Таким образом, место элементов в периодической системе объективно обусловлено положительным зарядом их атомных ядер. Тем самым было установлено, что число «элементарных» зарядов в ядре (число Менделеева Z) является самой главной и существенной характеристикой атома, полностью определяющей его химические свойства.
Между положительно заряженным ядром атома и его электронами, как и между всякими разноименно заряженными телами, действуют силы электрического притяжения, удерживающие электроны в обширной оболочке атома. Электроны обращаются в атоме на разных расстояниях от ядра, располагаясь несколькими слоями. В каждом слое может находиться лишь вполне определенное количество электронов. Первый слой, ближайший к ядру, получил название K-слоя; в нем может находиться не более двух электронов. Далее следует второй слой (L-слой), имеющий не более 8 электронов, третий слой (M-слой), содержащий не более 18 электронов, и т. д. Под действием сил притяжения со стороны ядра электроны стремятся расположиться в ближайших к ядру слоях. Поэтому при построении электронной оболочки атома сперва заполняется слой K, затем L, М и т. д. Если число электронов в атоме, равное, как мы знаем, Z, меньше того их количества, которое необходимо для заполнения слоев, то последний (верхний) слой остается незаполненным. Строение электронной оболочки некоторых атомов схематически дано на рис. 3. Каждый слой условно изображен окружностью, на которых точками показаны электроны.
В каждой клетке таблицы Менделеева (см. рис. 1), помимо атомного номера и атомного веса, приведены колонки цифр, указывающих распределение электронов по слоям. Для алюминия, например, найдем следующие цифры (снизу вверх): 2, 8, 3, дающие число электронов соответственно в слоях K, L и М; для меди — 2, 8, 18, 1 и т. д.
Первоначально ученые считали, что электроны в атоме вращаются вокруг ядра совершенно так же, как планеты, в том числе и наша Земля, обращаются вокруг Солнца. Атом рассматривали как солнечную систему в миниатюре.
Однако развитие науки показало, что наряду с некоторым сходством между атомом и солнечной системой существует громадное качественное различие. Движение электронов в атоме значительно сложнее, и поэтому, строго говоря, уподоблять атом солнечной системе нельзя.
Наиболее удаленный от ядра внешний слой электронов удерживается ядром с наименьшей силой. Поэтому атомы могут терять один или несколько электронов именно из внешнего слоя. Чем дальше от ядра находятся внешние электроны, способные отрываться от атома, тем легче объединяются они с электронами других атомов при химических взаимодействиях. Химическая активность элементов, их способность участвовать в различных химических процессах определяется именно внешними электронами.
Если из нейтрального атома удалить (выбить) один из его электронов, то, лишенный электрона, атом окажется положительно заряженным. Такой заряженный атом называется положительным ионом. Электрон, выбитый из атома и существующий либо свободно, либо присоединившись к какому-либо атому, образует отрицательный ион. Процесс удаления электрона из атома, в результате которого образуется пара ионов, называется ионизацией.
Простейшим примером иона является ионизированный атом водорода, называемый протоном. Так как в нейтральном атоме водорода имеется всего один электрон, то нетрудно понять, что протон, получающийся при удалении этого единственного электрона, представляет собой попросту ядро атома водорода.
Дважды ионизированный атом гелия, называемый альфа-частицей, есть не что иное, как ядро атома гелия.
Чтобы ионизировать атом, необходимо произвести работу по преодолению сил электрического притяжения, удерживающих электрон вблизи от ядра, и, следовательно, затратить некоторую энергию. Для атомов различных элементов требуются различные затраты энергии. В атмосферном воздухе, состоящем главным образом из азота и кислорода, необходимая для образования одной пары ионов энергия составляет в среднем 32,5 электрон-вольта.