Атом

Атом (від греч.(грецький) atomos — неділимий), частка речовини мікроскопічних розмірів і дуже малої маси (мікрочастка), найменша частина хімічного елементу, що є носієм його властивостей. Кожному елементу відповідає певний рід А., що позначаються символом елементу (наприклад, А. водню Н: А. залоза Fe; А. ртуть Hg; А. урану U).

  А. можуть існувати як у вільному стані, в газі, так в е р б зв'язаному. З'єднуючись хімічно з А. того ж елементу або А. інших елементів, вони утворюють складніші мікрочастки — молекули, все величезне різноманіття хімічних сполук обумовлене різними поєднаннями А. у молекулах. Зв'язуючись один з одним безпосередньо .ілі у складі молекул, А. утворюють рідини і тверді тіла.

  Властивості макроскопічних тіл — газоподібних, рідких і твердих — і властивості окремих молекул залежать від властивостей тих, що входять в їх склад А. Все властивості А., фізичні і хімічні, визначаються його будовою як системи, що складається з ядра і електронів, і підкоряються характерним для мікроскопічних явищ квантовим законам. Нижче викладаються сучасні уявлення про будову і властивості А. (історію розвитку учення про А. див.(дивися) в ст. Атомна фізика ).

  Загальна характеристика будови атома. А. складається з важкого ядра, що володіє позитивним електричним зарядом, і що оточують його легких електронів з негативними електричними зарядами, створюючих електронні оболонки А. Размери А. в цілому визначаються розмірами його електронної оболонки і великі в порівнянні з розмірами ядра А.

  Характерні порядки розмірів:

* Поперечний перетин.

  Електронні оболонки А. не мають строго певного кордону; значення розмірів А. більшою чи меншою мірою залежать від способів їх визначення і вельми всілякі (див. Атомні радіуси ).

  Заряд ядра — основна характеристика А., приналежність, що обумовлює його, певному елементу. Заряд ядра завжди є цілим кратним елементарного позитивного електріч. заряду е , рівного по абсолютному значенню заряду електрона -е . Заряд ядра рівний + Ze , де Z — порядковий номер (атомний номер). Z = 1, 2, 3, 4... для А. послідовних елементів в періодичній системі елементів Менделєєва, тобто для атомів Н, Не, Li, Ве ...У нейтральному А. ядро із зарядом + Ze утримує Z електронів із загальним зарядом — Ze і повний заряд А. дорівнює нулю; у позитивному іоні —А., , що втратив, до електронів (іонізованном А.), залишається Z— до електронів ( до = 1, 2, 3 ... — кратність іонізації) і його заряд рівний + ke , в негативному іоні —А., , що приєднав, до електронів, - міститься Z + до електронів, і його заряд рівний — ke . Для позитивного іона максимальне значення до = Z (такий іон втратив всі свої електрони і складається з «голого» ядра); для негативного вільного іона до = 1, для зв'язаних А. можливе утворення негативних іонів з до > 1 (у розчинах, комплексних з'єднаннях і іонних кристалах ). Кажучи про А. певного елементу, мають на увазі як нейтральні А., так і іони цього елементу. Але інколи під А. розуміють нейтральний А., в протилежність іонам. Позитивні і негативні іони при написанні відрізняють від нейтрального А. індексом до + і до —, наприклад Про позначає нейтральний А. кисню ( Z = 8), О ⁺ , О ²⁺ (або O ⁺⁺ ), O ³⁺ ..., O ⁸⁺ — його позитивні іони, О ^— , O ^2— (або О ^— — його негативні іони. Сукупність нейтрального А. і іонів інших елементів з тим же числом електронів утворює ізоелектронний ряд. Простий такий ряд починається з А. водню: H, He ⁺ , Li ²⁺ , Be ³⁺ ...; члени цього ряду складаються з ядра і одного електрона.

  Порядок значень зарядів ядер різних А. був визначений англійським фізиком Е. Резерфордом в його первинних дослідах по розсіянню альфа-часток (1911). Значення Z були надійно встановлені англійським фізиком Г. Мозлі (1913—14) на основі вивчення рентгенівських спектрів послідовних елементів в періодичній системі. Кратність заряду ядра А. елементарному заряду е отримала пояснення, виходячи з уявлень про будову ядра: Z дорівнює числу протонів в ядрі, протон має заряд + е , і повний заряд ядра дорівнює сумі зарядів всіх Z протонів, тобто + Ze .

