Заряд объекта в условных единицах равен

Экзаменационный билет №25

1. Элементарные частицы. Виды фундаментальных взаимодействий. называются мельчайшие наблюдаемые частицы материи, которые не являются атомами или атомными ядрами, т.е. объектами заведомо составной природы (исключение составляет протон — ядро атома водорода). Элементарные частицы ведут себя как единое целое и обладают способностью к рождению, взаимопревращению и уничтожению (испусканию и поглощению) при взаимодействии с другими частицами. В природе существует четыре типа фундаментальных взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.

Сильное взаимодействие — это взаимодействие с интенсивностью значительно большей, чем у других типов взаимодействий.

Слабое взаимодействие весьма мало по сравнению с сильным и электромагнитным взаимодействиями. Оно присуще всем частицам, кроме фотонов, и обусловливает нестабильность многих элементарных частиц, таких как нейтрон, мюон, л-мезоны и т.д. Несмотря на малую величину и короткодействие, слабое взаимодействие играет важнейшую роль в природе. Гравитационное взаимодействие —самое слабое среди фундаментальных взаимодействий, характеризующееся участием гравитационного поля (поля тяготения) в процессах взаимодействия.

Электромагнитное взаимодействие осуществляется через электромагнитное поле. Оно значительно слабее сильного взаимодействия. Однако из-за дальнодействия электромагнитные силы во многих случаях оказываются доминирующими. В процессах электромагнитного взаимодействия непосредственно участвуют только электрически заряженные частицы и фотоны.

2. Энергия заряженного проводника, конденсатора. Энергия заряженного уединенного проводника равна той работе, которую необходимо совершить, чтобы зарядить этот проводник, т.е. Определим энергию заряженного конденсатора. Если q — заряд конденсатора, а Δφ = (φ₁ — φ₂) — разность потенциалов между его обкладками, то для переноса малого заряда dq с одной обкладки на другую внешние силы должны совершить работу. Плотность энергии электрического поля. Это физическая величина, численно равная отношению потенциальной энергии поля, заключенной в элементе объема, к этому объему. Для однородного поля объемная плотность энергии равна . Для плоского конденсатора, объем которого Sd, где S — площадь пластин, d — расстояние между пластинами, имеем:

С учетом, что и :

или .

Экзаменационный билет №26

1. Строение ядра. Ядро состоит из нуклонов: протонов и нейтронов.

Г. Мозли (Англия) установил, что положительный заряд ядра атома (в условных единицах) равен порядковому номеру элемента в периодической системе Менделеева. Каждый протон имеет заряд +1, поэтому заряд ядра равен числу протонов. Энергия связи. Дефект массы. Дефект масс — величина, на которую уменьшается масса всех нуклонов при образовании из них атомного ядра. Дефект масс равен разности между суммой масс покоя нуклонов и массой ядра М_я: ∆М=[Zm_p + (A-Z)m_n] — М_я, где m_p, m_n — массы протона и нейтрона, соответственно.

Энергия связи – минимальная энергия, которую необходимо затратить для полного расщепления ядра на отдельные нуклоны или энергия, выделяющаяся при слиянии свободных нуклонов в ядро. Расчетная формула энергии связи:

Е _св=∆mc 2 = [Zm_p+(A-Z)m_n— М_я ]c 2 , где с=3·10 8 м/с – скорость света в вакууме.

2. Энергия магнитного поля катушки с током. Работа магнитного поля идет на превращение механической энергии движения частиц в электрическую энергию тока. Энергию магнитного поля катушки можно определить по формуле: Эта формула достаточно просто запоминается, если произвести аналогию с механикой. В данном случае характеристикой рассматриваемого объекта является индуктивность, аналогичная массе. А скорость тела в механике аналогична силе тока.

Плотность энергии магнитного поля — энергия единицы объема пространства, занятого полем:

где W — энергия магнитного поля, занимающего объем V.

В Международной системе единиц плотность энергии магнитного поля измеряется в джоулях, деленных на кубический метр (1 Дж/м 3 ).

