Mọi thứ trên thế giới đều được tạo thành từ các nguyên tử. Nhưng chúng đến từ đâu và được làm từ gì? Hôm nay chúng tôi trả lời những câu hỏi đơn giản và cơ bản này. Rốt cuộc, nhiều người sống trên hành tinh nói rằng họ không hiểu cấu trúc của các nguyên tử mà bản thân họ được tạo ra.
Đương nhiên, bạn đọc thân mến hiểu rằng trong bài viết này, chúng tôi cố gắng trình bày mọi thứ ở mức độ đơn giản và thú vị nhất nên không “tải” thuật ngữ khoa học. Dành cho những ai muốn nghiên cứu vấn đề chi tiết hơn trình độ chuyên môn, chúng tôi khuyên bạn nên đọc tài liệu chuyên ngành. Tuy nhiên, thông tin trong bài viết này có thể giúp ích dịch vụ tốt trong việc học của bạn và chỉ đơn giản là làm cho bạn uyên bác hơn.
Nguyên tử là một hạt vật chất kích thước hiển vi và khối lượng, phần nhỏ nhất của một nguyên tố hóa học mang tính chất của nó. Nói cách khác, điều này hạt nhỏ nhất chất có thể tham gia phản ứng hóa học.
Lịch sử khám phá và cấu trúc
Khái niệm nguyên tử đã được biết đến từ năm Hy Lạp cổ đại. Chủ nghĩa nguyên tử – lý thuyết vật lý, phát biểu rằng mọi vật thể vật chất đều bao gồm những hạt không thể phân chia được. Cùng với Hy Lạp cổ đại, ý tưởng về thuyết nguyên tử cũng phát triển song song ở Ấn Độ cổ đại.
Người ta không biết liệu người ngoài hành tinh có nói với các nhà triết học thời đó về nguyên tử hay họ tự nghĩ ra điều đó, nhưng điều đó có thể được xác nhận bằng thực nghiệm. lý thuyết này các nhà hóa học đã có thể làm điều này muộn hơn nhiều - chỉ vào thế kỷ XVII, khi châu Âu nổi lên từ vực thẳm của Tòa án dị giáo và thời Trung cổ.
Trong một thời gian dài, ý tưởng chủ đạo về cấu trúc của nguyên tử là ý tưởng coi nó như một hạt không thể phân chia được. Việc nguyên tử vẫn có thể bị phân chia chỉ trở nên rõ ràng vào đầu thế kỷ XX. Rutherford, nhờ có anh ấy kinh nghiệm nổi tiếng với sự lệch hướng của các hạt alpha, biết được rằng nguyên tử bao gồm một hạt nhân có các electron quay xung quanh. Mô hình hành tinh của nguyên tử đã được áp dụng, theo đó các electron quay quanh hạt nhân, giống như các hành tinh trong hệ mặt trời của chúng ta quay quanh một ngôi sao.
Biểu diễn hiện đại nhiều tiến bộ đã được thực hiện về cấu trúc của nguyên tử. Hạt nhân của nguyên tử lần lượt bao gồm hạt hạ nguyên tử, hoặc nucleon - proton và neutron. Đó là các nucleon tạo nên phần lớn của nguyên tử. Hơn nữa, proton và neutron cũng không hạt không thể phân chia và bao gồm các hạt cơ bản - quark.
Hạt nhân nguyên tử có điện tích dương điện tích và các electron quay trên quỹ đạo là âm. Vậy nguyên tử trung hòa về điện.
Dưới đây chúng tôi đưa ra một sơ đồ cơ bản về cấu trúc của nguyên tử carbon.
Tính chất của nguyên tử
Cân nặng
Khối lượng nguyên tử thường được đo bằng đơn vị khối lượng nguyên tử - a.m.u. Đơn vị nguyên tử khối lượng là khối lượng của 1/12 nguyên tử cacbon ở trạng thái nghỉ tự do ở trạng thái cơ bản.
Trong hóa học, khái niệm này được dùng để đo khối lượng nguyên tử "bướm đêm". 1 mol là lượng chất chứa số nguyên tử bằng số bơ.
Kích cỡ
Kích thước của nguyên tử là cực kỳ nhỏ. Vì vậy, nguyên tử nhỏ nhất là nguyên tử Helium, bán kính của nó là 32 picometers. Hầu hết nguyên tử lớn– một nguyên tử xêsi có bán kính 225 picômét. Tiền tố pico có nghĩa là lũy thừa mười mũ âm mười hai! Nghĩa là, nếu chúng ta giảm 32 mét xuống một nghìn tỷ lần, chúng ta sẽ có được kích thước bằng bán kính của một nguyên tử helium.
Đồng thời, quy mô của mọi thứ trên thực tế là nguyên tử trống rỗng 99%. Hạt nhân và electron chiếm một phần cực kỳ nhỏ trong thể tích của nó. Để rõ ràng, hãy xem xét ví dụ này. Nếu bạn tưởng tượng một nguyên tử có hình dạng của sân vận động Olympic ở Bắc Kinh (hoặc có thể không phải ở Bắc Kinh, chỉ cần tưởng tượng một sân vận động lớn), thì hạt nhân của nguyên tử này sẽ là một quả anh đào nằm ở trung tâm sân vận động. Các quỹ đạo của electron sẽ ở đâu đó ngang tầm với các giá đỡ phía trên và quả anh đào sẽ nặng 30 triệu tấn. Thật ấn tượng phải không?
Nguyên tử đến từ đâu?
Như bạn đã biết, hiện nay nguyên tử khác nhauđược nhóm lại trong bảng tuần hoàn. Có 118 trong đó (và nếu với những dự đoán, nhưng chưa yếu tố mở- 126) nguyên tố, không tính đồng vị. Nhưng điều này không phải luôn luôn như vậy.
Khi bắt đầu hình thành Vũ trụ, không có nguyên tử, thậm chí còn hơn thế nữa, chỉ có các hạt cơ bản tương tác với nhau dưới tác động của nhiệt độ cực lớn. Như một nhà thơ sẽ nói, đó là sự thờ ơ thực sự của các hạt. Trong ba phút đầu tiên của sự tồn tại của Vũ trụ, do nhiệt độ giảm và sự trùng hợp của nhiều yếu tố, quá trình tổng hợp hạt nhân sơ cấp bắt đầu, khi các nguyên tố đầu tiên xuất hiện từ các hạt cơ bản: hydro, heli, lithium và deuterium (hydro nặng). Chính từ những yếu tố này mà những ngôi sao đầu tiên đã được hình thành, ở độ sâu của chúng phản ứng nhiệt hạch, kết quả là hydro và heli “cháy”, tạo thành các nguyên tố nặng hơn. Nếu ngôi sao đủ lớn, thì nó sẽ kết thúc cuộc đời của mình bằng cái gọi là vụ nổ siêu tân tinh, do đó các nguyên tử bị ném vào không gian xung quanh. Đây là cách toàn bộ bảng tuần hoàn hóa ra.
Vì vậy, chúng ta có thể nói rằng tất cả các nguyên tử tạo nên chúng ta đều từng là một phần của các ngôi sao cổ đại.
Tại sao hạt nhân nguyên tử không phân rã?
Có bốn loại trong vật lý tương tác cơ bản giữa các hạt và vật thể mà chúng tạo thành. Đây là những tương tác mạnh, yếu, điện từ và hấp dẫn.
Nhờ có tương tác mạnh, biểu hiện ở quy mô hạt nhân nguyên tử và chịu trách nhiệm về lực hút giữa các nucleon, nguyên tử là một “hạt cứng để bẻ gãy”.
Cách đây không lâu, người ta nhận ra rằng khi hạt nhân nguyên tử tách ra, năng lượng khổng lồ sẽ được giải phóng. Sự phân hạch của hạt nhân nguyên tử nặng là nguồn năng lượng trong lò phản ứng hạt nhân và vũ khí hạt nhân.
