אטומים וגרעינים.

שלב 1 מתוך 6

מה יש בתוך אטום

ביחידה על החשמל פגשנו מטען חיובי ומטען שלילי. האטום בנוי משניהם. במרכזו הגרעין, ובו פרוטונים, שמטענם חיובי, ונייטרונים, שאין להם מטען. סביב הגרעין נעים האלקטרונים, שמטענם שלילי ושווה בגודלו למטען של פרוטון. האלקטרון קל מפרוטון כמעט פי $2000$⁠, ולכן כמעט כל המסה של האטום נמצאת בגרעין.

באטום ניטרלי יש בדיוק אלקטרון אחד על כל פרוטון, והמטענים מבטלים זה את זה. בסצנה פחמן: שישה פרוטונים בגרעין ושישה אלקטרונים סביבו. שנו את פרוטונים וראו איך כל פרוטון נוסף מביא איתו אלקטרון.

שלב 2 מתוך 6

לספור נייטרונים

מספר הפרוטונים נקרא המספר האטומי, $Z$⁠, והוא שקובע איזה יסוד זה: שישה פרוטונים הם תמיד פחמן, ואחד־עשר הם תמיד נתרן. מספר הפרוטונים והנייטרונים יחד, כל החלקיקים שבגרעין, נקרא מספר המסה, $A$⁠. אם $N$⁠ הוא מספר הנייטרונים, אז

$A = Z + N$⁠

כותבים גרעין עם שני המספרים לפני הסמל של היסוד: מספר המסה למעלה והמספר האטומי למטה. פחמן עם שישה נייטרונים הוא $^{12}_{6}\mathrm{C}$⁠. בסצנה עכשיו נתרן, והפרוטונים נעולים.

שלב 3 מתוך 6

איזוטופים

לא לכל האטומים של יסוד יש אותו מספר נייטרונים. לרוב הפחמן יש שישה, לאטום אחד בערך מכל מאה יש שבעה, ולמעט מאוד יש שמונה. אלה איזוטופים של פחמן: $^{12}_{6}\mathrm{C}$⁠, $^{13}_{6}\mathrm{C}$⁠ ו־$^{14}_{6}\mathrm{C}$⁠. לכולם שישה פרוטונים ושישה אלקטרונים, ולכן אותה כימיה; הם נבדלים רק במסה. קוראים להם גם פחמן־12, פחמן־13 ופחמן־14, לפי מספר המסה.

הסצנה מציירת לכל יסוד את האיזוטופ הנפוץ ביותר שלו. בשיעור הבא נראה שיש איזוטופים שהגרעין שלהם אינו יציב, כמו פחמן־14.

שלב 4 מתוך 6

קליפות

האלקטרונים מסודרים בקליפות. בקליפה הראשונה יש מקום לשני אלקטרונים, ובשנייה ובשלישית לשמונה בכל אחת, ביסודות שבסצנה. האלקטרונים ממלאים קודם את הקליפות הפנימיות. בסצנה ניאון, Z = 10: שני אלקטרונים בקליפה הראשונה ושמונה בשנייה, ושתיהן מלאות.

הכימיה של יסוד נקבעת בעיקר לפי הקליפה החיצונית. נבאו כמה אלקטרונים יהיו בקליפה החיצונית כשנוסיף פרוטון אחד, ואז הסתכלו.

שלב 5 מתוך 6

קליפה חיצונית מלאה

לניאון ולהליום קליפה חיצונית מלאה, והם כמעט לא מגיבים עם שום דבר: הם גזים אצילים. גם בשורה השלישית של הטבלה המחזורית יש גז כזה. מצאו אותו בעזרת פרוטונים.

שלב 6 מתוך 6

עננים, לא מסלולים

הטבעות בסצנה הן ציור נוח לספירה, לא תמונה של האטום. לפי מכניקת הקוונטים אי אפשר לומר איפה אלקטרון נמצא ובאיזה מסלול הוא נע; אפשר לומר רק מה הסיכוי למצוא אותו בכל מקום. הסצנה עברה לענן: הבהירות מראה איפה הסיכוי גבוה. הקליפות הן אזורים כאלה, זה בתוך זה.

והגרעין? בציור הוא נקודה קטנה, אבל באמת הוא קטן עוד הרבה יותר. אטום רחב בערך $10^{-10}$⁠ מטר, וגרעין בערך $10^{-15}$⁠ מטר: פי $100{,}000$⁠ פחות. אם האטום היה בגודל של אצטדיון כדורגל, הגרעין היה גרגר אורז במרכזו, וכמעט כל המסה הייתה בגרגר הזה.