‫מבנה האטום‬ ‫מהי כימיה?‬ ‫ כימיה מוגדרת כמדע העוסק בחומר; הרכב‪ ,‬מבנה‪ ,‬תכונות ומעבר מצורה‬ ‫אחת לצורה שנייה‪.‬‬ ‫ הכימיה עוסקת במבנה החומרים‪ .‬ממה הם מורכבים‪ -‬מבנה האטום וכיצד‬ ‫מרכיביו חברו יחד‪ -‬הקשר הכימי‪.‬‬ ‫חומר ואנרגיה‬ ‫ חומר‪ -‬בעל מסה‪ ,‬תופס חלל‪.‬‬ ‫ אנרגיה‪ -‬היכולת לבצע עבודה‪.‬‬ ‫‪1‬‬ ‫כימיה בתקופה הקדומה‬ ‫ראשית הכימיה היישומית קודמת להיסטוריה הכתובה‪:‬‬ ‫ ההפרדה של מתכות מסוימות‪ ,‬כמו נחושת ואח"כ ברזל‬ ‫ יצירת מסגים כמו ארד‬ ‫ שימוש בחומרי צבע‪ ,‬בזכוכית ועוד‬ ‫המודל היווני )מאות ‪ 4-5‬לפני הספירה(‪:‬‬ ‫העולם עשוי מתערובות שונות‪ ,‬בפרופורציות שונות‪ ,‬של ארבעה יסודות‬ ‫בלבד‪ :‬אדמה‪ ,‬מים‪ ,‬אוויר ואש‪.‬‬ ‫על פי אריסטו‪:‬‬ ‫תיאוריית החומר של אריסטו נחלה הצלחה מרובה‪,‬‬ ‫והחזיקה מעמד עד למאה ה‪ 17 -‬לספירה‪.‬‬ ‫כימיה בתקופה הקדומה‬ ‫על פי דמוקרטס‪ :‬התיאוריה האטומית של החומר‪ :‬החומר בנוי מחלקיקים‬ ‫זעירים‪ ,‬בלתי ניתנים לחלוקה נוספת‪ ,‬הנקראים אטומים‪.‬‬ ‫אטום‪ :‬א‪-‬טומוס )בלתי ניתן לחלוקה(‬ ‫ההסבר‪ :‬חציית גוש זהב לשניים‪ .‬שני החלקים הינם עדיין גושי זהב‪.‬‬ ‫ממשיכים לחלק את הגושים עד למצב שבוא לא ניתן לחלק יותר את‬ ‫הזהב‪ .‬אולם‪ ,‬הזהב עדיין שומר על אופיו‪ .‬חלקיק קטנטן זה שלא ניתן‬ ‫לחלוקה נוספת נקרא‪ :‬אטום של זהב‪.‬‬ ‫הסיבות לאי קבלת התיאוריה של דמוקרטס‪:‬‬ ‫ התיאוריה מנוגדת לפילוסופיה של אריסטו‪.‬‬ ‫ התיאוריה מנוגדת לאמונות היסוד של הדתות העיקריות‪ .‬היהודים‬ ‫הנוצרים והמוסלמים ראו בגישה זו חוסר אמון באל אחד וחומרנות‪,‬‬ ‫בשל הטיעון העיקרי כי ניתן להסביר כל דבר בעולם במונחים של‬ ‫חומר ותנועה‪.‬‬ ‫כימיה בעידן המודרני‬ ‫המאה ה‪:17 -‬‬ ‫ החל השימוש בשיטות מחקר כמותיות‪ ,‬שקילה לעיתים תכופות יותר‪.‬‬ ‫ תחילת חקר הגזים‪.‬‬ ‫המאה ה‪:18 -‬‬ ‫ לבואזיה ופריסטלי קבעו כי האוויר הוא תערובת של גזים‪.‬‬ ‫ האוויר אינו יסוד‪ -‬התיאוריה של אריסטו נסתרה‪.‬‬ ‫לבואזיה מנסח את חוק שימור החומר האומר כי כמות שווה‬ ‫של חומר קיימת גם לפני הניסוי וגם אחריו‪.‬‬ ‫לבואזיה‬ ‫אנטואן‪ -‬לורן‬ ‫לבואזיה גם הראה כי החמצן והמימן הם יסודות וביחד הם‬ ‫מרכיבים את המים‪.‬‬ ‫פריסטלי ג'וזף‬ ‫בספרו "יסודות הכימיה" מוצגת הכימיה כמדע מודרני‪.‬‬ ‫ששם הוא מנתח את המושג יסוד ) ‪ (element‬בדרך‬ ‫הקרובה להשקפתנו המודרנית‪.‬‬ ‫מחולל חשמל סטטי שהמציא פריסטלי‪.