原子的结构——物质的基本粒子、电子、质子、中子
自然界中的所有物体都是由一种叫做物质的物质构成的。物质分为两大类——简单物质和复杂物质。
复杂物质是那些通过化学反应可以分解成其他更简单物质的物质。与复杂物质不同，简单物质是指无法通过化学方式分解为更简单物质的物质。
复杂物质的一个例子是水，它可以通过化学反应分解成另外两种更简单的物质——氢和氧。至于后两者，它们不能再被化学分解成更简单的物质，因此是单质，或者说是化学元素。
19世纪上半叶，科学上有一种假设，认为化学元素是不变的物质，彼此之间没有共同关系。然而，俄罗斯科学家 D. I. 门捷列夫 (D. I. Mendeleev, 1834 — 1907) 于 1869 年首次揭示了化学元素之间的关系，表明它们各自的定性特征取决于其定量特征——原子量。
在研究化学元素的特性时，D. I. 门捷列夫 (D. I. Mendeleev) 注意到它们的特性会根据其原子量周期性地重复。他以表格的形式展示了这种周期性，该表格以“门捷列夫的元素周期表”的名义进入了科学领域。
下面是门捷列夫的现代化学元素周期表。
原子
根据现代科学概念，每一种化学元素都是由称为原子的最小物质（material）粒子的集合构成的。
原子是化学元素的最小部分，它不能再被化学分解成其他更小、更简单的物质粒子。
不同性质的化学元素的原子在物理化学性质、结构、大小、质量、原子量、自身能量和其他一些性质方面各不相同。例如，氢原子在性质和结构上与氧原子截然不同，而后者又与铀原子截然不同，等等。
发现化学元素的原子尺寸非常小。如果我们有条件地假设原子具有球形，那么它们的直径必须等于百万分之一厘米。例如，氢原子（自然界中最小的原子）的直径为百万分之一厘米（10-8 厘米），而最大原子（例如铀原子）的直径不超过三百百万分之一厘米（3·10-8 厘米）。因此，氢原子比半径为一厘米的球体小很多倍，因为后者比地球小很多倍。
由于原子的尺寸非常小，它们的质量也非常小。例如，一个氢原子的质量为m = 1.67·10-24 这意味着1克氢大约含有6·1023个原子。
对于化学元素原子量的常规计量单位，取氧原子重量的1/16。按照这种化学元素的原子量，称为一个抽象数，表示给定化学元素的重量超过氧原子重量的1/16的次数。
在 D. I. 门捷列夫的元素周期表中，给出了所有化学元素的原子量（参见元素名称下的数字）。从这张表中我们可以看出，最轻的原子是氢原子，其原子量为 1.008。碳的原子量为12，氧为16，依此类推。
至于较重的化学元素，它们的原子量超过氢的原子量两百多倍。所以水银的原子值为200.6，镭为226，以此类推。化学元素在元素周期表中占据的序号越高，原子量就越大。
大多数化学元素的原子量都用分数表示。这在某种程度上可以解释为这样的化学元素由一组原子量不同但化学性质相同的原子组成的集合。
在元素周期表中占据相同编号并因此具有相同化学性质但原子量不同的化学元素称为同位素。
大多数化学元素都有同位素，有两种同位素，钙-四，锌-五，锡-十一等。许多同位素是通过艺术获得的，其中一些具有很大的实际意义。
物质的基本粒子
长期以来，人们认为化学元素的原子是物质可分性的极限，也就是宇宙的基本“积木”。现代科学否定了这一假设，认为任何化学元素的原子都是比原子本身更小的物质粒子的集合体。
根据物质结构的电子理论，任何化学元素的原子都是一个由中心核组成的系统，围绕该中心核旋转的材料“基本”粒子称为电子。根据普遍接受的观点，原子核由一组“基本”物质粒子——质子和中子组成。
为了理解原子的结构和其中的物理化学过程，有必要至少简要地熟悉构成原子的基本粒子的基本特征。
确定电子是自然界中观察到的负电荷最小的真粒子。
如果我们有条件地假设作为粒子的电子是球形的，那么电子的直径应该等于4·10-13厘米，也就是比每个原子的直径小几万倍。
与任何其他物质粒子一样，电子具有质量。电子的“静止质量”，即它在相对静止状态下所具有的质量，等于mo = 9.1·10-28 G。
