Γιατί τα ηλεκτρόνια βρίσκονται στα κελύφη ενός ατόμου;

Τα ηλεκτρόνια βρίσκονται στα κελύφη ενός ατόμου λόγω των ελκυστικών ηλεκτροστατικών δυνάμεων μεταξύ των αρνητικά φορτισμένων ηλεκτρονίων και του θετικά φορτισμένου ατομικού πυρήνα. Σύμφωνα με το ατομικό μοντέλο Rutherford, ένα άτομο αποτελείται από ένα μικροσκοπικό πυρήνα που περιβάλλεται από πολύ μεγαλύτερο όγκο χώρου όπου βρίσκονται τα ηλεκτρόνια. Η κατανομή των ηλεκτρονίων σε ένα άτομο καθορίζεται από τις κβαντικές μηχανικές ιδιότητές τους, ιδιαίτερα τη δυαδικότητά τους κύματος-σωματιδίων.

Κάθε ηλεκτρόνιο σε ένα άτομο καταλαμβάνει ένα συγκεκριμένο επίπεδο ενέργειας ή κέλυφος ηλεκτρονίων. Τα κελύφη είναι τοποθετημένα συγκεντρωτικά γύρω από τον πυρήνα, με το εσωτερικό κέλυφος να είναι πιο κοντά στον πυρήνα και το εξωτερικό κέλυφος να απομακρύνεται. Τα επίπεδα ενέργειας αυξάνονται καθώς η απόσταση από τον πυρήνα αυξάνεται. Τα ηλεκτρόνια μπορούν να καταλαμβάνουν μόνο διακριτά επίπεδα ενέργειας και τα επιτρεπόμενα επίπεδα ενέργειας καθορίζονται από τους κβαντικούς αριθμούς που σχετίζονται με τροχιακά ηλεκτρονίων.

Ο κύριος κβαντικός αριθμός (N) καθορίζει το κύριο κέλυφος ενέργειας που καταλαμβάνει ένα ηλεκτρόνιο, με n =1 που αντιστοιχεί στο εσωτερικό κέλυφος, n =2 στο δεύτερο κέλυφος και ούτω καθεξής. Ο κβαντικός αριθμός της γωνιακής ορμής (L) καθορίζει το σχήμα του τροχιακού ηλεκτρονίου μέσα σε ένα δεδομένο κέλυφος. Κάθε κύριο κέλυφος ενέργειας μπορεί να έχει πολλαπλά υποβρύχια με διαφορετικούς κβαντικούς αριθμούς γωνιακής ορμής. Ο μαγνητικός κβαντικός αριθμός (ML) περιγράφει τον προσανατολισμό του τροχιακού ηλεκτρονίου στο διάστημα. Τέλος, ο κβαντικός αριθμός περιστροφής (MS) καθορίζει τις δύο πιθανές καταστάσεις περιστροφής ενός ηλεκτρονίου.

Συνοπτικά, τα ηλεκτρόνια βρίσκονται στα κελύφη ενός ατόμου λόγω των ηλεκτροστατικών δυνάμεων μεταξύ των ηλεκτρονίων και του πυρήνα. Η κατανομή τους διέπεται από την κβαντική μηχανική, με ηλεκτρόνια να καταλαμβάνουν διακριτά επίπεδα ενέργειας και τροχιακά που καθορίζονται από κβαντικούς αριθμούς. Αυτή η δομή του κελύφους διαδραματίζει κρίσιμο ρόλο στον προσδιορισμό των χημικών ιδιοτήτων και της συμπεριφοράς των ατόμων και των μορίων.