Плотность энергии магнитного поля в соленоиде (катушке) также определяется отношением

где W — энергия магнитного поля в соленоиде, W = LI 2 /2; L — индуктивность соленоида; I — сила тока в обмотке соленоида; V — объем внутреннего пространства соленоида, V = Sl; S — площадь поперечного сечения соленоида; l — длина соленоида.

Энергия электромагнитных волн. Как показывает опыт, электромагнитные волны могут производить различные действия: нагревание тел при поглощении света, вырывание электронов с поверхности металла под действием света (фотоэффект). Это свидетельствует о том, что электромагнитные волны переносят энергию. Эта энергия заключена в распространяющихся в пространстве электрическом и магнитном полях.

В курсе электричества и магнетизма было показано, что объемная плотность энергии электрического поля равна

Вектор Пойтинга.

Помогите с физико умоляю

Из периодической системы химических элементов выбран элемент, его ты видишь на рисунке.

Нейтральный атом этого вещества приобрёл один электрон. Теперь его называют .

нейтральным атомом
положительным ионом
отрицательным ионом

Данный атом теперь имеет число электронов, равное
; число протонов, равное
, и количество нейтронов, равное
.

Его ядро состоит из частиц, число которых —
.

Вокруг ядра движутся частицы, количество которых —
.

Заряд ядра в условных единицах равен
(полученный результат запиши с учётом знака «+» или «-»).

Заряд атома в условных единицах равен
(полученный результат запиши с учётом знака «+» или «-»).

Закон Кулона

Закон Кулона основан на закономерности, согласно которой оба заряда действуют друг от друга. Причем сила напрямую зависит от величины этих зарядов и расстояния между ними.

Закон Кулона имеет довольно простую формулировку. Если говорить математическим языком, то сила взаимодействия двух зарядов прямо пропорциональна их величине и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Более простое объяснение с примерами применения закона рассмотрим в этой статье.

Определение и формулировка закона Кулона

Закон Кулона представляет собой физической закон, который описывает взаимодействие двух электрических зарядов, которые соответствуют одновременно всем требованиям:

• неподвижные (пребывают в состоянии покоя либо равномерного прямолинейного движения);
• находятся в вакууме (условное допущение, поскольку на самом деле в природных условиях Земли вакуума нет);
• являются точечными (являются материальными точками, размерами которых можно пренебречь).

Формулировка закона следующая: сила, с которой взаимодействуют два электрических заряда, прямо пропорциональна произведению величин зарядов, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и направлена вдоль линии, которая проходит через центры этих зарядов.

Причем направления сил могут быть такими:

• друг к другу;
• в противоположных направлениях.

В первом случае речь идет о противоположных зарядах. Как известно, положительный притягивается к отрицательному, и наоборот. Поэтому получается так, что силы направлены друг ко другу. Например, северный полюс магнита притягивается к южному, а южный – к северному.

это интересно
Вместе с экспертом разберем формулировку, формулу и задачи на закон Ома с решением

Во втором случае речь идет о зарядах одинаковых знаков: оба положительные либо оба отрицательные. Тогда они отталкиваются, то есть силы направлены в противоположных направлениях. Такое явление наблюдается, если приложить магниты одинаковыми полюсами – север к северу либо юг к югу.

Полезная информация о законе Кулона

Наглядно представить полезную информацию о законе можно в виде таблицы.

