โครงสร้างของอะตอม — อนุภาคมูลฐานของสสาร อิเล็กตรอน โปรตอน นิวตรอน

ร่างกายในธรรมชาติทั้งหมดถูกสร้างขึ้นจากสสารประเภทหนึ่งที่เรียกว่าสสาร สารแบ่งออกเป็นสองกลุ่มหลักคือสารที่ง่ายและซับซ้อน

สารเชิงซ้อนคือสารที่สามารถย่อยสลายเป็นสารอื่นที่ง่ายกว่าได้โดยผ่านปฏิกิริยาเคมี ซึ่งแตกต่างจากสารเชิงซ้อน สารเชิงซ้อนคือสารที่ไม่สามารถแตกตัวทางเคมีให้เป็นสารที่ง่ายกว่าได้

ตัวอย่างของสารเชิงซ้อนคือน้ำ ซึ่งผ่านปฏิกิริยาเคมีสามารถย่อยสลายเป็นสารที่ง่ายกว่าอีกสองชนิด ได้แก่ ไฮโดรเจนและออกซิเจน สำหรับสององค์ประกอบสุดท้าย พวกมันไม่สามารถถูกย่อยสลายทางเคมีให้เป็นสารที่เรียบง่ายได้อีกต่อไป ดังนั้นจึงเป็นสารที่เรียบง่าย หรืออีกนัยหนึ่งคือองค์ประกอบทางเคมี

ในช่วงครึ่งแรกของศตวรรษที่ 19 มีข้อสันนิษฐานทางวิทยาศาสตร์ว่าองค์ประกอบทางเคมีเป็นสารที่ไม่เปลี่ยนแปลงซึ่งไม่มีความสัมพันธ์ร่วมกัน อย่างไรก็ตามนักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซีย D. I. Mendeleev (1834 — 1907) เป็นครั้งแรกในปี 1869แสดงความสัมพันธ์ขององค์ประกอบทางเคมีซึ่งแสดงให้เห็นว่าลักษณะเชิงคุณภาพของแต่ละองค์ประกอบนั้นขึ้นอยู่กับลักษณะเชิงปริมาณ - น้ำหนักอะตอม

การศึกษาคุณสมบัติขององค์ประกอบทางเคมี D. I. Mendeleev สังเกตเห็นว่าคุณสมบัติของพวกเขาซ้ำเป็นระยะขึ้นอยู่กับน้ำหนักอะตอม เขาแสดงช่วงเวลานี้ในรูปแบบของตารางซึ่งเข้าสู่วิทยาศาสตร์ภายใต้ชื่อ "ตารางธาตุของ Mendeleev"

ด้านล่างนี้คือตารางธาตุเคมีสมัยใหม่ของ Mendeleev

ตาราง Mendeleev

อะตอม

ตามแนวคิดทางวิทยาศาสตร์สมัยใหม่ องค์ประกอบทางเคมีแต่ละชนิดประกอบด้วยชุดของอนุภาควัสดุ (วัสดุ) ที่เล็กที่สุดที่เรียกว่าอะตอม

อะตอมเป็นเศษส่วนที่เล็กที่สุดขององค์ประกอบทางเคมีที่ไม่สามารถย่อยสลายทางเคมีเป็นอนุภาควัสดุอื่นที่เล็กกว่าและเรียบง่ายกว่าได้อีกต่อไป

อะตอมขององค์ประกอบทางเคมีที่มีลักษณะต่างกันแตกต่างกันในคุณสมบัติทางเคมีกายภาพ โครงสร้าง ขนาด มวล น้ำหนักอะตอม พลังงานของตัวเอง และคุณสมบัติอื่นๆ ตัวอย่างเช่น อะตอมของไฮโดรเจนมีความแตกต่างกันอย่างมากในด้านคุณสมบัติและโครงสร้างจากอะตอมของออกซิเจน และจากอะตอมของยูเรเนียมเป็นต้น

อะตอมของธาตุเคมีมีขนาดเล็กมาก หากเราสันนิษฐานตามเงื่อนไขว่าอะตอมมีรูปร่างเป็นทรงกลม เส้นผ่านศูนย์กลางของอะตอมจะต้องเท่ากับหนึ่งร้อยล้านส่วนในหนึ่งเซนติเมตร ตัวอย่างเช่น เส้นผ่านศูนย์กลางของอะตอมไฮโดรเจนซึ่งเป็นอะตอมที่เล็กที่สุดในธรรมชาติคือหนึ่งในร้อยล้านของเซนติเมตร (10-8 ซม.) และเส้นผ่านศูนย์กลางของอะตอมที่ใหญ่ที่สุด เช่น อะตอมของยูเรเนียมจะไม่เกินสามร้อย หนึ่งในล้านของเซนติเมตร (3 10-8 ซม.)ดังนั้นอะตอมของไฮโดรเจนจึงมีขนาดเล็กกว่าทรงกลมรัศมีหนึ่งเซนติเมตรหลายเท่า เนื่องจากอะตอมของไฮโดรเจนมีขนาดเล็กกว่าโลก

เนื่องจากอะตอมมีขนาดเล็กมาก มวลของพวกมันจึงมีขนาดเล็กมากเช่นกัน ตัวอย่างเช่น มวลของอะตอมไฮโดรเจนคือ m = 1.67·10-24 ซึ่งหมายความว่าไฮโดรเจนหนึ่งกรัมมีอะตอมประมาณ 6·1023 อะตอม

สำหรับหน่วยวัดทั่วไปของน้ำหนักอะตอมขององค์ประกอบทางเคมี จะใช้ 1/16 ของน้ำหนักอะตอมออกซิเจน ตามน้ำหนักอะตอมของธาตุเคมีนี้ จะเรียกเลขนามธรรม ซึ่งระบุว่าน้ำหนักของธาตุเคมีที่กำหนดมากกว่า 1/16 ของน้ำหนักอะตอมออกซิเจนกี่ครั้ง

