מבנה האטום

רדיואקטיביות קיימת כבר מעל מאה שנים, אך היא עדיין מטפלת בסרטן, מספקת חשמל ותורמת לכללי בטיחות מחמירים. מקור זה מכסה AQA GCSE Physics 8463, נושא 4.4 מבנה אטומי.

כיצב המבחן מטפל בנושא זה:

• נייר 1 (שאלות 4.1–4.4) מכסה נושא זה. תמיכה בספרטת נוסחאות תלויה במחזור המבחן. תרגל סימון, משוואות מאוזנות, גרפים והסברים לצד חישובים.
• קרינה רקעית, סכנות מחצית חיים, שימושים וסדק/היתוך הם פיזיקה בלבד.
• יחסי ירידה נטו לאחר מספר מחציות חיים הם שכבה גבוהה.
• עליכם לכתוב משוואות גרעיניות מאוזנות לדעיכה אלפא ובטה בודדת (איזון מספרים אטומיים ומספרי מסה; שם הבת אינו נדרש).

אטום הוא קטן מאוד: רדיוס כ-$1\times10^{-10}$ m. המבנה שלו:

• Nucleus: positively charged, with protons and neutrons; most of the atom's mass, but a radius less than 1/10 000 of the atom's.
• אלקטרונים: טעונים במינוס, מסודרים בשכבות אנרגיה. בליעת קריעה אלקטרומגנטית מעלה אלקטרון לשכבה גבוהה יותר, רחוקה יותר מהגרעין; פליטה מורידה אותו לשכבה נמוכה יותר, קרובה יותר.

סימון: $\ ^{A}_{Z}X$ כאשר $Z$ = מספר אטומי (פרוטונים) ו$A$ = מספר מסה (פרוטונים + נייטרונים). באטום ניטרלי, אלקטרונים = פרוטונים; לאטומים אין מטען כללי.

• איזוטופים: אטומים של אותו יסוד (אותו $Z$) עם מספרים שונים של נייטרונים (מספר מסה שונה $A$).
• מספר הנייטרונים בגרעין = $A - Z$.
• אטומים שאבדו אלקטרון חיצוני אחד או יותר הופכים ליונים חיוביים.

דוגמה פתורה. פחמן-14: $\ ^{14}_{6}\text{C}$.

• פרוטונים = 6; אלקטרונים = 6 (ניטרלי); נייטרונים = $14 - 6 = 8$.
• לפחמן-12 יש 6 נייטרונים — אותה יסוד, מספר נייטרונים שונה: איזוטופים.

ראיות ניסוייות חדשות יכולות לשנות או להחליף מודל מדעי:

*פיזור אלפא: רוב החלקיקים עוברים דרך; מעטים קופצים אחורה מגרעין קטן וצפוף.

1. לפני תגלית האלקטרון: אטומים היו כדורים זעירים שלא ניתן לחלקם.
2. תגלית האלקטרון → מודל העוגת הסוכר: כדור מטען חיובי עם אלקטרונים שליליים טבועים בו.
3. פיזור אלפא (רז'רפורד): רוב חלקיקי האלפא עברו ישר, מעטים הוחזרו אחורה → המסה והמטען החיובי חייבים להיות מרוכזים במרכז קטן → המודל הגרעיני החליף את מודל עוגת הסוכר.
4. בור התאים אותו: אלקטרונים מקיפים במרחקים ספציפיים; החישובים שלו התאימו לתצפיות.
5. עבודה נוספה הראתה שמטען חיובי מגיע ביחידות שלם-מספר — הפרוטון; ניסויי צ'דוויק (כעבור 20 שנים) הוכיחו את הנייטרון.

הסבר את הראיות שהשינו את הדגם: אם דגם העוגה היה נכון, חלקיקי אלפא היו עוברים כולם עם סטיות קטנות (B1); חלקים קפוץ כמעט ישר אחורה (B1), מה שאפשר רק אם המסה והטעון החיובי מרוכזים בגרעין קטן, צפוף וחיובי (B1).

