אטום

האָטוֹם (ביוונית: ἄτομος), שפירושו "לא ניתן לחיתוך" - "א" (לא ניתן/לא אפשרי) "טומי" (חתך/חיתוך) הוא המערך החלקיקי הקטן ביותר שמטענו החשמלי הכולל הוא אפס, והמאפיין יסוד כימי ומבדיל אותו מיסודות כימיים אחרים. הוא מורכב מחלקיקים קטנים יותר שאינם מיוחדים לו אלא נמצאים במערכים שונים בכל היסודות הכימיים.
המונח "אטום" נטבע במאה ה-5 לפנה"ס על ידי הפילוסוף היווני דמוקריטוס, ששיער את קיומו של חלקיק שאינו בר חלוקה. בתחילת המאה ה-19 השתמש ג'ון דלטון בהשערה זו על מנת להסביר מדוע יסודות מגיבים ביניהם תמיד ביחסים כמותיים קבועים של מספרים שלמים. מאוחר יותר, בשנת 1897 גילה ג'יי ג'יי תומסון את האלקטרון והסיק כי הוא חלקיק המשותף לכל היסודות הכימיים. מכאן התברר כי היסודות ניתנים לחלוקה למרכיבים יסודיים יותר ולכן אינם ראויים לשם "אטום" במובנו המקורי. מכל מקום, השם "אטום" ממשיך לשמש עד היום ככינוי למערך החלקיקי הקטן ביותר של יסוד, מבלי לפקפק באפשרות קיומם של חלקיקי יסוד שבאמת אינם ניתנים לחלוקה, כהשערת דמוקריטוס.
רוב האטומים בטבע נמצאים בתצורה מולקולרית, כלומר במבנים המכילים שניים או יותר אטומים הקשורים זה לזה בקשר כימי.
כל יסוד בטבע מאופיין באטומים שכולם בעלי מספר פרוטונים מסוים המיוחד לאותו יסוד. מספר זה מכונה המספר האטומי. בטבלה המחזורית של דמיטרי מנדלייב רשומים היסודות השונים בסדר עולה לפי המספר האטומי שלהם, והם מסומנים בסימון מקוצר של אותיות לטיניות המיוחד לכל יסוד כימי. לדוגמה: C עבור אטום פחמן, ו-Al עבור אטום אלומיניום.
אטום שנגרעו ממנו או נוספו לו אלקטרונים כך שמטענו החשמלי שונה מאפס, נקרא יון.
איזוטופים הם אטומים בעלי אותו מספר אטומי אך נבדלים במספר הנייטרונים שבגרעיניהם (מספר האלקטרונים והפרוטונים באיזוטופים שונים של אותו אטום זהה).
המדע העוסק בתכונות מערכי האלקטרונים באטום נקרא פיזיקה אטומית. הכימיה עוסקת בקשרים שבין אטומים. פיזיקה גרעינית עוסקת במבנה גרעין האטום ובתגובות גרעיניות, כמו למשל פצצה גרעינית.
גודלו של אטום נע בין 62 פיקו-מטר (מיליונית של מיליונית מטר) עבור אטום הליום ל-500 פיקו-מטר עבור אטום צסיום. אטומים הם קטנים מכדי לראותם בעין, אך קיימים מיקרוסקופים בעלי כושר הבחנה עדין מספיק כדי להבחין בהם, למשל מיקרוסקופ מִנהור סורק, ואחרים המסוגלים לזהות את סוג האטום.

מבנה האטום

האטום מורכב מגרעין קטן וכבד, שמסתו כ-99.98% מהמסה הכללית וגודלו כאחד חלקי מאה אלף מהגודל הכולל של האטום. האטום לרוב נייטרלי.
מסביב לגרעין מצויים האלקטרונים, המרוכזים באזורים דמויי קליפות סביב הגרעין, וטעונים שלילית.

תיאור מבנה הקליפות

מבנה הקליפות נובע ממשוואת שרדינגר בתורת הקוונטים. זוהי משוואה דיפרנציאלית הקושרת בין פונקציית הגל של האלקטרונים, האנרגיה שלהם, והפוטנציאל הגרעיני (המשיכה החשמלית של הגרעין). הפתרונות של המשוואה בדידים, כאשר לכל פתרון מתאים מספר קליפה ומספר אורביטל. מספר הקליפה הוא שלם המתחיל מ-1, ומספר האורביטלים בכל קליפה שווה למספר הקליפה בריבוע. בכל אורביטל יכולים לשכון שני אלקטרונים, כך שבסך הכל, בקליפה n שוכנים עד 2n² אלקטרונים.
בנוסף, את האורביטלים נהוג לחלק לסוגים, על פי התנע הזוויתי של האלקטרונים בהם. האורביטלים מסומנים לפי הסדר: s, p, d, f. אורביטל s הוא בעל התנע הזוויתי והאנרגיה הנמוכים ביותר. אחריו p המכיל שלושה אורביטלים נפרדים ולכן 6 אלקטרונים. בטבלה המחזורית היסודות אשר האורביטל החיצוני שלהם הוא מסוג s נמצאים בשתי העמודות השמאליות, ואורביטלי p ב-6 העמודות הימניות. אורביטלי d מכילים עד 10 אלקטרונים והם מתכות המעבר, ו-f מכילים עד 14 אלקטרונים והם קבוצת הלנטנידים והאקטינידים.
הגזים האצילים הם העמודה הימנית ביותר, שבה קליפת p מלאה, והם היסודות בעלי המבנה האלקטרוני היציב ביותר, והם אינם פעילים כימית. היסודות בעמודה הצמודה אליה ובעמודה השמאלית ביותר הם הפעילים ביותר מבחינה כימית כי מספיקה תוספת או גריעה של אלקטרון אחד כדי להפוך אותם ליציבים.

