9.3 Атомная физика ядра атомов и элементарные частицы

На рубеже 19 и 20-го веков было изучено строение атома. Знаменитая планетарная модель атома Эрнеста Резерфорда состоит из тяжелого ядра, занимающего тысячную долю размера атома, а вокруг его на удаленных орбитах вращаются электроны, как планеты вокруг Солнца. Ядро содержит почти всю массу атома, состоит из положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов (их называют еще нуклонами). Ядро имеет положительный заряд равный числу протонов. Именно число протонов определяет порядковый номер атома в таблице Д.И. Менделеева, а атомный вес определяется также и числом нейтронов. Атомы, имеющие одинаковое число протонов, но различное число нейтронов называются изотопами. Для 106 элементов таблицы Менделеева имеется более 1500 изотопов. Число электронов на орбитах равно числу протонов, если атом не возбужден и находится в нейтральном состоянии. Электроны располагаются на строго определенных орбитах в соответствии с принципом квантования Нильса Бора. Если электрон переходит с верхней энергетической орбиты на нижнюю, то атом излучает квант электромагнитного излучения. Переход одного электрона на более высокую энергетическую орбиту происходит при поглощении кванта атомом.

Каждый атом имеет свою систему электронных орбит и может излучать и поглощать только кванты с определенной энергией и длинной волны, по закону излучения Макса Планка (см. лекцию электромагнитное излучение). Это позволяет определять химический состав далеких звезд по их спектрам. Химические свойства атомов определяются расположением электронов в верхних орбитах.

При поглощении дополнительного электрона атом становится отрицательно заряженным, а при потери электрона положительно заряженным ионом. Ионизация атомов превращает нейтральный газ в заряженную плазму, на которую действуют электрические и магнитные поля, а поток заряженных атомов создает электрический ток. Именно из плазмы водорода, гелия состоят светящиеся поверхности звезд, нагретые от 3000 до 50000 градусов.

В целом атом является электромагнитной системой и вступает в электромагнитное взаимодействие с другими атомами через кванты электромагнитного излучения. Именно кванты или фотоны электромагнитного излучения от жесткого рентгена до километровых радиоволн являются переносчиками электромагнитного взаимодействия.