ในตารางธาตุของ D. I. Mendeleev น้ำหนักอะตอมขององค์ประกอบทางเคมีทั้งหมดจะได้รับ (ดูหมายเลขใต้ชื่อธาตุ) จากตารางนี้ เราจะเห็นว่าอะตอมที่เบาที่สุดคืออะตอมของไฮโดรเจนซึ่งมีน้ำหนักอะตอมเท่ากับ 1.008 น้ำหนักอะตอมของคาร์บอนเท่ากับ 12 ออกซิเจนเท่ากับ 16 และอื่นๆ

สำหรับองค์ประกอบทางเคมีที่หนักกว่านั้น น้ำหนักอะตอมของพวกมันจะมากกว่าน้ำหนักอะตอมของไฮโดรเจนมากกว่าสองร้อยเท่า ดังนั้นค่าอะตอมของปรอทคือ 200.6 เรเดียมคือ 226 เป็นต้น ยิ่งลำดับเลขที่ครอบครองโดยธาตุเคมีในตารางธาตุมากเท่าใด น้ำหนักอะตอมก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น

น้ำหนักอะตอมของธาตุเคมีส่วนใหญ่แสดงเป็นเลขเศษส่วน สิ่งนี้อธิบายได้ในระดับหนึ่งจากความจริงที่ว่าองค์ประกอบทางเคมีดังกล่าวประกอบด้วยชุดของอะตอมกี่ชนิดที่มีน้ำหนักอะตอมต่างกัน แต่มีสมบัติทางเคมีเหมือนกัน

องค์ประกอบทางเคมีที่มีหมายเลขเดียวกันในตารางธาตุ ดังนั้นจึงมีสมบัติทางเคมีเหมือนกันแต่มีน้ำหนักอะตอมต่างกันเรียกว่า ไอโซโทป

ไอโซโทปพบได้ในองค์ประกอบทางเคมีส่วนใหญ่ มีสองไอโซโทป แคลเซียม - สี่ สังกะสี - ห้า ดีบุก - สิบเอ็ด ฯลฯ ไอโซโทปจำนวนมากได้มาจากงานศิลปะ บางไอโซโทปมีความสำคัญในทางปฏิบัติมาก

อนุภาคมูลฐานของสสาร

เชื่อกันมานานแล้วว่าอะตอมขององค์ประกอบทางเคมีเป็นขีด จำกัด ของการหารของสสารซึ่งก็คือ "องค์ประกอบพื้นฐาน" พื้นฐานของจักรวาล วิทยาศาสตร์สมัยใหม่ปฏิเสธสมมติฐานนี้โดยระบุว่าอะตอมขององค์ประกอบทางเคมีใด ๆ คือการรวมตัวของอนุภาควัสดุที่เล็กกว่าตัวอะตอมเอง

ตามทฤษฎีอิเล็กตรอนของโครงสร้างของสสาร อะตอมขององค์ประกอบทางเคมีใด ๆ เป็นระบบที่ประกอบด้วยนิวเคลียสส่วนกลางที่หมุนรอบอนุภาค "มูลฐาน" ของวัสดุที่เรียกว่าอิเล็กตรอน นิวเคลียสของอะตอมตามมุมมองที่ยอมรับโดยทั่วไปประกอบด้วยชุดของอนุภาควัสดุ "มูลฐาน" — โปรตอนและนิวตรอน

เพื่อให้เข้าใจโครงสร้างของอะตอมและกระบวนการทางเคมีกายภาพในอะตอมนั้น จำเป็นต้องทำความคุ้นเคยกับลักษณะพื้นฐานของอนุภาคมูลฐานที่ประกอบกันเป็นอะตอมเป็นอย่างน้อย

พิจารณาแล้วว่าอิเล็กตรอนเป็นอนุภาคจริงที่มีประจุไฟฟ้าลบน้อยที่สุดที่สังเกตพบในธรรมชาติ

หากเราสันนิษฐานอย่างมีเงื่อนไขว่าอิเล็กตรอนในรูปของอนุภาคมีรูปร่างเป็นทรงกลม เส้นผ่านศูนย์กลางของอิเล็กตรอนควรเท่ากับ 4 ·10-13 ซม. นั่นคือมีขนาดเล็กกว่าเส้นผ่านศูนย์กลางของแต่ละอะตอมหลายหมื่นเท่า

อิเล็กตรอนมีมวลเช่นเดียวกับอนุภาควัสดุอื่นๆ "มวลพัก" ของอิเล็กตรอน นั่นคือ มวลที่มีอยู่ในสถานะพักสัมพัทธ์ เท่ากับ mo = 9.1 · 10-28 G.

"มวลที่เหลือ" ของอิเล็กตรอนที่มีขนาดเล็กมากบ่งชี้ว่าคุณสมบัติเฉื่อยของอิเล็กตรอนนั้นอ่อนแอมาก ซึ่งหมายความว่าอิเล็กตรอนภายใต้อิทธิพลของแรงไฟฟ้ากระแสสลับสามารถแกว่งในอวกาศด้วยความถี่หลายพันล้านคาบต่อ ที่สอง.

