Budowa atomów — elementarne cząstki materii, elektrony, protony, neutrony
Wszystkie ciała fizyczne w przyrodzie składają się z pewnego rodzaju materii zwanej materią. Substancje dzielą się na dwie główne grupy — substancje proste i złożone.
Substancje złożone to takie substancje, które w wyniku reakcji chemicznych można rozłożyć na inne, prostsze substancje. W przeciwieństwie do substancji złożonych, substancje proste to takie, których nie można chemicznie rozłożyć na jeszcze prostsze substancje.
Przykładem złożonej substancji jest woda, która w wyniku reakcji chemicznej może zostać rozłożona na dwie inne, prostsze substancje - wodór i tlen. Jeśli chodzi o dwa ostatnie, nie można ich już chemicznie rozłożyć na prostsze substancje i dlatego są substancjami prostymi, czyli innymi słowy pierwiastkami chemicznymi.
W pierwszej połowie XIX wieku w nauce istniało założenie, że pierwiastki chemiczne to niezmienione substancje, które nie mają ze sobą wspólnego związku. Jednak rosyjski naukowiec D. I. Mendelejew (1834 — 1907) po raz pierwszy w 1869 r.ujawnia związek pierwiastków chemicznych, pokazując, że cecha jakościowa każdego z nich zależy od jego cechy ilościowej - masy atomowej.
Badając właściwości pierwiastków chemicznych, D. I. Mendelejew zauważył, że ich właściwości powtarzają się okresowo w zależności od ich masy atomowej. Pokazał tę okresowość w postaci tabeli, która weszła do nauki pod nazwą „Układ okresowy pierwiastków Mendelejewa”.
Poniżej znajduje się współczesny układ okresowy pierwiastków chemicznych Mendelejewa.
Atomy
Zgodnie ze współczesnymi koncepcjami naukowymi każdy pierwiastek chemiczny składa się ze zbioru najmniejszych materialnych (materiałowych) cząstek zwanych atomami.
Atom to najmniejsza część pierwiastka chemicznego, której nie można już chemicznie rozłożyć na inne, mniejsze i prostsze cząstki materiału.
Atomy pierwiastków chemicznych o różnym charakterze różnią się między sobą właściwościami fizykochemicznymi, strukturą, rozmiarem, masą, masą atomową, energią własną i niektórymi innymi właściwościami. Na przykład atom wodoru znacznie różni się właściwościami i strukturą od atomu tlenu, a ten drugi od atomu uranu i tak dalej.
Stwierdzono, że atomy pierwiastków chemicznych mają bardzo małe rozmiary. Jeśli warunkowo założymy, że atomy mają kształt kulisty, to ich średnice muszą być równe setnym milionowym centymetra. Na przykład średnica atomu wodoru — najmniejszego atomu w przyrodzie — wynosi jedną sto milionową centymetra (10–8 cm), a średnica największych atomów, na przykład atomu uranu, nie przekracza trzystu milionowych części centymetra (3 10-8 cm).A zatem atom wodoru jest tyle razy mniejszy od kuli o promieniu jednego centymetra, ile ta ostatnia jest mniejsza od kuli ziemskiej.
Ze względu na bardzo małe rozmiary atomów ich masa jest również bardzo mała. Na przykład masa atomu wodoru wynosi m = 1,67·10-24. Oznacza to, że jeden gram wodoru zawiera około 6·1023 atomów.
Za konwencjonalną jednostkę miary mas atomowych pierwiastków chemicznych przyjmuje się 1/16 masy atomu tlenu. Zgodnie z tą masą atomową pierwiastka chemicznego nazywana jest liczba abstrakcyjna, wskazująca, ile razy masa danego pierwiastka chemicznego jest większa niż 1/16 masy atomu tlenu.
W układzie okresowym pierwiastków D. I. Mendelejewa podano masy atomowe wszystkich pierwiastków chemicznych (patrz liczba pod nazwą pierwiastka). Z tej tabeli wynika, że najlżejszym atomem jest atom wodoru, którego masa atomowa wynosi 1,008. Masa atomowa węgla wynosi 12, tlenu 16 i tak dalej.
