Існування закономірного зв'язку між усіма хімічними елементами, яскраво виражене в періодичній системі, наштовхує на думку про те, що в основі всіх атомів лежить щось загальне, що всі вони знаходяться в близькій спорідненості одна з одною. Однак до кінця 19 ст. у хімії панувало метафізичне переконання, що атом є найменша частка простої речовини, остання межа подільності матерії. При всіх хімічних перетвореннях руйнуються і знову створюються тільки молекули, атоми ж залишаються незмінними і не можуть дробитися на більш дрібні частини.
       Але всі ці припущення в той час ще не могли бути підтверджені якими або експериментальними даними. Лише наприкінці 19ст. були зроблені відкриття, що показали складність будови атома і можливість перетворення при відомих умовах одних атомів в інші. На основі цих відкриттів початок швидко розвиватися вчення про будову атома. Перші вказівки на складну структуру атомів були отримані при вивченні катодних променів, що виникають при електричному розряді в сильно розріджених газах. Для спостереження цих променів зі скляної трубки, в яку
упаяні два металеві електроди, викачує з
можливості все повітря і потім пропускається крізь
неї струм високої напруги. За таких умов від
катода трубки перпендикулярно до його поверхні
поширюються "невидимі" катодні промені, що викликають
яскраве зелене свічення в тому місці, куди вони
потрапляють. Катодні промені мають здатність
приводити в рух на їхньому шляху легко рухомі тіла і
відкланявся від свого початкового шляху в
магнітному та електричному полі (в останньому в сторону
позитивно зарядженої пластини). Дія катодних
променів виявляється тільки усередині трубки, так як
скло для них непроникно. Вивчення властивостей
катодних променів привело до висновку, що вони
являють собою потік дрібних часток, що несуть
негативний електричний заряд і що летять з
швидкістю, що досягає половини швидкості світла.
Особливими прийомами вдалося визначити масу катодний частки і величину їх заряду. Виявилося, що маса кожної частки дорівнює 0,00055 вуглецевої одиниці, що складає всього 1.1840 частина маси водню, найлегшого з усіх атомів. Заряд катодного частки
дорівнює 1,602 10 кулона, або 4,803 10
електростатичних одиниць. Особливо чудово, що
маса частинок і величина їх заряду не залежить ні від
природи газу, що залишається в трубці, ні від речовини з
якого зроблені електроди, ні від інших умов досвіду. Крім того, катодні частки відомі тільки в зарядженому стані і не можуть бути позбавлені своїх зарядів, не можуть бути перетворені на електронейтральної частинки: електричний заряд становить, саму сутність їхньої природи. Ці частинки отримали назву електронів. За сучасними поглядами, заряд електрона є найменший електричний заряд, найменшу кількість електрики, яке тільки може існувати. У катодних трубках електрони відокремлюються від катода під впливом електричного заряду. проте вони можуть виникати і поза всяким зв'язком з електричним зарядом. Так, наприклад, всі метали випускають електрони при прожарюванні; в полум'я пальника також присутні електрони; багато речовин викидають електрони при освітленні ультрафіолетовим, або рентгенівськими променями світла (фотоефект). Виділення електронів найрізноманітнішими речовинами вказує на те, що ці частинки входять до складу всіх атомів; отже атоми є складними утвореннями, побудованими з більш дрібних структурних одиниць. Вивчення будову атома практично почалося в 1897-1898 рр.., Після того як була остаточно встановлена природа катодних променів як потоку електронів і були визначені величина заряду і маса електрона. Факт виділення електронів найрізноманітнішими речовинами приводив до висновку, що електрони входять до складу всіх атомів. Але атом електрично нейтральний; отже, він повинен містити в собі ще іншу складову частину, заряджену позитивно, причому її заряд повинен врівноважувати суму негативних зарядів електронів, Ця позитивно заряджена частина атома була відкрита в 1911 р. Резерфордом при дослідженні руху-частинок в газах і інших речовинах. -частинки викидаються атомами радіоактивних елементів, що являють собою позитивно заряджені іони
гелію, швидкість руху яких досягає 20000 км/сек. Завдяки такій величезній швидкості-частинки, пролітаючи через повітря і зустрічаючись з молекулами газів, вибивають з них електрони. Молекули, що втратили електрони, стають заряджені
позитивно, вибиті ж електрони зараз приєднуються до інших молекул, заряджаючи їх негативно. Таким чином, у повітрі на шляху-частинок утворюються позитивно і негативно заряджені іони газу. Здатність-частинок іонізувати повітря була використана англійською
