Atomu struktūra - vielas elementārdaļiņas, elektroni, protoni, neitroni
Visi fiziskie ķermeņi dabā ir izgatavoti no matērijas veida, ko sauc par matēriju. Vielas iedala divās galvenajās grupās — vienkāršās un sarežģītas vielas.
Sarežģītas vielas ir tās vielas, kuras ķīmisko reakciju rezultātā var sadalīties citās, vienkāršākās vielās. Atšķirībā no sarežģītām vielām, vienkāršas vielas ir tās, kuras nevar ķīmiski sadalīt vēl vienkāršākās vielās.
Sarežģītas vielas piemērs ir ūdens, kas ķīmiskas reakcijas rezultātā var sadalīties divās citās, vienkāršākās vielās – ūdeņradi un skābeklī. Kas attiecas uz pēdējām divām, tās vairs nevar ķīmiski sadalīties vienkāršākās vielās, un tāpēc tās ir vienkāršas vielas jeb, citiem vārdiem sakot, ķīmiskie elementi.
19. gadsimta pirmajā pusē zinātnē pastāvēja pieņēmums, ka ķīmiskie elementi ir nemainīgas vielas, kurām nav kopīgas attiecības viena ar otru. Taču krievu zinātnieks D. I. Mendeļejevs (1834 — 1907) pirmo reizi 1869. g.atklāj ķīmisko elementu attiecības, parādot, ka katra no tiem kvalitatīvais raksturojums ir atkarīgs no tā kvantitatīvās īpašības - atommasas.
Pētot ķīmisko elementu īpašības, D. I. Mendeļejevs pamanīja, ka to īpašības periodiski atkārtojas atkarībā no atomu svara. Viņš parādīja šo periodiskumu tabulas veidā, kas zinātnē ienāca ar nosaukumu "Mendeļejeva periodiskā elementu tabula".
Zemāk ir Mendeļejeva mūsdienu periodiskā ķīmisko elementu tabula.
Atomi
Saskaņā ar mūsdienu zinātnes koncepcijām katrs ķīmiskais elements sastāv no mazāko materiāla (materiāla) daļiņu kopuma, ko sauc par atomiem.
Atoms ir ķīmiskā elementa mazākā daļa, ko vairs nevar ķīmiski sadalīt citās, mazākās un vienkāršākās materiāla daļiņās.
Dažādas dabas ķīmisko elementu atomi atšķiras viens no otra pēc to fizikāli ķīmiskajām īpašībām, struktūras, izmēra, masas, atommasas, savas enerģijas un dažām citām īpašībām. Piemēram, ūdeņraža atoms pēc īpašībām un struktūras krasi atšķiras no skābekļa atoma, bet pēdējais no urāna atoma utt.
Ir konstatēts, ka ķīmisko elementu atomi ir ārkārtīgi mazi. Ja mēs nosacīti pieņemam, ka atomiem ir sfēriska forma, tad to diametram jābūt vienādam ar simtmiljonajām centimetru daļām. Piemēram, ūdeņraža atoma – mazākā atoma dabā – diametrs ir simtmiljonā daļa no centimetra (10-8 cm), bet lielāko atomu, piemēram, urāna atoma, diametrs nepārsniedz trīs simtus. centimetra miljondaļas (3 10–8 cm).Tāpēc ūdeņraža atoms ir tikpat reižu mazāks par sfēru, kura rādiuss ir viens centimetrs, jo pēdējais ir mazāks par zemeslodi.
Atomu ļoti mazā izmēra dēļ arī to masa ir ļoti maza. Piemēram, ūdeņraža atoma masa ir m = 1,67· 10-24. Tas nozīmē, ka vienā gramā ūdeņraža ir aptuveni 6·1023 atomi.
Ķīmisko elementu atomu svara parastajai mērvienībai ņem 1/16 no skābekļa atoma svara. Saskaņā ar šo ķīmiskā elementa atommasu tiek izsaukts abstrakts skaitlis, kas norāda, cik reižu konkrētā ķīmiskā elementa svars ir lielāks par 1/16 no skābekļa atoma svara.