มวลของอิเล็กตรอนมีขนาดเล็กมากจนต้องใช้ 1,027 หน่วยในการผลิตอิเล็กตรอนหนึ่งกรัม เพื่อให้มีความคิดทางกายภาพอย่างน้อยที่สุดเกี่ยวกับจำนวนมหาศาลนี้ เราจะยกตัวอย่าง หากสามารถจัดเรียงอิเล็กตรอน 1 กรัมเป็นเส้นตรงใกล้ๆ กันได้ อิเล็กตรอนเหล่านั้นจะก่อตัวเป็นสายโซ่ยาว 4 พันล้านกิโลเมตร

มวลของอิเล็กตรอนเช่นเดียวกับอนุภาคขนาดเล็กของวัสดุอื่นๆ ขึ้นอยู่กับความเร็วของการเคลื่อนที่ อิเล็กตรอนในสถานะของการพักสัมพัทธ์จะมี "มวลนิ่ง" ในลักษณะเชิงกล คล้ายกับมวลของวัตถุใดๆ สำหรับ "มวลของการเคลื่อนที่" ของอิเล็กตรอนซึ่งเพิ่มขึ้นเมื่อความเร็วของการเคลื่อนที่เพิ่มขึ้น มันเป็นแหล่งกำเนิดแม่เหล็กไฟฟ้า นี่เป็นเพราะการปรากฏตัวของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าในอิเล็กตรอนที่กำลังเคลื่อนที่เป็นสสารประเภทหนึ่งที่มีมวลและพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้า

ยิ่งอิเล็กตรอนเคลื่อนที่เร็วเท่าใดก็ยิ่งแสดงคุณสมบัติเฉื่อยของสนามแม่เหล็กไฟฟ้ามากขึ้นเท่านั้น มวลของอันหลังก็ยิ่งมากขึ้นเท่านั้น และตามด้วยพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าของมัน เนื่องจากอิเล็กตรอนที่มีสนามแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นตัวแทนของระบบวัสดุที่เชื่อมต่อกันทางอินทรีย์ระบบเดียว เป็นไปตามธรรมชาติของมวลโมเมนตัมของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าของอิเล็กตรอนซึ่งเกิดจากตัวอิเล็กตรอนโดยตรง

อิเล็กตรอนนอกจากจะมีคุณสมบัติเป็นอนุภาคแล้วยังมีคุณสมบัติเป็นคลื่นอีกด้วยจากการทดลองพบว่าการไหลของอิเล็กตรอน เช่น การไหลของแสง แพร่กระจายในรูปของการเคลื่อนที่แบบคลื่น ธรรมชาติของการเคลื่อนที่ของคลื่นของการไหลของอิเล็กตรอนในอวกาศได้รับการยืนยันโดยปรากฏการณ์ของการแทรกสอดและการเลี้ยวเบนของคลื่นอิเล็กตรอน

การรบกวนทางอิเล็กทรอนิกส์ เป็นปรากฏการณ์ของการซ้อนทับของเจตจำนงของอิเล็กตรอนซึ่งกันและกันและการเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอน — นี่คือปรากฏการณ์ของคลื่นอิเล็กตรอนที่โค้งงอที่ขอบของช่องแคบที่ลำแสงอิเล็กตรอนผ่าน ดังนั้น อิเล็กตรอนจึงไม่ใช่แค่อนุภาค แต่เป็น «คลื่นของอนุภาค» ซึ่งความยาวของอิเล็กตรอนจะขึ้นอยู่กับมวลและความเร็วของอิเล็กตรอน

เป็นที่ทราบกันดีว่านอกจากการเคลื่อนที่แบบแปลของอิเล็กตรอนแล้ว อิเล็กตรอนยังทำการเคลื่อนที่แบบหมุนรอบแกนของมันด้วย การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนประเภทนี้เรียกว่า "สปิน" (จากคำภาษาอังกฤษ "สปิน" — สปินเดิล) อันเป็นผลมาจากการเคลื่อนที่นี้ อิเล็กตรอน นอกเหนือจากคุณสมบัติทางไฟฟ้าเนื่องจากประจุไฟฟ้า ยังได้รับคุณสมบัติทางแม่เหล็ก ซึ่งคล้ายกับแม่เหล็กมูลฐานในแง่นี้

โปรตอนเป็นอนุภาคจริงที่มีประจุไฟฟ้าบวกเท่ากับค่าสัมบูรณ์ของประจุไฟฟ้าของอิเล็กตรอน

มวลของโปรตอนคือ 1.67 ·10-24 r ซึ่งมากกว่า "มวลที่เหลือ" ของอิเล็กตรอนประมาณ 1,840 เท่า

นิวตรอนไม่มีประจุไฟฟ้าซึ่งแตกต่างจากอิเล็กตรอนและโปรตอน กล่าวคือเป็นอนุภาคมูลฐานของสสารที่เป็นกลางทางไฟฟ้า มวลของนิวตรอนเกือบจะเท่ากับมวลของโปรตอน

อิเล็กตรอน โปรตอน และนิวตรอนที่ประกอบกันเป็นอะตอมมีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกัน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง อิเล็กตรอนและโปรตอนดึงดูดซึ่งกันและกันในรูปของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าตรงข้ามกันในขณะเดียวกัน อิเล็กตรอนจากอิเล็กตรอนและโปรตอนจากโปรตอนจะผลักกันเป็นอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเท่ากัน

อนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเหล่านี้มีปฏิสัมพันธ์ผ่านสนามไฟฟ้าของพวกมัน ฟิลด์เหล่านี้เป็นสสารชนิดพิเศษที่ประกอบด้วยกลุ่มของอนุภาคมูลฐานที่เรียกว่าโฟตอน แต่ละโฟตอนมีปริมาณพลังงาน (ควอนตัมพลังงาน) ที่กำหนดไว้อย่างเคร่งครัด

ปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคของวัสดุที่มีประจุไฟฟ้าเกิดขึ้นผ่านการแลกเปลี่ยนโฟตอนซึ่งกันและกัน แรงอันตรกิริยาของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้ามักเรียกว่าแรงไฟฟ้า