电子极小的“静止质量”表明电子的惯性极弱，这意味着电子在交变电力的作用下，可以以每秒数十亿个周期的频率在空间中振荡第二。
电子的质量非常小，需要 1027 个单位才能产生 1 克电子。为了至少对这个庞大的数字有一些物理概念，我们将举一个例子。如果一克电子可以排列成一条直线并彼此靠近，那么它们将形成一条长达 40 亿公里的链。
与任何其他材料微粒一样，电子的质量取决于其运动速度。处于相对静止状态的电子具有机械性质的“静止质量”，类似于任何物理物体的质量。至于电子的“运动质量”，它随着运动速度的增加而增加，这是电磁起源的。这是由于作为一种具有质量和电磁能的物质，运动电子中存在电磁场。
电子运动得越快，其电磁场的惯性特性表现得越多，后者的质量就越大，因此其电磁能也越大。由于电子及其电磁场代表一个有机连接的物质系统，它自然是电子电磁场的动量质量直接归因于电子本身。
电子除了具有粒子的特性外，还具有波的特性。实验证实，电子流像光流一样，以波状运动的形式传播。电子波在空间中的干涉和衍射现象证实了电子流的波动性质。
电子干涉是电子意志相互叠加和电子衍射的现象——这是电子波在电子束通过的窄缝边缘弯曲的现象。因此，电子不仅仅是一个粒子，而是一个“粒子波”，其长度取决于电子的质量和速度。
已经确定，电子除了其平移运动外，还围绕其轴进行旋转运动。这种类型的电子运动称为“自旋”（来自英文单词“spin”——纺锤）。由于这种运动，电子除了由于电荷而具有电特性外，还获得了磁特性，在这方面类似于基本磁铁。
质子是真实的粒子，其正电荷的绝对值等于电子的电荷。
质子质量为 1.67 ·10-24 r，即大约是电子“静止质量”的 1840 倍。
与电子和质子不同，中子不带电荷，也就是说，它是物质的电中性“基本”粒子。中子的质量实际上等于质子的质量。
组成原子的电子、质子和中子相互作用。特别是，电子和质子作为带相反电荷的粒子相互吸引。同时，来自电子的电子和来自质子的质子作为带相同电荷的粒子相互排斥。
所有这些带电粒子都通过它们的电场相互作用。这些场是一种特殊的物质，由一组称为光子的基本物质粒子组成。每个光子都具有严格定义的固有能量（能量量子）。
带电材料粒子的相互作用通过彼此之间的光子交换发生。带电粒子的相互作用力通常称为电力。
原子核中的中子和质子也相互作用。然而，它们之间的这种相互作用不再通过电场发生，因为中子是物质的电中性粒子，而是通过所谓的核领域。
这个场也是一种特殊的物质，由一组称为介子的基本物质粒子组成……中子和质子的相互作用是通过介子相互交换而发生的。中子和质子之间的相互作用力称为核力。
已经确定，核力作用于原子核中的距离极小——大约 10-13 厘米。
核力大大超过原子核中质子相互排斥的电力。这导致这样一个事实，即它们不仅能够克服原子核内质子的相互排斥力，而且能够从质子和中子的集合中创建非常强大的原子核系统。
任何原子核的稳定性取决于两种相互冲突的力的比率——核力（质子和中子的相互吸引）和电力（质子的相互排斥）。
作用在原子核中的强大核力有助于中子和质子相互转化。中子和质子的这些相互作用是由于较轻的基本粒子（例如介子）的释放或吸收而发生的。
我们考虑的粒子被称为基本粒子，因为它们不是由其他更简单的物质粒子聚集而成。但与此同时，我们也不能忘记，它们可以相互转化，以牺牲对方为代价而出现。因此，这些粒子是一些复杂的构造，即它们的基本性质是有条件的。
原子的化学结构
其结构中最简单的原子是氢原子。它仅由两个基本粒子——一个质子和一个电子——组成。氢原子系统中的质子起着中心核的作用，电子围绕其在一定轨道上旋转。在图。图1示意性地显示了氢原子的模型。
米。 1.氢原子结构示意图
该模型只是对现实的粗略近似。事实是，作为“粒子波”的电子并没有与外部环境截然分界的体积。这意味着我们不应该谈论电子的某些精确线性轨道，而应该谈论一种电子云。在这种情况下，电子最常占据云的一些中间线，这是它在原子中可能的轨道之一。
应该说，电子本身的轨道在原子中并不是严格不变和静止的——它还由于电子质量的变化而作一定的旋转运动。因此，原子中电子的运动是比较复杂的。由于氢原子（质子）的原子核和围绕它旋转的电子带有相反的电荷，因此它们相互吸引。