Jeśli chodzi o cięższe pierwiastki chemiczne, ich masa atomowa przekracza masę atomową wodoru ponad dwieście razy. Zatem liczba atomowa rtęci wynosi 200,6, radu 226 i tak dalej. Im wyższy rząd liczbowy zajmowany przez pierwiastek chemiczny w układzie okresowym pierwiastków, tym większa masa atomowa.
Większość mas atomowych pierwiastków chemicznych jest wyrażona jako liczby ułamkowe. W pewnym stopniu tłumaczy to fakt, że takie pierwiastki chemiczne składają się z zestawu wielu rodzajów atomów o różnych masach atomowych, ale o tych samych właściwościach chemicznych.
Pierwiastki chemiczne, które zajmują tę samą liczbę w układzie okresowym pierwiastków, a zatem mają te same właściwości chemiczne, ale różne masy atomowe, nazywane są izotopami.
Izotopy występują w większości pierwiastków chemicznych, są dwa izotopy, wapń – cztery, cynk – pięć, cyna – jedenaście itd. Wiele izotopów uzyskuje się dzięki sztuce, niektóre z nich mają ogromne znaczenie praktyczne.
Cząstki elementarne materii
Przez długi czas uważano, że atomy pierwiastków chemicznych są granicą podzielności materii, czyli niejako elementarnymi „cegiełkami” wszechświata. Współczesna nauka odrzuca tę hipotezę, ustalając, że atom dowolnego pierwiastka chemicznego jest agregatem jeszcze mniejszych cząstek materiału niż sam atom.
Zgodnie z elektronową teorią budowy materii, atom dowolnego pierwiastka chemicznego jest układem składającym się z centralnego jądra, wokół którego krążą „elementarne” cząstki materiału zwane elektronami. Jądra atomów, zgodnie z ogólnie przyjętymi poglądami, składają się z zestawu „elementarnych” cząstek materialnych — protonów i neutronów.
Aby zrozumieć budowę atomów i zachodzące w nich procesy fizykochemiczne, konieczne jest choćby pobieżne zapoznanie się z podstawowymi cechami cząstek elementarnych, z których składają się atomy.
Ustalono, że elektron jest prawdziwą cząstką o najmniejszym ujemnym ładunku elektrycznym obserwowanym w przyrodzie.
Jeżeli warunkowo przyjmiemy, że elektron jako cząstka ma kształt kulisty, to średnica elektronu powinna wynosić 4 ·10-13 cm, czyli jest kilkadziesiąt tysięcy razy mniejsza od średnicy każdego atomu.
Elektron, jak każda inna cząstka materialna, ma masę. „Masa spoczynkowa” elektronu, czyli masa, jaką posiada on we względnym stanie spoczynku, jest równa mo = 9,1 · 10-28 G.
Niezwykle mała „masa spoczynkowa” elektronu świadczy o tym, że właściwości inercyjne elektronu są skrajnie słabe, co oznacza, że elektron pod wpływem zmiennej siły elektrycznej może oscylować w przestrzeni z częstotliwością wielu miliardów okresów na drugi.
Masa elektronu jest tak mała, że do wytworzenia jednego grama elektronów potrzeba 1027 jednostek. Aby mieć przynajmniej fizyczne wyobrażenie o tej kolosalnie dużej liczbie, podamy przykład. Gdyby jeden gram elektronów można było ułożyć blisko siebie w linii prostej, utworzyłyby one łańcuch o długości czterech miliardów kilometrów.
Masa elektronu, jak każdej innej materialnej mikrocząstki, zależy od prędkości jej ruchu. Elektron w stanie względnego spoczynku ma „masę spoczynkową” o charakterze mechanicznym, podobną do masy dowolnego ciała fizycznego. Jeśli chodzi o „masę ruchu” elektronu, która wzrasta wraz ze wzrostem prędkości jego ruchu, ma ona pochodzenie elektromagnetyczne. Wynika to z obecności pola elektromagnetycznego w poruszającym się elektronie jako rodzaju materii o masie i energii elektromagnetycznej.