Vì vậy, thưa các bạn, sau khi đã giới thiệu cho bạn cấu trúc và các nguyên tắc cơ bản của cấu trúc nguyên tử, chúng tôi chỉ có thể nhắc nhở bạn rằng chúng tôi sẵn sàng hỗ trợ bạn bất cứ lúc nào. Không quan trọng bạn cần hoàn thành bằng tốt nghiệp về vật lý hạt nhân hay bài kiểm tra nhỏ nhất - các tình huống đều khác nhau, nhưng luôn có cách thoát khỏi mọi tình huống. Hãy nghĩ về quy mô của Vũ trụ, đặt hàng công việc từ Zaochnik và hãy nhớ - không có lý do gì để lo lắng.
Nguyên tử – hạt nhỏ nhất chất. Nghiên cứu của nó bắt đầu ở Hy Lạp cổ đại, khi cấu trúc của nguyên tử thu hút sự chú ý của không chỉ các nhà khoa học mà còn cả các nhà triết học. Cấu trúc điện tử của nguyên tử là gì và thông tin cơ bản nào được biết về hạt này?
Cấu trúc nguyên tử
Các nhà khoa học Hy Lạp cổ đại đã đoán về sự tồn tại của các hạt hóa học nhỏ nhất tạo nên bất kỳ vật thể và sinh vật nào. Và nếu ở thế kỷ XVII-XVIII. các nhà hóa học đã chắc chắn rằng nguyên tử là một hạt cơ bản không thể phân chia được, thì lần lượt thế kỷ XIX-XX nhiều thế kỷ, người ta có thể chứng minh bằng thực nghiệm rằng nguyên tử không thể chia cắt được.
Nguyên tử là một hạt vật chất cực nhỏ, bao gồm hạt nhân và các electron. Hạt nhân nhỏ hơn nguyên tử 10.000 lần nhưng gần như toàn bộ khối lượng của nó tập trung ở hạt nhân. Đặc điểm chính hạt nhân nguyên tử, đó là những gì nó có điện tích dương và bao gồm các proton và neutron. Proton mang điện tích dương, trong khi neutron không mang điện tích (chúng trung tính).
Chúng được kết nối với nhau thông qua một sức mạnh tương tác hạt nhân. Khối lượng của proton xấp xỉ bằng khối lượng của neutron, nhưng gấp 1840 lần khối lượng lớn hơnđiện tử. Proton và neutron có trong hóa học tên chung– nucleon. Bản thân nguyên tử trung hòa về điện.
Một nguyên tử của bất kỳ nguyên tố nào cũng có thể được chỉ định bằng công thức điện tử và công thức đồ họa điện tử:
Cơm. 1. Công thức đồ họa điện tử của nguyên tử.
Nguyên tố hóa học duy nhất trong bảng tuần hoàn không chứa neutron trong hạt nhân của nó là hydro nhẹ (protium).
Electron là hạt mang điện tích âm. Lớp vỏ electron bao gồm các electron chuyển động xung quanh hạt nhân. Các electron có tính chất là bị hút vào hạt nhân và chịu ảnh hưởng lẫn nhau Tương tác Coulomb. Để thắng lực hút hạt nhân, các electron phải nhận năng lượng từ nguồn bên ngoài. Electron càng ở xa hạt nhân thì càng cần ít năng lượng.
Mô hình nguyên tử
Trong một thời gian dài, các nhà khoa học đã tìm cách tìm hiểu bản chất của nguyên tử. TRÊN giai đoạn đầu Nhà triết học Hy Lạp cổ đại Democritus đã có đóng góp lớn. Mặc dù bây giờ lý thuyết của ông có vẻ tầm thường và quá đơn giản đối với chúng ta, vào thời điểm mà các ý tưởng về hạt cơ bản mới bắt đầu xuất hiện, lý thuyết của ông về các mảnh vật chất đã được xem xét khá nghiêm túc. Democritus tin rằng tính chất của bất kỳ chất nào đều phụ thuộc vào hình dạng, khối lượng và các đặc tính khác của nguyên tử. Vì vậy, chẳng hạn, ông tin rằng lửa có các nguyên tử sắc bén - đó là lý do tại sao lửa cháy; Nước có các nguyên tử mịn nên có thể chảy; Theo quan điểm của ông, trong các vật thể rắn, các nguyên tử rất thô.
Democritus tin rằng mọi thứ đều được cấu tạo từ nguyên tử, kể cả linh hồn con người.
Năm 1904, J. J. Thomson đề xuất mô hình nguyên tử của mình. Các quy định chính của lý thuyết rút ra từ thực tế là nguyên tử được biểu diễn dưới dạng vật thể tích điện dương, bên trong có các electron mang điện tích âm. Lý thuyết này sau đó đã bị E. Rutherford bác bỏ.
Cơm. 2. Mô hình nguyên tử của Thomson.
Cũng vào năm 1904 nhà vật lý Nhật Bản H. Nagaoka đề xuất một mô hình hành tinh sơ khai của nguyên tử bằng cách tương tự với hành tinh Sao Thổ. Theo lý thuyết này, các electron liên kết thành các vòng và quay xung quanh một hạt nhân tích điện dương. Lý thuyết này hóa ra là sai.
Năm 1911, E. Rutherford, sau khi thực hiện một loạt thí nghiệm, đã kết luận rằng nguyên tử có cấu trúc tương tự như hệ hành tinh. Rốt cuộc, các electron, giống như các hành tinh, chuyển động theo quỹ đạo xung quanh một hạt nhân nặng, tích điện dương. Tuy nhiên, mô tả này mâu thuẫn điện động lực học cổ điển. Sau đó, nhà vật lý người Đan Mạch Niels Bohr đã đưa ra các định đề vào năm 1913, bản chất của nó là một electron, ở một dạng nào đó. điều kiện đặc biệt, không phát ra năng lượng. Do đó, các định đề của boron cho thấy rằng đối với các nguyên tử cơ học cổ điển không áp dụng được. Mô hình hành tinh do Rutherford mô tả và được Bohr bổ sung được gọi là mô hình hành tinh Bohr-Rutherford.
Cơm. 3. Mô hình hành tinh Bohr-Rutherford.
Nghiên cứu sâu hơn về nguyên tử đã dẫn đến việc tạo ra một phần như cơ học lượng tử, với sự giúp đỡ của nhiều người đã được giải thích sự thật khoa học. Những ý tưởng hiện đại về nguyên tử được phát triển từ mô hình hành tinh Bohr-Rutherford. Đánh giá báo cáo
Đánh giá trung bình: 4.4. Tổng số lượt xếp hạng nhận được: 469.
Khái niệm “nguyên tử” đã quen thuộc với nhân loại từ thời Hy Lạp cổ đại. Theo tuyên bố của các nhà triết học cổ đại, nguyên tử là hạt nhỏ nhất cấu thành nên một chất.
Cấu trúc điện tử của nguyên tử
Nguyên tử bao gồm một hạt nhân tích điện dương chứa proton và neutron. Các electron chuyển động theo các quỹ đạo xung quanh hạt nhân, mỗi quỹ đạo có thể được đặc trưng bởi một bộ bốn số lượng tử: chính (n), quỹ đạo (l), từ tính (ml) và spin (ms hoặc s).
Số lượng tử chính xác định năng lượng của electron và kích thước của các đám mây điện tử. Năng lượng của electron chủ yếu phụ thuộc vào khoảng cách từ electron đến hạt nhân: electron càng gần hạt nhân thì năng lượng của nó càng thấp. Nói cách khác, số lượng tử chính xác định vị trí của electron ở một mức năng lượng cụ thể (lớp lượng tử). Số lượng tử chính có các giá trị của dãy số nguyên từ 1 đến vô cùng.
Số lượng tử quỹ đạo đặc trưng cho hình dạng của đám mây điện tử. Hình dạng khác nhau các đám mây điện tử gây ra sự thay đổi năng lượng của các điện tử trong một mức năng lượng, tức là chia nó thành các mức năng lượng. Số lượng tử quỹ đạo có thể có các giá trị từ 0 đến (n-1), với tổng số n giá trị. Các mức năng lượng phụ được ký hiệu bằng các chữ cái:
Số lượng tử từ tính cho biết hướng của quỹ đạo trong không gian. Nó chấp nhận bất kỳ số nguyên nào giá trị số từ (+l) đến (-l), kể cả số 0. Con số giá trị có thể số lượng tử từ bằng (2l+1).