  Маса атома зростає із збільшенням Z . Маса ядра А. приблизно пропорційна масовому числу А — загальному числу протонів і нейтронів в ядрі. Маса електрона (0,91 10 ^—27 г ) значно менше (приблизно у 1840 разів) маси протона або нейтрона (1,67 10 ^—24 г ), і тому маса А. в цілому визначається в основному масою його ядра.

  А. даного елементу можуть відрізнятися масою ядра (число протонів Z постійно, число нейтронів А—z може мінятися); такі різновиди А. одного і того ж елементу називаються ізотопами . Відмінність маси ядра майже не позначається на будові їх електронних оболонок, залежній від заряду ядра Z . Хімічні і більшість фізичних властивостей (оптичні, електричні, магнітні), визначувані будовою електронних оболонок, однакові або дуже близькі для всіх ізотопів даною елементу. Найбільші відмінності у властивостях (ізотонічні ефекти) виходять для ізотопів водню ( Z = 1) із-за великої різниці в масах звичайної легені А. водню ( А = 1), А. дейтерію ( А = 2) і А. тритію ( А = 3).

  Маса А. приблизно дорівнює масовому числу А і змінюється від 1,67 10 ^—24 г для найлегшого А. водню (основного ізотопу: Z = 1, A = 1) до приблизно 4 10 ^—22 г для найважчих А. трансуранових елементів ( Z = 100, А = 250).

  Найбільш точні значення мас А. можуть бути визначені методами мас-спектроскопії . Маса А. не дорівнює в точності сумі маси ядра і мас електронів, а декілька менше — на дефект маси D М-коду = W/c ² '', де W — енергія утворення А. з ядра і електронів, а з — швидкість світла. Ця поправка — порядку маси одного електрона m _е для важких А., а для легенів А. нехтує мала (порядку 10 ^—4 маси електрона).

  Енергія атома і її квантування. Завдяки малим розмірам і великій масі ядра його можна приблизно вважати точковим і таким, що покоїться в центрі мас А. (загальний центр мас ядра і електронів знаходиться поблизу ядра, а швидкість руху ядра відносно центру мас А. мала в порівнянні з швидкостями руху електронів). Відповідно А. можна розглядати як систему, в якій N електронів із зарядами — е рухаються довкола нерухомого притягуючого центру. Рух електронів в А. відбувається в обмеженому об'ємі — воно є зв'язаним. Повна внутрішня енергія А. Е дорівнює сумі кінетичних енергій всіх електронів Т і потенційній енергії U — енергії тяжіння їх ядром і відштовхування їх один від одного (електростатичній енергії взаємодії електричних зарядів ядра і електронів, згідно із законом Кулона).

  В простому випадку А. водню один електрон із зарядом — е рухається довкола нерухомого центру із зарядом + е . В цьому випадку, згідно з класичною механікою, кінетична енергія

Т = ¹ / ₂ mv =p ² / 2 m     (1)

  де m — маса, v — швидкість, p = mv — кількість руху (імпульс) електрона. Потенційна енергія (що зводиться до енергії тяжіння електрона ядром)

U = U ( r ) = —e ² /r      (2)

і залежить лише від відстані r електрона від ядра. Графічно функція U ( r ) зображається кривою ( мал. 1 , а ) , що необмежено убуває при зменшенні r , тобто при наближенні електрона до ядра. Значення U ( r ) на нескінченності прийнято за нуль. При негативних значеннях повної енергії Е = Т + U < 0 рух електрона є зв'язаним: воно обмежене в просторі значеннями r = r _max , при яких Т = 0, Е = U ( r _max ) . При позитивних значеннях повної енергії E = T + U > 0 рух електрона є вільним — він може піти на нескінченність з енергією Е = Т = ¹ / ₂ mv ² , що відповідає іонізованному А. водню Н ⁺ . Нейтральний А. водню Н представляє, т. о., систему, що складається з ядра і електрона в зв'язаному стані з енергією E < 0.

