Строение атома

Протоны и нейтроны находятся в ядре атома, а электроны движутся вокруг ядра на определенных орбитах. Протоны имеют положительный заряд, нейтроны не имеют заряда, а электроны имеют отрицательный заряд.

Количество протонов в ядре атома определяет его порядковый номер в периодической системе элементов. Например, атом кислорода имеет в своем ядре 8 протонов, поэтому его порядковый номер равен 8.

Нейтроны не имеют заряда, но они влияют на массу атома. Количество нейтронов в ядре атома может быть разным, даже для атомов одного и того же элемента.

Ядро атома содержит нуклоны, ответственные за основную массу атома.

Нуклоны — простейшие частицы составляющие ядро атома.

Протоны — простейшие положительно заряженные частицы.

Нейтроны — частицы с нейтральным зарядом.

Масса атома сконцентрирована в ядре и ориентировочно равна числу нуклонов.

m атома = m ядра = (mp+ + mn0)

Между нуклонами действуют короткодействующие силы притяжения — ядерные силы.

Заряд ядра атома количественно отвечает численности протонов. Число протонов, присутствующих в ядре, количественно соответствует численности электронов, наполняющих электронную оболочку. Следовательно, положительный заряд атома сконцентрирован в ядре, а отрицательный — в электронной оболочке. В целом же атом  электронейтрален.

Заряд ядра = =

Понятие электронной оболочки атома

Объем и свойственные характеристики атома устанавливаются электронами, вернее электронной оболочкой, структура которой определяет оптические, химические, электрические, магнитные и механические свойства веществ.

Электроны — стабильная отрицательно заряженная простейшая частица, наполняющая электронную оболочку.

Электрон одновременно имеет характеристики частиц — массу и заряд, и особенности волн — длину, амплитуду и частоту.

Корпускулярно-волновой дуализм — природное особенность, состоящая в том, что простейшим частицам присущи корпускулярные (масса и заряд) и волновые характеристики (длина, амплитуда и частота).

Двойственная природа электрона дает возможность описать его перемещение по определенной траектории. При этом можно установить только потенциальную точку пространства, которая может содержать электрон. Совокупность вероятного положения электрона в пространстве составляет электронное облако.

Атомная орбиталь — функция, описывающая полноту электронного облака в отдельной точке пространства.

Область электронного облака, где возможность выявить электрон, составляющая более 95%, описывают условно ограниченной поверхностью и называют орбиталью.

Орбиталь — описанный условной граничной поверхностью объем электронного облака, в котором возможность выявить электрон превышает 95%.

Атомная орбиталь может быть представлена в разной форме, размере и ориентации. Орбитали существуют самостоятельно, вне зависимости от того присутствует на них электрон или нет. Отсюда выделяют занятые и вакантные орбитали. Атом любого, открытого на сегодня элемента, содержит весь набор орбиталей на каждом электронном уровне.

Квантовые числа

Квантовые числа отражают состояние электронной оболочки.

Каждую орбиталь и присутствующий на ней электрон можно охарактеризовать четырьмя квантовыми числами:

• Основное квантовое число (n) отражающее общую энергию электрона на конкретной орбитали. Имеет целое значение числа с положительным знаком.

(n) — 1, 2, 3, 4…

• Побочное (орбитальное) число (l) характеризующее форму орбитали. Отображается произвольными целочисленными значениями от 0 до n -1

(l) — 0, 1, 2 … n -1)

• Пространственная ориентация конкретной атомной орбитали — определяется магнитным квантовым числом (ml), которое способно принимать значения от (- l) до (+ l), в том числе и 0.
• Спиновое квантовое число (ms) ответственное за направление вращения электрона. Электроны с различными спинами принято обозначать стрелками, обращенными вверх или вниз.

(ms) — (↑ и ↓)

Энергетические уровни и электронные слои

Совокупность атомных орбиталей со схожим значением главного квантового числа, имеющих одинаковую энергию, характеризует термин энергетический уровень.

Все электроны, присутствующие на одном энергетическом уровне, формируют электронный слой.

Первый энергетический слой имеет минимальную энергию и заполняется первым. Электронные оболочки принято обозначать латинскими буквами K, L, M, N, O, P, Q либо цифрами от 1 до 7.

Электронный уровень с главным квантовым числом n включает n-подуровней.

Первый энергетический уровень с квантовым числом n=1  содержит один энергетический подуровень.

K(n=1) → 1 энергетический подуровень

Второй энергетический уровень с квантовым числом n=2 обладает двумя энергетическими подуровнями.

L(n=1) → 2 энергетических подуровня

И так далее

Энергетические подуровни характеризуются побочным или орбитальным квантовым числом (l), определяющим форму орбиталей.

Последовательность заполнения энергетических уровней

Орбитали, имеющиеся на энергетическом уровне, заполняются электронами по определенной схеме. Пока энергетический уровень имеет свободные места, следующий энергетический слой не заполняется. Для графического изображения орбитали принято использовать квадратную ячейку —

Энергетические подуровни и орбитали

Магнитное квантовое число (ml) устанавливает пространственную ориентацию отдельной атомной орбитали. Конкретный энергетический подуровень с орбитальным или побочным квантовым числом (l) содержит (2* l +1) орбиталей.

Для всеобщего удобства энергетические подуровни принято обозначать прописными латинскими буквами s-, p-, d-, f-,g-, h-, i-. Следовательно, s-подуровень содержит одну s-орбиталь.

s-подуровень

p-подуровень — 3 p-орбитали

p-подуровень

d-подуровень — 5 d-орбиталей

d-подуровень

Спиновое квантовое число (ms) условно считают ответственным за направление вращения электрона в атоме.

Электроны с различными спинами отмечают вертикальными стрелками, имеющими направление вверх и вниз ↓ и ↑.

Правила заполнения атомных орбиталей

Орбитали заполняются электронами по трем правилам:

1. Принцип минимальной энергии — электроны наполняют орбитали по мере роста квантовых чисел, начиная с подуровня с наименьшей энергией.
2. Принцип Паули — отдельная орбиталь может содержать не более двух электронов.
3. Правило Хунда — отдельный подуровень должен включать максимальное спиновое число.  Для максимально стабильного состояния на отдельным энергетическом подуровне должен быть хотя бы один электрон. Только при отсутствии вакантных орбиталей начинают формироваться электронные пары.

Изотопы

Изотопы (от др.-греч. ἴσος «равный; одинаковый» + τόπος «место») могут быть естественными или искусственными. Естественные изотопы образуются в природе, а искусственные изотопы создаются в лабораторных условиях путем ядерных реакций.

Примеры естественных изотопов:

• уран,
• торий,
• радий,
• калий,
• кальций,
• цирконий,
• рубидий.

Примеры искусственных изотопов:

• рубидий-81,
• иттрий-90,
• цезий-137.