Im szybciej porusza się elektron, tym bardziej przejawiają się bezwładnościowe właściwości jego pola elektromagnetycznego, tym większa jest jego masa i odpowiednio jego energia elektromagnetyczna.Ponieważ elektron ze swoim polem elektromagnetycznym reprezentuje pojedynczy organicznie połączony system materialny, to jest naturalne, że masę pędu pola elektromagnetycznego elektronu można bezpośrednio przypisać samemu elektronowi.
Elektron oprócz właściwości cząstki posiada również właściwości falowe.Eksperymentalnie ustalono, że przepływ elektronów, podobnie jak strumień światła, rozchodzi się w postaci ruchu falowego. Charakter falowego ruchu przepływu elektronów w przestrzeni potwierdzają zjawiska interferencji i dyfrakcji fal elektronowych.
Interferencja elektronowa to zjawisko nakładania się na siebie sił elektronów i dyfrakcji elektronów — jest to zjawisko załamywania się fal elektronowych na krawędziach wąskiej szczeliny, przez którą przechodzi wiązka elektronów. Dlatego elektron nie jest tylko cząstką, ale „falą cząstek”, której długość zależy od masy i prędkości elektronu.
Ustalono, że elektron oprócz ruchu postępowego wykonuje również ruch obrotowy wokół własnej osi. Ten rodzaj ruchu elektronów nazywa się „spin” (od angielskiego słowa „spin” — wrzeciono). W wyniku tego ruchu elektron, oprócz właściwości elektrycznych dzięki ładunkowi elektrycznemu, uzyskuje również właściwości magnetyczne, przypominające pod tym względem magnes elementarny.
Proton jest rzeczywistą cząstką o dodatnim ładunku elektrycznym równym wartości bezwzględnej ładunkowi elektrycznemu elektronu.
Masa protonu wynosi 1,67 ·10-24 r, czyli około 1840 razy więcej niż „masa spoczynkowa” elektronu.
W przeciwieństwie do elektronu i protonu, neutron nie ma ładunku elektrycznego, to znaczy jest elektrycznie obojętną „elementarną” cząstką materii. Masa neutronu jest praktycznie równa masie protonu.
Elektrony, protony i neutrony tworzące atomy oddziałują ze sobą. W szczególności elektrony i protony przyciągają się jako cząstki o przeciwnych ładunkach elektrycznych.Jednocześnie elektron od elektronu i proton od protonu odpychają się jak cząstki o tych samych ładunkach elektrycznych.
Wszystkie te naładowane elektrycznie cząstki oddziałują poprzez swoje pola elektryczne. Pola te to szczególny rodzaj materii składający się ze zbioru elementarnych cząstek materii zwanych fotonami. Każdy foton ma w sobie ściśle określoną ilość energii (kwant energii).
Oddziaływanie cząstek naładowanych elektrycznie materiałów materiałowych odbywa się poprzez wymianę fotonów między sobą. Siła oddziaływania cząstek naładowanych elektrycznie jest zwykle nazywana siłą elektryczną.
Neutrony i protony w jądrach atomów również oddziałują ze sobą. Jednak ta interakcja między nimi nie odbywa się już za pośrednictwem pola elektrycznego, ponieważ neutron jest elektrycznie obojętną cząstką materii, ale za pośrednictwem tzw. pole jądrowe.
To pole to także szczególny rodzaj materii składający się ze zbioru elementarnych cząstek materii zwanych mezonami... Oddziaływanie neutronów i protonów odbywa się poprzez wymianę między sobą mezonów. Siła oddziaływania neutronów i protonów nazywana jest siłą jądrową.
Ustalono, że siły jądrowe działają w jądrach atomów na bardzo małych odległościach — około 10-13 cm.
Siły jądrowe znacznie przewyższają elektryczne siły wzajemnego odpychania się protonów w jądrze atomu. Prowadzi to do tego, że są w stanie nie tylko pokonywać siły wzajemnego odpychania się protonów wewnątrz jąder atomów, ale także tworzyć bardzo silne układy jąder ze zbioru protonów i neutronów.
Stabilność jądra dowolnego atomu zależy od stosunku dwóch przeciwstawnych sił — jądrowej (wzajemne przyciąganie protonów i neutronów) i elektrycznej (wzajemne odpychanie protonów).
