הכי קטן שאפשר: ממה עשוי החומר?

השאלה ממה מורכב היקום העסיקה את האנושות מאז ימי יוון העתיקה, ועדיין התשובה נמצאת רחוק מאיתנו. הצטרפו למסע מרתק אל עולם הפיזיקה המיקרוסקופית. חלק ראשון

נתחיל בשאלה קשה: אם ניקח ערימה של חול נקי ונחלק אותה לשניים, ממה יהיה עשוי כל חלק? רגע, חכו, אתם עדיין במקום הנכון. בכל זאת, כל הכבוד לעונים נכונה: כל אחד מהחלקים עשוי מחול. אם ניקח את אחד החצאים ונחלק גם אותו לשניים, מאיזה חומר יהיה מורכב כל חלק הפעם? ושוב אתם צודקים, גם הפעם כל אחד משני החלקים יהיה עדיין עשוי מחול.

 

אם נמשיך כך לחלק את החול עוד ועוד, האם התשובה תישאר זהה? הזהרתי אתכם מראש שלא מדובר בשאלה קלה, והתשובה הנכונה היא "לא". אחרי 70 או 80 חלוקות לחצאים נגיע לגרגיר של חול.

 

וכשמחלקים גם אותו עוד ועוד באמצעות סכין דמיוני משוכלל מגיעים לחלקיק הבסיסי של החול - מולקולה, או בעברית פרודה. המולקולה של החול נקראת צורן דו-חמצני (סיליקה), שאם מחלקים גם אותה לחלקיה הבסיסים כבר לא נשאר חול, אלא חומרים אחרים לגמרי.

 

ממה מורכב החומר?

במאה החמישית לפני הספירה הציע הפילוסוף היווני אֶמְפֶּדוֹקְלֶס רעיון מעניין: בעולם קיימים ארבעה יסודות - מים, אוויר, אדמה ואש. אי אפשר לחלק אותם לחלקים קטנים יותר, אבל כל החומרים בטבע מתקבלים כתוצאה מערבוב כמויות שונות של היסודות האלה, והם מסוגלים להתרכב זה עם זה בהשפעת הכוח "אהבה", ולהידחות זה מזה בהשפעת ה"יריבות".

 

במאה הרביעית לפני הספירה אימץ את הרעיון הזה פילוסוף ידוע אחר, אריסטו, ואף הוסיף לו יסוד חמישי – אֶתֶר.

 

תיאוריה אחרת העלה דמוקריטוס, גם הוא יווני וגם הוא פילוסוף, שחי במאה החמישית לפני הספירה. לדעתו, כל החומרים בטבע בנויים מאטומים (א-טום פירושו ביוונית "שאינו ניתן לחלוקה"), שהם חלקיקים שאינם ניתנים לחלוקה. הבעיה היא שאי אפשר לראות אותם בגלל ממדיהם הזעירים. אולי בגלל זה הרעיון לא זכה להצלחה מרובה, ודי נשכח.

 

עוד ב"גליליאו צעיר": חודש אוקטובר בהיסטוריה

 

המודל היווני של ארבעת היסודות, או חמשת היסודות יחד עם האתר, שלט בעולם המדע במשך מאות שנים. רק לקראת סוף המאה ה-18 התגלו עובדות חדשות, שהחזירו לתמונה את מודל האטום הנשכח: מדענים גילו שהאוויר מורכב מלפחות שני חומרים שונים לגמרי, התגלה שאפשר לפרק את המים למימן וחמצן, ונערכו ניסויים רבים אחרים בהם פורקו כל מיני חומרים לחומרים פשוטים יותר.

 

המדענים של אותם ימים כבר הבינו שכל החומרים בעולם בנויים מיסודות פשוטים ושונים, שכאשר הם נקשרים אלה לאלה נוצרות תרכובות כימיות מורכבות ומסובכות יותר. אבל האטום עדיין לא היה שם.

 

מולקולה, אטום ותעלומה חדשה

לפני כ-200 שנים, הזכיר חוקר אנגלי בשם ג'ון דלטון את קיומם של האטומים. הוא הציע רעיון שמשלב בין שתי התיאוריות הקדומות, ולפיו היסודות הפשוטים מורכבים מאטומים, שהם החלקיקים הקטנים ביותר שעדיין שומרים על תכונות החומר, אבל רק של חומרים מסוימים הקרויים יסודות.

 

החלקיק הקטן ביותר ששומר על תכונות התרכובת הוא המולקולה, וזה אומר שאם מפרקים מולקולה, מקבלים חומר שונה. החומר הזה הוא האטום, וכמה אטומים מרכיבים מולקולה - מולקולת מים מורכבת משני אטומי מימן ואטום אחד של חמצן, ומולקולה של מלח בישול מורכבת מאטום אחד של נתרן הקשור לאטום אחד של כלור.

 

לפעמים יחידות הבסיס של היסוד הן מולקולות, וכך חמצן באוויר מופיע כמולקולה של שני אטומי חמצן - ולכן קוראים לו חמצן מולקולרי. גם האוזון שמופיע באוויר מורכב משלושה אטומים של חמצן. אבל כמו שאמרנו, רוב החומרים בעולם הם יסודות הבנויים מאטומים, או תרכובות הבנויות ממולקולות שבנויות מאטומים.

 

אז הגענו ליסודות של החומר, הם האטומים. אבל שנים רבות לאחר מכן, שוב החלו המדענים שאול את עצמם שאלה חשובה: האם האטום הוא החלקיק הבסיסי או שיש לו מבנה פנימי? האם אפשר להמשיך ולחלק אותו עוד או שגם במקרה הזה מגיעים ליחידה בסיסית שמעבר לה אין עוד דבר?

 

מכיוון שבפיזיקה דברים הם אף פעם לא כל כך פשוטים, תצטרכו להישאר איתנו למדור הבא ולגלות את התשובה לשאלה המורכבת הזו.

 

הכתבה התפרסמה במגזין "גלילאו צעיר" מבית מוטו תקשורת. לכתבות נוספות של גליליאו צעיר באתר ifeel.