מאמר על תורת האטום ותורת הקינטיקה
תיאוריה אטומית
במשך אלפי שנים, היוונים הקדמונים האמינו שכל חומר טהור (כגון זהב, ברזל וכו') מורכב מאטומים. לפיהם, אם חומר טהור נחתך לחתיכות קטנות, אז החלקים הזעירים נחתכים שוב, ואז נחתכים בחזרה... וכן הלאה, אז יהיו החלקים הקטנים ביותר שלא ניתן לחתוך שוב. החלקים הקטנים ביותר שלא ניתן לחתוך שוב נקראים אטומים. אטום פירושו "לא ניתן לחלוקה" (בשפה היוונית).
באותה תקופה, האטום נחשב כלא מחולק עוד. אך מאוחר יותר, כמה מדענים גילו אלקטרונים וגרעיני אטום (פרוטונים ונייטרונים), כך שההנחה שאטומים לא ניתנים לחלוקה לחלקים הייתה שגויה. לכן, אטומים מורכבים מאלקטרונים (בעלי מטען שלילי) ומגרעינים אטומיים. אלקטרונים מקיפים את הגרעין. בתוך הגרעין, ישנם פרוטונים (בעלי מטען חיובי) ונייטרונים (ניטרליים או לא טעונים).
ישנה תיאוריה נוספת; שמה הוא התיאוריה הרציפה. תיאוריה זו קובעת שניתן לחלק חומרים טהורים עד אינסוף. על פי תיאוריה זו, אין דבר כזה חתיכה קטנה ביותר. את החלקים הקטנים ביותר עדיין ניתן לחתוך לחתיכות קטנות יותר. לכן, היא הופכת לאינסופית. איזו משתי התיאוריות הללו נכונה? התיאוריה האטומית הנכונה או התיאוריה הרציפה?
בפיזיקה, כל תיאוריה תוכר מדעית אם ניתן להוכיח אותה בניסויים. במאות ה-18, ה-19 וה-20, באמצעות ניסויים שערכו מדענים, תיאוריית האטום הייתה נכונה.
ראשית, יש להבין את הסקירות הבאות. יסודות הם חומרים טהורים שלא ניתן לחלק אותם לחומרים אחרים מבחינה כימית, לדוגמה זהב (Au), ברזל (Fe), נחושת (Cu), אבץ (Zn), נתרן (Na), סידן (Ca), כלור (Cl), חנקן (N), חמצן (O), מימן (H) וכו'. מלבד היסודות, ישנן גם תרכובות. תרכובות מורכבות מיסודות. מכיוון שהן מורכבות מיסודות, עדיין ניתן לחלק את התרכובת ליסודות. דוגמאות לתרכובות הן מים.
החלק הקטן ביותר של יסוד הוא אטום, בעוד שהחלק הקטן ביותר של תרכובת הוא מולקולה. מולקולות מורכבות מאטומים הדבוקים זה לזה. זהב טהור הוא דוגמה ליסוד. זהב טהור מורכב מאטומי זהב (Au). חלקי ברזל הם גם דוגמה ליסודות. ברזל מורכב מאטומי ברזל (Fe). לכן, היסוד הוא חומר טהור המורכב מאטומים דומים.
המים שאתם רואים, מחזיקים ושותים לעתים קרובות מורכבים ממולקולות מים (הנוסחה הכימית היא H2מולקולות מים מורכבות משני אטומי מימן (H) ואטום חמצן אחד (O).
הנה כמה הוכחות לתורת האטום:
ראשית, חוק ההשוואה הקבועה.
חוק ההשוואה קובע שאם היסודות מתאחדים והופכים לתרכובות, לתרכובות שנוצרות יש את אותו יחס מסה. לדוגמה, מלח. המלח שאנו רואים הוא תרכובת המורכבת ממולקולות מלח (NaCl). באופן טבעי, מולקולות מלח נוצרות תמיד מ-23 חלקים של נתרן (Na) ו-35 חלקים של כלור (Cl).
התיאוריה הרציפה אינה יכולה להסביר זאת, אך התיאוריה האטומית יכולה להסביר זאת. על פי התיאוריה האטומית, אטומים הם החלקים הקטנים ביותר של יסוד, כך שלאטומים יש מסה. יחס המסה של יסודות התרכובת חייב להיות קשור למסה היחסית של האטומים היוצרים את היסוד. בהתבסס על מספר כל יסוד היוצר תרכובות, מדענים קובעים את המסה היחסית של האטומים. נאמר שהיא יחסית מכיוון שהמסה היחסית של יסוד מושוותת למסה היחסית של אטומי יסוד אחרים.
מימן הוא האטום הקל ביותר, ולכן הוא משמש כמדד. המסה היחסית של אטום מימן (H) מקבלת את הערך 1. על ידי שימוש במסה היחסית של אטום מימן כמדד, המסה היחסית של אטום הפחמן (C) מקבלת את הערך 12,
המסה היחסית של אטום החמצן (O) מקבלת ערך של 16 וכן הלאה (ראה טבלת היסודות המחזורית). המסה היחסית של אטום פחמן = 12 פירושה שמסת אטום פחמן אחד גדולה פי 12 ממסת אטום מימן אחד (H). המסה היחסית של אטום חמצן = 16 פירושה שמסת אטום חמצן גדולה פי 16 ממסת אטום מימן אחד (H).