นิวตรอนและโปรตอนในนิวเคลียสของอะตอมก็มีปฏิกิริยาซึ่งกันและกันเช่นกัน อย่างไรก็ตาม อันตรกิริยาระหว่างพวกมันไม่ได้เกิดขึ้นผ่านสนามไฟฟ้าอีกต่อไป เนื่องจากนิวตรอนเป็นอนุภาคของสสารที่เป็นกลางทางไฟฟ้า แต่ผ่านสิ่งที่เรียกว่า สนามนิวเคลียร์

ฟิลด์นี้ยังเป็นสสารชนิดพิเศษที่ประกอบด้วยกลุ่มของอนุภาคมูลฐานที่เรียกว่า มีซอน... ปฏิสัมพันธ์ของนิวตรอนและโปรตอนเกิดขึ้นผ่านการแลกเปลี่ยนมีซอนซึ่งกันและกัน แรงอันตรกิริยาระหว่างนิวตรอนและโปรตอนเรียกว่าแรงนิวเคลียร์

มีการพิสูจน์แล้วว่าแรงนิวเคลียร์กระทำในนิวเคลียสของอะตอมในระยะทางที่เล็กมาก - ประมาณ 10-13 ซม.

แรงนิวเคลียร์มีมากเกินกว่าแรงทางไฟฟ้าของการผลักกันของโปรตอนในนิวเคลียสของอะตอม สิ่งนี้นำไปสู่ความจริงที่ว่าพวกมันไม่เพียง แต่สามารถเอาชนะแรงผลักซึ่งกันและกันของโปรตอนภายในนิวเคลียสของอะตอม แต่ยังสร้างระบบนิวเคลียสที่แข็งแกร่งมากจากการรวบรวมโปรตอนและนิวตรอน

ความเสถียรของนิวเคลียสของอะตอมใดๆ ขึ้นอยู่กับอัตราส่วนของแรงที่ขัดแย้งกัน 2 แรง ได้แก่ นิวเคลียร์ (แรงดึงดูดซึ่งกันและกันของโปรตอนและนิวตรอน) และไฟฟ้า (แรงผลักซึ่งกันและกันของโปรตอน)

แรงนิวเคลียร์อันทรงพลังที่กระทำในนิวเคลียสของอะตอมทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของนิวตรอนและโปรตอนซึ่งกันและกัน อันตรกิริยาของนิวตรอนและโปรตอนเหล่านี้เกิดขึ้นอันเป็นผลมาจากการปลดปล่อยหรือการดูดกลืนของอนุภาคมูลฐานที่เบากว่า เช่น เมซอน

อนุภาคที่เราพิจารณาเรียกว่ามูลฐานเพราะไม่ประกอบด้วยมวลรวมของอนุภาคสสารอื่นที่ง่ายกว่า แต่ในขณะเดียวกัน เราต้องไม่ลืมว่าพวกมันสามารถแปลงร่างซึ่งกันและกันได้ โดยต้องรับภาระของอีกฝ่ายหนึ่ง ดังนั้น อนุภาคเหล่านี้จึงเป็นการก่อตัวที่ซับซ้อน กล่าวคือ ลักษณะมูลฐานของพวกมันมีเงื่อนไข

โครงสร้างทางเคมีของอะตอม

อะตอมที่ง่ายที่สุดในโครงสร้างคืออะตอมของไฮโดรเจน ประกอบด้วยอนุภาคมูลฐานเพียง 2 อนุภาค ได้แก่ โปรตอนและอิเล็กตรอน โปรตอนในระบบอะตอมของไฮโดรเจนมีบทบาทเป็นนิวเคลียสส่วนกลางที่อิเล็กตรอนหมุนรอบวงโคจรบางวง ในรูป 1 แผนผังแสดงแบบจำลองของอะตอมไฮโดรเจน

ข้าว. 1. แผนผังโครงสร้างของอะตอมไฮโดรเจน

แบบจำลองนี้เป็นเพียงการประมาณคร่าว ๆ จากความเป็นจริงเท่านั้น ความจริงก็คือว่าอิเล็กตรอนในฐานะ "คลื่นของอนุภาค" ไม่มีปริมาตรที่แยกออกจากสภาพแวดล้อมภายนอกอย่างรวดเร็ว และนี่หมายความว่าเราไม่ควรพูดถึงวงโคจรเชิงเส้นตรงของอิเล็กตรอน แต่เกี่ยวกับเมฆอิเล็กตรอนชนิดหนึ่ง ในกรณีนี้ อิเล็กตรอนส่วนใหญ่มักจะอยู่ในเส้นกึ่งกลางของเมฆ ซึ่งเป็นหนึ่งในวงโคจรที่เป็นไปได้ของมันในอะตอม

ควรกล่าวว่าวงโคจรของอิเล็กตรอนนั้นไม่เปลี่ยนแปลงอย่างเคร่งครัดและอยู่นิ่งในอะตอม - นอกจากนี้เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของมวลของอิเล็กตรอนทำให้เกิดการเคลื่อนที่แบบหมุน ดังนั้นการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในอะตอมจึงค่อนข้างซับซ้อน เนื่องจากนิวเคลียสของอะตอมไฮโดรเจน (โปรตอน) และอิเล็กตรอนที่หมุนรอบมีประจุไฟฟ้าตรงข้ามกัน พวกมันจึงดึงดูดซึ่งกันและกัน

ในเวลาเดียวกัน พลังงานอิสระของอิเล็กตรอนที่หมุนรอบนิวเคลียสของอะตอม พัฒนาแรงเหวี่ยงที่มีแนวโน้มจะดึงออกจากนิวเคลียส ดังนั้น แรงดึงดูดระหว่างนิวเคลียสของอะตอมกับอิเล็กตรอน และแรงเหวี่ยงที่กระทำต่ออิเล็กตรอนจึงเป็นแรงตรงข้ามกัน

