Легче всего представить себе схемы строения наиболее простых атомов (рис. 1). Атом самого легкого элемента — водорода состоит из двух частиц. Вокруг ядра водорода вращается один электрон. У гелия — второго элемента периодической системы — вокруг ядра вращаются два электрона, у кислорода — восемь электронов, в атоме урана — 92 электрона. Чем тяжелее атом, тем сложнее он устроен.
Атомное ядро. После того как было открыто сложное строение атома, все внимание физиков было перенесено на атомное ядро. Так же как и атомы, их ядра обладают разнообразными свойствами, которые могут быть объяснены только различной структурой ядер. Надо было найти те «кирпичики», или более простые частицы, из которых состоят ядра всех элементов.
Исследования радиоактивных превращений показали, что ядра некоторых элементов могут самопроизвольно распадаться, выбрасывая альфа-частицы и электроны.
Но физикам было ясно, что альфа-частица (ядро атома гелия) не может быть составной частью любого ядра. Ядро водорода, например, приблизительно в четыре раза легче альфа-частицы. Кроме того, большинство атомных ядер имеет массу, не кратную массе альфа-частицы.
При помощи весьма остроумных приборов — мас-спектрографов физики сумели очень точно измерить массы разных атомов и ядер. Оказалось, что атомные веса всех ядер измеряются числами, кратными весу ядра атома водорода. Поэтому ученые вначале предположили, что ядра всех элементов состоят из разного количества ядер водорода, или, как их принято называть, протонов. Но протон имеет положительный заряд, равный по величине отрицательному заряду электрона. Поэтому ядро с атомным весом А должно, очевидно, иметь А элементарных положительных зарядов. Для того же, чтобы атом был в целом нейтрален, его электронная оболочка должна, казалось бы, содержать А электронов. Но это не соответствует действительности: число наружных электронов в атоме значительно меньше. Пришлось сделать предположение, что остальные электроны находятся внутри ядра. Это как будто бы соответствует действительности. Бета-лучи, получающиеся при радиоактивном распаде ядер, есть не что иное, как поток очень быстрых электронов.
Однако эта гипотеза о протонно-электронной структуре ядра, как показали исследования, противоречит многим экспериментальным фактам. В 1932 году был открыт нейтрон — частица, не имеющая электрического заряда, масса которой близка к массе протона. Нейтроны были обнаружены в ядрах почти всех атомов, и на этом основании советским физиком Д. Д. Иваненко была высказана идея о том, что атомные ядра состоят из протонов и нейтронов. Эта теория была подтверждена всеми дальнейшими исследованиями и является в наше время общепринятой.
Схема строения самых простых ядер показана на рис. 2. Наиболее простым является ядро водорода. Оно состоит из одной частицы — протона, которая входит в состав всех остальных ядер. Ядро гелия уже значительно сложнее и состоит из четырех частиц: двух протонов и двух нейтронов. А ядро урана имеет весьма сложное строение: в нем 238 частиц, из которых 92 протона и 146 нейтронов.
Общее число протонов и нейтронов в ядре равно массовому числу М, которое представляет собой округленный до целого числа атомный вес А.
Количество протонов в ядре равно числу наружных электронов, то есть атомному номеру Z. Зная массовое число (атомный вес) и номер химического элемента в периодической системе, очень легко определить количество нейтронов в атомном ядре. Оно равно: N=М-Z.
Заряд ядра определяется количеством протонов, и любое уменьшение или увеличение их числа вызывает изменение числа электронов в электронной оболочке атома.
Поэтому такое изменение числа протонов меняет химические свойства атома. Происходит превращение атома одного элемента в другой.
Удаление или прибавление нейтронов в ядре не приводит к образованию нового химического элемента, так как заряд и, следовательно, номер элемента в периодической системе остаются прежними. Такие атомы отличаются друг от друга массами и, обладая одними и теми же химическими свойствами, являются разновидностями одного химического элемента. Эти разновидности называются изотопами, то есть веществами, находящимися в одной клетке периодической системы Менделеева. Каждый химический элемент, встречающийся в природе, представляет собой обычно смесь разновидностей этого элемента и является природной смесью изотопов.