מודלים קלאסיים למבנה האטום

מודל האטום של תומסון

כפי שכבר ציינו בפרקים קודמים, חקירת מבנה האטום ובניית מודל מוצלח ראשון שלו היא תולדה של ניסויים שהתבצעו בתופעת החשמל, במיוחד בחקר ההתפרקות החשמלית בשפופרת קתודית.

הפיזיקאי האנגלי מיכאל פרדיי היה הראשון לגלות את תופעת ההתפרקות החשמלית בשפופרת קתודית. שפופרת קתודית הינה שפופרת סגורה שבשתי קצותיה נמצאות אלקטרודות המחוברות להדקים חיצוניים. בין שני ההדקים החיצוניים ניתן לחבר מקור מתח חשמלי חיצוני. את פנים השפופרת עצמה ממלא גז מסוג כלשהו ברמת לחץ כלשהי.

ניסוי פריקה חשמלית בשפופרת קתודית

השפופרת בה פרדיי השתמש בניסוייו הייתה מלאה באוויר. פרדיי גילה שכאשר הוא מנמיך את רמת לחץ האוויר שבשפופרת, אז בסף מסוים הופך האוויר שבשפופרת למוליך חשמלי. ברגע זה נוצרת התפרקות של חשמל בין שני האלקטרודות שבשפופרת שביניהן קיים מתח חשמלי חיצוני. ההתפרקות החשמלית מלווה בהבזק אור.

עוד גילה פרדיי שככל שהוא ממשיך ומוריד את לחץ-האוויר מעבר לסף בו נוצרת ההתפרקות החשמלית, אז ההתפרקות החשמלית מתרחשת עם עוצמת אור חזקה יותר.

עובדה מעניינת, שגילה הפיזיקאי הגרמני וילהלם היטורף, היא שבשלב מסוים המשך הורדת לחץ-האוויר מפסיקה להגדיל את עוצמת הבזק האור הנפלט. במקום זאת, האור הנפלט נהיה פחות בהיר ועל דופן השפופרת שממול להדק הקתודה (ההדק השלילי) מופיע כתם אור ירקרק.

היטורף הסיק כי מקורו של כתם האור הירקרק הוא מקרינה הנפלטת מהקתודה. את הקרינה המיוחדת הזו הוא כינה "קרני קתודה". הוא גם גילה כי אותם קרני קתודה מושפעים מנוכחותו של שדה מגנטי.

ההתקדמות הבאה בחקר מבנה האטום נעשתה על-ידי ג'וזף תומסון. הלה השתתף, כמו אנשי מדע רבים אחרים בתקופתו, במחקר של תופעת ההתפרקות החשמלית בשפופרת ריק.

שפופרת קתודית בניסוי של תומסון

תומסון סידר את האלקטרודות שבשפופרת ריק במבנה מיוחד כשהאלקטרודה השנייה היא לוח שבו עובר חריץ. כך שחלק מהאלקטרונים הנעים במהירות גבוהה מהאלקטרודה הראשונה אל האלקטרודה השנייה יעברו דרך החריץ וימשיכו הלאה. מטרתו של תומסון בניסוי שערך הייתה לחקור את טיבה של קרן האלקטרונים שעברה הלאה. בעזרת יצירת שדה מגנטי במסלול הקרן, הצליח תומסון להראות שקרן האלטרונים היא בעלת מטען חשמלי שלילי. בכל פעם שנוצר שדה מגנטי במסלולה היא הוסטה ממסלולה הישר והחלה לסטות בכיוון זה או אחר בהתאם לכיוון השדה המגנטי שדרכו היא עברה.

בעקבות הניסוי שערך הגיע תומסון לשלוש מסקנות:
1. הקרן בשפופרת הריק עשויה מחלקיקים טעונים
2. חלקיקים אלה הם חלק מהאטום
3. האטום מורכב רק מחלקיקים אלה

תופעת קרני הקתודה נחקרה על-ידי אנשי מדע רבים. סברה שלטת אחת הסבירה תופעה זו כסוג של קרינה אלקטרומגנטית. ברם, עם הזמן כבשה את דעת הרוב שתופעת קרני הקתודה היא זרם של חלקיקים קטנטנים הטעונים במטען חשמלי שלילי. מכיוון שמקור החלקיקים החדשים שהתגלו הוא מהקתודה המזרימה את האלקטרונים במעגל החשמלי ניתן לחלקיקים אלו השם אלקטרונים.

חלקיקים אלו, האלקטרונים, לא הופיעו יש מאין. מקור הופעתם של האלקטרונים הוא מהחומר – מהגז הממלא את השפופרת הקתודית. כלומר, האלקטרונים הם חלק ממבנה האטום של כל יסוד.

כך ששתי מסקנותיו הראשונות של תומסון התקבלו על-ידי אנשי המדע, אך המסקנה השלישית, שהיא הייתה בדיעבד גם מסקנה שגויה, נדחתה על-ידם.

קיומם של האלקטרונים באטום הצריך את קיומם של חלקיקים נושאי מטען חשמלי חיובי בו. צורך זה נובע מהעובדה שהחומרים בטבע הם ניטראליים מבחינה חשמלית, לכן נדרשת נוכחות של מטען חשמלי חיובי בהם שתאזן ושתבטל את השפעת המטען החשמלי השלילי של האלקטרונים. המטען החשמלי החיובי באטום מופיע בחלקיקים אחרים שלהם ניתן השם פרוטונים.

בסביבות שנת 1900 הציע תומסון מבנה חדש ומהפכני למודל האטום שלפיו האטום הוא מבנה כדורי המכיל בתוכו אלקטרונים המפוזרים בו בצורה אקראית והממלאים את חללו בצורה אחידה ומלאה. חלל האטום עצמו טעון במטען חשמלי חיובי המנטרל את המטען החשמלי השלילי של האלקטרונים. כך האטום נשאר מבחוץ גוף הניטראלי מבחינה חשמלית.

מודל האטום של תומסון

מודל האטום של תומסון הייתה במתן הסבר לתופעת קרני הקתודה ולעובדה שהאטום ניטראלי מבחינה חשמלית. ברם, לא היה בידי מודל זה לענות על תופעות אחרות שנצפו בניסויים, כדוגמת תופעת ספקטרום הפליטה הבדיד. מודל האטום של תומסון הוחלף במודל אחר מתקדם יותר, מדויק יותר ונכון יותר. יחד עם זאת, ראוי לציין את תרומתו הגדולה של מודל זה של תומסון שהיה שונה לגמרי מכל מה שהיה מוסכם על מבנה האטום עד להופעתו ובכך היווה קפיצה משמעותית קדימה בחקר מבנה האטום.

[לפרק הקודם | לפרק הבא]

[ עמוד ראשי - קרינה וחומר | קרינה וחומר - מודלים קלאסיים למבנה האטום : ספקטרום הפליטה של אטום מימן | מודל האטום של דלטון | מודל האטום של תומסון | המטען הסגולי של האלקטרון | ניסוי מיליקן | ניסוי ראתרפורד | מודל האטום של רתרפורד | סיכום ]