D. I. Mendeļejeva elementu periodiskajā tabulā ir norādīti visu ķīmisko elementu atomu svari (skat. numuru zem elementa nosaukuma). No šīs tabulas redzams, ka vieglākais atoms ir ūdeņraža atoms, kura atomu svars ir 1,008. Oglekļa atomu svars ir 12, skābekļa ir 16 utt.
Kas attiecas uz smagākiem ķīmiskajiem elementiem, to atomsvars pārsniedz ūdeņraža atommasu vairāk nekā divsimt reižu. Tātad dzīvsudraba atomu vērtība ir 200,6, rādija ir 226 utt. Jo augstāku skaitļu secību ķīmiskais elements aizņem elementu periodiskajā tabulā, jo lielāks ir atomu svars.
Lielākā daļa ķīmisko elementu atomu svara ir izteikti kā daļskaitļi. Tas zināmā mērā ir izskaidrojams ar to, ka šādi ķīmiskie elementi sastāv no tā, cik daudz veidu atomu ar dažādu atomu svaru, bet ar vienādām ķīmiskajām īpašībām.
Ķīmiskos elementus, kuriem ir vienāds skaits elementu periodiskajā tabulā un tādēļ tiem ir vienādas ķīmiskās īpašības, bet ar atšķirīgu atomu svaru, sauc par izotopiem.
Izotopi ir atrodami lielākajā daļā ķīmisko elementu, ir divi izotopi, kalcijs - četri, cinks - pieci, alva - vienpadsmit utt. Daudzus izotopus iegūst mākslā, dažiem no tiem ir liela praktiska nozīme.
Vielas elementārdaļiņas
Ilgu laiku tika uzskatīts, ka ķīmisko elementu atomi ir matērijas dalāmības robeža, tas ir, it kā elementāri Visuma "celtniecības bloki". Mūsdienu zinātne noraida šo hipotēzi, nosakot, ka jebkura ķīmiskā elementa atoms ir pat mazāku materiāla daļiņu kopums nekā pats atoms.
Saskaņā ar matērijas struktūras elektronu teoriju jebkura ķīmiskā elementa atoms ir sistēma, kas sastāv no centrālā kodola, ap kuru griežas materiāla "elementārās" daļiņas, ko sauc par elektroniem. Atomu kodoli, saskaņā ar vispārpieņemtiem uzskatiem, sastāv no "elementāru" materiāla daļiņu kopuma - protoniem un neitroniem.
Lai izprastu atomu uzbūvi un tajos notiekošos fizikāli ķīmiskos procesus, ir vismaz īsi jāiepazīstas ar atomu veidojošo elementārdaļiņu pamatīpašībām.
Noteikts, ka elektrons ir īsta daļiņa ar vismazāko dabā novēroto negatīvo elektrisko lādiņu.
Ja nosacīti pieņemam, ka elektronam kā daļiņai ir sfēriska forma, tad elektrona diametram jābūt vienādam ar 4 ·10-13 cm, tas ir, tas ir desmitiem tūkstošu reižu mazāks par katra atoma diametru.
Elektronam, tāpat kā jebkurai citai materiāla daļiņai, ir masa. Elektrona "atpūtas masa", tas ir, masa, kas tam piemīt relatīvā miera stāvoklī, ir vienāda ar mo = 9,1 · 10-28 G.
Elektrona ārkārtīgi mazā "atpūtas masa" norāda, ka elektrona inerciālās īpašības ir ārkārtīgi vājas, kas nozīmē, ka elektrons mainīga elektriskā spēka ietekmē var svārstīties telpā ar frekvenci daudzu miljardu periodu otrais.
