И вот началась труднейшая и увлекательнейшая работа по изучению атома. Учёные пошли на штурм невидимых крепостей.
К этому времени было уже известно, что легче всего из атомов удалять электроны. Значит, можно предположить, что эти частички находятся в атоме где-то в его наружных частях. Будь они далеко внутри атома, не так-то просто было бы их выбить. Но если это так, то внутри атома должны находиться другие частички, положительно заряженные.
Как же расположены в атоме эти отрицательно и положительно заряженные частички?
Чтобы узнать это, и были использованы «атомные снаряды» — альфа-частицы (альфа-частицы, как было установлено, представляют собой положительно заряженные ионы химического элемента гелия). Скорость этих частиц огромна, и можно ожидать, что при любом столкновении с атомом альфа-частица либо влетит в него, подобно пуле, и застрянет в нем, либо разрушит его, подобно снаряду. А о попаданиях и промахах можно будет судить по характеру путей «атомных снарядов».
И вот обстрел атома начался.
В первом опыте мишенью был листочек золота толщиной в одну полутысячную долю миллиметра. Чтобы наблюдать полёт альфа-частиц, за листочком золота был поставлен специальный экран, на котором были видны вспышки-удары отдельных альфа-частиц.
И как неожиданны оказались результаты первой атаки на атом!
Оказалось, что альфа-частицы, по своему весу в 7 300 раз более тяжёлые, чем электроны, пролетали через золотой листок так, словно это было пустое пространство! Выходило, что альфа-частицы совсем не сталкивались с атомами золота, словно этих атомов и не было на пути «атомных снарядов».
Правда, так вели себя не все «снаряды». Некоторые из них, пролетая мишень, слегка отклонялись от своего первоначального направления А отдельные, очень редкие, альфа-частицы оказывались и отброшенными в сторону.
Но все-таки основная масса частиц пролетала сквозь атомы золота свободно, и никакого разрушения атомов при этом не было. Обстрелянные альфа-частицами, они лишь теряли один или несколько электронов и становились положительно заряженными ионами.
После этого опыта можно было уже представить себе, как примерно должен выглядеть атом. В самом деле, результаты обстрела атомов золота говорят о том, что эти атомы далеко не сплошные; пустое пространство занимает большую часть атома. Это видно из того, что основная часть альфа-частиц пролетает через атомы, совершенно не отклоняясь. Второй вывод — внутри атома имеются какие-то препятствия, которые успевают отбрасывать в сторону некоторые «снаряды» даже за тот миг, в который альфа-частица пролетает сквозь атом. Что это могут быть за препятствия? При помощи каких сил они отбрасывают в сторону быстро несущуюся альфа-частицу? Ясно, что это силы электрического взаимодействия либо с положительно заряженными частицами атома, либо с его отрицательными частицами. Но мы уже знаем, что отрицательно заряженные частички атома — это электроны. Воздействовать сколько-либо сильно на альфа-частицу они не могут; наоборот, известно, что альфа-частицы легко выбивают электроны из атома. Значит, остаётся положительно заряженная часть атома. Но тогда она должна быть, во-первых, сосредоточена в совсем небольшом ядре — о небольшом размере ядра свидетельствует редкость прямых столкновений альфа-частиц с ним — и, во-вторых, в этом маленьком ядре должна находиться почти вся масса атома — иначе ядро атома не смогло бы отклонить пролетающие рядом альфа-частицы, оставаясь в то же время на своём месте.
Как же в таком случае должен выглядеть атом? А вот как. В центре атома находится атомное ядро; в нём заключены весь положительный заряд атома и почти вся его масса. Вокруг этого ядра вращаются отрицательно заряженные частички — электроны (рис. 15), образуя так называемые электронные оболочки.
Рис. 15. Схема атома водорода; вокруг положительно заряженного ядра вращается один электрон.
Пространство между электронными оболочками атома и его ядром не заполнено никакими частичками. Здесь действуют электрические силы взаимодействия между положительно заряженным ядром и отрицательными электронами.
Именно поэтому альфа-частицы, которыми учёные бомбардировали атомы, и пролетали в подавляющем большинстве случаев через атомы, как через пустоту. Однако сказать, что во время полёта альфа-частиц на них не действовал заряд ядра атома, нельзя. Чем ближе от ядра пролетают «атомные снаряды», тем сильнее сказывается действие электрических сил, исходящих из ядра.
Ведь как альфа-частицы, так и ядро атома заряжены положительно; значит, силы взаимодействия между ними отталкивают их друг от друга. Правда, силы эти становятся особенно заметными лишь в тех случаях, когда «атомный снаряд» пролетает в непосредственной близости от ядра. Во всех же остальных случаях электрические силы, исходящие из ядра, почти не успевают подействовать на быстро пролетающую частичку, не успевают отклонить ее.
Последующие опыты бомбардировки атомов дали учёным возможность вычислить и размер атомного ядра. Оказалось, что, хотя размеры ядер у различных химических элементов и отличаются несколько друг от друга, в среднем размер ядра в десятки тысяч раз меньше размера атома.
Получается, что ядро занимает приблизительно 1/100 000 000 000 000 часть объема атома!
