Многочисленные эксперименты, про­ведённые физиками в начале XX в.. показали, что атомы состоят из ядер, вокруг которых движутся электро­ны — в этом отношении атомы напо­минают Солнечную систему. Недаром модель атома, предложенную в 1911 г. английским физиком Эрнестом Резерфордом (1871 — 1937), назвали планетарной. Действительно, в Сол­нечной системе почти вся масса (99,87 %) сосредоточена в централь­ном светиле, а на планеты приходят­ся лишь сотые доли процента. Оказы­вается, в атомах тоже практически вся масса сосредоточена в ядре (в част­ности, в атоме водорода — 99,95 %).

Но если сравнивать не массы, а размеры, то окажется, что атом на­много более «пустой», чем Солнечная система. Её диаметр примерно в 4 тыс. раз больше диаметра Солнца. Разме­ры же атомов (порядка 10^-10 м) при­близительно в 100 тыс. раз превыша­ют размеры ядра (порядка 10^-15 м для лёгких ядер)! Если увеличить ядро до 1 мм (булавочная головка), то сам атом вырастет до 100 000 мм = 100 м (размер футбольного поля). Ещё рази­тельнее сопоставление объёмов ядра и атома — получается разница в 15 порядков. Это означает, например, что практически вся масса огромно­го свинцового куба с ребром 100 м (она равна 11 млн. тонн) сосредоточе­на в ядрах атома свинца, суммарный объём которых меньше спичечной го­ловки! Трудно даже представить себе, насколько высока плотность ядерно­го вещества.

Ядра всех элементов состоят из по­ложительно заряженных протонов (р от греч. «протос» — «первый») и

не имеющих заряда нейтронов (n; от лат. neutrum — «ни то, ни другое»). Только ядро атома водорода состоит из единственного протона. Число протонов в ядре (Z) определяет атом­ный номер химического элемента (под этим номером он и числится в периодической системе), а сумма про­тонов и нейтронов называется мас­совым числом (А); очевидно, что оно всегда целое. Протоны и нейтроны имеют общее название — нуклоны (от лат. nucleus — «ядро»). Термином нуклид обозначают атом с определён­ным атомным номером Z и массовым числом А, т. е. с определённым набо­ром протонов и нейтронов. Нуклиды с одним и тем же атомным номером, но с разными массовыми числами на­зываются изотопными нуклидами или просто изотопами (от греч. «изос» — «равный» и «топос» — «мес­то»). Другими словами, в ядрах всех изотопов данного элемента содер­жится одинаковое число протонов, но разное число нейтронов.

Нуклиды обозначают символом элемента и массовым числом: ¹²С, ¹⁴N, ^l6O; другая форма записи: угле­род-12, азот-14, кислород-16. Если массовое число не указывать, то под­разумеваются все природные изото­пы данного элемента. Иногда указы­вают и атомный номер элемента, но это не обязательно, поскольку символ элемента однозначно связан с опре­делённым Z. Так, для атомов водоро­да Z=1, для азота Z=7, для кислоро­да Z=8 и т. д. Разных нуклидов значительно больше, чем элементов. Например, в природе найдены три

изотопа водорода — нуклиды ¹Н, ²Н (другое обозначение D — дейтерий) и ³Н (или Т — тритий), три изотопа углерода (¹²С, ¹³С и ¹⁴С), четыре — се­ры, пять — кальция, шесть — селена, семь — молибдена, восемь — кадмия, девять — ксенона и десять — олова (это рекорд). Есть и элементы-оди­ночки, представленные всего одним нуклидом: ⁹Ве, ¹⁹F, ²³Na, ²⁷Al, ³¹P и др. Некоторые природные нуклиды нестабильны: со временем они распа­даются; это — радионуклиды (см. ста­тью «Превращения атомных ядер»).

Если атом нейтрален, его положи­тельно заряженное ядро удерживает столько же отрицательно заряжен­ных электронов (е), сколько протонов в ядре. Электроны в атомах формиру­ют оболочки, называемые также энер­гетическими уровнями. Из всех воз­можных способов расположения электронов в атоме данного элемента реализуется тот, при котором энергия атома, т. е. системы «ядро — электро­ны», является минимальной. Чем бли­же к ядру расположены электроны, чем больше сила притяжения между ними и ядром, тем меньше суммарная энергия атома. А по мере увеличения числа электронов они стремятся рас­положиться подальше друг от друга, что уменьшает взаимное отталкивание электронов и также снижает энергию атома. При расчёте полной энергии атома следует учитывать оба эти фак­тора. Неудивительно, что подобные расчёты представляют собой очень сложную задачу.

Электрон движется около ядра в определённом пространстве, кото­рое называется атомной орбиталью. Орбитали могут иметь разную фор­му — шарообразную (s-орбиталь), гантелеобразную (p-орбиталь) или более сложную (d-, f-орбитали и т. д.), В этом отношении между движением планет вокруг Солнца и движением электронов около ядра нет ничего об­щего: электроны подчиняются другим (квантовым) законам. На каждой орбитали могут одновременно нахо­диться максимум два электрона, обла­дающие противоположными спинами (спин — собственная характеристика электрона, имеющая квантовую при

роду). Графически орбитали часто изображают в виде ячеек, а находящи­еся на них электроны — стрелками (стрелки, направленные в разные сто­роны указывают на противополож­ные спины двух электронов).

Для первого, самого нижнего энер­гетического уровня (K-оболочка) воз­можна только s-орбиталь, для второ­го (L-оболочка) —s и p, для третьего (М-оболочка) — s, p и d и т. д. Для изо­лированного атома орбитали с одина­ковой формой и энергией образуют энергетические подуровни (подслои). Их обозначают, указывая номер уров­ня и характер орбитали, скажем 2s, 4f Справа вверху указывают число элек­тронов на данной орбитали, напри­мер 1s¹ (у атома водорода) или 5d¹⁰ (у атома золота). На каждом подуров­не может поместиться строго опреде­лённое число электронов: на s-подуровне — 2 (он состоит из одной s-орбитали), на p-подуровне — 6 ( три p-орбитали: р_х, р_у, p_z), на d-подуровне — 10 (пять d-орбиталей: d_xy, d_xz, d_yz,  , а на f-подуровне — 14 (семь f-орбиталей). При последовательном заполнении подуровней электроны

ведут себя примерно так, как пассажи­ры, входящие в пустой автобус: они вначале рассаживаются на сиденьях по одному, и лишь когда все места у окошек заняты, начинают занимать соседние.

Энергия данной орбитали не по­стоянна: она снижается (причём не всегда плавно) при переходе от более лёгких к более тяжёлым ато­мам. Это объясняется тем, что для лёг­ких атомов энергия данного уровня определяется в основном притяжени­ем электронов к ядру, тогда как для тяжёлых атомов велико влияние вза­имного отталкивания электронов. В результате происходит как бы со­ревнование между разными энергети­ческими уровнями.

Эта особенность позволяет понять ряд «исключений» в размещении электронов по энергетическим уров­ням и подуровням некоторых эле­ментов. Всё это очень важно для объяснения химических свойств эле­ментов: ведь именно перестройка электронных орбиталей при сближе­нии атомов и составляет сущность химической реакции.

Форма атомных орбиталей.