АТОМА И АТОМНОГО ЯДРА МОДЕЛИ
Все наше знакомство с атомом и его ядром основано на очень косвенных методах исследования. Поэтому термины «строение» ядра атома, его «изображение» и сходные выражения носят почти целиком условный характер. Ядро атома, во-первых, невидимо; во-вторых, почти каждое новое, не только фундаментальное, но и частное открытие в ядерной физике подчас заставляет ученых совершенно изменять свое представление об устройстве этой важнейшей частицы микромира.
Чтобы не создавать научно неверного представления об истинной картине описываемых явлений, физики, как правило, говорят о «модели» атома или его ядра. Такой термин более правильно и точно отражает состояние самых последних фактических знаний и представлений о таинственном мире, изучение которого стало целью и смыслом жизни ученых многих поколений.
Самой первой моделью строения атома (1904 г.) явился «пудинг с изюмом» Дж. Томсона. Этот большой ученый считал, что неделимый атом, например атом углерода, представляет собой сферу — сплошной сгусток положительно заряженного электричества, в который вкраплено шесть электронов.
Сумма отрицательных зарядов всех этих электронов точно равна положительному заряду всей сферы, что и объясняет, почему в обычном состоянии атом всегда нейтрален и лишь потеря им одного или нескольких электронов приводит к образованию положительно заряженного атома, т. е. положительного иона.
Открытие явления радиоактивности и существования у атома ядра заставило пересмотреть модель атома, что и сделал английский физик Э. Резерфорд, предложивший новую, так называемую планетарную модель атома, созданную по аналогии с Солнечной системой.
Согласно этой модели, атом состоит из положительного ядра, расположенного в самом центре атома, а вращающиеся вокруг ядра электроны образуют как бы клубок орбит. От количества этих вращающихся электронов и зависят все химические свойства элементов.
Данная модель отличнейшим образом описывала устройство атома водорода. Его ядро составляет положительно заряженная частица — протон, вокруг которого вращается единственный электрон» Сходятся также и их заряды, массы, размеры.
Ядра всех других элементов были тяжелее протона. Например, масса ядра следующего за водородом элемента — гелия, вокруг которого вращается два электрона, вчетверо больше массы протона и т. д. Наконец, ядро атома урана, вокруг которого вращается 92 электрона, в 238 раз тяжелее протона.
Поначалу такое усложнение массы ядра атома не вызывало особых неудобств, так как по тем временам более важным считалось то, что число электронов, а следовательно, и отрицательных электрических зарядов в атоме в точности совпадало с суммарным положительным зарядом ядра атома (также соответствующим порядковому номеру элемента), поэтому «нормальный» атом всегда был нейтральным. Все идеально подтверждалось и таблицей Д. И. Менделеева, в которой некоторые элементы расположены не в порядке возрастания их атомных масс, а по числу электрических зарядов, т. е. электронов в оболочке атома.
С того момента, когда ученым удалось впервые определить атомные массы различных элементов, их всегда поражала закономерность, с которой эта масса увеличивалась от элемента к элементу приблизительно в кратном отношении к массе самого легкого из них — водорода. И не далее как в 1816 г. лондонский врач и страстный поклонник химии Вильям Проут высказал мысль о том, что если бы атомы всех химических элементов были первичными основными частицами, подлинными «кирпичиками мироздания», не разложимыми на части и нисколько не связанными друг с другом, то какая могла бы быть причина того, что атом азота ровно в 14 раз тяжелее атома водорода, а атом кислорода — ровно в 16 раз?
Отсюда любознательный естествоиспытатель сделал очень дальновидный вывод: атомы всех веществ сложены именно из атомов водорода. Атом азота — это 14 атомов водорода, собранных воедино, атом кислорода — 16 атомов водорода и т. д.
Эта гениальная догадка, будь она принята всей ученой корпорацией, могла бы значительно ускорить дальнейшее развитие физической науки. Но... последующие, более точные измерения атомных масс показали, что массы атомов всех других элементов не являются целыми кратными массы атома водорода. К тому же эти различия иногда оказывались столь значительными, что исключали возможные погрешности измерений! Опровергнуть или сколько-нибудь удовлетворительно объяснить эти расхождения между соблазнительной гипотезой и научными фактами в те времена никто не сумел, и эта более чем простая догадка любознательного врача канула в небытие с тем, чтобы, уже в новом качестве, воскреснуть в XX веке.
