Сколько протонов в ядре гелия

Сколько протонов в атомномном ядре гелия?

Ядро атома гелия, иначе альфа-частица или гелион, как и все ядра атомов имеет магнитную природу. Как всякий магнит, ядро атома гелия также растягивается вдоль магнитной силовой линии. При этом нейтроны теряют свои электроны, с последующим возникновением энергии нейтрино. Образовавшиеся фрагменты вещества представляют собой "голые" ядра атомов, также устремляющиеся вдоль магнитных линий при огромной скорости вращения.

У второго элемента периодической системы Менделеева, гелия, такой процесс — не исключение.

Гелий и его характеристики

Гелий встречается на Земле в основном в атмосфере, однако некоторые его количества выделяются в определенных местах из недр Земли вместе с природными газами. Воды многих минеральных источников тоже выделяют гелий.

Хотя содержание гелия в воздухе невелико, во Вселенной он занимает второе место по распространенности (после водорода). Спектральный анализ показывает присутствие этого элемента во всех звездах.

Гелий представляет собой бесцветный, трудносжижаемый газ (температура кипения -268,9 o С), затвердевающий только под избыточным давлением (схема строения атома представлена на рис. 1). Обладает сильной способностью проникать через стекло и металлическую фольгу. Плохо растворяется в воде, лучше – в бензоле, этаноле, толуоле.

Рис. 1. Строение атома гелия.

Атомная и молекулярная масса гелия

Поскольку в свободном состоянии гелий существует в виде одноатомных молекул He, значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 4,003.

Изотопы гелия

Гелий – наиболее распространенный после водорода элемент космоса – состоит из двух стабильных изотопов: 4 He и 3 He. Их массовые числа равны 4 и 3. Ядро атома гелия 4 He содержит два протона и два нейтрона, а атома 3 He – такое же число протонов и один нейтрон.

Спектральный анализ показывает присутствие его в атмосфере Солнца, звезд, в метеоритах. Накапливание ядер 4 He во Вселенной обусловлено термоядерной реакцией, служащей источником солнечной и звездной энергии.

Ионы гелия

В обычных условиях гелий химически инертен, но при сильном возбуждении атомов он может образовывать молекулярные ионы He₂ + [s_s 2 s_s *1 ]. В обычных условиях эти ионы неустойчивы; захватывая недостающий электрон, они распадаются на два нейтральных атома.

Молекула и атом гелия

В свободном состоянии гелий существует в виде одноатомных молекул He.

Примеры решения задач

Задание	Углеводород содержит 92,3 % углерода (с). Выведите молекулярную (эмпирическую) формулу углеводорода (СхНу), если плотность его паров по гелию (Не) равна 6,5.
Решение	Массовая доля элемента Х в молекуле состава НХ рассчитывается по следующей формуле:

Обозначим число атомов углерода в молекуле через «х», число атомов водорода через «у». Найдем процентное содержание водорода в составе углеводорода:

Найдем соответствующие относительные атомные массы элементов углерода и водорода (значения относительных атомных масс, взятые из Периодической таблицы Д.И. Менделеева, округлим до целых чисел).

Ar(С) = 12 а.е.м.; Ar(Н) = 1 а.е.м.

Процентное содержание элементов разделим на соответствующие относительные атомные массы. Таким образом мы найдем соотношения между числом атомов в молекуле соединения:

x:y = m(Сa)/Ar(С) : m(Н)/Ar(Р);

x:y:z = 7,7 : 7,7 = 1: 1.

Значит простейшая формула углеводорода СН.

M(CH) = Ar(C) + Ar(H) = 12 + 1 =13 / моль.

Значение молярной массы органического вещества можно определить при помощи его плотности по гелию:

M_substance = 4 × 6,5 = 26 г/моль.

Чтобы найти истинную формулу углеводорода найдем отношение полученных молярных масс:

M_substance / M(CH) = 26 / 13 = 2.

Значит индексы атомов углерода и водорода должны быть в 2 раза выше, т.е. молекулярная (эмпирическая) формула углеводорода имеет вид C₂H₂.Это ацетилен.