ในสภาวะสมดุล อิเล็กตรอนของพวกมันอยู่ในตำแหน่งที่ค่อนข้างเสถียรในวงโคจรบางวงในอะตอม เนื่องจากมวลของอิเล็กตรอนมีขนาดเล็กมาก ดังนั้นเพื่อให้สมดุลของแรงดึงดูดต่อนิวเคลียสของอะตอม อิเล็กตรอนจึงต้องหมุนด้วยความเร็วมหาศาลเท่ากับประมาณ 6·1015 รอบต่อวินาที ซึ่งหมายความว่าอิเล็กตรอนในระบบของอะตอมไฮโดรเจน เช่นเดียวกับอะตอมอื่นๆ เคลื่อนที่ไปตามวงโคจรของมันด้วยความเร็วเชิงเส้นมากกว่าหนึ่งพันกิโลเมตรต่อวินาที

ภายใต้สภาวะปกติ อิเล็กตรอนจะหมุนในอะตอมชนิดหนึ่งในวงโคจรที่ใกล้กับนิวเคลียสมากที่สุด ในขณะเดียวกันก็มีพลังงานน้อยที่สุด หากด้วยเหตุผลใดก็ตาม ตัวอย่างเช่น ภายใต้อิทธิพลของอนุภาควัสดุอื่นๆ ที่บุกรุกระบบอะตอม อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ไปยังวงโคจรที่ห่างจากอะตอมมากขึ้น ก็จะมีพลังงานในปริมาณที่มากกว่าเล็กน้อยอยู่แล้ว

อย่างไรก็ตาม อิเล็กตรอนยังคงอยู่ในวงโคจรใหม่นี้เป็นเวลาไม่มาก หลังจากนั้นอิเล็กตรอนจะหมุนกลับไปยังวงโคจรที่ใกล้กับนิวเคลียสของอะตอมมากที่สุดในระหว่างหลักสูตรนี้ มันจะสูญเสียพลังงานส่วนเกินในรูปควอนตัมของรังสีแม่เหล็ก—พลังงานที่แผ่ออกมา (รูปที่ 2)

ข้าว. 2. เมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่จากวงโคจรที่ห่างไกลเข้ามาใกล้กับนิวเคลียสของอะตอม มันจะปล่อยพลังงานควอนตัมออกมา

ยิ่งอิเล็กตรอนได้รับพลังงานจากภายนอกมากเท่าไหร่ อิเลคตรอนก็จะยิ่งเคลื่อนเข้าสู่วงโคจรที่ไกลจากนิวเคลียสของอะตอมมากขึ้นเท่านั้น และพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าที่อิเลคตรอนจะปล่อยออกมาก็จะยิ่งมากขึ้นเมื่อมันหมุนไปยังวงโคจรที่ใกล้กับนิวเคลียสมากที่สุด

ด้วยการวัดปริมาณพลังงานที่ปล่อยออกมาจากอิเล็กตรอนในระหว่างการเปลี่ยนจากวงโคจรต่างๆ ไปยังวงโคจรที่ใกล้กับนิวเคลียสของอะตอมมากที่สุด ทำให้สามารถระบุได้ว่าอิเล็กตรอนในระบบของอะตอมไฮโดรเจน เช่นเดียวกับในระบบของอะตอมอื่นๆ อะตอมไม่สามารถเข้าสู่วงโคจรแบบสุ่มได้ ถูกกำหนดอย่างเคร่งครัดตามพลังงานนี้ที่ได้รับภายใต้อิทธิพลของแรงภายนอก วงโคจรที่อิเล็กตรอนสามารถครอบครองในอะตอมเรียกว่าวงโคจรที่อนุญาต

เนื่องจากประจุบวกของนิวเคลียสของอะตอมไฮโดรเจน (ประจุของโปรตอน) และประจุลบของอิเล็กตรอนมีค่าเป็นตัวเลขเท่ากัน ประจุรวมจึงเป็นศูนย์ ซึ่งหมายความว่าอะตอมของไฮโดรเจนในสถานะปกตินั้นเป็นอนุภาคที่เป็นกลางทางไฟฟ้า

สิ่งนี้เป็นจริงสำหรับอะตอมขององค์ประกอบทางเคมีทั้งหมด: อะตอมขององค์ประกอบทางเคมีใด ๆ ในสถานะปกตินั้นเป็นอนุภาคที่เป็นกลางทางไฟฟ้าเนื่องจากความเท่าเทียมกันทางตัวเลขของประจุบวกและประจุลบ

เนื่องจากนิวเคลียสของอะตอมไฮโดรเจนมีอนุภาค "มูลฐาน" เพียงอนุภาคเดียวคือโปรตอน เลขมวลที่เรียกว่านิวเคลียสนี้จึงเท่ากับหนึ่ง เลขมวลของนิวเคลียสของอะตอมของธาตุเคมีใดๆ คือจำนวนโปรตอนและนิวตรอนทั้งหมดที่ประกอบกันเป็นนิวเคลียสนั้น

ไฮโดรเจนธรรมชาติส่วนใหญ่ประกอบด้วยกลุ่มอะตอมที่มีเลขมวลเท่ากับหนึ่ง อย่างไรก็ตาม มันยังมีอะตอมของไฮโดรเจนอีกประเภทหนึ่งซึ่งมีเลขมวลเท่ากับสอง นิวเคลียสของอะตอมไฮโดรเจนหนักเหล่านี้เรียกว่า ดิวเทอรอน ประกอบด้วยอนุภาค 2 อนุภาค ได้แก่ โปรตอนและนิวตรอน ไอโซโทปของไฮโดรเจนนี้เรียกว่าดิวทีเรียม

