קל וחומר

ממה מורכב החומר?

תפוח אפשר לחתוך לשנים. מה נקבל אם נחצה את התפוח עץ שוב ושוב מספר רב של פעמים? כמובן שלא נוכל למצוא בבית סכין כל-כך דק שיוכל לבצע זאת. אולם, אם היה נמצא בביתנו סכין "פלאי שכזה" מה היינו מקבלים? האם לאחר חיתוך התפוח מספר רב של פעמים נקבל יחידת תפוח מזערית? מסתבר שלא! נקבל פרוסה בעובי של אטום בודד. אטומים הם אבני הבניין שמהן עשוי העולם. כל היצורים והחפצים שמסביבנו בנויים למעשה מאטומים.

ניתן לדמות את העולם למשחק לגו ענקי ואת האטומים לקוביות משחק, אשר באמצעותן ניתן לבנות דברים שונים. אם נבנה בית מלגו, כשנפרק את הבית לרכביו לא נקבל אוסף של בתים קטנים יותר, אלא נקבל שוב את אותן אבני משחק בסיסיות - אבנים בהן בליטות וחורים, מהן ניתן כעת לבנות משהו שונה. ישנן אבנים קטנות שלהן זיז אחד, וישנן אבנים גדולות שלהן זיזים רבים. החומרים שמסביבנו מורכבים "מקוביות משחק" הקרויות אטומים. העולם מורכב ממערכת לגו ובה תשעים ושניים סוגים שונים של אבני בניין, או אטומים, הקרויים יסודות. קיימים עוד מספר בודד של יסודות לא יציבים שאינם מופיעים בטבע והופקו באופן מלאכותי. כל יסוד מורכב מסוג מסוים של אטומים: גוש זהב בנוי מאטומי זהב ואילו גוש ברזל בנוי מאטומי ברזל. כשמחברים יחד מספר יסודות שונים מקבלים חומר חדש. למשל, מהיסודות מימן וחמצן ניתן לקבל את החומר הקרוי מים. אם נוסיף ליסוד הקרוי ברזל כמויות קטנות של יסוד אחר הקרוי פחמן, נקבל חומר הקרוי פלדה. פלדה משמשת לייצור מכוניות, גשרים, וגורדי שחקים.

היוונים ותיאורית ארבעת היסודות

הפילוסופים ביוון העתיקה סברו שהעולם עשוי מארבעה יסודות (חומרים בסיסיים): אש, מים, אויר ואדמה, אותם לא ניתן לפרק למרכיבים פשוטים יותר. התיאוריה הראשונה בדבר קיומם של האטומים הוצגה על-ידי הפילוסוף היווני דמוקריטוס על-מנת להסביר ממה עשויים החומרים. המילה "אטום" פירושה "שאינו ניתן לחלוקה". דמוקריטוס שיער שהחומרים בטבע עשויים מחלקיקים זעירים המסוגלים להתחבר ביניהם. המודל האטומי של דמוקריטוס נדחה על-ידי רוב הפילוסופים היוונים שהעדיפו על פניו את מודל ארבעת היסודות. כמעט אלפיים שנה עברו מאז ורק בתחילת המאה ה-19 החלו המדענים לגלות כי אכן עולמנו מורכב מאטומי יסודות.

מבנה האטום

האם האטום מורכב מחלקיקים קטנים ממנו? במרכזו של האטום נמצא גרעין האטום, המורכב מכדורים קטנים, הנקראים פרוטונים ונויטרונים. הפרוטונים והנויטרונים משווים לגרעין מראה הדומה קצת לפטל. כדורים זעירים עוד יותר הנקראים אלקטרונים מקיפים את הגרעין ונמצאים בתנועה מתמדת סביבו. עקב התנועה המתמדת לא ניתן לייחס לאלקטרון מיקום ומסלול מדויקים. האלקטרונים אשר גודלם קטן מאוד יכולים להציג תכונות הן של חלקיקים והן של גלים.

