Ядро атома водорода (А = 1, Z = 1) состоит только из одного протона; ядро атома гелия (А = 3, Z = 2) — из двух протонов и двух нейтронов; ядро атома мышьяка (А = 75, Z = 33) — из 33 протонов и 42 нейтронов; ядро атома урана (А = 238, Z = 92) — из 92 протонов и 146 нейтронов.

Протонно-нейтронная модель смогла дать ответы на те вопросы, на которые не могла дать протонно-электронная модель. Например, ядро атома азота (А = 14, Z = 7) состоит из 7 протонов и 7 нейтронов, итого из 14 частиц. Спин нейтрона такой же, как и протона, +½ или –½, и значение общего спина 14 (и любого другого количества) частиц будет целым числом.

Сегодня протонно-нейтронная модель является общепризнанной, а протоны и нейтроны вместе называют нуклонами, то есть «частицами атомного ядра».

Конечно же и эта модель не дает ответа на все вопросы. Например, если ядро состоит только лишь из протонов и электронов, то откуда же берутся электроны бета-лучей, испускаемых радиоактивными веществами? Ведь именно существование бета-лучей и дало повод считать, что в ядре есть электроны.

Ответ на этот вопрос дают свойства нейтронов, не имеющие ничего общего со свойствами протонов и электронов. И электроны и протоны являются устойчивыми частицами. Это значит, что если Вселенная состояла бы из одних лишь электронов и протонов, то оставалась бы неизменной. Вселенная обязана своим современным обликом именно нейтрону, неустойчивой частице.

В изоляции нейтрон через какое-то время распадается на протон и электрон. (Пока я даю неполное описание процесса распада, более подробно см. в гл. 14.)

Мы можем записать этот процесс символами (надстрочный индекс обозначает заряд):

Эта формула иллюстрирует одну очень важную вещь: электрический заряд не создается. Весь опыт изучения субатомных частиц показывает, что нейтрон не может просто так вот стать протоном, так как заряд, как положительный, так и отрицательный, у незаряженной частицы не может появиться ниоткуда. Поэтому нейтрон образует положительно заряженный протон и отрицательно заряженный электрон, таким образом, общий заряд двух образовавшихся частиц равен нулю.

Закон сохранения электрического заряда гласит, что в закрытой системе общий заряд частиц в результате изменений внутри системы не меняется. Ученые выявили это еще во времена изучения электричества (см. ч. II), когда о существовании субатомных частиц даже и не подозревали.

Однако внутри ядра нейтрон, как правило, стабилен (причины см. в гл. 14). Поэтому атом азота стабилен, даже несмотря на то, что в его ядре есть нейтроны и их количество, как и количество протонов, остается равным 7.

С другой стороны, нейтроны некоторых атомов все же обладают некоей долей неустойчивости, и в некоторых случаях такой нейтрон распадается на протон и электрон. При этом протон остается в ядре, а электрон становится бета-частицей и покидает ядро. Несмотря на то что бета-частицы излучаются ядром, это не значит, что они являются его составной частью. Бета-частицы образуются в момент выхода из ядра.

Новые радиоактивные элементы

При возникновении бета-излучения нейтрон внутри атомного ядра становится протоном. Ясно, что при этом изменяются и свойства атома.

Так как общее количество протонов возрастает на единицу, на единицу возрастает и атомное число, и такой атом становится уже атомом совсем другого химического элемента.

На самом деле радиоактивность некоего вещества практически всегда является признаком глубоких изменений свойств атомов этого вещества. Ученые осознали это через некоторое время после открытия радиоактивности и до того, как была изучена внутренняя структура ядра.

В 1900 году Крукс, один из первооткрывателей катодных лучей, обнаружил, что уран высокой очистки практически не проявляет радиоактивных свойств, и сделал вывод, что радиоактивность вызвана не самим ураном, а некой содержащейся в нем примесью.