原子的結構——物質的基本粒子、電子、質子、中子
自然界中的所有物體都是由一種叫做物質的物質構成的。物質分為兩大類——簡單物質和復雜物質。
複雜物質是那些通過化學反應可以分解成其他更簡單物質的物質。與復雜物質不同，簡單物質是指無法通過化學方式分解為更簡單物質的物質。
複雜物質的一個例子是水，它可以通過化學反應分解成另外兩種更簡單的物質——氫和氧。至於後兩者，它們不能再被化學分解成更簡單的物質，因此是單質，或者說是化學元素。
19世紀上半葉，科學上有一種假設，認為化學元素是不變的物質，彼此之間沒有共同關係。然而，俄羅斯科學家 D. I. 門捷列夫 (D. I. Mendeleev, 1834 — 1907) 於 1869 年首次揭示了化學元素之間的關係，表明它們各自的定性特徵取決於其定量特徵——原子量。
在研究化學元素的特性時，D. I. 門捷列夫 (D. I. Mendeleev) 注意到它們的特性會根據其原子量週期性地重複。他以表格的形式展示了這種週期性，該表格以“門捷列夫的元素週期表”的名義進入了科學領域。
下面是門捷列夫的現代化學元素週期表。
原子
根據現代科學概念，每一種化學元素都是由稱為原子的最小物質（material）粒子的集合構成的。
原子是化學元素的最小部分，它不能再被化學分解成其他更小、更簡單的物質粒子。
不同性質的化學元素的原子在物理化學性質、結構、大小、質量、原子量、自身能量和其他一些性質方面各不相同。例如，氫原子在性質和結構上與氧原子截然不同，而後者又與鈾原子截然不同，等等。
發現化學元素的原子尺寸非常小。如果我們有條件地假設原子具有球形，那麼它們的直徑必須等於百萬分之一厘米。例如，氫原子（自然界中最小的原子）的直徑為百萬分之一厘米（10-8 厘米），而最大原子（例如鈾原子）的直徑不超過三百百萬分之一厘米（3·10-8 厘米）。因此，氫原子比半徑為一厘米的球體小很多倍，因為後者比地球小很多倍。
由於原子的尺寸非常小，它們的質量也非常小。例如，一個氫原子的質量為m = 1.67·10-24 這意味著1克氫大約含有6·1023個原子。
對於化學元素原子量的常規計量單位，取氧原子重量的1/16。按照這種化學元素的原子量，稱為一個抽像數，表示給定化學元素的重量超過氧原子重量的1/16的次數。
在 D. I. 門捷列夫的元素週期表中，給出了所有化學元素的原子量（參見元素名稱下的數字）。從這張表中我們可以看出，最輕的原子是氫原子，其原子量為 1.008。碳的原子量為12，氧為16，依此類推。
至於較重的化學元素，它們的原子量超過氫的原子量兩百多倍。所以水銀的原子值為200.6，鐳為226，以此類推。化學元素在元素週期表中佔據的序號越高，原子量就越大。
大多數化學元素的原子量都用分數表示。這在某種程度上可以解釋為這樣的化學元素由一組原子量不同但化學性質相同的原子組成的集合。
在元素週期表中佔據相同編號並因此具有相同化學性質但原子量不同的化學元素稱為同位素。
大多數化學元素都有同位素，有兩種同位素，鈣-四，鋅-五，錫-十一等。許多同位素是通過藝術獲得的，其中一些具有很大的實際意義。
物質的基本粒子
長期以來，人們認為化學元素的原子是物質可分性的極限，也就是說，可以說是宇宙的基本“積木”。現代科學否定了這一假設，認為任何化學元素的原子都是比原子本身更小的物質粒子的集合體。
根據物質結構的電子理論，任何化學元素的原子都是一個由中心核組成的系統，圍繞該中心核旋轉的材料“基本”粒子稱為電子。根據普遍接受的觀點，原子核由一組“基本”物質粒子——質子和中子組成。
為了理解原子的結構和其中的物理化學過程，有必要至少簡要地熟悉構成原子的基本粒子的基本特徵。
確定電子是自然界中觀察到的負電荷最小的真粒子。
如果我們有條件地假設作為粒子的電子是球形的，那麼電子的直徑應該等於4·10-13厘米，也就是比每個原子的直徑小幾萬倍。
與任何其他物質粒子一樣，電子具有質量。電子的“靜止質量”，即它在相對靜止狀態下所具有的質量，等於mo = 9.1·10-28 G。