Một electron chuyển động trong trường hạt nhân nguyên tử ngoài động lượng góc quỹ đạo còn có khoảnh khắc của riêng mình xung lực, đặc trưng cho chuyển động quay hình trục chính của nó xung quanh trục riêng. Tính chất này của electron được gọi là spin. Độ lớn và hướng của spin được đặc trưng bởi số lượng tử spin, có thể lấy các giá trị (+1/2) và (-1/2). Tích cực và giá trị âm mặt sau có liên quan đến hướng của nó.
Trước khi tất cả những điều trên được biết đến và xác nhận bằng thực nghiệm, đã có một số mô hình về cấu trúc của nguyên tử. Một trong những mô hình đầu tiên về cấu trúc nguyên tử được đề xuất bởi E. Rutherford, người trong các thí nghiệm về sự tán xạ của hạt alpha đã chỉ ra rằng gần như toàn bộ khối lượng của nguyên tử tập trung vào một thể tích rất nhỏ - một hạt nhân tích điện dương . Theo mô hình của ông, các electron chuyển động xung quanh hạt nhân ở một khoảng cách đủ lớn, và số lượng của chúng sao cho, về tổng thể, nguyên tử trung hòa về điện.
Mô hình cấu trúc nguyên tử của Rutherford được phát triển bởi N. Bohr, người trong nghiên cứu của mình cũng kết hợp những lời dạy của Einstein về lượng tử ánh sáng và thuyết lượng tử Bức xạ Planck. Hoàn thành những gì chúng tôi đã bắt đầu và giới thiệu nó với thế giới mô hình hiện đại cấu trúc nguyên tử của nguyên tố hóa học Louis de Broglie và Schrödinger.
Ví dụ về giải quyết vấn đề
VÍ DỤ 1
| Bài tập | Cho biết số proton và neutron có trong hạt nhân nitơ ( số nguyên tử 14), silicon (số nguyên tử 28) và bari (số nguyên tử 137). |
| Giải pháp | Số proton trong hạt nhân nguyên tử của một nguyên tố hóa học được xác định bằng số hiệu nguyên tử của nó trong bảng tuần hoàn, và số neutron là hiệu giữa số khối (M) và điện tích hạt nhân (Z). Nitơ: n(N)= M -Z = 14-7 = 7. Silicon: n(Si)= M -Z = 28-14 = 14. Bari: n(Ba)= M -Z = 137-56 = 81. |
| Trả lời | Số proton trong hạt nhân nitơ là 7, neutron - 7; trong hạt nhân nguyên tử silicon có 14 proton và 14 neutron; Trong hạt nhân của nguyên tử bari có 56 proton và 81 neutron. |
VÍ DỤ 2
| Bài tập | Sắp xếp các mức năng lượng theo thứ tự chúng chứa đầy các electron: a) 3p, 3d, 4s, 4p; b) 4d , 5s, 5p, 6s; c) 4f , 5 giây , 6r; 4ngày , 6 giây; d) 5d, 6s, 6p, 7s, 4f . |
|
| Giải pháp | Các mức năng lượng được lấp đầy bằng các electron theo quy tắc của Klechkovsky. Điều kiện bắt buộc là giá trị tối thiểu tổng số lượng tử chính và số lượng tử quỹ đạo. Cấp con s được đặc trưng bởi các số 0, p - 1, d - 2 và f-3. Điều kiện thứ hai là cấp độ phụ với giá trị thấp nhất số lượng tử chính. | |
| Trả lời | a) Các quỹ đạo 3p, 3d, 4s, 4p sẽ tương ứng với các số 4, 5, 4 và 5. Do đó, sự lấp đầy electron sẽ xảy ra trong trình tự tiếp theo: 3p, 4s, 3d, 4p. b) quỹ đạo 4d , 5s, 5p, 6s sẽ tương ứng với các số 7, 5, 6 và 6. Do đó, việc lấp đầy electron sẽ diễn ra theo trình tự sau: 5s, 5p, 6s, 4d. c) Quỹ đạo 4f , 5 giây , 6r; 4ngày , 6s sẽ tương ứng với các số 7, 5, 76 và 6. Do đó, việc lấp đầy electron sẽ diễn ra theo trình tự sau: 5s, 4d , 6s, 4f, 6r. d) Các quỹ đạo 5d, 6s, 6p, 7s, 4f sẽ tương ứng với các số 7, 6, 7, 7 và 7. Do đó, quá trình lấp đầy electron sẽ diễn ra theo trình tự sau: 6s, 4f, 5d, 6p, 7s. |
Khái niệm nguyên tử nảy sinh vào thế giới cổ đạiđể biểu thị các hạt vật chất. Được dịch từ nguyên tử Hy Lạp có nghĩa là "không thể chia cắt".
điện tử
Nhà vật lý người Ireland Stoney, dựa trên các thí nghiệm, đã đi đến kết luận rằng điện được truyền bởi các hạt nhỏ nhất tồn tại trong nguyên tử của tất cả mọi loại vật chất. nguyên tố hóa học. Vào năm 1891, ông Stoney đề xuất gọi những hạt này là điện tử, có nghĩa là "hổ phách" trong tiếng Hy Lạp.
Một vài năm sau khi electron có tên như vậy, nhà vật lý người Anh Joseph Thomson và nhà vật lý người Pháp Jean Perrin đã chứng minh rằng các electron mang điện tích âm. Đây là điện tích âm nhỏ nhất, trong hóa học được lấy làm đơn vị $(–1)$. Thomson thậm chí còn xác định được tốc độ của electron (nó bằng tốc độ ánh sáng - 300.000 USD/s) và khối lượng của electron (nhỏ hơn khối lượng của một nguyên tử hydro là 1836 USD).
Thomson và Perrin nối các cực của nguồn dòng điện bằng hai tấm kim loại - cực âm và cực dương, được hàn vào một ống thủy tinh để không khí được thoát ra ngoài. Khi đặt một điện áp khoảng 10 nghìn vôn vào các tấm điện cực, một luồng phóng điện phát sáng lóe lên trong ống và các hạt bay từ cực âm (cực âm) sang cực dương (cực dương), mà các nhà khoa học lần đầu tiên gọi là tia âm cực, và sau đó phát hiện ra rằng đó là một dòng điện tử. Các electron va vào các chất đặc biệt, chẳng hạn như các chất trên màn hình TV, sẽ gây ra ánh sáng.
Kết luận được rút ra: các electron thoát ra khỏi các nguyên tử của vật liệu tạo ra cực âm.
Các electron tự do hoặc dòng chảy của chúng có thể thu được bằng những cách khác, ví dụ, bằng cách đốt nóng một dây kim loại hoặc bằng cách chiếu ánh sáng vào kim loại, được hình thành bởi các yếu tố nhóm chính Nhóm I của bảng tuần hoàn (ví dụ, xêzi).
Trạng thái của electron trong nguyên tử
Trạng thái của electron trong nguyên tử được hiểu là tổng thể thông tin về năng lượng electron nhất định trong không gian, nơi nó nằm. Chúng ta đã biết rằng electron trong nguyên tử không có quỹ đạo chuyển động, tức là chúng ta chỉ có thể nói về xác suất vị trí của nó trong không gian xung quanh hạt nhân. Nó có thể nằm ở bất kỳ phần nào của không gian xung quanh hạt nhân và tập hợp các vị trí khác nhau được coi là một đám mây điện tử có mật độ điện tích âm nhất định. Về mặt hình tượng, điều này có thể được hình dung theo cách này: nếu có thể chụp ảnh vị trí của một electron trong nguyên tử sau một phần trăm hoặc một phần triệu giây, như trong quá trình hoàn thiện ảnh, thì electron trong những bức ảnh như vậy sẽ được biểu diễn dưới dạng một điểm. Nếu vô số bức ảnh như vậy được xếp chồng lên nhau thì kết quả sẽ là hình ảnh của một đám mây điện tử với mật độ cao nhất nơi những điểm này có nhiều nhất.