Elektrona masa ir tik maza, ka viena grama elektronu ražošanai nepieciešamas 1027 vienības. Lai būtu vismaz fizisks priekšstats par šo kolosāli lielo skaitu, mēs sniegsim piemēru. Ja vienu gramu elektronu varētu izkārtot taisnā līnijā tuvu viens otram, tad tie veidotu četrus miljardus kilometru garu ķēdi.
Elektrona masa, tāpat kā jebkura cita materiāla mikrodaļiņa, ir atkarīga no tā kustības ātruma. Relatīvā miera stāvoklī esošam elektronam ir mehāniska rakstura "atpūtas masa", kas ir līdzīga jebkura fiziska ķermeņa masai. Kas attiecas uz elektrona "kustības masu", kas palielinās, palielinoties tā kustības ātrumam, tad tai ir elektromagnētiska izcelsme. Tas ir saistīts ar elektromagnētiskā lauka klātbūtni kustīgā elektronā kā vielas ar masu un elektromagnētisko enerģiju.
Jo ātrāk pārvietojas elektrons, jo vairāk izpaužas tā elektromagnētiskā lauka inerciālās īpašības, jo lielāka ir tā masa un attiecīgi arī tā elektromagnētiskā enerģija.Tā kā elektrons ar savu elektromagnētisko lauku pārstāv vienu organiski savienotu materiālu sistēmu, tas ir dabiska elektrona elektromagnētiskā lauka impulsa masa, kas tieši attiecināma uz pašu elektronu.
Elektronam papildus daļiņas īpašībām piemīt arī viļņu īpašības.Eksperimentāli tika noskaidrots, ka elektronu plūsma, tāpat kā gaismas plūsma, izplatās viļņveidīgas kustības veidā. Elektronu plūsmas viļņu kustības raksturu telpā apstiprina elektronu viļņu traucējumu un difrakcijas parādības.
Elektroniskie traucējumi Vai elektronu savstarpējās gribas superpozīcijas un elektronu difrakcijas fenomens ir elektronu viļņu saliekšanās parādība šauras spraugas malās, caur kuru iziet elektronu stars. Tāpēc elektrons nav tikai daļiņa, bet gan «daļiņu vilnis», kura garums ir atkarīgs no elektrona masas un ātruma.
Tika konstatēts, ka elektrons papildus savai translācijas kustībai veic arī rotācijas kustību ap savu asi. Šo elektronu kustības veidu sauc par "spin" (no angļu vārda "spin" — spindle). Šīs kustības rezultātā elektrons papildus elektriskajām īpašībām, ko rada elektriskā lādiņš, iegūst arī magnētiskas īpašības, kas šajā ziņā atgādina elementāru magnētu.
Protons ir reāla daļiņa ar pozitīvu elektrisko lādiņu, kas absolūtā vērtībā ir vienāds ar elektrona elektrisko lādiņu.
Protonu masa ir 1,67 · 10-24 r, tas ir, aptuveni 1840 reizes lielāka par elektrona "atpūtas masu".
Atšķirībā no elektrona un protona, neitronam nav elektriskā lādiņa, tas ir, tā ir elektriski neitrāla "elementāra" matērijas daļiņa. Neitrona masa ir praktiski vienāda ar protona masu.
Elektroni, protoni un neitroni, kas veido atomus, mijiedarbojas viens ar otru. Jo īpaši elektroni un protoni piesaista viens otru kā daļiņas ar pretēju elektrisko lādiņu.Tajā pašā laikā elektrons no elektrona un protons no protona atgrūž kā daļiņas ar vienādiem elektriskajiem lādiņiem.
Visas šīs elektriski lādētās daļiņas mijiedarbojas caur to elektriskajiem laukiem. Šie lauki ir īpaša veida matērija, kas sastāv no elementāru materiālu daļiņu kolekcijas, ko sauc par fotoniem. Katram fotonam ir stingri noteikts enerģijas daudzums (enerģijas kvants).
