אטום

אטום (ביוונית: ἄτομος, ‘‘אינו ניתן לחיתוך’’) הוא החלקיק הקטן המייצג יסוד כימי. האטום מורכב מגרעין קטן וכבד במרכז, שבו פרוטונים בעלי מטען חיובי ונייטרונים ניטרליים, וסביבו אלקטרונים בעלי מטען שלילי. בדרך כלל מספר האלקטרונים שווה למספר הפרוטונים, ולכן האטום נייטרלי. מסת האטום היא בעיקר מסת הגרעין, מאחר שמסת האלקטרון זניחה יחסית.

המונח הוצע כבר על־ידי דמוקריטוס במאה ה־5 לפנה"ס. מבחינה מדעית, ג'ון דלטון ב־1803 הציע תאוריה אטומית להסבר תגובות כימיות. מאוחר יותר גילו מדענים מרכזיים את האלקטרון (תומסון), את הגרעין (ניסוי רתרפורד), את הנייטרון (צ'אדוויק) ואת רמות האנרגיה של בוהר. תאוריית הקוונטים החליפה את המודל הפשוט והראתה שאי־אפשר לדעת מיקום מדויק לאלקטרון, אלא רק את ההסתברות למצוא אותו.

כל יסוד מיוצג על־ידי אטומים בעלי אותו מספר פרוטונים. מספר הפרוטונים נקרא המספר האטומי. המסה האטומית היא סכום הפרוטונים והנייטרונים. בטבלה המחזורית היסודות מסודרים לפי המספר האטומי ויש להם סימול קצר, למשל C לפחמן ו‑Al לאלומיניום. לדוגמה, בברזל (Fe) המספר האטומי הוא 26 והמסה האטומית כ־55.8. אטום שאיבד או קיבל אלקטרונים נקרא יון.

איזוטופים הם אטומים של אותו יסוד עם מספר שונה של נייטרונים. התכונות הכימיות כמעט זהות, אך המסה שונה. חלק מהאיזוטופים אינם יציבים ונוטים לפלוט קרינה (רדיואקטיביים). למשל, לברזל יש מספר איזוטופים, וחלקם רדיואקטיביים.

הגרעין קטן מאוד אך מהווה את רוב המסה. אלקטרונים נמצאים בענני הסתברות סביב הגרעין, במבנה של קליפות ואורביטלים. האטום ברובו ריק בתכלית, כלומר נפח גדול יחסית למחסות החומר בגרעין.

הסידור של האלקטרונים (מבנה האלקטרונים) קובע את התכונות הכימיות. רק האלקטרונים בחלק החיצוני משפיעים על הקשרים הכימיים. אורביטל הוא איזור בו סביר למצוא אלקטרון; בכל אורביטל יכולים לשכון עד שני אלקטרונים עם ספינים מנוגדים (ספין = תכונה פנימית של האלקטרון).

במקום מסלולים מדויקים, תורת הקוונטים מגדירה אורביטלים וצורתם. בדרך כלל מגדירים נפח שבו יימצא האלקטרון כ־90% מהזמן. סידור האורביטלים ברמות אנרגיה מסביר מדוע אטומים שואפים למבנה יציב (אוקטט) באמצעות קליטה או שחרור אלקטרונים.

על פי פלאנק האנרגיה מגיעה במנות (קוואנטים). אלקטרונים ברמות אנרגיה גבוהות יותר מחזיקים יותר אנרגיה. מעבר לאורביטל נמוך משחרר אנרגיה, לעיתים כקרינת פוטונים בטווחים שונים (אור נראה, תת־אדום, על־סגול, רנטגן). תהליכים אלה חשובים בכימיה ובספקטרוסקופיה.

משוואת שרדינגר בקוונטים מסבירה את קליפות האלקטרונים. אורביטלים מסומנים s, p, d, f. s יכול להכיל 2 אלקטרונים, p עד 6, d עד 10 ו‑f עד 14. גזים אצילים הם יסודות עם קליפה מלאה, ולכן יציבים ולא פעילים כימית.

קשרים כימיים הם כוחות שמחברים אטומים ויוצרים מולקולות. סוגי קשר עיקריים: קשר יוני, העברה מלאה של אלקטרון מאטום אחד לאחר (דוגמה: NaCl); קשר קוולנטי, שיתוף אלקטרונים בין אטומים (דוגמה: H2, CH4); קשר מימני, משיכה חלשה יחסית בין אטום מימן קשור לאטום בעל מטען חלקי שלילי (דוגמה: ב‑DNA); קשר ואן דר ואלס, כוחות חלשים בין מולקולות; קשר מתכתי, ענני אלקטרונים משותפים במתכות המאפשרים הולכה חשמלית.

האטומים נולדו בתהליכים קוסמיים אחרי המפץ הגדול. בהתרחבות ובקירור הראשוני נוצרו חלקיקים יסודיים, ובהמשך, פרוטונים, נייטרונים ואלקטרונים.

לפני כ־13.8 מיליארד שנים החל היקום באירוע שנקרא המפץ הגדול. בשניות הראשונות נוצרו הכוחות והחלקיקים הבסיסיים. חלק מהתהליכים הללו הותירו קרינת הרקע הקוסמית.

