מהו הכוח המונע מהאלקטרון השלילי ליפול אל עבר הפרוטון בעל המטען החיובי? ציון

אין "כוח" שמונע מהאלקטרון ליפול לגרעין אלא זוהי תולדה של מודל האטום המודרני. כולנו מכירים את תמונת האטום כפי שהיא מצטיירת מהסמל הישן המפורסם של חברת תדיראן – אלקטרונים המסתובבים סביב הגרעין בדומה לכוכבי לכת המקיפים את השמש. התמונה הזאת משקפת את הבנתם של מדענים נכון ל-1911 ומכונה "המודל הפלאנטרי של האטום" (מודל רתרפורד). המודל הזה היה טעון שיפור כי כבר מאמצע המאה ה-19 היה ידוע שחלקיק טעון מאיץ (אפילו אם גודלה של המהירות לא משתנה, אלא רק כיוונה), היה אמור לפלוט קרינה וליפול לתוך הגרעין.

מודל האטום הפלאנטרי

מודל בוהר מ-1913 הציע שהאלקטרונים נעים במסלולים מעגליים מסויימים (כלומר לא כל רדיוס מותר ולא כל מהירות מותרת) שעבורם הכוח הצנטריפטלי שווה בדיוק לכוח המשיכה של הפרוטון. לכל מסלול כזה יש אנרגיה משלו וכאשר אלקטרון קופץ מרמת אנרגיה גבוהה לרמת אנרגיה נמוכה יותר הוא מאבד אנרגיה בשיעור השווה להפרש בין שתי הרמות.

מודל האטום של בוהר. nהוא אינדקס הרמה, ו- ΔE = hνהיא הפרש האנרגיה בין הרמות כאשר hהוא קבוע פלנק ו-νהיא תדירות הקרינה הנפלטת/נקלטת במעבר בין שתי רמות.

האנרגיה הכוללת ברדיוס מסוים (קינטית, כלומר זו הנובעת מהסיבוב + פוטנציאלית, הנובעת מהמשיכה לפרוטון) היא שלילית ופרופורציונית הפוך לרדיוס המסלול. אנרגיה השווה לאפס מתארת מצב שבו האלקטרון מיונן, כלומר נפרד לחלוטין מהפרוטון (בדומה למילוט של לווין מכוכב לכת). רמת האנרגיה הראשונה מתאימה לרדיוס הנמוך ביותר הנקרא רדיוס בוהר השווה ל- 0.0529 ננומטר, ורדיוס קטן ממנו פשוט אינו אפשרי.

מודל בוהר היה אטרקטיבי מאוד לזמנו ואפילו הצליח להסביר את הפסים בספקטרום הפליטה של אטום המימן, אבל הוא לא חף מחסרונות. חסרונו הבולט ביותר הוא שהוא עומד בסתירה לעקרון האי-וודאות מ-1925, שכן לפי בוהר, לאלקטרון יש מהירות ידועה במדויק ורדיוס (מיקום) ידוע במדויק. למעשה לפי המכניקה הקוונטית – שהיא כידוע התורה המקובלת מאז 1927 - אנו יכולים לדעת לכל היותר את ההסתברות של האלקטרון להימצא במקום מסוים במרחב. הסתברויות אלה מגדירות אורביטלים אטומיים (הכללה של ה"מסלולים" של בוהר). בחלק מהאורביטלים לאלקטרון אכן יש הסתברות להיות בגרעין, אבל הרדיוס הממוצע הוא של האורביטל הנמוך ביותר באנרגיה הוא רדיוס בוהר. עבור האורביטלים הגבוהים יותר הרדיוס הממוצע גדול יותר.

מאת: נעה זמשטיין
המחלקה לפיזיקה כימית
מכון ויצמן למדע

הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.