מבנה הקליפות נובע ממשוואת שרדינגר בתורת הקוונטים. זוהי משוואה דיפרנציאלית הקושרת בין פונקציית הגל של האלקטרונים, האנרגיה שלהם, והפוטנציאל הגרעיני (המשיכה החשמלית של הגרעין). הפתרונות של המשוואה בדידים, כאשר לכל פתרון מתאים מספר קליפה ומספר אורביטל. מספר הקליפה הוא שלם המתחיל מ-1, ומספר האורביטלים בכל קליפה שווה למספר הקליפה בריבוע. בכל אורביטל יכולים לשכון שני אלקטרונים, כך שבסך הכל, בקליפה n שוכנים עד 2n2 אלקטרונים.
בנוסף, את האורביטלים נהוג לחלק לסוגים, על פי התנע הזוויתי של האלקטרונים בהם. האורביטלים מסומנים לפי הסדר: s, p, d, f. אורביטל s הוא בעל התנע הזוויתי והאנרגיה הנמוכים ביותר. אחריו p המכיל שלושה אורביטלים נפרדים ולכן 6 אלקטרונים. בטבלה המחזורית היסודות אשר האורביטל החיצוני שלהם הוא מסוג s נמצאים בשתי העמודות השמאליות, ואורביטלי p ב-6 העמודות הימניות. אורביטלי d מכילים עד 10 אלקטרונים והם מתכות המעבר, ו-f מכילים עד 14 אלקטרונים והם קבוצת הלנטנידים והאקטינידים.
הגזים האצילים הם העמודה הימנית ביותר, שבה קליפת p מלאה, והם היסודות בעלי המבנה האלקטרוני היציב ביותר, והם אינם פעילים כימית. היסודות בעמודה הצמודה אליה ובעמודה השמאלית ביותר הם הפעילים ביותר מבחינה כימית כי מספיקה תוספת או גריעה של אלקטרון אחד כדי להפוך אותם ליציבים.
מבנה הגרעין.
בגרעין האטום מצויים הפרוטונים (+) והנייטרונים (ללא מטען) (נקראים יחד נוקלאונים), שמסתם שווה בקירוב, וגדולה פי 1,840 בקירוב ממסת האלקטרון. סכום מספר הפרוטונים ומספר הנייטרונים משמש להגדרת מסתו האטומית של אטום.
הפרוטונים טעונים חיובית והנייטרונים כשמם הם נייטרליים, ולכן הגרעין טעון חיובית. מסיבה זו פועל כוח חשמלי חזק ששואף לפרק את הגרעין, אך כנגדו פועל הכוח החזק אשר מושך את החלקיקים יחד. התורה בפיזיקה שמסבירה את הכוח החזק נקראת כרומודינמיקה קוונטית.
הנייטרונים והפרוטונים עצמם בנויים כל אחד משלושה קוורקים, שהם חלקיקים יסודיים. הכוח החזק הוא גם זה שמחבר את הקוורקים בנוקלאונים.
הנוקלאונים קשורים לגרעין באנרגיה גבוהה מאוד, של מיליוני אלקטרון וולט, ולכן כל תגובה גרעינית, כלומר שינוי בגרעין האטום, מלווה בשחרור או ספיגת אנרגיה רבה. תגובות כמו ביקוע גרעיני, שבו גרעין האטום מתפצל למספר גרעינים, או היתוך גרעיני שבו שני גרעינים מתחברים יחד לגרעין חדש, משחררות אנרגיה רבה שיכולה להיות מנוצלת לצורכי האדם כמו בתחנת כוח גרעינית, או כנגדו, כמו בפצצת ביקוע גרעיני ופצצת היתוך גרעיני.
היסטוריה.
את התאוריה הידועה הראשונה בדבר קיומם של אטומים (התורה האטומית) הגו הפילוסופים האטומיסטים ביוון העתיקה, בניסיון להסביר את מבנה החומר. על פי תורתם, מורכבים החומרים בטבע מחלקיקים זעירים, שלהם זיזים ושקעים המסוגלים להתחבר זה לזה (על-פי דמוקריטוס גם תכונות רוחניות היו מורכבות מאטומים). התאוריות בנוגע לאטומים בעת העתיקה לא נשענו על תצפיות של הטבע כי אם על הגות פילוסופית. במשך 2,000 שנים בקירוב, התורה האטומית לא זכתה לאותה הפופולריות לה זכתה תאוריית ארבעת היסודות המתחרה. תאוריה זו, לפיה החומר בעולם מורכב מארבעה יסודות רציפים - אש, אוויר, מים ואדמה - קודמה על ידי הפילוסוף אריסטו במאה ה-4 לפנה"ס.