Hình vẽ có một đường “cắt” như thế này mật độ electron trong một nguyên tử hydro đi qua hạt nhân và đường đứt nét mô tả hình cầu trong đó xác suất tìm thấy một electron là $90%$. Đường viền gần hạt nhân nhất bao phủ một vùng không gian trong đó xác suất phát hiện một electron là $10%$, xác suất phát hiện một electron bên trong đường viền thứ hai tính từ hạt nhân là $20%$, bên trong đường viền thứ ba là $≈30% $, v.v. Có một số sự không chắc chắn về trạng thái của electron. Để mô tả điều này tình trạng đặc biệt, nhà vật lý người Đức W. Heisenberg đưa ra khái niệm nguyên tắc bất định, tức là cho thấy rằng không thể xác định đồng thời và chính xác năng lượng và vị trí của một electron. Năng lượng của electron được xác định càng chính xác thì vị trí của nó càng không chắc chắn và ngược lại, khi đã xác định được vị trí thì không thể xác định được năng lượng của electron. Phạm vi xác suất để phát hiện một electron không có ranh giới rõ ràng. Tuy nhiên, có thể chọn một không gian trong đó xác suất tìm thấy electron là lớn nhất.
Không gian xung quanh hạt nhân nguyên tử trong đó có nhiều khả năng tìm thấy electron nhất được gọi là quỹ đạo.
Nó chứa khoảng $90%$ của đám mây điện tử, có nghĩa là khoảng $90%$ thời gian điện tử ở trong phần không gian này. Dựa trên hình dạng của chúng, có bốn loại quỹ đạo đã biết, được ký hiệu bằng các chữ cái Latinh $s, p, d$ và $f$. Hình ảnh đồ họa Một số dạng quỹ đạo của điện tử được thể hiện trong hình.
Đặc tính quan trọng nhất của chuyển động của electron trong một quỹ đạo nhất định là năng lượng liên kết của nó với hạt nhân. Các electron có giá trị năng lượng giống nhau tạo thành một đơn lớp điện tử, hoặc mức năng lượng . Các mức năng lượng được đánh số bắt đầu từ hạt nhân: $1, 2, 3, 4, 5, 6$ và $7$.
Số nguyên $n$ biểu thị số mức năng lượng được gọi là số lượng tử chính.
Nó đặc trưng cho năng lượng của các electron chiếm một mức năng lượng nhất định. Các electron ở mức năng lượng thứ nhất, gần hạt nhân nhất, có năng lượng thấp nhất. So với các electron ở cấp độ đầu tiên, các electron ở các cấp độ tiếp theo được đặc trưng bởi một lượng năng lượng lớn. Do đó, các electron ở cấp độ bên ngoài ít liên kết chặt chẽ nhất với hạt nhân nguyên tử.
Số mức năng lượng (lớp điện tử) trong một nguyên tử bằng số chu kỳ trong hệ D.I. Mendeleev mà nguyên tố hóa học thuộc về: nguyên tử của các nguyên tố thuộc thời kỳ thứ nhất có một mức năng lượng; tiết thứ hai - hai; tiết thứ bảy - bảy.
Số lượng electron lớn nhất ở mức năng lượng được xác định theo công thức:
trong đó $N$ là số electron tối đa; $n$ là số cấp độ hoặc số lượng tử chính. Do đó: ở mức năng lượng đầu tiên gần hạt nhân nhất thì không thể có nhiều hơn hai electron; vào ngày thứ hai - không quá $8$; vào ngày thứ ba - không quá $18$; vào ngày thứ tư - không quá $32$. Và lần lượt các mức năng lượng (lớp điện tử) được sắp xếp như thế nào?
Bắt đầu từ mức năng lượng thứ hai $(n = 2)$, mỗi mức được chia thành các cấp con (lớp con), hơi khác nhau ở năng lượng liên kết với hạt nhân.
Số lượng cấp dưới bằng giá trị số lượng tử chính: mức năng lượng thứ nhất có một mức phụ; thứ hai - hai; thứ ba - ba; thứ tư - bốn. Các cấp độ con lần lượt được hình thành bởi các quỹ đạo.
Mỗi giá trị của $n$ tương ứng với một số quỹ đạo bằng $n^2$. Theo dữ liệu được trình bày trong bảng, người ta có thể theo dõi mối liên hệ giữa số lượng tử chính $n$ và số lượng cấp dưới, loại và số lượng quỹ đạo cũng như số lượng electron tối đa ở cấp và cấp dưới.
Số lượng tử chính, loại và số lượng quỹ đạo, số lượng electron tối đa ở các cấp độ và cấp độ phụ.
| Mức năng lượng $(n)$ | Số cấp con bằng $n$ | Loại quỹ đạo | Số lượng quỹ đạo | Số lượng tối đađiện tử | ||
| ở cấp dưới | ở cấp độ bằng $n^2$ | ở cấp dưới | ở mức bằng $n^2$ | |||
| $K(n=1)$ | $1$ | $1s$ | $1$ | $1$ | $2$ | $2$ |
| $L(n=2)$ | $2$ | $2s$ | $1$ | $4$ | $2$ | $8$ |
| $2p$ | $3$ | $6$ | ||||
| $M(n=3)$ | $3$ | $3s$ | $1$ | $9$ | $2$ | $18$ |
| $3p$ | $3$ | $6$ | ||||
| $3d$ | $5$ | $10$ | ||||
| $N(n=4)$ | $4$ | $4s$ | $1$ | $16$ | $2$ | $32$ |
| $4p$ | $3$ | $6$ | ||||
| $4d$ | $5$ | $10$ | ||||
| $4f$ | $7$ | $14$ | ||||
Các cấp độ con thường được biểu thị bằng các chữ cái Latinh, cũng như hình dạng của các quỹ đạo mà chúng bao gồm: $s, p, d, f$. Vì thế:
- $s$-sublevel - mức con đầu tiên của mỗi mức năng lượng gần hạt nhân nguyên tử nhất, bao gồm một $s$-orbital;
- $p$-sublevel - mức con thứ hai của mỗi mức, ngoại trừ mức năng lượng thứ nhất, bao gồm ba quỹ đạo $p$;
- $d$-cấp con - cấp con thứ ba của mỗi cấp, bắt đầu từ mức năng lượng thứ ba, bao gồm năm quỹ đạo $d$-;
- Cấp con $f$ của mỗi cấp, bắt đầu từ cấp năng lượng thứ tư, bao gồm bảy quỹ đạo $f$.
Hạt nhân nguyên tử
Nhưng không chỉ có electron là một phần của nguyên tử. Nhà vật lý Henri Becquerel đã phát hiện ra rằng khoáng sản tự nhiên, chứa muối uranium, cũng phát ra bức xạ chưa xác định, làm lộ ra những tấm phim chụp ảnh được bảo vệ khỏi ánh sáng. Hiện tượng này được gọi là tính phóng xạ.
Có ba loại tia phóng xạ:
- Tia $α$, bao gồm các hạt $α$ có điện tích lớn hơn điện tích $2$ lần, nhưng có dấu dương và khối lượng $4$ lớn hơn khối lượng của nguyên tử hydro;
- Tia $β$ tượng trưng cho một dòng điện tử;
- $γ$-tia - sóng điện từ có khối lượng không đáng kể, không mang điện.
Do đó, nguyên tử có cấu trúc phức tạp - nó bao gồm hạt nhân tích điện dương và các electron.
Một nguyên tử có cấu tạo như thế nào?
Năm 1910, tại Cambridge, gần London, Ernest Rutherford cùng các sinh viên và đồng nghiệp của ông đã nghiên cứu sự tán xạ của các hạt $α$ truyền qua lá vàng mỏng và rơi trên màn hình. Các hạt alpha thường chỉ lệch khỏi hướng ban đầu một độ, dường như khẳng định tính đồng nhất và đồng nhất về tính chất của các nguyên tử vàng. Và đột nhiên các nhà nghiên cứu nhận thấy rằng một số hạt $α$ đột ngột thay đổi hướng đi của chúng, như thể gặp phải một loại chướng ngại vật nào đó.