Задание	В баллоне вместимостью 60 л при 20 o С и 40 атм находится гелий. Определите объем израсходованного гелия при н.у., если после 8 часов работы давление в баллоне понизилось до 32 атм, а температура возросла до 22 o С.
Решение	Сначала переведем градусы в Кельвины:

T₁ = 273 + 20 = 293 К;

T₂ = 273 + 22 = 295 К.

По объединенному газовому закону:

Для исходного состояния гелия в баллоне приведенный объем составил:

Для конечного состояния гелия в баллоне приведенный объем составил:

Выразим объем израсходованного гелия при н.у.:

Так как вместимость баллона постоянна, то V₁ = V₂ = V, тогда:

V_x = (273× 60 / 1) × [(40 / 293) – (32 / 295)] = 459 л.

Гелий что это такое и его 16 свойств

Гелий получил второй номер в таблице элементов Менделеева. Указан главным в группе инертных газов. Как вещество является одним из наиболее распространенных, уступая только водороду, в том числе и по характеристике легкости. Особенности строения, происхождения и основные свойства газа делают его важным веществом для промышленности.

Атом и молекула гелия, формула гелия, строение атома гелия

Гелий или на латинском Helium. Элемент из таблицы Менделеева, состоящий в 8 подгруппе. Атомный номер газа равняется 2. Вещество относится к инертным газам.

Принятое обозначение — He, аналогично прописывается его химическая формула.

В нормальных условиях это газообразное вещество без вкусовых и цветовых признаков, не имеет отличительного запаха.

Молекулярное строение вещества — одноатомное, молекула имеет простейший вид.

Газ был подробно исследован. Проведенный молекулярный анализ показал, что строение единственного атома гелия имеет вид:

ядро с положительным зарядом +2, имеющее на s-орбитали 2 электрона. Атомная оболочка единственная, о чем говорит принадлежность гелия к 1 периоду. Само ядро образовано из парных протонов и нейронов — по 1 паре. Газ отнесен к s-семейству химических элементов.

На основе исследований получен радиус атома — 31 пм.

Формула гелия и особенности его строения доказывают, что он является инертным веществом.

Изотопы и модификации гелия гелий I и гелий II

Различное количество нейтронов в составе ядра позволило выделить изотопы гелия. Известное количество — 8, стабильное состояние наблюдается у двух. 6 изотопов — искусственно радиоактивные вещества.

Вещество природного характера представлено в виде 2 стабильных изотопов:

• 4 He — максимально представлен до уровня 99,99986%;
• 3 He — редкий изотоп, в источниках процент содержания может незначительно варьироваться от значения в 0,00014.

He в атмосфере

Представлен в виде 4He — результат альфа распада радиоактивных веществ — урана и прочих. Наименьший процент составляет реликтовую долю — полученную из космической пыли, которая в течении миллиардов лет формировала планету. Процент 3He в атмосферной разновидности газа сверх мал. Данный изотоп образуется благодаря бета распаду трития. Основной источник — ядерные процессы в толще планеты или верхней части атмосферы.

Годовой объем накопления гелия в аква среде и породе оценен в 26*106 кубометров.

He звездный

Образуется в следствии термоядерных процессов. Благодаря синтезу ядер hydrogenii (водород) на звездах, схожих по строению с Солнцем.

Благодаря научным экспериментам изучены особенности газа, разобрана формула и получен гелий в форме изотопов. Таблица отражает количество элементарных частиц каждого изотопа.

Изотоп	Количество протонов	Количество нейтронов
5He	2	3
6He	2	4
7He	2	5
8He	2	6
9He	2	7
10He	2	8

Все представленные изотопы — радиоактивные.

Свойства гелия, таблица: температура, плотность, давление и прочее

Основные свойства газа удобно рассматривать в форме таблицы.

Свойства, характеристики	Данные
Наименование	Гелий
Тип	Неметалл
Принадлежность	Газ инертной группы
Атомная масса (молярная)	4,002602(2) а. е. м
Количество элементарных частиц (E,P,N)	По 2
Нахождение в таблице Менделеева	18 гр или 1 подгруппа 8 гр.
Период	1

Химические свойства
Степень окисления/валентность	0/0
Потенциал ионизации	2372,32 кДж/моль
Потенциал сродства атома и электрона	-48(20) кДж/моль — ориентировочно
Физические характеристики
Плотность	Для нормальных условий, газообразной формы 17,846·10-5 г/см3
T плавления	-272,20 °C
T кипения	-269,928 °C
Молярный объем	22,42354 см³/моль
Форма кристаллической решетки	Гексагональная, плотноупакованная.

