מודל האטום עבר תהפוכות ושינויים רבים ברבות השנים. אנו נתמקד בניסוי רתרפורד, שהוביל להבנה כי האלקטרונים נמצאים מחוץ לגרעין האטום, והיה אחד השלבים החשובים בהתפתחות המודל המודרני של האטום.

את המונח "אטום" טבע לראשונה הפילוסוף היווני דמוקריטוס במאה החמישית לפני הספירה [1]. דמוקריטוס נעזר בניסוי מחשבתי: הוא ניסה לשבור מקל שוב ושוב אין־סוף פעמים. מסקנתו הייתה, שבסופו של דבר יתקבל חלק כה קטן שלא יהיה ניתן לחלק אותו עוד. את החלק הזה כינה דמוקריטוס "אטום" ­­– "לא ניתן לחלוקה" ביוונית.

מאז ימי דמוקריטוס ועד להיותו למוסכמה נזנח רעיון האטום ואומץ מחדש כמה פעמים. עד גילוי האלקטרון לא היה אפשר לדון כלל במבנה הפנימי של האטום, שהרי האטום נחשב החלק הקטן ביותר של החומר (כאמור לא ניתן לחלוקה). לכן מודל האטום בתחילת המאה העשרים היה שונה מאוד מהמודל המודרני. בשנת 1897 גילה תומסון [2], את האלקטרון ופיתח מודל חדש, מודל "עוגת הצימוקים". 

המודל תיאר את האטום ככדור גדול וצפיד בעל מטען חיובי (העוגה), ובתוכו מפוזרים חלקיקים בעלי מטען שלילי (הצימוקים). תומסון ניסה להסביר באמצעות המודל שתי תופעות שהיו ידועות אז. האחת, המטען החשמלי הכולל של האטום הוא בדרך כלל אפס, והשנייה, אפשר לנתק מהאטום חלקיקים קטנים בעלי מטען שלילי (אלקטרונים). מודל זה החזיק מעמד עד שנת 1909, שבה ניסוי אחד שינה מקצה לקצה את כל מה שידעו עד אז על האטום.

בשנת 1899 גילה הפיזיקאי הבריטי ארנסט רתרפורד (Ernest Rutherford) את קרינת האלפא, המורכבת מגרעינים של הליום. שלא כמו בסוגים אחרים של קרינה, כגון קרינה אלקטרומגנטית, חלקיקי קרינת אלפא הם מסיביים וטעונים במטען חשמלי חיובי. בשל תכונות אלו הייתה קרינת האלפא לכלי מחקר שימושי. כמו כל פיזיקאי שמגלה "צעצוע" חדש, חיפש רתרפורד שימושים לתגלית החדשה שלו. עשר שנים לאחר הגילוי מצא רתרפורד סוף סוף שימוש מעניין במיוחד לקרינת האלפא – בחינת מודל האטום. 

רתרפורד ותלמידיו, גייגר ומרסדן, רצו לחקור את מבנה האטום באמצעות תגובה אלקטרומגנטית הנוצרת עקב המטען החשמלי של קרינת האלפא. נסביר, כי כוח אלקטרומגנטי יוצר תגובה חזקה דיה בין חלקיקים שאפשר למדוד אותה במעבדה. הניסוי שתכננו נועד לבדוק את התגובות בין חלקיקי האלפא ובין אטומים שהקרינה פוגעת בהם ולמדוד את אופן פיזור הקרינה.

לשם כך לקחו רתרפורד ותלמידיו פיסות מתכת, כגון זהב, אלומיניום ועופרת. הם רידדו אותן לעלים דקים כדי להקטין ככל האפשר תופעות הקשורות לתגובות בין האטומים שעלולות להפריע לניסוי. גייגר ומרסדן סידרו את העלים בכמה תצורות ובעוביים משתנים והקרינו עליהם חלקיקי אלפא. הניסוי נמשך שעות רבות, שבמהלכן ישבו גייגר ומרסדן לבדם בחושך ומדדו את פיזור חלקיקי האלפא לאחר פגיעתם במסכים שמוקמו מאחורי רדידי המתכת. בכל מקום שבו פגעו חלקיקי האלפא במסכים נראו הבזקי אור, וכך יכלו גייגר ומרסדן לספור כמה חלקיקים פוגעים בכל זווית.

לפי מודל עוגת הצימוקים, לאטום אין מטען חשמלי. לכן הם ציפו שחלק מחלקיקי האלפא ייספגו בעלים, ואחרים יעברו דרכם במסלול ישר או יוסטו בזוויות זעירות (תהיה סטייה זעירה כי המבנה הפנימי של האטומים כולל מטען חשמלי: העוגה והצימוקים). לתדהמתם הם גילו, כי חלקיק אחד מכל 20,000 חלקיקים הוחזר מן העלים בזווית העולה על 90 מעלות! אומנם מספרם של החלקיקים שהוחזרו קטן מאוד, אך בשל משך הניסוי מדובר בתוצאה שאינה יכולה להיות מוסברת על ידי שגיאה. תוצאה מדהימה זו סתרה לחלוטין את כל שידעו על האטום באותו זמן, שכן מודל "עוגת הצימוקים" לא יכול להסביר החזרות כאלו.

האיור העליון מציג את התוצאות החזויות: חלקיקי אלפא עוברים ללא הפרעה דרך האטום כפי שהוא מתואר במודל "עוגת הצימוקים".
באיור התחתון מוצגות התוצאות בפועל: חלק קטן מחלקיקי האלפא הוחזר בזווית העולה על 90 מעלות (האיורים מתוך ויקיפדיה).

ההסבר הסביר לפיזור חלקיקי האלפא הוא קיומו של מטען חיובי בעל מסה גדולה במרכז האטום. חלקיקי האלפא הטעונים חיובית עברו סמוך לחלקיקים בעלי מטען חיובי באטום, המטענים החיוביים דחו זה את זה, ולכן הוסטה הקרינה. אם האטום היה ניטרלי, כפי שהציע המודל הקודם, הקרינה לא היתה מתפזרת וממשיכה במסלול כמעט ישר. מכאן הדרך להבנה כי במרכז האטום ישנו גרעין בעל מטען חיובי (ששטח החתך שלו קטן בערך פי 20,000 משטח החתך של האטום), וכי המטען השלילי נמצא מחוץ לגרעין, הייתה קצרה. 

בעקבות הניסוי הציע רתרפורד את "המודל הפלנטארי". המודל, שנשלל מאז, תיאר את האטום כמו מערכת השמש – גרעין גדול במרכז ואלקטרונים שמקיפים אותו. האלקטרונים במודל זה נעים במעגלים כדי להסביר מדוע הם אינם נעים ישירות אל המטען החיובי שבמרכז הגרעין ונבלעים בו.

הניסוי של רתרפורד הוביל לקריסת מודל "עוגת הצימוקים" ושינה לחלוטין את האופן שבו הבינו עד אז את האטום. תוצאות הניסוי הובילו לתובנות חשובות, ולבסוף גם ליצירת הפיזיקה הקוונטית כמו שאנו מכירים אותה היום (עד המהפכה הבאה). 

קישורים לקריאה נוספת:

[1] דמוקריטוס והאטום

[2] ג'יי ג'יי תומסון