עמוד הבית > מדעים > פיסיקה ומבנה החומר [כימיה] > חומרים: תכונות ותהליכים
ישראל. משרד הבטחון. ההוצאה לאור


תקציר
על התפתחות המחקר, התגליות, ומי היו האנשים הבולטים שעסקו בחקר הרדיו-אקטיביות.



ראשיתה של הפיסיקה הגרעינית
מחבר: פרופ' דניאל אשרי


חובב תאריכים יכול ליחס את ראשיתה של הפיסיקה הגרעינית למאורע שקרה בסוף המאה הקודמת, כאשר הפיסיקאי הצרפתי אנרי בקרל חקר את תופעת הפלואורוסצנסיה, שנחשבה לעת ההיא כעניין חדש בתכלית. הפלואורוסצנסיה עצמה היא פליטה של קרנים אלקטרומגנטיות מחומרים שבלעו קודם לכן קרינה אחרת. מחקריו של בקרל עסקו בפלואורוסצנסיה הנובעת מהקרנה (או עירור) באמצעות קרני X, קרנים מסתוריות שנתגלו על-ידי הפיסיקאי הגרמני וילהלם רנטגן שנה בלבד קודם לכן (ונקראו לכבודו גם בשם קרני רנטגן).

בקרל נהג להקרין כל מיני חומרים ולהכניס אותם לאחר מכן לקופסה שהכילה לוחות-צילום. עצם השחרתם של הלוחות הללו, ומידת ההשחרה, היה בהם כדי ללמד על הקרינה הפלואורוסצנטית שנפלטה מן החומרים המטופלים. באחד הניסויים הכניס בקרל לתוך הקופסה חומר שלא זכה לשום הקרנה מוקדמת. משנתבררה לו הטעות הזאת, פתח בקרל את הקופסה כדי להוציא את החומר ולהעניק לו את הטיפול הדרוש. להפתעתו הרבה נתגלה לו שהלוחות כבר היו מושחרים. בטעות המקרית הזאת גילה בקרל למעשה את הרדיו-אקטיביות. החומר שהיה בתוך הקופסה הכיל בין השאר תרכובת של אורניום, ובתוך זמן קצר התברר שמכל מרכיבי התרכובת הזאת, האורניום לבדו היה אחראי להשחרה של הלוחות. נמצא כי האורניום, בשונה מחומרים אחרים, פולט איזה שהוא סוג של קרינה גם בלא שום טיפול מוקדם.

למרבה המזל הכיר בקרל, ועמו גם פיסיקאים אחרים ששמעו על התופעה הזאת, כי מדובר בתופעה בעלת חשיבות יוצאת מן הכלל. אילמלא כן לא היתה מתחוללת כל ההתפתחות שבאה לאחר מכן. וההתפתחות היתה אמנם מואצת ביותר. במשך תקופה קצרה יחסית התנהל מחקר אינטנסיבי מאוד, שהוליד תגליות חדשות לרוב. מדענים רבים עזבו את כל עיסוקיהם האחרים ופנו לנושא זה של הרדיו-אקטיביות. בהקשר זה חשוב לציין כי למרות שהקומוניקציה בין המדענים היתה אז הרבה פחות מאורגנת מכפי שהיא כיום, והאמצעים שעמדו לרשותם היו פחות מפותחים מאלה המזומנים לנו בהווה, עדיין התקיים קשר הדוק מאוד בין חוקרי הרדיו-אקטיביות. מדענים מכל אירופה המערבית, מדנמרק, מגרמניה, מאנגליה, מצרפת ומאיטליה שיתפו פעולה זה עם זה וכל אחד מהם ידע מה עושים כל עמיתיו. כל ההתפתחות האמורה היתה למעשה תוצאה של הידברויות ודיונים משותפים. יתר-על-כן, כל מי שערך ניסוי חדש הזדרז לדווח עליו לכל עמיתיו.