Электронный тип конфигурации частиц на атомной оболочке гелия — 1s2.

Гелий — свойства атома

Как простое вещество, гелий и его атом наделены рядом физических и химических свойств. Близость к водороду и порядковый номер 2 сделали газ легким, а также практически полностью инертным веществом.

Физические свойства

В среде со стабильными и нормальными показателями температуры, давления He не имеет запаха, у него отсутствует вкусовые и цветовые характеристики. Это нетоксичное вещество.

Стандартные условия предполагают модель поведения идеального газа.

Масса гелия минимальная — более чем в 7 раз меньше воздуха, 178 гр против 1293 гр. Именно поэтому шар, наполненный He, взлетает вверх. Если поместить кубометр газа в шар или иную емкость с малым весом, то такой элемент сможет поднять груз, весом в 1.115 кг. Эти физические свойства находят применение в быту — всем знакомые шарики и украшения торжеств.

Теплопроводность при нахождении гелия в нормальных условиях (300 К) 0,152 Вт/(м·К). Это высокий показатель по сравнению с другими газами, большее значение имеет только водород.

Особенность элемента — низкая способность к растворению в водной среде и растворителях органического происхождения. В отличие от водорода, растворение в различных металлах также не наблюдается. Процессы диффузии с твердыми материалами выше:

• в 3 раза, чем у воздуха;
• более чем наполовину в сравнении с водородом.

В условиях атмосферного давления получить твердое состояние газа невозможно даже при условии достижения абсолютного нуля.

Процессы кристаллизации в газе начинают происходить при попадании в среду с давлением от 2.5 МПа. Особые нестандартные, чаще экстремальные условия потребуются для выработки химических соединений вещества с другими элементами. По возвращению к нормальным условиям такие соединения будут распадаться — они максимально нестабильны.

Если трубку заполнить гелием и пропустить через нее ток, можно наблюдать свечение. Оттенки напрямую зависят от уровня давления газа в трубке.

Химические свойства гелия

Практически инертный газ в нормальной среде малоактивен во взаимодействии с иными веществами. Основной объем соединений He представлен в газообразном формате эксимерных молекул. Они отличаются нестабильным основным и стабильным электронным возбужденным состоянием.

Несмотря на то, что степень окисления у гелия составляет 0, он способен формировать:

• молекулы из двух атомов — He+2 :
• фторид HeF;
• HeCl.

Такие вещества указывают на фактический показатель степени окисления в +1. Данные эксимерные соединения формируются при прохождении электричества или ультрафиолетовых лучей через смесь указанных веществ с гелием. Состав нестабилен и подвержен изменениям с течением времени реакции.

Энергетическое значение ионной связи в молекуле газа равно 58 ккал/моль. Межъядерное расстояние положения равновесия — 1.09 А.

Свойства в газовой фазе

Для нормальных условий газообразное состояние вещества представляется как идеальное. Коэффициент преломления стремится к 1, превышая аналогичные показатели схожих веществ. He обладает минусовым показателем Джоуля-Томсона для стандартных условий среды. Нагрев происходит при прохождении малых отверстий и перегородок, охлаждение — при адиабатическом расширении.

Если гелий охладить ниже 40 К, он может перейти в жидкостную фазу с учетом охлаждения расширением. Процедура реализуется с помощью особого устройства — детандера.

Графический спектр He в нейтральном состоянии. Пропускаемый через трубку с газом ток формирует разноцветные разряда. Цвет зависит от давления внутри сосуда. Видимый спектр — желтый, при падении давления спектральный график меняется от розового, до оранжево-желтых расцветок. Такое свойство объясняется наличием в спектре групп линий. Расположение — между инфракрасным и ультрафиолетовым сегментом спектра.

Падение давления в емкости с газом ведет к росту расстояния свободного движения электрона, а равно и к росту энергии взаимодействия с атомами газа. Атом переходит к фазе с увеличенным объемом энергии, что ведет к смещению линий спектра по направлению от красного к фиолетовой, видимой части.