חלק מהגרעינים הם לא יציבים. הם פולטים קרינה בעת השינוי שלהם כדי להפוך ליציבים יותר — תהליך אקראי הנקרא דעיכה רדיואקטיבית.

• פעילות: קצב דעיכת המקור; יחידה בקוורל (Bq).
• קצב ספירה: ספירת גלאי לשנייה, לאחר התחשבות ברקע אם נדרש. גלאי מקלט בדרך כלל רק חלק מהפליטות; לכן קצב הספירה אינו בהכרח פעילות המקור ב-Bq.

קריעה	זהות	כוח ייצוגי	מגן
אלפא α	גרעין הליום	חזק	נייר / עור
בטא β	אלקטרון מהיר	בינוני	מ"מ אלומיניום
גמא γ	קריעה אלקטרומגנטית	חלש	עופרת עבה מפחיתה אותה

אלפא מכיל שני פרוטונים ושני נוטרונים ונסע רק כמה סנטימטרים באוויר. בטא נפלט כאשר נוטרון הופך לפרוטון; הטווח שלו באוויר ארוך יותר. גמא יש לו את הטווח הגדול ביותר משלושה אלו ומפחית, אך אינו נעצר לחלוטין על ידי עופרת עבה או בטון. גרעין יכול גם לפלוט נוטרון; מאפיינים מפורטים של נוטרונים אינם נדרשים כאן.

בחר מקור לפי השימוש תוך התאמת תכונות: אלפא לאזעקות עשן (העשן מפחית את זרם היון); בטא לשליטה בעובי (נספג חלקית על ידי הדף); גמא למעקבים (יוצא מהגוף) ולהיסטר (חודר אריזה ופוגע במיקרואורגניזמים). מקור סגור מפחית סיכון זיהום; הוא אינו מבטל את הצורך בהקפלת צעדי בטיחות בטיפול.

*חדירה: אלפא נעצר בנייר, בטא על ידי אלומיניום, גאמא מופחת על ידי עופרת עבה.

פעילות מתוך גרף. בגרף של מספר הגרעינים הלא-מדעיים נגד הזמן, שרטטו משיק בזמן הרשום. השיפוע השלילי שלו הוא קצב הירידה במספר הגרעינים; הפעילות היא הגודל החיובי, בשנתלים (Bq). קראו שני נקודות רחוקות זו מזו על המשיק, ולא שתי נקודות שרירותיות על העקומה.

דוגמה פתורה (נכתבה על ידי מורה). המשיק הקרוב עובר דרך $(0\ \text{s},68000)$ ו$(200\ \text{s},12000)$.

זוהי הערכה מבוססת משיק מצורע. דרישת AQA יוני 2024 8463/1H Q09.5 דורשת את אותה שיטה על גרף משלה ב300 שניות; התשובה הרשמית שלה היא $7.1\times10^{20}$ Bq. אלו גרפים ונתונים שונים.

איזן את מספרי המסה (למעלה) ואת מספרי האטום (למטה) בשני האגפים:

• דעיכת אלפא: הגרעין מאבד 4 למעלה ו2 למטה.
  $$^{238}_{\ 92}\text{U} \rightarrow\ ^{234}_{\ 90}\text{Th} +\ ^{4}_{2}\text{He}$$
• דעיכת בטא: ניוטרון הופך לפרוטון; מספר המסה לא השתנה, מספר האטום +1; חלקיק הבטא הוא $\ ^{0}_{-1}\text{e}$.
  $$^{14}_{\ 6}\text{C} \rightarrow\ ^{14}_{\ 7}\text{N} +\ ^{0}_{-1}\text{e}$$
• פליטת גמא: אינה משנה שום מספר.

דוגמה פותרת. פולוניום-210 דועך בפליטת אלפא. כתוב את המשוואה.

• אלפא מוריד 4 ו2: $A: 210 - 4 = 206$; $Z: 84 - 2 = 82$.
  $$^{210}_{\ 84}\text{Po} \rightarrow\ ^{206}_{\ 82}\text{X} +\ ^{4}_{2}\text{He}$$
• בדוק שהשניים מאוזנים ✓ (שם הבת לא נדרש).