Elektriski lādētu materiālu materiālu daļiņu mijiedarbība notiek caur fotonu apmaiņu savā starpā. Elektriski lādētu daļiņu mijiedarbības spēku parasti sauc par elektrisko spēku.
Neitroni un protoni atomu kodolos arī mijiedarbojas viens ar otru. Taču šī mijiedarbība starp tām vairs nenotiek caur elektrisko lauku, jo neitrons ir elektriski neitrāla matērijas daļiņa, bet gan caur t.s. kodolieroču lauks.
Šis lauks ir arī īpašs matērijas veids, kas sastāv no elementāru materiālu daļiņu kopuma, ko sauc par mezoniem... Neitronu un protonu mijiedarbība notiek, savstarpēji apmainoties mezoniem. Neitronu un protonu mijiedarbības spēku sauc par kodolspēku.
Ir konstatēts, ka kodolspēki darbojas atomu kodolos ārkārtīgi mazos attālumos - apmēram 10-13 cm.
Kodolspēki ievērojami pārsniedz protonu savstarpējās atgrūšanas elektriskos spēkus atoma kodolā. Tas noved pie tā, ka tie spēj ne tikai pārvarēt protonu savstarpējās atgrūšanās spēkus atomu kodolos, bet arī izveidot ļoti spēcīgas kodolu sistēmas no protonu un neitronu kolekcijas.
Jebkura atoma kodola stabilitāte ir atkarīga no divu pretrunīgu spēku attiecības - kodola (protonu un neitronu savstarpēja pievilkšanās) un elektriskā (savstarpēja protonu atgrūšana).
Spēcīgi kodolspēki, kas darbojas atomu kodolos, veicina neitronu un protonu pārvēršanos savā starpā. Šīs neitronu un protonu mijiedarbības notiek vieglāku elementārdaļiņu, piemēram, mezonu, izdalīšanās vai absorbcijas rezultātā.
Mūsu uzskatītās daļiņas sauc par elementārām, jo tās nesastāv no citu, vienkāršāku matērijas daļiņu kopuma. Taču tajā pašā laikā nedrīkst aizmirst, ka viņi spēj pārveidoties viens par otru, rasties uz otra rēķina. Tādējādi šīs daļiņas ir daži sarežģīti veidojumi, tas ir, to elementārais raksturs ir nosacīts.
Atomu ķīmiskā struktūra
Vienkāršākais atoms tā struktūrā ir ūdeņraža atoms. Tas sastāv tikai no divām elementārdaļiņām - protona un elektrona. Protons ūdeņraža atomu sistēmā pilda centrālā kodola lomu, ap kuru noteiktā orbītā griežas elektrons. attēlā. 1 shematiski parādīts ūdeņraža atoma modelis.
Rīsi. 1. Ūdeņraža atoma uzbūves diagramma
Šis modelis ir tikai aptuvens realitātes tuvinājums. Fakts ir tāds, ka elektronam kā "daļiņu vilnim" nav tilpuma, kas krasi norobežots no ārējās vides. Un tas nozīmē, ka jārunā nevis par kādu precīzu elektrona lineāru orbītu, bet gan par elektronu mākoni. Šajā gadījumā elektrons visbiežāk aizņem kādu mākoņa viduslīniju, kas ir viena no tā iespējamajām orbītām atomā.
Jāteic, ka paša elektrona orbīta atomā nav strikti nemainīga un stacionāra – tas arī elektrona masas izmaiņu dēļ veic zināmu rotācijas kustību. Tāpēc elektrona kustība atomā ir samērā sarežģīta. Tā kā ūdeņraža atoma (protona) kodolam un ap to griežošajam elektronam ir pretējs elektriskais lādiņš, tie pievelk viens otru.
Tajā pašā laikā elektrona brīvā enerģija, griežoties ap atoma kodolu, attīsta centrbēdzes spēku, kas tiecas to izņemt no kodola. Tāpēc elektriskais savstarpējās pievilkšanās spēks starp atoma kodolu un elektronu un centrbēdzes spēks, kas iedarbojas uz elektronu, ir pretēji spēki.