Свойства конденсированных фаз

Жидкий He первый раз был получен в 1908 году Камерлинг-Оннесу. Твердую фазу вещества создали при барическом воздействии в 25 атмосфер и нагреве до 1 К в 1926 ученым Кезом. Ему же принадлежит обнаружение фазового перехода 4He при температурном показателе 2.17 К. Именно он обозначил фазовое состояние гелий 1 и 2. Капица в 1938 году у 2 фазового состояния выявил явление сверхтекучести. Это относит газ к группе квантовых жидкостей. Доскональное исследование и оценка поведения вещества возможна с помощью средств квантовой механики.

Во время исследований 2004 года появилась информация о сверхтекучести твердой фазы вещества-суперсолидный эффект. Опыты проводились в торсионном осцилляторе. Из-за разногласий среди мирового научного сообщества, эксперименты для подтверждения данного факта проводятся до настоящего времени. Проводятся многогранные опыты, исследуется и электронная конфигурация наполненного энергией атома гелия для полноценной картины поведения вещества в данном агрегатном состоянии.

Получение гелия

Промышленная схема извлечения основана на переработке природных газов с высоким содержанием He — более 0.1% от общего объема среды. Процесс отделения производится методикой глубокого охлаждения, так как гелий наименее сжижаем.

Процесс происходит ступенчатым дросселированием с удалением примесей углекислого газа и следов углеводородов. На первом этапе получают сырой гелий с содержанием вещества до 70-90%. Очищенный от водорода, газ подвергают повторному охлаждению: реакция идет при участи кипящего азота и удалении примесей в адсорберах.

Характеристика итогового продукта производится по степени очистки:

• техническая чистота с 99.8% газа в объеме;
• высокая чистота с гелием в 99, 986% в объеме.

Применение

Химия и ее законы позволили досконально изучить гелий. Особенности инертного газа позволяют задействовать его в промышленных, производственных процессах с целью:

• создания защитной среды для плавки очищенных металлов;
• упаковочного газа и в формате добавки в пищепроме;
• охлаждающей среды для достижения сверхпроводящей фазы у металлов;
• заполнения аэростатов и иных суден для воздухоплавания;
• создания смеси в баллонах для дайвинга;
• декора в шариках и прочих надувных украшениях;
• эксплуатационной среды для части ядерных реакторов, лазеров;
• заполнения определенного класса светодиодных ламп.

3 He — один из видов исследуемого топлива для ядерной энергетике, весьма перспективный.

В геологии

He выступает в роли индикатора для геологоразведки. Здесь работает принцип гелиевой съемки. Газ, как результат распадающихся радиоактивных веществ, выделяется сквозь трещины и разломы земной коры в атмосферу.

Зоны, прилегающие к местам его выделения, имеют повышенное содержание гелия. Природа поведения газа была исследована и описана советским ученым-геофизиком Яницким. Данный факт применяется в процессе выявления залежей урановых руд, цветных и драгоценных металлов.

Аналогичным образом можно искать геотермальные источники — превышение концентрации газа в зоне данных объектов может доходить до 200 раз.

Военное применение

Военными специалистами He применялся для:

• наполнения дирижаблей в первую мировую войну;
• после 1950 годов гелием прочищали топливные отсеки ракет.

В астрономии

Увековечить элемент в космическом масштабе было решено через название астероида — Гелио. Объект был впервые замечен в 1918 году.

Транспортировка гелия

Вещество перевозится в двух агрегатных состояниях: жидком и газообразном. В газообразной форме для перемещения гелия задействуются баллоны из стали, отвечающие нормам ГОСТ 949-73. Цвет покрытия — коричневый, обязателен контроль запорной арматуры перед очередной заправкой. Транспорт для перевозки должен отвечать требованиям и правилам работы с газами.

Жидкий гелии перемещают с сосудах Дьюара. Это специальные емкости с аббревиатурой СТГ, расцветка серая. Номинальный объем в литрах от 10 до 500. При соблюдении правил транспортировки — неподвижность сосуда и строго вертикальное положение, можно задействовать как авто, так и железнодорожный транспорт.

Распространенность

Гелий является одним из самых распространенных веществ во вселенной и земной коре.