  Повна внутрішня енергія А. Е є його основною характеристикою як квантової системи — системи, що підкоряється квантовим законам (див. Квантова механіка ). Як показує величезний експериментальний матеріал (див., наприклад, Франка—Герца досвід ), А. може тривало знаходитися лише в станах з певною енергією — стаціонарних (незмінних в часі) станах.

  Існування стаціонарних станів — один з основних законів фізики мікроскопічних явищ — квантової фізики. Внутрішня енергія квантової системи, що складається із зв'язаних мікрочасток (такою системою і є А.), може приймати одне з дискретного (переривчастого) ряду значень

E ₁ , E ₂ , E ₃ ... ( E ₁ < E ₂ < E ₃ < ... ) .     (3)

  Кожному з цих «дозволених» значень енергії відповідає одне або декілька стаціонарних квантових станів руху. Проміжними значеннями енергії (наприклад, лежачими між E ₁ і E ₂ , E ₂ і E ₃ і так далі) система володіти не може, про таку систему говорять, що її енергія квантована, а знаходження можливих значень енергії називається квантуванням енергії. Будь-яка зміна енергії Е пов'язане з квантовим (стрибкоподібним) переходом системи з одного стаціонарного квантового стану в інше (див. нижчий).

  Графічно можливі дискретні значення енергії (3) А. можна змалювати, по аналогії з потенційною енергією тіла, піднятого на різні висоти (на різні рівні), у вигляді схеми рівнів енергії, де кожному значенню енергії відповідає пряма, проведена на висоті E _i ( i = 1, 2, 3 ...); така схема приведена на мал. 1 , би для А. водню (на мал. 1 , а при E < 0 виявляються, т. о., можливими лише певні сходинки, сполучені горизонтальним пунктиром з рівнями схеми на мал.(малюнок) 1, би). Самий нижній рівень E _i , відповідний найменшій можливій енергії системи, називається основним, а всі інші ( E _i > Ei, г = 2, 3, 4 ...) — збудженими, оскільки для переходу на них (переходу в тих, що відповідні стаціонарні збуджені складаються із стаціонарного основного стану) необхідно збудити систему — повідомити її ззовні енергію E _i —E ₁ .

  Квантування енергії А. є наслідком хвилевих властивостей електронів. Не можна вважати, що електрон в А. рухається як матеріальна крапка по певній траєкторії, згідно із законами класичної механіки. Ці закони справедливі лише для часток великої маси (макрочасток), а для електрона, як мікрочастки необхідно враховувати, поряд з його корпускулярними властивостями (властивостями частки), і його хвилеві властивості. Згідно з квантовою механікою, руху мікрочастки маси m із швидкістю v відповідає довжина хвилі l = h/mv, де h — Планка постійна . Для електрона в А. l ~ 10 ^—8 см, тобто порядку лінійних розмірів А., і облік хвилевих властивостей електрона в А. є необхідним. Зв'язаний рух електрона в А. схоже з стоячою хвилею, і його слід розглядати не як рух матеріальної крапки по траєкторії, а як складний коливальний процес. Для стоячої хвилі в обмеженому об'ємі можливі лише певні значення довжини хвилі l (і, отже, частоти коливань v ). Оскільки, згідно з квантовою механікою, v = E/h звідси слідує, що система, що полягає, подібно А., із зв'язаних мікрочасток, може мати лише певні значення енергії, тобто енергія квантується і виходить дискретна послідовність рівнів енергії — дискретний енергетичний спектр. Для А. водню така дискретна послідовність виходить при Е < 0 (см. мал.(малюнок) 1 ). Вільне, тобто не обмежене в просторі, поступальна хода мікрочастки, наприклад рух електрона, відірваного від А. (у випадку А. водню — електрона з енергією Е > 0), схоже з поширенням хвилі в необмеженому об'ємі, що біжить, для якої можливі будь-які значення l (і v ). Енергія такої вільної мікрочастки може набувати будь-яких значень, тобто не квантується, і виходить безперервна послідовність рівнів енергії — безперервний енергетичний спектр. Для А. водню така безперервна послідовність відповідна іонізованному А., виходить при E > 0. Значення Е _¥ = 0 відповідає кордону іонізації, а різниця Е _¥ — Е ₁ = Е _іон представляє енергію іонізації: для А. водню вона рівна 13,6 ев .