電子極小的“靜止質量”表明電子的慣性極弱，這意味著電子在交變電力的作用下，可以以每秒數十億個週期的頻率在空間中振盪第二。
電子的質量非常小，需要 1027 個單位才能產生 1 克電子。為了至少對這個龐大的數字有一些物理概念，我們將舉一個例子。如果一克電子可以排列成一條直線並彼此靠近，那麼它們將形成一條長達 40 億公里的鏈。
與任何其他材料微粒一樣，電子的質量取決於其運動速度。處於相對靜止狀態的電子具有機械性質的“靜止質量”，類似於任何物理物體的質量。至於電子的“運動質量”，它隨著運動速度的增加而增加，這是電磁起源的。這是由於作為一種具有質量和電磁能的物質，運動電子中存在電磁場。
電子運動得越快，其電磁場的慣性特性表現得越多，後者的質量就越大，因此其電磁能也越大。由於電子及其電磁場代表一個有機連接的物質系統，它自然是電子電磁場的動量質量直接歸因於電子本身。
電子除了具有粒子的特性外，還具有波的特性。實驗證實，電子流像光流一樣，以波狀運動的形式傳播。電子波在空間中的干涉和衍射現象證實了電子流的波動性質。
電子乾涉是電子意志相互疊加和電子衍射的現象——這是電子波在電子束通過的窄縫邊緣彎曲的現象。因此，電子不僅僅是一個粒子，而是一個“粒子波”，其長度取決於電子的質量和速度。
已經確定，電子除了其平移運動外，還圍繞其軸進行旋轉運動。這種類型的電子運動稱為“自旋”（來自英文單詞“spin”——紡錘）。由於這種運動，電子除了由於電荷而具有電特性外，還獲得了磁特性，在這方麵類似於基本磁鐵。
質子是真實的粒子，其正電荷的絕對值等於電子的電荷。
質子質量為 1.67 ·10-24 r，即大約是電子“靜止質量”的 1840 倍。
與電子和質子不同，中子不帶電荷，也就是說，它是物質的電中性“基本”粒子。中子的質量實際上等於質子的質量。
構成原子的電子、質子和中子相互作用。特別是，電子和質子作為帶相反電荷的粒子相互吸引。同時，來自電子的電子和來自質子的質子作為帶相同電荷的粒子相互排斥。
所有這些帶電粒子都通過它們的電場相互作用。這些場是一種特殊的物質，由一組稱為光子的基本物質粒子組成。每個光子都具有嚴格定義的固有能量（能量量子）。
帶電材料粒子的相互作用通過彼此之間的光子交換發生。帶電粒子的相互作用力通常稱為電力。
原子核中的中子和質子也相互作用。然而，它們之間的這種相互作用不再通過電場發生，因為中子是物質的電中性粒子，而是通過所謂的核領域。
這個場也是一種特殊的物質，由一組稱為介子的基本物質粒子組成……中子和質子的相互作用是通過介子相互交換而發生的。中子和質子之間的相互作用力稱為核力。
已經確定，核力作用於原子核中的距離極小——大約 10-13 厘米。
核力大大超過原子核中質子相互排斥的電力。這導致這樣一個事實，即它們不僅能夠克服原子核內部質子的相互排斥力，而且能夠從質子和中子的集合中創建非常強大的原子核系統。
任何原子核的穩定性取決於兩種相互衝突的力的比率——核力（質子和中子的相互吸引）和電力（質子的相互排斥）。
作用在原子核中的強大核力有助於中子和質子相互轉化。中子和質子的這些相互作用是由於較輕的基本粒子（例如介子）的釋放或吸收而發生的。
我們考慮的粒子被稱為基本粒子，因為它們不是由其他更簡單的物質粒子聚集而成。但與此同時，我們也不能忘記，它們可以相互轉化，以犧牲對方為代價而出現。因此，這些粒子是一些複雜的構造，即它們的基本性質是有條件的。
原子的化學結構
其結構中最簡單的原子是氫原子。它僅由兩個基本粒子——一個質子和一個電子——組成。氫原子系統中的質子起著中心核的作用，電子圍繞其在一定軌道上旋轉。在圖。圖1示意性地顯示了氫原子的模型。
米。 1.氫原子結構示意圖
該模型只是對現實的粗略近似。事實是，作為“粒子波”的電子並沒有與外部環境截然分界的體積。這意味著我們不應該談論電子的某些精確線性軌道，而應該談論一種電子云。在這種情況下，電子最常佔據云的一些中間線，這是它在原子中可能的軌道之一。
應該說，電子本身的軌道在原子中並不是嚴格不變和靜止的——它還由於電子質量的變化而作一定的旋轉運動。因此，原子中電子的運動是比較複雜的。由於氫原子（質子）的原子核和圍繞它旋轉的電子帶有相反的電荷，因此它們相互吸引。
