טבעו הקוונטי של האטום - חלק א׳
15/06/2020
מעט לפני תחילתה של המאה ה-20 חשבה לתומה קהילת הפיזיקאים העולמית שבקרוב תהיה מחוסרת עבודה; בכל תחום ותחום נדמה היה שהמדע הגיע לקצה הידע האפשרי. בפרט, בקרב מדע מבנה החומר, הניסויים שערכו ארנסט רת׳רפורד ועמיתיו הראו כי האטום מורכב מגרעין ומאלקטרונים הנמצאים סביבו, תוצאה שהביאה איתה תקווה שהדרך להבנת מבנה החומר עומדת להגיע את הפתרון המיוחל. אולם, מודל רת׳רפורד הוחלף במהרה על ידי המודל של נילס בוהר שהסביר טוב ממנו את תוצאות הניסויים, הראה שוב את עקביותה של מכניקת הקוונטים וחוזקתה המדעית על פני תיאוריות קלאסיות ופתח צוהר נוסף לתאוריה שתוביל למהפכה בעולם הפיזיקה.
הפילוסוף היווני דמוקרטוס היה כנראה זה שטבע, אי שם במאה ה-5 לפני הספירה, את המושג ״אטום״ (בתרגום חופשי - לא ניתן לחלוקה), בשערו כי החומר מורכב מאבני בניין קטנות שלא ניתנות לחלוקה. במשך כאלפיים שנים מחקר האטום התקדם בעצלתיים עד שבתחילת המאה ה-20 מצא הפיזיקאי הבריטי ת׳ומסון כי - להפתעת כולם - האטום מכיל חלקיקים קטנים אף יותר שנקראים אלקטרונים. מודל האטום של ת׳ומסון, הקרוי גם מודל עוגת הצימוקים, תיאר את האטום ככדור חומר טעון חיובית (העוגה) בו משובצים אלקטרונים טעונים שלילית (הצימוקים), הנמשכים אל הכדור בכוח משיכה חשמלי.
כעשור לאחר שפותח מודל תומסון, הוא פינה את מקומו לטובת מודל שתיאר טוב יותר את תוצאות הניסויים. ב-1909 ערכו ארנסנט רת׳רפורד ועמיתיו ניסוי בו שיגרו חלקיקים טעונים חשמלית (חלקיקי אלפא) אל עבר עלה דק של זהב הניצב במאונך לקרן החלקיקים. בגלל דקותו של העלה, היו אמורים החלקיקים לעבור דרכו [2]. אך נראה היה שהם אינם ממשיכים בדרכם במסלול ישר, אלא סוטים ממנו אחרי המעבר בין אטומי הזהב. באמצעות מדידת זוית הסטיה של החלקיקים, העריך רת׳רפוד שהאטום אינו כדור מלא ושלם כפי שהציע תומסון, אלא מכיל בחלקו חלל ריק. בעקבות כך, הוא הציע מודל חדש: המודל הפלנטרי. רת׳רפורד שיער שכמו שכוכבי לכת נעים סביב השמש בעזרת אנרגיה פוטנציאלית כבידתית, כך נעים האלקטרונים הטעונים שלילית סביב גרעין האטום הטעון חיובית בעזרת אנרגיה פוטנציאלית חשמלית.
בעייתו העיקרית של מודל רת׳רפורד הייתה שלא היה מסוגל להסביר את יציבותם של האלקטרונים במסלוליהם לאורך זמן. אלקטרונים המקיפים גרעיני אטום נמצאים בתאוצה מתמדת מאחר שפועל עליהם כוח מרכזי (חשמלי) המשנה את כיוון מהירותם. אולם, כבר בימין של רת׳רפורד היה ידוע שמטענים מאיצים חייבים לפלוט אנרגיה בצורת קרינה, דבר שיגרום להם לאבד אנרגיה ולהאט. אם אכן האלקטרונים היו מאבדים אנרגיה, הם היו מתנגשים בגרעין האטום תוך זמן קצר. אך לעומת זאת, רוב האטומים שומרים על תכונותיהם במשך אלפי ומיליוני שנים. בעיה מרכזית נוספת הייתה, שהמודל כלל לא הסכים עם ניסויים שהראו שחומרים מסויימים פולטים קרינה אך ורק באורכי גל מסויימים [1]. מדוע שאלקטרון המקיף גרעין בכל רדיוס שיבחר, כמו כוכב לכת, יפלוט קרינה שאורך הגל שלה בדיד?
בשל בעיותיו הרבות, המחקר המשיך, ומודל האטום של רת׳רפורד הוחלף גם הוא במהירות על ידי מודל טוב יותר. מודל זה הוצע בשנת 1913 על ידי הפיזיקאי הדגול ושחקן הכדורגל הבינוני [3] נילס בוהר. מודל משופר זה הפך להיות מסימניה של מהפכת תורת הקוונטים. על כך, בחלק הבא.
לקריאה נוספת ומקורות:
[1] על ניסוי רידברג
פוסט דוקטורנט במחלקה למדעי כדור הארץ, סטנפורד, קליפורניה. חוקר גיאומורפולוגיה ויציבות של קרח בקטבים של כוכבי לכת במערכת השמש. לשעבר מנהל התוכן של העמותה
מעצב גרפי, מאייר, צלם ועורך וידאו