Potężne siły jądrowe działające w jądrach atomów przyczyniają się do wzajemnej przemiany neutronów i protonów. Te oddziaływania neutronów i protonów zachodzą w wyniku uwolnienia lub absorpcji lżejszych cząstek elementarnych, np. mezonów.
Rozważane przez nas cząstki nazywane są elementarnymi, ponieważ nie składają się z agregatu innych, prostszych cząstek materii. Ale jednocześnie nie wolno nam zapominać, że są w stanie przekształcić się w siebie nawzajem, powstać kosztem drugiego. Tak więc cząstki te są pewnymi złożonymi formacjami, to znaczy ich elementarna natura jest warunkowa.
Budowa chemiczna atomów
Najprostszym atomem w swojej strukturze jest atom wodoru. Składa się ze zbioru tylko dwóch cząstek elementarnych — protonu i elektronu. Proton w układzie atomów wodoru pełni rolę centralnego jądra, wokół którego elektron obraca się po określonej orbicie. na ryc. 1 przedstawia schematycznie model atomu wodoru.
Ryż. 1. Schemat budowy atomu wodoru
Ten model jest tylko przybliżonym przybliżeniem rzeczywistości. Faktem jest, że elektron jako „fala cząstek” nie ma objętości ostro odgraniczonej od środowiska zewnętrznego. A to oznacza, że należy mówić nie o jakiejś dokładnej liniowej orbicie elektronu, ale o rodzaju chmury elektronowej. W tym przypadku elektron najczęściej zajmuje jakąś środkową linię chmury, która jest jedną z jego możliwych orbit w atomie.
Trzeba powiedzieć, że sama orbita elektronu nie jest ściśle niezmienna i stacjonarna w atomie - ona również, ze względu na zmianę masy elektronu, wykonuje pewien ruch obrotowy. Dlatego ruch elektronu w atomie jest stosunkowo skomplikowany. Ponieważ jądro atomu wodoru (proton) i krążący wokół niego elektron mają przeciwne ładunki elektryczne, przyciągają się.
Jednocześnie energia swobodna elektronu obracającego się wokół jądra atomu wytwarza siłę odśrodkową, która ma tendencję do usuwania go z jądra. Dlatego elektryczna siła wzajemnego przyciągania się jądra atomu i elektronu oraz siła odśrodkowa działająca na elektron są siłami przeciwstawnymi.
W równowadze ich elektron zajmuje stosunkowo stabilną pozycję na jakiejś orbicie w atomie. Ponieważ masa elektronu jest bardzo mała, to aby zrównoważyć siłę przyciągania do jądra atomu, musi on wirować z ogromną prędkością równą około 6·1015 obrotów na sekundę. Oznacza to, że elektron w układzie atomu wodoru, jak każdy inny atom, porusza się po swojej orbicie z prędkością liniową przekraczającą tysiąc kilometrów na sekundę.
W normalnych warunkach elektron wiruje w atomie na orbicie najbliższej jądrze. Jednocześnie ma minimalną możliwą ilość energii. Jeśli z takiego czy innego powodu, na przykład pod wpływem innych cząstek materiału, które zaatakowały układ atomowy, elektron przesunie się na orbitę bardziej odległą od atomu, to będzie miał już nieco większą ilość energii.
Jednak elektron pozostaje na tej nowej orbicie przez znikomą ilość czasu, po czym obraca się z powrotem na orbitę najbliższą jądra atomu.W trakcie tego procesu oddaje nadmiar energii w postaci kwantu promieniowania magnetycznego – energii promienistej (rys. 2).
Ryż. 2. Kiedy elektron przemieszcza się z odległej orbity na orbitę bliższą jądra atomu, emituje kwant energii promieniowania
Im więcej energii elektron otrzymuje z zewnątrz, tym bardziej porusza się na orbicie najbardziej oddalonej od jądra atomu i tym większą ilość energii elektromagnetycznej emituje, obracając się na orbitę najbliższą jądru.
Mierząc ilość energii emitowanej przez elektron podczas przejścia z różnych orbit na orbitę najbliższą jądra atomu, można było stwierdzić, że elektron w układzie atomu wodoru, podobnie jak w układzie każdego innego atom, nie może przejść na przypadkową orbitę, na ściśle określoną zgodnie z tą energią, którą otrzymuje pod wpływem siły zewnętrznej. Orbitale, które elektron może zajmować w atomie, nazywane są orbitalami dozwolonymi.
