Атом — мельчайшая частица химического элемента, сохраняющая его свойства. Он состоит из двух основных частей: ядра в центре и электронной оболочки вокруг него. Более 99,9% массы атома сосредоточено в ядре, при этом оно занимает лишь малую часть его объёма.
Ядро состоит из протонов и нейтронов, которые вместе называют нуклонами.
Протоны — положительно заряженные частицы. Заряд протона равен +1. Число протонов в ядре определяет, к какому химическому элементу принадлежит атом. Это число называется атомным номером и совпадает с порядковым номером элемента в периодической таблице Менделеева. Например, у водорода один протон, у углерода — шесть, у железа — 26. Восемь протонов содержится в ядре атома кислорода. Элемент, в ядре атома которого содержится 9 протонов, — фтор.
Атомы фтора в соединениях проявляют степень окисления, равную −1. Положительные степени окисления в соединениях неизвестны, так как фтор — самый электроотрицательный элемент.
Его электроотрицательность - 3,98 единиц по шкале Полинга — это самое высокое значение среди элементов периодической системы.
У фтора аномально низкие температуры кипения — минус 188,12 °C и плавления — минус 219,70 °C. Это связано с тем, что у фтора нет d-подуровня и он не способен образовывать полуторные связи, в отличие от остальных галогенов.
Из-за высокой химической активности фтор в свободном виде не встречается.
Нейтроны — электрически нейтральные частицы. По массе они почти не отличаются от протонов. Число нейтронов в атоме одного элемента может различаться — такие разновидности называются изотопами.
Масса ядра меньше суммы масс составляющих его протонов и нейтронов из-за явления дефекта массы. Протоны и нейтроны связаны между собой при помощи сильного взаимодействия.
В стандартной модели элементарных частиц и протоны, и нейтроны состоят из кварков. Протоны состоят из двух u-кварков и одного d-кварка, а нейтрон — из одного u-кварка и двух d-кварков. Кварки связаны между собой сильными ядерными взаимодействиями, которые передаются глюонами.
Электроны — отрицательно заряженные частицы, которые движутся вокруг ядра. Заряд электрона равен −1, а масса примерно в 1836 раз меньше массы протона. В нейтральном атоме число электронов равно числу протонов, поэтому суммарный заряд атома равен нулю.
Электроны не летают хаотично — они располагаются на определённых энергетических уровнях (электронных оболочках), которые можно представить как концентрические окружности вокруг ядра. Сначала заполняется ближайшая к ядру оболочка, затем — следующие. Каждая оболочка вмещает ограниченное число электронов: первая — не больше 2, вторая — до 8, третья — до 18 и так далее.
Точное местоположение электрона в атоме определить невозможно, но существует пространство, в котором вероятность его нахождения максимальна. Это пространство называют электронным облаком.
Электроны распределены по электронным слоям (энергетическим уровням). Число энергетических уровней в атоме химического элемента равно номеру периода, в котором этот элемент находится в периодической таблице.
Электроны, находящиеся на внешнем (самом дальнем от ядра) энергетическом уровне, называются валентными. Именно они принимают участие в химических реакциях. Число валентных электронов для элементов групп A (кроме гелия) совпадает с номером группы.
Представления о строении атома менялись по мере накопления экспериментальных данных.
Модель «пудинг с изюмом» (Томсон, 1904 год). Атом представлялся как сфера с равномерно распределённым положительным зарядом, в которую вкраплены электроны — как изюминки в пудинге.
Ядерная модель (Резерфорд, 1911 год). Эксперименты с альфа-частицами показали, что в центре атома находится крошечное плотное ядро, а электроны движутся вокруг него.
Нильс Бор дополнил модель Резерфорда, предположив, что электроны движутся по стационарным орбитам и могут переходить с одной орбиты на другую, излучая или поглощая кванты энергии.
Современная модель учитывает принципы квантовой механики, которые не позволяют считать, что электроны движутся вокруг ядра по определённым траекториям. Химические свойства атомов определяются конфигурацией электронной оболочки и описываются квантовой механикой.
Атом — сложная динамическая система, строение которой продолжает изучаться учёными.