דעיכה היא אקראית: לא ניתן לחזות עבור כל גרעין בודד; רק ההתנהגות הממוצעת של הרבה גרעינים ניתנת לחיזוי.

מחצית חיים: הזמן הנדרש (א) למחצית מספר גרעיני האיזוטופ בדגימה, או (ב) לקצב הספירה הנטו / לפעילות לרדת לחצי מהרמה ההתחלתית. יש להפחית תחתית (רקע) מקריאות הגלאי ולשמור על גיאומטריית הגלאי ללא שינוי.

• מגרף: לקרוא את הזמן הדרוש כדי שקצב הספירה ייחצף — לחזור על כך מספר פעמים ולקחת ממוצע.
• לאחר $n$ חצי חיים, השבר שנשאר הוא $1/2^n$ (HT: לבטא כיחס).

דוגמה פתורה. פעילות הדגימה יורדת מ800 Bq ל200 Bq בתוך 12 שנים.

• חציות: $800 \to 400 \to 200$ שווה לשתי חציות.
  $$t_{1/2} = \frac{12\ \text{years}}{2} = 6\ \text{years}$$

Actual AQA demand, June 2025 8463/1H Q07.4: polonium-210 has a half-life of 138 days. The number of atoms falls from 256 000 to 16 000: four halvings, so the time is $4 \times 138 = 552$ days. Q07.5 compares equal numbers of Po-209 and Po-210 atoms: the longer-lived Po-209 has lower activity. The equal-population condition matters.

• זיהום: אטומים רדיואקטיביים לא רצויים על או בתוך חפץ או אדם. הסכנה נמשכת כל עוד האטומים נמצאים שם, ומדערים על או בתוך הגוף.
• חשיפה לקרינה: החשיפת גוף לקרינה. הגוף המוחשף אינו הופך לרדיואקטיבי.

זיהום יכול להמשיך לחשוף רקמות בזמן שהאטומים הרדיואקטיביים נותרים. חשיפה ממקור חיצוני נפסקת כאשר המקור נשלף או מוצל בצורה יעילה. השוו את פעילות המקור, סוג הקרינה, המרחק, זמן החשיפה והאם החומר נמצא בתוך הגוף; זיהום אינו תמיד גורם לתרומת השעה הגבוהה ביותר. אלפא חיצוני יש לו חדירה נמוכה ונעצר על ידי העור, אך בפנים הגוף, היינון החזק שלו יכול לפגוע ברקמות חיות סמוכות.

אמצעי זהירות: להחזיק מקורות עם מלקחי מתכת, לשמור אותם במרחק, להגביל את הזמן בקרבתם, לכיוון אותם הרחק מאנשים, לאחסן בקופסאות מצופות עופרת. ממצאים על השפעות הקרינה פורסמים ועוברים בביקורת עמיתים כך שתוכלו לבדוק אותם.

קרינת רקע נמצאת סביבנו בכל עת:

• טבעי: סלעים (גז רדון), קרני קוסמיות מהחלל, מזון ואיזוטופים טבעיים בגוף;
• מעשה ידי אדם: משקעים מבדיקות נשק, תאונות גרעין, שימושים רפואיים.

התרומה תלויה בתעודה ובמיקום (גובה רב, תעשיות מסוימות). יחידת מידה: זייוורטים (1000 mSv = 1 Sv; אין צורך לזכור).

מדידות של דוגמה חייבות להפחית את קצב הספירה ברקע קודם כל.

מחצית חיים וסיכון: עבור מספר שווה של גרעינים לא יציבים, מחצית חיים קצרה יותר פירושה פעילות גבוהה יותר. הכמות ותנאי החשיפה גם כן חשובים. מקור בעל מחצית חיים ארוכה עשוי לדרוש אחסון בטוח למשך שנים רבות. סימן ביולוגי רפואי צריך להישאר פעיל מספיק לאורך הבדיקה, ולאחר מכן לדעוך במהירות כדי להפחית תרומת שעה נוספת. מקור באזעקת עשן צריך להישאר שימושי למשך שנים רבות.

