В основе современной теории строения атома лежат работы Дж. Томсона (который в 1897 г. открыл электрон, а в 1904 г. предложил модель строения атома, согласно которой атом – это заряженная сфера с вкрапленными электронами (модель «кекс с изюмом»)), Э. Резерфорда (который в 1910 г. открыл ядро и предложил ядерную планетарную модель атома), М. Планка (который в 1900 г. высказал предложение, что вещества поглощают и пропускают энергию дискретными пропорциями, названными им квантами), Н. Бора (который в 1910 г. предложил модель строения атома водорода), А. Эйнштейна (который в 1905 г предсказал, что любое излучение представляет собой поток квантов энергии, назваными им фотонами), Луи де Брайля (который в 1924 г. выдвинул предложение, что электрон характеризуется также корпускулярно-волновым дуализмом), В. Гейзенберга (который в 1927 г. постулировал принцип неопределенности), Э. Шредингера (который в 1926 г. вывел математическое описание поведения электрона в атоме) и многих других. Работы этих ученых заложили основу квантовой механики, изучающей движение и взаимодействие микрочастиц.
Современная модель строения атома базируется на четырех положениях:
1. В центре атома находится положительно заряженное ядро, занимающее ничтожную часть пространства внутри атома (например, радиус атома водорода сост. 0,046 нм, а радиус протона или ядра атома водорода составляет 6,5.10-7 нм).
2. Положительный заряд и почти вся масса атома сосредоточены в ядре атома.
3. Ядра атомов состоят из протонов и нейтронов (общее название нуклоны). Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента, а сумма чисел протонов (p) и нейтронов (n) соответствует его массовому числу.
4. Вокруг ядра по орбиталям вращаются электроны. Число электронов в невозбужденном (основном) сост. равно заряду ядра (табл. 1).
Различные виды атомов имеют общее название – нуклиды. Нуклиды с одинаковым зарядом, различными массовыми числами и числом нейтронов в ядре называется изотопами. Нуклиды с одинаковыми массовыми числами, но различными зарядами ядра и числа нейтронов в ядре называются изобарами. Нуклиды с одинаковым числом нейтронов, но различным зарядом и массовым числом называется изотонами.
В соответствии с представлениями квантовой механики, электрон обладает двойственной природой, т.е. корпускулярно-волновым дуализмом: с одной стороны электрон – это частица, которая имеет массу, заряд и скорость движения; а с другой стороны электрон проявляет волновые свойства, такие как способность к дифракции, интерференции и особенности движения. Согласно принципу неопределенности В. Гейзенберга невозможно точно определить энергию и положение электрона, поэтому в квантовомеханической модели атома используют вероятностный подход для характеристики положения электрона. Вероятность нахождения электрона в определенной области пространства описывается квадратом волновой функции Ψ2 (пси), которая характеризует амплитуду волны, как функцию координат электрона. Электрон может находиться в любой части околоядерного пространства, однако вероятность его нахождения в разных частях этого пространства неодинакова.
Таблица 1.
Свойства электронных частиц образующих атомы
| Частицы | Обозна-чение | Масса покоя | Заряд | |||
| г | a. е м. | В единицах массы электрона | Кл | В единицах заряда электрона | ||
| Электрон | -0e или е | 9,110*10-28 | 0,000549 | -1,6*10-19 | -1 | |
| Протон | 1p или р | 1,673*10-24 | 1,007276 | 1,6*10-19 | +1 | |
| Нейтрон | 1n или n | 1,675*10-24 | 1,008665 |
Пространство вокруг ядра, в котором вероятность нахождения электрона достаточно велика, называется орбиталью.
Орбиталь характеризует вероятность нахождения электрона в определенном пространстве вокруг ядра. Она ограничена в трехмерном пространстве поверхностями той или иной формы. Вероятность нахождения электрона внутри данной области пространства составляет не менее 95 %.
Волновая функция входит в уравнение Шредингера, решение которого позволяет описать поведение электрона в атоме. Точно это уравнение решено для атома H и ионов He+, Li2+, H2+. Оно имеет бесконечно большое число решений, поскольку энергия электрона может принимать бесконечно большое число квантовых значений, однако все решения можно разделить на три серии и ограничиться только теми значениями энергии, которые один электрон может принимать в поле ядра атома водорода (протона). Три серии решения уравнения объединяются значениями связанных между собой квантовых чисел, т.е. положения электрона в атоме описывается четырьмя квантовыми числами.