Определение закона	Два заряда взаимодействуют с силой, прямо пропорциональной их величине и обратной пропорциональной квадрату расстояния между ними
Формула	F1,2 = k • q1• q2 /r 2
Требования к зарядам	Неподвижные, находятся в вакууме, точечные
Направления сил	На одной линии в одну сторону либо в противоположные
Формула коэффициента k	k = 1 /(4 • π • Ɛ0)
Значение коэффициента k	k = 9 • 10 9 Н•м 2 /Кл 2
Единица измерения F	Ньютон (Н)
Единица измерения q	Кулон (Кл)
Единица измерения r	Метр (м)

Формула закона Кулона

Представленный выше закон описывается такой математической формулой:

Под F_1,2 имеется в виду сила взаимодействия зарядов q₁ и q₂. Под r понимается расстояние между этими зарядами, а k представляет собой коэффициент пропорциональности. Это постоянная величина, которая определяется по формуле:

Здесь Ɛ₀ представляет собой электрическую постоянную, равную 8,85 • 10 -12 Кл 2 /Н•м 2 , а π – иррациональное число, значение которого примерно равно 3,14159. Произведя расчет, легко определить, что k = 9 • 10 9 Н•м 2 /Кл 2 . Но такое число смотрится несколько громоздко, поэтому для простоты его обозначают буквой k.

Коэффициент вводится для того, чтобы согласовать единицы измерения в системе интернациональной (СИ) и метрической (СГС). Записать формулу закона Кулона в СИ необходимо именно с этим коэффициентом. Если же работать в менее распространенной метрической системе, то k=1, поэтому формула несколько упрощается:

Из этой записи более наглядно можно увидеть суть закона Кулона. Уравнение показывает, что взаимодействие между зарядами тем больше, чем больше сила этих зарядов, но в то же время оно тем меньше, чем больше квадрат расстояния между ними. Это интуитивно понятное правило: действительно, чем сильнее заряжены тела, тем сильнее они будут притягиваться друг к другу. Но эта сила притяжения тем слабее, чем больше расстояние (а точнее, его квадрат).

Стоит понимать, что сила является векторной величиной, то есть она имеет не только конкретное значение, но и направление приложения. Как уже говорилось, закон Кулона предполагает, что сила взаимодействия проходит вдоль воображаемой линии, которая соединяет центры двух зарядов.

Причем в данном случае соблюдается и третий закон Ньютона, гласящий, что сила действия и сила противодействия равны по модулю (значению), но противоположны по направлению. Проще говоря оба заряда действуют друг на друга с одинаковой силой, но ее направление противоположно и лежит на линии, которая проходит через их центры.

Поэтому можно привести и такое уравнение, описывающее закон:

\(\left|F_1\right|=\left|F_2\right|=F_<1,2>=\frac\)

Здесь под |F₁| имеется в виду модуль (числовое значение) силы, с которой первый заряд воздействует на второй. Соответственно под |F₂| понимается модуль силы, с которой второй заряд воздействует на первый. По сути, это и есть сила взаимодействия F_1,2, о которой шла речь в исходной формулировке. В честь открывателя закона ее нередко называют кулоновской.

это интересно
Закон Паскаля
Объяснение закона простыми словами и его формула

Применение закона Кулона

На первый взгляд может показаться, что закон Кулона имеет значение лишь для фундаментальной науки. Но на самом деле он широко применяется и на практике. Один из ярких примеров – установка молниеотводов (их часто ошибочно называют громоотводами) на крышах зданий.

Дело в том, что во время грозы близ поверхности Земли появляются большие заряды, которые порождают сильное электрическое поле. Причем его напряженность достигает максимальных значений на шпилях проводников, коими и являются молниеотводы. Поэтому здесь возникает коронный разряд, после чего в воздухе образуются ионы, а напряженность падает. Знание закона Кулона в данном случае помогает определить направление движения по линии от Земли к грозовому облаку.

Есть и другое направление применения закона – в устройстве ускорителя частиц (коллайдере). Внутри него создают электрическое поле, которое влияет на частицы, повышая их заряд. Они взаимодействуют между собой опять же согласно закону Кулона. Благодаря подобным исследованиям справедливость описанных выше уравнений многократно подтверждена.

Задачи на закон Кулона с решением

В школьном курсе предусмотрены разные типовые задачи на закон Кулона. Ниже подробно рассмотрим несколько примеров с решениями.

