עדויות ונימוקים לטובת המודל האטומי

@site is currently under a large upgrade. Thank you for your patience. Please visit http://oldsite.al-chemist.info to see the spare mirror.
האתר בשדרוג וזה ייקח זמן. נא לבקר בראי של האתר הישן בכתובת הבאה: http://oldsite.al-chemist.info

נכתב ע"י alexL בא', 02/25/2018 - 09:07

קיים מספר רב מאוד של עובדות אמפיריות המעידות לטובת המודל האטומי. חלק מעדויות אלה הן "אישוש בדיעבד", כאשר השימוש במודל האטומי גרם לפיתוח של טכנולוגיות מסוימות שהאנושות משתמשת בהן שנים רבות וטכנולוגיות אלה הוכיחו את עצמן מבחינה מעשית: אלקטרוניקה, מחשבים, כימיה, פיזיקה גרעינית ועוד.

עובדות אחרות קדמו לגיבוש של הרעיון על אטומים וגרמו ישירות לניסוח של המודל. נציין את החשובות ביניהן:

הציור של דלטון
הציור ביומן המעבדה של ג'ון דלטון

זמן רב מאוד אטומים היו רעיון פילוסופי לחלוטין שבלעדיו היה אי אפשר (או קשה מדי) להסביר את השינויים המתרחשים לחומרים שונים. רעיון זה התבסס על טיעונים כימיים רבות מאוד. דוגמה: היה ידוע כי באלקטרוליזה של מים, נוצרים שני גזים, מימן וחמצן ביחס נפחי 1:2 לטובת המימן והיחס המשקלי 1:8 לטובת החמצן. מאידך, שני גזים אלה ביחסים המשקליים או הנפחיים הנ''ל מגיבים ביניהם עם פיצוץ ונוצרים מים שמסתם שווה לסכום המסות של הגזים המגיבים.

את התופעה ניתן להסביר בצורה הכי פשוטה והגיונית באמצעות הנחה כי חמצן ומימן מורכבים מאטומי חמצן ומימן בהתאמה, כאשר המים מורכבים משני אטומי מימן ואטום חמצן אחד. הנחות דומות מספקות הסבר הגיוני לתגובות רבות נוספות.

 לראשונה הציע את הרעיון על האטומים המגיבים בתגובות כימיות ג'. דלטון (יש לציין כי ההשערה של דלטון הסתמכה על תגובות שונות מהמתוארות לעיל, הייתה מסובכת יותר והכילה מספר טעויות). דלטון השאיר ביומן המעבדה שלו בשנת 1803 ציור סכמטי של אטומים המסוגלים להתחבר לתרכובות. הרעיון של אטומים התקבל בכימיה וחוזק בעבודות של כימאים רבים. כעבור כשישים שנה פותחו ע''י בוּטלֶרוֹב ומנדלייב התיאוריות המקיפות של כימיה אורגנית וכללית, בהתאמה.

עדויות נוספות סופקו בתוצאות של תצפיות בהתנהגות גזים:

1. בלחץ קבוע לכל גז מתקיים יחס הפוך בין לחץ לטמפרטורה. הכפלת הלחץ גורמת לצמצום הנפח בדיוק פי שניים וגם ליהפך. תלות זאת מתקיימת לכל גז. יתרה על כך, החלפה של גז אחד בגז אחר לא תגרום להפרות מתלות זאת.

2. עם עליית הטמפרטורה, הנפחים של כל הגזים בלחץ קבוע גדלים באותה מידה. לא משנה, איזה גז נלקח לחקירה, שינוי הנפחים תמיד זהה.

3. עם עלייה חזקה בלחץ או ירידה חזקה בטמפרטורה, רוב הגזים הופכים לנוזל (עם כמה חריגים הקשורים לעובדה שבמאה התשע עשרה לא הצליחו עדיין להגיע ללחצים גבוהים מאוד ולטמפרטורות נמוכות מאוד). בחימום או בירידה חזקה בלחץ נהיים נוזלים לגזים.

4. מסות של נפחים שווים של גזים שונים בטמפרטורה ולחץ זהים מתייחסות זו לזה כמו מספרים שלמים קטנים. לדוגמה, בלחץ אטמוספרי וטמפרטורת החדר, מתייחסיות המסה של 22.4 ליטר של חנקן, חמצן ומימן זו לזו כמו 16: 14: 1.

ניתן להסביר את כל תצפיות שלעיל בהנחה כי כל הגזים מורכבים מחלקיקים זעירים בלתי נראים, שלהם יש משקל שונה עבור גזים שונים. החלקיקים רחוקים אחד מהשני, לכן אין חשיבות לגודל החלקיקים עצמם. הגדלת הלחץ גורמת לירידת המרחקים בין החלקיקים. כאשר המרחק הופך להיות קטן מספיק, הגז הופך לנוזל, שאותו כבר כמעט לא ניתן לדחוס. כתוצאה מחימום, החלקיקים מתחילים לנוע מהר יותר, המרחק ביניהם גדל, לכן הופך הנוזל לגז. ככל שהטמפרטורה יותר גבוהה, כך יגדל נפח התפוס על ידי אותו מספר של חלקיקים. לחלקיקים אלה הוצע  על ידי ג'ון  השם אטומים.