Līdzsvarā to elektrons ieņem relatīvi stabilu pozīciju kādā atoma orbītā. Tā kā elektrona masa ir ļoti maza, tad, lai līdzsvarotu atoma kodola pievilkšanās spēku, tam jāgriežas ar milzīgu ātrumu, kas vienāds ar aptuveni 6·1015 apgriezieniem sekundē. Tas nozīmē, ka elektrons ūdeņraža atoma sistēmā, tāpat kā jebkurš cits atoms, pārvietojas pa savu orbītu ar lineāro ātrumu, kas pārsniedz tūkstoš kilometru sekundē.
Normālos apstākļos elektrons griežas tāda veida atomā, kas atrodas orbītā, kas ir vistuvāk kodolam. Tajā pašā laikā tam ir minimālais iespējamais enerģijas daudzums. Ja tā vai cita iemesla dēļ, piemēram, citu materiālu daļiņu ietekmē, kas iebrukušas atomu sistēmā, elektrons pāriet uz orbītu, kas atrodas tālāk no atoma, tad tam jau būs nedaudz lielāks enerģijas daudzums.
Tomēr elektrons paliek šajā jaunajā orbītā nenozīmīgu laiku, pēc tam tas griežas atpakaļ uz orbītu, kas ir vistuvāk atoma kodolam.Šī kursa laikā tas atdod savu lieko enerģiju magnētiskā starojuma kvanta – starojuma enerģijas veidā (2. att.).
Rīsi. 2. Kad elektrons pārvietojas no attālas orbītas uz tādu, kas atrodas tuvāk atoma kodolam, tas izstaro starojuma enerģijas kvantu.
Jo vairāk enerģijas elektrons saņem no ārpuses, jo vairāk tas virzās orbītā, kas atrodas vistālāk no atoma kodola, un jo lielāku elektromagnētiskās enerģijas daudzumu tas izstaro, kad tas griežas uz kodolam tuvāko orbītu.
Izmērot elektrona izstarotās enerģijas daudzumu, pārejot no dažādām orbītām uz atoma kodolam vistuvāko orbītu, bija iespējams noteikt, ka elektrons ūdeņraža atoma sistēmā, tāpat kā jebkura cita sistēmā. atoms, nevar doties uz nejaušu orbītu, uz stingri noteiktu saskaņā ar šo enerģiju, ko tas saņem ārēja spēka ietekmē. Orbītas, kuras elektrons var aizņemt atomā, sauc par atļautajām orbitālēm.
Tā kā ūdeņraža atoma kodola pozitīvais lādiņš (protona lādiņš) un elektrona negatīvais lādiņš ir skaitliski vienādi, to kopējais lādiņš ir nulle. Tas nozīmē, ka ūdeņraža atoms normālā stāvoklī ir elektriski neitrāla daļiņa.
Tas attiecas uz visu ķīmisko elementu atomiem: jebkura ķīmiskā elementa atoms normālā stāvoklī ir elektriski neitrāla daļiņa pozitīvo un negatīvo lādiņu skaitliskās vienlīdzības dēļ.
Tā kā ūdeņraža atoma kodols satur tikai vienu "elementārdaļiņu" - protonu, tad šī kodola tā sauktais masas skaitlis ir vienāds ar vienu. Jebkura ķīmiskā elementa atoma kodola masas skaitlis ir kopējais protonu un neitronu skaits, kas veido šo kodolu.
Dabiskais ūdeņradis galvenokārt sastāv no atomu kopuma, kuru masas skaitlis ir vienāds ar vienu. Tomēr tajā ir arī cita veida ūdeņraža atomi, kuru masas skaitlis ir divi. Šo smago ūdeņraža atomu kodoli, ko sauc par deuteroniem, sastāv no divām daļiņām, protona un neitrona. Šo ūdeņraža izotopu sauc par deitēriju.