התרומה הבולטת ביותר הושגה ככל הנראה בעבודתה של מארי קירי, מי שהרבתה לעסוק בנושא זה של הרדיו-אקטיביות במסגרת עבודת הדוקטור שלה. לזכותה של מארי קיריי נזקפות כמה תגליות. הראשונה מביניהן היתה בעלת חשיבות מעשית מידית. היא ראתה כי כאשר מציגים חומר רדיו-אקטיבי באוויר, האוויר המקיף את החומר הזה נעשה מוליך חשמלי. מכאן ואילך היה אפשר למדוד רדיו-אקטיביות בצורה כמותית, לא באמצעות לוחות-צילום אלא על פי המוליכות החשמלית של האוויר - שיטה הרבה יותר נוחה וגם הרבה יותר מדוייקת. לאמיתו של דבר היה זה גם הבסיס למה שנהפך לאחר מכן למונה-גייגר. מארי קירי אף גילתה כי האורניום אינו החומר היחיד הפולט רדיו-אקטיביות. היא בודדה מספר חומרים אחרים, בכלל זה היסודות פולוניום ורדיום, והראתה כי עוצמת הקרינה הנפלטת מהם חזקה יותר מעוצמת הקרינה הנפלטת מאורניום. אחרון-אחרון, היא הראתה שהפעילות הרדיו-אקטיבית אינה אחידה וכי אפשר להבחין בשלושה סוגי קרינה, השונים מאוד זה מזה. במרוצת הזמן ניתנו לקרינות הללו השמות אלפא, ביתא וגמא. קרינת אלפא מורכבת למעשה מיונים של הליום, משמע אטומים של גז הליום הנפלטים מתוך החומר במהירות גדולה (בערך 5% ממהירות האור) והם בעלי מטען חשמלי חיובי. הוכחה ברורה לזהותם הכימית של חלקיקי אלפא מזדמנת לנו כאשר אנו מציבים איזה שהוא כלי מרוקן מאוויר בקרבת החומר הרדיו-אקטיבי; לאחר זמן-מה מצטבר בתוך הכלי הזה גז ההליום ונקל לזהות אותו.

קרני ביתא הם למעשה זרמי אלקטרונים, בדיוק כמו האלקטרונים המסתובבים בכל אטום. דרך אגב, האלקטרונים עצמם נתגלו ונחקרו רק שנתיים קודם לכן. הרי לנו, איפוא, דוגמא נוספת למהירות ההעברה של המידע המדעי ולמהירות הניצול והיישום של המידע הזה בתהליכים ובצעדים הבאים.

הקרינה השלישית, קרינת גמא, דומה לקרני X שנתגלו גם הן, כאמור, אך זמן קצר קודם לכן. בהמשך הדברים עוד נשוב ונטפל בכל סוגי הקרינה הרדיו-אקטיבית למיניהם. בשלב זה נציין כי זאת היתה התמונה ב-1903, כאשר מארי קירי הגישה את עבודת הדוקטור שלה. באותה שנה זכתה חוקרת זו, יחד עם בקרל, שגילה את הרדיו-אקטיביות לראשונה, ועם בעלה פייר קירי - בפרס נובל בפיסיקה.

עד כאן דיברנו על הרדיו-אקטיביות שהיוותה, כאמור, את נקודת-המוצא. ראוי לציין, מכל מקום, כי בכל התקופה הזאת, ובכל השלבים הראשוניים לחקר הרדיו-אקטיביות, עדיין לא היה מי שיכיר ויזכיר את המושג של גרעין האטום. איש לא ידע כלל כי לאטום יש גרעין. למען האמת נודע אז רק מעט מאוד על מה שמתרחש בתוך האטום. לעומת זאת נודע לעת ההיא דבר קיומם של האלקטרונים. אלה התגלו בערך ב-1893 ועד מהרה התברר שהם חלקיקים בעלי מטענים שליליים ושהם חלקיקים קלים מאוד. האטום הקל ביותר המוכר לנו עד עצם היום הזה הוא המימן והאלקטרונים קלים ממנו בערך פי 1,800. כמו כן היה ידוע שבסופו של דבר החומר הוא נייטרלי, כלומר חסר מטען חשמלי. היגיון הפשוט חייב, איפוא, כי לצד האלקטרונים, בעלי המטענים השליליים, יש דבר-מה בעל מטען חיובי. זאת ועוד. אם האלקטרונים כל כך קלים, משמע שיתר החומר חייב להיות הרבה יותר כבד. בכך, בערך, התמצה כל הידע האטומי של העת ההיא.

