התורה האטומית

התורה האטומית מקביעה שהחומר עשוי מיחידות נפרדות וקבועות הנקראות אטומים. האטום (יחידה בסיסית של חומר) לא נחשב ניתן לחלוקה על ידי ההוגים הקדומים. בתחילת המאה ה-19 הוכיחו ניסויים בכימיה כי החומר מתנהג כחומר שמורכב מחלקיקים, והרעיון נכנס למדע.

בתחילת המאה ה-20 גילו פיזיקאים שחלק מהאטומים אינם בלתי ניתנים לחלוקה. הם מכילים חלקיקים תת-אטומיים (חלקיקים קטנים מאוד בתוך האטום): אלקטרונים (חלקיק טעון שלילי), פרוטונים (חלקיק טעון חיובי) ונייטרונים (חלקיק נייטרלי). בתנאים קיצוניים, למשל בכוכב נייטרונים, האטומים אינם קיימים כלל, ונשארים רק החלקיקים התת-אטומיים. תחום שמחפש את המבנה היסודי עוד יותר נקרא פיזיקת החלקיקים.


הרעיון שאפשר לתאר את החומר ביחידות בלתי-נחלקות קיים אלפי שנים. בתחילה זה היה רעיון פילוסופי, לא ניסויי. משמעות האטומים והרעיונות סביבם השתנו בין תרבויות ובין תקופות, ולעיתים נלוו לכך אלמנטים רוחניים. רק מאוחר יותר אימצה המדע את הרעיון כי החומר אכן מורכב מחלקיקים.


בהודו העתיקה, במאה ה-6 לפנה"ס, קאנדה פיתח רעיונות אטומיים. אסכולות כמו ניאיה ווױיששיקה דיברו על אופן חיבור האטומים ליצירת עצמים. בג'ייניזם האמינו שלאטומים היו תכונות כמו טעם וריח, ושיש להם שתי צורות: קטנה ויכולת להיכנס למקומות צרים, וגדולה שתופסת נפח.


דמוקריטוס במאה ה-5 לפנה"ס פיתח את רעיון האטומים כניסיון לפשר בין דעות שונות על שינוי וקביעות. פרמנידס טען שאין ריק ואין שינוי; דמוקריטוס קיבל חלק מטיעוניו אך הוסיף שיש ריק, והיקום מורכב מאטומים בלתי-נחלקים שנעים בריק. האטומים היו שונים בצורתם ובגודלם, וצרופותיהם ייצרו את כל החומרים.


בתקופת תור הזהב של האסלאם פותחו תאוריות ששילבו רעיונות יוונים והודים. באסכולת האשעריה, כמו אצל אל-ע'זאלי, האטומים נחשבו לישויות נצחיות. דברים ארעיים בטבע נחשבו לתוצאה של התערבות ישירה של אלוהים, והטבע כולה היה תלוי בהתערבות זו.



ג'ון דלטון בתחילת המאה ה-19 הציע תאוריה שבה כל יסוד מורכב מאטומים מסוג אחד. האטומים אינם ניתנים לשינוי או להשמדה, אך יכולים להתחבר וליצור תרכובות. התאוריה של דלטון הסבירה חוקי כימיה חשובים, כמו חוק שימור המסה של לבואזיה (המסה הכוללת בתגובה כימית נשארת קבועה) וחוק היחסים הקבועים של פרוסט (בתרכובת יחס המסות קבוע). דלטון ניסח גם חוק יחסים כפולים, שהסביר מדוע יסודות יכולים ליצור יותר מתרכובת אחת ביחסים של מספרים שלמים.

דלטון הציע משקלים אטומיים יחסיים, כשהמימן מהווה יחידת בסיס. חלק מהנחותיו היו שגויות, למשל שלא ידע שחלק מהיסודות קיימים כמולקולות דו-אטומיות כמו O2. טעויות אלו והציוד הבלתי מדויק גרמו לשיבושים בטבלאותיו.

את התיקון הגדול הביא אמדאו אבוגדרו ב-1811. אבוגדרו טען כי נפחים שווים של גזים בתנאים שווים מכילים מספר שווה של מולקולות. רעיון זה עזר להבחין בין מולקולות לאטומים ולתת הערכות נכונות יותר למשקלים האטומיים.

הראיות הנוספות הגיעו מתצפיות כמו התנועה הבראונית: רוברט בראון ב-1827 שם לב שחלקיקי אבקה נעים באופן אקראי במים. איינשטיין ב-1905 הסביר תנועה זו כתוצאה ממולקולות המים המתנגשיות, וניסויים מאוחרים אישרו זאת.



