На рис. 2 схематически изображено строение атомов водорода, гелия и лития. Атом самого легкого элемента — водорода состоит из двух частиц. Вокруг ядра вращается один электрон. Вокруг ядра гелия вращаются уже два электрона, вокруг ядра лития — три. Чем тяжелее атом, тем сложнее его строение. Например, кислород, занимающий восьмое место в периодической системе элементов, имеет восемь электронов: два из них вращаются на K-оболочке, остальные шесть — на L-оболочке. Конечно, приведенные модели атомов отражают их строение весьма схематично. На самом деле пространственная структура атома значительно сложнее. Электроны движутся по разнообразным эллиптическим орбитам, причем сами орбиты также перемещаются в пространстве. Все химические свойства элементов зависят от строения наружной электронной оболочки.

Для познания структуры ядер атомов решающее значение имело открытие ядерных реакций. Первое искусственное ядерное превращение осуществил Э. Резерфорд в 1919 г. Ему удалось наблюдать превращение ядра азота Ν¹⁴ при бомбардировке последнего альфа-частицами, испускаемыми изотопами полония (Ро²¹⁴) со скоростью 19 200 кж/сек в ядро кислорода. Эта первая ядерная реакция может быть изображена в следующем гиде:

₇N¹⁴ + ₂Не⁴ » ₈О¹⁷ + ₁Η¹ или сокращенно ₇Ν¹⁴ (α, ρ)₈O¹⁷,

где а — ядро атома гелия ₂Не⁴;

р (протон) — ядро атома водорода ₁Η¹.

Первым крупным открытием, связанным с осуществлением ядерных реакций, было открытие в 1932 г. нейтронов (₀n¹). Английский физик Д. Чэдвик, ученик Э. Резерфорда, обнаружил их при изучении следующей ядерной реакции:

₄Ве⁹ + ₂Не⁴ » ₆C¹² + ₀n¹.

Изучение свойств нейтрона показало, что он представляет собой частицу, которая не имеет электрического заряда. Масса его равна 1,00893; эта величина несколько больше массы ионизированного атома водорода, который с 1920 г. по предложению Резерфорда стал называться протоном. Его масса равна 1,008123.

Открытие нейтрона сыграло исключительно важную роль в науке. Оно привело прежде всего к созданию протонно-нейтронной модели атомного ядра, предложенной советским физиком Д. Д. Иваненко. Она существует и в настоящее время.

Согласно этой модели, ядра атомов состоят из протонов, число которых (Z) равно порядковому номеру элемента в периодической системе Менделеева. Число нейтронов (N) равно разности А — Z, где А — массовое число изотопа, т. е. его атомный вес, округленный до целого числа. Ядро самого простого химического элемента— водорода состоит из одного протона (см. рис. 2), ядра атомов других элементов — из большего числа протонов и нейтронов. Например, ядро ₁₃Аl²⁷ (Ζ = 13 и А = 27) состоит из 13 протонов и 14 нейтронов. Обе составляющие части ядра называются сейчас нуклонами.

Рис. 3. Схема первой ядерной реакции, осуществленной Э. Резерфордом.

С этого времени стали считать, что атомы химических элементов состоят из трех элементарных частиц — протонов, нейтронов и электронов. С точки зрения протонно-нейтронной модели можно было объяснить и механизм протекания ядерных реакций. Первая ядерная реакция Резерфорда, согласно этой модели, схематически изображена на рис. 3.

Протонно-нейтронная модель послужила основой для дальнейшего детального изучения свойств атомных ядер. Оказалось, что ядро заключает в себе 99,98 о всей массы атома, хотя его диаметр в среднем в 100 тысяч раз меньше диаметра атома. В общей форме радиус ядра может быть вычислен из соотношения

Расчеты показывают, что диаметр самого тяжелого и большого ядра атома урана составляет примерно 1,8 · 10^-12 см, диаметр водорода равен 2,9 · 10^-13 см, т. е. в семь раз меньше. Размеры всех других ядер атомов изменяются в этих пределах. Поскольку радиус ядра увеличивается с ростом А, можно сделать вывод, что протоны и нейтроны с одинаковой плотностью размещены во всех ядрах.

Однако исследования последних лет показали, что протоны и нейтроны располагаются в ядре не хаотично, а по определенным оболочкам, подобно тому как электроны в атоме находятся на строго определенных орбитах. Модели атомных ядер еще окончательно не построены, но имеется много данных о том, что в некоторых ядрах есть заполненные нейтронные и протонные оболочки, содержащие определенное число нуклонов, равное 2, 8, 20, 28, 50, 82 и 126. Эти числа получили название «магических». Ядра, содержащие в своем составе магическое число протонов или нейтронов, наиболее устойчивы. Об этом свидетельствуют, прежде всего, повышенные величины энергии связи нуклонов в таких ядрах.

Известно, что масса ядра всегда меньше арифметической суммы масс протонов и нейтронов, входящих в его состав. Это означает, что при образовании ядер происходит потеря в массе (Δт), которая, согласно теории относительности, предложенной А. Эйнштейном в 1905 г., эквивалентна энергии (Е)

где с — скорость света в вакууме, равная 3 · 10¹⁰ см/сек. Чем больше происходит потеря в весе, тем больше выделяется энергии, и поэтому образуется более прочное ядро.

Рис. 4. Зависимость средней энергии связи нуклонов в атомных ядрах (нижняя кривая) и дефекта масс (верхняя кривая) от их массовых чисел (составлена И. П. Селиновым).

Таким образом, мерой устойчивости ядра и энергии связи его нуклонов является величина Ат, которая равна

где т_р — масса протона;

т _п — масса нейтрона;

mz,a — масса ядра с массовым числом А и порядковым номером Z.

На рис. 4 приведены кривые зависимости энергии связи нуклонов в ядрах (Е/А) и дефекта масс 

от их массовых чисел и пересчете на один нуклон. Видно, что максимумы энергии связи и величин дефекта масс соответствуют изотопам элементов группы железа; кроме того, энергии связи высоки для ядер Не² (2 протона и 2 нейтрона), О¹⁶ (8 протонов и 8 нейтронов) и других. Следует отметить, что ядро гелия — одно из самых устойчивых ядер, особенно среди легких элементов. Расчеты показывают, что при образовании этих ядер из двух нейтронов и двух протонов должна выделяться колоссальная энергия. Так, при образовании 4 г гелия будет выделяться энергия, равная 646 млн. ккал. Повышение энергии связи наблюдается для ядер, которые содержат магическое число нейтронов или протонов. Как мы увидим дальше, эти изотопы имеют наибольшую распространенность на Земле и в метеоритах.

Атомные ядра благодаря своим малым размерам имеют необычайно высокую плотность — около 10¹⁴ г/см³. Эта величина свидетельствует о чрезвычайно больших силах, которые удерживают нуклоны в ядре. Природа этих сил еще полностью не установлена.