Задача 1

Два шарика находятся на расстоянии 20 см друг от друга и взаимодействуют в вакууме с силой 0,3 мН. Их заряды одинаковы по модулю. Найдите число некомпенсированных электронов N на каждом шарике.

По условиям задача дано:

r = 20 см;
F = 0,3 мН;

Постоянная e = 1.6•10 -19 Кл;

Электродвижущая сила Ɛ = 1;

Коэффициент k = 9•10 9 Н•м 2 /Кл 2

Решение

Согласно закону Кулона для данной задачи F = k•q 2 / (Ɛr 2 ). Причем модуль каждого заряда находится как q = eN, где e – это элементарный заряд, равный 1,6•10 -19 Кл. Подставляя его в формулу, получаем: F = k•(eN) 2 /(Ɛr 2 ).

Преобразовав ее, запишем так:

\(\sqrt\;и\;N=\frac re\cdot\sqrt\)

Далее все единицы переводят в систему СИ и, подставив значение в представленную формулу, получают N = 2,3*10 11 .

Задача 2

Заряд одного шарика больше заряда второго в n раз. При этом заряды разноименные (положительный и отрицательный). Их приблизили друг к другу до соприкосновения, а затем удалили на расстояние, которое вдвое больше. Как изменилась сила взаимодействия между шариками?

По условиям задачи дано:

Требуется определить, во сколько раз сила второго взаимодействия F₂ больше, чем сила первого F₁.

Решение

Задача 3

Есть два разноименных заряда q₁ = 2•10 -4 Кл и q₂ = -8•10 -4 Кл. Они находятся на расстоянии 1 м друг от друга. Какой заряд q_x и где нужно разместить, чтобы вся система пребывала в равновесии?

Решение

Поскольку заряды разноименные, они притягиваются друг к другу с силами F₁ и F₂. Чтобы уравновесить систему, нужно, чтобы при помещении заряда q_x действовали точно такие же силы по своим значениям, но противоположные по направлению.

По модулям заряды одинаковы, то есть |q₁| = |q₂|. Поэтому заряд q_x следует расположить так, чтобы силы, которые действуют на q₁ и q₂, стали одинаковыми. При этом q_x должен являться отрицательным зарядом, чтобы одновременно отталкиваться от q₂ и притягиваться к q₁. В этом случае будут выполняться равенства:

То есть система будет находиться в состоянии равновесия, что и требуется по условиям задачи.

3 темы, без которых не сдать ЕГЭ по физике

На экзамене даже простые вопросы могут вызывать трудности. Проверьте, все ли из этих тем вам известны

1. Сила трения и от чего она зависит
2. Что такое диффузия
3. Закон Паскаля и его формула простыми словами
4. Сколько существует видов механического движения
5. Как работает теплопроводность

Популярные вопросы и ответы

Отвечает Алексей Ноян, преподаватель курса «Олимпиадный физический практикум» в Высшей школе экономики:

Как был открыт закон Кулона?

Закон Кулона показывает, как взаимодействуют два объекта, имеющие электрический заряд. Если заряды одного знака, объекты отталкиваются, если разного – притягиваются. Если заряд на одном из объектов увеличить в два раза, сила взаимодействия увеличится в два раза. Если расстояние между объектами увеличить в два раза, сила взаимодействия уменьшится в четыре раза.

Этот закон был открыт физиком Шарлем Кулоном в 1785 году. Он исследовал взаимодействие шаров, несущих электрический заряд. Для этого разработал крутильные весы – установку, которая позволяла измерять небольшие взаимодействия. Два шара соединяли стержнем, в центре стержня привязывали упругую нить и подвешивали всю конструкцию на этой нити.

Потом один из шаров заряжали электрическим зарядом и подносили к нему третий шар, также заряженный. Электрические заряды начинали взаимодействовать, нить немного закручивалась и стержень поворачивался. Проведя большое количество экспериментов, Кулон обобщил данные и сформулировал свой закон. Его закон оказался верен для любых объектов, имеющих электрический заряд, от электронов до галактик.