ไฮโดรเจนธรรมชาติประกอบด้วยดิวทีเรียมในปริมาณที่น้อยมาก สำหรับอะตอมของไฮโดรเจนเบาทุก ๆ หกพันอะตอม (เลขมวลเท่ากับหนึ่ง) จะมีดิวทีเรียมเพียงหนึ่งอะตอม (ไฮโดรเจนหนัก) มีไอโซโทปของไฮโดรเจนอีกชนิดหนึ่ง ซึ่งเป็นไฮโดรเจนมวลหนักยิ่งยวดที่เรียกว่า ทริเทียม ในนิวเคลียสของอะตอมของไอโซโทปไฮโดรเจนนี้มีอนุภาคอยู่ 3 อนุภาค ได้แก่ โปรตอน 1 ตัวและนิวตรอน 2 ตัว ซึ่งยึดเหนี่ยวกันด้วยแรงนิวเคลียร์ เลขมวลของนิวเคลียสของอะตอมของทริเทียมคือสาม นั่นคือ อะตอมของทริเทียมนั้นหนักกว่าอะตอมของไฮโดรเจนเบาถึงสามเท่า

แม้ว่าอะตอมของไอโซโทปของไฮโดรเจนจะมีมวลต่างกัน แต่ก็ยังมีคุณสมบัติทางเคมีที่เหมือนกัน เช่น ไฮโดรเจนเบา เมื่อเข้าสู่ปฏิกิริยาเคมีกับออกซิเจน จะเกิดสารที่ซับซ้อนขึ้นพร้อมกับน้ำ ในทำนองเดียวกัน ไอโซโทปของไฮโดรเจน ดิวเทอเรียม รวมเข้ากับออกซิเจนกลายเป็นน้ำ ซึ่งไม่เหมือนกับน้ำธรรมดา เรียกว่า น้ำมวลหนัก น้ำมวลหนักถูกใช้อย่างแพร่หลายในการผลิตพลังงานนิวเคลียร์ (ปรมาณู)

ดังนั้นคุณสมบัติทางเคมีของอะตอมจึงไม่ขึ้นอยู่กับมวลของนิวเคลียส แต่ขึ้นอยู่กับโครงสร้างของเปลือกอิเล็กตรอนของอะตอมเท่านั้น เนื่องจากอะตอมของไฮโดรเจนเบา ดิวทีเรียม และทริเทียมมีจำนวนอิเล็กตรอนเท่ากัน (หนึ่งตัวต่อแต่ละอะตอม) ไอโซโทปเหล่านี้จึงมีคุณสมบัติทางเคมีเหมือนกัน

ไม่ใช่เรื่องบังเอิญที่องค์ประกอบทางเคมีไฮโดรเจนจะครอบครองหมายเลขแรกในตารางธาตุความจริงก็คือว่ามีความสัมพันธ์บางอย่างระหว่างจำนวนของธาตุแต่ละชนิดในตารางธาตุกับขนาดของประจุบนนิวเคลียสของอะตอมของธาตุนั้น สามารถกำหนดได้ดังนี้ หมายเลขซีเรียลของธาตุเคมีแต่ละชนิดในตารางธาตุมีค่าเท่ากับประจุบวกของนิวเคลียสของธาตุนั้น และเท่ากับจำนวนอิเล็กตรอนที่หมุนรอบธาตุนั้น

เนื่องจากไฮโดรเจนครอบครองหมายเลขแรกในตารางธาตุ หมายความว่าประจุบวกของนิวเคลียสของอะตอมมีค่าเท่ากับหนึ่งและอิเล็กตรอนหนึ่งตัวหมุนรอบนิวเคลียส

องค์ประกอบทางเคมีของฮีเลียมเป็นอันดับสองในตารางธาตุ ซึ่งหมายความว่านิวเคลียสมีประจุไฟฟ้าบวกเท่ากับสองหน่วยนั่นคือนิวเคลียสจะต้องมีโปรตอนสองตัวและในเปลือกอิเล็กตรอนของอะตอม - อิเล็กโทรดสองตัว

ฮีเลียมในธรรมชาติประกอบด้วยสองไอโซโทป - ฮีเลียมหนักและเบา เลขมวลของฮีเลียมหนักคือ 4 ซึ่งหมายความว่านอกเหนือจากโปรตอนสองตัวที่กล่าวถึงข้างต้นแล้ว นิวตรอนอีกสองตัวจะต้องเข้าสู่นิวเคลียสของอะตอมฮีเลียมหนัก สำหรับฮีเลียมเบา เลขมวลของมันคือสาม นั่นคือ นอกจากโปรตอนสองตัวแล้ว นิวตรอนอีก 1 ตัวควรเข้าสู่องค์ประกอบของนิวเคลียส

พบว่าในฮีเลียมธรรมชาติจำนวนอะตอมของฮีเลียมเบามีประมาณหนึ่งในล้านของอะตอมของฮีเลียมหนัก ในรูป 3 แสดงแบบจำลองแผนผังของอะตอมฮีเลียม

ข้าว. 3. แผนผังโครงสร้างของอะตอมฮีเลียม

ความซับซ้อนเพิ่มเติมของโครงสร้างของอะตอมขององค์ประกอบทางเคมีเกิดจากการเพิ่มจำนวนโปรตอนและนิวตรอนในนิวเคลียสของอะตอมเหล่านี้ และพร้อมกันกับจำนวนอิเล็กตรอนที่หมุนรอบนิวเคลียสเพิ่มขึ้น (รูปที่ 4) การใช้ตารางธาตุช่วยให้ทราบจำนวนอิเล็กตรอน โปรตอน และนิวตรอนที่ประกอบกันเป็นอะตอมต่างๆ ได้ง่าย

ข้าว. 4. แบบแผนของการสร้างนิวเคลียสของอะตอม: 1 — ฮีเลียม 2 — คาร์บอน 3 — ออกซิเจน