Во вселенной

По общему объему распространения гелий держится на втором месте — 23% массы, больше только водорода. Содержание же на нашей планете невысоко. Основная масса запасов Вселенной была образована за счет Большого Взрыва.

В данное время гелий на Земле-продукт альфа распада радиоактивных элементов. За счет происходящих процессов распада внутри планеты, происходит выделение газа на поверхность и смешивание с природным газом. Концентрация гелия в такой смеси — от 7%.

Земная кора

Газ по объему содержания в коре планеты уступает только аргону. Усредненный показатель — 0,003 мг/кг. Максимальный объем He выявлен в минералах, несущих в своем составе уран, самарий. Основные представители: клевеит, фергюсонит, монацит.

Мировой рынок гелия

Одно из больших мест добычи гелия, выявленных сравнительно недавно — озеро Виктория, расположенное в Танзании. Совместные исследования Британии и Норвегии сделали вывод о 1.5 млрд кубометров газа.

Общие запасы в мире — 45.6 млрд кубометров гелия. В начале 2000-х годов лидерами по добыче были Америка, Алжир, Российская Федерация.

Добыча в России

Большая доля вещества возможна к добыче совместно с газовыми залежами в Восточной Сибири. Ковыктинские запасы оценены геологоразведкой в 2.3 млрд кубометров, а Чаяндинские в 1.4 млрд.

Активная добыча газа производится в Оренбурге на мощности корпорации Газпром. За счет невысокой концентрации растет себестоимость отечественного продукта. При освоении месторождений Восточной Сибири удастся снизить себестоимость гелия в разы.

Стоимость

В период с 2009 года по 2019 стоимость 1 кубометра гелия выросла с 2.5-3 долларов США до 30-32 долларов. Оценивался чистый продукт с объемным содержанием гелия 99,995%.

История открытия

Первым фактом присутствия гелия были ярко-желтые линии при рассмотрении спектра солнечного затмения в Индии Жюлем Жансеном в 1868. Позднее, английский астроном Локьер изучал похожую желтую линию. В связи со связью элемента с солнечным светом, а также не известной на тот момент природой, он получил название Гелиос — на латинском так называется Солнце.

А уже в 1881 физик из Италии Пальмиери обнаружил гелий в веществе, собранном после извержения вулкана. Найти гелий удалось по его спектральной линии.

Биологическая роль

Как инертный газ, гелий, по современным исследованиям, не имеет биологических функций, но может вызвать определенные последствия при взаимодействии с живыми организмами. Химический эффект при кратковременном соприкосновении с кожными покровами в нормальных условиях не наблюдается.

Физиологическое действие

По воздействию на физиологию можно выделить такие факторы:

• при повышении атмосферного давления в среде с увеличенным содержанием гелия возможны признаки «синдрома повышенного артериального давления». Учащенный пульс, сдавливание в голове, беспокойство.
• при повышенной концентрации — например, вдох чистого газа из шара, может начать тошнота, рвота. Не исключается смертельный исход из-за кислородного голодания. Инертный газ, не имеющий признаков при вдыхании, может стать причиной потери сознания.
• физический эффект воздействия на связки при вдыхании выражается в изменении тембра голоса.

Важно. Дышать гелием, как и прочими инертными газами, опасно для жизни и здоровья.

Риски для здоровья

Полное замещение в легких атмосферного воздуха гелием провоцирует кислородное голодание. Вследствие этого происходит потеря сознания, а при длительном воздействии смерть головного мозга из-за отсутствия питающего материала в виде кислорода.

Гелий — важный элемент в периодической системе Менделеева и активно применяемое в промышленности вещество. Основные свойства газа изучены, но более глубокие и скрытые особенности продолжают рассматриваться ведущими учеными планеты.

О протонах, электронах и атомах на пальцах. По понятиям Творца.

Будем, однако, благодарны этому Паули. Ибо без его епитимьи, названной позднее принципом запрета Паули, не было бы никакой химии, никаких молекул кроме молекулы водорода и не было бы никакой Жизни. За что ему, несомненно, следует присвоить чин архангела. И заодно посмотреть на тот порядок в атомах, который он установил вместе с другими архангелами квантового мира. По тем понятиям, которые внушил им Творец.