בשנת 1907 צץ ועלה מודל אטומי ראשון, מפרי רוחו של הפיסיקאי האנגלי תומפסון, האיש שגילה את האלקטרונים. תומפסון טען שהאטום הוא כדור ורוב תכולתו "מרוחה" במטען חיובי. בתוך הכדור הזה מפוזרים כדורונים קטנטנים, אלקטרונים, שהם בעלי מטענים שליליים. היו שדימו את המצב למרק חיובי המכיל אפונים שליליים. אחרים דיברו על אבטיח חיובי ובתוכו חרצנים שליליים.

בנוסף לכל אלה נמצאה אז בידי המדענים גם אינפורמציה שמקורה בכימיה. המדע הזה כבר היה מפותח למדי. חוקרים רבים עסקו בריאקציות כימיות, מדדו ובדקו תכונות של חומרים שונים, ויצרו גם את מה שנודע בשם המערכה המחזורית. המערכה המחזורית של היסודות היא רשימה של כל היסודות הכימיים הערוכים זה לצד זה בסדר מסויים. והסדר הזה, כך התברר בהמשך הדברים, קשור בצורה הדוקה מאוד למבנה של האטום. כמו כן היתה בנמצא גם הספקטרוסקופיה. חוקרים שחיממו חומרים שונים לטמפרטורות גבוהות, גילו כי החומרים הללו פולטים אור. הם בדקו את האור הנפלט וערכו טבלאות מפורטות של קרני האור שנפלטו מחומרים רבים, בניסיון למצוא בתוך כל הנתונים הללו איזה שהוא סדר או היגיון. וכך קרה שתומפסון עם המודל שלו, מודל האפונים במרק, היה צריך לנסות ולהסביר גם שורה של תופעות מוכרות.

מבחינה מסוימת יש בכך כדי להזכיר במקצת את מה שהתרחש במדעים הפלנטריים כאשר הללו ניסו להסביר בכל מחיר את כל התופעות, בהסתמך על העיקרון שהארץ קבועה במקומה והשמש חגה סביבה. כל תופעה נמדדת שהחוקרים ניסו להתאימה לתוך המודל הזה, גררה סיבוך נוסף ועמו איזה שהוא גורם שלא הוכר קודם לכן. כך הלכו החוקרים וסירבלו את ההסברים, והכל כדי לאלץ אותם להתאים למודל מסויים. דבר-מה דומה קרה, כאמור, גם כאן. במצב שנוצר היה אפשר להסביר את כל התופעות המוכרות אבל רק בדוחק רב, בקושי רב. בה בשעה היה הכרח לכלול כל מיני תופעות שלא היה אפשר להוכיח את עצם קיומן.

שנתיים לאחר שתומפסון הציע את המודל שלו באה שעתו של ניסוי-המבחן. והרי זו דוגמה מעניינת לדרך התפתחותם של הדברים. מודל מדעי ראוי לשמו צריך לתאר את כל התופעות המוכרות, אבל בנוסף לכך הוא צריך גם להיבחן בכוחו לאפשר חיזוי תוצאות של ניסויים שטרם נערכו. ניסוי שכזה, ביחס למודל של תומפסון, בוצע באנגליה על ידי גייגר ומרסדן בשיתוף עם רתרפורד.

