שאלות לדוגמה הדנות בגילוי גרעין האטום
גילוי גרעין האטום היה אירוע מכריע בהתפתחות הפיזיקה והכימיה. לפני שנעמיק בשאלות הדוגמה ובדיון בהן, הבה נסקור מעט רקע על אופן גילוי גרעין האטום ועל הדמויות המרכזיות מאחורי הגילוי.
רקע לגילוי גרעין האטום
מחקר על אטומים נערך עוד מימי קדם, כאשר פילוסופים יוונים כמו דמוקריטוס ולאוקיפוס הציעו את הרעיון שחומר מורכב מחלקיקים זעירים ובלתי ניתנים לחלוקה הנקראים אטמוס (שפירושו "בלתי ניתן לחיתוך"). עם זאת, תפיסה מדעית יותר של האטום לא התפתחה עד המאה ה-19 ותחילת המאה ה-20.
בשנת 1803, ג'ון דלטון הציע תיאוריה אטומית הקובעת שכל יסוד מורכב מאטומים מאותו סוג וכי לאטומים של יסודות שונים יש מסות ותכונות שונות. עם זאת, תיאוריה זו לא הסבירה את המבנה הפנימי של האטומים.
הצעד המשמעותי הבא היה גילוי האלקטרון על ידי ג'יי. ג'יי. תומסון בשנת 1897, אשר הוכיח כי אטומים אינם חלקיקים זעירים ובלתי ניתנים לחלוקה. תומסון הציע גם את מודל "פודינג השזיפים" שבו אטומים מורכבים מים של מטען חיובי עם אלקטרונים שליליים הפזורים לכל אורכו.
עם זאת, המודל של תומסון התמודד עם אתגרים ניסיוניים שבסופו של דבר נפתרו על ידי ארנסט רתרפורד. בשנת 1911, רתרפורד ערך ניסוי פיזור חלקיקי אלפא המכונה ניסוי גייגר-מרסדן (או ניסוי פיזור זהב). התוצאות הראו שרוב מסת האטום מרוכזת במרכז קטן, אשר מאוחר יותר נודע כגרעין האטום.
ניסוי גייגר-מרסדן ומודל רתרפורד
בניסוי זה, רתרפורד ירה חלקיקי אלפא (בעלי מטען חיובי) לתוך שכבה דקה של זהב. רוב חלקיקי האלפא עברו דרך שכבת הזהב מבלי להשפיע, אך חלקם פוזרו לכיוונים שונים, וחלקם אף חזרו לאחור. זו הייתה תוצאה מפתיעה משום שלפי מודל "פודינג השזיפים" של תומסון, חלקיקי אלפא היו אמורים לעבור ישר דרכם ללא התנגדות משמעותית.
רתרפורד הגיע למסקנה כי לאטומים יש גרעין קטן וצפוף עם מטען חיובי גדול, בעוד שרוב נפח האטום הוא חלל ריק שתפוס על ידי אלקטרונים. המודל האטומי של רתרפורד החליף את מודל "פודינג השזיפים" משום שהוא הסביר טוב יותר את התופעות שנצפו בניסוי.
משוואת רתרפורד והמודל האטומי של בוהר
למרות שהמודל של רתרפורד הציג את מושג גרעין האטום, עדיין היו לו מספר חסרונות בהסבר יציבות אטומית וספקטרום פליטה. בשנת 1913, נילס בוהר עידן את המודל של רתרפורד בכך שהציע שאלקטרונים נעים במסלולים נפרדים סביב הגרעין ויכולים להישאר במסלולים אלה רק מבלי לפלוט קרינה. המודל של בוהר הסביר בהצלחה את ספקטרום המימן.
לאחר מכן, מודל האטום עבר פיתוח נוסף באמצעות מכניקת הקוונטים, שסיפקה הבנה מעמיקה יותר של מבנה האטום והתנהגות האלקטרונים.
שאלות לדוגמה ודיון
להלן מספר שאלות לדוגמה ודיונים על גילוי גרעין האטום ומבנהו. שאלות אלו מכסות את המושגים שכיסינו קודם לכן.
שאלה 1: ניסוי פיזור זהב
שְׁאֵלָה:
בניסוי של רתרפורד, חלקיקי אלפא שנורו לתוך נייר זהב עברו ברובם ללא פגיעה, אך מספר קטן מהם פוזרו לכיוונים שונים. אילו מסקנות ניתן להסיק מניסוי זה, וכיצד הוא מאתגר את מודל "פודינג השזיפים" של ג'יי. ג'יי. תומסון?