  Розподіл електронної щільності. Полягання електрона в А. можна характеризувати розподілом в просторі його електричного заряду з деякою щільністю — розподілом електронної щільності. При цьому електрони розглядаються наочним чином, як що «розмазали» в просторі і створюючі «електронну хмару». Така модель правильніше характеризує електрони в А., чим модель точкового електрона, рухомого, згідно теорії Бору (див. Атомна фізика ) , по строго певних орбітах. В той же час боровським орбітам можна зіставити певні розподіли електронної щільності. Для основного рівня енергії Е ₁ електронна щільність концентрується поблизу ядра; для збуджених рівнів енергії E ₂ , E ₃ , E ₄ ... вона розподіляється на все великих середніх відстанях від ядра (що відповідає зростанню розміру орбіт в теорії Бору). У складному А. ці електрони групуються в оболонки, що оточують ядро на різних відстанях і що характеризуються певними розподілами електронної щільності. Міцність зв'язку електронів в більш зовнішніх оболонках менша, ніж у внутрішніх, і найслабкіше електрони зв'язані в самій зовнішній оболонці, що володіє найбільшими розмірами, які і визначають розміри А. в цілому. При іонізації А. втрачає зовнішні електрони; розміри позитивних іонів тим менше розмірів нейтрального А., чим вище кратність іона. Навпаки, розміри негативних іонів більше розмірів нейтрального А.

  Облік спину електрона і спину ядра. У теорії А. вельми существен облік спину електрона — його власного (спину) моменту кількості руху, з наочної точки зору відповідного обертанню електрона довкола власної осі (якщо електрон розглядати як частку малих розмірів). Із спином електрона зв'язаний його магнітний момент . Тому в А. необхідно враховувати, поряд з електростатичними взаємодіями (див. вищий), і магнітні взаємодії, визначувані магнітним моментом спину, а також орбітальним магнітним моментом, пов'язаним з рухом електрона довкола ядра; магнітні взаємодії малі в порівнянні з електростатичними. Найбільш істотний вплив спину виявляється в складних А.: від спину електронів залежить заповнення електронних оболонок А. певним числом електронів (див. нижчий).

  Ядро в А. також може володіти власним механічним моментом — ядерним спином, з яким пов'язаний невеликий ядерний магнітний момент (у сотні і тисячі разів менший електронного магнітного моменту), а в деяких випадках і т.з. квадрупольний електричний момент (див. Моменти атомних ядер ) . Це приводить до додатковим дуже малим взаємодіям ядра і електронів, що обумовлюють додаткове розщеплювання рівнів енергії А. — т.з. надтонку структуру (малу в порівнянні з тонкою структурою).

  Квантові стани атома водню. Найважливішу роль в квантовій теорії А. грає теорія простого одноелектронного А., що складається з ядра з зарядом + Ze і електрона із зарядом — е, — теорія А. водню Н і водородоподобних іонів Не ⁺ , Li ²⁺ , Ве ³⁺ ... (ізоелектронного ряду, див.(дивися) вищий), називається зазвичай теорією А. водню. Методами квантової механіки можна отримати точну і повну характеристику станів електрона в одноелектронному А. Задача про складні (багатоелектронних) атоми вирішується лише приблизно; при цьому виходять з результатів рішення завдання про одноелектронний А.

  Рівні енергії А. водню і водородоподобних іонів. Енергія одноелектронного А. (без врахування спину електрона) рівна

  ціле число n = 1, 2, 3 ... визначає можливі дискретні значення енергії — рівні енергії; його називають головним квантовим числом. R — Рідбергу постійна, рівна 13,6 ев. Рівні енергії А. водню на схемі мал. 1 , би побудовані для Z = 1 згідно з формулою (4); вони згущуються (сходяться) до кордону іонізації Е _¥ = 0, відповідною n = ¥ (рівні енергії з n > 5 на схемі не показані). Для водородоподобних іонів змінюється (у Z ² раз) лише масштаб енергій. Енергія іонізації водородоподобного А. (енергія зв'язку електрона в такому А.) рівна (у ев )

Е _іон = E _¥ — E ₁ = RZ ² = 13,6z ²      (5)

що дає для Н, Не ⁺ , Li ²⁺ ... значення 13,6 ев , 54,4 ев , 122,4 ев ...

