Atómové jadro pozostáva z dvoch druhov častíc, z protónov a neutrónov. Počet protónov v jadre sa označuje ako protónové číslo (Z). Určuje príslušnosť atómu k určitému chemickému prvku. Podľa protónového čísla sú prvky zoradené do periodickej tabuľky. V prírode sa vyskytujú atómy s protónovým číslom od Z = 1 (vodík) po Z = 92 (urán), umelo sa podarilo vytvoriť transuránové atómové jadrá s protónovým číslom Z = 118 (dočasný názov Ununoctium).
Počet neutrónov v jadrách toho istého prvku môže byť odlišný. Súhrnný počet protónov a neutrónov vyjadruje nukleónové číslo (A). Rozdiel A−Z zodpovedá počtu neutrónov. Vyjadruje ho neutrónové číslo N. Látka, ktorej atómy majú rovnaké protónové a nukleónové číslo, je nuklid. Pri rôznych počtoch neutrónov vznikajú izotopy.
Protóny a neutróny sú v jadre atómu viazané jadrovými silami, ktoré patria k silným interakciám častíc. Jadrové sily sú veľmi účinné, majú však dosah iba na malé vzdialenosti: Polomer ich účinnosti nepresahuje 4×10−15 m. Polomer atómového jadra (R) je približne 1,2×10−15 m. Polomer jadra uránu je napríklad 7,4×10−15 m. Hustota atómových jadier je približne 1 017 kg·m−3 nezávisle od veľkosti jadra.
Hmotnosť jadra určuje celkovú hmotnosť atómu, pretože hmotnosť elektónu je zanedbateľná. Hmotnosť atómového jadra je vždy o niečo menšia ako súčet hmotností protónov a neutrónov, ktoré tvoria jadro (defekt hmotnosti). Tento rozdiel je zdrojom väzbovej energie jadra, ktorá určuje stabilitu jadra. Jadrá s počtom neutrónov alebo protónov 2, 8, 14, 20, 28, 50, 82 a 126 (magické čísla) majú najväčšiu väzbovú energiu, preto sú najstabilnejšie a najčastejšie sa vyskytujú v prírode (kozmický výskyt prvkov).
Protón p+ – častica s kladným nábojom, ktorých počet v jadre udáva protónové číslo Z.
Neutrón n0 – elektricky neutrálna častica. Hmotnosť neutrónu je 1838,6- krát väčšia ako hmota elektrónu. Voľný neutrón ja nestabilný, rozpadá sa na protón, elektrón a neutríno.
Elektrón e- – častica so záporným nábojom, ktorá kompenzuje kladný náboj jadra. Počet v elektricky
neutrálnom atóme sa zhoduje s počtom protónov v jadre. Má dualistický charakter – korpuskulárny a vlnový.
Kvarky – Samotné protóny a
neutróny nie sú elementárnymi časťami – skladajú sa z „elementárnejších“ častíc – kvarkov. Sú podľa súčasných predstáv
častice, ktoré tvoria hadróny (teda napríklad protóny a neutróny).Sú to spolu s leptónmi v súčasnosti „najmenšie“ známe častice
látky, a spolu s leptónmi a kalibračnými bozónmi "najmenšie" známe častice hmoty.Hadróny typu baryón sú zložené z 3 kvarkov, hadróny
typu mezón z kvarku a antikvarku. Kvarky majú tretinový elektrický náboj (2e/3, -e/3). Typy kvarkov sa označujú ako „vône“ a vyskytujú sa
v troch kvantových modifikáciách, tzv. „farbách“.
Subatomárne častice
Subatomárna častica | Objaviteľ (rok) | Hmotnosť | Náboj (veľkosť náboja) | Symbol |
protón | Ernest Rutherford (1920) | 1,6729×10−27 | kladný (1.60210 × 10-19) | p+, H+ |
neutrón | James Chadwick (1932) | 1,6749×10−27 | bez náboju | n |
elektrón | Joseph John Thomson (1897) | 9,1091 x 10-31 | záporný (1.60210 × 10-19) | e- |
3.2 Stavba elektrónového obalu
V elektrónovom obale prebiehajú procesy, ktoré sa navonok prejavujú ako chemické reakcie, kedy sa mení iba usporiadanie elektrónového obalu a atómové jadro zostáva nezmenené. S pohybom každej hmotnej častice ja nerozlučne spojené vlnenie.
