עיבוד שבבי - מבנה האטום וקשרים בין אטומים
מבנה האטום וקשרים בין אטומים
האטומים מהווים את אבני הבניין של החומרים מהם עשויים כל היצורים החיים וכל החפצים בתבל. ניתן לדמות את היקום בו אנו חיים למשחק קוביות עצום, בו בנויים כל החומרים שמסביבנו מ"קוביות משחק" הקרויות אטומי יסודות. בעזרת האטומים של היסודות הקיימים בטבע ניתן לבנות אינסוף צירופים של חומרים בעלי מגוון תכונות ויישומים. כל יסוד מורכב מסוג מסוים של אטומים: רדיד כסף בנוי מאטומי כסף ואילו רדיד זהב בנוי מאטומי זהב.
כאשר אטומי יסודות שונים מתחברים ביניהם נוצרים חומרים חדשים. משילוב בין היסודות חמצן ומימן נוצר החומר מים, ואילו שילוב בין היסודות נתרן וכלור יוצר חומר גבישי הקרוי נתרן-כלורי, המכונה בשפת היום-יום מלח-בישול. כזכור, הוספת היסוד בדיל ליסוד נחושת יוצרת את הברונזה, באמצעותה ייצר האדם כלי עבודה ונשק בתקופת הברונזה. כלי הברונזה היו חזקים יותר ועמידים יותר מכלי האבן והנחושת שקדמו להם. כאשר נוסיף ליסוד ברזל כמויות קטנות של היסוד פחמן, נקבל כאמור חומר תעשייתי הקרוי פלדה.
במרכזו של האטום שוכן הגרעין, המורכב מחלקיקים קטנים, הנקראים פרוטונים ונויטרונים. חלקיקים זעירים עוד יותר, הקרויים אלקטרונים, מקיפים את הגרעין בתנועה מתמדת. האלקטרונים מכונים חלקיקי יסוד או חלקיקים אלמנטאריים. האלקטרונים הינם בעלי מטען חשמלי שלילי, ואילו גרעין האטום הינו בעל מטען חשמלי חיובי, הנובע ממטענם החיובי של הפרוטונים. לעומת זאת, הנויטרונים אינם נושאים כלל מטען חשמלי. "ענן" האלקטרונים חג ומרחף סביב הגרעין, עקב המשיכה החשמלית הקיימת בין הגרעין החיובי לבין האלקטרונים השליליים. הכוח החשמלי של הגרעין הוא זה המונע מן האלקטרונים "לברוח" מהאטום.
האלקטרונים מציגים תכונות הן של גלים והן של חלקיקים. תנועתם המתמדת של האלקטרונים מסביב לגרעין היא האחראית לכך שלא ניתן לייחס לאלקטרון מיקום מדויק בזמן נתון. המרחק בין הגרעין לאלקטרונים הוא עצום ביחס לגודלם של האלקטרונים ולגודלו של גרעין האטום, כך שרוב רובו של נפח האטום הוא חלל ריק. הפרוטון והנויטרון כבדים בערך פי 2000 מהאלקטרון, לכן גרעין האטום הוא זה האחראי למשקלו של האטום. בין הפרוטונים בעלי המטען החשמלי החיובי המצופפים בגרעין קיימים כוחות דחייה חשמליים גדולים. אולם, הכוחות הללו מאוזנים על-ידי כוחות הקיימים בין הפרוטונים לבין הנויטרונים שבגרעין. הכוח הרב בו צמודים הנויטרונים והפרוטונים זה לזה קרוי הכוח הגרעיני החזק. הפרוטונים והנויטרונים מורכבים מחלקיקים זעירים עוד יותר הקרויים קווארקים. גם הקווארקים כמו האלקטרונים מכונים חלקיקי יסוד. 
 
כעת, לאחר שדנו בקצרה במבנה האטום, נבחן את האופן שבו יוצרים האטומים השונים קשרים ביניהם.