בסיומים הראשוניים נוצרו קווארקים ולפטונים, בוזונים (כמו גלואונים ופוטונים) וחומר ואנטי־חומר. מפגש חומר ואנטי־חומר גרם להתאיידות חלקית, אך חלק מהחומר נשאר והמשיך להתפתח.

כאשר היקום התקרר, בעשרות עד מאות אלפי שנים נוצרו פרוטונים ונייטרונים. כוח הגרעין החזק איחד אותם לגרעינים פשוטים, והאלקטרון הצטרף כדי ליצור אטומים ראשונים כמו מימן והליום.

בתוך כוכבים נמשכת היתוך גרעיני והיווצרות יסודות כבדים יותר. בעזרת כוח הכבידה ענני הגז מתרכזים, עולים הטמפרטורה והלחץ, ומתרחש היתוך שיוצר יסודות חדשים.

בתחילה נוצרו מימן והליום, ואז יסודות קלים כמו ליתיום ובריליום. אחר כך, בכוכבים, נוצרו יסודות עד לברזל (מספר אטומי 26).

כוח הכבידה מרכז ענני גז לחלקים צפופים יותר. בתנאים של טמפרטורה ולחץ גבוהים נוצרים אטומים כבדים יותר והעננים הופכים לכוכבים וגלקסיות.

בכוכבים מסוימים, כשהמימן נגמר, הכבידה גורמת לקריסה ולעתים לפיצוץ עצום הנקרא סופרנובה. בתנאים אלו נוצרים יסודות כבדים מאוד, לדוגמה זהב ואורניום, שמפוזרים לחלל.

הגרעין מכיל פרוטונים ונייטרונים (נוקלאונים). הכוח החזק מחבר בין הנוקלאונים ובין הקוורקים שבתוכם. אנרגיה גבוהה מפורקת או משוחררת בתגובות גרעיניות כמו היתוך וביקוע.

הרעיון האטומי החל בתרבות העתיקה. המדע המודרני החל עם דלטון, המשיך בתגליות האלקטרון, הגרעין ונייטרון, במודל של בוהר ובסופו של דבר במכניקת הקוונטים.

ניתן לראות אטומים באמצעות מיקרוסקופים מיוחדים, כמו מיקרוסקופ מִנהור סורק (STM). המכשיר סורק משטח במחט דקה ומודד זרם של מינהור קוונטי כדי להכיר מבנים אטומיים.

שיטות לזיהוי יסודות כוללות ספקטרומטר מסה (מדידת יחס מטען/מסה), מיקרוסקופים אלקטרוניים וספקטרוסקופיה אופטית לזיהוי יסודות בכוכבים דרך קווים בספקטרום האור.

אטום הוא החלקיק הכי קטן שמייצג יסוד כימי. אטום מורכב מגרעין במרכז. בגרעין יש פרוטונים וחלקיקים נייטרליים שנקראים נייטרונים. סביב הגרעין סובבים אלקטרונים. פרוטון מטען חיובי. אלקטרון מטען שלילי. בדרך כלל יש עד כמה אלקטרונים שווים לפרוטונים, אז האטום נייטרלי (לא טעון).

הרעיון על אטומים היה כבר אצל דמוקריטוס לפני אלפי שנים. מדענים גילו מאוחר יותר את האלקטרון, את הגרעין ואת הנייטרון. כיום יודעים שהאלקטרונים נמצאים בעננים של הסתברות, לא במסלולים מדויקים.

כל יסוד מיוצג על־ידי מספר פרוטונים קבוע. מספר זה נקרא המספר האטומי. היסודות מסודרים בטבלה המחזורית לפי המספר הזה. לכל יסוד יש שם קצר, כמו C לפחמן ו‑Al לאלומיניום.

איזוטופים הם אטומים מאותו יסוד עם נייטרונים שונים. המשקל שלהם שונה. חלק מהאיזוטופים יכולים להוציא קרינה, וזה נקרא רדיואקטיביות.

הגרעין קטן מאוד אך כבד. סביבו ענני אלקטרונים. רוב נפח האטום הוא ריק.

אלקטרונים יושבים באזורי הסתברות שנקראים אורביטלים. בכל אורביטל יכולים לשבת שני אלקטרונים. האלקטרונים שבקליפה החיצונית קובעים איך האטום יתנהג וכיצד יתקשר לאטומים אחרים.

קשרים מחברים אטומים ויוצרים מולקולות. יש קשרים שונים: קשר יוני, העברת אלקטרונים (לדוגמה מלח). קשר קוולנטי, שיתוף אלקטרונים (לדוגמה מולקולת מימן H2). קשר מימני הוא קשר חלש שחשוב במולקולות ביולוגיות כמו DNA. קשר מתכתי נותן למתכות יכולת להעביר חשמל.

האטומים נוצרו לאחר המפץ הגדול לפני כ־13.8 מיליארד שנים. בתחילה נוצרו חלקיקים בסיסיים. אחר כך נוצרו פרוטונים, נייטרונים ואלקטרונים.

בכוכבים יש תהליכים של היתוך שייצרו יסודות כבדים יותר. כדים עם כוכבים שהתפוצצו (סופרנובה) פיזרו יסודות כבדים לחלל, וכך נוצרו חומרים כמו זהב על פני כדור הארץ.

יש מכשירים שמאפשרים "לראות" אטומים, כמו מיקרוסקופ מִנהור סורק. כדי לזהות יסודות משתמשים גם בספקטרום האור ובמכשירים למדידת מסה.