דִיוּן:
המסקנה העיקרית של ניסוי זה היא שלאטומים יש מרכז קטן מאוד, צפוף ומטען חיובי, הגרעין. תוצאות הניסוי הראו שרוב נפח האטום הוא חלל ריק מכיוון שרוב חלקיקי האלפא עוברים דרכו ללא הפרעה. חלקיקי האלפא המפוזרים מצביעים על נוכחות של ריכוז גדול של מטען חיובי בגרעין, המסוגל לפזר את חלקיקי האלפא הטעונים החיובית.
ניסוי זה אתגר את מודל "פודינג השזיפים" של תומסון, שהניח כי מטען חיובי מפוזר באופן שווה בכל האטום. אם המודל של תומסון היה נכון, חלקיקי אלפא לא היו מפוזרים באופן שנצפה. המודל של רתרפורד, שהוצע כתוצאה מניסוי זה, היה מדויק יותר משום שיכל להסביר את תוצאות פיזור חלקיקי האלפא.
שאלה 2: המודל האטומי של רתרפורד
שְׁאֵלָה:
הסבר את ההבדלים העיקריים בין מודל "פודינג השזיפים" של תומסון לבין המודל האטומי של רתרפורד. מה ניבא רתרפורד לגבי התפלגות המטען בתוך האטום?
דִיוּן:
ההבדל העיקרי בין שני המודלים הללו הוא פיזור המטען בתוך האטום:
– מודל "פודינג השזיפים" של תומסון הניח שאטומים הם כדורים טעונים חיובית עם אלקטרונים שליליים הפזורים בתוכם, בדומה לצימוקים בפודינג.
– המודל של רתרפורד, לעומת זאת, קבע כי המטען החיובי מרוכז בגרעין קטן וצפוף במרכז האטום, בעוד שהאלקטרונים מפוזרים סביב הגרעין בחלל ריק ועצום.
רתרפורד ניבא שרוב נפחו של אטום הוא חלל ריק, וכי גרעין קטן וצפוף זה אחראי לפיזור חלקיקי אלפא שנצפה.
שאלה 3: תורת האטום של דלטון לעומת המודל האטומי של רתרפורד
שְׁאֵלָה:
השווה את התיאוריה האטומית של דלטון עם המודל האטומי של רתרפורד. כיצד פיתוח מודל אטומי זה סייע להסביר את מבנה האטום ביתר פירוט?
דִיוּן:
התיאוריה האטומית של דלטון קבעה שכל יסוד מורכב מאטומים מאותו סוג וכי לאטומים של יסודות שונים יש מסות ותכונות שונות. עם זאת, תיאוריה זו לא תיארה את המבנה הפנימי של האטומים.
המודל האטומי של רתרפורד הציג את מושג גרעין האטום כמרכז קטן, צפוף, בעל מטען חיובי, עם אלקטרונים הנעים סביב הגרעין. פיתוחים במודל זה סייעו להסביר את פיזור חלקיקי האלפא וקבעו שרוב נפח האטום הוא חלל ריק. זה היה צעד משמעותי בקידום הבנתנו את מבנה האטום והניח את היסודות לתגליות נוספות בפיזיקה וכימיה אטומית.
מסקנה
גילוי גרעין האטום על ידי ארנסט רתרפורד באמצעות ניסוי גייגר-מרסדן הביא לשינוי מהותי בהבנתנו את מבנה האטום. מודלים אטומיים עברו התפתחויות רבות, החל ממודל "פודינג השזיפים" של תומסון ועד למודל של בוהר ומעבר לו ועד למכניקת הקוונטים. הבנתנו את גרעין האטום ואת התנהגות האלקטרונים ממשיכה להתפתח, ומספקת תמונה מפורטת יותר ויותר של טבעם של האטומים והחומר.
הדוגמאות לעיל מדגימות כיצד ניתן לבחון את מושג גרעין האטום באופן ניסיוני וכיצד מודלים אטומיים שונים מסייעים להסביר תופעות שנצפו. הבנת ההתפתחות ההיסטורית של תורת האטום היא המפתח להערכת המדע המודרני ויישומיו.