חוקרים אלה שבו וניצלו את התופעה של הרדיו-אקטיביות ואת הטכניקות שהתפתחו מסביב לה. הם לקחו מקור רדיו-אקטיבי הפולט חלקיקי אלפא - אטומים טעונים חיובית של הליום הנעים במהירות גבוהה - והציגו לפני המקור הזה לוחיות סדוקות שיצרו אלומה מסודרת של חלקיקי-אלפא. חלקיקי אלפא יוצאים בדרך כלל מהמקור הרדיו-אקטיבי לכל הכיוונים האפשריים. הלוחיות הסדוקות סיננו, מכל מקום, את החלקיקים ויצרו אלומה של אותם חלקיקי-אלפא שיכלו לעבור דרך הסדקים. האלומה הזאת פגעה בסופו של דבר בעלה דק של זהב, בעובי של פחות מאלפית מילימיטר.

מה קורה כאשר האלומה פוגעת בזהב? חלקיקי אלפא חודרים פנימה ויכולים לפגוש באחד מן האטומים של הזהב. היות ורוב המאסה נמצאת בחומר החיובי, ולא באלקטרונים הקלים, ההתנגשות היא למעשה עם החומר החיובי - התנגשות של אטום הליום חיובי בחומר החיובי המצוי בתוך האטום. מתורת החשמל אנחנו יודעים שמטענים חיוביים דוחים זה את זה. מכאן, איפוא, שאטום ההליום הטעון היה צריך להידחות ולהיזרק הצידה, בכל אופן לסטות מהכיוון המקורי שלו.

מכאן ואילך נותרה למעשה שאלה כמותית. אם אמנם המודל הזה של תומפסון נכון, כי אז אפשר לחשב בדיוק מה תהיה הסטייה. התברר כי הסטייה המחושבת חייבת להיות קטנה מאוד. והנה, כאשר בוצע הניסוי ונמדדו זוויות הפיזור של חלקיקי אלפא, התברר שבמקום זוויות קטנות מאוד, בנות מעלה אחת או שתים נתגלו אפילו פיזורים בני 90 מעלות ויותר, אפילו עד כדי 180 מעלות. המימצא הזה לא הסתדר בשום פנים ואופן עם המודל של תומפסון. הכוחות החשמליים הדרושים לגרום סטייה כזאת חזקים בכמה וכמה מיליוני מונים יותר מכפי שאפשר היה לתאר על פי המודל הזה.

ואמנם, מיד לאחר מכן, ב-1911, בא רתרפורד וטען כי האטום נראה אחרת. אז, למעשה, נוצר הבסיס למודל האטומי המקובל היום: גרעין המכיל בתוכו את כל המטען החיובי והמרוכז בתוך חלק קטן מאוד מן האטום. באותו זמן כבר אפשר היה לקבל הערכה על הממדים של האטום - בערך אחד חלקי 100 מיליון של סנטימטר. הממדים של הגרעין, לפי המודל שהציע רתרפורד, קטנים פי 10,000 מכך. כלומר, מדובר במשהו בסדר-גודל של אחד חלקי מיליון-מיליוני סנטימטר.

היות וכל המטען החשמלי מרוכז על פי המודל הזה בנפח מצומצם מאוד, יש בו כדי להפעיל כוחות גדולים מאוד על חלקיק אלפא המגיע אליו. מכאן אפשר כמובן להסביר את הסטיות הגדולות של חלקיק האלפא. זו היתה למעשה נקודת-המפנה שהראתה בדיוק מה צריך להיות הכיוון. מיד לאחר מכן ניסו להשתמש במודל הזה כדי להסביר את כל התופעות שהמודל של תומפסון הסבירן רק בדוחק רב. וההצלחה היתה מלאה. נילס בוהר, שהתפרסם כחלוף זמן גם בזכות חלקו בביקוע האטום, הראה מיד שאפשר להשתמש במודל החדש כדי להסביר על פיו את כל הקווים הספקטראליים - משמע כל האור שנפלט מאטומים של מימן - על אורכי-הגל שלהם. והדברים הגיעו לידי כך שאפשר היה לבצע חישובים מדוייקים בהסתמך על המודל הזה ולהראות באופן כמותי ומדוייק כיצד מסתדרים פני הדברים.

