Поняття про радіоактивність і будову атома. Фізичний зміст періодичного закону

Після відкриття періодичного закону довгий час залишалось незрозумілим, чому властивості елементів знаходяться в періодичній залежності від їхньої відносної атомної маси. Була незрозумілою сама причина періодичності. Необхідно було з’ясувати фізичний зміст періодичного закону. Це стало можливим після встановлення будови атома. Тривалий час у науці панувало уявлення про те, що атоми є неподільними частинками. Однак наприкінці дев’ятнадцятого століття було зафіксовано факти, які свідчили про складну будову атома. Особливу роль відіграло відкриття радіоактивності (самоплинного розпаду атомів деяких елементів).

У 1896 році французький фізик А. Бекерель визначив, що матеріали, які містять Уран, засвітлюють у темряві фотопластинку, викликають світіння речовин, що здатні флуоресціювати. Таке явище самочинного випромінювання стали називати радіоактивністю. Потім з’ясувалося, що здатність випромінювати має не лише уран. Польській хімік М. Склодовська-Кюрі разом із французьким фізиком П. Кюрі відкрили два нових радіоактивних елементи: Полоній та Радій. Згодом англійський фізик Е. Резерфорд з’ясував, що радіоактивне випромінювання є неоднорідним та під впливом електричного поля розділяється на α-, β- та γ-промені. α-частинками є ядра атомів Гелію, β-частинки є електронами, γ-частинки — електромагнітними хвилями. Вивчення радіоактивності підтвердило складність будови атома.

У 1911 році Е. Резерфорд при проведенні дослідів з α-частинками з’ясував, що в центрі атома знаходиться дуже маленька за об’ємом позитивно заряджена частинка, яку він назвав ядром атома. Резерфорд запропонував ядерну (планетарну) модель атома, згідно з якою атом складається з позитивно зарядженого ядра, навколо ядра обертаються електрони, як планети навколо сонця.

Експериментальні факти підтвердили складність будови атома і показали, що атом складається з негативно заряджених частинок – електронів та позитивно зарядженого ядра. У 1932  році російські фізики Д. Д. Іваненко та Є. М. Гапон і незалежно від них німецький фізик Гейзенберг запропонували протонно-нейтронну будову ядра атома. Згідно з цією теорією атомне ядро складається з протонів і нейтронів. Ці частинки мають спільну назву — нуклони. Протон p - це частинка з відносною масою приблизно рівною одиниці і відносним зарядом +1. Нейтрон n - це електронейтральна частинка з відносною масою приблизно рівною одиниці. Маса протона практично дорівнює масі нейтрона та в 1836 разів перевищує масу електрона. В ядрі зосереджена майже вся маса атома. Протони, нейтрони, так само як і електрони, належать до елементарних частинок.

Численні експериментальні дослідження показали, що заряд ядра атома дорівнює порядковому номеру елемента в періодичній системі. Це є фізичним змістом порядкового номеру.

Весь позитивний заряд ядра створюється протонами. Оскільки заряд протона +1, то заряд ядра дорівнює загальному числу протонів. Будь-який атом електронейтральний, тобто число протонів із зарядом +1 завжди дорівнює числу електронів із зарядом –1. Якщо в ядро атома входить 12 протонів, то заряд такого ядра має дорівнювати +12.  Для того, щоб атом був електронейтральною частинкою, навколо ядра має обертатися 12 електронів.

Дослідження будови атома довели, що найважливішою характеристикою атома є позитивний заряд ядра. Отже хімічні елементи в періодичній таблиці розташовані за зростанням зарядів ядер їх атомів. Тому згідно з сучасним формулюванням періодичного закону Д. І. Менделєєва властивості хімічних елементів та їх сполук перебувають у періодичній залежності від зарядів ядер атомів елементів. Таким чином, дослідження будови атомів створили наукову основу періодичного закону.