Dabiskais ūdeņradis satur ļoti nelielu daudzumu deitērija. Uz katriem sešiem tūkstošiem vieglā ūdeņraža atomu (masas skaitlis vienāds ar vienu) ir tikai viens deitērija atoms (smagais ūdeņradis). Ir vēl viens ūdeņraža izotops, īpaši smagais ūdeņradis, ko sauc par tritiju. Šī ūdeņraža izotopa atoma kodolā ir trīs daļiņas: protons un divi neitroni, kurus savieno kodolspēki. Tritija atoma kodola masas skaitlis ir trīs, tas ir, tritija atoms ir trīs reizes smagāks par vieglo ūdeņraža atomu.
Lai gan ūdeņraža izotopu atomiem ir dažādas masas, tiem joprojām ir vienādas ķīmiskās īpašības, piemēram, vieglais ūdeņradis, nonākot ķīmiskā reakcijā ar skābekli, veido ar to sarežģītu vielu - ūdeni. Tāpat ūdeņraža izotops deitērijs, savienojoties ar skābekli, veido ūdeni, ko atšķirībā no parastā ūdens sauc par smago ūdeni. Smago ūdeni plaši izmanto kodolenerģijas (atomenerģijas) ražošanā.
Tāpēc atomu ķīmiskās īpašības nav atkarīgas no to kodolu masas, bet tikai no atoma elektronu apvalka struktūras. Tā kā vieglā ūdeņraža, deitērija un tritija atomos ir vienāds elektronu skaits (viens katram atomam), šiem izotopiem ir vienādas ķīmiskās īpašības.
Nav nejauši, ka ķīmiskais elements ūdeņradis ieņem pirmo numuru elementu periodiskajā tabulā.Fakts ir tāds, ka pastāv zināma saistība starp katra elementa skaitu periodiskajā elementu tabulā un šī elementa atoma kodola lādiņa lielumu. To var formulēt šādi: katra ķīmiskā elementa kārtas numurs elementu periodiskajā tabulā ir skaitliski vienāds ar šī elementa kodola pozitīvo lādiņu un līdz ar to ap to riņķojošo elektronu skaitu.
Tā kā ūdeņradis elementu periodiskajā tabulā ieņem pirmo numuru, tas nozīmē, ka tā atoma kodola pozitīvais lādiņš ir vienāds ar vienu un viens elektrons griežas ap kodolu.
Ķīmiskais elements hēlijs ir otrais elementu periodiskajā tabulā. Tas nozīmē, ka tam ir pozitīvs kodola elektriskais lādiņš, kas vienāds ar divām vienībām, tas ir, tā kodolā jāsatur divi protoni, bet atoma elektronu apvalkā - divi elektrodi.
Dabiskais hēlijs sastāv no diviem izotopiem - smagā un vieglā hēlija. Smagā hēlija masas skaitlis ir četri. Tas nozīmē, ka bez diviem iepriekš minētajiem protoniem smagā hēlija atoma kodolā jāiekļūst vēl diviem neitroniem. Kas attiecas uz vieglo hēliju, tā masas skaitlis ir trīs, tas ir, papildus diviem protoniem tā kodola sastāvā jāiekļūst vēl vienam neitronam.
Ir konstatēts, ka dabiskajā hēlijā vieglā hēlija atomu skaits ir aptuveni viena miljonā daļa no smagajiem gēna atomiem. attēlā. 3 parāda hēlija atoma shematisku modeli.
Rīsi. 3. Hēlija atoma uzbūves diagramma
Ķīmisko elementu atomu uzbūves turpmākā komplikācija ir saistīta ar protonu un neitronu skaita palielināšanos šo atomu kodolos un vienlaikus ap kodoliem rotējošo elektronu skaita palielināšanos (4. att.). Izmantojot elementu periodisko tabulu, ir viegli noteikt elektronu, protonu un neitronu skaitu, kas veido dažādus atomus.