Bằng cách đặt màn hình phía trước tấm giấy bạc, Rutherford có thể phát hiện ngay cả những trường hợp hiếm hoi, khi các hạt $α$, phản xạ từ các nguyên tử vàng, bay theo hướng ngược lại.
Các tính toán cho thấy hiện tượng quan sát được có thể xảy ra nếu toàn bộ khối lượng của nguyên tử và toàn bộ điện tích dương của nó tập trung vào một hạt nhân nhỏ ở trung tâm. Hóa ra, bán kính của hạt nhân nhỏ hơn 100.000 lần so với bán kính của toàn bộ nguyên tử, vùng chứa các electron mang điện tích âm. Nếu bạn nộp đơn so sánh tượng hình, thì toàn bộ thể tích của nguyên tử có thể được ví như sân vận động ở Luzhniki, và hạt nhân như một quả bóng đá nằm ở giữa sân.
Một nguyên tử của bất kỳ nguyên tố hóa học nào cũng có thể so sánh với một hạt nhỏ hệ mặt trời. Vì vậy, mô hình nguyên tử này do Rutherford đề xuất được gọi là mô hình hành tinh.
Proton và neutron
Hóa ra hạt nhân nguyên tử nhỏ bé, trong đó toàn bộ khối lượng của nguyên tử tập trung, bao gồm các hạt thuộc hai loại - proton và neutron.
proton có một khoản phí tương đương với phí các electron nhưng trái dấu $(+1)$ và khối lượng, bằng khối lượng nguyên tử hydro (nó được lấy làm đơn vị trong hóa học). Proton được ký hiệu bằng ký hiệu $↙(1)↖(1)p$ (hoặc $p+$). neutron không mang điện tích, chúng trung hòa và có khối lượng bằng khối lượng của proton, tức là $1$. Neutron được ký hiệu bằng ký hiệu $↙(0)↖(1)n$ (hoặc $n^0$).
Proton và neutron gọi chung là nucleon(từ lat. hạt nhân- lõi).
Tổng số proton và số nơtron trong nguyên tử được gọi là số khối. Ví dụ: số khối của nguyên tử nhôm là:
Vì khối lượng của electron, nhỏ không đáng kể, có thể bỏ qua nên hiển nhiên là toàn bộ khối lượng của nguyên tử tập trung ở hạt nhân. Electron được ký hiệu như sau: $e↖(-)$.
Vì nguyên tử trung hòa về điện nên điều hiển nhiên là rằng số proton và số electron trong nguyên tử là như nhau. Nó bằng số nguyên tử của nguyên tố hóa học, được giao cho anh ta trong bảng tuần hoàn. Ví dụ, hạt nhân của một nguyên tử sắt chứa các proton $26$ và các electron $26$ quay quanh hạt nhân. Làm thế nào để xác định số lượng neutron?
Như đã biết, khối lượng của nguyên tử bao gồm khối lượng của proton và neutron. Biết số seri phần tử $(Z)$, tức là số proton và số khối $(A)$, bằng tổng số proton và neutron, bạn có thể tìm số neutron $(N)$ bằng công thức:
Ví dụ: số neutron trong nguyên tử sắt là:
$56 – 26 = 30$.
Bảng trình bày các đặc điểm chính của các hạt cơ bản.
Đặc tính cơ bản của hạt cơ bản.
đồng vị
Các loại nguyên tử của cùng một nguyên tố có cùng điện tích hạt nhân nhưng có số khối khác nhau được gọi là đồng vị.
Từ đồng vị bao gồm hai từ Hy Lạp:iso- giống nhau và topo- vị trí, nghĩa là “chiếm một vị trí” (ô) trong Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học.
Các nguyên tố hóa học tìm thấy trong tự nhiên là hỗn hợp các đồng vị. Như vậy, cacbon có ba đồng vị có khối lượng $12, 13, 14$; oxy - ba đồng vị có khối lượng $16, 17, 18, v.v.
Khối lượng nguyên tử tương đối của một nguyên tố hóa học thường được đưa ra trong Bảng tuần hoàn là giá trị trung bình của khối lượng nguyên tử của hỗn hợp đồng vị tự nhiên của phần tử này có tính đến sự phong phú tương đối của chúng trong tự nhiên, do đó giá trị của khối lượng nguyên tử thường là phân số. Ví dụ, các nguyên tử clo tự nhiên là hỗn hợp của hai đồng vị - $35$ (có $75%$ trong tự nhiên) và $37$ (chúng có $25%$ trong tự nhiên); do đó, khối lượng nguyên tử tương đối của clo là $35,5$. Đồng vị của clo được viết như sau:
$↖(35)↙(17)(Cl)$ và $↖(37)↙(17)(Cl)$
Tính chất hóa học của các đồng vị clo hoàn toàn giống nhau, cũng như các đồng vị của hầu hết các nguyên tố hóa học, ví dụ như kali, argon:
$↖(39)↙(19)(K)$ và $↖(40)↙(19)(K)$, $↖(39)↙(18)(Ar)$ và $↖(40)↙(18 )(Ar)$
Tuy nhiên, các đồng vị hydro khác nhau rất nhiều về tính chất do sự tăng lên gấp nhiều lần về tính chất tương đối của chúng. khối lượng nguyên tử; họ thậm chí còn được đặt tên riêng và dấu hiệu hóa học: proti - $↖(1)↙(1)(H)$; đơteri - $↖(2)↙(1)(H)$, hoặc $↖(2)↙(1)(D)$; triti - $↖(3)↙(1)(H)$, hoặc $↖(3)↙(1)(T)$.
Bây giờ chúng ta có thể đưa ra một giải pháp hiện đại, nghiêm ngặt hơn và định nghĩa khoa học nguyên tố hoá học.
Nguyên tố hóa học là tập hợp các nguyên tử có cùng điện tích hạt nhân.
Cấu trúc lớp vỏ điện tử của nguyên tử của các nguyên tố trong 4 thời kỳ đầu
Hãy xem xét việc hiển thị cấu hình điện tử của các nguyên tử theo chu kỳ của hệ D.I.
Các yếu tố của thời kỳ đầu tiên.
Sơ đồ cấu trúc điện tử của nguyên tử cho thấy sự phân bố electron trên các lớp điện tử (mức năng lượng).
Công thức điện tử của nguyên tử cho thấy sự phân bố của các electron theo các mức năng lượng và các mức phụ.
Các công thức điện tử đồ họa của nguyên tử cho thấy sự phân bố của các electron không chỉ giữa các cấp và cấp dưới mà còn trên các quỹ đạo.
Trong nguyên tử helium, lớp electron đầu tiên đã hoàn chỉnh - nó chứa các electron $2$.
Hydro và helium là các nguyên tố $s$; quỹ đạo $s$ của các nguyên tử này chứa đầy electron.
Các yếu tố của thời kỳ thứ hai.
Đối với tất cả các nguyên tố ở chu kỳ thứ hai, lớp electron thứ nhất được lấp đầy và các electron lấp đầy quỹ đạo $s-$ và $p$ của lớp electron thứ hai theo nguyên lý năng lượng tối thiểu (đầu tiên là $s$ và sau đó là $p$ ) và các quy tắc Pauli và Hund.
Trong nguyên tử neon, lớp electron thứ hai đã hoàn chỉnh - nó chứa các electron $8$.
Các yếu tố của thời kỳ thứ ba.
Đối với các nguyên tử của các nguyên tố thuộc chu kỳ thứ ba, lớp electron thứ nhất và thứ hai được hoàn thành nên lớp electron thứ ba được lấp đầy, trong đó các electron có thể chiếm các mức 3s-, 3p- và 3d-sub.
Cấu trúc lớp vỏ điện tử của nguyên tử của các nguyên tố thuộc thời kỳ thứ ba.