  Основна формула (4) відповідає вираженню U ( r ) = —Ze ² /r для потенційної енергії електрона, що притягується ядром із зарядом +Ze [див. (2) і мал. 1 , а для випадку Z = 1]. Ця формула була вперше виведена Н. Бором в його теорії А. (1913) шляхом розгляду руху електрона довкола ядра по круговій орбіті радіусу r . Рівням енергії (4) відповідають орбіти радіусу

a _nz = а ₀ n ² / Z     (6)

де постійна a ₀ = 0,529 10 ^—8 см = 0,529  — радіус першої кругової орбіти А. водню, відповідною його основному рівню (цим боровським радіусом часто користуються як зручна одиниця для вимірів довжин в атомній фізиці). Радіус орбіт пропорційний квадрату головного квантового числа n ² і назад пропорційний Z ; для водородоподобних іонів масштаб лінійних розмірів зменшується в Z разів в порівнянні з А. водню.

  Характеристика квантових станів атома водню. Згідно з квантовою механікою, стан А. водню повністю визначається дискретними значеннями чотирьох фізичних величин: енергії Е, орбітального моменту M _l , (моменту кількості руху електрона відносно ядра); проекції M _lz орбітального моменту на напрям z (вибране довільно в просторі); проекції M _sz моменту (власного моменту кількості руху електрона M _s ) спину . Можливі значення цих фізичних величин, у свою чергу, визначаються відповідними квантовими числами:

  1) Е — по закону (4) — головним квантовим числом n =1, 2, 3 ...;

  2) М _l — згідно із законом M _l ² = ( h ² /4 p ² ) l ( l + 1) [при l " 1, M _l ² = ( h ² /4 p ² ) l ² — орбітальним (або азимутним) квантовим числом l = 0,1, 2 ..., n— 1;

  3) M _lz — згідно із законом M _lz = ( h/2 p) m _lz — магнітним орбітальним квантовим числом m _l = l, l— 1 ..., — l ;

  4) M _sz — згідно із законом M _sz = ( h/2 p) m _s — магнітним квантовим числом спину m _s = ¹ / ₂ — ¹ / ₂ .

  Значення квантових чисел n, l, m _l , m _s і характеризують полягання електрона в А. водню. Енергія А. водню залежить лише від n, і рівню енергії із заданим n відповідає ряд станів, що відрізняються значеннями l , m _l і m _s . Стани із заданими значеннями n і l прийнято позначати як 1 s, 2 s, 2 p, 3 s, ..., де цифри вказують значення n, а букви s, р, d, f (далі по латинському алфавіту) — відповідно значення l = 0, 1, 2, 3 ... При заданих n і l число різних станів дорівнює 2(2 l + 1) — числу комбінацій значень m _l і m _s (перше приймає 2 l + 1 значення, друге, — 2 значення). Загальне число різних станів із заданими n і l при обліку, що l може набувати значень від 0 до n— 1, виходить рівним

  Т. о., кожному рівню енергії А. водню відповідає 2, 8, 18 ..., 2n ² (при n = 1, 2, 3 ...) різних стаціонарних квантових станів ( мал. 2 ). Якщо рівню енергії відповідає лише один квантовий стан, то його називають невиродженим, якщо два або більш — виродженим (див. Звиродніння ) , а число таких станів g називаються мірою або кратністю звиродніння (для невироджених рівнів енергії g = 1). Рівні енергії А. водню є виродженими, а їх міра звиродніння g _n = 2 n ² .

  Для різних станів А. водню виходить і різний розподіл електронної щільності. Воно залежить від квантових чисел n, l і / m _i / . При цьому електронна щільність для s -cocтояній ( l = 0) відмінна від нуля в центрі, тобто в місці знаходження ядра, і не залежить від напряму (сферично симетрична), а для останніх станів ( l > 0) вона дорівнює нулю в центрі і залежить від напряму. Розподіл електронної щільності для станів А. водню з n = 1, 2 і 3 показано на мал. 3 (воно отримане фотографуванням спеціальних моделей); розміри «електронної хмари» зростають приблизно пропорційно n ² (масштаб на мал. 3 зменшується при переході від n = 1 до n = 2 і від n = 2 до n = 3), що відповідає збільшенню радіусу орбіт по формулі (6) в теорії Бору.