Пригодится ли знание закона кулона на ЕГЭ?

Для успешной сдачи ЕГЭ знать закон Кулона необходимо: это один из ключевых физических законов. Из-за простоты формулировки он используется во многих задачах школьного уровня.

Пригодится ли знание закона Кулона в жизни?

Бытовых проявлений закона Кулона в чистом виде не очень много. Приведу один пример: когда мы причесываемся, волосы и расческа приобретают электрический заряд и начинают взаимодействовать – притягиваются друг к другу.

Однако знание закона Кулона обязательно понадобится тем, кто будет заниматься научными или инженерными разработками. Все существующие объекты состоят из заряженных частиц, взаимодействие этих частиц лежит в основе всей современной техники.

Кроме того, закон Кулона очень похож на закон всемирного тяготения. Чтобы превратить один в другой, нужно немного изменить формулу: вместо заряда поставить массу. Поэтому многие выводы и математические выкладки можно переносить с закона Кулона на закон всемирного тяготения по аналогии.

Почему в 10 классе на физике изучают закон Кулона?

В школе закон Кулона входит в тему «Электричество», так как этот закон является фундаментальным, без него нельзя объяснить, что такое заряд и как происходят электрические явления на микроскопическом уровне. Многие учителя упоминают закон Кулона, начиная обсуждать электричество.