Чтобы яснее представить себе, на каких больших, сравнительно с размерами отдельных частичек атома, расстояниях находятся в атоме электроны и его ядро, приведём такое сравнение: если размер атома принять равным комнате, то размеры ядра не будут превышать размера пылинки. И в этом ничтожном объёме сосредоточена вся масса атома.
Как же велик должен быть удельный вес тела, если бы оно состояло из сложенных вместе атомных ядер, лишённых своих электронных оболочек (рис. 16)!
Рис 16. Если бы все атомы, из которых состоит изображённый на рисунке дом, сбросили свои электронные оболочки, этот дом превратился бы в маленький кубик.
Сколь ни фантастичным кажется такое предположение, нечто подобное имеет место в действительности у так называемых «карликовых» звёзд, например у спутника большой звезды Сириус. Когда учёные стали вычислять вес этой маленькой звезды по тому влиянию, какое она оказывает на своего гигантского соседа, то они неожиданно пришли к совершенно ошеломляющим результатам. Оказалось, что эта карликовая звезда весит примерно в 50 тысяч раз больше, чем такое же количество по объёму воды. Другими словами, удельный вес вещества, из которого состоит звезда, равен 50 тысячам! И эту цифру учёные подтвердили многочисленными расчётами.
Еще больший удельный вес найден у других карликовых звёзд; один грамм вещества этих звёзд весит в сотни тысяч и миллионы раз больше одного грамма воды!
Чем можно объяснить такой огромный вес вещества карликовых звёзд?
Очевидно, что некоторая часть атомов этих звёзд благодаря, надо думать, исключительно высокой температуре сбросили с себя либо все, либо свои внешние электронные оболочки, и их ядра теснее сблизились друг с другом!
Но вернёмся к вопросу строения атомов.
Многочисленные опыты по изучению строения различных атомов позволили определить не только массу атомных ядер разных элементов, но и их заряды.
И оказалось… Оказалось, что была открыта ещё одна замечательная тайна природы.
Оказалось, что положительный заряд атомных ядер был различным у различных элементов; если принять заряд электрона за единицу, то заряд атомного ядра золота окажется равным 79, платины — 78, меди —29 и т. д.
Что же удивительного в этих цифрах? — спросите вы.
Посмотрите ещё раз на менделеевскую таблицу химических элементов. Взгляните, под каким номером находится в таблице золото. Под номером 79, не так ли? А чему равен заряд ядра атома золота? 79! Точно так же медь помещается в 29-й клетке таблицы, и заряд ядер её атомов равняется 29. Заряд атомного ядра платины равен 78, и она согласно с этим расположена под 78-м порядковым номером.
Порядковый номер химических элементов в таблице Менделеева советские учёные называют числом Менделеева.
Вот где разгадка удивительности этих цифр. Ведь так обстоит со всеми элементами менделеевской таблицы — положительные заряды атомных ядер элементов равны порядковым номерам этих элементов в таблице, или, что то же, числам Менделеева соответствующих элементов. Многочисленные исследования величины зарядов атомных ядер многих элементов подтвердили этот замечательный вывод с полной достоверностью.
Таким образом, было установлено, что не вес атома, а заряд его ядра — число Менделеева — главное отличие одних атомов от других.
Не атомный вес, а положительный заряд ядра определяет место того или иного элемента в естественной последовательности элементов.
И здесь нельзя не сказать ещё раз о гениальной прозорливости великого русского химика. Действительно, строя свою систему элементов, Менделеев пользовался различием в весе их атомов только потому, что в его время это был главный отличительный признак атомов, общий атомам всех элементов. Но он отнюдь не придавал атомному весу решающего значения. Куда, в какую клетку таблицы поставить тот или иной элемент, Менделеев решал, сообразуясь со всеми свойствами элементов. В отдельных случаях он ставил элементы не туда, куда следовало бы их поставить, руководствуясь только их атомными весами. Так было с никелем и кобальтом, так было с иодом и теллуром. И вот, теперь, спустя много лет, физики и химики ещё раз убедились в гениальности Менделеева. Строя свою знаменитую таблицу, он безошибочно определил места элементов по их свойствам, и такое их расположение соответствовало заряду ядер их атомов!
Но ведь если заряд атомных ядер у разных элементов различен, то это означает, что и число электронов в атомах разных элементов различно. Иначе не может быть. Ведь в целом любой атом электрически нейтрален.
Таким образом, зная величину заряда ядер различных элементов, мы, тем самым, знаем и число электронов, входящих в состав различных атомов. Заряд электрона мы приняли равным единице. Значит, в атоме меди, заряд ядра которой равняется 29, содержится 29 электронов. Электронные оболочки каждого атома золота содержат в себе 79 электронов. Вокруг ядра атома кислорода вращается 8 электронов, а вокруг водородного ядра — всего один.
Так вот чем, оказывается, определяется индивидуальность атомов различных элементов, их положение в периодической системе — числом электронов в электронных оболочках нейтрального атома, или, что то же самое, величиной заряда ядра.
Определив число электронов в различных атомах, учёные задались целью узнать, как именно располагаются электроны в электронной оболочке. Оставалось пока совершенно неясным и то, из чего состоят, как устроены ядра атомов.
А поиски ответов на эти вопросы привели учёных к новым необычным открытиям, которые изменили все наши прежние взгляды на природу материи, на природу простейших частичек вещества, таких, например, как электрон.