Електронні оболонки та орбіталі.

Існує певний набір орбіталей, які заповнюються електронами атома. Ці орбіталі утворюють певну електронну конфігурацію. На кожній орбіталі може знаходитися не більш двох електронів (принцип виключення Паулі). Орбіталі групуються в оболонки, кожна з яких може мати лише певну фіксовану кількість орбіталей (1, 4, 10 тощо). Орбіталі поділяють на внутрішні й зовнішні.

В основному стані атома внутрішні оболонки повністю заповнені електронами.

На внутрішніх орбіталях електрони сильно зв'язані з ядром. Щоб вирвати електрон з внутрішньої орбіталі потрібно надати йому велику енергію, до кількох тисяч електрон-вольт. Таку енергію електрон на внутрішній оболонці може отримати лише поглинувши квант рентгенівського випромінювання.

На зовнішній оболонці електрони на більшій відстані від ядра і слабше зв'язані з ним. Саме ці електрони беруть участь у формуванні хімічних зв'язків, тому зовнішню оболонку називають валентною, а електрони зовнішньої оболонки — валентними електронами.

Ядерні властивості

Основна маса атома зосереджена у ядрі, яке складається з нуклонів: протонів і нейтронів, зв'язаних між собою силами ядерної взаємодії.

Кількість протонів у ядрі атома визначає його атомний номер і те, якому елементові належить атом. Всі атоми із певним атомним номером мають однакові фізичні характеристики й проявляють однакові хімічні властивості.

Загальна кількість протонів та нейтронів в атомі елемента називається масовим числом і визначає його атомну масу, оскільки протон та нейтрон мають масу приблизно рівну 1 а.о.м.

Хімічний елемент може мати атоми з однаковою кількістю протонів і різною кількістю нейтронів. Такі атоми мають однаковий атомний номер, але різну масу, й називаються ізотопами елементу.

Наприклад, атоми водню завжди містять один протон, але існують ізотопи без нейтронів (водень-1, який іноді називають протієм — найпоширеніша форма), з одним нейтроном (дейтерій) і двома нейтронами (тритій). Відомі елементи складають неперервний натуральний ряд за числом протонів у ядрі, починаючи з атома водню з одним протоном і закінчуючи атомом унуноктію, в ядрі якого 118 протонів^[3].

Коли пишуть назву ізотопу, після неї пишуть масове число. Наприклад, ізотоп вуглець-14 містить 6 протонів та 8 нейтронів, що в сумі становить масове число 14. Інший популярний метод нотації полягає в тому, що атомна маса позначається верхнім індексом перед символом елементу. Наприклад, вуглець-14 позначається, як ¹⁴C.

Атомна маса елементу, наведена в періодичній таблиці, є усередненим значенням маси ізотопів, що зустрічаються в природі. Усереднення проводиться відповідно до поширеності ізотопу в природі.

Зі збільшенням атомного номера зростає додатній заряд ядра, а, отже, кулонівське відштовхування між протонами. Щоб втримати протони вкупі необхідно дедалі більше нейтронів. Проте велика кількість нейтронів нестабільна, і ця обставина накладає обмеження на можливий заряд ядра і кількість хімічних елементів, що існують в природі.

Всі ізотопи елементів періодичної системи, починаючи з номера 83 (Бісмут), радіоактивні.

Хімічні елементи з великими атомними номерами мають дуже малий час життя, можуть бути створені лише при бомбардуванні ядер легших елементів іонами, й спостерігаються лише під час експериментів з використанням прискорювачів. Станом на лютий 2008 року найважчим синтезованим хімічним елементом є унуноктій.

Чимало ізотопів хімічних елементів нестабільні й розпадаються з часом. Це явище використовується радіоелементним аналізом для визначення віку об'єктів, що має велике значення для археології та палеонтології.

Маса

Оскільки найбільший внесок в масу атома вносять протони і нейтрони, повне число цих частинок у нукліді називають масовим числом. Значення масового числа близьке до атомної маси нукліда.

Масу спокою нукліда часто наводять в атомних одиницях маси (а.о.м.) або Дальтонах (Да). Ця одиниця визначається як 1/12 частина маси спокою нейтрального атома Карбону-12, яка приблизно дорівнює 1,66 ×10^-24 г^[.

Водень-1 або протій — найлегший ізотоп Гідрогену, і атом з найменшою масою, має масу близько 1,007825 а.о.м.

Маса атома приблизно дорівнює добутку масового числа на атомну одиницю маси. Найважчий стабільний ізотоп — Плюмбум-208 з масою 207,9766521 а.о.м.

Через те, що маси навіть найважчих атомів у звичайних одиницях (наприклад, в грамах) дуже малі, в хімії для вимірювання кількості речовини використовують молі. В одному молі будь-якої речовини міститься одне й те саме число атомів (приблизно 6,022×10²³). Це число (число Авогадро) вибране таким чином, що якщо маса елемента дорівнює 1 а.о.м., то моль атомів цього елемента буде мати масу 1 г. Наприклад, атом Карбону-12 має масу 12 а.о.м., тому 1 моль вуглецю має масу 12 г.

Форма і розміри[

Розмір атома є величиною, що важко піддається вимірюванню, адже центральне ядро оточує розмита електронна хмара. Для атомів, що утворюють тверді кристали, відстань між суміжними вузлами кристалічної ґратки може слугувати наближеним значенням їхнього розміру.

Для атомів, що кристалів не формують, використовують інші техніки оцінки, включаючи теоретичні розрахунки. Наприклад, розмір атома Гідрогену оцінюють як 1,2×10⁻¹⁰ м. Розмір протона (що є ядром атома водню): 0,87×10⁻¹⁵ м. Отже ядро атома водню в 100 000 разів менше, ніж сам атом.

Атоми інших елементів зберігають приблизно те саме співвідношення. Причиною цього є те, що елементи із більшим позитивно-зарядженим ядром притягують електрони сильніше.

Ще одною характеристикою розмірів атома є радіус ван дер Ваальса — віддаль, на яку до даного атома може наблизитися інший атом.

Міжатомні віддалі в молекулах характеризуються довжиною хімічних зв'язків або ковалентним радіусом.

Енергетичні рівні.

Значення енергії, які може мати атом, обчислюються й інтерпретуються, виходячи з положень квантової механіки. При цьому враховуються такі фактори, як електростатична взаємодія електронів з ядром та електронів між собою, спіни електронів, принцип нерозрізнюваності часток. У квантовій механіці стан, в якому перебуває атом описується хвильовою функцією, яку можна знайти з розв'язку рівняння Шредінгера. Існує певний набір станів, кожен із яких має певне значення енергії.

Стан із найменшою енергією називається основним станом. Інші стани називаються збудженими. Атом перебуває в збудженому стані скінченний час, випромінюючи рано чи пізно квант електромагнітного поля (фотон) і переходячи в основний стан.

В основному стані атом може перебувати довго. Щоб збудитися, йому потрібна зовнішня енергія, яка може надійти до нього тільки із зовнішнього середовища. Атом випромінює чи поглинає світло лише певних частот, які відповідають різниці енергій його станів.

Нільс Бор побудував першу квантову теорію атома водню, яка отримала назву планетарна модель Бора.

Подальше її вдосконалення призвело до розвитку квантової механіки.