‬‬ ‫‪2‬‬ ‫כימיה בעידן המודרני‬ ‫פרוסט‪ -‬חוק ההרכב הקבוע‪ :‬בכל תרכובת כימית יש יחס משקלי קבוע בין‬ ‫היסודות המרכיבים אותה‪ .‬כלומר‪ ,‬אם נפרק מים מאזורים שונים על פני כדור‬ ‫הארץ תמיד נקבל כמות חמצן שהוא כבד פי ‪ 8‬מכמות המימן‪.‬‬ ‫החומרים בעולם בנויים מיסודות פשוטים ושונים וכאשר הם‬ ‫מתמזגים נוצרות תרכובות כימיות מורכבות ומסובכות יותר‪.‬‬ ‫המאה ה‪:19 -‬‬ ‫ג'והן דלטון‪ -‬הראשון שביסס את דעותיו על קיומם של אטומים ביסוד‬ ‫בעזרת מחקרים וניסויים )קיבל את הגדת דמוקרטס(‪.‬‬ ‫ג'והן דלטון‬ ‫כימיה בעידן המודרני‬ ‫המודל הכדורי של דלטון‪:‬‬ ‫ אטומים הינם אבני הבניין של היסודות‪.‬‬ ‫אטומים שונים ע"פ דלטון‬ ‫ יסודות בנויים מאטומים זהים‪.‬‬ ‫ יסודות שונים בנויים מאטומים שונים‪.‬‬ ‫תרכובות שונות ע"פ דלטון‬ ‫ שני אטומים שונים או יותר‪ ,‬נקשרים ביניהם לתת תרכובת‪.‬‬ ‫כימיה בעידן המודרני‬ ‫המאה ה‪:19 -‬‬ ‫אבוגדרו אמדאו‪ -‬בלחץ ובטמפרטורה נתונים לגזים שונים שנפחם‬ ‫שווה יש מס' שווה של מולקולות‪.‬‬ ‫לצורך ניסוח החוק טבע אבוגדרו את המונח "מולקולה"‬ ‫אבוגדרו אמדאו‬ ‫ינס ברצליוס‪ -‬הנהיג את הסמלים המשמשים את הכימיה עד היום‪.‬‬ ‫המפרי פרדיי‪ -‬פיתח את האלקטרוכימיה תוך גילוי יסודות חדשים‪.‬‬ ‫‪3‬‬ ‫כימיה בעידן המודרני‬ ‫קרן קרני קתודה‪:‬‬ ‫ זרם חשמלי דק‪ ,‬בין שתי אלקטרודות בתווך ריק‪.‬‬ ‫קרינה נפלטת מהקתודה‪.‬‬ ‫ משהו צריך להעביר את הזרם‬ ‫ חלקיקי אטום הנושאים מטען חשמלי שלילי‪.‬‬ ‫ ע"פ חישובים מניסוי זה‪ ,‬מצא את היחס בין מטען‬ ‫האלקטרון למסתו ‪e/m‬‬ ‫‪William Crookes‬‬ ‫וויליאם קרוקס‬ ‫שנים‪1832-1919 :‬‬ ‫ארץ מוצא‪ :‬אנגליה‬ ‫תגלית‪ :‬חקר ואפיין את קרני הקתודה הנפלטים‬ ‫משפופרת קרני קתודה‪.‬‬ ‫מצא כי‪:‬‬ ‫‪ .1‬הקרניים נעות בקווים ישרים‪.‬‬ ‫‪ .2‬הקרניים גורמות לפוספורסנציה או‬ ‫פלואורסנציה בחומר בהן הן נוגעות‪.‬‬ ‫‪ .3‬הקרניים מייצרות חום רב במקום פגיעתן‪.‬‬ ‫•חשב כי מדובר על מצב צבירה רביעי של חומר‪.‬‬ ‫למעשה חשב שמדובר בזרם של חלקיקי חומר בסדר של מולקולות‪.‬‬ ‫ זרם חשמלי דק‪ ,‬בין שתי אלקטרודות בתווך ריק‪.‬‬ ‫קרינה נפלטת מהקתודה‪.‬‬ ‫ משהו צריך להעביר את הזרם‪.‬‬ ‫ חלקיקי אטום הנושאים מטען חשמלי שלילי‪.‬‬ ‫‪4‬‬ ‫‪Joseph. J. Thomson‬‬ ‫ג'וזף תומסון‬ ‫שנים‪1856-1940 :‬‬ ‫ארץ מוצא‪ :‬אנגליה‬ ‫תגלית‪ :‬חקר את היחס בין המטען והמסה של חלקיקי‬ ‫קתודה בשפופרת קרני קתודה‪.