1. Создание кирпичиков для постройки атомов. Творец понимал лозунги Свободы, Равенства и Братства весьма своеобразно. Он признал Равенство электрона и протона по росту и ширине спины величине электрического заряда и магнитного момента (спина). Но по толщине кошелька массе сделал их очень разными. Подарив протону массу почти в 2000 раз большую, чем электрону.

Свободу Всевышний понимал как осознанную необходимость. Даруя ее только тем электронам, которым внешние силы смогли навязать эту идею. Остальные же электроны отдал в рабство протонам. Внушив им, что это рабство и есть проявление Братства.

И тут в игру вступил архангел Гайзенберг. Заметив, что по замыслу Творца мир не должен быть заполнен точечными, то есть имеющими нулевой размер, частицами. И потому наложил свой запрет, названный позднее принципом неопределенности:

Δv * Δx > h / m, (1)

где h — постоянная уже старого к тому моменту архангела Планка, а m — масса частицы (протона или электрона). О чем говорит этот запрет? Он говорит, что если, не дай бог, электрон или протон станут имеющими нулевой размер частицами (неопределенность их положения Δx = 0), то неопределенность их скорости Δv станет бесконечной и неизвестно где они окажутся в следующий момент времени. Что недопустимо. Ибо Творец запретил кому либо двигаться со скоростью большей скорости света. Поэтому то же самое неравенство можно записать так:

Δ x > h / mс , (2)

где с — скорость света.

Из неравенства (2) следует, что минимальный размер имеющей массу частицы Δ x min

h / mс. Отсюда следует, что размер протона никак не может быть меньше примерно одной десятитриллионной части сантиметра <

10 ↑ (-13) см>. Протон так и поступил — сделал свой размер чуть больше этого минимума.

А размер электрона по тому же неравенству не может быть меньше нескольких миллиардных долей сантиметра. Электрон неукоснительно соблюдает это правило. Приближаясь к указанному минимуму лишь в самых внутренних электронных оболочках атомов с самыми большими атомными номерами. И далеко и вольготно удалясь от этого минимума в атомах с малыми атомными номерами.

2. Атом водорода. Атом водорода устроен проще пареной репы. В нем один протон и один электрон. В школе нас всех учили, что электрон вращается вокруг протона. Ничего подобного. Электрон в основном состоянии атома водорода вокруг протона не вращается. Он выбрал для себя роль шубы, надежно экранирующей своим зарядом равный по величине заряд протона. Вот так:

Рис.1. Атом водорода.

На этой картинке внизу — график вероятности обнаружения электрона на конкретном расстоянии от протона. Ибо позиция "0" на графике определяет местонахождение протона. А электрон образует собой сферически симметричную шубу вокруг протона. И вверху картинки — изображение этой электронной шубы в атоме водорода. Диаметр этой шубы — примерно одна стомиллионная доля сантиметра. Что в десятки раз больше разрешенного электрону архангелом Гайзенбергом минимального размера.

Шуба эта сидит на протоне достаточно прочно. Чтобы ее снять, то есть ионизовать атом водорода, надо затратить немало энергии. Конкретно — 13,6 электронвольт (эВ — единица измерения энергии в атомной физике). Если делать это квантами света, то нужны фотоны с длиной волны вчетверо меньшей длины волны фиолетового света. И, следовательно, вчетверо энергичнее фиолетового фотона. Такие фотоны мы своими глазами не воспринимаем.

Почему водород одновалентен? У него только один электрон и только его он может командировать на наведение связи с другим атомом. Но у него есть и еще одно место на его основном энергетическом уровне (1s — уровень), которое принцип запрета Паули оставил свободным. Поэтому водород может и пригласить в свою шубу один электрон из другого атома. Оба варианта делают водород одновалентным.

У атома водорода есть и возбужденные состояния, в которых электронная шуба протона может раздуваться или даже деформироваться. Но дабы не замыливать никому мозги изображать такие шубы не буду.

3. Атом гелия. В ядре атома гелия — два протона и два нейтрона (нейтрон — это практически протон без электрического заряда). Ясно, что такое ядро своим электрическим зарядом вдвое сильнее притягивает электроны, чем один протон. И потому оба электрона атома гелия находятся заметно ближе к ядру, чем электрон в атоме водорода. Из приведенного ниже графика следует, что атом гелия, как размер шубы ядра гелия, почти вдвое меньше атома водорода.