จำนวนปกติขององค์ประกอบทางเคมีจะเท่ากับจำนวนโปรตอนในนิวเคลียสของอะตอมและจำนวนอิเล็กตรอนที่หมุนรอบนิวเคลียสในเวลาเดียวกัน สำหรับน้ำหนักอะตอมนั้นมีค่าประมาณเท่ากับเลขมวลของอะตอม นั่นคือจำนวนโปรตอนและนิวตรอนที่รวมตัวกันในนิวเคลียส ดังนั้นโดยการลบจำนวนที่เท่ากับเลขอะตอมของธาตุออกจากน้ำหนักอะตอมของธาตุ จึงเป็นไปได้ที่จะระบุจำนวนนิวตรอนที่มีอยู่ในนิวเคลียสที่กำหนด

เป็นที่ทราบกันดีว่านิวเคลียสขององค์ประกอบทางเคมีแบบเบาซึ่งมีโปรตอนและนิวตรอนในจำนวนเท่ากันนั้นมีความโดดเด่นด้วยความแข็งแรงที่สูงมากเนื่องจากแรงนิวเคลียร์ในพวกมันมีขนาดค่อนข้างใหญ่ ตัวอย่างเช่น นิวเคลียสของอะตอมฮีเลียมหนักมีความทนทานอย่างยิ่งเพราะประกอบด้วยโปรตอนสองตัวและนิวตรอนสองตัวที่ยึดเหนี่ยวกันด้วยแรงนิวเคลียร์อันทรงพลัง

นิวเคลียสของอะตอมขององค์ประกอบทางเคมีที่หนักกว่ามีจำนวนโปรตอนและนิวตรอนที่ไม่เท่ากันอยู่ในองค์ประกอบ ซึ่งเป็นสาเหตุที่พันธะของพวกมันในนิวเคลียสอ่อนแอกว่าในนิวเคลียสขององค์ประกอบทางเคมีที่เบา นิวเคลียสของธาตุเหล่านี้สามารถแยกออกได้ค่อนข้างง่ายเมื่อถูกระดมยิงด้วย "โพรเจกไทล์" ของอะตอม (นิวตรอน นิวเคลียสของฮีเลียม ฯลฯ)

สำหรับธาตุเคมีที่หนักที่สุด โดยเฉพาะธาตุกัมมันตภาพรังสี นิวเคลียสของธาตุนี้มีลักษณะเด่นคือความแรงต่ำจนแตกตัวเป็นส่วนประกอบได้เองตามธรรมชาติ ตัวอย่างเช่น อะตอมของธาตุกัมมันตภาพรังสีเรเดียมประกอบด้วยโปรตอน 88 ตัวและนิวตรอน 138 ตัว สลายตัวโดยธรรมชาติกลายเป็นอะตอมของธาตุเรดอน ในทางกลับกันอะตอมของธาตุหลังจะแตกออกเป็นส่วนที่เป็นส่วนประกอบและผ่านไปในอะตอมของธาตุอื่น

เมื่อทำความคุ้นเคยกับส่วนประกอบของนิวเคลียสของอะตอมขององค์ประกอบทางเคมีโดยสังเขปแล้ว ให้เราพิจารณาโครงสร้างของเปลือกอิเล็กตรอนของอะตอม อย่างที่คุณทราบ อิเล็กตรอนสามารถหมุนรอบนิวเคลียสของอะตอมได้เฉพาะในวงโคจรที่กำหนดไว้อย่างเคร่งครัดเท่านั้น ยิ่งไปกว่านั้น พวกมันยังรวมกันอยู่ในเปลือกอิเล็กตรอนของแต่ละอะตอม ซึ่งสามารถแยกความแตกต่างของเปลือกอิเล็กตรอนแต่ละตัวได้

แต่ละเปลือกสามารถมีอิเล็กตรอนจำนวนหนึ่งซึ่งไม่เกินจำนวนที่แน่นอน ตัวอย่างเช่น ในเปลือกอิเล็กตรอนแรกที่ใกล้กับนิวเคลียสของอะตอม อาจมีอิเล็กตรอนได้สูงสุดสองตัว ในอิเล็กตรอนที่สอง - ไม่เกินแปดอิเล็กตรอน เป็นต้น

อะตอมเหล่านั้นซึ่งเต็มไปด้วยเปลือกอิเล็กตรอนชั้นนอกจะมีเปลือกอิเล็กตรอนที่เสถียรที่สุด ซึ่งหมายความว่าอะตอมมีอิเลคตรอนทั้งหมดอย่างแน่นหนาและไม่จำเป็นต้องได้รับอิเลคตรอนจากภายนอกอีก ตัวอย่างเช่น อะตอมของฮีเลียมมีอิเล็กตรอนสองตัวที่เติมเปลือกอิเล็กตรอนตัวแรกจนเต็ม และอะตอมของนีออนมีอิเล็กตรอนสิบตัว ซึ่งสองตัวแรกจะเติมเต็มเปลือกอิเล็กตรอนตัวแรกและส่วนที่เหลือ - ตัวที่สอง (รูปที่ 5)

ข้าว. 5. แผนผังโครงสร้างของอะตอมของนีออน

ดังนั้นอะตอมของฮีเลียมและนีออนจึงมีเปลือกอิเล็กตรอนที่เสถียรพอสมควร พวกมันไม่มีแนวโน้มที่จะเปลี่ยนแปลงพวกมันในทางปริมาณแต่อย่างใด องค์ประกอบดังกล่าวมีความเฉื่อยทางเคมีนั่นคือไม่มีปฏิกิริยาทางเคมีกับองค์ประกอบอื่น