‬‬ ‫גילה ואפיין את האלקטרון כמרכיב בסיסי של כל‬ ‫האטומים‪.‬‬ ‫זכה בפרס נובל ב‪.1906 -‬‬ ‫תכונות של קרני קתודה‪:‬‬ ‫‪ .1‬אם מחליפים את החומר ממנו בנויה הקתודה‪ ,‬הקרן לא משתנה‪.‬‬ ‫‪ .2‬אין תלות אם השפופרת בריק )ואקום( או מלאה בגז‪.‬‬ ‫‪ .3‬הקרניים מוסתות ממסלולן מהפרעה של שדות חשמליים או‬ ‫מגנטיים‪.‬‬ ‫‪ -d‬מגנט‪ ,‬מטה את הקרן‪.‬‬ ‫‪ -e‬אובייקט מסתובב בסופו של דבר אינו מטה‬ ‫את הקרן‪.‬‬ ‫‪ -a‬קרן קרני קתודה ללא מניפולציה‪.‬‬ ‫‪ -b‬אובייקט קטן מוכנס בקרן מייצר צל‪.‬‬ ‫‪ -c‬מוסיפים שדה חשמלי המטה את הקרן‪.‬‬ ‫על ידי מדידות של הסטייה של קרני הקתודה‬ ‫כתוצאה משדות מגנטיים וחשמליים שונים‪,‬‬ ‫הוא מצא את היחס בין מטען האלקטרון‬ ‫למסה שלו‪:‬‬ ‫‪e/m= 1.78 × 108 coulomb(C) per gram‬‬ ‫‪5‬‬ ‫בספרו "חשמל וחומר" מתאר תומסון את מבנה האטום כפי‬ ‫שהוא רואה אותו‪:‬‬ ‫אנו יוצאים מן ההנחה כי האטום הוא צבר של מערכות פשוטות יותר‪ ,‬וננסה לבדוק את אופיין של‬ ‫מערכות אלה‪ .‬ראינו כי גופיף שמסתו כה קטנה‪ ,‬יחסית לזו של האטום‪ ,‬הוא אחד ממרכיביו של‬ ‫האטום…הגופיף נושא כמות מוגדרת של מטען חשמלי שלילי והיות שעם כל מטען חשמלי קשור‬ ‫תמיד מטען שווה מסוג הפוך‪ ,‬עלינו לצפות כי המטען שלילי של הגופיף קשור עם מטען שווה של‬ ‫חשמל חיובי‪".‬‬ ‫ע"פ תומסון האטום הוא כדור טעון במטען חיובי ובתוכו משובצים האלקטרונים‬ ‫"כמו צימוקים בעוגה" – לכן מודל זה מכונה "מודל עוגת הצימוקים"‪.‬‬ ‫כימיה בעידן המודרני‬ ‫מיליקן רוברט‬ ‫הדיאגרמה של המכשיר בפרסום המדעי ‪1913‬‬ ‫המכשיר‬ ‫ חלק מהטיפות נטענות‬ ‫שלילית‪ .‬טיפה שטעונה‬ ‫שלילית נופלת לאט יותר‪.‬‬ ‫ הטיפות נעצרות במתח‬ ‫מסוים‪ ,‬כאשר יש איזון בין כוח‬ ‫‪ 004_MILLIKANOIL.MOV‬הכבידה )‪ (F=mg‬והכוח‬ ‫החשמלי )‪.(F=qE‬‬ ‫ ידועה עוצמת השדה החשמלי‬ ‫ולכן מטענה של כל טיפה‪.‬‬ ‫‪ -Atomiser‬מרסס טיפות שמן זעירות וספריות‪.‬‬ ‫ נמצא כי מטעני הטיפות הם‬ ‫מכפלות של קבוע‪.‬‬ ‫חלק מהטיפות עוברות דרך חריץ אל שדה חשמלי‬ ‫)בין שתי אלקטרודות ממתכת(‪.‬‬ ‫ הקבוע הנו מטען האלקטרון‬ ‫הטיפות נטענות בעזרת אלומת קרני ‪.x‬‬ ‫‪6‬‬ ‫כימיה בעידן המודרני‬ ‫המודל הגרעיני של רת'רפורד‪:‬‬ ‫בקרל‪ -‬גילה את הרדיואקטיביות )קרינה פעילה(‪ .‬ישנם יסודות כמו‬ ‫‪ -U‬אורניום ו‪ R -‬רדיום הפולטים מאליהם קרינה בלתי ניראת‪,‬‬ ‫בעלת כושר חדירות גבוהה‪.