Будова атома
Атом має надзвичайно мале позитивно заряджене ядро з протонів і нейтронів та електрони, які описуються квантовими станами. Число протонів Z визначає елемент; зміна нейтронів дає ізотоп, а зміна електронів — йон. Електронна хмара не є набором класичних планетних орбіт.
Масштаби
Типовий атом має розмір близько 10⁻¹⁰ м, тоді як ядро — порядку 10⁻¹⁵ м. Тому майже вся маса зосереджена в крихітному ядрі, а об’єм атома визначається розподілом електронної густини. Межа електронної хмари не є жорсткою поверхнею.
Протони, нейтрони, електрони
Протон має заряд +e, електрон −e, нейтрон нейтральний. Зміна Z змінює хімічний елемент. Різні N при однаковому Z утворюють ізотопи. Втрата або приєднання електрона змінює заряд атома, але не його ядерну тотожність.
Чому ядро не розлітається
Протони електростатично відштовхуються, але на ядерних відстанях сильна взаємодія між нуклонами може переважати. У важких ядрах кулонівське відштовхування зростає, тому для стабільності потрібне інше співвідношення нейтронів і протонів.
Квантові орбіталі
Орбіталь — це стан з певною хвильовою функцією і просторовим розподілом імовірності, а не траєкторія. s-, p-, d- і f-орбіталі мають різні квантові числа, вузли та енергії, що лежить в основі періодичності.
Екранування
Внутрішні електрони частково екранують заряд ядра для зовнішніх. Водночас різні орбіталі по-різному проникають до малих радіусів, тому відчувають різний ефективний ядерний заряд. Це впливає на радіус і енергію йонізації.
Спектральні докази
Під час переходу між дозволеними енергетичними станами атом поглинає або випромінює фотон з ΔE=hν. Дискретні спектральні лінії є прямим експериментальним свідченням квантованої електронної структури.
Межі простих моделей
Модель Бора корисна для водню, але не дає повної картини багатоелектронних атомів. Потрібні рівняння квантової механіки, принцип Паулі, електрон-електронні взаємодії та для важких атомів релятивістські поправки.
Хімія і ядро
У звичайній хімічній реакції ядро майже не змінюється: перебудовуються валентні електрони. Саме тому атом може перейти від металевого натрію до Na⁺ у солі, залишаючись натрієм з тим самим Z=11.
Як структура атома проявляється в експерименті
Розміри й розподіл заряду не є просто ілюстраціями з підручника. Резерфордівське розсіяння показало, що позитивний заряд зосереджений у дуже малому ядрі, а сучасне розсіяння електронів дає інформацію про розподіл ядерного заряду. Фотоелектронна спектроскопія вимірює енергії зв’язку електронів і показує оболонкову структуру. Разом ці експерименти демонструють, що “ядро плюс електронна хмара” — не довільна модель: різні її частини перевіряються незалежними вимірюваннями. Водночас жоден окремий рисунок орбіталі не означає, що електрон має зафіксовану межу або траєкторію; це карта ймовірнісної густини для конкретного квантового стану.
Вправа
Нейтральний атом має Z=17 і A=37. Скільки в ньому протонів, нейтронів та електронів?
Розв’язання
17 протонів, 20 нейтронів і 17 електронів.