Nguyên tử magie hoàn thành quỹ đạo electron $3,5$ của nó. $Na$ và $Mg$ là các phần tử $s$.
Trong nhôm và các nguyên tố tiếp theo, lớp con $3d$ chứa đầy các electron.
| $↙(18)(Ar)$ Argon |  |
$1s^2(2)s^2(2)p^6(3)s^2(3)p^6$ |  |
Một nguyên tử argon có $8$ electron ở lớp ngoài của nó (lớp electron thứ ba). Khi lớp bên ngoài được hoàn thành, nhưng tổng cộng trong lớp electron thứ ba, như bạn đã biết, có thể có 18 electron, điều đó có nghĩa là các nguyên tố của chu kỳ thứ ba còn các quỹ đạo $3d$ chưa được lấp đầy.
Tất cả các phần tử từ $Al$ đến $Ar$ đều là $р$ -các yếu tố.
$s-$ và $p$ -yếu tố hình thức phân nhóm chính trong bảng tuần hoàn.
Các yếu tố của thời kỳ thứ tư.
Các nguyên tử kali và canxi có lớp electron thứ tư và lớp con $4s$ được lấp đầy, bởi vì nó có năng lượng thấp hơn mức con $3d$. Để đơn giản hóa công thức đồ họa điện tử của nguyên tử của các nguyên tố thuộc chu kỳ thứ tư:
- Chúng ta hãy biểu thị công thức đồ họa điện tử thông thường của argon như sau: $Ar$;
- Chúng tôi sẽ không mô tả các cấp độ phụ không được lấp đầy bởi các nguyên tử này.
$K, Ca$ - $s$ -các yếu tố,được xếp vào các phân nhóm chính. Đối với các nguyên tử từ $Sc$ đến $Zn$, lớp con 3d chứa đầy các electron. Đây là các phần tử $3d$. Chúng được bao gồm trong các nhóm phụ, lớp electron bên ngoài của chúng được lấp đầy, chúng được phân loại là các yếu tố chuyển tiếp.
Hãy chú ý đến cấu trúc lớp vỏ điện tử của nguyên tử crom và đồng. Trong đó, một electron “thất bại” từ cấp con $4s-$ đến cấp con $3d$, điều này được giải thích bởi độ ổn định năng lượng cao hơn của các cấu hình điện tử thu được $3d^5$ và $3d^(10)$:
$↙(24)(Cr)$ $1s^(2)2s^(2)2p^(6)3s^(2)3p^(6)3d^(4) 4s^(2)…$ 
$↙(29)(Cu)$ $1s^(2)2s^(2)2p^(6)3s^(2)3p^(6)3d^(9)4s^(2)…$ 
| Ký hiệu phần tử, số sê-ri, tên | Sơ đồ cấu trúc điện tử | Công thức điện tử | Công thức đồ họa điện tử |
| $↙(19)(K)$ Kali |  |
$1s^2(2)s^2(2)p^6(3)p^6(4)s^1$ | |
| $↙(20)(C)$ Canxi |  |
$1s^2(2)s^2(2)p^6(3)p^6(4)s^2$ | |
| $↙(21)(Sc)$ Vụ bê bối |  |
$1s^2(2)s^2(2)p^6(3)p^6(4)s^1(3)d^1$ hoặc $1s^2(2)s^2(2)p ^6(3)p^6(3)d^1(4)s^1$ |  |
| $↙(22)(Ti)$ Titan |  |
$1s^2(2)s^2(2)p^6(3)p^6(4)s^2(3)d^2$ hoặc $1s^2(2)s^2(2)p ^6(3)p^6(3)d^2(4)s^2$ |  |
| $↙(23)(V)$ Vanadi |  |
$1s^2(2)s^2(2)p^6(3)p^6(4)s^2(3)d^3$ hoặc $1s^2(2)s^2(2)p ^6(3)p^6(3)d^3(4)s^2$ |  |
| $↙(24)(Cr)$ Chrome |  |
$1s^2(2)s^2(2)p^6(3)p^6(4)s^1(3)d^5$ hoặc $1s^2(2)s^2(2)p ^6(3)p^6(3)d^5(4)s^1$ |  |
| $↙(29)(Cu)$ Chrome |  |
$1s^2(2)s^2(2)p^6(3)p^6(4)s^1(3)d^(10)$ hoặc $1s^2(2)s^2(2 )p^6(3)p^6(3)d^(10)(4)s^1$ |  |
| $↙(30)(Zn)$ Kẽm |  |
$1s^2(2)s^2(2)p^6(3)p^6(4)s^2(3)d^(10)$ hoặc $1s^2(2)s^2(2 )p^6(3)p^6(3)d^(10)(4)s^2$ |  |
| $↙(31)(Ga)$ Galli |  |
$1s^2(2)s^2(2)p^6(3)p^6(4)s^2(3)d^(10)4p^(1)$ hoặc $1s^2(2) s^2(2)p^6(3)p^6(3)d^(10)(4)s^(2)4p^(1)$ |  |
| $↙(36)(Kr)$ Krypton |  |
$1s^2(2)s^2(2)p^6(3)p^6(4)s^2(3)d^(10)4p^6$ hoặc $1s^2(2)s^ 2(2)p^6(3)p^6(3)d^(10)(4)s^(2)4p^6$ |  |
Trong nguyên tử kẽm, lớp electron thứ ba đã hoàn thiện - tất cả các cấp độ $3, 3p$ và $3d$ đều được lấp đầy trong đó, với tổng số electron là $18$.
Trong các nguyên tố sau kẽm, lớp electron thứ tư, lớp con $4p$, tiếp tục được lấp đầy. Các phần tử từ $Ga$ đến $Кr$ - $р$ -các yếu tố.
Lớp ngoài (thứ tư) của nguyên tử krypton đã hoàn thiện và có các electron $8$. Nhưng tổng cộng trong lớp electron thứ tư, như bạn đã biết, có thể có $32$ electron; nguyên tử krypton vẫn còn các cấp độ con $4d-$ và $4f$ chưa được lấp đầy.
Đối với các phần tử của chu kỳ thứ năm, các cấp con được điền theo thứ tự sau: $5s → 4d → 5p$. Và cũng có những trường hợp ngoại lệ liên quan đến sự “thất bại” của các electron trong $↙(41)Nb$, $↙(42)Mo$, $↙(44)Ru$, $↙(45)Rh$, $↙(46 ) Pd$, $↙(47)Ag$. $f$ xuất hiện ở tiết thứ sáu và thứ bảy -yếu tố, tức là các phần tử mà các cấp con $4f-$ và $5f$ của lớp điện tử bên ngoài thứ ba được lấp đầy tương ứng.
$4f$ -yếu tố gọi điện lantanit.
$5f$ -yếu tố gọi điện Actinide.
thủ tục điền cấp dưới điện tử trong nguyên tử của các nguyên tố thuộc chu kỳ thứ sáu: các phần tử $↙(55)Cs$ và $↙(56)Ba$ - $6s$; $↙(57)La ... 6s^(2)5d^(1)$ - phần tử $5d$; $↙(58)Се$ – $↙(71)Lu - 4f$-yếu tố; $↙(72)Hf$ – $↙(80)Hg - phần tử 5d$-; $↙(81)T1$ – $↙(86)Rn - phần tử 6d$-. Nhưng ở đây cũng có những phần tử trong đó thứ tự lấp đầy các quỹ đạo điện tử bị vi phạm, chẳng hạn, điều này có liên quan đến độ ổn định năng lượng cao hơn của các mức con $f$-được lấp đầy một nửa và hoàn toàn, tức là. $nf^7$ và $nf^(14)$.
