Глубокое изучение свойств радиоактивных элементов оказало огромное влияние на существовавшие в то время представления о строении вещества и привело в 1911 г. английского физика Резерфорда к созданию так называемой планетарной модели строения атома. Этой моделью, усовершенствованной датским ученым Нильсом Бором, мы. пользуемся и до настоящего времени, поскольку она помогает понять целый ряд явлений, в частности, явление радиоактивности, хотя и известно, что в действительности строение атома значительно сложнее, чем это следует из модели атома Резерфорда - Бора. Познакомимся с этой теорией несколько подробнее.
Все тела окружающего нас мира представляют собой совокупность разнообразных химических соединений. Количество известных в настоящее время соединений превосходит 400 тысяч. Все они состоят из молекул и атомов. Молекула - наименьшая частица вещества, полностью сохраняющая его свойства, атом-частица химического элемента. Молекулы представляют собою более сложные образования, чем атомы. В состав молекул органических веществ входят иногда десятки тысяч атомов. Если количество видов молекул очень велико и равняется количеству химических соединений, то количество разновидностей атомов немногим больше ста.
Размеры атомов очень малы - поперечник атома составляет около 10-8 см, следовательно, в 1 см можно уложить 100 млн. атомов. Масса самого легкого атома - атома водорода - составляет 1,67 · 10-24 г; атома курчатовия, занимающего 104-е место в таблице Менделеева, в 260 раз больше. В качестве единицы измерения пользуются 1/16 массы атома кислорода. При этом масса атома водорода приблизительно считается равной единице.
Несмотря на свои незначительные размеры, атом имеет сложное строение и состоит из центрального положительно заряженного ядра и двигающихся вокруг него по орбитам электронов - отрицательно заряженных частиц, в 1840 раз меньших, чем атом водорода. Основная масса атома (99,95%) сконцентрирована в ядре, поперечник которого в несколько десятков тысяч раз меньше поперечника атома. Если бы мы могли увеличить атом до величины основного корпуса Московского университета, ядро атома имело бы размеры горошины.
Количество электронов в атоме не случайно - оно соответствует атомному номеру данного элемента, который определяет его место в периодической таблице Менделеева, а суммарный отрицательный заряд всех электронов равен положительному заряду ядра. Двигаются электроны по орбитам, располагающимся отдельными группами, называемыми слоями, или оболочками. Количество слоев у тяжелых атомов с большим количеством электронов может доходить до семи. Электроны, расположенные на внешней, наиболее удаленной от ядра оболочке, слабее всего связаны с ядром, и поэтому легко могут вступать во взаимодействие с другими атомами. Количество этих электронов определяет химические свойства данного элемента, т. е. способность его образовывать соединения с другими элементами.
Ядро атома имеет сложное строение; в состав его входят частицы двух видов - протоны и нейтроны. Протоны - ядра атомов водорода - обладают положительным электрическим зарядом, равным заряду электрона, и массой, равной единице. Масса нейтрона, так же как и протона, равна единице. Но в отличие от протонов нейтроны не имеют электрического заряда, а потому они нейтральны.
Протон и нейтрон имеют сложное строение и могут превращаться друг в друга. В составе ядра протоны и нейтроны прочно удерживаются ядерными силами, природа которых еще окончательно не выяснена. Отличительная особенность ядерных сил - проявление только на очень близких расстояниях (не более 10 - 13 см), в то время как силы тяготения или электрического взаимодействия проявляются на любом расстоянии.
Количество протонов, входящих в состав ядра, равняется количеству электронов в оболочке атома. Это объясняется тем, что атом в целом нейтрален, а заряды электрона и протона равны по величине, но противоположны по знаку. Количество нейтронов, входящих в состав ядра, равно разности между атомной массой элемента и его атомным номером, определяющим количество протонов. Так, ядро атома железа (атомный номер 26, атомная масса 56) содержит 26 протонов и 30 нейтронов.
Атомы одного и того же элемента не одинаковы. Исследования показали, что большинство химических элементов имеют изотопы, атомы которых обладают одинаковыми химическими свойствами, но отличаются друг от друга по атомной массе. Изотопы одного и того же элемента имеют одинаковое количество протонов и электронов, но отличаются друг от друга количеством нейтронов, входящих в состав ядра.