Один из важнейших этапов в развитии наших представлений об атоме начался после открытия в 1896 г. французским физиком А. Беккерелем радиоактивности урановых солей. Было обнаружено, что уран и его соли самопроизвольно испускают лучи, обладающие большой проникающей способностью. Это новое явление заинтересовало многих ученых. Начались интенсивные исследования природы этого излучения. Вскоре крупнейший французский физик Мария Кюри показала, что радиоактивностью обладает и другой тяжелый элемент — торий. Затем были открыты и другие радиоактивные элементы.

В 1900 г. Пьер и Мария Кюри заметили, что воздух, окружающий соли радия, становится радиоактивным. Английские физики Ф. Содди и Э. Резерфорд проанализировали этот воздух и обнаружили в нем радиоактивный газ, который по свойствам напоминал уже известные тогда инертные газы. Этот радиоактивный газ назвали эманацией радия, что означает «выделяемый радием». Вскоре определили атомный вес этого нового элемента. Причем измерение его было связано с большими трудностями, ибо исследователи имели в своих, руках только 0,001 мг газа в объеме 0,1 мм. Было показано, что атомный вес эманации равен 222.

На основании факта образования эманации радия Э. Резерфорд и Ф. Содди в 1902 г. высказали очень смелую гипотезу о том, что в основе явления радиоактивности лежит превращение элементов. Это вскоре подтвердилось экспериментально. В 1902 г. У. Рамзай и Ф. Содди обнаружили, что в запаянной трубке с эманацией радия через некоторое время начинают появляться спектральные линии гелия по мере того, как интенсивность линий эманации уменьшается. Это был первый экспериментально доказанный факт превращения элементов (рис. 1).

Рис. 1. Схема превращения радия в радон и гелий.

Таким образом, экспериментально удалось доказать., что атомы химических элементов не являются неизменными, а могут самопроизвольно превращаться в атомы более легких элементов. Этот факт, несомненно, свидетельствовал об единообразии в строении атомов различных химических элементов.

Первую модель атома предложил английский физик Дж. Томсон в 1903 г. В ее основу был положен тот факт, что атомы химических элементов в определенных условиях испускают электроны. Поскольку атомы нейтральны, а электроны заряжены отрицательно, Томсон пришел к выводу, что атомы состоят из электронов и положительных зарядов. Он считал, что электроны в виде точек вкраплены в «облако положительного электричества», а атом имеет форму шара. Но вскоре оказалось, что эта модель не согласуется с рядом вновь открытых фактов и, в частности, с опытами по прохождению через вещество альфа-частиц, испускаемых радиоактивными элементами. Работы Э. Резерфорда показали, что альфа-частицы, проходя сквозь десятки тысяч атомов вещества, наталкиваются на какое-то препятствие и резко отклоняются от своего первоначального направления. На основании этих результатов он предположил, что положительно заряженные частицы находятся в чрезвычайно плотном скоплении внутри атома.

Данные, полученные Э. Резерфордом, послужили основой для создания так называемой ядерной или планетарной модели атома, предложенной им в 1911 г. Согласно этой модели, электроны, подобно планетам солнечной системы, двигаются по круговым, вернее эллиптическим орбитам вокруг центра, в котором размещается положительно заряженное ядро. Так как атом электрически нейтрален, то заряд его ядра должен быть равен сумме зарядов всех вращающихся вокруг него электронов.

Считалось, что электроны удерживаются на соответствующих орбитах за счет электростатических сил притяжения с ядром и поэтому не разлетаются в пространство. Однако, по представлениям классической физики, всякое вращающееся заряженное тело должно излучать энергию в виде электромагнитных волн. Но это привело бы, во-первых, к остановке вращения и падению электронов на ядро атома. Во-вторых, вследствие постепенного изменения скорости вращения электронов электромагнитное излучение атома должно состоять из непрерывного ряда лучей различной длины волны. Иными словами, спектр атома должен быть сплошным, т. е. состоящим из линий всевозможных длин волн. На самом же деле спектр атомов оказался состоящим из ряда отдельных линий. Еще в 1900 г. М. Планк высказал предположение, что законы, справедливые для описания явлений в обычном для нас макромире, непригодны для мира атома. Согласно его теории, энергия в атоме излучается не непрерывно, а определенными порциями, или «квантами». Поэтому его теория стала называться квантовой теорией.

Опираясь на квантовую теорию, знаменитый датский Физик Н. Бор выдвинул несколько положений, сущность которых сводилась. к следующему.

На основании этих положений произвели расчет модели атома водорода. Он совпал с данными опытов. Например, вычисленные длины волн лучей, возникающих при переходах электронов с одних орбит на другие, оказались одинаковыми с длинами волн, соответствующими наблюдаемым линиям спектра атома водорода. Кроме того, Н. Бор вычислил радиус ближайшей к ядру орбиты атома водорода. Он оказался равным 0,53 А.

Остальные орбиты располагаются на значительно больших расстояниях. В атоме каждая орбита характеризуется определенным числом л, называемым главным квантовым числом. Число л может принимать значения 1, 2, 3 и т. д. в зависимости от расположения орбит относительно ядра. Электроны, вращающиеся по определенным орбитам, группируются в оболочки, которые обозначают буквами К, L, Μ, N, О, Р и Q. При этом ближайшая к ядру орбита называется К-оболочкой n = 1), следующая — L-оболочкой (n = 2) и т. д. Максимальное число электронов (N_e), находящихся в каждой оболочке, подчиняется определенному правилу и может быть найдено из соотношения

Так максимальное число электронов на К-оболочке равно 2, на L-оболочке—8, на М — 18, на N—32 и т. д.

Опыты по рассеянию альфа-частиц позволили определить заряд ядер атомов различных элементов. Оказалось, что величина заряда ядра атома любого химического элемента, выраженная в единицах заряда электрона, равна порядковому номеру элемента. Поэтому основной характеристикой атома стал считаться не атомный вес, а заряд ядра элемента.

Рис. 2. Схема строения наиболее простых атомов.

Определив заряд ядер, нашли и число электронов в атоме, также равное порядковому числу элемента в периодической системе. Знание числа электронов для каждого элемента и его положение в системе Д. И. Менделеева позволило построить атомные модели для всех элементов.