רובו של האטום הוא חלל ריק. אם נדמה את האטום לאצטדיון כדורגל, גרעין האטום יהיה בגודלו של אפון בודד הנמצא במרכזו של האצטדיון, והאלקטרונים גודלם יהיה כגרגירי חול. האלקטרונים מסתובבים סביב הגרעין כמו דבורים המעופפות סביב הכוורת. אנו קוראים לאלקטרונים החגים סביב הגרעין בשם חלקיקי יסוד. האלקטרונים הינם בעלי מטען חשמלי שלילי, ואילו הגרעין הינו בעל מטען חשמלי חיובי. בין הגרעין החיובי לבין האלקטרונים השליליים קיימת משיכה חשמלית.

הפרוטון והנויטרון כבדים בערך פי 2000 מהאלקטרון, לכן גרעין האטום הוא זה האחראי למשקלו של האטום. הפרוטון נושא מטען חשמלי חיובי, ואילו הנויטרון אינו נושא מטען, לכן אנו אומרים שהוא 'נייטרלי' מבחינה חשמלית. ציינו שלגרעין יש מטען חיובי, עכשיו אנחנו יודעים שזה בגלל המטען החשמלי של הפרוטונים. הנויטרונים והפרוטונים צמודים זה לזה בכוח רב הקרוי הכוח הגרעיני החזק. בין הפרוטונים המצופפים בגרעין קיימים כוחות חשמליים גדולים של דחייה, אולם הכוחות מאוזנים על-ידי כוחות הקיימים בין הפרוטונים לבין הנויטרונים המצויים בגרעין. הפרוטונים והנויטרונים מורכבים מחלקיקים זעירים עוד יותר הקרויים קווארקים.

המימן הוא הפשוט ביותר מבין היסודות. מימן הוא היסוד הנפוץ ביותר ביקום. אטום המימן מורכב מפרוטון אחד, שסביבו סובב אלקטרון אחד, ולכן הוא האטום הקל והקטן ביותר מבין כל אטומי היסודות. הליום, המשתייך לקבוצת יסודות הקרויים גזים האצילים, הוא היסוד השני הכי נפוץ ביקום אחרי מימן. אטום ההליום מורכב משני פרוטונים ושני נויטרונים, שמסביבם חגים שני אלקטרונים. בשל היות ההליום קל מהאוויר, משתמשים בו למילוי בלונים וספינות אוויר. ליתיום משתייך לקבוצת היסודות המתכתיים. הליתיום הינו המתכת הקלה ביותר. הוא מורכב משלושה פרוטונים ושלושה נויטרונים, שמסביבם חגים ששלושה אלקטרונים. הליתיום משמש בתעשיית הסוללות החשמליות.

מקובל להתייחס לאלקטרונים כאל "ענן" המרחף סביב גרעין האטום. מדוע האלקטרונים ממשיכים לרחף ולהסתובב סביב הגרעין שלהם ואינם מתרחקים ממנו? זאת מאחר שבין הגרעין החיובי לבין האלקטרונים השליליים קיימת משיכה חשמלית. בטבע מטענים מנוגדים נמשכים זה לזה, ואילו מטענים דומים דוחים זה את זה. המטען החיובי והמטען השלילי נמשכים זה לזה ולכן הכוח החשמלי של הגרעין הוא המונע מן האלקטרונים "לברוח" מהאטום.

בטבע קיימים לפעמים אטומים מעט שונים לאותו יסוד הנקראים איזוטופים. השוני מתבטא במספר שונה של נויטרונים בגרעין האטום. לרוב היסודות איזוטופ אחד נפוץ במיוחד ואחרים נדירים יותר. מימן לדוגמה קיים בשלוש צורות: פרוטיום, דאוטריום וטריטיום. למימן "הרגיל" הקרוי פרוטיום ישנו גרעין המכיל פרוטון אחד. בנוסף אליו קיימים עוד שני איזוטופים של מימן. האחד הוא הדאוטריום, הכבד פי שניים מן המימן הרגיל, שכן גרעינו מורכב מפרוטון ומנויטרון. השני הוא הטריטיום, הכבד מן המימן הרגיל פי שלושה, מכיוון שגרעינו מורכב משני נויטרונים, נוסף על הפרוטון.