фізиком Вільсоном для того, щоб зробити видимими шляху руху окремих часток і сфотографувати іх.В
Надалі апарат для фотографування-частинок був названий камерою Вільсона. Розглядаючи шляху руху-частинок у камері Вільсона, ми бачимо, що вони прямолінейни.В той же час, як показує теорія, кожна частка протягом свого шляху. а він досягає в повітрі 11см, повинна зустріти сотні тисяч атомів. Якщо проте шлях її залишається прямолінійним, то це можна пояснити тільки тим, що
-частка пролітає крізь атоми. Більш ретельне дослідження цього явища показало, що при проходженні пучка паралельних променів крізь шар газу або тонку металеву пластинку виходять вже не паралельні, а дещо розходяться: відбувається
розсіювання-частинок, тобто відхилення від їх первісного путі.Угли відхилення невеликі, але
завжди є невелике число часток (1/8000), які відхиляються дуже сильно, деякі частинки
відкидаються тому, як якби на шляху зустрілося щось тверде непроникне. (додати про те, що це не електрони їх маса в 7500 разів менше маси-частинок, відхилення через позитивних частинок того ж порядку, що і-частинки) Виходячи з цих міркувань, Резерфорд запропонував наступну схему
будови атома. В центрі атома знаходиться позитивно заряджену ядро, навколо якого по різних орбітах обертаються електрони. Виникає при їх обертанні відцентрова сила врівноважується тяжінням між ядром і електронами, вседствіі цього залишаються на певних відстанях від ядра. Оскільки маса електрона нікчемна мала, то майже вся маса зосереджена в його ядрі. Розміри атома і його окремих частин виражається наступними числами: діаметр атома - 10 см., діаметр електрона - 10 см і діаметр ядра від 10 до 10 см. Звідси зрозуміло, що на частку ядра і електронів, число яких, як побачимо далі, порівняно невелика , приходиться лише, мізерна частина всього простору, зайнятого атомної системою. Запропонована Резерфордом схема будови атома або, як звичайної кажуть, модель атома, легко пояснює явища відхилення-частинок. Дійсно, розміри ядра й електронів дуже малі в порівнянні з розмірами всього атома, які визначаються орбітами найбільш віддалених від ядра електронів, тому більшість-частинок пролітає через атоми без помітного відхилення. Тільки в тих випадках, коли-частинки дуже близько підходить до ядра, електричне відштовхування викликає різке відхилення її від початкового шляху. Таким чином, вивчення розсіювання-частинок поклало початок ядерної теорії атома. Одним із завдань, що стояли перед теорією будови атома на початку її розвитку, було визначення величини заряду ядра різних атомів. Так як атом електрично нейтральний, то, визначивши заряд ядра, можна було б встановити і число тих, що оточують ядро електронів. У вирішенні цього завдання цієї велику допомогу надало вивчення спектрів рентгенівських променів. Рентгенівські промені виникають при ударі швидко летять електронів про будь-яке тверде тіло і відрізняються від променів видимого світла тільки значно меншою довжиною хвилі. У той час як короткі світлові хвилі мають довжину близько 4000 Ангстрема (фіолетові промені), довжини хвиль рентгенівських променів лежать в межах від 20 до 0,1 ангстрема. Щоб отримати спектр рентгенівських променів, не можна користуватися звичайною призмою або дифракційної гратами. Теоретично для променів з такою короткою довжиною хвилі, як рентгенівські промені, треба було приготувати дифракційної гратки з 1000000 поділів на 1 мм. Так як штучно приготувати такі грати неможливо, то довгий час спектр рентгенівських променів не вдавалося отримати. У 1912 р. швейцарського фізика Лауе виникла думка використовувати кристали як дифракційної гратки для рентгенівських променів. Закономірне розташування атомів в кристалах і дуже малі відстані між ними давали підставу припускати, що кристал як раз і може зіграти роль необхідної дифракційної решітки. Досвід блискуче підтвердив припущення Лауе, незабаром вдалося побудувати прилади, які давали можливість отримувати спектри рентгенівських променів майже всіх елементів. Для отримання рентгенівських спектрів антікатод в рентгенівських трубках роблять з того металу, спектр якого хочуть отримати, або ж завдають підключення досліджуваного елемента. Екраном для спектру служить фотографічна платівка або папір; після прояву на ній видно всі лінії спектра. У 1913 р. англійський вчений Мозлі, вивчаючи рентгенівські спектри знайшов співвідношення між довжиною хвиль рентгенівських променів і порядкового номерами відповідних елементів - це носить назву закону Мозлі і може бути сформульовані наступним чином: Корені квадратні з обернених значень довжин хвиль знаходяться в лінійній залежності від порядкових номерів елементів.