תצפיות באטומים

תא ערפל ותא וילסון

תא ערפל
סימני החלקיקים הנצפים בתא וילסון

בשנת 1911 (כאשר המונח של אטום היה בשימוש פעיל כבר מאה שנים) הציע צ'רלס וילסון שיטה ניסיונית של צפיה באטומים. הרעיון של השיטה היה כדלקמן: לתא מלא אדי מים רווים (נמצא מאוחר יותר כי קל יותר לעבוד עם אדי אלכוהול) מוזרק זרם של אטומים בודדים הנעים במהירות גבוהה. האטומים העפים מתנגשים עם מולקולות של אדי מים (או אלכוהול) ומייננים אותן, זאת אומרת מעיפים אלקטרונים ממולקולה של מים (אלכוהול) כתוצאה מהתנגשויות. ליון שנוצר מכך, יש מטען חשמלי שמושך מולקולות שכנות של מים (קיטור). כתוצאה מכך, הדרך של האטומים נראית כשביל מעורפל, גם בעין בלתי מזוינת (ראה איור).

תא ערפל של וילסון שימש אף מעט לקליטת אטומים , אבל מילא תפקיד ענק בזיהוי של החלקיקים אלמנטאריים: אלקטרונים, פוזיטרונים, חלקיקי אלפא ואחרים. לפי השביל בתא ערפל ניתן לחשב את התנע של החלקיק, אשר מאפשר לקבוע את המסה שלו. ואם על התא הוטל שדה מגנטי או חשמלי חלש (שדה חזק יגרום להתעבות של הערפל), אפשר היה לקבוע גם את המאפיינים המגנטיים והחשמליים של החלקיקים .

הערה: תא וילסון לא מאפשר לראות אטומים וחלקיקים אלמנטריים עצמם אלא רק את התוצאות של המעבר שלהם דרך הקיטור.

 מיקרוסקופיה אלקטרונית

FEM
תרשים של מיקרוסקופ

בשנת 1937 הציע ארנסט מילר את הרעיון של Field Emission Micsoscope (המילולית, מיקרוסקופ של פליטת שדה). הרעיון היה כדלקמן: נלקחת מחט מתכת טונגסטן דקה מאוד, שקוטר הקצה שלה הוא כ-2-4 ננומטרים (1nm = 10-9 m) וזה המקסימום של היכולת הטכנולוגית של שנות השלושים במאה העשרים השווה לכ-20 אטומים בלבד. מחט זו משמשת כקתודה (אלקטרודה שלילית) בשפופרת וואקום. האנודה (האלקטרודה החיובית) של השפופרת עשויה בצורת חצי-כדור המצופה חומר לוּמינֶסצֶנטי (פולט אור כשחלקיקים טעונים פוגעים בו). כשנהיה פוטנציאל חשמלי על הקתודה מספיק גבוה, אלקטרונים מתחילים לעוף ממנה, להגיע לאנודה ולגרום לזוהר בנקודות התנגשותם עם האנודה. את הזוהר ניתן לראות ולצלם.

התמונה המתקבלת על האנודה, חוזרת על תבליט פני השטח של הקתודה בדיוק גבוה מאוד. היות ופני שטח הקתודה קטנים מאוד (כמה עשרות אטומים בלבד), הסיכוי לקבל את תמונת האטומים הוא די גבוה. באמצעות FEM הצליח ארנסט מילר לקבל לראשונה תמונות של אטומי טונגסטן:

תמונת אטומי טונגסטן שהתקבלה במיקרוסקופ אלקטרוני
תמונת אטומי טונגסטן שהתקבלה במיקרוסקופ אלקטרוני
מיקרוסקופ אלקטרוני העובד בשיטת גישוש
מיקרוסקופ אלקטרוני העובד בשיטת גישוש

החל משנת 1981 התפתחה משפחה שלמה של מיקרוסקופים אלקטרוניים מסוגים שונים המאוחדים בשם Scanning Probe Microscopes ,SPM, מילולית "מיקרוסקופים של בדיקה סורקת". הרעיון הכללי של מיקרוסקופ SPM מכל סוג הוא שימוש בחיישן העשוי בצורת תומכה, באנגלית cantilever. הקאנטילבר ניגש קרוב מאוד אל פני השטח הנחקרים (טיפוסית, 0.5-1 ננומטר). במרחק כה זעיר בין הקאנטילבר לאטומי פני השטח פועלים כוחות שונים הנובעים ממשיכה או דחיה בין חלקיקים אלמנטריים, כגון אלקטרונים, פרוטונים ואחרים. כוחות אלה פועלים על הקאנטילבר ואת הפעולה שלהם ניתן למדוד מאמצעות מד-כוח עדין ומדויק מאוד. על כן, הקאנטילבר "מרגיש" כל זיז, כל שקע, כל חריץ על פני השטח, כל מטען חשמלי או מומנט מגנטי. הקאנטילבר סורק פני שטח שורה אחר שורה וכך מבצע מיפוי מדויק שלהם. באמצעות מיקרוסקופים ממשפחת SPM התקבלו תמונות מדויקות מאוד של מגוון דגמים ותמונות אלה מדגימות מבנה אטומי. כך, למשל, נראים פני השטח של גרפיט במיקרוסקופ AFM ממשפחת SPM (התמונה מאתר של University of Augsburg):

תמונת גרפית במיקרוסקופ גישוש

כל משושה שבתמונה מורכב משישה אטומי פחמן וזה בהתאמה נפלאה עם מבנה הגרפיט שנובע מתיאוריה אטומית.