Ponieważ dodatni ładunek jądra atomu wodoru (ładunek protonu) i ujemny ładunek elektronu są liczbowo równe, ich całkowity ładunek wynosi zero. Oznacza to, że atom wodoru w stanie normalnym jest elektrycznie obojętną cząstką.
Dotyczy to atomów wszystkich pierwiastków chemicznych: atom dowolnego pierwiastka chemicznego w swoim normalnym stanie jest elektrycznie obojętną cząstką ze względu na liczbową równość ładunków dodatnich i ujemnych.
Ponieważ jądro atomu wodoru zawiera tylko jedną „elementarną” cząstkę — proton, tak zwana liczba masowa tego jądra jest równa jeden. Liczba masowa jądra atomu dowolnego pierwiastka chemicznego to całkowita liczba protonów i neutronów tworzących to jądro.
Naturalny wodór składa się głównie ze zbioru atomów o liczbie masowej równej jeden. Zawiera jednak również inny rodzaj atomów wodoru, o liczbie masowej równej dwa. Jądra tych ciężkich atomów wodoru, zwanych deuteronami, składają się z dwóch cząstek, protonu i neutronu. Ten izotop wodoru nazywa się deuterem.
Naturalny wodór zawiera bardzo małe ilości deuteru. Na każde sześć tysięcy lekkich atomów wodoru (liczba masowa równa jeden) przypada tylko jeden atom deuteru (ciężki wodór). Istnieje inny izotop wodoru, superciężki wodór zwany trytem. W jądrze atomu tego izotopu wodoru znajdują się trzy cząstki: proton i dwa neutrony, połączone ze sobą siłami jądrowymi. Liczba masowa jądra atomu trytu wynosi trzy, to znaczy atom trytu jest trzy razy cięższy niż lekki atom wodoru.
Chociaż atomy izotopów wodoru mają różne masy, nadal mają te same właściwości chemiczne, na przykład lekki wodór, wchodząc w reakcję chemiczną z tlenem, tworzy z nim złożoną substancję - wodę. Podobnie izotop wodoru, deuter, łączy się z tlenem, tworząc wodę, która w przeciwieństwie do zwykłej wody nazywana jest ciężką wodą. Ciężka woda jest szeroko stosowana w produkcji energii jądrowej (atomowej).
Dlatego właściwości chemiczne atomów nie zależą od masy ich jąder, a jedynie od budowy powłoki elektronowej atomu. Ponieważ atomy lekkiego wodoru, deuteru i trytu mają taką samą liczbę elektronów (po jednym na każdy atom), izotopy te mają takie same właściwości chemiczne.
To nie przypadek, że pierwiastek chemiczny wodór zajmuje pierwszą liczbę w układzie okresowym pierwiastków.Faktem jest, że istnieje pewien związek między liczbą każdego pierwiastka w układzie okresowym pierwiastków a wielkością ładunku na jądrze atomu tego pierwiastka. Można to sformułować w następujący sposób: numer seryjny każdego pierwiastka chemicznego w układzie okresowym pierwiastków jest liczbowo równy dodatniemu ładunkowi jądra tego pierwiastka, a zatem liczbie krążących wokół niego elektronów.
Ponieważ wodór zajmuje pierwszą liczbę w układzie okresowym pierwiastków, oznacza to, że dodatni ładunek jądra jego atomu jest równy jeden i że jeden elektron krąży wokół jądra.
Pierwiastek chemiczny hel zajmuje drugie miejsce w układzie okresowym pierwiastków. Oznacza to, że ma dodatni ładunek elektryczny jądra równy dwóm jednostkom, to znaczy, że jego jądro musi zawierać dwa protony, aw powłoce elektronowej atomu - dwie elektrody.
Naturalny hel składa się z dwóch izotopów — ciężkiego i lekkiego helu. Liczba masowa ciężkiego helu wynosi cztery. Oznacza to, że oprócz wspomnianych dwóch protonów do jądra ciężkiego atomu helu muszą wejść jeszcze dwa neutrony. Jeśli chodzi o lekki hel, jego liczba masowa wynosi trzy, czyli oprócz dwóch protonów, w skład jego jądra powinien wejść jeszcze jeden neutron.