同時，圍繞原子核旋轉的電子的自由能產生離心力，傾向於將其從原子核中移除。因此，原子核與電子之間的相互吸引的電力與作用在電子上的離心力是相反的力。
在平衡狀態下，它們的電子在原子中的某個軌道上佔據相對穩定的位置。由於電子的質量很小，為了平衡對原子核的吸引力，它必須以大約每秒 6·1015 轉的巨大速度旋轉。這意味著氫原子系統中的電子與任何其他原子一樣，以超過每秒一千公里的線速度沿其軌道運動。
在正常情況下，電子在離原子核最近的軌道上的那種原子中自旋。同時，它具有盡可能少的能量。如果由於某種原因，例如，在侵入原子系統的其他物質粒子的影響下，電子運動到離原子較遠的軌道上，那麼它已經具有稍大的能量。
然而，電子在這個新軌道上停留的時間微不足道，之後它旋轉回到離原子核最近的軌道。在此過程中，它以磁輻射量子（輻射能）的形式放棄了多餘的能量（圖 2）。
米。 2. 當一個電子從一個遙遠的軌道移動到一個更靠近原子核的軌道時，它會發射出一個輻射能量子
電子從外界接受的能量越多，它越往離原子核最遠的軌道運動，當它自旋到離原子核最近的軌道時，它發射的電磁能也越大。
通過測量電子從不同軌道躍遷到最靠近原子核的軌道期間發射的能量，可以確定氫原子系統中的電子與任何其他系統中的電子一樣原子，不能跑到一個隨機的軌道上，要嚴格按照它在外力的影響下接收到的這種能量來確定。電子在原子中可以佔據的軌道稱為允許軌道。
由於氫原子核的正電荷（質子的電荷）和電子的負電荷在數值上相等，因此它們的總電荷為零。這意味著處於正常狀態的氫原子是電中性粒子。
所有化學元素的原子都是如此：由於正電荷和負電荷的數量相等，處於正常狀態的任何化學元素的原子都是電中性粒子。
由於氫原子的原子核只包含一個“基本”粒子——質子，所以這個原子核的所謂質量數等於一。任何化學元素的原子核的質量數是構成該原子核的質子和中子的總數。
天然氫主要由質量數等於一的原子集合組成。但是，它還包含另一種類型的氫原子，質量數等於二。這些重氫原子的原子核稱為氘核，由兩個粒子組成，質子和中子。這種氫的同位素稱為氘。
天然氫含有極少量的氘。對於每六千個輕氫原子（質量數等於一），只有一個氘原子（重氫）。氫還有另一種同位素，稱為氚的超重氫。在這種氫同位素的原子核中，有三個粒子：一個質子和兩個中子，它們通過核力結合在一起。氚原子核的質量數為三，即氚原子比輕氫原子重三倍。
氫同位素的原子雖然質量不同，但它們的化學性質仍然相同，例如，輕氫與氧發生化學反應，形成一種複雜的物質——水。同樣，氫的同位素氘與氧結合形成水，與普通水不同，水被稱為重水。重水廣泛用於核（原子）能的生產。
因此，原子的化學性質並不取決於其原子核的質量，而只取決於原子電子殼層的結構。由於輕氫、氘和氚的原子具有相同數量的電子（每個原子一個），因此這些同位素具有相同的化學性質。
化學元素氫在元素週期表中佔據第一位並非偶然。事實上，元素週期表中每個元素的數量與該元素原子核上的電荷量之間存在某種關係。它可以表述如下：元素週期表中每個化學元素的序號在數值上等於該元素原子核的正電荷，因此等於圍繞它旋轉的電子數。
由於氫在元素週期表中居第1位，這意味著其原子核的正電荷等於1，一個電子圍繞原子核旋轉。
化學元素氦在元素週期表中排在第二位。這意味著它具有等於兩個單位的原子核正電荷，也就是說，它的原子核必須包含兩個質子，並且在原子的電子殼中 - 兩個電極。
天然氦由兩種同位素組成——重氦和輕氦。重氦的質量數是四。這意味著除了上面提到的兩個質子之外，還必須有兩個中子進入重氦原子的原子核。至於輕氦，它的質量數是三，即除了兩個質子外，還應該多一個中子進入它的原子核組成。
已經發現，在天然氦中，輕氦原子的數量大約是重氦原子的百萬分之一。在圖。圖 3 顯示了氦原子的示意模型。
米。 3. 氦原子結構示意圖
化學元素原子結構的進一步複雜化是由於這些原子的原子核中質子和中子數量的增加以及同時圍繞原子核旋轉的電子數量的增加（圖 4）。使用元素週期表，很容易確定組成不同原子的電子、質子和中子的數量。
米。 4. 原子核構造方案：1-氦，2-碳，3-氧