Tùy thuộc vào cấp độ con nào của nguyên tử chứa đầy electron cuối cùng, tất cả các nguyên tố, như bạn đã hiểu, được chia thành bốn họ electron hoặc khối:
- $s$ -yếu tố; lớp con $s$ chứa đầy các electron cấp độ bên ngoài nguyên tử; các nguyên tố $s$ bao gồm hydro, heli và các nguyên tố thuộc phân nhóm chính của nhóm I và II;
- $p$ -yếu tố; lớp dưới $p$ của lớp ngoài cùng của nguyên tử chứa đầy các electron; Các phần tử $p$ bao gồm các phần tử thuộc các nhóm con chính của nhóm III–VIII;
- $d$ -yếu tố; cấp dưới $d$ của cấp trước bên ngoài của nguyên tử chứa đầy các electron; Các phần tử $d$ bao gồm các phần tử thuộc nhóm con phụ của nhóm I–VIII, tức là các phần tử thập kỷ xen kẽ của các khoảng thời gian lớn nằm giữa các phần tử $s-$ và $p-$. Họ cũng được gọi là các yếu tố chuyển tiếp;
- $f$ -yếu tố; các electron lấp đầy lớp con $f-$ của lớp ngoài thứ ba của nguyên tử; chúng bao gồm lanthanide và Actinide.
Cấu hình điện tử của một nguyên tử. Trạng thái cơ bản và trạng thái kích thích của nguyên tử
Nhà vật lý người Thụy Sĩ W. Pauli vào năm 1925 đã phát hiện ra rằng một nguyên tử không thể có nhiều hơn hai electron trong một quỹ đạo, có mặt sau đối diện (phản song song) (dịch từ tiếng Anh là trục xoay), tức là. sở hữu những đặc tính có thể được tưởng tượng một cách thông thường như sự quay của một electron quanh trục ảo của nó theo chiều kim đồng hồ hoặc ngược chiều kim đồng hồ. Nguyên tắc này được gọi là Nguyên lý Pauli.
Nếu có một electron trong quỹ đạo thì nó được gọi là không ghép đôi, nếu hai thì cái này các electron ghép đôi, tức là các electron có spin ngược dấu nhau.
Hình vẽ cho thấy sơ đồ phân chia mức năng lượng thành các mức phụ.
$s-$ quỹ đạo, như bạn đã biết, có dạng hình cầu. Electron của nguyên tử hydro $(n = 1)$ nằm trong quỹ đạo này và chưa ghép cặp. Vì lý do này nó công thức điện tử, hoặc cấu hình điện tử , được viết như thế này: $1s^1$. Trong công thức điện tử, số mức năng lượng được biểu thị bằng số đứng trước chữ $(1...)$, chữ cái Latinh biểu thị một cấp độ con (loại quỹ đạo) và số được viết ở bên phải của chữ cái (dưới dạng số mũ) hiển thị số lượng electron trong cấp độ phụ.
Đối với nguyên tử helium He, có hai electron ghép đôi trong một quỹ đạo $s-$, công thức này là: $1s^2$. Lớp vỏ electron của nguyên tử helium hoàn chỉnh và rất ổn định. Helium là một loại khí cao quý. Ở mức năng lượng thứ hai $(n = 2)$ có bốn quỹ đạo, một $s$ và ba $p$. Các electron ở quỹ đạo $s$ cấp hai ($2s$-orbital) có nhiều hơn năng lượng cao, bởi vì ở khoảng cách xa hạt nhân hơn so với các electron của quỹ đạo $1s$$(n = 2)$. Nói chung, với mỗi giá trị của $n$ có một quỹ đạo $s-$, nhưng với nguồn cung cấp năng lượng electron tương ứng trên đó và do đó, có đường kính tương ứng, tăng lên khi giá trị của $n$ tăng lên. s-$Orbital, như bạn đã biết, có dạng hình cầu. Electron của nguyên tử hydro $(n = 1)$ nằm trong quỹ đạo này và chưa ghép cặp. Do đó, công thức điện tử hoặc cấu hình điện tử của nó được viết như sau: $1s^1$. Trong các công thức điện tử, số mức năng lượng được biểu thị bằng số đứng trước chữ $(1...)$, chữ Latinh biểu thị mức dưới (loại quỹ đạo) và số được viết ở bên phải phía trên mức năng lượng. chữ cái (dưới dạng số mũ) hiển thị số lượng electron ở cấp dưới.
Đối với nguyên tử helium $He$, có hai electron ghép đôi trong một quỹ đạo $s-$, công thức này là: $1s^2$. Lớp vỏ electron của nguyên tử helium hoàn chỉnh và rất ổn định. Helium là một loại khí cao quý. Ở mức năng lượng thứ hai $(n = 2)$ có bốn quỹ đạo, một $s$ và ba $p$. Các electron của quỹ đạo $s-$ bậc hai ($2s$-orbital) có năng lượng cao hơn, bởi vì ở khoảng cách xa hạt nhân hơn so với các electron của quỹ đạo $1s$$(n = 2)$. Nói chung, với mỗi giá trị của $n$ có một quỹ đạo $s-$, nhưng với nguồn cung cấp năng lượng electron tương ứng trên nó và do đó, có đường kính tương ứng, tăng dần khi giá trị của $n$ tăng lên. 
$p-$ quỹ đạo có hình dạng của một quả tạ hoặc hình số tám đồ sộ. Cả ba quỹ đạo $p$ đều nằm trong nguyên tử và vuông góc với nhau dọc theo tọa độ không gian, được truyền qua hạt nhân nguyên tử. Cần nhấn mạnh một lần nữa rằng mỗi mức năng lượng (lớp điện tử), bắt đầu từ $n= 2$, có ba quỹ đạo $p$. Khi giá trị của $n$ tăng lên, các electron sẽ chiếm các quỹ đạo $p$ nằm trên khoảng cách xa từ lõi và hướng dọc theo các trục $x, y, z$.
Đối với các phần tử của chu kỳ thứ hai $(n = 2)$, quỹ đạo $s$ đầu tiên được lấp đầy, sau đó là ba quỹ đạo $p$; công thức điện tử $Li: 1s^(2)2s^(1)$. Electron $2s^1$ liên kết yếu hơn với hạt nhân nguyên tử, do đó nguyên tử lithium có thể dễ dàng từ bỏ nó (như bạn đã nhớ rõ, quá trình này được gọi là quá trình oxy hóa), biến thành ion lithium $Li^+$ .
Trong nguyên tử berili Be, electron thứ tư cũng nằm trong quỹ đạo $2s$: $1s^(2)2s^(2)$. Hai electron bên ngoài của nguyên tử berili dễ dàng tách ra - $B^0$ bị oxy hóa thành cation $Be^(2+)$.
Trong nguyên tử boron, electron thứ năm chiếm quỹ đạo $2p$: $1s^(2)2s^(2)2p^(1)$. Tiếp theo, các nguyên tử $C, N, O, F$ chứa đầy quỹ đạo $2p$, kết thúc tại khí hiếm neon: $1s^(2)2s^(2)2p^(6)$.
Đối với các phần tử của chu kỳ thứ ba, các quỹ đạo $3s-$ và $3p$ lần lượt được lấp đầy. Năm quỹ đạo $d$-cấp thứ ba vẫn còn trống:
$↙(11)Na 1s^(2)2s^(2)2p^(6)3s^(1)$,
$↙(17)Cl 1s^(2)2s^(2)2p^(6)3s^(2)3p^(5)$,
$↙(18)Ar 1s^(2)2s^(2)2p^(6)3s^(2)3p^(6)$.
Đôi khi trong sơ đồ mô tả sự phân bố electron trong nguyên tử, chỉ số lượng electron ở mỗi mức năng lượng được biểu thị, tức là. viết công thức điện tử viết tắt của nguyên tử các nguyên tố hóa học, trái ngược với công thức điện tử đầy đủ nêu trên, ví dụ:
$↙(11)Na 2, 8, 1;$ $↙(17)Cl 2, 8, 7;$ $↙(18)Ar 2, 8, 8$.