Stwierdzono, że w naturalnym helu liczba lekkich atomów helu stanowi około jednej milionowej liczby ciężkich atomów genu. na ryc. 3 przedstawia schematyczny model atomu helu.
Ryż. 3. Schemat budowy atomu helu
Dalsze komplikacje budowy atomów pierwiastków chemicznych wynikają ze wzrostu liczby protonów i neutronów w jądrach tych atomów i jednoczesnego wzrostu liczby elektronów krążących wokół jąder (ryc. 4). Korzystając z układu okresowego pierwiastków, łatwo jest określić liczbę elektronów, protonów i neutronów, które składają się na różne atomy.
Ryż. 4. Schematy budowy jąder atomowych: 1 — hel, 2 — węgiel, 3 — tlen
Regularna liczba pierwiastka chemicznego jest równa liczbie protonów w jądrze atomu i jednocześnie liczbie elektronów krążących wokół jądra. Jeśli chodzi o masę atomową, jest ona w przybliżeniu równa liczbie masowej atomu, to znaczy liczbie protonów i neutronów razem w jądrze. Dlatego odejmując od masy atomowej pierwiastka liczbę równą liczbie atomowej pierwiastka, można określić, ile neutronów znajduje się w danym jądrze.
Ustalono, że jądra lekkich pierwiastków chemicznych, które mają w swoim składzie równą liczbę protonów i neutronów, wyróżniają się bardzo dużą wytrzymałością, ponieważ siły jądrowe w nich są stosunkowo duże. Na przykład jądro ciężkiego atomu helu jest niezwykle trwałe, ponieważ składa się z dwóch protonów i dwóch neutronów połączonych ze sobą potężnymi siłami jądrowymi.
Jądra atomów cięższych pierwiastków zawierają już w swoim składzie nierówną liczbę protonów i neutronów, dlatego ich wiązanie w jądrze jest słabsze niż w jądrach pierwiastków lekkich. Jądra tych pierwiastków można stosunkowo łatwo rozszczepić podczas bombardowania atomowymi „pociskami” (neutronami, jądrami helu itp.).
W przypadku najcięższych pierwiastków chemicznych, zwłaszcza radioaktywnych, ich jądra charakteryzują się tak niską wytrzymałością, że samorzutnie rozpadają się na części składowe. Na przykład atomy pierwiastka radioaktywnego radu, składającego się z kombinacji 88 protonów i 138 neutronów, spontanicznie rozpadają się, stając się atomami pierwiastka radioaktywnego radonu. Atomy tych ostatnich z kolei rozpadają się na części składowe, przechodząc na atomy innych pierwiastków.
Po krótkim zapoznaniu się z częściami składowymi jąder atomów pierwiastków chemicznych rozważmy strukturę powłok elektronowych atomów. Jak wiadomo, elektrony mogą krążyć wokół jąder atomów tylko po ściśle określonych orbitach. Co więcej, są one tak skupione w powłoce elektronowej każdego atomu, że można rozróżnić poszczególne powłoki elektronowe.
Każda powłoka może zawierać określoną liczbę elektronów, która nie przekracza ściśle określonej liczby. Na przykład w pierwszej powłoce elektronowej najbliżej jądra atomu mogą znajdować się maksymalnie dwa elektrony, w drugiej - nie więcej niż osiem elektronów itp.
Te atomy, w których zewnętrzne powłoki elektronowe są całkowicie wypełnione, mają najbardziej stabilną powłokę elektronową. Oznacza to, że atom mocno trzyma wszystkie swoje elektrony i nie musi otrzymywać ich dodatkowej ilości z zewnątrz. Na przykład atom helu ma dwa elektrony całkowicie wypełniające pierwszą powłokę elektronową, a atom neonu ma dziesięć elektronów, z czego dwa pierwsze całkowicie wypełniają pierwszą powłokę elektronową, a pozostałe drugą (ryc. 5).