Как об этом свидетельствует многовековой опыт науки, все великое в природе в конечном счете оказывается и самым простым. Резерфорд доказал, что ядром атома водорода, бесспорно, является про-; тон — тяжелая, заряженная положительно частица. Но если считать, что ядра всех других атомов состоят из набора протонов, то сразу оказывается непонятным одно обстоятельство. Заряд ядра и атомная масса численно совпадают только у водорода. Для всех остальных элементов они расходятся уже основательно — примерно в 2—2,5 раза. Но количество протонов в ядре не может быть больше суммарного заряда ядра. Тогда что это за протоны, меняющие свою массу от элемента к элементу? Или, может быть, в ядро атома входят какие-то еще неизвестные частицы?
По мере дальнейшего развития науки об атомном ядре все чаще и чаще возникала необходимость окончательно разобраться и в этом противоречии. Тогда была выдвинута и обоснована новая модель строения ядра атома, казалось бы, обходящая эту неприятность.
По-прежнему продолжали считать, что ядра всех атомов сложены из протонов, число которых в точности равно числу электронов, т. е. порядковому номеру элемента. Но в дополнение к ним в состав ядра входят еще протоны, тесно связанные с электронами, которые и нейтрализуют их положительный заряд. Число таких нейтрализованных (парных с электронами) протонов и составляет разницу между атомной массой и суммой положительных зарядов ядра.
Такая модель вполне удовлетворительно объясняла все известные в то время факты. А наличие электронов в ядре атома, казалось бы, бесспорно доказывалось распадом ядер радиоактивных элементов, в процессе которого из них вылетали обычные электроны.
Однако очень быстро возникло множество новых противоречий. Например, тот неоднократно проверенный факт, что масса протона и якобы связанного с ним электрона, помноженная на приведенную выше разность между порядковым номером элемента и массой ядра атома, была все же значительно меньше, чем это должно быть на самом деле. «Арифметика» не сходилась никак. Поэтому данная модель просуществовала очень недолго.
Открытие в 1932 г. нейтрона (см. Нейтрон) внесло ясность в существовавшую путаницу и значительно упростило (на самом деле сильно усложнило) картину строения ядра атома. Сразу же после опубликования этого открытия советский ученый Д. Д. Иваненко предложил новую, удивительно наглядную модель строения ядра атома.
Согласно разработанной им теории, ядро любого атома, как было принято и раньше, состоит из протонов, число которых равно сумме его положительных зарядов, т. е. порядковому номеру элемента в Периодической системе Д. И. Менделеева. Вместо спаренных с электронами протонов в ядро входят нейтроны — новые ядерные частицы, масса которых равна массе протонов, но которые не несут никакого электрического заряда, т. е. нейтральны. Их столько, сколько нужно, чтобы отчитаться за разницу между массой всего ядра атома и числом протонов в нем. При этом сходится идеально и «арифметика». По этой модели ядро гелия состоит из двух протонов и двух нейтронов. Сумма положительных зарядов ядра и число электронов в оболочке равны числу протонов — двум, масса же всех протонов и нейтронов равна атомной массе элемента— четырем. Аналогично ядро лития содержит три протона (количество, равное порядковому номеру элемента и числу электронов на орбитах), а сумма протонов и нейтронов равна шести, что соответствует атомной массе этого элемента. И так по всей таблице элементов.
Открытие нейтрона прекрасно объясняет и существование изотопов — разновидностей атомов одного и того же элемента, несколько отличающихся друг от друга по массе; это отличие вызвано разным количеством нейтронов, входящих в их ядра.
Новая модель ядра атома сразу же получила признание физиков. Она полностью объясняла многочисленные накопленные к тому времени экспериментальные факты, показывала новые пути для уточнения тонкостей строения ядра, давала новую пищу для дальнейших теоретических работ (см. Бора атом).