Строение атома: ядро, электронные оболочки и электронные формулы

18 октября 2026 · M2 Holo Lab · 10 минут чтения

Атом — мельчайшая частица химического элемента, которая сохраняет его свойства. В центре атома лежит крошечное тяжёлое ядро из протонов и нейтронов, а вокруг него по оболочкам распределены электроны. Ниже — строение атома по частям на 3D-моделях из M2: из чего состоит атом, как найти число протонов, нейтронов и электронов, как устроены электронные оболочки и как записать электронную формулу.

Из чего состоит атом

Атом состоит из ядра и электронов. Ядро заряжено положительно, электроны — отрицательно, и в целом атом электрически нейтрален: электронов в нём столько же, сколько протонов в ядре.

Ядро очень маленькое. Атом имеет размер порядка 10⁻¹⁰ м, а его ядро — порядка 10⁻¹⁵ м, то есть в десятки тысяч раз меньше. Если увеличить атом до размеров стадиона, ядро будет с горошину в центре поля. Зато в ядре собрано больше 99,9 % массы атома: протон и нейтрон почти в 2000 раз тяжелее электрона.

Протоны и нейтроны вместе называют нуклонами. Протоны отталкиваются друг от друга, но ядро не разлетается: нуклоны держит вместе сильное ядерное взаимодействие, которое на таких расстояниях мощнее электрического отталкивания.

Порядковый номер, массовое число и число нейтронов

Строение атома можно прочитать по таблице Менделеева. Для этого нужны два числа.

• Порядковый номер Z — номер элемента в таблице. Он равен числу протонов в ядре и заряду ядра. В нейтральном атоме столько же и электронов. Именно число протонов определяет, какой это элемент: атом с 8 протонами всегда кислород.
• Массовое число A — сумма протонов и нейтронов в ядре. Оно близко к относительной атомной массе, округлённой до целого.

Отсюда число нейтронов: N = A − Z.

1. Кислород: Z = 8, A = 16. Протонов 8, электронов 8, нейтронов 16 − 8 = 8.
2. Натрий: Z = 11, A = 23. Протонов 11, электронов 11, нейтронов 23 − 11 = 12.
3. Хлор: Z = 17, A = 35 у самого распространённого изотопа. Протонов 17, электронов 17, нейтронов 35 − 17 = 18.

Изотопы

Атомы одного элемента могут отличаться числом нейтронов. Такие разновидности называют изотопами. Протонов у них одинаково, поэтому химически они почти не различаются, а масса разная.

У водорода три изотопа: протий (в ядре только протон), дейтерий (протон и нейтрон) и тритий (протон и два нейтрона). У углерода самые известные — углерод-12 с 6 нейтронами и радиоактивный углерод-14 с 8 нейтронами: по нему определяют возраст древних находок.

Поэтому атомная масса в таблице Менделеева дробная. Это среднее по изотопам с учётом того, как часто каждый встречается в природе. У хлора она 35,45: примерно три четверти его атомов — хлор-35, остальные — хлор-37.

Электронные оболочки

Электроны в атоме распределены по энергетическим уровням, или электронным оболочкам. Чем дальше оболочка от ядра, тем больше энергия электронов на ней и тем слабее они связаны с ядром. Оболочки нумеруют от ядра: 1, 2, 3… или буквами K, L, M, N.

Вместимость каждой оболочки ограничена: на уровне с номером n помещается не больше 2n² электронов. На первом — 2, на втором — 8, на третьем — 18, на четвёртом — 32.

В атоме натрия 11 электронов. Два занимают первую оболочку, восемь — вторую, и последний, одиннадцатый, уходит на третью. Схема строения атома натрия: 2, 8, 1.

Электроны внешней оболочки называют валентными. Они дальше всего от ядра и слабее всего с ним связаны, поэтому именно они участвуют в химических связях. Натрий легко отдаёт свой единственный внешний электрон — отсюда его бурная реакция с водой.

Электронная формула атома

Каждый уровень делится на подуровни: s, p, d и f. Подуровни состоят из орбиталей, и на каждой орбитали помещается не больше двух электронов.

Электронная формула показывает, сколько электронов на каждом подуровне: номер уровня, буква подуровня и число электронов в верхнем индексе. Подуровни заполняются по порядку роста энергии: 1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p.