Ryż. 5. Schemat budowy atomu neonu
Dlatego atomy helu i neonu mają dość stabilne powłoki elektronowe, nie mają tendencji do ich zmiany w żaden ilościowy sposób. Takie pierwiastki są chemicznie obojętne, to znaczy nie wchodzą w interakcje chemiczne z innymi pierwiastkami.
Jednak większość pierwiastków chemicznych ma atomy, w których zewnętrzne powłoki elektronowe nie są całkowicie wypełnione elektronami. Na przykład atom potasu ma dziewiętnaście elektronów, z których osiemnaście całkowicie wypełnia pierwsze trzy powłoki, a dziewiętnasty elektron znajduje się w następnej, niewypełnionej powłoce elektronowej. Słabe wypełnienie czwartej powłoki elektronowej elektronami prowadzi do tego, że jądro atomu bardzo słabo trzyma najbardziej zewnętrzny - dziewiętnasty elektron, a zatem ten ostatni można łatwo usunąć z atomu. …
Lub na przykład atom tlenu ma osiem elektronów, z których dwa całkowicie wypełniają pierwszą powłokę, a pozostałe sześć znajduje się w drugiej powłoce. Zatem do całkowitego zakończenia budowy drugiej powłoki elektronowej w atomie tlenu brakuje tylko dwóch elektronów. Dlatego atom tlenu nie tylko mocno trzyma swoje sześć elektronów w drugiej powłoce, ale także ma zdolność przyciągania do siebie dwóch brakujących elektronów, aby wypełnić drugą powłokę elektronową. Osiąga to poprzez chemiczne łączenie z atomami takich pierwiastków, w których zewnętrzne elektrony są słabo związane z ich jądrami.
Pierwiastki chemiczne, których atomy nie mają zewnętrznych warstw elektronowych całkowicie wypełnionych elektronami, są z reguły aktywne chemicznie, to znaczy chętnie wchodzą w interakcję chemiczną.
Tak więc elektrony w atomach pierwiastków chemicznych są ułożone w ściśle określonej kolejności, a każda zmiana ich przestrzennego rozmieszczenia lub ilości w powłoce elektronowej atomu prowadzi do zmiany właściwości fizykochemicznych tego ostatniego.
Równość liczby elektronów i protonów w układzie atomowym jest powodem, dla którego jego całkowity ładunek elektryczny wynosi zero. Jeśli równość liczby elektronów i protonów w układzie atomowym zostanie naruszona, wówczas atom staje się układem naładowanym elektrycznie.
Atom w układzie, w którym równowaga przeciwnych ładunków elektrycznych jest zaburzona z powodu utraty części elektronów lub odwrotnie, nabył ich nadmiar, nazywa się jonem.
Przeciwnie, jeśli atom uzyska nadmiarową liczbę elektronów, staje się jonem ujemnym. Na przykład atom chloru, który otrzymał jeden dodatkowy elektron, staje się pojedynczo naładowanym ujemnym jonem chloru Cl-... Atom tlenu, który otrzymał dwa dodatkowe elektrony, staje się podwójnie naładowanym ujemnym jonem tlenu O i tak dalej.
Atom, który stał się jonem, staje się układem naładowanym elektrycznie w odniesieniu do środowiska zewnętrznego. A to oznacza, że atom zaczął posiadać pole elektryczne, z którym tworzy jeden system materialny i poprzez to pole oddziałuje elektrycznie z innymi naładowanymi elektrycznie cząstkami materii — jonami, elektronami, dodatnio naładowanymi jądrami atomów, itp.
Zdolność różnych jonów do wzajemnego przyciągania się sprawia, że łączą się one chemicznie, tworząc bardziej złożone cząsteczki materii - cząsteczki.
Podsumowując, należy zauważyć, że wymiary atomu są bardzo duże w porównaniu z wymiarami rzeczywistych cząstek, z których się składa. Jądro najbardziej złożonego atomu wraz ze wszystkimi elektronami zajmuje jedną miliardową objętości atomu. Proste obliczenie pokazuje, że jeśli jeden metr sześcienny platyny można ścisnąć tak mocno, że znikną przestrzenie wewnątrzatomowe i międzyatomowe, to uzyskamy objętość równą około jednemu milimetrowi sześciennemu.