Образование прочных и компактных атомных ядер из нуклонов - протонов и нейтронов - объясняется возникновением между ними ядерных сил, ядерных связей, ответственными за которые являются мезоны. Нуклоны обмениваются между собой мезонами, превращаясь поочередно то в протон, то в нейтрон, при этом протон может образовывать связи с ограниченным числом нейтронов и, наоборот, нейтрон связывается с определенным числом протонов. Поэтому устойчивость ядер зависит от числа протонов и нейтронов, заполнивших фн. ячейки структуры ядра.
Число протонов определяет величину положительного заряда ядра, что является важнейшей характеристикой атома, так как от него зависит число электронов в электронейтральном атоме и, в конечном итоге, функциональные свойства каждого атома.
Масса ядра ("массовое число атома" - A), являющаяся суммой масс всех входящих в состав ядра протонов и нейтронов, практически равна массе всего атома.
Ядра, содержащие одинаковое число протонов, могут иметь различное число нейтронов, то есть быть изотопами. Почти все химические элементы насчитывают несколько изотопов. Наиболее многочисленны изотопы (по 6-10) у элементов, имеющих заряд ядра от 40 до 56, то есть расположенных в середине периодической системы. Число устойчивых (стабильных) изотопов значительно меньше числа неустойчивых, то есть радиоактивных. Стабильность ядер зависит от числа протонов и нейтронов, входящих в их состав в качестве фщ. единиц, и от их соотношения. В структурах фн. ячеек максимально устойчивых ядер легких элементов на один протон приходится один нейтрон. По мере увеличения заряда ядра рост числа нейтронных фн. ячеек опережает рост числа протонных. В ядрах с A 25 каждый нуклон притягивается ядерными силами ко всем остальным нуклонам, в ядрах с А = 25 - 30 ядерные силы начинают насыщаться (то есть каждый их нуклон притягивается не всеми остальными нуклонами, а лишь теми, которые его непосредственно окружают). В ядрах с А > 50 сила электрического отталкивания между протонами все заметнее противодействует силам ядерной связи. Любые два протона, находящиеся на диаметрально противоположных сторонах большого ядра, продолжают электрически взаимодейтвовать, в то время как для ядерного взаимодействия они расположены уже слишком далеко друг от друга. В самых легких ядрах, наоборот, все нуклоны находятся так близко друг от друга, что действие силы электрического отталкивания полностью нейтрализуется ядерным притяжением. Естественно, сила отталкивания в качестве функционального свойства данной структуры стремится разрушить крупные атомные ядра вопреки сдерживающему влиянию функционального свойства ядерного притяжения, и поэтому величина сил связи такого ядра будет зависеть от соотношения между этими двумя силами. У некоторых очень тяжелых ядер это равновесие весьма неустойчиво, такие ядра становятся нестабильными, стремятся к самопроизвольному распаду, то есть являются радиоактивными. Это главным образом происходит, когда в ядре образуется недостаток или избыток нейтронов. В зависимости от вида испускаемых ядром частиц различают несколько типов радиоактивного распада: протонный, позитронный, электронный и т.д.
Массивные положительно заряженные ядра атомов создают вокруг себя мощное электромагнитное поле, в котором в фн. ячейках атомных орбиталей определенным образом располагаются электроны. Число электронов в атоме (равное заряду ядра), а также их расположение в пространстве определяют все химические, а, следовательно, и функциональные свойства каждого элемента. Поэтому любое изменение фн. свойств любого вещества, а также превращение одних веществ в другие связано с изменением внутренней структуры фн. ячеек их атомов, с количеством и составом заполняющих их фщ. единиц нижних подуровней.
Планетарная модель строения атома, существовавшая до недавнего времени, не могла объяснить не только все многообразие функциональных (химических) свойств различных атомов, но даже тонкой структуры спектров излучения. Поэтому в настоящее время все более утверждается модель атома, состоящая из ядра, охваченного замкнутыми стоячими волнами электронов, образующими "электронное облако", в котором невозможно представить движение электронов по определенным траекториям, как, например, движение планет вокруг звезды. Поэтому в положении электронов, в определении их местонахождения всегда имеется неопределенность.
Двойственная природа (дуализм) электрона, обладающего свойствами и частицы, и волны, приводит к тому, что его движение не может быть описано определенной траекторией. Траектория "размывается", возникает полоса неопределенности, в пределах которой и находится электрон. В любой момент времени невозможно определить и положение в пространстве, и скорость (или импульс) электрона. Движение электрона описывается с помощью волновой функции, являющейся функцией пространственных координат. Волновая функция должна быть однозначной, конечной и непрерывной в пространстве. Она равна нулю там, где электрон не может находиться. Получающиеся при расчете волновой функции объемные фигуры - "электронные облака", называемые атомными орбиталями, описываются тремя постоянными целочисленными величинами - квантовыми числами. Их значения указывают вероятностное нахождение электрона в атоме.
"Главное квантовое число" определяет наиболее вероятное расстояние электрона от ядра атома, то есть средний радиус электронного слоя (орбиты). "Азимутальное квантовое число" определяет момент количества движения электрона и характеризует электронные подслои (подуровни энергии), составляющие каждый слой. "Магнитное квантовое число" определяет ориентацию каждого подслоя в пространстве, которая не может быть произвольной.
Итак, электроны в каждом атоме располагаются слоями, слои дробятся на подслои, каждый подслой состоит из ориентированных в пространстве областей атомных орбиталей, в фн. ячейках которых вероятность пребывания электрона наиболее высока. Состояние электрона в атоме зависит также от его собственного момента количества движения, возникающего как бы из-за "вращения" электрона вокруг своей оси. При этом электрон, обладая электрическим зарядом, проявляет и собственный магнитный момент, характеризуемый спиновым квантовым числом. В связи с тем, что вращение электрона может происходить в двух взаимно противоположных напровлениях, пару фн. ячеек каждой атомной орбитали максимально может заполнить две фщ. единицы-электрона, причем оба они должны иметь противоположные (антипараллельные) спины.
Поскольку полная энергия электрона является его основной характеристикой, учитываемой волновым уравнением, ее величина и определяет вероятность нахождения электрона в фн. ячейке той или иной атомной орбитали. Уровни энергии электрона не могут быть произвольными, так как они должны быть кратными константе Планка. Известно, что при переходе с высшего дозволенного уровня на низший (ближе к ядру) электрон освобождается от избытка энергии, испуская ее в виде электромагнитных волн. В случае поглощения электроном энергии происходит обратный процесс - атом возбуждается. В невозбужденном атоме электроны обладают минимальной энергией и, следовательно, находятся в фн. ячейках атомных орбиталей, расположенных "ближе" к ядру. Точнее говоря, электрон занимает фн. ячейку той атомной орбитали, пребывание в которой позволяет ему бо?льшую часть времени находиться у ядра атома.
Естественно предположить, что электроны, участвующие в построении электронной оболочки атома, располагаются прежде всего в фн. ячейках атомных орбиталей, характеризуемых наименьшими энергиями, а по мере их заполнения, на все более высоких уровнях, то есть порядок построения электронной оболочки атома, порядок ее развития с ростом заряда ядра и соответствующим увеличением числа электронов совпадает с последовательностью раположения атомных орбиталей по их энергиям.