Рис.2. Размеры атомов (по горизонтали — атомный номер, равный числу протонов в ядре атома, по вертикали — радиус атома в нанометрах, равных десятимиллионным долям сантиметра).

В атоме гелия оба электрона сидят на одном энергетическом уровне 1s. И образуют единую сферически симметричную электронную шубу для атомного ядра. Но эта шуба по сравнению с шубой в атоме водорода обладает двумя особенностями. Во-первых, эта шуба двусторонняя — пошита и мехом вверх и мехом вниз. В том смысле, что принцип запрета Паули позволяет обоим электронам сидеть на одном энергетическом уровне только в таких позициях, в коих их спины (магнитные моменты) противонаправлены — у одного вверх, у другого вниз. Неважно, что понимать под верхом, лишь бы низ был в противоположном направлении.

Во-вторых, из-за более сильного притяжения к ядру гелия его электронную шубу труднее с него снять. Из графика на рис. 3. видно, что энергия, необходимая для отрыва только одного электрона от атома гелия почти вдвое больше, чем энергия отрыва электрона от атома водорода. Конкретно — 24,6 электронвольт. Поэтому для ионизации атома гелия нужен почти вдвое более жесткий, чем для ионизации водорода, ультрафиолетовый фотон. И по этой же причине гелий практически ни с какими атомами не вступает в химические реакции — слишком энергетически затратно направить хотя бы один электрон атома гелия на организацию химической связи с любым другим атомом. Из-за чего мы вынуждены считать гелий химически нейтральным.

Рис. 3. Энергия, необходимая для отрыва одного электрона от атома (по горизонтали — число протонов в ядре атома, по вертикали — энергия однократной ионизации в электронвольтах).

4. Атомы лития и бериллия. У атомов лития и бериллия по 3 и 4 протона в ядре соответственно. Внутренняя шуба из двух электронов еще более компактна, чем у гелия. И ее электроны ни в каких химических реакциях никогда не участвуют. Но появляется внешняя электронная шуба из одного (у лития) и двух (у бериллия) электронов, сидящих на гораздо более высоком энергетическом уровне. Который будем называть вторым (2s — уровень). Внешняя шуба, как и внутренняя, сферически симметрична. Из-за более слабой связи электронов внешней шубы с ядром размеры этих атомов больше, чем у атома водорода (рис.2), а энергия связи — существенно меньше (рис.3). Поэтому литий и бериллий имеют валентности 1 и 2 соответственно.

5. Атомы от бора до неона. У всех этих атомов энергетические уровни 1s и 2s полностью заняты — архангел Паули запретил на них садиться другим электронам. Но есть довольно близкий к уровню 2s по энергетике уровень 2р. И на него можно сажать электроны, которые будут вращаться вокруг ядра атома, создавая третью шубейку. Совсем не сферически симметричную. На этот уровень можно посадить до 6 электронов (больше Паули не позволит). На уровне 2р бор имеет один электрон, который обычно отдает другому атому, вступая с ним в связь. И потому бор одновалентен.

У углерода на энергетическом уровне 2р два электрона, но он взял в привычку не отдавать их другим атомам, а приглашать электроны других атомов на 4 еще свободных места на энергетическом уровне 2р. Становясь, тем самым, 4-валентным. И такое гостеприимство было вознаграждено Творцом — углерод стал базовым элементом любых проялений мыслимой нами Жизни.

Другие элементы этой же строки таблицы Менделеева, как и других ее строк, обсуждать здесь не буду. Большинству из вас будет достаточно уже написанного, а кому недостаточно — сам разберется.

Но в заключение хочу отметить два важных момента. Самые большие по размеру атомы — не более чем в 5 раз больше атома водорода, самые маленькие — не более чем в два раза меньше атома водорода. И у всех энергетика взаимодействия между собой лежит в полностью в ультрафиолетовом диапазоне. Оберегая наши глаза, не восприимчивые к фотонам этого диапазона, от ослепительных свершений Творца.

Какую изобретательность проявил Творец, создав столь многообразный набор кирпичиков мироздания, не слишком сильно различающихся по размерам и энергетике взаимодействия между собой!