Preto sa hmotná častica nepohybuje – ako by sa predpokladalo – určitou
rýchlosťou po určitej dráhe, ale sa v istom okamihu vyskytuje s určitou pravdepodobnosťou v uvažovanom mieste. Čím menšia je častica, a
čím rýchlejšie sa pohybuje, tým viac prevláda vlnový charakter.
Elektrónový obal je teda určitá časť priestoru okolo jadra. Tvorí
teda obal jadra, ktorý je asi 100 000krát väčší ako jadro a nachádzajú sa v ňom záporne nabité elektróny.
(latinský pôvod – orbis kruh)
Je oblasť najpravdepodobnejšieho výskytu elektrónu okolo jadra. V orbitáloch sa elektróny
vyskytujú s 95-99% pravdepodobnosťou. Ich stavy a energiu charakterizujú tri kvantové čísla.
Hlavné kvantové číslo n – určuje energiu elektrónu v atóme a nadobúda hodnoty 1 až nekonečno, elektróny s rovnakým hlavným kvantovým číslom tvoria elektrónovú vrstvu, jednotlivé elektrónové vrstvy sa označujú číslicami 1,2,3,4,5,6,7... podľa rastúceho n alebo sa značia K,L,M,N,O,P,Q.
Vedľajšie kvantové číslo l – určuje tvar a energiu orbitálu a nadobúda hodnoty od 0 do
n – 1(iba
celé čísla), hodnoty vedľajšieho kvantového čísla sa označujú určitým písmenom, písmená sa píšu za hlavne kvantové
číslo.
Magnetické kvantové číslo m – určuje orientáciu orbitálu v priestore a nadobúda hodnoty od –l do +l vrátane 0 iba celé čísla.
Tvar orbitálov označujeme malými písmenami s, p, d, f. Je vyjadrený trojrozmernými modelmi.
s – je guľovo symetrický
p – má činkovitý tvar a orientuje sa tromi rôznymi spôsobmi
vždy v smere súradnicových osí ako px, py, pz.
d – orbitál možno prirovnať k dvom skríženým činkám v štyroch
rôznych priestorových polohách, má 5 možných priestorových orientácii.
f – je tvarovo najzložitejší, má 7 možných
tvarových orientácii
Degenerované orbitály – sú orbitály s rovnakou energiu, t.j. s rovnakým hlavným a vedľajším kvantovým číslom.
Spinové kvantové číslo s – charakterizuje rotáciu elektrónu okolo vlastnej osi a môže mať hodnoty +1/2 a -1/2. mierou rotácie elektrónu je rotačný impulz nazývaný spin.
Elektrónová konfigurácia atómu – ukazuje obsadenie atómových orbitálov elektrónmi. Znázorňujeme ich rámčekovými diagramami kde elektróny označujeme šípkami. Opačný smer šípok znamená, že elektróny majú opačný spin.
Výstavbový princíp – orbitály s nižšou energiou sa zapĺňajú elektrónmi skôr než orbitály s vyššou energiou, najskôr sa zapĺňajú orbitály s menším súčtom n+l, v prípade rovnosti súčtu sa obsadzujú najprv s menším n, tomu zodpovedá poradie 1s,2s,2p,3s,3p,...5d,6p.
Pauliho princíp – v atóme nemôžu existovať elektróny, ktoré by mali všetky štyri kvantové čísla rovnaké. Musia sa líšiť aspoň jedným, a to spinovým;v každom orbitále môžu byť najviac dva elektróny, a preto: na hladine s sú najviac dva elektróny
– na hladine p je najviac šesť elektrónov
– na hladine d je najviac desať elektrónov
– na hladine f je najviac štrnásť elektrónov
Hundovo pravidlo – pre elektróny v orbitáloch platí, že elektrónové parý vznikajú až po obsadení orbitálu s rovnakou energiou jedným elektrónom a nespárené elektróny maju rovnaký spin. Hundovo pravidlo určuje rozmiestnenie a spin elektrónov v orbitáloch, ktoré majú rovnakú energiu, majú teda rovnaké hlavné a vedľajšie číslo.