化學元素的常規數目等於原子核中的質子數，同時等於圍繞原子核旋轉的電子數。至於原子量，大約等於原子的質量數，即原子核中質子數和中子數的總和。因此，通過從元素的原子量中減去等於元素原子序數的數，可以確定給定原子核中包含多少中子。
已經確定，輕化學元素的原子核在其組成中具有相同數量的質子和中子，具有非常高的強度，因為它們中的核力相對較大。例如，重氦原子的原子核非常耐用，因為它由兩個質子和兩個中子組成，它們通過強大的核力結合在一起。
較重化學元素的原子核在其組成中已經包含數量不等的質子和中子，這就是為什麼它們在原子核中的鍵比輕化學元素原子核中的鍵弱。當用原子“射彈”（中子、氦核等）轟擊時，這些元素的原子核可以相對容易地分裂。
至於最重的化學元素，尤其是放射性元素，它們的原子核強度很低，以至於它們會自發分解成它們的組成部分。例如，放射性元素鐳的原子由 88 個質子和 138 個中子組成，自發衰變成為放射性元素氡的原子。後者的原子又分解成它們的組成部分，傳遞到其他元素的原子中。
在簡要地熟悉了化學元素原子核的組成部分之後，讓我們考慮一下原子電子殼層的結構。如您所知，電子只能在嚴格定義的軌道上圍繞原子核旋轉。此外，它們如此聚集在每個原子的電子殼層中，以至於可以區分單個電子殼層。
每個殼層可以包含一定數量的電子，不超過嚴格確定的數量。因此，例如，在最靠近原子核的第一個電子殼中最多可以有兩個電子，在第二個電子殼中最多可以有八個電子，等等。
那些外層電子殼被完全填充的原子具有最穩定的電子殼。這意味著一個原子牢牢地持有它所有的電子，不需要從外部接收額外數量的電子。例如，一個氦原子有兩個電子完全填滿第一個電子層，一個氖原子有十個電子，其中前兩個完全填滿第一個電子層，其餘電子 - 第二個（圖 5）。
米。 5.氖原子結構圖
因此，氦和氖原子具有相當穩定的電子殼層，它們不會以任何定量方式改變它們。這些元素是化學惰性的，也就是說，它們不會與其他元素發生化學相互作用。
但是，大多數化學元素的原子外層電子殼未完全充滿電子。例如，鉀原子有 19 個電子，其中 18 個完全填滿了前三個殼層，第 19 個電子位於下一個未填滿的電子殼層中。第四層電子殼層的電子填充較弱導致原子核非常弱地保持最外層 - 第十九個電子，因此後者可以很容易地從原子中移除。 ……
或者，例如，氧原子有八個電子，其中兩個完全填滿第一個殼層，其餘六個位於第二個殼層中。因此，為了完全完成氧原子中第二個電子層的構造，它只缺少兩個電子。因此，氧原子不僅將它的六個電子牢牢地固定在第二殼層中，而且還具有將兩個缺失的電子吸引到自身以填充它的第二電子殼層的能力。他通過與這些元素的原子進行化學結合來實現這一點，在這些元素中，外層電子與它們的原子核弱相關。
其原子沒有完全充滿電子的外層電子層的化學元素通常具有化學活性，也就是說，它們願意進行化學相互作用。
因此，化學元素原子中的電子按嚴格定義的順序排列，原子電子殼層中電子的空間排列或數量的任何變化都會導致後者的物理化學性質發生變化。
原子系統中電子和質子的數量相等是其總電荷為零的原因。如果違反原子系統中電子和質子數量的相等性，則原子成為帶電系統。
系統中由於失去部分電子或相反獲得過量電子而擾亂相反電荷平衡的原子稱為離子。
相反，如果一個原子獲得任何過量的電子，它就會變成負離子。例如，一個接受了一個額外電子的氯原子變成了一個帶單電荷的負氯離子Cl-……一個接受了兩個額外電子的氧原子變成了一個帶雙電荷的負氧離子O，等等。
變成離子的原子相對於外部環境變成帶電系統。這意味著原子開始擁有一個電場，它與電場一起形成一個單一的物質系統，並通過這個電場與其他帶電物質粒子——離子、電子、帶正電的原子核、 ETC。
不同離子相互吸引的能力是它們化學結合的原因，形成更複雜的物質粒子 - 分子。
總之，應該注意的是，與構成它們的真實粒子的尺寸相比，原子的尺寸非常大。最複雜原子的原子核連同所有電子一起佔據了原子體積的十億分之一。簡單計算一下，如果將一立方米的鉑壓緊，原子內和原子間的空間都消失了，那麼就會得到約等於一立方毫米的體積。