גרעין האטום


גרעין האטום

גרעין האטום

גרעין האטום והקשר לטבלה המחזורית

גרעין האטום התגלה במסגרת חקר החומרים. לאחר שנים רבות שבהן מדענים סברו כי האטום אינו ניתן לחלוקה, התגלה שהאטום מכיל חלקיקים קטנים יותר, הגרעין ומעטפת אלקטרונית מסביב לו. עוד התגלה שהגרעין מכיל פרוטונים וניוטרונים .

כיום ידוע שהניוטרונים והפרוטונים בנויים מחלקיקים קטנים יותר הקרויים קוורקים. האלקטרונים, לעומתם, מגלים, מצד אחד, תכונות חלקיקיות (מסה ומטען חשמלי) ומצד שני גם תכונות גליות בדומה לגלים בים שהם בעלי תדירות וגובה. מצב זה מכונה הדואליות של האלקטרון .
בשיעור הזה נדון באטום ובחלקיקים המרכיבים אותו עד לרמת הפרוטון, הניוטרון והאלקטרון. נתייחס לכל חלקיק בשני ממדים: מסה ומטען חשמלי .

פרוטון הוא חלקיק בגרעין בעל יחידת מסה אחת ומטען חשמלי שהוא  1+ בקירוב.

נויטרון הוא חלקיק בגרעין בעל יחידת מסה אחת ומטען חשמלי 0 .

מתוך שתי ההגדרות של פרוטון ונויטרון ניתן להסיק שחלקיקים אלו הם בעלי מסה דומה אבל נבדלים זה מזה במטען החשמלי שלהם.
המסה של פרוטון היא 10-27* 1.672 ק"ג  שהם 0.0000000000000000000000000001672 ק"ג.
זהו מספר קטן מאוד ולכן הגדירו את המסה של הפרוטון כשווה ליחידת מסה אחת.

מרב המסה של האטום מרוכזת בגרעין, למרות נפחו הקטן בהשוואה לאטום כולו.

אם נתבונן בטבלה המחזורית נוכל לראות שלכל אטום יש שני ערכים המייצגים אותו. בטבלה המחזורית המשמשת אותנו בבגרות ערך אחד מבין השניים מופיע מעל היסוד ואחד מתחתיו.

לדוגמה:   12.00C6

המספר הקטן, מבין המספרים שמייצגים את היסוד, קרוי המספר האטומי ( Z ).
המספר הגדול מבין השניים (כפי שהוא מופעי בטבלה המחזורית) שבדרך כלל אינו מספר שלם, קרוי מסה אטומית ממוצעת. מושג זה אינו נדרש על-פי תכנית הלימודים. בהמשך נקרא למספר זה מסה מולרית.

נגדיר כעת את המושגים הבאים:

מספר אטומי – (Z); קרוי גם מטען גרעיני.

זהו מספר המציין את מספר הפרוטונים בגרעין של אטום כלשהו.
לכל אטומי יסוד מאותו הסוג יש מספר פרוטונים זהה .
אם נדע מה מספר הפרוטונים בגרעין של אטום כלשהו , נוכל להתאים אותו ליסוד מסוים לפי המספר האטומי שלו.

כעת נבחן את המספר השני המייצג את היסוד. מדוע מספר זה אינו שלם?

עבור רוב היסודות בטבלה המחזורית הערך הגדול אינו מספר שלם כי הוא ערך ממוצע משוקלל של מסות של מספר אטומים השייכים לאותו היסוד.

לכל אחד מהיסודות הטבע ישנם מספר סוגי אטומים. אטומים אלו זהים במספר האטומי שלהם, כלומר במספר הפרוטונים, אבל נבדלים זה מזה במספר המסה שלהם, בגלל הבדל במספר הנויטרונים. סוגי אטומים אלו קרויים איזוטופים.

מהו מספר המסה?

מספר מסה (A)

זהו סכום הפרוטונים והנויטרונים בגרעין איזוטופ של אטום כלשהו.
מספר הנויטרונים באטומים שונים השייכים לאותו יסוד אינו חייב להיות שווה. רק מספר הפרוטונים חייב להיות זהה. לכן לאותו היסוד יש סוגים שונים של אטומים המייצגים אותו. הם זהים במספר האטומי אבל נבדלים במספר הנויטרונים ולכן גם שונים במספר המסה שלהם.

כשעושים ממוצע משוקלל של מסות, כלומר כשמשקללים את המסה של כל אחד מהאיזוטופים של אותו היסוד ואת אחוז השכיחות שלו בטבע, מתקבל הערך הממוצע המופיע בטבלה המחזורית. זהו הערך הגדול מבין שני הערכים המופיעים בטבלה המחזורית ליד כל יסוד.

לדוגמה, ליסוד מימן שלושה סוגי איזוטופים.

האיזוטופ מספר פרוטונים מספר אטומי מספר מסה מספר נויטרונים
11H 1 1 1 0
21H 1 1 2 1
31H 1 1 3 2

ניתן לראות שכל האטומים שמיוצגים בטבלה הם מימנים, הנבדלים זה מזה רק במספר המסה ולא במספר האטומי. לכולם התנהגות כימית זהה אך, בכל זאת, יש הבדלים ביניהם. חלקם רדיואקטיביים ולחלקם תכונות פיזיקליות שונות מעט זו מזו. בהתנהגות הכימית שלהם הם זהים.

בטבלה המחזורית לא מייצגים את כל האיזוטופים של כל יסוד, אלא מציינים ייצוג אחד בלבד לכל יסוד. המספר שמופיע בטבלה (קרוי גם מסה אטומית ממוצעת או מסה מולרית, מושג שעליו נלמד בהרחבה בהמשך), הוא שקלול המסות  של כל האיזוטופים של אותו היסוד.