Лигостаев Александр Георгиевич

Атом
Атом — это наименьшая частица химического элемента, сохраняющая все его химические свойства. Атом состоит из ядра, имеющего положительный электрический заряд, и отрицательно заряженных электронов. Заряд ядра любого химического элемента равен произведению Z на e, где Z — порядковый номер данного элемента в периодической системе химических элементов, е — величина элементарного электрического заряда.
Электрон — мельчайшая частица вещества с отрицательным электрическим зарядом е=1,6•10-19 кулона, принятым за элементарный электрический заряд. Электроны, вращаясь вокруг ядра, располагаются на электронных оболочках К, L, М и т. д. К — оболочка, ближайшая к ядру. Размер атома определяется размером его электронной оболочки. Атом может терять электроны и становиться положительным ионом или присоединять электроны и становиться отрицательным ионом. Заряд иона определяет число потерянных или присоединенных электронов. Процесс превращения нейтрального атома в заряженный ион называется ионизацией.
Атомное ядро (центральная часть атома) состоит из элементарных ядерных частиц — протонов и нейтронов. Радиус ядра примерно в сто тысяч раз меньше радиуса атома. Плотность атомного ядра чрезвычайно велика. Протоны — стабильные элементарные частицы, имеющие единичный положительный электрический заряд и массу, в 1836 раз большую, чем масса электрона. Протон представляет собой ядро атома самого легкого элемента — водорода. Число протонов в ядре равно Z. Нейтрон — нейтральная (не имеющая электрического заряда) элементарная частица с массой, очень близкой к массе протона. Поскольку масса ядра складывается из массы протонов и нейтронов, то число нейтронов в ядре атома равно А — Z, где А — массовое число данного изотопа (см. Периодическая система химических элементов). Протон и нейтрон, входящие в состав ядра, называются нуклонами. В ядре нуклоны связаны особыми ядерными силами.
В атомном ядре имеется огромный запас энергии, которая высвобождается при ядерных реакциях. Ядерные реакции возникают при взаимодействии атомных ядер с элементарными частицами или с ядрами других элементов. В результате ядерных реакций образуются новые ядра. Например, нейтрон может переходить в протон. В этом случае из ядра выбрасывается бета-частица, т. е. электрон.
Переход в ядре протона в нейтрон может осуществляться двумя путями: либо из ядра испускается частица с массой, равной массе электрона, но с положительным зарядом, называемая позитроном (позитронный распад), либо ядро захватывает один из электронов с ближайшей к нему К-оболочки (К-захват).
Иногда образовавшееся ядро обладает избытком энергии (находится в возбужденном состоянии) и, переходя в нормальное состояние, выделяет лишнюю энергию в виде электромагнитного излучения с очень малой длиной волны — гамма-излучение. Энергия, выделяющаяся при ядерных реакциях, практически используется в различных отраслях промышленности.
Атом (греч. atomos — неделимый) наименьшая частица химического элемента, обладающая его химическими свойствами. Каждый элемент состоит из атомов определенного вида. В состав атома входят ядро, несущее положительный электрический заряд, и отрицательно заряженные электроны (см.), образующие его электронные оболочки. Величина электрического заряда ядра равна Z-e, где е — элементарный электрический заряд, равный по величине заряду электрона (4,8•10-10 эл.-ст. ед.), и Z — атомный номер данного элемента в периодической системе химических элементов (см.). Так как неионизированный атом нейтрален, то число электронов, входящих в него, также равно Z. В состав ядра (см. Ядро атомное) входят нуклоны, элементарные частицы с массой, примерно в 1840 раз большей массы электрона (равной 9,1•10-28 г), протоны (см.), заряженные положительно, и не имеющие заряда нейтроны (см.). Число нуклонов в ядре называется массовым числом и обозначается буквой А. Количество протонов в ядре, равное Z, определяет число входящих в атом электронов, строение электронных оболочек и химические свойства атома. Количество нейтронов в ядре равно А—Z. Изотопами называются разновидности одного и того же элемента, А. которых отличаются друг от друга массовым числом А, но имеют одинаковые Z. Таким образом, в ядрах А. различных изотопов одного элемента имеется разное число нейтронов при одинаковом числе протонов. При обозначении изотопов массовое число А записывается сверху от символа элемента, а атомный номер внизу; например, изотопы кислорода обозначаются:
Размеры атома определяются размерами электронных оболочек и составляют для всех Z величину порядка 10-8 см. Поскольку масса всех электронов А. в несколько тысяч раз меньше массы ядра, масса А. пропорциональна массовому числу. Относительная масса атома данного изотопа определяется по отношению к массе А. изотопа углерода С12, принятой за 12 единиц, и называется изотопной массой. Она оказывается близкой к массовому числу соответствующего изотопа. Относительный вес А. химического элемента представляет собой среднее (с учетом относительной распространенности изотопов данного элемента) значение изотопного веса и называется атомным весом (массой).
Атом является микроскопической системой, и его строение и свойства могут быть объяснены лишь при помощи квантовой теории, созданной в основном в 20-е годы 20 века и предназначенной для описания явлений атомного масштаба. Опыты показали, что микрочастицы — электроны, протоны, атомы и т. д.,— кроме корпускулярных, обладают волновыми свойствами, проявляющимися в дифракции и интерференции. В квантовой теории для описания состояния микрообъектов используется некоторое волновое поле, характеризуемое волновой функцией (Ψ-функция). Эта функция определяет вероятности возможных состояний микрообъекта, т. е. характеризует потенциальные возможности проявления тех или иных его свойств. Закон изменения функции Ψ в пространстве и времени (уравнение Шредингера), позволяющий найти эту функцию, играет в квантовой теории ту же роль, что в классической механике законы движения Ньютона. Решение уравнения Шредингера во многих случаях приводит к дискретным возможным состояниям системы. Так, например, в случае атома получается ряд волновых функций для электронов, соответствующих различным (квантованным) значениям энергии. Система энергетических уровней А., рассчитанная методами квантовой теории, получила блестящее подтверждение в спектроскопии. Переход атома из основного состояния, соответствующего низшему энергетическому уровню Е0, в какое-либо из возбужденных состояний Ei происходит при поглощении определенной порции энергии Еi — Е0. Возбужденный А. переходит в менее возбужденное или основное состояние обычно с испусканием фотона. При этом энергия фотона hv равна разности энергий атома в двух состояниях: hv= Ei— Еk где h — постоянная Планка (6,62•10-27 эрг•сек), v — частота света.
Кроме атомных спектров, квантовая теория позволила объяснить и другие свойства А. В частности, были объяснены валентность, природа химической связи и строение молекул, создана теория периодической системы элементов.

