Рис. 2. Схема строения наиболее простых атомов.
Определив заряд ядер, нашли и число электронов в атоме, также равное порядковому числу элемента в периодической системе. Знание числа электронов для каждого элемента и его положение в системе Д. И. Менделеева позволило построить атомные модели для всех элементов.
На рис. 2 схематически изображено строение атомов водорода, гелия и лития. Атом самого легкого элемента — водорода состоит из двух частиц. Вокруг ядра вращается один электрон. Вокруг ядра гелия вращаются уже два электрона, вокруг ядра лития — три. Чем тяжелее атом, тем сложнее его строение. Например, кислород, занимающий восьмое место в периодической системе элементов, имеет восемь электронов: два из них вращаются на K-оболочке, остальные шесть — на L-оболочке. Конечно, приведенные модели атомов отражают их строение весьма схематично. На самом деле пространственная структура атома значительно сложнее. Электроны движутся по разнообразным эллиптическим орбитам, причем сами орбиты также перемещаются в пространстве. Все химические свойства элементов зависят от строения наружной электронной оболочки.
Для познания структуры ядер атомов решающее значение имело открытие ядерных реакций. Первое искусственное ядерное превращение осуществил Э. Резерфорд в 1919 г. Ему удалось наблюдать превращение ядра азота Ν14 при бомбардировке последнего альфа-частицами, испускаемыми изотопами полония (Ро214) со скоростью 19 200 кж/сек в ядро кислорода. Эта первая ядерная реакция может быть изображена в следующем гиде:
7N14 + 2Не4 » 8О17 + 1Η1 или сокращенно 7Ν14 (α, ρ)8O17,
где а — ядро атома гелия 2Не4;
р (протон) — ядро атома водорода 1Η1.
Первым крупным открытием, связанным с осуществлением ядерных реакций, было открытие в 1932 г. нейтронов (0n1). Английский физик Д. Чэдвик, ученик Э. Резерфорда, обнаружил их при изучении следующей ядерной реакции:
4Ве9 + 2Не4 » 6C12 + 0n1.
Изучение свойств нейтрона показало, что он представляет собой частицу, которая не имеет электрического заряда. Масса его равна 1,00893; эта величина несколько больше массы ионизированного атома водорода, который с 1920 г. по предложению Резерфорда стал называться протоном. Его масса равна 1,008123.
Открытие нейтрона сыграло исключительно важную роль в науке. Оно привело прежде всего к созданию протонно-нейтронной модели атомного ядра, предложенной советским физиком Д. Д. Иваненко. Она существует и в настоящее время.
Согласно этой модели, ядра атомов состоят из протонов, число которых (Z) равно порядковому номеру элемента в периодической системе Менделеева. Число нейтронов (N) равно разности А — Z, где А — массовое число изотопа, т. е. его атомный вес, округленный до целого числа. Ядро самого простого химического элемента— водорода состоит из одного протона (см. рис. 2), ядра атомов других элементов — из большего числа протонов и нейтронов. Например, ядро 13Аl27 (Ζ = 13 и А = 27) состоит из 13 протонов и 14 нейтронов. Обе составляющие части ядра называются сейчас нуклонами.
Рис. 3. Схема первой ядерной реакции, осуществленной Э. Резерфордом.
С этого времени стали считать, что атомы химических элементов состоят из трех элементарных частиц — протонов, нейтронов и электронов. С точки зрения протонно-нейтронной модели можно было объяснить и механизм протекания ядерных реакций. Первая ядерная реакция Резерфорда, согласно этой модели, схематически изображена на рис. 3.
Протонно-нейтронная модель послужила основой для дальнейшего детального изучения свойств атомных ядер. Оказалось, что ядро заключает в себе 99,98 о всей массы атома, хотя его диаметр в среднем в 100 тысяч раз меньше диаметра атома. В общей форме радиус ядра может быть вычислен из соотношения
Расчеты показывают, что диаметр самого тяжелого и большого ядра атома урана составляет примерно 1,8 · 10-12 см, диаметр водорода равен 2,9 · 10-13 см, т. е. в семь раз меньше. Размеры всех других ядер атомов изменяются в этих пределах. Поскольку радиус ядра увеличивается с ростом А, можно сделать вывод, что протоны и нейтроны с одинаковой плотностью размещены во всех ядрах.