Внутри атома

Если бы атом был размером с футбольный стадион, его ядро было бы размером примерно с горошину в центре.

Разрежь кусок алюминиевой фольги пополам, потом ещё раз пополам и продолжай. Задолго до того, как фольга кончится, ты дошёл бы до кусочка настолько маленького, что после ещё одного разреза это был бы уже не алюминий. Этот самый маленький кусочек и есть атом. Один атом имеет в поперечнике около десятимиллиардной доли метра, его не увидеть ни в какой световой микроскоп, и всё же каждый атом построен всего из трёх видов частиц.

Три частицы

Протоны и нейтроны упакованы в крошечное ядро в центре, в котором сосредоточена почти вся масса атома. Электроны рассредоточены вокруг него и занимают почти весь объём атома. Ядро в 10 000–100 000 раз меньше в поперечнике, чем весь атом. По данным NIST, протон в 1836.15 раза тяжелее электрона, поэтому даже у атома с множеством электронов на них приходится намного меньше 1% массы.

Противоположные заряды притягиваются, поэтому отрицательные электроны удерживаются возле положительного ядра. Но протоны отталкивают друг друга, и ядро с несколькими протонами разлетелось бы на куски, если бы действовала только электрическая сила. Гораздо более мощная сила, сильное ядерное взаимодействие, удерживает протоны и нейтроны вместе, но только на крошечных расстояниях внутри ядра.

Атомный номер

Число протонов определяет, каким элементом является атом. Каждый атом с 6 протонами является углеродом, а каждый атом с 8 кислородом. Это число называется атомным номером, и периодическая таблица расположена в порядке атомных номеров, начиная с водорода с номером 1. В нейтральном атоме число электронов равно числу протонов, поэтому заряды компенсируют друг друга. Если атом теряет или приобретает электроны, он становится ионом: у натрия, потерявшего один электрон, 11 протонов и 10 электронов, поэтому его заряд +1.

Массовое число и изотопы

Протоны плюс нейтроны дают массовое число. У атомов одного элемента может быть разное число нейтронов. Это изотопы. У углерода-12 6 нейтронов, а у углерода-14, по которому определяют возраст древних предметов, 8. Число после названия является массовым числом, поэтому число нейтронов всегда равно массовому числу минус атомный номер.

Как это узнали

Никто не разглядывал протон через линзу. Каждую частицу вычислили по результатам опытов. В 1897 г. Дж. Дж. Томсон в Кавендишской лаборатории в Кембридже показал, что катодные лучи состоят из крошечных отрицательных частиц, гораздо легче любого атома: электронов. Команда Эрнеста Резерфорда обстреливала тонкую золотую фольгу быстрыми альфа-частицами, и некоторые из них отскакивали почти прямо назад. В 1911 г. Резерфорд объяснил это маленьким, тяжёлым, положительно заряженным ядром. Джеймс Чедвик в 1932 г. доказал, что в ядре есть и частицы без заряда, нейтроны, и получил за это Нобелевскую премию по физике 1935 г.