עד סוף המאה ה-19 החשיבו את האטום לחלקיק הקטן ביותר. ב-1897 ג'יי ג'יי תומסון גילה את האלקטרון בניסויים עם קרניים קתודיות. שפופרת קרוקס (כלי זכוכית עם אלקטרודות וריק) הראתה שהקרניים המוטות הן זרם של חלקיקים טעונים שלילית. תומסון הציע מודל שבו האלקטרונים שקועים בענן מטען חיובי; מודל זה נקרא "מודל עוגת הצימוקים". עם גילוי חלקיקים בתוך האטום נוצר המונח "חלקיקים יסודיים" לתאר חלקיקים שאינם ניתנים לחלוקה יותר.


מתוך ניסוי על עלה זהב ב-1909 נחשף שהאופנה של התפזרות חלקיקים אינה תואמת את מודל עוגת הצימוקים. ארנסט רתרפורד הסיק שהמסה והמטען החיובי מרוכזים בגרעין קטן במרכז האטום. הוא הציע מודל פלנטרי, שבו האלקטרונים סובבים סביב גרעין קטן וכבד.


ב-1913 פרדריק סודי הבחין שיש יותר מ"צורה אחת" ליסוד בטבלה המחזורית. מרגרט טוד טבעה את המילה "איזוטופ" לחומר זה. ניסויים של תומסון על ניאון הראו שקיימים אטומים בעלי מסות שונות, והסבר של הבדלים אלו הגיע אחר כך עם גילוי הנייטרון.


אחרי ניסויים של רתרפורד ב-1918, גילו שגרעיני מימן (כיום פרוטונים) נפלטים מפיצוץ גרעינים. רתרפורד הציע שהפרוטון הוא מרכיב יסודי של הגרעין. ב-1932 ג'יימס צ'דוויק גילה את הנייטרון, חלקיק נייטרלי עם מסה דומה לפרוטון. על כך קיבל את פרס נובל ב-1935.


המודל הפלנטרי נתקל בבעיות: לפי הפיזיקה הקלאסית, חלקיק טעון מאבד אנרגיה ונושר אל הגרעין. תורת הקוונטים הציעה פתרון. מקס פלאנק ואיינשטיין הציעו שאנרגיית אור נפלטת בכמויות קטנות, קוונטים. ב-1913 נילס בוהר שילב רעיון זה והציע מסלולים מקובעים לאלקטרונים, כך שהם יכולים לבצע קפיצות בין רמות אנרגיה. זה הסביר קווי פליטה בדידים.

מאוחר יותר פותחו רעיונות גליים: דה ברויי הציע שחלקיקים מציגים גם התנהגות של גל. שרדינגר פיתח משוואה שמתארת אלקטרון כפונקציית גל. מקס בורן פירש פונקציית גל כהסתברות למצוא אלקטרון במקום כלשהו. עקרון אי-הוודאות קובע שאי אפשר לדעת בדיוק גם את מיקום האלקטרון וגם את התנע שלו. לכן היום מתארים אלקטרונים באורביטלים (אזורים של הסתברות), ולא במסלולים מדויקים.

התורה האטומית אומרת שהחומר עשוי מחלקים קטנים שנקראים אטומים. האטום הוא יחידה קטנה מאוד של חומר.


הרעיון של אטומים קיים מאז העת העתיקה. בהתחלה זה היה רעיון בפילוסופיה.


בהודו העתיקה חשבו שיש אטומים. חלק מהתיאוריות אמרו שלאטומים יש תכונות כמו טעם או צבע.


דמוקריטוס אמר שהעולם עשוי מאטומים זזים בריק. צורת האטומים וקיבוצם יוצרת חומרים שונים.


הוגים מוסלמים שילבו רעיונות יוונים והודים. הם חשבו שהטבע תלוי ברצון אלוהים.



דלטון במאה ה-19 אמר שכל יסוד מורכב מאטומים מאותו סוג. חוקי הכימיה הראו את זה. אבוגדרו אמר שנפחים שווים של גזים מכילים מספר שווה של מולקולות. זה עזר להבין טוב יותר את האטומים.


ב-1897 תומסון גילה את האלקטרון. אלקטרון הוא חלקיק קטן עם מטען שלילי. הוא חשב שהאלקטרונים מפוזרים בתוך מטען חיובי.


ב-1909 רתרפורד גילה שהחלק הגדול של המסה נמצא בגרעין קטן במרכז האטום. גרעין הוא מרכז האטום.


גילו שיש סוגים שונים של אותו יסוד, בעלי מסות שונות. קוראים לזה איזוטופים.


גילו פרוטון, חלקיק חיובי שהוא חלק מהגרעין. ב-1932 גילו נייטרון, חלקיק ללא מטען בגרעין.


בוהר הציע שאלקטרונים מסתובבים במסלולים קבועים. אחר כך גילו שהאלקטרון מתואר כגל והופכים את זה ל"אורביטלים". אורביטל הוא אזור שבו סביר למצוא אלקטרון. עקרון אי-הוודאות אומר שאי אפשר לדעת בו-זמנית בדיוק את מיקום האלקטרון ואת מהירותו.