לגרעין של אטום המימן קראו בשם פרוטון, זכר למלה יוונית שפירושה ראשוני ולהנחה שהיקום נבנה מלכתחילה מגרעיני מימן ורק לאחר מכן התפתחו גם חומרים אחרים. כפי שנראה בהמשך הדברים, הפרוטון הוא רכיב חשוב מאוד בכל הגרעינים של החומרים המוכרים לנו.

נחזור עתה לנושא של הרדיו-אקטיביות. במקביל לכל העבודות שהוזכרו עד כה המשיכו החוקרים לעסוק בצורה מאוד אינטנסיבית גם בתופעות הרדיו-אקטיביות ולגלות חידות חדשות. בשלב מסוים נוצרו אפילו סימני-שאלה שלא סולקו אלא לאחר עשרים שנה ויותר. התופעה העיקרית שגילו היתה השינוי במהותו של החומר הפולט את הרדיו-אקטיביות. חומר הפולט חלקיק אלפא, פולט מתוכו גרעין של הליום, או אטום של הליום, ונעשה כתוצאה מכך לחומר חדש בתכלית. מה יהיה החומר החדש הזה? אנחנו יודעים על קיומה של מערכה מחזורית ודומה שכדאי להזכיר בכמה מילים מה יש בה, במערכה הזאת.

המערכה המחזורית כוללת את כל היסודות המופיעים בטבע בסדר מסוים, הנקבע לפי המספר האטומי שלהם. לכל יסוד ויסוד מספר אטומי משלו. 1 - הוא המספר האטומי של מימן, 2 - של הליום, 8 - של חמצן, 26 - של ברזל, 82 - של עופרת. כפי שהתברר בהמשך הדברים, המספר הזה שווה בדיוק למספר האלקטרונים שיש לאותו יסוד. באטום של מימן יש אלקטרון אחד, באטום הברזל יש 26 אלקטרונים ולאטום העופרת 82 אלקטרונים. בנוסף למספר האטומי יש לכל יסוד גם משקל אטומי מסוים האופייני לו לבדו. ככל שאנחנו עולים במערכה המחזורית, האטומים נעשים יותר ויותר כבדים. יתר-על-כן, מסתבר שמשקליהם נמדדים בכפולות שלמות של אטום המימן. והנה, המשקל של אטום המימן הוא יחידה אחת, אבל משקלו של אטום ההליום, יסוד שהמספר האטומי שלו 2, הוא דווקא 4. המשקל של אטום החמצן הוא 16. המשקל של אטום העופרת הוא 208. סיכומו של דבר, המספרים האטומיים משתנים במערכה המחזורית בקפיצות של יחידה, בעוד שהשינוי במשקל האטומי נעשה בקצב יותר מהיר.

ביבליוגרפיה:
כותר: ראשיתה של הפיסיקה הגרעינית
שם  הספר: פיסיקה גרעינית
מחבר: אשרי, דניאל (פרופ')
עורך הספר: כרמל, עמוס  (ד"ר)
תאריך: 1979
הוצאה לאור: ישראל. משרד הבטחון. ההוצאה לאור
הערות: 1. בראש השער: פרופ' דניאל אשרי. המחלקה לפיסיקה. אוניברסיטת תל-אביב.
2. ספריית "אוניברסיטה משודרת".
3. עורך הספריה: יואל רפל.
4. עורכת הסדרה בגלי צה"ל: תרצה יובל.
5. יועץ אקדמי: פרופ' חיים שקד.
הערות לפריט זה: 1. המאמר הוא פרק א' בספר.
הספרייה הוירטואלית מטח - המרכז לטכנולוגיה חינוכית