Расчеты, которые делались для объяснения этих опытов, показали, что почти вся масса атома сосредоточена в его центре и образует его ядро. Это ядро, составляя основную массу атома, занимает в то же время ничтожную часть его объема. Этим объясняется как то, что подавляющее большинство альфа-частиц проходит через атомы совершенно свободно, не испытывая никакого отклонения, так и то, что некоторые частицы испытывают сильное отклонение: это именно те частицы, которые сталкиваются с ядром.
В результате опытов Резерфорда перед физиками предстала более правильная картина строения атома. Картина эта оказалась совершенно неожиданной. Атом по своему строению очень сильно походил на... солнечную систему! Солнечная система, как известно, состоит из большого центрального тела — Солнца, вокруг которого на больших расстояниях от него вращаются планеты: Меркурий, Венера, Земля и другие. Масса всех планет, вместе взятых, значительно меньше массы Солнца. То же самое мы обнаруживаем и в атоме. В центре атома находится атомное «солнце» — ядро атома. Вокруг ядра на сравнительно больших расстояниях от него обращаются электроны. Чтобы получить представление об этих расстояниях, увеличим мысленно атом во много-много раз, так чтобы ядро его стало величиной, например, с футбольный мяч. Если предположить, что это «ядро» находится в центре Москвы, то в этом случае электроны вращались бы вокруг него на расстоянии в 30—50 километров.
Электроны заряжены отрицательно, ядро — положительно. Каждый электрон несет один отрицательный заряд. Ядро же заключает в себе столько положительных зарядов, сколько электронов содержится в атоме. Таким образом, количество отрицательных зарядов равно числу положительных. Поэтому они уравновешивают друг друга, и в целом атом обычно нейтрален, то есть не имеет никакого электрического заряда.
Различные атомы содержат разное число электронов. Самым простым оказался атом водорода. В этом атоме вокруг ядра вращается только один электрон. Следовательно, ядро атома водорода несет положительный заряд, равный по величине заряду одного электрона. Этот заряд и был принят за единицу. Ядро атома водорода, как наиболее простое, было названо протоном (от греческого слова «протос», что означает «первый»). Не удивительно, что именно атом водорода оказался устроенным проще других атомов. Ведь это самый легкий атом, и в таблице Менделеева, в которой элементы расположены в порядке возрастания атомных весов, водород находится на первом месте.
Модель атома водорода
Следующее место в таблице Менделеева занимает газ гелий. В атоме гелия вокруг ядра вращаются два электрона. Его ядро, следовательно, имеет два положительных заряда. Ядра атома гелия и представляют собой те самые альфа-частицы, которые были впервые обнаружены в лучах, испускаемых радием, и при помощи которых Резерфорд доказал существование атомного ядра.
За гелием в периодической системе следует литий. В его атоме — 3 электрона, и заряд его ядра равен трем единицам.
Как же расположены эти электроны в атоме лития? Оказалось, что два из них расположены примерно на одинаковом расстоянии от ядра, или, как говорят физики, «в одном слое». Третий же электрон вращается один, по пути, находящемуся дальше от ядра.
Ученые доказали, что в первом слое, ближайшем к ядру, не может быть более двух электронов. Так что всем остальным электронам приходится располагаться дальше от ядра, в других слоях.
Четвертый по порядку элемент таблицы — бериллий имеет в своем атоме 4 электрона, из которых 2 двигаются во внутреннем слое и 2 — во внешнем. У пятого элемента— бора — во внутреннем слое вращаются, как обычно, 2 электрона, во внешнем — 3.
Мы видим, что порядковый номер элемента в таблице Менделеева совпадает с количеством электронов в его атоме, а следовательно, с величиной заряда ядра. Все известные в настоящее время химические элементы отличаются друг от друга величиной заряда ядра их атома. В атоме первого элемента, водорода, заряд ядра равен 1, в атоме последнего, менделевия,— 101.
В отдельных случаях расположение элементов в порядке возрастания атомного веса не совпадает с расположением в порядке возрастания заряда ядра. Например, ядро калия имеет больший заряд, чем ядро элемента аргона, а атомный вес калия меньше атомного веса аргона. В настоящее время принято располагать элементы в периодической системе по порядку возрастания заряда ядра, а не атомного веса, так как для характеристики элемента заряд ядра имеет более существенное значение, чем его атомный вес. Поэтому в таблице Менделеева аргон идет раньше калия, хотя его атомный вес больше.