По современным представлениям физики микромира не только фотоны, но и электроны, и любые другие микрочастицы материи наряду с корпускулярными (корпускулы — частицы), обладают также волновыми свойствами. Согласно квантовой механике, свободное движение элементарных частиц можно представить как плоскую волну (волну де Бройля).
Атом — наименьшая составная часть вещества, в которой сохраняется индивидуальность химического элемента. Сам химический элемент являет собой совокупность атомов одного сорта. Взаимодействие между одинаковыми или разными атомами может приводить к образованию из них более сложных комплексов — молекул. Любые твердые, жидкие и газообразные вещества составлены из одного или нескольких химических элементов. Фактически именно атомы выступают в роли строительных «кирпичей» вещества и в конечном счете ответственны за его механические, химические, оптические, электрические, магнитные и другие свойства.
Атом состоит из тяжелого ядра с положительным электрическим зарядом и окружающих его электронов с отрицательным зарядом. По современным представлениям ядро атома состоит из протонов и нейтронов (нуклонов), удерживаемых в ядре мощными ядерными силами. Масса протона в 1836, а масса нейтрона в 1839 раз больше массы электрона, поэтому практически вся масса атома сосредоточена в его ядре. Ядро окружено облаком электронов, образующих электронные оболочки атома. Линейные размеры атома определяются размерами его электронной оболочки и составляют величину порядка 10–8 см, что в десятки тысяч раз превышает размеры ядра. В обычных условиях атом электрически нейтрален: число электронов в оболочке равно числу протонов в ядре. Причем положительный заряд протона и отрицательный электрона одинаковы по абсолютной величине. Нейтрон электрическим зарядом не обладает. Теряя электроны, нейтральный атом превращается в ионизированный атом — положительно заряженный ион, а в результате присоединения одного или нескольких электронов — в отрицательный ион.
Характеристикой атома, обусловливающей его принадлежность к определенному элементу, является заряд ядра. Число протонов в ядре, определяющее заряд ядра, называется атомным номером, который совпадает с порядковым номером элемента в периодической системе элементов Д. И. Менделеева. Масса атома пропорциональна общему числу протонов и нейтронов в ядре и возрастает с увеличением числа протонов в ядре.
Строение электронных оболочек атома, прежде всего его внешней оболочки, и связанные с этим химические и большинство физических свойств (оптические, электрические, магнитные, механические) определяются в основном электромагнитными взаимодействиями электронов с ядром и электронов друг с другом.
Нуклоны связаны в ядре благодаря ядерным силам, которые значительно превосходят силы электростатического отталкивания между положительно заряженными протонами. Ядерные силы являются проявлением самых интенсивных из всех известных в физике взаимодействий. Для расщепления ядра на составляющие его нуклоны (протоны и нейтроны) требуется преодолеть эти силы, то есть затратить энергию. Соединение нуклонов с образованием ядра, наоборот, сопровождается высвобождением энергии связи ядра. Это — максимальная энергия, которая может выделиться. Энергия связи ядра складывается из энергии притяжения нуклонов друг к другу под воздействием ядерных сил и энергии электростатического отталкивания протонов. Ядерная энергия, высвобождающаяся при ядерных превращениях, может выделяться при слиянии легких ядер (реакция синтеза ядер — используется в ядерной энергетике, термоядерных бомбах) или при расщеплении тяжелых ядер (деление ядер, лежащее в основе взрыва ядерной бомбы).
Так как общий центр масс ядра и электронов располагается вблизи ядра, а само ядро обладает малыми размерами, большой массой и незначительной скоростью перемещения относительно центра масс, то атом можно рассматривать как систему электронов, движущихся вокруг неподвижного притягивающего центра. Полная энергия такой системы равна сумме кинетических энергий всех электронов и потенциальной энергии притяжения их ядром и отталкивания электронов друг от друга. Поскольку атом является квантовой системой, то есть подчиняется квантово-механическим законам, то его основная характеристика — полная внутренняя энергия — квантуется, то есть может принимать дискретный (прерывный) ряд значений, соответствующих устойчивым, стационарным состояниям атома. Промежуточные значения эта энергия принимать не может. Она может изменяться только скачкообразно путем квантового перехода из одного стационарного состояния в другое (иными словами, с одного уровня энергии на другой).