1. Кислород, 8 электронов: 1s²2s²2p⁴. По оболочкам: 2 и 6.
2. Натрий, 11 электронов: 1s²2s²2p⁶3s¹. Начало формулы совпадает с неоном, поэтому её сокращают: [Ne]3s¹.
3. Калий, 19 электронов: [Ar]4s¹. Подуровень 4s заполняется раньше, чем 3d, поэтому у калия 2, 8, 8, 1, а не 2, 8, 9.

Строение атомов первых трёх периодов

В каждом периоде у атомов одинаковое число оболочек, а на внешней с каждым следующим элементом становится на один электрон больше. Период заканчивается благородным газом, у которого внешняя оболочка заполнена.

p / n / e — протоны, нейтроны и электроны. Нейтроны даны для самого распространённого изотопа.

Как строение атома связано с таблицей Менделеева

• Номер элемента равен числу протонов и электронов.
• Номер периода равен числу электронных оболочек. Натрий стоит в 3-м периоде — у него три оболочки.
• Номер группы у элементов главных подгрупп равен числу электронов на внешней оболочке. В длинной таблице из 18 групп это группы 1–2 и 13–18: у элементов групп 13–18 внешних электронов на 10 меньше номера группы. Гелий — исключение, у него их 2.

Отсюда и свойства. Металлам с 1–3 внешними электронами проще их отдать, неметаллам с 5–7 — принять недостающие до восьми. У благородных газов внешняя оболочка уже заполнена, поэтому они почти не вступают в реакции.

Как менялась модель атома

1. 1897–1904, Томсон. Томсон открыл электрон, а позже предложил модель «пудинга с изюмом»: электроны вкраплены в положительно заряженный шар.
2. 1909–1911, Резерфорд. Гейгер и Марсден по его заданию обстреливали альфа-частицами тонкую золотую фольгу. Редкие частицы отскакивали назад — значит, положительный заряд и почти вся масса собраны в крошечном ядре. Так появилась планетарная модель.
3. 1913, Бор. Электроны движутся только по определённым разрешённым орбитам и не теряют энергию, пока на них остаются. Модель объяснила спектр водорода.
4. 1932, Чедвик. Открыт нейтрон, и состав ядра стал понятен: протоны и нейтроны.
5. 1920-е, квантовая механика. Шрёдингер и другие показали, что у электрона нет точной траектории. Есть орбиталь — область, где электрон находится с наибольшей вероятностью, «электронное облако».

Схема с кольцами, какую рисуют в учебниках и какую показывает M2, ближе к модели Бора. Она удобна, чтобы считать электроны по оболочкам, но настоящие электроны не летают по кругу, как планеты.

Как мы показали атом в M2

В режиме химии M2 атом появляется, когда вы берёте элемент из таблицы Менделеева щипком. В руке у вас ядро-голограмма, а вокруг него по оболочкам бегут электроны: у кислорода 2 и 6, у натрия 2, 8 и 1. Иллюстрации к этой статье отрисованы тем же кодом.

Число электронов на каждой оболочке не задано вручную, а взято для всех 118 элементов из пакета mendeleev, который опирается на данные ИЮПАК. Что пришлось продумать:

• Кольца не должны сливаться. Каждая оболочка наклонена под своим углом, а радиус растёт с номером. Так даже у тяжёлых элементов видно, где какая оболочка.
• Размер ядра. Ядро растёт с номером элемента как кубический корень: так же примерно растёт и настоящий радиус ядра с числом нуклонов. В масштабе ядро, конечно, сильно увеличено, иначе его не было бы видно.
• Скорость. Внутренние оболочки вращаются быстрее внешних, чтобы электроны не сливались в один поток.

Ограничения тоже есть. Протоны и нейтроны в ядре по отдельности не показаны, подуровни s, p, d и f не видны, а электроны движутся по кругу, как в модели Бора, а не облаком. Для самых тяжёлых, сверхтяжёлых элементов распределение электронов рассчитано, а не измерено.

Как изучать строение атома в 3D

В M2 таблица Менделеева из всех 118 элементов висит прямо перед вами. Наведите руку на клетку, и откроется карточка элемента: порядковый номер, атомная масса, период и группа, электроны по оболочкам, состояние при комнатной температуре и короткий факт.

Ущипните клетку, и атом окажется у вас в руке: можно посчитать электроны на каждой оболочке и сравнить соседей по периоду. Если положить атомы в кольцо-реактор, из них соберётся настоящее вещество, например вода или поваренная соль. Работает в браузере через обычную веб-камеру, без VR-шлема.

Вопросы и ответы

Источники