בשנת 1803 הגה ג'ון דלטון את התאוריה המדעית הראשונה שמסבירה באמצעות אטומים תוצאות נסיוניות. בתגובות כימיות המגיבים נמצאים ביחסים משקליים קבועים, ודלטון הסביר זאת באמצעות השערה כי כל יסוד מורכב מסוג אחד של חלקיקים יסודיים, אשר חוברים יחד לתרכובות. דלטון תיאר את האטומים ככדורים חלקים בלתי ניתנים לחלוקה.
ג'וזף ג'ון תומסון גילה כי מכל סוג של חומר נפלטים אלקטרונים זהים, והבין שבאטום יש אלקטרונים והוא אינו חלקיק יסודי, אלא בעל מבנה פנימי. הוא תיאר את מבנה האטום על פי מודל עוגת הצימוקים, שלפיו המטען החשמלי החיובי מפוזר בצורה הומוגנית באטום והאלקטרונים, חלקיקים בעלי מטען חשמלי נקודתי שלילי, "תקועים" בו כצימוקים בעוגה.
בשנת 1911 פינו מודלים אלה את מקומם לטובת המודל הפלנטרי, בעקבות ניסוי רתרפורד. על פי המודל הפלנטרי האטום בנוי מגרעין, שבו מרוכזים פרוטונים (בעלי מטען חשמלי חיובי). מסביב לגרעין חגים ככוכבים בפלנטה אלקטרונים שמטענם שווה והופכי למטענם של הפרוטונים ומספרם כמספר הפרוטונים שבגרעין, כך שמטענם החשמלי השלילי הכולל שווה למטען החיובי הכולל של הפרוטונים ומטען האטום כולו הוא אפס.
בשנת 1932, גילה ג'יימס צ'דוויק כי הגרעין מכיל חלקיק נוסף, הקרוי נייטרון, בעל מסה דומה לזו של הפרוטון אך חסר מטען חשמלי, בזכות תגלית זו זכה צ'דוויק בפרס נובל.
חלקו של המודל הנוגע למיקומם של הנייטרונים והפרוטונים בגרעין מרכזי מקובל עד היום, ועל פיו מסתם של האלקטרונים זניחה בהשוואה למסת הפרוטונים והנייטרונים, כך שמסת האטום מרוכזת בגרעין שנפחו מהווה חלק של כאחד ממיליון-מיליארד מנפח האטום (כי קוטר הגרעין נמדד בפרמי, שהוא אחד חלקי מאה אלף מקוטר האטום שנמדד באנגסטרם).
מודל האטום של בוהר אותו פיתח נילס בוהר מקצה רמות אנרגיה בדידות בהם יכולים האלקטרונים להסתובב. מודל האטום של בוהר מתאים לאטום המימן או לדמויי מימן, שהם אטומים בעלי אלקטרון אחד בלבד (ולכן טעונים חיובית) דוגמת He+1 או Li+2.
מכניקת הקוונטים שינתה שוב את תפיסת מודל האטום בו האלקטרונים אינם סובבים את גרעין האטום אם כי ממוקמים באזורים מסביבו בהסתברות התלויה ברמת האנרגיה שלהם.
חקר של אטומים.
ניתן "לראות" אטומים בודדים במיקרוסקופ מִנהור סורק. המיקרוסקופ סורק באמצעות מחט עדינה את פני החומר, אך ללא מגע בחומר עצמו, ומזרים זרם דרך המחט אל פני החומר. מכיוון שאין מגע בין המחט למשטח, הזרם עובר רק באמצעות מינהור קוונטי (מעבר של חלקיק דרך מחסום). עוצמת הזרם תלויה במרחק של המחט מהחומר ובצפיפות המצבים האלקטרוניים במשטח. באופן זה ניתן לראות אטום בודד, שכן האטום הוא "בליטה" במשטח אשר מגדילה את הזרם.
זיהוי אטומים.
כדי לזהות את סוג האטום (היסוד), ניתן להשתמש במספר שיטות:
ספקטרומטר מסה מודד את יחס המטען למסה של אטום טעון, שמתוכו ניתן לזהות את היסוד.