同时，围绕原子核旋转的电子的自由能产生离心力，倾向于将其从原子核中移除。因此，原子核与电子之间的相互吸引的电力与作用在电子上的离心力是相反的力。
在平衡状态下，它们的电子在原子中的某个轨道上占据相对稳定的位置。由于电子的质量很小，为了平衡对原子核的吸引力，它必须以大约每秒 6·1015 转的巨大速度旋转。这意味着氢原子系统中的电子与任何其他原子一样，以超过每秒一千公里的线速度沿其轨道运动。
在正常情况下，电子在离原子核最近的轨道上的那种原子中自旋。同时，它具有尽可能少的能量。如果由于某种原因，例如在侵入原子系统的其他物质粒子的影响下，电子运动到离原子较远的轨道上，那么它已经具有稍大的能量。
然而，电子在这个新轨道上停留的时间微不足道，之后它旋转回到离原子核最近的轨道。在此过程中，它以磁辐射量子（辐射能）的形式放弃了多余的能量（图 2）。
米。 2. 当一个电子从一个遥远的轨道移动到一个更靠近原子核的轨道时，它会发射出一个辐射能量子
电子从外界接受的能量越多，它越往离原子核最远的轨道运动，当它自旋到离原子核最近的轨道时，它发射的电磁能也越大。
通过测量电子从不同轨道跃迁到最靠近原子核的轨道期间发射的能量，可以确定氢原子系统中的电子与任何其他系统中的电子一样原子，不能跑到一个随机的轨道上，要严格按照它在外力的影响下接收到的这种能量来确定。电子在原子中可以占据的轨道称为允许轨道。
由于氢原子核的正电荷（质子的电荷）和电子的负电荷在数值上相等，因此它们的总电荷为零。这意味着处于正常状态的氢原子是电中性粒子。
所有化学元素的原子都是如此：由于正电荷和负电荷的数量相等，任何化学元素的原子在其正常状态下都是电中性粒子。
由于氢原子的原子核只包含一个“基本”粒子——质子，所以这个原子核的所谓质量数等于一。任何化学元素的原子核的质量数是构成该原子核的质子和中子的总数。
天然氢主要由质量数等于一的原子集合组成。但是，它还包含另一种类型的氢原子，质量数等于二。这些重氢原子的原子核称为氘核，由两个粒子组成，质子和中子。这种氢的同位素称为氘。
天然氢含有极少量的氘。对于每六千个轻氢原子（质量数等于一），只有一个氘原子（重氢）。氢还有另一种同位素，称为氚的超重氢。在这种氢同位素的原子核中，有三个粒子：一个质子和两个中子，它们通过核力结合在一起。氚原子核的质量数为三，即氚原子比轻氢原子重三倍。
氢同位素的原子虽然质量不同，但它们的化学性质仍然相同，例如，轻氢与氧发生化学反应，形成一种复杂的物质——水。同样，氢的同位素氘与氧结合形成水，与普通水不同，水被称为重水。重水广泛用于核（原子）能的生产。
因此，原子的化学性质并不取决于其原子核的质量，而只取决于原子电子壳层的结构。由于轻氢、氘和氚的原子具有相同数量的电子（每个原子一个），因此这些同位素具有相同的化学性质。
化学元素氢在元素周期表中占据第一位并非偶然。事实上，元素周期表中每个元素的数量与该元素原子核上的电荷量之间存在某种关系。它可以表述如下：元素周期表中每个化学元素的序号在数值上等于该元素原子核的正电荷，因此等于围绕它旋转的电子数。
由于氢在元素周期表中排在第一位，这意味着其原子核的正电荷等于一个，一个电子围绕原子核旋转。
化学元素氦在元素周期表中排在第二位。这意味着它具有等于两个单位的原子核正电荷，也就是说，它的原子核必须包含两个质子，并且在原子的电子壳中 - 两个电极。
天然氦由两种同位素组成——重氦和轻氦。重氦的质量数是四。这意味着除了上面提到的两个质子之外，还必须有两个中子进入重氦原子的原子核。至于轻氦，它的质量数是三，即除了两个质子外，还应该多一个中子进入它的原子核组成。
已经发现，在天然氦中，轻氦原子的数量大约是重氦原子的百万分之一。在图。图 3 显示了氦原子的示意模型。
米。 3. 氦原子结构示意图
化学元素原子结构的进一步复杂化是由于这些原子的原子核中质子和中子数量的增加以及同时围绕原子核旋转的电子数量的增加（图 4）。使用元素周期表，很容易确定组成不同原子的电子、质子和中子的数量。
米。 4. 原子核构造方案：1-氦，2-碳，3-氧
