המודל הקלאסי של האטום

@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 בב', 03/19/2018 - 10:58

המודל הקלאסי של האטום קרוי לעתים המודל הפלנטרי וזה משום שקיים דימיון הדוק בין מבנה מערכת השמש למבנה האטום בהתאם למודל זה. המודל התגבש בעיקר אחרי הפרסום המחקר של ארנסט רדפורד ב-1919 שבמחקר הודגם בצורה משכנעת כי האטום מורכב מגרעין קטן וכבד בעל מטען חשמלי חיובי ואלקטרונים, הם חלקיקים זעירים מאוד וחסרי מסה המסתובבים סביב הגרעין. לאלקטרונים מטען שחמלי שלילי ומטענם המודל הפלנטרי של אטוםהכולל מפוצה ע''י מטען הגרעין החיובי כך שבסך הכול האטום נייטרלי.

הדימון שבין "האטום הקלאסי" למערכת השמש מתבטא באנלוגיות הבאות:

  1. השמש הכבדה נמצאת במרכז הכובד של מערכת השמש. כך גם גרעין האטום נמצא במרכז הכובד של האטום ונושא כ-100% של המסה האטומית.
  2. כדורי הלכת מסתובבים במסלולים מעגלים סביב השמש. כך גם אלקטרונים מסתובבים סביב הגרעין במסלולים מעגליים.
  3. כוכבי הלכת לא עוזבים את המערכת ולא נופלים על השמש בזכות מאזן כוחות: הכוח הצנטריפוגלי (המרחיק כוכב לכת מהשמש) הנובע מהמהירות המעגלית, מאוזן לחלוטין ע''י כוח הכבידה הנובע מהמסות של השמש וכוכבי הלכת. כך גם אלקטרון נמצא בתנועה מתמדת סביב הגרעין באחר והכוח הצנטריפוגלי הפעול עליו מאוזן ע''י כוח משיכה אלקטרוסטטי בינו לבין הגרעין.

 

מחדלי המודל הקלאסי של האטום

1. נתבונן באטום הקל ביותר, הוא אטום מימן. המודל הקלאסי טוען כי לאטום זה יש גרעין המורכב מפרוטון בודד וסביבו מסתובב אלקטרון בודד. שני החלקיקים הללו טעונים, לאלקטרון מטען בודד שלילי ולגרעין מטען בודד חיובי (ביחידות מטען האלקטרון). התיאוריה של תנועת חלקיקים טעונים (אלקטרודינמיקה) טוענת כי כל חלקיק בעל מטען חשמלי q הנע בתאוצה a, חייב להקרין אנרגיה בהתאם למשוואה הבאה:

$$ \frac {dE} {dt} \sim - {q^2}{a^2} $$

תנועה מעגלית של האלקטרון סביב הגרעין היא בהכרח תנועה שוות תאוצה, לכן האנרגיה הקינטית של האלקטרון תלך ותקטן כל הזמן וזה יגרום להפחתת הרדיוס של התנועה המעגלית. במילים אחרות, אלקטרון בתנועתו חייב לבזבז אנרגיה בהתמדה ולכן המסלול שלו חייב להיות מין ספיקאלה הנכנסת לגרעין. כעבור זמן מסוים יתנגש האלקטרון עם הגרעין וזה יגרום לחיסול עצמי של האטום. ניתן להעריך, כמה זמן ייקח לאלקטרון עד שהוא ייפול על הגרעין. החישובים מביאים לזמן החיים של אטום מימן בסדר גודל של 10-11 שניות. דבר זה בהחלט לא מתאים לתצפיות שלפיהם אטום המימן יציב ובוודאי זמן חייו עולה על שנים רבות מאוד.

 

2. הנימוקים שבסעיף הקודם נעשו עבור אטום מימן שבו יש אלקטרון אחד בלבד. עבור אטום הליום שלו יש שני אלקטרונים נהיה המצב יותר מסובך מכיוון ששני האלקטרונים דוחים זה את זה וזה באופן דינמי, כך שיכול להיות רגע שבו שני האלקטרונים נמצאים בצדדים ההפוכים ביחס לגרעין וברגע אחר שניהם יהיו באותו הצד והאינטראקציות בין שלושת הגופים הטעונים יהיו מאוד מסובכות. אינטראקציות אלה יגרמו לעוות המסלולים של האלקטרונים כך שלפחות בחלק של המסלולים התאוצות הרגעיות יגדלו ביחס לסעיף הקודם. בשורה התחתונה, ככל שיור אלקטרונים יהיו במערכת, כך יותר קצר אמור להיות זמן החיים של האטום. שזה גם לא מתאים לעובדות הנצפות.

3. בספקטרום של כל יסוד רואים קווים שלגביהם הוצעה נוסחה המקשרת את אורך הגל שבו נצפה כל קוו לשני מספרים שלמים. נילס בור הציע מודל אטומי שבו היו מסלולים מותרים לאלקטרון ומסלולים אסורים לו. כל אלקטרון יכול להסתובב בכל מסלול מותר בלי לבזבז אנרגיה (כלומר, אלקטרון יציב כשהוא מסתובב במסלול מותר). במסלולים אסורים אלקטרון לא יכול להסתובב כלל. לפי מודל זה, כל מסלול מותר מתואר באמצעות מספר שלם קטן וקו בספקטרום מופיע כאשר מסיבה כל שהי משנה אלקטרון את הסמלול שלו ובולע או פולט אנרגיה מסוימת. מודל זה היה מסביר את הקווים הספקטרליים באופן מושלם (וזה כאשר רבים ניסו ולא הצליחו להביא לקויים אלה הסברים אחרים), אבל לגמרי לא ברור למה מסלולים מסוימים מותרים ומסלולים אחרים אינם מותרים.