  Квантові полягання електрона у водородоподобних іонах характеризуються тими ж чотирма квантовими числами n, l, m _l і m _s , що і в А. водню. Зберігається і розподіл електронної щільності, лише вона збільшується в Z разів і на мал. 3 масштаби потрібно зменшити також в Z разів. Відповідно зменшуються і розміри орбіт.

  Дія зовнішніх полів на рівні енергії атома водню. У зовнішньому електричному і магнітному полях А. як електрична система набуває додаткової енергії. Електричне поле поляризує А. — зміщує електронну хмару відносно ядра, а магнітне поле орієнтує певним чином магнітний момент А., пов'язаний з рухом електрона довкола ядра (з орбітальним моментом M _l ) і його спином. Різним станам А. водню з тією ж енергією Е _n в зовнішньому полі відповідає різна додаткова енергія D E і вироджений рівень енергії Е _n розщеплюється на ряд підрівнів ( мал. 4 ). Як розщеплювання в електричному полі — Штарка явище, так і розщеплювання в магнітному полі — Зеемана явище, для рівнів енергії А. водню пропорційні напруженості полів.

  До розщеплювання рівнів енергії приводять і малі магнітні взаємодії усередині А. Для А. водню і водородоподобних іонів має місце спін-орбітальна взаємодія — взаємодія моментів спину і орбітального електрона, що не враховується при виведенні основної формули (4); воно обумовлює т.з. тонку структуру рівнів енергії — розщеплювання збуджених рівнів Е _n (при n > 1) на підрівні. Найбільш точні дослідження тонкої структури методами радіоспектроскопії показали наявність т.з. зрушення рівнів, з'ясовного в квантовій електродинаміці.

  Для всіх рівнів енергії А. водню спостерігається і надтонка структура, обумовлена дуже малими магнітними взаємодіями ядерного спину з електронними моментами. Рівень E ₁ розщеплюється на 2 підрівні з відстанню між ними приблизно 5 10 ^—6 ев.

   Електронні оболонки складних атомів. Теорія складних А., що містять 2 або більш за електрони, принципово відрізняється від теорії А. водню, оскільки в складному А. є однакові частки, що взаємодіють один з одним, — електрони. Взаємне відштовхування електронів в багатоелектронному А. істотно зменшує міцність їх зв'язку з ядром. Наприклад, енергія відриву єдиного електрона в іоні гелію (Не ⁺ ) рівна 54,4 ев, в нейтральному ж атомі гелію в результаті відштовхування електронів енергія відриву одного з них зменшується до 24,6 ев. Для зовнішніх електронів важчих А. зменшення міцності їх зв'язку із-за відштовхування внутрішніми електронами ще значніше. Надзвичайно важливу роль в складних А. грають властивості електронів як однакових мікрочасток (див. Тотожності принцип ) , що володіють спином s = ¹ / ₂ , для яких справедливий Паулі принцип . Згідно з цим принципом, в системі електронів не може бути більш за один електрон в кожному квантовому стані, що для складного А. приводить до утворення електронних оболонок, що заповнюються строго певними числами електронів.

  Враховуючи непомітність електронів, що взаємодіють між собою, має сенс говорити лише про квантові стани А. в цілому. Проте приблизно можна розглядати квантові стани окремих електронів і характеризувати кожен з них сукупністю чотирьох квантових чисел n, l, m _l і m _s , аналогічно електрону в А. водню. При цьому енергія електрона виявляється залежною не лише від n, як в А. водню, але і від l ; від m _l ; і m _s вона як і раніше не залежить. Електрони з даними n і l в складному А. мають однакову енергію і утворюють певну електронну оболонку; їх називають еквівалентними електронами. Такі електрони і утворені ними оболонки позначають, як і квантові стани і рівні енергії із заданими n і l , символами ns, nр, nd, nf ... (для l = 0, 1, 2, 3 ....) і говорять про 2 р -електронах, 3 s -oболочках і тому подібне