化学元素的常规数目等于原子核中的质子数，同时等于围绕原子核旋转的电子数。至于原子量，大约等于原子的质量数，即原子核中质子数和中子数的总和。因此，通过从元素的原子量中减去等于元素原子序数的数，可以确定给定原子核中包含多少中子。
已经确定，轻化学元素的原子核在其组成中具有相同数量的质子和中子，具有非常高的强度，因为它们中的核力相对较大。例如，重氦原子的原子核非常耐用，因为它由两个质子和两个中子组成，它们通过强大的核力结合在一起。
较重化学元素的原子核在其组成中已经包含数量不等的质子和中子，这就是为什么它们在原子核中的键比轻化学元素原子核中的键弱。当用原子“射弹”（中子、氦核等）轰击时，这些元素的原子核可以相对容易地分裂。
至于最重的化学元素，尤其是放射性元素，它们的原子核强度很低，以至于它们会自发分解成它们的组成部分。例如，放射性元素镭的原子由 88 个质子和 138 个中子组成，自发衰变成为放射性元素氡的原子。后者的原子又分解成它们的组成部分，传递到其他元素的原子中。
在简要地熟悉了化学元素原子核的组成部分之后，让我们考虑一下原子电子壳层的结构。如您所知，电子只能在严格定义的轨道上围绕原子核旋转。此外，它们如此聚集在每个原子的电子壳层中，以至于可以区分单个电子壳层。
每个壳层可以包含一定数量的电子，不超过严格确定的数量。因此，例如，在最靠近原子核的第一个电子壳中最多可以有两个电子，在第二个电子壳中最多可以有八个电子，等等。
那些外层电子壳被完全填充的原子具有最稳定的电子壳。这意味着一个原子牢牢地持有它所有的电子，不需要从外部接收额外数量的电子。例如，一个氦原子有两个电子完全填满第一个电子层，一个氖原子有十个电子，其中前两个完全填满第一个电子层，其余电子 - 第二个（图 5）。
米。 5.氖原子结构图
因此，氦和氖原子具有相当稳定的电子壳层，它们不会以任何定量方式改变它们。这些元素是化学惰性的，也就是说，它们不会与其他元素发生化学相互作用。
但是，大多数化学元素的原子外层电子壳未完全充满电子。例如，钾原子有 19 个电子，其中 18 个完全填满了前三个壳层，第 19 个电子位于下一个未填满的电子壳层中。第四层电子壳层的电子填充较弱导致原子核非常弱地保持最外层 - 第十九个电子，因此后者可以很容易地从原子中移除。 ……
或者，例如，氧原子有八个电子，其中两个完全填满第一个壳层，其余六个位于第二个壳层中。因此，为了完全完成氧原子中第二个电子层的构造，它只缺少两个电子。因此，氧原子不仅将它的六个电子牢牢地固定在第二壳层中，而且还具有将两个缺失的电子吸引到自身以填充它的第二电子壳层的能力。他通过与这些元素的原子进行化学结合来实现这一点，在这些元素中，外层电子与它们的原子核弱相关。
其原子没有完全充满电子的外层电子层的化学元素通常具有化学活性，也就是说，它们愿意进行化学相互作用。
因此，化学元素原子中的电子按严格定义的顺序排列，原子电子壳层中电子的空间排列或数量的任何变化都会导致后者的物理化学性质发生变化。
原子系统中电子和质子的数量相等是其总电荷为零的原因。如果违反原子系统中电子和质子数量的相等性，则原子变成带电系统。
系统中由于失去部分电子或相反获得过量电子而扰乱相反电荷平衡的原子称为离子。
相反，如果一个原子获得任何过量的电子，它就会变成负离子。例如，一个接受了一个额外电子的氯原子变成了一个带单电荷的负氯离子Cl-……一个接受了两个额外电子的氧原子变成了一个带双电荷的负氧离子O，等等。
已成为离子的原子相对于外部环境成为带电系统。这意味着原子开始拥有一个电场，它与电场一起形成一个单一的物质系统，并通过这个电场与其他带电物质粒子——离子、电子、带正电的原子核、 ETC。
不同离子相互吸引的能力是它们化学结合的原因，形成更复杂的物质粒子 - 分子。
总之，应该注意的是，与构成它们的真实粒子的尺寸相比，原子的尺寸非常大。最复杂的原子的原子核连同所有的电子，占据了原子体积的十亿分之一。简单计算一下，如果将一立方米的铂压紧，原子内和原子间的空间都消失了，那么就会得到约等于一立方毫米的体积。