Глава 4. Строение Атома

Атом состоит из ядра и электронной оболочки. Ядро атома, в свою очередь, состоит из протонов и нейтронов. Характеристики нейтронов, протонов и электронов приведены в таблице 4.

Таблица 4. Характеристики нейтронов, протонов и электронов.

Частица	Символ	Заряд		Масса
		Кл	Условные единицы	г	а.е.м.
Электрон	e	1,61019	1	9,11028	5,5104
Протон	p	+1,61019	+1	1,671024	1
Нейтрон	n	0	0	1,671024	1

Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента в периодической системе Д.И.Менделеева. Эта величина определяет заряд ядра Z и природу химического элемента. Двух элементов с одинаковым порядковым номером не бывает.

Сумма масс протонов и нейтронов соответствует массовому числу A, численно равному относительной атомной массе (или молярной массе) атома элемента. Таким образом, между зарядом ядра, массовым числом и числом нейтронов (N) существует простая взаимосвязь:

A = Z + N

(8)

Вид атомов с определенными значениями A и Z называется нуклидом. Нуклиды обозначают следующим образом: в левом верхнем углу записывают значение массового числа, в левом нижнем  заряд ядра. Например: и т.д. Нуклиды с одинаковыми Z, но различными A и N, называются изотопами: . Таким образом, ядра изотопов содержат различное число нейтронов. Атом любого элемента является электронейтральной частицей, поэтому число электронов в атоме равно числу протонов. Частица, в которой число электронов в атоме не равно числу протонов, называется ион. Ионы могут быть положительными (H⁺, Cu²⁺, Al³⁺) и отрицательными (Cl^, S^2). При обозначении заряда иона знак заряда ставят после его численного значения.

Пример 1. Определить состав ядра, число электронов и химический элемент, соответствующий нуклиду .

Решение.

Заряд ядра соответствует нижнему индексу: Z = 7. Число протонов равно порядковому номеру и одинаково для всех изотопов данного элемента, поэтому данный элемент  азот. Число электронов равно числу протонов и также равно 7. Число нейтронов найдем по формуле (8):

N = A  Z = 15  7 = 8.

4.1. Строение электронных оболочек атомов

В настоящее время развиты представления о двойственной природе электрона: электрон обладает свойствами и волны и частицы. Электрон может находиться в любой точке вблизи ядра, но вероятность его пребывания в разных точках околоядерного пространства неодинакова. Совокупность различных положений электрона рассматривается как электронное облако с определенной плотностью отрицательного заряда.

Пространство вокруг ядра, в котором наиболее вероятно нахождение электрона, называется орбиталью.

Орбитали атома имеют разные размеры и форму. Форму орбитали, а также движение электрона в атоме описывают при помощи четырех квантовых чисел: n, l, m_l и m_s.

Главное квантовое число n определяет общую энергию электрона на данной орбитали. Оно может принимать целые значения, начиная с единицы (n = 1,2,3…). Наибольшее значение n для данного атома определяется номером периода. Так для He n = 1; для Li n = 1,2; для Cu n = 1,2,3,4. Различным значениям n соответствуют различные энергетические уровни.

Побочное (орбитальное) квантовое число l определяет форму орбитали и характеризует энергетическое состояние электронов на данном энергетическом уровне. Это квантовое число также принимает целочисленные значения от 0 до n  1. Например, если n = 4, то l = 0,1,2,3.

Таким образом, в пределах одного энергетического уровня существуют один или несколько подуровней, которые отличаются энергией связи с ядром.

Этим подуровням соответствуют численные или буквенные значения орбитального квантового числа:

Значение l	0	1	2	3	4
Буквенное обозначение	s	p	d	f	g

Орбитали различных подуровней имеют разную форму: s-орбиталь  форму шара, p-орбиталь  форму гантели и т.д.

Рис. 1а. Форма s-орбитали.	Рис. 1б. Форма р-орбитали.

Магнитное квантовое число m_l характеризует ориентацию орбитали в пространстве и принимает значения от l до +l, включая 0. Так, если l = 1, то m_l = 1; 0; +1. Ориентация орбиталей в пространстве выглядит следующим образом: электронные облака вытянуты по осям x, y и z, перпендикулярным друг другу (рис. 2).

Рис. 2. Ориентация p-орбиталей в пространстве.

Спиновое квантовое число m_s характеризует собственный момент импульса электрона (спин), не связанный с движением электрона в пространстве. Абсолютное значение спина всегда равно ½. Проекция спина на ось z (m_s) может принимать лишь два значения: +½ и ½.