Đối với các nguyên tố có chu kỳ lớn (thứ tư và thứ năm), hai electron đầu tiên lần lượt chiếm các quỹ đạo $4s-$ và $5s$: $↙(19)K 2, 8, 8, 1;$ $↙(38)Sr 2 , 8, 18, 8, 2$. Bắt đầu từ phần tử thứ ba của mỗi thời gian dài, mười electron tiếp theo sẽ lần lượt chuyển sang các quỹ đạo $3d-$ và $4d-$ trước đó (đối với các phần tử của các nhóm con bên): $↙(23)V 2, 8, 11, 2;$ $↙(26) Thứ 2, 8, 14, 2;$ $↙(40)Zr 2, 8, 18, 10, 2;$ $↙(43)Tc 2, 8, 18, 13, 2$. Theo quy định, khi cấp dưới $d$ trước đó được lấp đầy, cấp bên ngoài ($4р-$ và $5р-$, tương ứng) $р-$sublevel sẽ bắt đầu được lấp đầy: $↙(33)As 2, 8 , 18, 5;$ $ ↙(52)T 2, 8, 18, 18, 6$.
Đối với các nguyên tố có chu kỳ lớn - thứ sáu và thứ bảy không đầy đủ - các cấp độ điện tử và cấp độ con chứa đầy các electron, theo quy luật, như thế này: hai electron đầu tiên đi vào cấp độ con $s-$ bên ngoài: $↙(56)Ba 2, 8 , 18, 18, 8, 2;$ $↙(87)Fr 2, 8, 18, 32, 18, 8, 1$; một electron tiếp theo (cho $La$ và $Ca$) đến cấp con $d$ trước đó: $↙(57)La 2, 8, 18, 18, 9, 2$ và $↙(89)Ac 2, 8, 18, 32, 18, 9, 2$.
Sau đó, các electron $14$ tiếp theo sẽ chuyển sang mức năng lượng bên ngoài thứ ba, tới quỹ đạo $4f$ và $5f$ của lanthanide và Actinide, tương ứng: $↙(64)Gd 2, 8, 18, 25, 9, 2; $ $↙(92 )U 2, 8, 18, 32, 21, 9, 2$.
Sau đó, mức năng lượng bên ngoài thứ hai ($d$-sublevel) của các phần tử của các nhóm con bên sẽ bắt đầu hình thành trở lại: $↙(73)Ta 2, 8, 18, 32, 11, 2;$ $↙(104)Rf 2, 8, 18, 32, 32, 10, 2$. Và cuối cùng, chỉ sau khi cấp con $d$ được lấp đầy hoàn toàn với 10 electron thì cấp con $p$ sẽ được lấp đầy trở lại: $↙(86)Rn 2, 8, 18, 32, 18, 8$.
Cấu trúc của lớp vỏ điện tử của nguyên tử thường được mô tả bằng cách sử dụng các tế bào năng lượng hoặc lượng tử - cái gọi là công thức đồ họa điện tử. Đối với ký hiệu này, ký hiệu sau được sử dụng: mỗi ô lượng tử được chỉ định bởi một ô tương ứng với một quỹ đạo; Mỗi electron được biểu thị bằng một mũi tên tương ứng với hướng quay. Khi viết công thức đồ họa điện tử, bạn nên nhớ hai quy tắc: nguyên lý Pauli, theo đó không thể có nhiều hơn hai electron trong một tế bào (quỹ đạo), nhưng có spin phản song song, và Quy tắc F. Hund, theo đó các electron lần lượt chiếm giữ các ô tự do và đồng thời có cùng giá trị quay lại, và chỉ sau đó giao phối, nhưng lưng, theo nguyên tắc Pauli, sẽ ở hướng ngược nhau.
Bất kỳ chất nào cũng được tạo thành từ những hạt rất nhỏ gọi là nguyên tử . Nguyên tử là hạt nhỏ nhất của một nguyên tố hóa học giữ lại toàn bộ thành phần đó tính chất đặc trưng. Để tưởng tượng kích thước của một nguyên tử, chỉ cần nói rằng nếu chúng có thể được đặt gần nhau thì một triệu nguyên tử sẽ chiếm khoảng cách chỉ 0,1 mm.
Sự phát triển sâu hơn của khoa học về cấu trúc vật chất cho thấy nguyên tử cũng có cấu trúc phức tạp và bao gồm các electron và proton. Đây là cách nó phát sinh lý thuyết điện tử cấu trúc của vật chất.
Vào thời cổ đại người ta đã phát hiện ra rằng có hai loại điện: dương và âm. Lượng điện chứa trong cơ thể được gọi là điện tích. Tùy thuộc vào loại điện mà cơ thể sở hữu, điện tích có thể dương hoặc âm.
Thực nghiệm cũng đã chứng minh rằng các điện tích cùng loại thì đẩy nhau và các điện tích khác loại thì hút nhau.
Hãy xem xét cấu trúc điện tử của nguyên tử. Nguyên tử được tạo thành từ những hạt thậm chí còn nhỏ hơn chính chúng, gọi là điện tử.
SỰ ĐỊNH NGHĨA:Electron là hạt vật chất nhỏ nhất có điện tích âm nhỏ nhất.
Các electron quay quanh một hạt nhân trung tâm gồm một hoặc nhiều proton Và neutron, theo quỹ đạo đồng tâm. Electron là hạt mang điện tích âm, proton mang điện tích dương và neutron mang điện tích trung tính (Hình 1.1).
SỰ ĐỊNH NGHĨA:Proton là hạt vật chất nhỏ nhất có điện tích dương nhỏ nhất.
Sự tồn tại của electron và proton là điều không còn nghi ngờ gì nữa. Các nhà khoa học không chỉ xác định khối lượng, điện tích và kích thước của electron và proton mà còn làm cho chúng hoạt động được trong nhiều thiết bị kỹ thuật điện và vô tuyến khác nhau.
Người ta cũng phát hiện ra rằng khối lượng của một electron phụ thuộc vào tốc độ chuyển động của nó và electron không chỉ chuyển động về phía trước trong không gian mà còn quay quanh trục của nó.
Cấu trúc đơn giản nhất là nguyên tử hydro (Hình 1.1). Nó bao gồm một hạt nhân proton và một hạt quay tốc độ cực lớn xung quanh hạt nhân electron, tạo thành lớp vỏ ngoài (quỹ đạo) của nguyên tử. Hơn nguyên tử phức tạp có nhiều lớp vỏ mà các electron quay qua đó.
Những lớp vỏ này được lấp đầy tuần tự từ hạt nhân bằng các electron (Hình 1.2).
Bây giờ chúng ta hãy nhìn vào nó . Lớp vỏ ngoài cùng được gọi là hóa trị, số electron chứa trong nó gọi là hóa trị. Càng ở xa lõi vỏ hóa trị, do đó, lực hút mà mỗi electron hóa trị chịu từ hạt nhân càng ít. Như vậy, nguyên tử tăng khả năng gắn các electron vào chính nó trong trường hợp lớp vỏ hóa trị không được lấp đầy và nằm xa hạt nhân, hoặc bị mất chúng.
Các electron lớp ngoài có thể nhận được năng lượng. Nếu các electron nằm trong lớp hóa trị nhận được mức năng lượng cần thiết từ ngoại lực, chúng có thể tách ra khỏi nó và rời khỏi nguyên tử, tức là trở thành các electron tự do. Các electron tự do có thể di chuyển ngẫu nhiên từ nguyên tử này sang nguyên tử khác. Những vật liệu chứa nhiều electron tự do được gọi là dây dẫn
.
Chất cách điện
, là nghịch đảo của dây dẫn. Chúng ngăn chặn sự rò rỉ dòng điện. Chất cách điện ổn định vì các electron hóa trị của một số nguyên tử lấp đầy vỏ hóa trị của các nguyên tử khác, nối chúng lại với nhau. Điều này ngăn cản sự hình thành các electron tự do.
Chiếm vị trí trung gian giữa chất cách điện và dây dẫn chất bán dẫn
, nhưng chúng ta sẽ nói về chúng sau
Hãy xem xét tính chất của nguyên tử. Một nguyên tử có cùng một số electron và proton trung hòa về điện. Nguyên tử nhận thêm một hay nhiều electron sẽ nhiễm điện âm và được gọi là ion âm. Nếu một nguyên tử mất một hoặc nhiều electron, nó sẽ trở thành ion dương, nghĩa là nó sẽ tích điện dương.