מיקרוסקופ אלקטרונים יכול לזהות יסודות שונים באמצעות ספקטרום הפליטה שלהם. באופן דומה ניתן לזהות יסודות של כוכבים רחוקים, דרך ספקטרום הפליטה שלהם באור נראה, באמצעות ספקטרומטר אופטי.
ברירה טבעית
הברירה הטבעית (באנגלית: Natural Selection) היא מנגנון מרכזי בתהליך האבולוציה. שונות גנטית בקרב האוכלוסייה, מביאה ליצירת פרטים שונים זה מזה גם בתכונותיהם הגנטיות. פרטים בעלי גנים המאפשרים שרידות והעמדת צאצאים טובה יותר, יעבירו את הגנים שלהם לצאצאים רבים יותר מפרטים אחרים. כיוון שכך, תלך ותגדל השכיחות באוכלוסייה של האללים של אותם הפרטים המתאימים לשרידות, בעוד ששכיחות האללים של הפרטים המותאמים פחות לסביבה, תלך ותקטן. לאורך דורות רבים, תהפוך האוכלוסייה מותאמת יותר ויותר לסביבת החיים גנוטיפית ופנוטיפית. תהליך זה מכונה הברירה הטבעית.
את רעיון הברירה הטבעית הגו צ'ארלס דרווין ועמיתו אלפרד ראסל וואלאס ב-1859, והבנתו הייתה שלב חשוב בהתפתחות הביולוגיה המודרנית.
בכל אוכלוסיית יצורים יש מגוון טבעי של תכונות. ישנם פרטים בעלי תכונות מותאמות יותר לסביבתם, המסייעות להם לשרוד ולהעמיד צאצאים. חלק מהתכונות האלה הן תורשתיות, ולמי שמעמיד הרבה צאצאים יש סיכוי גדול יותר להוריש להם תכונות אלה. באופן דומה, פרטים בעלי תכונות שמזיקות להם בסביבתם מתקשים להעמיד צאצאים ומתקשים להוריש את תכונותיהם התורשתיות. לכן, באוכלוסיות גדולות שטרם הגיעו לשיווי משקל אבולוציוני בנישה מסוימת, יש סיכוי טוב שבכל דור האוכלוסייה תהיה מותאמת יותר בתכונותיה בסביבה זו.
בשל הברירה הטבעית, לאורך דורות רבים, מינים דומים ואוכלוסיות נפרדות של אותו המין יכולים להפוך לבעלי תכונות שונות זה מזה, בייחוד אם הם מתפצלים לנישות אקולוגיות שונות. זהו אחד המנגנונים המסבירים את המגוון הביולוגי המוכר לנו, מאב קדמון משותף.
רעיון הברירה הטבעית הוצע לפני שהתפתחה תורת התורשה המודרנית, המסבירה כיצד מעבירים ההורים תכונות לצאצאיהם וכיצד נוצר מגוון בתכונות אלה. התפתחות הגנטיקה הקלאסית והמולקולרית במאה ה-20 השלימו את החוסר הזה. שילוב תורת הגנטיקה עם השערת הברירה הטבעית מכונה לעיתים הסינתזה האבולוציונית המודרנית.
הנחות הברירה הטבעית.
ב"מוצא המינים" ניסח דרווין את ארבע ההנחות (פוסטולטים) של הברירה הטבעית:
כך משתנים מאפייני האוכלוסייה מדור לדור. רק חלק מהפרטים זוכים לשרוד ולהתרבות (הנחה 3); הפרטים שזכו לשרוד ולהתרבות הם בעלי תכונות מסוימות, שעזרו להם לשרוד (הנחה 4); הם מורישים את התכונות האלה לצאצאיהם (הנחה 2). לכן בדור הבא תכונות מועילות אלה יהיו נפוצות יותר. לכן שכיחות תכונות שונות משתנה באופן הדרגתי ומתמשך באוכלוסייה. האבולוציה של האוכלוסייה מתרחשת כתוצאה מהשפעת הברירה הטבעית על פרטים באותה אוכלוסייה.
הנחות אלה נחשבות למדעיות מכיוון שהן מוכחות על ידי ניסויים ותצפיות, ואכן, ממחקרים שנערכו ב-150 השנה שחלפו מאז ניסח דרווין את ההנחות האלו עולה שהן נכונות.
ברירה של פנוטיפ וגנוטיפ.