Rīsi. 4. Atomu kodolu uzbūves shēmas: 1 — hēlijs, 2 — ogleklis, 3 — skābeklis
Regulārais ķīmiskā elementa skaitlis ir vienāds ar protonu skaitu atoma kodolā un tajā pašā laikā elektronu skaitu, kas griežas ap kodolu. Kas attiecas uz atoma svaru, tas ir aptuveni vienāds ar atoma masas skaitu, tas ir, protonu un neitronu skaitu, kas kopā ņemti kodolā. Tāpēc, atņemot no elementa atommasas skaitli, kas vienāds ar elementa atomskaitli, ir iespējams noteikt, cik neitronu atrodas konkrētajā kodolā.
Ir konstatēts, ka vieglo ķīmisko elementu kodoli, kuru sastāvā ir vienāds skaits protonu un neitronu, izceļas ar ļoti lielu izturību, jo kodolspēki tajos ir salīdzinoši lieli. Piemēram, smagā hēlija atoma kodols ir ārkārtīgi izturīgs, jo sastāv no diviem protoniem un diviem neitroniem, ko savieno spēcīgi kodolspēki.
Smagāku ķīmisko elementu atomu kodoli jau savā sastāvā satur nevienlīdzīgu skaitu protonu un neitronu, tāpēc to saite kodolā ir vājāka nekā vieglo ķīmisko elementu kodolos. Šo elementu kodolus var salīdzinoši viegli sadalīt, ja tos bombardē ar atomu "lādiņiem" (neitroniem, hēlija kodoliem utt.).
Kas attiecas uz smagākajiem ķīmiskajiem elementiem, īpaši radioaktīvajiem, to kodoliem ir raksturīga tik zema izturība, ka tie spontāni sadalās savās sastāvdaļās. Piemēram, radioaktīvā elementa rādija atomi, kas sastāv no 88 protonu un 138 neitronu kombinācijas, spontāni sadalās, kļūstot par radioaktīvā elementa radona atomiem. Savukārt pēdējo atomi sadalās to sastāvdaļās, pārejot citu elementu atomos.
Īsi iepazinušies ar ķīmisko elementu atomu kodolu sastāvdaļām, apskatīsim atomu elektronu apvalku struktūru. Kā zināms, elektroni var riņķot ap atomu kodoliem tikai stingri noteiktās orbītās. Turklāt tie ir tik sagrupēti katra atoma elektronu apvalkā, ka var atšķirt atsevišķus elektronu apvalkus.
Katrā apvalkā var būt noteikts skaits elektronu, kas nepārsniedz stingri noteiktu skaitu. Tā, piemēram, pirmajā elektronu apvalkā, kas ir vistuvāk atoma kodolam, var būt ne vairāk kā divi elektroni, otrajā - ne vairāk kā astoņi elektroni utt.
Tiem atomiem, kuros ārējie elektronu apvalki ir pilnībā piepildīti, ir visstabilākais elektronu apvalks. Tas nozīmē, ka atoms stingri notur visus savus elektronus un tam nav nepieciešams saņemt papildu daudzumu no tiem no ārpuses. Piemēram, hēlija atomam ir divi elektroni, kas pilnībā aizpilda pirmo elektronu apvalku, bet neona atomam ir desmit elektroni, no kuriem pirmie divi pilnībā aizpilda pirmo elektronu apvalku, bet pārējie – otro (5. att.).
Rīsi. 5. Neona atoma uzbūves diagramma
Tāpēc hēlija un neona atomiem ir diezgan stabili elektronu apvalki, tie nemēdz tos kvantitatīvi mainīt. Šādi elementi ir ķīmiski inerti, tas ir, tie neietilpst ķīmiskā mijiedarbībā ar citiem elementiem.