       Ще до робіт Мозлі деякі теоретичні міркування дозволяли припустити, що порядковий номер елемента вказує число позитивних зарядів ядра його атома. У той же час Резерфорд, вивчаючи розсіювання-частинок при проходженні через тонкі металеві пластинки, знайшов, що якщо заряд електрона прийняти за одиницю, то що виражається в
таких одиницях заряд ядра приблизно дорівнює
половині атомної ваги елемента. Порядковий номер, за
принаймні більш легких елементів, теж дорівнює
приблизно половині атомної ваги. Усе разом узяте
привело до висновку, що Заряд ядра чисельно дорівнює
порядковому номеру елемента. Таким чином, закон
Мозлі дозволив визначити заряди атомних ядер. Тим самим, з огляду на нейтральності атомів, було встановлено і число електронів, що обертаються навколо ядра в атомі
       кожного елемента. Ядерна модель атома Резерфорда одержала свій подальший розвиток завдяки роботам Нільса Бора, у яких вчення про будову атома нерозривно пов'язується з вченням про походження спектрів. Лінійчатих спектри виходять при розкладанні світла що випускається розпеченими парами або газами. Кожному елементу відповідає свій спектр, що відрізняється від спектрів інших елементів. Більшість металів дає дуже складні спектри, що містять величезне число ліній (у залозі до 5000), але зустрічаються і порівняно прості спектри. Розвиваючи ядерну теорію Резерфорда, учені прийшли до думки, що складна структура лінійчатих спектрів обумовлена що відбуваються усередині атомів коливаннями електронів. По теорії Резерфорда, кожен електрон обертається навколо ядра, причому сила притягання ядра врівноважується відцентрової силою, що виникає при обертанні електрона. Обертання електрона зовсім аналогічно його швидким коливанням і повинне викликати випускання електромагнітних хвиль. Тому можна припустити, що обертається електрон випромінює світло певної довжини хвилі, що залежить від частоти
звернення електрона по орбіті. Але, випромінюючи світло,
електрон втрачає частину своєї енергії, в наслідок чого
порушується рівновага між ним і ядром; для
відновлення рівноваги електрон повинен поступово
пересуватися ближче до ядра, причому так само поступово
буде змінюватися частота звернення електрона і
характер випускається їм світла. Врешті-решт,
вичерпавши всю енергію, електрон повинний "упасти" на
ядро, і випромінювання світла припиниться. Якщо б на самому
справі відбувалося таке безперервне зміна руху
електрона, то і спектр виходив би завжди
безперервний, а не з променями визначеної довжини хвилі.
