По современным представлениям, атом — это электронейтральная частица, состоящая из ядра и электронной оболочки. Атомное ядро несёт положительный электрический заряд и расположено в центре атома, а электронная оболочка, или же электронное облако, несёт отрицательный электрический заряд и занимает весь объём атома.

Согласно закону Кулона заряды одного знака отталкиваются друг от друга, а заряды разных знаков, наоборот, притягиваются. Именно эти силы притяжения удерживают электронное облако на атомном ядре и придают устойчивость атому в целом. Положительный заряд атомного ядра в точности компенсируется отрицательным зарядом электронного облака, поэтому суммарный заряд атома равен нулю, то есть атом электронейтрален.

На рисунке видно, что электронное облако не имеет чёткой границы, но его плотность возрастает к центру атома, где находится ядро. В масштабе рисунка ядро не видно, поскольку оно в десятки тысяч раз меньше электронного облака. Однако столь малые размеры не мешают ядру быть очень тяжёлым: его масса в тысячи раз превышает массу электронного облака.

Именно электронными облаками атомы взаимодействуют друг с другом, а поскольку химическая природа атома заключена в характере этих взаимодействий, то ключом к её пониманию является структура электронного облака.

Электронное облако состоит из электронов (e^—) — элементарных частиц, носителей отрицательного электрического заряда. Именно они переносятся электрическим током в проводах; они же заставляют светиться экран телевизора. Все электроны абсолютно одинаковы и несут один и тот же отрицательный элементарный заряд. Число электронов в нейтральном атоме обозначается буквой Z; таким образом, если выражать заряд электронного облака в элементарных единицах заряда, то он будет равен —Z.

Интересно знать! В масштабах микромира действуют законы квантовой механики, которые позволяют частицам находиться только в строго определённых состояниях. Набор этих состояний сильно зависит от условий, в которые помещена частица, в результате чего её природа может сильно измениться. Например, изолированный электрон может вести себя в одних условиях как точечная частица, а в других условиях — как волна. При взаимодействии же с атомным ядром он проявляет свойства и частицы, и волны сразу, в результате чего получается электронное облако.

Атомное ядро состоит из нуклонов — частиц более сложной природы и намного большей массы, чем электроны. Нуклоны бывают двух видов: протоны и нейтроны. Они похожи друг на друга тем, что имеют примерно равную массу (почти в 2000 раз превышающую массу электрона) и схожий состав (каждый нуклон состоит из трёх кварков). Однако они отличаются устойчивостью и величиной электрического заряда. Протоны (p⁺) несут положительный элементарный заряд и стабильны, т.е. могут существовать неограниченно долго; нейтроны (n⁰) заряда не несут и сами по себе неустойчивы (в среднем время жизни нейтрона меньше 15 минут), но в составе ядра могут быть стабильными.

Общее число нуклонов в ядре обозначается буквой A и называется массовым числом. Так получилось потому, что это число примерно пропорционально массе атома. Действительно: почти вся масса атома сосредоточена в его ядре, состоящем из А примерно одинаковых по массе нуклонов, а электронное облако вносит в массу атома мизерный вклад. Число нейтронов обозначается буквой N, а число протонов, конечно же, равно Z, потому что заряд ядра в таком случае равен +Z и в точности компенсирует заряд электронного облака. В итоге получаем соотношение:

Итак, состав атома можно указать с помощью двух чисел: A и Z. Массовое число A задаёт число нуклонов в ядре и позволяет оценить массу атома, а число Z, называемое атомным номером, указывает, сколько протонов среди этих нуклонов и, соответственно, сколько электронов содержит электронное облако. Число нейтронов N обычно вычисляется как разность A — Z.