Протонно-электронная теория

Все другие элементы обладали более массивными ядрами, чем водород. Прежде всего ученые предположили, что они состоят из соответствующего числа протонов, тесно связанных друг с другом.

Но эта гипотеза сразу же натолкнулась на противоречия. Ядро гелия должно было иметь массу, превышавшую массу ядра водорода в 4 раза, но его электрический заряд был +2. Если бы оно состояли из 4 протонов, то заряд равнялся бы +4. Точно так же и ядра кислорода должны были состоять из 16

протонов с зарядом +16, но на самом деле их заряд равнялся +8.

Существовало ли нечто, что «гасило» положительный электрический заряд? Таким мог быть только отрицательный электрический заряд, и его следовало искать в электронах, единственной частице, открытой к 1914 году1. Тогда некоторые ученые предположили, что кроме протонов, ядра способны содержать примерно половину электронов. Электроны были настолько легкими, что не могли серьезно повлиять на саму массу, но могли уравновесить часть положительных зарядов.

Таким образом, в соответствии с первой гипотезой, позже оказавшейся неверной, атомы гелия содержали не только 4 протона, но и 2 электрона. Тогда получалось, что ядра гелия имели массу 4 и электрический заряд (атомный номер) 4-2, или 2. Такова была предпосылка для дальнейших умозаключений.

Вместе с тем протонно-электронная теория строения атомного ядра прекрасно объясняла появление изотопов. В то время как кислород-16 имел ядра, состоявшие из 16 протонов и 8 электронов, кислород-17 имел один из 17 протонов и 9 электронов, водород-18 — один из 18 протонов и 10 электронов.

И опять же уран-238 имел ядро, состоявшее, согласно этой теории, из 238 протонов и 146 электронов, в то время как уран-235 имел ядро, состоявшее из 235 протонов и 143 электронов. В этих случаях атомное число было соответственно 238-146 и 235-143 или 92 в каждом случае. Однако ядра двух изотопов имели различную структуру, и следовательно, неудивительно, что радиоактивные свойства этих элементов, определяемые их ядрами, должны были отличаться. Так, период полураспада урана-238 должен был в 6 раз превышать эту величину для урана-235.

Обнаружение электронов в ядрах не только объясняло существование изотопов, но, похоже, и подтверждалось двумя еле-» дующими суждениями.

Во-первых, было хорошо известно, что одноименные заряды отталкивают друг друга и это отталкивание проявляется тем сильнее, чем ближе друг к другу находятся заряды. Десятки положительно заряженных частиц, сдавленные в микроскопический объем атомного ядра, не могут сохраняться вместе более чем на крошечную долю секунды. Электрическое отталкивание сразу же заставит их разлететься » стороны.

В то же время противоположные заряды притягиваются друг к другу, так, протон и электрон могут притягивать каждый по 2 протона (или 2 электрона), отталкивающие друг друга. Отсюда следовал вывод, что присутствие в ядре электронов и протонов взаимно уравновешивает их и приводит к тому, что в целом ядро остается электрически нейтральным.

Во-вторых, при распаде радиоактивных элементов атомы испускают бета-частицы. Уровень заключенной в них энергии доказывал, что они могли выходить только из ядер. Поскольку бета-частицы являлись электронами, становилось очевидно, что внутри атомных ядер должны быть электроны.

А откуда вообще берется радиоактивность? Протонно-электронная теория строения атома позволяла объяснить природу самого явления радиоактивности.

Чем сложнее структура ядра, тем больше в нем должно находиться протонов и тем сложнее удержать их вместе.

Эта теория позволяла объяснить и механизм распада ядра. Предположим, что ядра испускают альфа-частицу. Согласно этой теории, альфа-частицы представляют собой атомы гелия, состоящие из 4 протонов и 2 электронов. Если ядро теряет альфа-частицу, то его массовое число станет снижаться и атомный номер изменится с 4 до 2, то есть станет равным 2. И действительно, когда уран-238 (атомный вес 92) отдает альфа-частицу, он превращается в торий-234 (атомный номер 90).

Предположим, что атом испустил бета-частицу. Бета-частица — это электрон, и, если ядра теряют электрон, их массовое число остается почти неизменным (электрон обладает настолько небольшой массой, что по сравнению с массой ядра ее можно не учитывать). Но при излучении электрона теряется часть отрицательного заряда. Следовательно, один из протонов в ядрах, который до этого был уравновешен электроном, оказывается открытым. Его положительный заряд добавляется к остальным, и атомный номер поднимается на один пункт. Таким образом, торий-234 (атомный номер 90) выпускает бета-частицу и превращается в протактиний-234 (атомный номер 91).

Если при распаде испускаются гамма- лучи, у которых нет заряда, а масса пренебрежимо мала, то ни массовое число, ни атомный номер ядра не меняется, хотя определенная часть энергии утрачивается.

Можно объяснить и более глубокие изменения. В длинном процессе распада уран-238 претерпевает множество изменений и наконец становится свинцом-206. Эти перемены включают эмиссию 8 альфа- частиц и 6 бета-частиц. 8 альфа-частиц связаны с потерей 8 х 4, или 32, в массовом числе, в то время как излучение 6 бета- частиц не приводит ни к каким последствиям.

И действительно, массовое число урана- 238 возрастает до 32, и он превращается в свинец-206. При этом 8 альфа-частиц предполагают изменение в атомном номере 8x2, или 16, в то время как 6 бета-частиц предполагают изменение в атомном номере 6x1, или 6. Общие перемены связаны с уменьшением 16-6, или 10. И уран (атомный вес 92) превращается в свинец (атомный номер 82).

Углубившись в детали, связанные с протонно-электронной теорией строения атома, мы показали, что она правомерно привлекла внимание ученых. Теорию, казавшуюся четкой и незыблемой, физики использовали практически без изменений на протяжении 15 лет.

И все же, как мы убедимся в дальнейшем, она оказалась неверной, что весьма поучительно. Даже самая лучшая теория может оказаться в чем-то неверной и нуждаться в пересмотре.