Крім того, "падіння" електрона на ядро означало б руйнування атома і припинення його існування. Таким чином, теорія Резерфорда була неспроможна пояснити не тільки закономірності в розподілі ліній спектра, ні і саме існування лінійчатих спектрів. У 1913 р. Бор запропонував сою теорію будови атома, в якій йому вдалося з великим мистецтвом погодити спектральні явища з ядерною моделлю атома, застосувавши до останньої так звану квантову теорію випромінювання, введену в науку німецьким
вченим-фізиком Планком. Сутність теорії квантів зводиться до того, що променева енергія випускається і поглинається не безупинно, як приймалося раніш, а окремими малими, але цілком визначеними порціями - квантами енергії. Запас енергії випромінюючого тіла змінюється стрибками, квант за квантом; дробове число квантів тіло не може ні випускати, ні поглинати. Величина кванта енергії залежить від частоти випромінювання: чим більше частота випромінювання, тим більше величина кванта. Позначаючи квант енергії через, можна написати: = де - постійна величина, так звана
константа Планка, що дорівнює 6,625 10 ерг сек. Кванти променистої енергії називаються також фотонами. Застосувавши квантові уявлення до обертання електронів навколо ядра, Бор поклав в основу своєї теорії дуже сміливі припущення, або постулати. Хоча ці постулати і суперечать законам класичної електродинаміки, але вони знаходять своє виправдання в тих разючих результатах, до яких приводять, і в тому цілковиту згоду, яке виявляється між теоретичними результатами і величезним числом експериментальних фактів. Постулати Бора полягають у наступному: Електрон може рухатися навколо не з будь-яких орбітах, а
тільки по таких, які задовольняють певними умовами, що випливають з теорії квантів. Ці орбіти
отримали назву стійких чи квантових орбіт. Коли електрон рухається по одній з можливих для
нього стійких орбіт, то він не випромінює. Перехід електрона з вилученої орбіти на більш близьку супроводжується втратою енергії. Загублена атомом при кожнім переході енергія перетворюється в один квант променевої енергії. Частота випромінюваного при цьому світла визначається радіусами тих двох орбіт, між якими відбувається перехід електрона. Позначивши запас енергії атома при положенні електрона на більш віддаленій від ядра орбіті через Е, а на більш близькій через Е і розділивши втрачену атомом енергію Е - Е на постійну Планка, отримаємо шукану частоту:
=------< br />        Чим більше відстань від орбіти, на якій знаходиться електрон, до тієї, на яку він переходить,
тим більше частота випромінювання. Найпростішим з атомів
є атом водню; навколо ядра якого
обертається тільки один електрон. Виходячи з наведених
постулатів, Бор розрахував радіуси можливих орбіт для
цього електрона і знайшов, що вони відносяться, як
квадрати натуральних чисел: 1: 2: 3: ... n Величина
n одержала назву головного квантового числа. Радіус
найближчої до ядра орбіти в атомі водню дорівнює
0,53 ангстрема. Обчислені звідси частоти випромінювань, що супроводжують переходи електрона з однієї орбіти на іншу, виявилися в точності збігаються з частотами, знайденими на досліді для ліній водневого
спектру Тим самим була доведена правильність розрахунку
стійких орбіт, а разом з тим і можливість застосувати
постулати Бора для таких розрахунків. Надалі
теорія Бора була поширена і на атомну структуру
інших елементів, хоча це було пов'язано з деякими проблемами через її новизну.
       Теорія Бора дозволила розв'язати дуже важливе питання про розташування електронів в атомах різних елементів і установити залежність властивостей елементів від будови електронних оболонок їхніх атомів. В даний час розроблені схеми будови атомів усіх хімічних елементів. Однак, мати на увазі, що всі ці схеми це лише більш-менш достовірна гіпотеза, що дозволяє пояснити багато фізичних і хімічних властивостей елементів. Як раніше вже було
сказанно, число електронів, що обертаються навколо ядра
атома, відповідає порядковому номеру елемента в
періодичної системи.
