Строение атома. 
Атомное ядро

Изучив содержание главы 4, студенты должны: знать

• • главные характеристики частиц, составляющих атом;
• • современную модель строения атома;
• • сущность явления радиоактивности;
• • понятие «период полураспада радионуклида»;
• • основные представления о происхождении химических элементов; уметь
• • вычислять число протонов и нейтронов в атомном ядре;
• • объяснить различие между массовым числом и относительной атомной массой;
• • вычислять оставшуюся долю радионуклида, но прошествии нескольких периодов полураспада;

владеть

• навыками применения правил сдвига при радиоактивном распаде.

Открытие электронов

Существование внутренней связи между всеми химическими элементами, проявившееся в периодическом законе, укрепляло мысль о том, что в основе всех атомов лежит нечто общее, что все они находятся в каком-то родстве друг с другом. Однако до конца XIX в. в химии продолжало господствовать убеждение, что атом есть наименьшая частица простого вещества, последний предел делимости материи. Вопрос о сложной структуре атомов и природе взаимосвязи между разными атомами мог быть решен только на основе новых экспериментальных данных. При этом классические химические исследования не могли пролить свет на этот уровень структуры вещества по очевидной причине — в химических процессах атом неделим. Проблема могла быть разрешена только физическими экспериментами и теориями.

Прямые указания на сложную структуру атомов были получены при изучении катодных лучей, возникающих при электрическом разряде в сильно разреженных газах. В стеклянную трубку впаивались металлические электроды и откачивался воздух до минимального остаточного давления. К электродам прикладывалось высокое напряжение. В этих условиях от катода (-) к аноду (+) распространяются невидимые катодные лучи, вызывающие яркое зеленоватое свечение стекла трубки в том месте, куда они падают.

Катодные лучи обладают способностью приводить в движение помещенные на их пути легкие тела и отклоняются от своего первоначального направления в магнитном (рис. 4.1) и электрическом поле. В последнем случае — в сторону положительно заряженной пластины. Действие катодных лучей обнаруживается только внутри трубки, так как стекло для них непроницаемо, наружу они не выходят.

Рис. 4.1. Отклонение катодных лучей в магнитном поле.

Изучение свойств катодных лучей привело к заключению, что они представляют собой поток мельчайших частиц, имеющих отрицательный электрический заряд и летящих со скоростью, достигающей половины скорости света. Особыми приемами удалось определить массу катодной частицы и величину заряда. Оказалось, что масса частицы равна 0,55 а.е.м., т. е. всего 0,055% массы атома водорода. Заряд катодной частицы 1,602 • 10″¹⁹ К л. Особенно замечательно, что масса частиц и их заряд не зависят ни от природы газа, еще остающегося в трубке, ни от вещества, из которого сделаны электроды. Кроме того, катодные частицы известны только в заряженном состоянии. Электрический заряд составляет, так сказать, самую сущность их природы. Эти частицы получили название электронов. Заряд электрона есть наименьший электрический заряд, наименьшее количество электричества, какое только может существовать. Электричество состоит из отдельных частиц, и всякое заряженное тело содержит целое число таких частиц.

В катодных трубках электроны отделяются от катода под действием избытка электронов, накачиваемых источником напряжения. Однако они могут появляться вне всякой связи с электрическим разрядом. Все металлы испускают электроны при накаливании; в пламени свечи или горелки тоже присутствуют электроны; из вещества выбиваются электроны при освещении ультрафиолетовыми или рентгеновскими лучами.

Выделение электронов самыми разнообразными веществами указывает на то, что эти частицы входят в состав атомов. Следовательно, атомы являются сложными объектами, построенными из более мелких частиц.