כשאטומים נפגשים, האלקטרונים מסתדרים סביב הגרעינים שלהם, כדי שהאטומים יתחברו. ממש כמו שאפשר לבנות דברים שונים מאותן אבני משחק, כך גם אפשר לבנות חומרים מצרופים שונים של אותם אטומים הקרויים יסודות. קשרים שונים בין האטומים יוצרים חומרים חדשים. שאטומים סמוכים זה לזה, הם נוטים לקשור ביניהם קשרים מסוגים שונים. קשרים אילו אחראים להיווצרותם של צירופים שונים של חומרים. אטומי היסוד מהם בנוי החומר, הקשרים ביניהם, והפגמים הקיימים בחומר, הם המשפיעים המהותיים על תכונות החומר. ישנם מספר אופנים של קשרים בין אטומים, חלקם חזקים וחלקם חלשים. הקשרים החזקים בין האטומים הינם קשרים מתכתיים, קשרים יונים וקשרים קוולנטיים. 
 
בקשר מתכתי מוותר כל אטום על האלקטרונים בקליפתו החיצונית, אותם הוא מוסר לענן שיתופי של אלקטרונים הנעים בחופשיות בחומר. מבנה זה מקנה למתכות את תכונותיהם הייחודיות כגון: ברק, משיכות, הולכה חשמלית והולכת חום. 
 
קשר יוני זהו קשר בין יסוד מתכתי ליסוד אל-מתכתי. בקשר זה מוותרת המתכת על אלקטרונים מקליפתה החיצונית, אותם היא מעניקה לאטום אל-מתכתי. לאחר מסירת האלקטרונים נהיה אטום המתכת יון בעל מטען חיובי ואילו אטום האל-מתכת נהיה יון בעל מטען שלילי. דוגמה מוכרת לקשר יוני היא גבישי המלח-בישול (נתרן-כלורי). בקשר זה מוותר אטום הנתרן על אלקטרון בודד מקליפתו החיצונית לטובתו של אטום הכלור האל-מתכתי, באופן זה מגיעים הנתרן והכלור למצב יציב מבחינה אנרגטית. 
 
 
קשר קוולנטי נוצר על-ידי שיתוף של זוגות אלקטרונים בין אטומי יסודות אל-מתכתיים. המימן, החמצן, הפחמן והכלור נוטים ליצור קשרים קוולנטיים. מולקולת המים היא דוגמה לקשר קוולנטי בין אטום חמצן לשני אטומי מימן.

 
 
בנוסף לקשרים החזקים, קיימים בין האטומים גם שני קשרים משניים, בעלי אופי חלש: קשרי ואן-דר-וולס וקשרי מימן. קשרי ואן-דר-וולס נוצרים כתוצאה מאי-סימטריה בתנועת האלקטרונים החגים סביב האטום. קשרי מימן לעומת זאת נובעים מאי-סימטריה בין מולקולות. קשרי ואן-דר-וולס החלשים קיימים למשל בעיפרון גרפיט, דבר שמאפשר לנו להוריד שכבות של גרפיט על-גבי הנייר ובאופן זה לכתוב על הנייר. קשרים חלשים אילו גם מאפשרים לנו בקלות רבה למחוק את סימני הגרפיט מעל הנייר באמצעות המחק. קשרי המימן נוצרים כשמולקולות מסוימות, כדוגמת מולקולות המים, הינן בעלות מטען שלילי בחלק מסוים של המולקולה ובעלות מטען חיובי בחלק אחר של המולקולה. במולקולות אילו קיימת משיכה בין החלקים הטעונים במטען שלילי של מולקולה אחת לבן החלקים הטעונים במטען חיובי של המולקולה הנמצאת בסמיכות אליה.

 
 
המאמר מבוסס על כתביה של ד"ר דנה אשכנזי, ומפורסם כאן באישורה. לאתר של דנה >>>
 
ניתן לשלוח שרטוטי עיבוד שבבי לתמחור ישירות לדוא"ל: info@hitechm.co.il

היי-טק מכניקה, מפעל עיבוד שבבי. רחב האומן 15, ירושלים. טל': 02-5455914 או 052-7507776 דוא"ל: info@hitechm.co.il
© 2017. כל הזכויות שמורות להיי-טק מכניקה בע"מ - מפעל עיבוד שבבי.