Атом-сложная частица. Состав атомного ядра. Электронная оболочка атома.

Изучение строения атома практически началось в 1897-1898 гг., после того как

была окончательно установлена природа катодных лучей как потока электронов

и были определены величина заряда и масса электрона. Факт выделения

электронов самыми разнообразными веществами приводил к выводу, что электроны

входят в состав всех атомов. Но атом в целом электрически нейтрален,

следовательно, он должен содержать в себе еще другую составную часть,

заряженную положительно, причем ее заряд должен уравновешивать сумму

отрицательных зарядов электронов.

Эта положительно заряженная часть атома была открыта в 1911 г. Эрнестом

Резерфордом (1871-1937). Резерфорд предложил следующую схему строения атома.

В центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого по

разным орбитам вращаются электроны. Возникающая при их вращении центробежная

сила уравновешивается притяжением между ядром и электронами, вследствие чего

они остаются на определенных расстояниях от ядра. Суммарный отрицательный

заряд электронов численно равен положительному заряду ядра, так что атом в

целом электронейтрален. Так как масса электронов ничтожно мала, то почти вся

масса атома сосредоточена в его ядре. Наоборот, размер ядер чрезвычайно мал

даже по сравнению с размером самих атомов: диаметр атома - величина порядка

10 см, а диаметр ядра - порядка 10 - 10 см. Отсюда ясно, что на долю

ядра и электронов, число которых, как увидим дальше, сравнительно невелико,

приходится лишь ничтожная часть всего пространства, занятого атомной

системой.

Состав атомных ядер

Таким образом, открытия Резерфорда положили начало ядерной теории атома. Со

времен Резерфорда физики узнали еще очень многие подробности о строении

атомного ядра.

Самым легким атомом является атом водорода (Н). Поскольку почти вся масса атома

сосредоточена в ядре, естественно было бы предположить, что ядро атома водорода

представляет собой элементарную частицу положительного электричества, которая

была названа протоном от греческого слова “протос”, что означает

“первый”. Таким образом, протон обладает массой, практически равной массе атома

водорода (точно 1,00728 углеродных единиц) и электрическим зарядом, равным +1

(если за единицу отрицательного электричества принять заряд электрона, равный

-1,602*10 Кл). Атомы других, более тяжелых элементов содержат ядра,

обладающие большим зарядом и, очевидно, большей массой.

Измерения заряда ядер атомов показали, что заряд ядра атома в указанных

условных единицах численно равен атомному, или порядковому, номеру элемента.

Однако невозможно было допустить, так как последние, будучи одноименно

заряженными, неизбежно отталкивались бы друг от друга и, следовательно, такие

ядра оказались бы неустойчивыми. К тому же масса атомных ядер оказалась

больше суммарной массы протонов, обуславливающих заряд ядер атомов

соответствующих элементов, в два раза и более.

Тогда было сделано предположение, что ядра атомов содержат протоны в числе,

превышающем атомный номер элемента, а создающийся таким образом избыточный

положительный заряд ядра компенсируется входящими в состав ядра электронами.

Эти электроны, очевидно, должны удерживать в ядре взаимно отталкивающиеся

протоны. Однако это предположение пришлось отвергнуть, так как невозможно

было допустить совместное существование в компактном ядре тяжелых (протонов)

и легких (электронов) частиц.

В 1932 г. Дж. Чедвик открыл элементарную частицу, не обладающую электрическим

зарядом, в связи с чем она была названа нейтроном (от латинского

слова neuter, что означает “ни тот, ни другой”). Нейтрон обладает массой,

немного превышающей массу протона (точно 1,008665 углеродных единиц). Вслед за

этим открытием Д. Д. Иваненко, Е. Н. Гапон и В. Гейзенберг, независимо друг от

друга, предложили теорию состава атомных ядер, ставшую общепринятой.

Согласно этой теории, ядра атомов всех элементов (за исключением водорода)

состоят из протонов и нейтронов. Число протонов в ядре определяет значение его

положительного заряда, а суммарное число протонов и нейтронов - значение его

массы. Ядерные частицы - протоны и нейтроны - объединяются под общим названием

нуклоны (от латинского слова nucleus, что означает “ядро”). Таким

образом, число протонов в ядре соответствует атомному номеру элемента, а общее

число нуклонов, поскольку масса атома в основном сосредоточена в ядре, - его

массовому числу, т.е. округленной до целого числа его атомной массе А. Тогда

число нейтронов а ядре N может быть найдено по разности между массовым числом и

атомным номером:

N = A - Z

Таким образом, протонно-нейтронная теория позволила разрешить возникшие ранее

противоречия в представлениях о составе атомных ядер и о его связи с

порядковым номером и атомной массой.