อย่างไรก็ตามองค์ประกอบทางเคมีส่วนใหญ่มีอะตอมที่เปลือกอิเล็กตรอนด้านนอกไม่เต็มไปด้วยอิเล็กตรอน ตัวอย่างเช่น อะตอมของโพแทสเซียมมีอิเล็กตรอน 19 ตัว โดย 18 ตัวจะเติมอิเล็กตรอน 3 ตัวแรกจนเต็ม และอิเล็กตรอนตัวที่ 19 จะอยู่ในเชลล์อิเล็กตรอนตัวถัดไปที่ยังไม่ถูกบรรจุ การเติมอิเล็กตรอนเปลือกที่สี่ที่อ่อนแอด้วยอิเล็กตรอนจะนำไปสู่ความจริงที่ว่านิวเคลียสของอะตอมจับอิเล็กตรอนชั้นนอกสุดที่อ่อนแอมาก - อิเล็กตรอนที่สิบเก้าดังนั้นจึงสามารถลบออกจากอะตอมได้อย่างง่ายดาย …

หรือตัวอย่างเช่น อะตอมของออกซิเจนมีอิเล็กตรอน 8 ตัว ซึ่ง 2 ตัวจะเติมอิเล็กตรอนในชั้นแรกจนเต็ม และอีก 6 ตัวที่เหลือจะอยู่ในชั้นที่สอง ดังนั้นเพื่อให้การสร้างเปลือกอิเล็กตรอนตัวที่สองในอะตอมออกซิเจนเสร็จสมบูรณ์จึงขาดอิเล็กตรอนเพียงสองตัว ดังนั้น อะตอมของออกซิเจนจึงไม่เพียงแต่จับอิเล็กตรอน 6 ตัวของมันไว้ในเปลือกที่สองอย่างแน่นหนา แต่ยังมีความสามารถในการดึงดูดอิเล็กตรอนที่ขาดหายไป 2 ตัวมาที่ตัวมันเองเพื่อเติมเต็มเปลือกอิเล็กตรอนที่สอง เขาประสบความสำเร็จโดยการผสมผสานทางเคมีกับอะตอมขององค์ประกอบดังกล่าวซึ่งอิเล็กตรอนวงนอกมีความสัมพันธ์อย่างอ่อนกับนิวเคลียสของพวกมัน

องค์ประกอบทางเคมีที่อะตอมไม่มีชั้นอิเล็กตรอนชั้นนอกที่เต็มไปด้วยอิเล็กตรอนตามกฎแล้วมีปฏิกิริยาทางเคมีนั่นคือพวกมันเต็มใจเข้าสู่ปฏิกิริยาทางเคมี

ดังนั้น อิเล็กตรอนในอะตอมขององค์ประกอบทางเคมีจึงถูกจัดเรียงตามลำดับที่กำหนดไว้อย่างเคร่งครัด และการเปลี่ยนแปลงใด ๆ ในการจัดเรียงเชิงพื้นที่หรือปริมาณในเปลือกอิเล็กตรอนของอะตอมจะนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางกายภาพและเคมีขององค์ประกอบหลัง

ความเท่าเทียมกันของจำนวนอิเล็กตรอนและโปรตอนในระบบอะตอมเป็นสาเหตุที่ทำให้ประจุไฟฟ้าทั้งหมดเป็นศูนย์ หากความเท่าเทียมกันของจำนวนอิเล็กตรอนและโปรตอนในระบบอะตอมถูกละเมิด อะตอมจะกลายเป็นระบบที่มีประจุไฟฟ้า

อะตอมในระบบที่สมดุลของประจุไฟฟ้าตรงข้ามถูกรบกวนเนื่องจากความจริงที่ว่ามันสูญเสียอิเล็กตรอนไปบางส่วนหรือตรงกันข้ามได้รับมามากเกินไปเรียกว่าไอออน

ในทางตรงกันข้าม ถ้าอะตอมได้รับอิเล็กตรอนในปริมาณที่มากเกินไป มันจะกลายเป็นไอออนลบ ตัวอย่างเช่น อะตอมของคลอรีนที่ได้รับอิเลคตรอนเพิ่ม 1 ตัวจะกลายเป็นคลอรีนไอออนที่มีประจุลบ Cl-... อะตอมของออกซิเจนที่ได้รับอิเลคตรอนเพิ่มอีก 2 ตัวจะกลายเป็นไอออนออกซิเจนที่มีประจุลบที่มีประจุเป็นสองเท่า O เป็นต้น
อะตอมที่กลายเป็นไอออนกลายเป็นระบบประจุไฟฟ้าโดยคำนึงถึงสภาพแวดล้อมภายนอก และนั่นหมายความว่าอะตอมเริ่มมีสนามไฟฟ้า ซึ่งรวมกันเป็นระบบวัสดุเดียว และผ่านสนามนี้ อะตอมจะทำอันตรกิริยาทางไฟฟ้ากับอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าอื่นๆ ของสสาร เช่น ไอออน อิเล็กตรอน นิวเคลียสของอะตอมที่มีประจุบวก เป็นต้น

ความสามารถของไอออนต่างๆ ในการดึงดูดซึ่งกันและกันคือเหตุผลที่ไอออนเหล่านี้รวมตัวกันทางเคมี ก่อตัวเป็นอนุภาคของสสาร - โมเลกุลที่ซับซ้อนมากขึ้น

โดยสรุปแล้ว ควรสังเกตว่าขนาดของอะตอมมีขนาดใหญ่มากเมื่อเทียบกับขนาดของอนุภาคจริงที่ประกอบขึ้น นิวเคลียสของอะตอมที่ซับซ้อนที่สุดพร้อมกับอิเล็กตรอนทั้งหมด ครอบครองหนึ่งในพันล้านของปริมาตรของอะตอม การคำนวณอย่างง่ายแสดงให้เห็นว่าหากสามารถกดแพลทินัมหนึ่งลูกบาศก์เมตรให้แน่นจนช่องว่างภายในอะตอมและระหว่างอะตอมหายไปก็จะได้ปริมาตรเท่ากับประมาณหนึ่งลูกบาศก์มิลลิเมตร