Строение атома

Поскольку канальные лучи распространяются навстречу отрицательно заряженному катодному излучению, Томсон определил их как положительное излучение. Выяснилось, что частицы этого излучения легко проходят через любые вещества. Это говорило о том, что они имеют намного меньшие размеры, чем обычные атомы или ионы. По величине их отклонения в магнитном поле было установлено, что самые маленькие из этих положительно заряженных частиц имеют тот же заряд и массу, что и ион водорода (этот ион несет минимально возможный положительный заряд). Учитывая сказанное, эти положительно заряженные частицы можно рассматривать в качестве антиподов электронам, поэтому Резерфорд назвал их протонами (что по-гречески значит "первые").

Действительно, заряды протона и электрона равны по величине, но противоположны по знаку. При этом масса протона почти в 1836 раз превышает массу электрона. Было вполне разумно предположить, что атом состоит из протонов и электронов, взаимно уравновешивающих друг друга. При этом протоны сосредоточены в центре атома, а электроны - на периферии, поэтому могут покидать атом. Протоны на такое не способны. Но возник новый вопрос: как именно устроен атом?

Резерфорд нашел начало ответа на этот вопрос. На протяжении 1906-1908 годов он продолжал проводить опыты по бомбардировке тонкой металлической фольги (золотой или платиновой) потоком альфа-частиц. Большая часть "снарядов" проходила через эти мишени без всяких отклонений, но бывали исключения. С помощью фотографических пластинок, помещенных за мишенями, Резерфорд обнаружил, что случались резкие изменения траекторий частиц, которые намного отклонялись от центра. Это можно сравнить с ситуацией, когда пули отскакивают от непробиваемого объекта.

Резерфорд пришел к выводу, что в центре атома имеется плотное и небольшое по размерам положительно заряженное ядро. При этом основная часть атомного пространства заполнена электронами, через разряженную массу которых альфа-частицы легко проникают. Но при столкновении с плотным ядром они резко меняют свое направление. Судя по редкости таких столкновений - отклонялась лишь одна из многих тысяч частиц, - атомные ядра имели чрезвычайно небольшие размеры.

Было логично предположить, что плотная сердцевина атома состоит из протонов, и Резерфорд решил, что протоны тесно спрессованы в "атомное ядро". Позднее было установлено, что диаметр ядра более чем в 100 000 раз меньше размеров самого атома.

В результате появилась базовая модель атома: крошечное положительно заряженное ядро, окруженное облаком из электронов, которые занимают почти весь атомный объем, но фактически невесомы. За свои выдающиеся открытия в области строения материи Резерфорд награжден Нобелевской премией по химии за 1908 год.

Теперь появилась возможность объяснять свойства тех или иных атомов на строгой основе, исходя из их строения. Например, у атома водорода всего один электрон, и если его удалить, то ядро-протон мгновенно стремится к соседней молекуле. Если не удается найти электрон для стабилизации, то он при наличии достаточной энергии может проникать в другие вещества, реагируя с их атомными ядрами.

Зато гелий, имеющий в своем распоряжении два электрона, расстается с ними далеко не так легко. Как уже отмечалось в предыдущей главе, эта пара электронов образуют завершенную оболочку, поэтому гелий по своим свойствам инертный газ. Если все-таки удалить эти два электрона, образуется альфа-частица - субатомная частица с двойным положительным зарядом.

Третий по счету элемент, литий, имеет уже три электрона. Потеряв один или два из них, он становится ионом. А если убрать все три электрона, образуется голое ядро с утроенным положительным зарядом.

Таким образом, положительный заряд атомного ядра точно соответствует количеству электронов, которым атом располагает в нейтральном состоянии. И фактически атомные номера элементов определяются величиной положительного заряда их ядер, а не количеством электронов, поскольку число последних может легко меняться, приводя к образованию ионов, а для изменения количества протонов в ядре требуется много энергии.

Однако у этой схемы строения атомов имелся важный недостаток: оказалось, что число протонов в ядре не соответствовало общей массе атомного ядра, за исключением атома водорода. Так, ядро гелия, имевшее заряд +2, было в 4 раза тяжелее атома водо-рода. А с ростом атомного номера ситуация еще более запутывалась. Скажем, ядро урана, масса которого соответстповала массе 298 протонов, имело заряд всего +92.

Как же могло ядро, состоявшее из четырех протонов (ядро атома гелия), иметь всего лишь двойной положительный заряд? Мож-но было предположить, что в ядре, наряду с протонами, имеются компенсирующие их заряд частицы с пренебрежимо малой массой, например электроны. По этой схеме выходило, что ядро гелия состоит из четырех протонов и двух электронов, а в ядре атома урана 238 протонов и 146 электронов, что обеспечивает заряд ядра +92. В целом идея выглядела вполне разумной, тем более что радиоактивные элементы излучали бета-частицы, по сути, те же электроны.
Такая гипотеза господствовала больше десятилетия, пока не появились новые экспериментальные данные. Постепенно сомнения в справедливости протонно-электронной модели атомного ядра увеличивались. Так, если атомные ядра и в самом деле построены из протонов и электронов (массой последних при расчетах вполне можно пренебречь), то почему атомные м:ассы так сильно отклоняются от целых значений? Например, атомная масса хлора составляет 35,5 массы атома водорода. Не может же ядро хлора состоять из 35,5 протона? Ни тогда, ни сейчас никому не могла прийти в голову идея о "половинке" протона.

История ответа на этот непростой вопрос весьма любопытна. Интересно, что первые - оставшиеся незамеченными - подсказки появились задолго до решения главной проблемы.