אטום

הדמיה של אטום הליום. הכתם האפור הוא ענן האלקטרונים, ובמרכז בסגול גרעין האטום
אטומים של זהב במיקרוסקופ מינהור סורק. הפסים הכהים בתמונה נובעים מהחיתוך של גביש הזהב לצורך הסריקה, הגורם לסידור מחדש של פני השטח.

האָטוֹםיוונית: ἄτομος), שפירושו "לא ניתן לחיתוך" - "א" (לא ניתן) "טומי" (חתך) 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 הניטרונים 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 מינהור 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.

מבנה האלקטרונים באטום

הדמיה של חמשת האורביטלים הראשונים באטום
Postscript-viewer-shaded.png ערך מורחב – אורביטל אטומי

מבנה האלקטרונים באטום קובע את תכונותיו הכימיות, כלומר את הנטייה שלו להיקשר לאטומים אחרים ולמולקולות, ובמילים אחרות את מבנה החומר כפי שהוא נראה לעין.

כיום אין מייחסים לאלקטרונים מסלולים היקפיים קבועים. על פי המודל העכשווי, הנובע מתורת הקוונטים לא ניתן לייחס לאלקטרון מיקום ומסלול מדויקים. במקום זאת מוגדר עבור כל אלקטרון אורביטל שהוא פונקציית גל המגדירה עבור כל אלקטרון נפח בעל צורה מוגדרת שבה קיימת ההסתברות הרבה ביותר להימצאותו. על פי רוב תוחמים את האורביטל כנפח שבו, על פי פונקציית ההסתברות, יימצא האלקטרון במשך כ-90% מהזמן. כל אורביטל יכול לאכלס עד שני אלקטרונים, כל אלקטרון בעל ספין הופכי. האורביטלים עצמם מסודרים ברמות אנרגיה שונות, כאשר כל רמה מכילה מספר שונה של אורביטלים, על פי סדר מסוים.

מצב אלקטרוני יציב של אטום (אוקטט) נחשב למצב שבו סידור האלקטרונים דומה לזה הקיים בגזים אצילים במצב נייטרלי, שהוא מצב בו האורביטל החיצוני מלא במקסימום האלקטרונים שהוא יכול להכיל. כל אטום שאינו במצב זה נוטה להגיע אליו באמצעות קליטה או שיחרור אלקטרונים, מהאורביטל הגבוה ביותר, וכך הוא הופך ליון. נטייה זו מסבירה את הקשרים הכימיים האפשריים בין יסודות, ואת תכונותיהם. בקשרים כימיים משתתפים רק האלקטרונים באורביטלים החיצוניים ביותר.

צורת האורביטלים יכולה להיות כדורית, אך גם אחרת, כמו שניתן לראות באיור.

האלקטרונים קשורים לאטום באנרגיות שבין אלקטרון וולטים בודדים ועד אלפי אלקטרון וולט. מעברים של אלקטרונים בין רמות שונות של האטום יוצרות קרינה של אור נראה, כמו גם בתת-אדום, על-סגול וקרינת רנטגן. קרינת תת-אדום משמשת לזיהוי מולקולות באמצעות מעברים של אלקטרונים חיצוניים. האנרגיות הגבוהות הגורמות לקרינת רנטגן נובעות ממעברים של האלקטרונים הפנימיים ביותר באטומים כבדים, אלקטרונים אלו אינם משתתפים ביצירת קשרים כימיים ולכן המעברים שלהם משמשים לזיהוי אטומים הקשורים בקשר כימי.

תיאור מבנה הקליפות

הטבלה המחזורית מחולקת על פי האורביטלים

מבנה הקליפות נובע ממשוואת שרדינגר בתורת הקוונטים. זוהי משוואה דיפרנציאלית הקושרת בין פונקציית הגל של האלקטרונים, האנרגיה שלהם, וה פוטנציאל 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.

מבנה הגרעין

Postscript-viewer-shaded.png ערך מורחב – גרעין האטום

בגרעין האטום מצויים הפרוטונים והנייטרונים (נקראים יחד נוקלאונים), שמסתם שווה בקירוב, וגדולה פי 1840 בקירוב ממסת האלקטרון. סכום מספר הפרוטונים ומספר הנייטרונים משמש להגדרת מסתו האטומית של אטום.

הפרוטונים טעונים חיובית והנייטרונים כשמם הם נייטרליים, ולכן הגרעין טעון חיובית. מסיבה זו פועל כוח חשמלי חזק ששואף לפרק את הגרעין, אך כנגדו פועל הכח החזק אשר מושך את החלקיקים יחד. התורה בפיזיקה שמסבירה את הכח החזק נקראת כרומודינמיקה קוונטית.

הנייטרונים והפרוטונים עצמם בנויים כל אחד משלושה קוורקים, שהם חלקיקים יסודיים. הכח החזק הוא גם זה שמחבר את הקוורקים בנוקלאונים.

הנוקלאונים קשורים לגרעין באנרגיה גבוהה מאוד, של מיליוני אלקטרון וולט, ולכן כל תגובה גרעינית, כלומר שינוי בגרעין האטום, מלווה בשחרור או ספיגת אנרגיה רבה. תגובות כמו ביקוע גרעיני, שבו גרעין האטום מתפצל למספר גרעינים, או היתוך גרעיני שבו שני גרעינים מתחברים יחד לגרעין חדש, משחררות אנרגיה רבה שיכולה להיות מנוצלת לצורכי האדם כמו בתחנת כוח גרעינית, או כנגדו, כמו בפצצת ביקוע גרעיני ופצצת היתוך גרעיני.