שימושים רפואיים (כל אחד = חיפוש או הרסה):

• חיפוש: סימן ביולוגי פולט גמא (למשל טכנשיום-99m) שהוזרק כך שאיברים יוצגו בסריקה; גמא יוצא מהגוף; מחצית חיים מתאימה קצרה מגבילה את תרומת השעה לאחר הסריקה.
• הרס: קרני גמא ממוקדות או מקורות נטועים הורגים תאי סרטן (טיפול בקרינה); בטה למצבי עור.

הערכת סיכון: השוו את המינוחה והתוצאה של ההליך לסיכון מחלת — עם מספרים מהשאלה.

חלוקה: שבירת גרעין גדול, לא יציב (אורניום-235, פלוטוניום-239).

• חלוקה ספונטנית היא נדירה: הגרעין בדרך כלל סופג נייטרון קודם.
• הוא מתפצל ל-שני גרעינים קטנים בגודל דומה, ומשחרר שני או שלושה נייטרונים וקרני גמא; אנרגיה משתחררת וכל המוצאים נושאים אנרגיה קינטית.
• הנייטרונים המשוחררים יכולים לגרום לחלוקות נוספות — תגובה שרשרתית. תחנת כוח שולטת בה (מוטות הבקעה סופגים נייטרונים); פיצוץ נשק הוא תגובה שרשרתית לא מבוקרת.
• עליך לצייר או לפרש את התרשים: נייטרון בתוך → שני חלקיקים + נייטרונים החוצה → שרשרת ענף.

היתוך: שני גרעינים קלים מתאחדים ליצירת גרעין כבד יותר; חלק מהמסה הופכת לאנרגיה של קרינה. כדי להתאחד, הגרעינים החיוביים צריכים לגשת זה לקרוב למרות הדחייה החשמלית שלהם. אין לתאר היתוך כקשר כימי או לטעון שכל מערכת היתוך היא ללא פסולת.

• למצוא פרוטונים, נייטרונים ואלקטרונים מ$A,Z$; לזהות איזוטופים ויונים.
• להסביר איך עדפות ניסוייות שינו את מודלי האטום.
• להשוות מאפייני α/β/γ ולבחור מקורות מתאימים לשימוש.
• לאזן משוואות אלפא/בטא בודדות ולבדוק את שתי השורות.
• למצוא מחצית חיים וירידה נטו (HT); למצוא פעילות משיפוע משיק.
• להפחית תחתית; להבדיל בין ספירות גלאי לפעילות מקור.
• להשוות סיכוני חשיפה/זיהום ואת אמצעי המניעה.
• (פיזיקה בלבד) הסבר על הרקע, שימושים רפואיים, בחירת מחצית חיים ופירוק/היתוך גרעיני.

טעויות נפוצות

• החלפת מספר אטומי ומספר מסה. המספר העליון הוא פרוטונים + נייטרונים; התחתון הוא פרוטונים; נייטרונים = עליון − תחתון.
• שינוי מספר המסה בפילוש בטא. נייטרון הופך לפרוטון והאלקטרון יוצא מהגרעין: המספר האטומי עולה ב-1, מספר המסה נשאר זהה.
• מחשבה ששתי מחציות חיים מסירות את כל הדוגמה. לאחר שתי מחציות חיים נותר $\tfrac14$; לאחר שלוש, נותר $\tfrac18$.
• קריאת מחצית חיים ללא ניכוי רקע. יש לתקן כל ספירה תחילה, אחרת פעילות הנראית תפחית לאט מדי.
• טענה שאובייקט חשוף לקרינה הופך למעורר רדיואקטיבית. רק זיהום מניח אטומים רדיואקטיביים עליו או בתוכו.
• כינוי גמא כקרן המסוכנת ביותר בכל מקום. גמא חודר הכי הרבה אך יוצר פחות יוני; אלפא בתוך הגוף הוא המזיק ביותר.
• ערבוב בין פיזור והיתוך. פיזור מפצל גרעין גדול (אורן, פלוטוניום); היתוך מאחד גרעינים קלים (מימן בכוכבים).