Его сиятельство атом

© Текст, иллюстрации, оформление. АО «Издательство «Детская литература», 2020

Представь себе разнообразие мира: множество животных и растений, вода и воздух, горные породы и снежинки, далекие звезды и наша звезда – Солнце. Все это состоит из крошечных частиц – атомов, которые притягиваются друг к другу.

Самое удивительное, что существует меньше ста видов атомов. В разных сочетаниях они создают весь наш мир. Выяснилось, что мельчайшей частицей любого вещества является молекула – объединение двух, нескольких, иногда тысяч атомов. Именно молекула определяет свойства вещества. Например, два атома хлора, соединившись в молекулу, создают ядовитый тяжелый газ желтовато-зеленого цвета. Атомы натрия образуют кусок серебристого металла. Но если один атом хлора соединится с одним атомом натрия, получится та соль, которая лежит в вашей солонке на кухне (рис. 1).

Рис. 1

Представление о неделимых частицах вещества – атомах – высказывал еще великий древнегреческий философ Демокрит примерно за 500 лет до нашей эры. Атом, на древнегреческом ἄτομος, и означает «неделимый».

Мир все время обновляется, и атомы меняют своего «хозяина». Из далекого космоса прилетел железный метеорит и упал на Землю. Часть его атомов железа попала в воду ручья. Ты напился этой воды, и вот уже атомы железа вошли в состав твоей крови. Можно сказать, ты теперь кровный брат метеорита.

На основе атомной теории вещества химики и физики успешно объяснили многие явления, разработали основы современных технологий, создали новые материалы.

И вдруг в конце XIX века выяснилось, что атомы некоторых элементов (урана, радия и др.) самопроизвольно разрушаются. При этом образуются атомы другого элемента (например, свинца), и выделяется энергия в виде излучения. Это явление распада атомов назвали естественной радиоактивностью. Стало ясно, что атом не является неделимой частицей, что он имеет какую-то сложную структуру.

В 1897 г. английский ученый Джозеф Джон Томсон (1856–1940) открыл отрицательно заряженную частицу, входящую в состав атома, и назвал ее электроном. Открытие электрона позволило сформулировать первую модель атома, т. е. попытаться представить себе его структуру.

Томсон, получивший за свои исследования Нобелевскую премию и звание рыцаря, предложил простейшую модель строения атома, которую назвали «пудинг с изюмом». В модели Томсона атом представляет собой сферу, в которой электроны более или менее равномерно располагаются среди положительного заряда, как изюминки в кексе (рис. 2).

Рис. 2. Модель атома Томсона

К этому времени ученые сумели выделить три типа излучения при радиоактивном распаде атома. Положительно заряженные α-лучи состоят из частиц, летящих со скоростью примерно 10 000 000 метров в секунду. Чтобы не писать так много нулей, договорились их число записывать наверху цифры «десять»: 10 000 000 = 10 7. Мы будем так поступать и дальше. Второй тип излучения, β-лучи, это поток открытых Томсоном отрицательно заряженных электронов. Наконец, γ-излучение похоже на рентгеновские лучи.

В 1906 г. ученик Томсона Эрнест Резерфорд (1871–1937) «обстрелял» α-частицами тонкую золотую фольгу, чтобы выяснить, как на это среагируют атомы металла. После столкновения с фольгой α-частицы разлетались под разными углами, и их фиксировали по вспышкам на специальном люминесцирующем экране. Результат эксперимента оказался удивительным. Большинство частиц пролетало сквозь фольгу не отклоняясь, как сквозь пустоту. Но присутствовало очень небольшое число частиц, которые сильно отклонялись, даже отлетали назад. «Это было почти столь же невероятно, как если бы вы стреляли 15-дюймовым снарядом в кусок тонкой бумаги, а снаряд возвратился бы к вам и нанес удар», – написал Резерфорд.

На основании эксперимента Резерфорд сделал вывод, что положительный заряд атома сосредоточен в крошечной (по сравнению с общим объемом) области – ядре. Размер ядра в 10 тысяч раз меньше размера всего атома. Вместе с тем в ядре сосредоточена почти вся масса атома, примерно 99,9 процента. Поэтому если в опыте Резерфорда α-частица изредка все же «натыкалась» на массивное ядро, тоже заряженное положительно, она отлетала от него как от стенки.

Рис. 3. Планетарная модель атома (модель Резерфорда). Ядро для наглядности изображено сильно увеличенным

В итоге Резерфорд сформулировал планетарную модель атома (рис. 3). В центре атома находится массивное ядро, его положительный заряд по величине равен суммарному заряду всех электронов. Электроны вращаются вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца. Разные атомы отличаются числом электронов (и зарядом ядра), и это определяет их химические свойства и возможности объединяться с другими атомами.

За множество важнейших экспериментальных результатов нобелевского лауреата Эрнеста Резерфорда называют «отцом ядерной физики».

Ядра атомов тоже оказались сложными, состоящими из двух видов частиц.

Первые из них – протоны – обозначаются латинской буквой p. Их заряд по величине такой же, как у электронов, но положительный. Масса протона почти в две тысячи раз больше массы электрона. Поэтому практически вся масса атома сосредоточена в ядре (вспомните опыт Резерфорда). Число протонов в ядре равно числу электронов в атоме. Поэтому атом в целом заряда не имеет. Протон открыл Резерфорд в 1919 г.