נוסח השאלה המלא: מדוע בכל אטום בודד או בתוך מולקולה, נוצרים כל הזמן דו-קטבים רגעיים (דיפולים רגעיים) משתנים? אילן

כל אטום בעולם מורכב מגרעין הנמצא במרכזו, המכיל פרוטונים (הטעונים מטען חשמלי חיובי) ונייטרונים (נייטראלים, ללא מטען חשמלי). מסביר לגרעין האטום 'מרחפים' להם האלקטרונים – חלקיקים קלים (קלים בערך פי 2000 מהפרוטונים והנייטרונים) ובעלי מטען חשמלי שלילי. בעבר (עד תחילת המאה ה-20) חשבו שהאלקטרון נע בתנועה סיבובית סביב הגרעין, בדומה לכוכבי הלכת שמסתובבים סביבי השמש. אולם במהרה התברר שמודל זה לא יציב מבחינה פיסיקלית (האלקטרון צפוי לקרוס פנימה לגרעין עקב פליטת אנרגיה, כמו כל מטען חשמלי בתנועה סיבובית), מכניקת הקוונטים שהתחילה להתפתח בתחילת המאה ה-20 מצאה שמסלולי האלקטרונים סביב גרעין האטום נקבעים על ידי 'משוואת תנועה' שצורתה אינה מעגלית בהכרח, בתוך מה שמכונה 'אורביטלים' (להרחבה, קראו: מה הכוח המונע מהאלקטרון השלילי ליפול אל עבר הגרעין החיובי, ומהי צורת מסלולי האלקטרונים באטום).  


צורה מרחבית של אורביטלים מסוג p, התמונה עובדה מויקיפדיה

מה שיותר חשוב לגבי התנועה – היא שהיא סטטיסטית: לפי התיאוריות המדעיות הנוכחיות אי אפשר לחשב בדיוק איפה ימצא אלקטרון בכל רגע ברגע אלא רק את הסיכוי שלו להימצא באיזור מסויים. כהערת אגב, נציין שאלברט אינשטיין התנגד במיוחד לתוצאה זו של מכניקת הקוונטים, ידועה אמירתו 'אלוהים לא משחק בקוביות' בנושא, הוא האמין שבעתיד ימצאו הכללים / המשתנים / החוקים שיאפשרו לחשב בדיוק את הפרמטרים שמכניקת הקוונטים טוענת שהם רק סטטיסטיים או בלתי ניתנים לחישוב מדוייק.
ברגע שמבינים שהתנועה היא סטטיסטית – קל מאוד להבין את תופעת הדו-קטבים החשמליים שנוצרים כל הזמן באטומים ומולקולות (מדובר בעניין סטטיסטי): אפשר לחשוב על צלחת (שמסמלת אטום) שלתוכה זורקים כמה גולות (שמסמלים אלקטרונים), אפשרי מצב כזה, בו הגולות מסודרות בצורה מאוזנת (פחות-או-יותר) סביב קו האמצע של הצלחת:

אבל – בהחלט אפשרי מצב כזה, בו, במקרה, יותר גולות התרכזו דווקא בצד אחד של הצלחת:


 

אם נחזור לאטום ואלקטרונים, אטום שימצא במצב השני ימצא בדו קוטב, החלק חצי שבו מתרכזים יותר אלקטרונים יהיה טעון מעט במטען חשמלי שלילי (מסומל d- בציור), והחלק בו פחות אלקטרונים יהיה טעון במטען חשמלי חיובי חלקי (בגלל חוסר באלקטרונים שיאזנו את הגרעין, מסומן d+ בציור). כלומר – יש באטום שני (דו) קטבים (פול, poles) חשמליים. מכיוון שהאלקטרונים משנים את מיקומם כל הזמן, הדיפולים הם רגעיים ומשתנים, כי כל הזמן סידור האלקטרונים משתנה. הסטטיסטיקה מגלה גם כן, שככל שמספר האלקטרונים באטום או במולקולה יהיה גדול יותר, גם הסיכוי לדיפולים חשמליים יהיה גדול יותר, וגם הדיפולים עצמם יהיו גדולים יותר, (למשל במולקולה של היסוד ברום, Br2, בעל 70 אלקטרונים יש סיכוי רב יותר להיווצרות דיפולים חשמליים גדולים יותר, בהשוואה למולקולה של היסוד פלואור, F2, שהיא בעלת 18 אלקטרונים בלבד, בדומה לכך שאם ממלאים יותר טפסי לוטו הסיכוי לזכיה גדל), הדיפולים החשמליים הם מהגורמים העיקריים לכוחות משיכה בין אטומים ומולקולות, שהם בעצם כוחות משיכה חשמליים בין מטענים – ו +, שקובעים, בין הייתר, את נקודות ההיתוך והרתיחה של חומרים שונים. ובאמת, פלואור – הוא גז בטמפ' החדר (הפלואור הופך לגז כבר ב- -188oC-) ואילו הברום – נוזל בטמפ' החדר (והופך לגז רק ב- 59oC). דרך אגב, דיפול חשמלי שנוצר באטום אחד, במקרה, יכול 'להשרות' דיפול חשמלי באטום אחר שנמצא לידו (על ידי כך שהמטען החיובי של הדיפול ימשוך לכיוונו אלקטרונים מהאטום ליד ו/או המטען השלילי ידחה אלקטרונים). האטום שעבר השראה יכול להשרות דיפול באטום אחר שלידו, וכן הלאה. כלומר הדיפולים החשמליים שנוצרים כל הזמן באטומים ומולקולות יכולים להיווצר גם מסיבות סטטיסטיות 'טהורות' (של סידור האלקטרונים הפנימי הרגעי) וגם עקב השראה חשמלית מקרית-ריגעית מאטום שכן.

מאת: ד"ר אבי סאייג
מכון ויצמן למדע ומכון דוידסון לחינוך מדעי
 

הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.