Представления о строении атома прошли сложный путь развития. Очень важную роль в развитии теории строения атома сыграла планетарная модель атома Резерфорда. Однако эта модель не смогла объяснить движение электронов в атоме.
Современная модель атома базируется на представлениях о микромире - мир частиц микроскопических размеров, которые не поддаются законам макромира. Электрон, как микрочастица, имеет определенную массу и заряд. В то же время электрон, двигаясь с огромной скоростью, проявляет волновые свойства. Говорят, что электрон имеет двойственную природу - одновременно проявляет свойства и частицы и волны. Благодаря этому для электрона нельзя одновременно определить скорость движения и направление. Поэтому оказалось, что невозможно определить траекторию движения электрона в атоме. Можно лишь говорить о вероятности нахождения электрона в том или ином месте от ядра. Подобная модель движения электрона позволяет составить представление об электронной облако. Пространство вблизи ядра, в котором вероятность нахождения электрона достаточно велика (примерно девяносто процентов), называется орбиталью. Это пространство ограничивается поверхностью, то есть объемной геометрической фигурой.
Орбитали (электронные облака) отличаются только размерами, так и формой. Теоретические расчеты показали, что они могут иметь форму сферы, гантели и другие формы сложного строения. Орбитали, имеющие сферическую форму, обозначают буквой s, орбитали, имеющие форму гантели, - буквой p, орбитали более сложных форм обозначают буквами d, f и т.д.. Центры орбиталей совпадают с центром ядра.
Кроме вращения вокруг ядра, для электрона еще характерное движение вокруг собственной оси - спин. Если два электрона имеют одинаковые направления вращения, то такие электроны называют электронами с параллельными спинами. Если, наоборот, направления вращения двух электронов противоположны, это электроны с антипараллельными спинами. Согласно принципу Паули на одной орбитали может находиться только два электрона, имеющих антипараллельные спины.
Электронные облака отдельных электронов в атоме образуют общую электронное облако атома - электронную оболочку. При графическом изображении электронной оболочки орбитали часто изображают квадратом (клеткой). Электрон изображают стрелкой. Два электрона с антипараллельными спинами схематично изображают двумя стрелками в одной клетке, имеют противоположные направления.
Электроны электронной оболочки атома различаются энергией. Чем дальше электрон от ядра, тем меньше у него энергия. Электронные облака с близкой энергией составляют в атоме электронный слой (энергетический уровень). Электроны первого, ближайшего к ядру слоя привлекаются к ядру сильнее, чем электроны второго слоя. Согласно электроны третьего слоя привлекаются к ядру слабее, чем электроны второго слоя.
Каждый электронный слой состоит из определенного числа орбiталей определенной формы (электронных подслоев или энергетических подуровней). Число энергетических подуровней равно номеру энергетического уровня. То есть первый энергетический уровень состоит из одного подуровня, второй - из двух, третий - трех и т.д.. Эти подуровни обозначаются так же, как и орбитали, которыми они образованы. Энергетический подуровень может содержать только определенное число орбиталей. s-подуровень представлен одной s-орбиталью, р-подуровень - тремя р-орбиталями, d-подуровень - пятью d-орбиталями, f-подуровень - семью f-орбиталями. Таким образом
· Первый слой состоит из одной s орбитали, ее обозначают 1s;
· Второй слой состоит из четырех орбиталей: одной s и трех p орбиталей, их обозначают 2s и 2p;
· Третий слой состоит из девяти орбиталей: одной s, трех p и пяти d орбиталей, их обозначают 3s, 3p и 3d.
Поскольку на одной орбитали может находиться только два электрона, можно определить общее число электронов, находящихся на определенном энергетическом уровне. Для этого нужно воспользоваться формулой: N = 2 · n2, где N - общее число электронов на энергетическом уровне, n - номер уровня. Итак, на первом энергетическом уровне может находиться два электрона, на втором - восемь электронов, на третьем - восемнадцать электронов, на четвертом - тридцать два электрона.