       Електрони розташовані по шарах, тобто кожному шару належить визначене що заповнюють чи насичують його число електронів. Електрони і
того самого шару характеризуються майже однаковим запасом
енергії, тобто знаходяться приблизно на однаковому
енергетичному рівні. Вся оболонка атома розпадається
на кілька енергетичних рівнів. Електрони
кожного наступного шару знаходяться на більш високому
енергетичному рівні, чим електрони попереднього
шару. Найбільше число електронів N, що можуть
знаходитися на даному енергетичному рівні, так само
подвоєному квадрату номера шару:
N = 2n
       де n-номер шару. Таким чином на 1-2, на 2-8, на 3-18 і т.д. Крім того, встановлено, що число електронів у зовнішньому шарі для всіх елементів, крім
паладію, не перевищує восьми, а в передостанньому -
вісімнадцяти.
       Електрони зовнішнього шару, як найбільш віддалені від ядра і, отже, найменш міцно
пов'язані з ядром, можуть відриватися від атома і
приєднуватися до інших атомів, входячи до складу
зовнішнього шару останніх. Атоми, що позбавилися одного
або декількох електронів, стають заряджені
позитивно, тому що заряд ядра атома перевищує
суму зарядів електронів, що залишилися. Навпаки атоми
приєднали електрони, стають заряджені
негативно. Утворені таким шляхом заряджені
частки, якісно відмінні від відповідних
атомів. називаються іонами. Багато іони в свою чергу
можуть втрачати чи приєднувати електрони, перетворюючись
при цьому або в електронейтральної атоми, або в нові
іони з іншим зарядом.
       Теорія Бора зробила величезні послуги фізики і хімії, підійшовши, з одного боку, до розкриття законів спектроскопії і поясненню механізму випромінювання, а з іншого - до з'ясування структури окремих атомів і встановленню зв'язку між ними. Однак залишалося ще багато явищ у цій області, пояснити які теорія Бора не могла.
       Рух електронів в атомах малювалося Бору до певної міри як просте механічне переміщення, між тим як воно є досить складним і своєрідним. Своєрідність руху електронів було розкрито нової теорії - квантової, або хвильової, механікою. Квантова механіка показує, що закони руху електронів мають багато спільного з законами поширення хвиль. Я хочу лише основне рівняння хвильової механіки, у зв'язку з її складністю: що пов'язують довжину хвилі для потоку електронів з їх швидкістю і масою:
=-----< br /> де h-постійна Планка.
       Охоплюючи більш широке коло явищ, ніж теорія Бора, вирішує ряд питань, з якими теорія Бора справиться не змогла.
       Так, наприклад, за допомогою хвильової механіки отримує пояснення стійкість лише певних електронних орбіт. "Стійких" є лише ті
орбіти, на яких укладається ціле число хвиль. Так
як довжина кругової орбіти з радіусом r дорівнює 2 r, то
стійкість орбіти буде визначаться ур-ням:
2 r =------< br />        де n-ціле число. Це і є математичний вираз першого постулату Бора, яке він у 1913 р. поклав в основу розрахунку руху електрона в атомі водню.
       У наведеному вище ур-ня n-головне квантове число. Приймає значення будь-якого натурального числа.
       1) Головне квантове число n визначає рівень енергії, якому відповідає дана орбіта, і її віддаленість від ядра. Головне квантове число визначає середнє радіальний розподіл електронної щільності близько ядра. Крім головного квантового числа, стан електрона в атомі характеризується ще трьома іншими квантовими числами: l, m, s.
       2) Побічна (азимутальні) квантове число l характеризує момент кількості руху електрона щодо центру орбіти. Воно визначає форму електронної хмари (форму орбіти), його суцільності або розриви і його витягнутість. (s, p, d орбіталі)
       3) Магнітне квантове число m визначає положення площини орбіти електрона в просторі або, відповідно до подання хвильової механіки, той напрямок, у якому витягнуто електронне хмара. Так само по модулю l.
       4) Спіновое квантове число s визначає напрямок обертання електрона. може приймати тільки два значення.
       На підставі аналізу спектрів та обліку положення елементів у періодичній системі фізиком
Паулі був знайдений загальний принцип, що дозволяє обрати ті поєднання квантових чисел, які відповідають реальній дійсності. Згідно з цим принципом два електрони в атомі не можуть мати чотири однакових квантових числа.