Самый нижний (основной) уровень, отвечающий минимальному значению энергии, соответствует наиболее устойчивому, нормальному состоянию атома, в котором атом, не подверженный внешним воздействиям, может находиться неограниченно долго. Все остальные уровни соответствуют возбужденному состоянию атома, в которых атом обладает большей энергией. В возбужденном состоянии атом может находиться очень кратковременно (~ 10–8 с — для свободного атома). При переходе из возбужденного в основное состояние атом испускает фотон, энергия которого равна разности энергий верхнего и нижнего уровней. При обратном переходе с нижнего уровня на верхний атому должна быть сообщена энергия. Возбудить атомы можно различными способами: тепловым, когда благодаря нагреву усиливается молекулярное движение, и при соударении атомов электроны переходят на более высокие уровни; фотовозбуждением, когда электроны переходят на более высокие уровни за счет поглощения энергии падающих фотонов (флуоресценция, фосфоресценция); электрическим возбуждением, например, в газоразрядных лампах, где электроны и ионы двигаются с высокими скоростями и, соударяясь с атомами, переводят их в возбужденное состояние. Следует отметить, что видимый свет испускают только внешние электроны атома, возбужденные указанными способами.
Квантование энергии атома является следствием волновых свойств электрона, которыми он, как и другие частицы микромира, обладает (наряду с корпускулярными свойствами). Движению электрона в атоме соответствует стоячая волна длиной ~ 10–8 см (то есть порядка линейных размеров атома). Поскольку для стоячей волны в ограниченном объеме возможны лишь определенные значения длины волны, то и энергия атома также может принимать только дискретный ряд значений. Свободное движение электрона, оторванного от атома, подобно распространению бегущей волны в неограниченном объеме, для которой возможны любые значения длины волны; его энергия при этом не квантуется и имеет непрерывный спектр. Наличие спина (собственного момента количества движения) у электрона позволяет рассматривать электрон как «вращающийся волчок» с собственным механическим и магнитным моментами. Учет спина у электронов позволил ученым объяснить порядок заполнения электронных оболочек в многоэлектронных атомах, а следовательно, и физические закономерности периодической системы элементов Д. И. Менделеева.
Распределение электронов по внешним оболочкам определяет конфигурацию атома. Большинство свойств атома определяется строением и характером его внешних оболочек, в которых энергия связи довольно слабая. Электроны внешних оболочек атома легко подвержены внешним воздействиям. Так, при сближении атомов возникают сильные электростатические взаимодействия, которые могут приводить к образованию молекул. Именно электроны внешних оболочек участвуют в химических связях. Внешними электронами определяются и магнитные свойства атомов. Свойства атомов, находящихся в связанном состоянии (например, входящие в состав молекул), отличаются от свойств свободного атома. Наибольшие изменения претерпевают свойства атома, определяемые самыми внешними электронами, принимающими участие в присоединении данного атома к другому. При этом свойства атома, определяемые электронами внутренних оболочек, могут практически не измениться (как это имеет место для рентгеновских спектров).
Молекула — это наименьшая часть данного вещества, являющаяся носителем его основных химических и физических свойств, способная к самостоятельному существованию. Молекула состоит из одинаковых или различных атомов, связанных между собой химическими связями. Число атомов в молекулах может быть от двух до сотен тысяч (некоторые витамины, гормоны, белки). Атомы в молекуле связаны в определенной последовательности и расположены в пространстве определенным образом. Атомы непрерывно совершают в молекуле колебательные движения. А в газовой фазе молекулы могут совершать поступательное и вращательное движения. Размеры молекул растут с увеличением в них числа атомов и находятся в пределах 10–8 — 10–5 см. Молекулу нельзя увидеть невооруженным глазом, однако ее существование доказывают такие явления, как: диффузия, броуновское движение, дифракция электронов, нейтронов и т. д.