Tomēr lielākajai daļai ķīmisko elementu ir atomi, kuru ārējie elektronu apvalki nav pilnībā piepildīti ar elektroniem. Piemēram, kālija atomam ir deviņpadsmit elektroni, no kuriem astoņpadsmit pilnībā aizpilda pirmos trīs čaulas, un deviņpadsmitais elektrons atrodas nākamajā, neaizpildītajā elektronu apvalkā. Ceturtā elektronu apvalka vājā piepildīšana ar elektroniem noved pie tā, ka atoma kodols ļoti vāji notur visattālāko - deviņpadsmito elektronu, un tāpēc pēdējo var viegli noņemt no atoma. …
Vai, piemēram, skābekļa atomam ir astoņi elektroni, no kuriem divi pilnībā aizpilda pirmo apvalku, bet pārējie seši atrodas otrajā. Tādējādi, lai pilnībā pabeigtu otrā elektronu apvalka uzbūvi skābekļa atomā, tam trūkst tikai divu elektronu. Tāpēc skābekļa atoms ne tikai stingri notur savus sešus elektronus otrajā apvalkā, bet arī spēj piesaistīt divus trūkstošos elektronus, lai aizpildītu savu otro elektronu apvalku. To viņš panāk, ķīmiski kombinējot ar tādu elementu atomiem, kuros ārējie elektroni ir vāji saistīti ar to kodoliem.
Ķīmiskie elementi, kuru atomiem nav ārējo elektronu slāņu, kas pilnībā piepildīti ar elektroniem, parasti ir ķīmiski aktīvi, tas ir, tie labprāt iesaistās ķīmiskā mijiedarbībā.
Tātad elektroni ķīmisko elementu atomos ir sakārtoti stingri noteiktā secībā, un jebkuras izmaiņas to telpiskajā izkārtojumā vai daudzumā atoma elektronu apvalkā izraisa izmaiņas tā fizikāli ķīmiskajās īpašībās.
Elektronu un protonu skaita vienlīdzība atomu sistēmā ir iemesls, kāpēc tās kopējais elektriskais lādiņš ir nulle. Ja tiek pārkāpta elektronu un protonu skaita vienlīdzība atomu sistēmā, tad atoms kļūst par elektriski lādētu sistēmu.
Par jonu sauc atomu, kura sistēmā tiek izjaukts pretējo elektrisko lādiņu līdzsvars tādēļ, ka tas ir zaudējis daļu no saviem elektroniem vai, gluži otrādi, ieguvis to pārpalikumu.
Gluži pretēji, ja atoms iegūst pārmērīgu elektronu skaitu, tas kļūst par negatīvu jonu. Piemēram, hlora atoms, kas saņēmis vienu papildu elektronu, kļūst par atsevišķi lādētu negatīvu hlora jonu Cl-... Skābekļa atoms, kas saņēmis divus papildu elektronus, kļūst par divkārši lādētu negatīvu skābekļa jonu O utt.
Atoms, kas kļuvis par jonu, kļūst par elektriski lādētu sistēmu attiecībā pret ārējo vidi. Un tas nozīmē, ka atomam sāka būt elektriskais lauks, ar kuru tas veido vienotu materiālu sistēmu, un caur šo lauku tas veic elektrisku mijiedarbību ar citām elektriski lādētām vielas daļiņām - joniem, elektroniem, pozitīvi lādētiem atomu kodoliem, utt.
Dažādu jonu spēja piesaistīt viens otru ir iemesls, kāpēc tie ķīmiski apvienojas, veidojot sarežģītākas vielas daļiņas - molekulas.
Noslēgumā jāatzīmē, ka atoma izmēri ir ļoti lieli, salīdzinot ar to reālo daļiņu izmēriem, no kurām tie sastāv. Sarežģītākā atoma kodols kopā ar visiem elektroniem aizņem vienu miljardo daļu no atoma tilpuma. Vienkāršs aprēķins parāda, ka, ja vienu kubikmetru platīna var nospiest tik cieši, ka izzūd intraatomiskās un starpatomiskās telpas, tad tiks iegūts tilpums, kas vienāds ar apmēram vienu kubikmilimetru.