  Заповнення електронних оболонок і шарів. Через принцип Паулі будь-які 2 електрони в А. повинні знаходитися в різних квантових станах і, отже, відрізнятися хоч би одним з чотирьох квантових чисел n, l, m _l і ms. Для еквівалентних електронів ( n і l однакові) мають бути різні пари значень m _i і m _s . Число таких пар дорівнює числу різних квантових станів електрона із заданими n і l , тобто міри звиродніння його рівня енергії. Це число g _l = 2 (2 l + 1) = 2, 6, 10, 14 ... і визначає число електронів, що повністю заповнюють дану оболонку. Т. о., s-, р-, d-, f-, ... оболонки заповнюються 2, 6, 10, 14 ... електронами, незалежно від значення n. Електрони з даним n утворюють шар, що складається з оболонок з l = 0, 1, 2 ..., n— 1 і заповнюваний 2n ² електронами, т.з. К-, L-, М-, N-, ...шар. При повному заповненні маємо:

найближче до ядра розташований До -слой, потім йде L -cлой, М-код -слой, N -cлой ... У кожному шарі оболонки з меншими l характеризуються більшою електронною щільністю поблизу ядра. Міцність зв'язку електрона зменшується із збільшенням n, а при заданому n — із збільшенням l ; на мал. 5 схематично показані (без дотримання масштабу енергій) рівні енергії окремого електрона в складному А. Чем слабкіше зв'язаний електрон у відповідній оболонці, тим вище лежить його рівень енергії. Ядро із заданим Z приєднує електрони в порядку зменшення міцності їх зв'язку: спочатку два електрони 1 s , потім два електрони 2 s , шість електронів 2p і так далі відповідно до схеми мал. 5. Це визначає електронні конфігурації, тобто розподіли електронів по оболонках, для іонів і нейтрального А. даного елементу. Наприклад, для азоту ( Z = 7) виходять електронні конфігурації

(число електронів в даній оболонці вказується індексом справа зверху). Такі ж електронні конфігурації, як і іони азоту, мають нейтральні атоми послідовних елементів в періодичній системі, що володіють тим же числом електронів: Н, Не, Li, Ве, В, З ( Z = 1,2,3,4,5,6). Періодичність у властивостях елементів визначається схожістю зовнішніх електронних оболонок А. Наприклад, нейтральні А. Р, As, Sb, Bi ( Z = 15, 33, 51, 83) мають по три р -електрона в зовнішній електронній оболонці подібно А. N і схожі з ним по хімічних і багатьом фізичним властивостям.

  При розгляді заповнення електронних оболонок необхідно враховувати, що, починаючи з n = 4, електрони з меншим l , але великим n, зв'язуються міцнішим, ніж електрони з великим l , але меншим n, наприклад електрони 4 s зв'язані міцнішим, ніж електрони 3 d . Це відображає мал. 5 , що показує розташування рівнів енергії, відповідне дійсному порядку (декілька що схематизував) заповнення електронних оболонок для послідовних елементів в періодичній системі елементів Д. І. Менделєєва. Числа, що стоять справа в дужок, визначають числа елементів в періодах цієї системи, інертних газів, що закінчуються атомами, із зовнішніми оболонками типа nр ⁶ ( n = 2, 3, 4, 5, 6) для Ne, Ar, Kr, Xe, Rn ( Z = 10, 18, 36, 54, 86).

  Рівні енергії складних атомів. Кожен А. характеризується нормальною електронною конфігурацією, що виходить, коли всі електрони в А. зв'язуються найміцніший, і збудженими електронними конфігураціями, коли один або декілька електронів зв'язано слабіше — знаходяться на вищих рівнях енергії. Наприклад, для А. гелію поряд з нормальною електронною конфігурацією 1 s ² можливі збуджені: 1 s 2 s, 1 s 2 p, ... (збуджений один електрон), 2 s ^''2 , 2 s 2 p ... (збуджено обидва електрони). Певній електронній конфігурації відповідає один рівень енергії А. в цілому, якщо електронні оболонки цілком заповнені (наприклад, нормальна конфігурація А. Ne 1 s ² 2 s ² 2 p ⁶ ) , і ряд рівнів енергії, якщо є частково заповнені оболонки (наприклад, нормальна конфігурація A. N 1 s ² 2 s ² 2 p ³ , для якої оболонка 2 p заповнена якраз наполовину). За наявності частково заповнених d- і f -oболочек число рівнів енергії, відповідних кожній конфігурації, може досягати багатьох сотень, так що схема рівнів енергії А. з частково заполн