В центре атома находится огромное заряженное положительно ядро. Оно состоит из протонов и нейтронов. Протоны несут положительный заряд, тогда как нейтроны никак не заряжены. Положительный заряд притягивает к себе отрицательные частицы — электроны, которые под действием электромагнитного притяжения обращаются вокруг ядра по орбитам так же, как планеты движутся вокруг Солнца в космосе. Атом водорода — простейший из всех остальных, он состоит из одного протона и одного электрона.
Планетарная модель потрясла многих мыслителей и ученых. Сходство между ничтожной частицей и Вселенной было невероятным. Тогда поэт В. Брюсов, поддаваясь всеобщему настроению, написал мечтательные строки: «Быть может эти электроны — миры, где пять материков…». На самом деле внутри атома не может быть второй Вселенной и другой цивилизации. Дело в том, что количества внутриатомных сил и превращений недостаточно для того, чтобы повторить разнообразие явлений природы в настоящей Вселенной.
Возвращаясь от фантазий к реальности, заметим, что электрический заряд каждого атома в целом нейтрален, т. к. положительный заряд ядра уравновешивается отрицательным зарядом электронов. Избыток электронов превращает атом в отрицательно заряженный ион (катион), а недостаток этих частиц — в положительно заряженный ион (анион). Эта модель, однако, сильно упрощена и многого не объясняет. Противоречия удалось разрешить ученику Резерфорда, датскому физику Н. Бору, построившему квантовую модель атома. Открытие квантования электронных орбит считается одним из крупнейших достижений физики XX в. Оттого на рисунке — послании внеземной цивилизации, помещенном на борту американских автоматических станций «Пионеров», схематически отображено квантовое строение электронной оболочки атома. Модель занимает большую часть рисунка, потесняя схему Солнечной системы, строение молекулы водорода и даже изображение мужчины и женщины как двух равных представителей нашего вида — Человека разумного. Если космическое послание найдет своего адресата, то инопланетяне узнают о высоком уровне наших физических представлений.
Бор провел вычисления устойчивости электронных орбит и пришел к выводу, что у электрона во внешнем слое есть несколько дозволенных, т. е. стабильных, состояний. Во всех остальных положениях электрон утрачивает стабильность, и атом начинает терять энергию в виде излучения. Вот почему генерируют когерентный луч лазеры и тускло светят лесные гнилушки: электроны в возбужденных атомах перескакивают на недозволенные орбиты и становятся нестабильными. Состояния электрона любопытны тем, что он переходит из одного в другое скачкообразно.
Энергия электронной оболочки квантуется, т. е. делится на порции. Так происходит с энергией в любых физических процессах, но человек не замечает квантования, потому что порции энергии бесконечно малы. Нам кажется, что она расходуется плавно. Перемещения электрона из дозволенного состояния в недозволенное и наоборот не могут сопровождаться плавным изменением энергии. Ведь частица столь мала, что и энергия ее импульса ничтожна. Отсюда невероятные скачки электрона и квантование его орбит и состояний.
Разным орбитам соответствуют разные состояния и разные значения энергии электрона. От состояния электронов во внешнем электронном слое зависит способность атома вступать в химическую связь. Когда квантовую модель атома Бора объединили с представлениями о волновой природе электрона, то получилось, что никаких электронных орбит не существует. Положение электрона в заданный момент времени определить невозможно, т. к. он перемещается скачкообразно, без ускорения. В результате частица распределяется по всей своей орбите.
Орбита уже сама на себя непохожа. Поэтому было решено назвать ее электронной орбиталью — местом, где отрицательная частица пребывает с наибольшей вероятностью. Еще орбиталь именуют электронным облаком, поскольку распределенный вокруг атомного ядра, вечно пребывающий в суетном движении электрон действительно напоминает небольшое косматое облачко. Поскольку электрон обладает волновыми свойствами, то можно сказать, что вдоль всей орбитали устанавливается стоячая волна.
В 1974 г. американскими физиками Ритцем и Бартелом были с применением метода голографии впервые получены увеличенные в 500 млн раз микрофотографии атомов. Атомы принадлежали инертным газам неону и аргону. На фотографиях отчетливо выделяются размытые электронные облачки. Так ученые смогли воочию увидеть орбитали.