Строение атома
Атом (от греческого atomos — неделимый) — одноядерная, неделимая частица химического элемента, носитель свойства вещества. Вещества состоят из атомов. Сам атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженного электронного облака. В целом атом электронейтрален. Размер атома полностью определяется размером его электронного облака, поскольку размер ядра ничтожно мал по сравнению с размером электронного облака. Ядро состоит из Z положительно заряженных протонов (заряд протона соответствует +1 в условных единицах) и N нейтронов, которые не несут на себе заряда (протоны и нейтроны называют нуклонами). Таким образом, заряд ядра определятся только количеством протонов и равен порядковому номеру элемента в таблице Менделеева. Положительный заряд ядра компенсируется отрицательно заряженными электронами (заряд электрона -1 в условных единицах), которые формируют электронное облако. Количество электронов равно количеству протонов. Массы протонов и нейтронов равны (соответственно 1 и 1 а.е.м.). Масса атома определятся массой его ядра, поскольку масса электрона примерно в 1850 раз меньше массы протона и нейтрона и в расчетах редко учитывается. Количество нейтронов можно узнать по разности между массой атома и количеством протонов (N=A-Z).
Вид атомов какого-либо химического элемента с ядром, состоящим из строго определённого числа протонов (Z) и нейтронов (N) называется нуклидом.
элементарная частица заряд (условные единицы) заряд (Кл) масса (а.е.м.) масса (г)
протон +1 1,6•10×10-19 1 1,7•10×10-24
нейтрон 0 0 1 1,7•10×10-24
электрон -1 -1,6•10×10-19 0 9,1•10×10-28

Поскольку в ядре атома сосредоточена практически вся масса, но его размеры ничтожно малы по сравнению с общим объемом атома, то ядро условно принимается материальной точкой покоящейся в центре атома, а сам атом рассматривается как система электронов. При химической реакции ядро атома не затрагивается (кроме ядерных реакций), как и внутренние электронные уровни, а участвуют только электроны внешней электронной оболочки. По этой причине необходимо знать свойства электрона и правила формирования электронных оболочек атомов.
Свойства электрона
Перед изучением свойств электрона и правил формирования электронных уровней, необходимо затронуть историю формирования представлений о строении атома. Мы не будем рассматривать полную историю становления атомарного строения, а остановимся лишь на самых актуальных и наиболее «верных» представлениях, способных наиболее наглядно показать как располагаются электроны в атоме. Первыми наличие атомов как элементарных составляющих вещества, предположили еще древнегреческие философы. После чего история строения атома прошла сложный путь и разные представления, такие как неделимость атома, Томсоновская модель атома и другие. Наиболее близкой оказалась модель атома, предложенная Эрнестом Резерфордом в 1911 году. Он сравнил атом с солнечной системой, где в роли солнца выступало ядро атома, а электроны двигались вокруг него подобно планетам. Размещение электронов на стационарных орбитах было очень важным шагом в понимании строения атома. Однако такая планетарная модель строения атома шла в противоречие с классической механикой. Дело в том, что при движении электрона по орбите он должен был терять потенциальную энергию и в конце концов «упасть» на ядро и атом должен был прекратить свое существование. Такой парадокс был устранен введением постулатов Нильсом Бором. Согласно этим постулатам электрон двигался по стационарным орбитам вокруг ядра и при нормальных условиях не поглощал и не испускал энергию. Постулаты показывают, что для описания атома законы классической механики не подходят. Такая модель атома называется моделью Бора-Резерфорда. Продолжением планетарного строения атома является квантово-механическая модель атома, согласно которой мы и будем рассматривать электрон.
Электрон является квазичастицей проявляя корпускулярно-волновой дуализм. Он одновременно является и частицей (корпускула) и волной. К свойствам частицы можно отнести массу электрона и его заряд, а к волновым свойствам — способность к дифракции и интерференции. Связь между волновыми и корпускулярными свойствами электрона отражены в уравнении де Бройля:

