Электроны, протоны, нейтроны

   Приведем важнейшие характеристики электронов, протонов и нейтронов. Они собраны в Таблице 1.

Величина заряда дана в кулонах, масса - в килограммах (единицах СИ); слова "спин" и "статистика" будут пояснены ниже.

Обратим внимание на различие в массе частиц: протоны и нейтроны почти в 2000 раз тяжелее электронов. Следовательно, масса любого тела почти целиком определяется массой протонов и нейтронов.

Нейтрон, как это следует из его названия, нейтрален - его заряд равен нулю. А протон и электрон имеют одинаковые по величине, но противоположные по знаку заряды. Электрон заряжен отрицательно, а протон - положительно.

Среди характеристик частиц нет, казалось бы, важной характеристики - их размера. Описывая строение атомов и молекул, электроны, протоны и нейтроны можно считать материальными точками. О размерах протона и нейтрона придется вспомнить только при описании атомных ядер. Даже по сравнению с размерами атомов протоны и нейтроны чудовищно малы (порядка 10^-16 метра).

По сути дела, этот короткий раздел сводится к представлению электронов, протонов и нейтронов как строительного материала всех тел в природе. Можно было бы просто ограничиться таблицей 1, однако нам предстоит понять, каким образом из электронов, протонов и нейтронов осуществляется постройка, что заставляет частицы объединяться в более сложные конструкции и каковы эти конструкции.

Атом - наиболее простая из сложных конструкций

Атомов много. Оказалось необходимым и возможным упорядочить их специальным образом. Упорядочение дает возможность подчеркнуть различие и сходство атомов. Разумное расположение атомов - заслуга Д. И. Менделеева (1834-1907), который сформулировал периодический закон, носящий его имя. Если временно отвлечься от существования периодов, то принцип расположения элементов крайне прост: они располагаются последовательно по весу атомов. Самый легкий - атом водорода. Последний природный (не созданный искусственно) атом - атом урана, который тяжелее его в 200 с лишним раз.

Понимание строения атомов объяснило наличие периодичности в свойствах элементов.

В самом начале XX века Э. Резерфорд (1871-1937) убедительно показал, что почти вся масса атома сосредоточена в его ядре - небольшой (даже по сравнению с атомом) области пространства: радиус ядра приблизительно в 100 тысяч раз меньше размера атома. Когда Резерфорд производил свои эксперименты, еще не был открыт нейтрон. С открытием нейтрона было понято, что ядра состоят из протонов и нейтронов, а атом естественно представлять себе как ядро, окруженное электронами, число которых равно числу протонов в ядре - ведь в целом атом нейтрален. Протоны и нейтроны, как строительный материал ядра, получили общее название – нуклоны (с латинского nucleus - ядро). Этим названием мы и будем пользоваться.

Количество нуклонов в ядре принято обозначать буквой А. Ясно, что А = N + Z, где N - число нейтронов в ядре, а Z - число протонов, равное числу электронов в атоме. Число А носит название атомной массы, а Z - атомного номера. Атомы с одинаковыми атомными номерами называют изотопами: в таблице Менделеева они находятся в одной клеточке (по-гречески изос - равный, топос - место). Дело в том, что химические свойства изотопов почти тождественны. Если таблицу Менделеева рассмотреть внимательно, можно убедиться, что, строго говоря, расположение элементов соответствует не атомной массе, а атомному номеру. Если элементов около 100, то изотопов более 2000. Правда, многие из них неустойчивы, то есть радиоактивны (от латинского radio - излучаю, activus - деятельный), они распадаются, испуская различные излучения.

Опыты Резерфорда не только привели к открытию атомных ядер, но и показали, что в атоме действуют те же электростатические силы, которые отталкивают друг от друга одноименно заряженные тела и притягивают друг к другу разноименно заряженные (например, шарики электроскопа).

Атом устойчив. Следовательно, электроны в атоме движутся вокруг ядра: центробежная сила компенсирует силу притяжения. Понимание этого привело к созданию планетарной модели атома, в которой ядро - Солнце, а электроны - планеты (с точки зрения классической физики, планетарная модель непоследовательна, но об этом ниже).

Есть целый ряд способов оценить размер атома. Разные оценки приводят к близким результатам: размеры атомов, конечно, различны, но приблизительно равны нескольким десятым нанометра (1 нм = 10^-9 м).

Рассмотрим для начала систему электронов атома.

В Солнечной системе планеты притягиваются к Солнцу силой гравитации. В атоме действует электростатическая сила. Ее часто называют кулоновской в честь Шарля Огюстена Кулона (1736-1806), установившего, что сила взаимодействия между двумя зарядами обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Тот факт, что два заряда Q₁ и Q₂ притягиваются или отталкиваются с силой, равной F_C = Q₁Q₂/r² , где r - расстояние между зарядами, носит название "Закон Кулона". Индекс "С" присвоен силе F по первой букве фамилии Кулона (по-французски Coulomb). Среди самых различных утверждений мало найдется таких, которые столь же справедливо названы законом, как закон Кулона: ведь область его применимости практически не ограничена. Заряженные тела, каких бы они ни были размеров, а также атомные и даже субатомные заряженные частицы - все они притягиваются или отталкиваются в согласии с законом К