היסטוריה

את התאוריה הידועה הראשונה בדבר קיומם של אטומים (התורה האטומית) הגו הפילוסופים האטומיסטים ביוון העתיקה, בניסיון להסביר את מבנה החומר. על פי תורתם, מורכבים החומרים בטבע מחלקיקים זעירים, שלהם זיזים ושקעים המסוגלים להתחבר זה לזה (על-פי דמוקריטוס גם תכונות רוחניות היו מורכבות מאטומים). התאוריות בנוגע לאטומים בעת העתיקה לא נשענו על תצפיות של הטבע כי אם על הגות פילוסופית. במשך 2000 שנים בקירוב, התורה האטומית לא זכתה לאותה הפופולריות לה זכתה תאורית ארבעת היסודות המתחרה. תאוריה זו, לפיה החומר בעולם מורכב מארבעה יסודות רציפים - אש, אוויר, מים ואדמה - קודמה על ידי הפילוסוף אריסטו במאה ה-4 לפנה"ס.
בשנת 1803 הגה ג'ון דלטון את התאוריה המדעית הראשונה שמסבירה באמצעות אטומים תוצאות נסיוניות. בתגובות כימיות המגיבים נמצאים ביחסים משקליים קבועים, ודלטון הסביר זאת באמצעות השערה כי כל יסוד מורכב מסוג אחד של חלקיקים יסודיים, אשר חוברים יחד לתרכובות. דלטון תיאר את האטומים ככדורים חלקים בלתי ניתנים לחלוקה.
ג'וזף ג'ון תומסון גילה כי מכל סוג של חומר נפלטים אלקטרונים זהים, והבין שבאטום יש אלקטרונים והוא אינו חלקיק יסודי, אלא בעל מבנה פנימי. הוא תיאר את מבנה האטום על פי מודל עוגת הצימוקים, שלפיו המטען החשמלי החיובי מפוזר בצורה הומוגנית באטום והאלקטרונים, חלקיקים בעלי מטען חשמלי נקודתי שלילי, "תקועים" בו כצימוקים בעוגה.
בשנת 1911 פינו מודלים אלה את מקומם לטובת המודל הפלנטרי, בעקבות ניסוי רתרפורד. על פי המודל הפלנטרי האטום בנוי מגרעין, שבו מרוכזים פרוטונים (בעלי מטען חשמלי חיובי). מסביב לגרעין חגים ככוכבים בפלנטה אלקטרונים שמטענם שווה והופכי למטענם של הפרוטונים ומספרם כמספר הפרוטונים שבגרעין, כך שמטענם החשמלי השלילי הכולל שווה למטען החיובי הכולל של הפרוטונים ומטען האטום כולו הוא אפס.
בשנת 1932, גילה ג'יימס צ'דוויק כי הגרעין מכיל חלקיק נוסף, הקרוי נייטרון, בעל מסה דומה לזו של הפרוטון אך חסר מטען חשמלי, בזכות תגלית זו זכה צ'דוויק בפרס נובל.
חלקו של המודל הנוגע למיקומם של הנייטרונים והפרוטונים בגרעין מרכזי מקובל עד היום, ועל פיו מסתם של האלקטרונים זניחה בהשוואה למסת הפרוטונים והנייטרונים, כך שמסת האטום מרוכזת בגרעין שנפחו מהווה חלק של כאחד ממיליון-מיליארד מנפח האטום (כי קוטר הגרעין נמדד בפרמי, שהוא אחד חלקי מאה אלף מקוטר האטום שנמדד באנגסטרם).
מודל האטום של בוהר אותו פיתח נילס בוהר מקצה רמות אנרגיה בדידות בהם יכולים האלקטרונים להסתובב. מודל האטום של בוהר מתאים לאטום המימן או לדמויי מימן, שהם אטומים בעלי אלקטרון אחד בלבד (ולכן טעונים חיובית) דוגמת He⁺¹ או Li⁺².
מכניקת הקוונטים שינתה שוב את תפיסת מודל האטום בו האלקטרונים אינן סובבים את גרעין האטום כי אם ממוקמים באזורים מסביבו בהסתברות התלויה ברמת האנרגיה שלהם.

חקר של אטומים

ניתן "לראות" אטומים בודדים במיקרוסקופ מִנהור סורק. המיקרוסקופ סורק באמצעות מחט עדינה את פני החומר, אך ללא מגע בחומר עצמו, ומזרים זרם דרך המחט אל פני החומר. מכיוון שאין מגע בין המחט למשטח, הזרם עובר רק באמצעות מינהור קוונטי (מעבר של חלקיק דרך מחסום). עוצמת הזרם תלויה במרחק של המחט מהחומר ובצפיפות המצבים האלקטרוניים במשטח. באופן זה ניתן לראות אטום בודד, שכן האטום הוא "בליטה" במשטח אשר מגדילה את הזרם.

זיהוי אטומים

כדי לזהות את סוג האטום (היסוד), ניתן להשתמש במספר שיטות:
ספקטרומטר מסות מודד את יחס המטען למסה של אטום טעון, שמתוכו ניתן לזהות את היסוד.
מיקרוסקופ אלקטרוני יכול לזהות יסודות שונים באמצעות ספקטרום הפליטה שלהם. באופן דומה ניתן לזהות יסודות של כוכבים רחוקים, דרך ספקטרום הפליטה שלהם באור נראה, באמצעות ספקטרומטר אופטי.