כיצד נוצרים החומרים השונים?

במה נבדלים היסודות השונים זה מזה? ראשית, האטומים של היסודות השונים נבדלים זה מזה בגודל הגרעין. שנית, לכל אחד מהם מספר שונה של אלקטרונים. לאטום הקל היותר (אטום מימן) יש רק אלקטרון אחד (כמו שלאבן הלגו הקטנה ביותר יש בליטה אחת בלבד). לאטום הבא אחריו (הליום) שני אלקטרונים, ולבא אחריו (ליתיום) שלושה אלקטרונים, וכן הלאה... כשאטומים נפגשים, האלקטרונים מסתדרים סביב הגרעינים שלהם, כדי שהאטומים יתחברו. האלקטרונים מסתדרים כמו שהבליטות והחורים באבני הלגו מתאימים זה לזה. ממש כמו שאפשר לבנות דברים שונים מאותן אבני לגו, כך גם אפשר לבנות חומרים מצרופים שונים של אותם אטומים הקרויים יסודות. קשרים שונים בין האטומים יוצרים חומרים חדשים. לדוגמא, קשר בין מתכת הקרויה נתרן לבין חומר אל-מתכתי הקרוי כלור יוצר את החומר המוכר "מלח בישול", הקרוי בשפה המדעית נתרן-כלורי. בעזרת האטומים של היסודות הקיימים בטבע ניתן לבנות אינסוף צירופים של חומרים בעלי תכונות שונות ויישומים שונים.

.

רוצים לדעת עוד?

ראסל סטנארד , "שואלים את הדוד אלברט", הוצאת עם עובד, 1998.

הידעת! התקופות המרכזיות ביותר בתולדות האנושות קרויות על-שם החומרים המרכזיים בהם השתמש האדם באותה התקופה: תקופת האבן, תקופת הברונזה ותקופת הברזל. הוספת יסוד הקרוי בדיל ליסוד נחושת יוצרת חומר הנקרא ברונזה, המשמש באמנות הפיסול. בתקופת הברונזה יצר האדם כלי עבודה וכלי נשק ממתכת זו. כלי הברונזה היו חזקים יותר ועמידים יותר מכלי האבן והנחושת שקדמו להם. פחמן הוא יסוד כימי אל-מתכתי המורכב משישה פרוטונים ושישה נויטרונים, שמסביבם חגים שישה אלקטרונים. אטומי היסוד פחמן יוצרים בסידורים שונים חומרים שונים, ביניהם היהלום, הגרפיט והפולרין. היהלום הינו המינרל הטבעי הקשה ביותר המוכר לאדם, והוא משמש לשיבוץ תכשיטים יקרים. הגרפיט לעומת זאת היא חומר רך, המשמש בייצור עפרונות. הפולרין (קרוי גם פחמן 60), התגלה בשנת 1985, הוא חומר הבנוי מקבוצות של - 60 אטומי פחמן המחוברים בניהם בדומה לצורת כדורגל. לפחמן נטייה חזקה ביותר ליצור קשרים עם אטומים אחרים. אטומי הפחמן מסוגלים ליצור שרשראות ארוכות ביותר. שרשראות אלו יכולות להסתעף וליצור מבנים מיוחדים (כמו טבעות), ולכן מספר האפשרויות ליצירת חומרים שונים הוא עצום. החומרים בעולם החי והצומח מורכבים משרשראות של פחמן.

* ד"ר דנה אשכנזי, בעלת תואר דוקטור בהנדסה מכנית, ותואר ראשון ושני בהנדסת חומרים, העוסקת במחקר, כתיבה וחינוך.

* המאמר התפרסם לראשונה בכתב העת"גליליאו צעיר": דנה אשכנזי (2007). קל וחומר – מסע בעקבות החומרים, "גליליאו צעיר" – ירחון לילדים סקרנים 41 (יוני), 21-16.