Электроны разных оболочек различаются энергиями. Поэтому электронные оболочки называют еще энергетическими уровнями. Их обозначают или большими латинскими буквами (К, L, М, N и т. д.), или арабскими цифрами (1, 2, 3, 4 и т. д.). Чем дальше от ядра находятся энергетические уровни, тем большей энергией обладают их электроны. При этом энергия электронов одного и того же энергетического уровня примерно одинакова. Почему примерно, а не одинакова? Потому что электроны одного энергетического уровня образуют еще и энергетические подуровни. На одном подуровне размещены электроны с одинаковой энергией, а на разных — с несколько отличающейся. Сколько же подуровней содержится на каждом уровне? Это легко запомнить: число подуровней равно номеру энергетического уровня. Например, первый энергетический уровень содержит один подуровень, второй — два, третий — три и т. д. Поскольку речь идет об атоме углерода, то его первый энергетический уровень приравнивается к одному подуровню, а второй состоит из двух подуровней. Это можно изобразить в виде такой схемы:
Разные энергетические уровни условно обозначают разными по величине квадратами (меньше энергии — меньше квадрат, больше энергии — больше квадрат). Внутри квадратов в виде черточек расположены подуровни, которые обозначены латинскими буквами — s, р. Черточки расположены одна выше другой. Чем выше черточка, тем большей энергией обладают электроны, «населяющие» данный подуровень.
Нам остается выяснить, какие электроны и сколько их размещается на энергетических подуровнях атома углерода. Но вначале поговорим о самой загадочной частице — электроне.
2.2. «Жилище» для электронов — орбиталь
Электрон нельзя сравнить ни с чем, что окружает нас в этом мире. Сколько бы ни было электронов в атоме, ни один из них не повторяет по свойствам другой. Каждый электрон индивидуален. Но у них есть и сходные свойства. Главное из них — все электроны находятся в постоянном движении. Если бы электрон был неподвижен, он тотчас бы упал на ядро, так как противоположные заряды, которые несут электрон и ядро, взаимно притягиваются. Однако электроны не вращаются вокруг ядра, как Земля вокруг Солнца, поэтому плоских электронных орбит в атоме не существует. Движение в атоме очень сложное и подчиняется особым законам (законам квантовой механики). Но самое удивительное то, что электрон совмещает в себе, казалось бы, несовместимое. С одной стороны, электрон обладает свойствами частицы (с массой 9,109 • 10-31 кг), а с другой — свойствами волны (с длиной около 10-10 м). Так, попадая на пластинку с фотослоем, электрон вызывает почернение в одном определенном месте ее поверхности (в одном «зерне» фотослоя). Это — доказательство того, что электрон является частицей. В то же время электроны способны огибать встречающиеся на пути преграды и препятствия. Но это же свойство характерно и для волн! Один ученый-физик пошутил по этому поводу: «По понедельникам, средам и пятницам электрон ведет себя как волна, а по вторникам, четвергам и субботам — как частица, в воскресенье же он отдыхает...»
Двойственная природа («частица-волна») электрона приводит к тому, что для него не существует такого понятия, как траектория его движения. Нельзя одновременно установить, где находится электрон в данный момент и в каком направлении он движется. Другими словами, электрон «мечется» не по какой-то определенной траектории, а, «прыгая» с колоссальной скоростью, может находиться в любой части околоядерного пространства — то ближе, то дальше от ядра. В этом случае можно говорить только о возможности (вероятности) пребывания электрона в том или другом положении относительно ядра атома. Электрон как бы «размазан» в этом пространстве, и все его траектории движения сливаются в сплошное облако (рис. 4). При этом плотность такого облака убывает с увеличением расстояния от ядра. Если изобразить вероятность нахождения электрона в какой-то момент на определенном расстоянии от ядра в виде точек, то получим такую картину: где-то таких точек будет мало и там электрон будет довольно редко, а где-то этих точек будет очень много и электрон там находится чаще. Такое околоядерное пространство, в котором электрон находится большее время, называется электронным облаком или электронной орбиталью.