‬‬ ‫רת'רפורד ארנסט‬ ‫עם האנס גייגר‬ ‫רת'רפורד‪ -‬חקר את טיבה של קרינה רדיואקטיבית ומצא כי היא מורכבת משלושה מרכיבים שונים‪:‬‬ ‫חלקיקי אלפא )‪ – (α‬חלקיקים בעלי מטען חיובי‪.‬‬ ‫חלקיקי ביתא )‪ – (β‬חלקיקים בעלי מטען שלילי‪.‬‬ ‫קרינת גמא )‪– (λ‬‬ ‫קרינה חסרת מטען‪.‬‬ ‫‪005_SEPARATION.MOV‬‬ ‫כימיה בעידן המודרני‬ ‫ רתרפורד ערך מספר ניסויים עם חלקיקי אלפא‪.‬‬ ‫ סבר שאם קרינה זו‪ ,‬שהיא בעלת מטען חיובי תופנה לעבר לוח של מתכת תחדור הקרינה‬ ‫ללא סטייה ממשית ממסלולה המקורי‪.‬‬ ‫ תוצאות ניסוייו של רתפורד היו שונות‬ ‫ממה שציפה‪...‬‬ ‫ניסוי רדיד הזהב‬ ‫‪7‬‬ ‫‪006_RUTHERFORD.MOV‬‬ ‫הניסוי של רת'רפורד‬ ‫המודל של תומסון למבנה האטום‬ ‫כימיה בעידן המודרני‬ ‫"מצאנו כי אחדים חלקיקי אלפא נרתעים ונוטים לאחור‪ .‬היה זה המאורע המדהים‬ ‫ביותר שהתרחש בימי חיי‪ .‬לא היה זה פחות אילו ירית פגז של ‪ 15‬אינץ' לעבר‬ ‫ממחטת נייר והפגז שב לאחור ופגע בך‪“...‬‬ ‫‪8‬‬ ‫כימיה בעידן המודרני‬ ‫המודל של בוהר‪:‬‬ ‫בוהר נילס‬ ‫ חלקיקים קטנים‪ ,‬תת אטומיים‪ ,‬אינם נשמעים בכל לחוקים החלים על גופים גדולים‪.‬‬ ‫ האלקטרונים באטום נעים במסלולים סגורים מסוימים )אליפטיים( שניתן לחשב את‬ ‫צורתם‪.‬‬ ‫ אלקטרון הנע במרחק רב יותר מהגרעין נמצא ברמת אנרגיה גבוהה יותר מאלקטרון‬ ‫הקרוב לגרעין‪.‬‬ ‫ אור נפלט ממעבר של אלקטרון ממסלול גבוה למסלול נמוך‪.‬‬ ‫כימיה בעידן המודרני‬ ‫גל ‪ -‬הינו התפשטות של הפרעה במרחב‪.‬‬ ‫משרעת )אמפליטודה(‪ -‬היא הגודל המקסימלי החיובי של גל מחזורי‪.‬‬ ‫כימיה בעידן המודרני‬ ‫התאבכות הורסת‬ ‫התאבכות בונה‬ ‫התאבכות בונה )באיור השמאלי( מתרחשת כאשר כל הגלים מגיעים בשיאם‬ ‫ומחזקים זה את זה‪.‬‬ ‫התאבכות הורסת )באיור הימני( מתרחשת כאשר סכום האמפליטודות שווה לאפס‪.‬‬ ‫עבור שני גלים‪,‬כאשר שני גלים בעלי אותה אמפליטודה‬ ‫‪9‬‬ ‫כימיה בעידן המודרני‬ ‫המודל הקוונטו‪-‬מכני‪:‬‬ ‫בוהר חקר את אטום המימן ‪.H‬‬ ‫גישר בין הפיזיקה הקלאסית לבין הפיזיקה המודרנית‬ ‫חלקיקי חומר מתנהגים כגל וכחלקיק‪ -‬דואליות‪.‬‬ ‫התפתחות תיאורית הקוונטים‬ ‫אור‪ :‬מורכב מחבילות קבועות של אנרגיה‪ -‬קוונטים‪.‬‬ ‫המודל הקוונטו‪-‬מכני‪:‬‬ ‫האלקטרונים נעים מסביב לגרעין במסלולים קבועים של אנרגיה‪.‬‬ ‫מסלולי האנרגיה אלו נקראים אורביטלים‪.‬‬ ‫לא יתכן שימצאו יותר משני אלקטרונים על אותו אורביטל‪.‬‬ ‫‪10‬‬