטרונים ,בכל סוגי האטומים ,זהים זה לזה
המסה של האלקטרון קטנה בהרבה ,פי ,~ 2000ממסתו של האטום הקל ביותר ,אטום מימן
לאטום המימן יש אלקטרון אחד בלבד!
תומסון גילה גם את קיומם של שני איזוטופים של היסוד ניאון ,ועוד גילויים!!!
ממה בנוי הגרעין ?
http://www.mhhe.com/physsci/chemistry/essentialchemistry/flash/ruther14.swf
ארנסט רתרפורד
1908
פרס נובל בכימיה על
"גילוי איזוטופ ליסוד ראדון"
פיסיקאי מניו זילנד
שעשה רוב עבודתו
בקנדה ואנגליה ()1919
רתפורד -היה תלמידו המצטיין של תומסון.
הוא ערך ניסויים עם עלה זהב וקרינה גרעינית
חיובית (אלפא).
רדיום:
מקור לחלקיקי אלפה
מסך פלואורסצנטי
מהתוצאות הגיע למסקנות:
• רוב מסת האטום נמצאת במרכזו,
אותו כינה :גרעין.
• הגרעין הוא בעל מטען חיובי.
• האלקטרונים נעים בחלל המקיף את הגרעין
במהירות גבוהה מאד.
• מספר האלקטרונים שווה לגודל מטען הגרעין.
• רדיוס הגרעין קטן בקירוב פי 10,000עד 100,000
מזה של האטום (המרחב שבו נעים האלקטרונים).
• רוב נפחו של האטום הוא חלל ריק.
קופסת עופרת עם חור
http://www.mhhe.com/physsci/chemistry/essentialchemistry/flash/ruther14.swf
רתרפורד -הגדולה שבתגלית הגדלים
רתרפורד חישב ומצא כי רדיוס
האטום הוא בערך פי עשרת
100מטר
אלפים עד מאה אלף (תלוי
בסוג האטום) מזה של הגרעין .כ 40 -קומות
היות וקשה להבין את משמעות
הגדלים ,לפניכם דוגמא
להמחשה...
0.001מ' = 1מ"מ
נסו לענות:
מה צריך להיות רדיוס ”ענן” האלקטרונים (גובה
הבניין) עם הגרעין מסומן כנקודה בקוטר של מילימטר?
0.001מ‘ * 100 = 100,000מ'.
הפרוטון מתגלה
אנגליה 1919
רתרפורד
עם סיום מלחמת העולם הראשונה
חזר רתרפורד לעבודת החקר.
תגליתו החדשה:
חלקיק חיובי אשר כונה על ידי
רתרפורד “פרוטון” ,היות ושיער
שזוהי אבן הבניין של כל היסודות.
“פרוטון” = “חלקיק ראשון”
רתרפורד חשב כי כל היסודות הם
כפולות של הפרוטון.
מודל האטום של רתרפורד
מודל פלנטרי ,כמו מערכת-השמש:
גרעין (שמש) במרכז
ואלקטרונים (כוכבי הלכת) מסביבה
כיצד האלקטרונים נעים?
נילס בוהר
1922
זכה בפרס נובל בכימיה
על מודל חדש לאטום
המסביר את תנועת האלקטרונים
האלקטרונים נעים אך ורק ברמות אנרגיה מסוימות ("קליפות" במרחקים שונים
מהגרעין)
-רק במסלולים מותרים!!!!
לאלקטרון הנע במסלול בעל רדיוס מסוים -יש אנרגיה מסוימת
ככל שהרדיוס של מסלול תנועת האלקטרון קטן יותר ,כך האנרגיה שיש לאלקטרון
זה נמוכה יותר
כאשר האלקטרון נע במסלולו – אין הוא פולט או קולט אנרגיה
כאשר אלקטרון עובר מרמה חיצונית לרמה פנימית יותר -משתחררת אנרגיה
(בצורת אור או גלים אלקטרומגנטיים אחרים) ,וכאשר אלקטרון עובר לרמה גבוהה
יותר – מושקעת אנרגיה
( 1930מכניקת הקוונטים):
התיאור של בוהר פשטני מדיי!
"קליפת האלקטרונים" היא למעשה "ענן" שמתקבל מאוסף ההסתברויות
למצוא את האלקטרון במקומות שונים.
פיזיקאי מדנמרק
ממוצא יהודי
1885-1962
מה עוד יש בגרעין ?
ג'יימס צ’דוויק
פיזיקאי אנגלי
()1974 - 1891
פרוטון
נויטרון
גרעין
מהר מאוד הבינו המדענים כי הגרעין
המורכב מפרוטון מכיל חלקיק נוסף.
