Атомная энциклопедия
 

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).

Разделы
© 2000 — 2009 Атомная энциклопедия