במערכת הבינלאומית (SI) יש לנו סטנדרט מסה, דהיינו אירידיום פלטינה, המאוחסן במוסדות בינלאומיים למשקל וגודל בצרפת. על פי ההסכם הבינלאומי, מסת אירידיום פלטינה היא 1 ק"ג, זהו קילוגרם סטנדרטי. בקנה מידה אטומי, יש לנו גם סטנדרט מסה שני, שהוא 12 אטומי פחמן C. בהתבסס על הסכמים בינלאומיים, המסה של אטום פחמן אחד 12 C היא 12,0000 יחידות מסה אטומית מאוחדות (בקיצור u).
1 u = 1.66 x 10-27 ק"ג.
מסה של אטום פחמן אחד (C) = 12.0000 u, מסה של אטום מימן אחד (H) = 1,0078 u, מסה של אטום חמצן אחד (O) = 15.9994 u, מסה של אטום נתרן אחד = 22.9897 u וכן הלאה. לגבי מסה אטומית, ניתן לראות אותה במלואה בטבלה המחזורית של היסודות.
בנוסף למסה אטומית, יש גם מסה מולקולרית. מסה מולקולרית היא המסה הכוללת של האטומים במולקולה. לדוגמה, המסה של מולקולת מלח (NaCl) = המסה של אטום אחד של נתרן (Na) + המסה של אטום אחד של כלור (Cl). המסה של מולקולות המים (H2O) = המסה של 2 אטומי מימן (H) + המסה של אטום חמצן אחד (O).
שנית, תנועה חומה
בימי קדם, חי ביולוג אנגלי בשם רוברט בראון. הוא חקר אבקה המונחת במים (1827). מים ואבקה נראים באמצעות מיקרוסקופ. רוברט בראון מצא זאת מוזר לאחר שראה את האבקה נעה בכוחות עצמו. זה מוזר מכיוון שהאבקה נעה. כיוון תנועת האבקה הוא שרירותי, אך רציף. הוא חושד שהתנועה היא חיים, שבהם אבקה חיה כדי שתוכל לנוע. אבל הניחוש שלו שגוי מכיוון שחלקיקים אורגניים קטנים כמו אבקה נעים גם כשהם מונחים במים. תנועה זו נקראת תנועה בראונית.
לא ניתן להסביר גילוי זה עד לפיתוח התיאוריה הקינטית.
תיאוריה קינטית
קינטית פירושה תנועה (יוונית). התיאוריה הקינטית קובעת שכל חומר מורכב מאטומים או מולקולות וכי אטומים או מולקולות נעים ברציפות באופן אקראי.
כאשר הם נעים, אטומים או מולקולות צריכים לנוע במהירות. לאטומים או למולקולות יש גם מסה. מכיוון שיש להם מסה (m) ומהירות (v), אז לאטום או למולקולה יש אנרגיה קינטית (EK) ותנע (p). אנרגיה קינטית: EK = 1/2 mV2בעוד שתנע: p = m v. בנוסף לתנע, ישנם כוחות. בעת תנועה, קיימת אפשרות להתנגשויות. לכן, כוחות נוצרים עקב שינויים בתנע כאשר מתרחשת התנגשות.
ניתן לומר שתורת הקינטית מבוססת על אנרגיה קינטית, תנע וכוח. שלושת הדברים הללו נלמדים בנושא דינמיקת תנועה (חוקי ניוטון, דחף ותנע). ההבדל הוא שבתורת הקינטית, אנו מיישמים דינמיקה ברמת האטומים או המולקולות. תורת הקינטית פותחה על ידי בויל (1627-1691), דניאל ברנולי (1700-1782), ג'ול (1818-1889), קרוניג (1822-1879), רודולף קלאוזיוס (1822-1888) וקלרק מקסוול (1831-1879).
קיומה של תיאוריה קינטית זו יכול להסביר את תגליתו של בראון. על פי התיאוריה הקינטית, אבקה נעה משום שמולקולות מים הנעות במהירות מניעות אותה. מספר מולקולות המים הוא עצום, ולכן אבקה נדחפת מכיוונים שונים.
בהתבסס על חוק ההשוואה הקבועה וגילוי התנועה החומה, תאוריית האטום זוכה לאמונה גוברת בקרב מדענים. אטומים הם החלקים הקטנים ביותר של כל חומר. לפיכך, לאטום יש גודל. מהו גודלו של אטום?
בשנת 1905, איינשטיין חקר באופן תיאורטי את גודל האטומים. בהתבסס על תורת האטום, תורת הקינטיקה ונתונים שהתקבלו באמצעות ניסויים, הוא גילה שקוטר האטום היה כ-10-10 מ. לכן, קוטר האטום מתקבל באמצעות חישוב. גודל האטומים התגלה, ולכן התיאוריה האטומית מוכרת, כמו גם התיאוריה הקינטית.