ב 1932גילה צ’דוויק ,תלמידו של
רתרפורד ,חלקיק זה.
הוא הסיק כי:
הגרעין מורכב משני סוגי חלקיקים:
חלקיקים בעלי מטען חיובי -פרוטונים
וחלקיקים ניטראליים חשמלית -
נויטרונים.
האם ישנם חלקיקים קטנים
יותר?
גל-מן וצוויג
1969
גל-מן זכה בפרס נובל
בפיזיקה על עבודתו
בתאוריית החלקיקים
האלמנטריים
מארי גל-מן
פיזיקאי
יהודי-אמריקאי
() -1929
לקווארקים מטען קטן ממטען האלקטרון ,והם
לעולם לא נמצאים באופן מבודד ,אלא רק בתוך
חלקיקים המורכבים מכמה קווארקים.
ארה”ב
1964
במחצית הראשונה של המאה
העשרים ,החלו מדענים לאסוף נתונים
שהצביעו על קיומם של חלקיקים
קטנים מהפרוטונים והנויטרונים.
במהלך המחקר התגלו הרבה מאוד
חלקיקים.
ב 1964 -שיערו החוקרים כי יש רק
שלושה סוגי חלקיקים וקראו להם
קווארקים.
הקווארקים הם המרכיבים של
הפרוטון והנויטרון שבגרעין.
בלימודנו לא נתעמק בחלקיקים אלו.
מודל האטום -תחנה סופית?
נקודות כלליות
• ה א ט ו ם בנוי מגרעין ואלקטרונים
• הגרעין -מורכב מפרוטונים (בעלי מטען
חיובי) ונויטרונים (נייטרלים) – טעון חיובית
• רוב מסת האטום מרוכזת בגרעין.
גרעין
• רדיוס האטום גדול פי 10,000עד 100,000
מרדיוס הגרעין.
ענן אלקטרונים
• ניתן לדבר רק על הסתברות
• האלקטרונים הם חלקיקים קטנים מאוד בעלי למציאת אלקטרונים במקום מסוים
מטען שלילי ( )-אשר נעים במהירות גבוהה
באטום .נהוג לדבר על “ענן
בחלל סביב הגרעין.
אלקטרוני”.
• מספר האלקטרונים שווה למספר הפרטונים.
מודל האטום -תחנה סופית?
מבנה הגרעין
מורכב מפרוטונים ונויטרונים
• הפרוטונים ( )pבעלי מטען חיובי (.)+
•
•
•
•
• הנויטרונים ( )nחלקיקים ניטראליים
מבחינה חשמלית.
פרוטונים ונויטרונים הם בעלי מסה שווה (כמעט)
והיא גדולה פי 2000ממסת האלקטרון
מסת הגרעין צפופה מאוד
(כמו גרגיר אפונה השוקל 250מליון טון! )
הגרעין טעון במטען חיובי.
כיום ידוע כי גם הפרוטונים והנויטרונים מורכבים
מחלקיקים הנקראים בשם הכללי קווארקים
מודל האטום -תחנה סופית?
הכוחות הפועלים בין החלקיקים באטום
• בין הגרעין לאלקטרונים פועלים כוחות משיכה
חשמליים.
גרעין
• בין הפרוטונים פועלים כוחות דחייה חשמליים
וכוחות משיכה גרעיניים( .הכוחות הגרעיניים
חזקים בהרבה מהכוחות החשמליים).
פרוטונים
• בין האלקטרונים פועלים כוחות דחייה
וניטרונים
חשמליים.
• בין הפרוטונים והנויטרונים פועלים כוחות
משיכה גרעיניים (כוחות החזקים בהרבה
מהכוחות החשמליים).
.
ענן אלקטרונים
האטום -מפת מושגים
אטום
בנוי מ
אלקטרון ()-
גרעין ()+
בנוי מ
נויטרונים ()0
פרוטונים ()+
בנוי מ
בנוי מ
קווארקים
תם ולא נשלם -מה צופן העתיד??
• במצגת זו ראינו דוגמה של מודל
מדעי שמתפתח ומשתנה לאור
העובדות החדשות.
• מודל האטום הינו פרי של עמל רב
של אלפי חוקרים אשר כמובן לא
כולם ציינו כאן.
• מובן שזהו לא סוף המסע או המודל
ועדיין רב הנסתר על הגלוי.
ויש דברים
חדשים שגם אם למדתם
אפשר להרחיב בהם עוד
ועוד…..