где — длина волны, — масса частицы, — скорость частицы, — постоянная Планка = 6,63•10-34 Дж•с.
Для электрона невозможно рассчитать траекторию его движения, можно говорить только о вероятности нахождения электрона в том или ином месте вокруг ядра. По этой причине говорят не об орбитах движения электрона вокруг ядра, а об орбиталях — пространстве вокруг ядра, в котором вероятность нахождения электрона превышает 95%. Для электрона невозможно одновременно точно измерить координату и скорость (принцип неопределенности Гейзенберга).

где — неопределенность координаты электрона, -погрешность измерения скорости, ħ=h/2π=1.05•10-34 Дж•с
Чем точнее мы измеряем координату электрона, тем больше погрешность в измерении его скорости, и на оборот: чем точнее мы знаем скорость электрона, тем больше неопределенность в его координате.
Наличие волновых свойств у электрона позволяет применить к нему волновое уравнение Шредингера.

где — полная энергия электрона, потенциальная энергия электрона, физический смысл функции — квадратный корень от вероятности нахождения электрона в пространстве с координатами x, y и z (ядро считается началом координат).
Представленное уравнение написано для одноэлектронной системы. Для систем, содержащих более одного электрона принцип описания остается прежним, но уравнение принимает более сложный вид. Графическим решением уравнения Шредингера является геометрия атомных орбиталей. Так s-орбиталь имеет форму шара, p-орбиталь — форму восьмерки с «узлом» в начале координат (на ядре), где вероятность обнаружения электрона стремится к нулю.
В рамках современной квантово-механической теории электрон описывается набором квантовых чисел: n, l, ml, s и ms. Согласно принципу Паули в одном атоме не может быть двух электронов с полностью идентичным набором всех квантовых чисел.
Главное квантовое число n определяет энергетический уровень электрона, то есть на каком электронном уровне расположен данный электрон. Главное квантовое число может принимать только целочисленные значения больших 0: n=1;2;3. Максимальное значение n для конкретного атома элемента соответствует номеру периода, в котором расположен элемент в периодической таблице Д.И.Менделеева.
Орбитальное (дополнительное) квантовое число l определяет геометрию электронного облака. Может принимать целочисленные значения от 0 до n-1. Для значений дополнительного квантового числа l применяют буквенное обозначение:
значение l 0 1 2 3 4
буквенное обозначение s p d f g
S-орбиталь имеет форму шара, p-орбиталь — форму восьмерки. Остальные орбитали имеют очень сложную структуру, как, например, представленная на рисунке d-орбиталь.
•
s-орбиталь
•
p-орбиталь
•
d-орбиталь
•
вид орбиталей на разных энергетических уровнях (при разных n)
Электроны по уровням и орбиталям располагаются не хаотично, а по правилу Клечковского, согласно которому заполнение электронов происходит по принципу наименьшей энергии, то есть в порядке возрастания суммы главного и орбитального квантовых чисел n+l. В случае, кода сумма для двух вариантов заполнения одинакова, первоначально заполняется наименьший энергетический уровень (например: при n=3 а l=2 и n=4 а l=1 первоначально заполнятся будет уровень 3). Магнитное квантовое число ml определяет расположение орбитали в пространстве и может принимать целочисленное значение от -l до +l включая 0. Для s-орбитали возможно только одно значение ml=0. Для p-орбитали уже три значения -1, 0 и +1, то есть p-орбиталь может располагаться по трем осям координат x, y и z.

Электрон обладает собственным моментом импульса — спином, обозначающимся квантовым числом s. Спин электрона — величина постоянная и равная 1/2. Явление спина можно условно представить как движение вокруг собственной оси. Первоначально спин электрона приравнивали к движению планеты вокруг собственной оси, однако такое сравнение ошибочно. Спин — чисто квантовое явление, не имеющее аналогов в классической механике.