Детальное изучение радиоактивных явлений показало, что испускание альфа-, бета- и гамма-лучей связано с процессом возникновения новых химических элементов в результате превращения первоначального радиоактивного химического элемента в другой химический элемент. Физика раскрыла закономерности перехода одного химического элемента в другой, обнаружив, что испускание альфа-частицы уменьшает порядковый номер элемента на две единицы и, следовательно, смещает его в периодической системе на два номера влево, т. е. ближе к началу системы. Испускание бета-частицы (электрона) увеличивает порядковый номер элемента па единицу и, следовательно, смещает его на один номер вправо, т. е. дальше от начала системы. Физика открыла, что атомы одного и того же химического элемента могут незначительно различаться по атомному весу. Эти атомы с различным атомным весом, но имеющие одинаковый порядковый номер, одинаковые химические свойства и, следовательно, расположенные в одном и том же месте периодической системы Менделеева, получили название изотопов.
На основе экспериментальных и теоретических исследований начала разрабатываться новая теория строения атома. Согласно этой теории, атом любого химического элемента представляет собой сложное образование, состоящее из тяжёлого ядра и движущихся вокруг ядра электронов. При этом движение электронов в атоме подчиняется особым квантовым закономерностям, отличающимся от закономерностей так называемой классической физики. В частности было установлено, что электроны в атоме могут иметь только прерывный (дискретный) ряд значений энергии. В соответствии с этим атомы могут испускать свет (излучение) не непрерывно, а определёнными дискретными порциями (квантами).
Процессы излучения и поглощения света затрагивают только внешнюю оболочку атома, состоящую из электронов, движущихся вокруг ядра атома. То же самое можно сказать и о химических изменениях, происходящих с различными химическими элементами. Радиоактивные превращения атомов приводят к более глубоким изменениям, к изменениям самого ядра атома. Превращение одних атомов в другие, соответственно превращение одного химического элемента в другой химический элемент происходит вследствие перестройки ядер атомов.
Долгое время полагали, что атомы химических элементов построены из двух частиц: протонов и электронов; Протоны сосредоточены в ядре атомов. Считалось, что в ядре атома находится также часть электронов, другая часть которых обращается вокруг ядра на сравнительно больших расстояниях от него. Допущение существования протонов в ядрах приводило, однако, к большим теоретическим затруднениям.
В 1932 г. была открыта новая частица, имеющая массу, близкую по величине к массе протона, но совсем не имеющую электрического заряда. Эта частица получила название нейтрона. В связи с открытием нейтрона советские физики выдвинули гипотезу, согласно которой ядра всех вообще атомов состоят только из протонов и нейтронов. В настоящее время это представление о строении ядра стало общепризнанным. Согласно этому представлению, величина положительного заряда ядра определяется числом протонов в ядре. Масса ядра, выражаемая его массовым числом, определяется количеством протонов и нейтронов, вместе взятых.
Протоны и нейтроны, составляющие ядро, связаны особыми ядерными силами. Природа ядерных сил ещё не вполне раскрыта современной наукой. Но имеются основания предполагать, что основную роль в ядерных взаимодействиях играют особые частицы - мезоны, имеющие массу, среднюю по величине между массой электрона и массой протона. Мезоны были открыты в 1937 г. при изучении космических лучей.
Представление о протонно-нейтронном строении ядра заставило по-новому рассматривать процесс бета-излучения. Известно, что при бета-распаде из ядра выделяются электроны. Так как, согласно протонно-нейтронной модели ядра, в самом ядре нет электронов, то, следовательно, электроны должны рождаться в процессе радиоактивного излучения, подобно тому как в процессе излучения света рождаются фотоны.
При детальном изучении энергетической стороны процесса бета-излучения физика пришла к представлению о новой частице - нейтрино, не имеющей заряда и обладающей очень малой массой. Решающее значение при этом сыграло убеждение в незыблемости закона сохранения и превращения энергии.
В 1932 г. в космических лучах была открыта ещё одна материальная частица, обладающая массой, равной массе электрона, и несущая положительный заряд. Эта частица получила название позитрона. Оказалось, что позитрон может испускаться атомами радиоактивных элементов. При этом позитроны, так же как и электроны, рождаются при радиоактивном излучении одновременно с нейтрино.
Согласно современным представлениям, возникновение позитрона в процессе бета- распада происходит в результате внутриядерного превращения протона в нейтрон. Аналогично возникновение электрона при бета-распаде происходит за счёт обратного процесса превращения нейтрона в протон.
Современная физика открыла замечательное явление превращения пары частиц- позитрона и электрона - в гамма-кванты, или, иначе, гамма-фотоны, т. е. частицы света, обладающие большой энергией. Исследован и обратный процесс - превращения обладающих большой энергией фотонов в пару - позитрон и электрон. В атомных ядрах протоны и нейтроны превращаются друг в друга; переходят друг в друга и мезоны разных типов.
Таким образом, современной науке известны следующие материальные частицы, получившие название "элементарных" частиц: протоны, нейтроны, электроны, позитроны, мезоны разных типов (положительные, отрицательные и нейтральные), нейтрино, фотоны. Атомы, казавшиеся ранее простыми, неделимыми образованиями, обнаружили очень сложное строение. Ядро атома состоит из протонов и нейтронов. На сравнительно большом расстоянии от ядра обращается некоторое число электронов, равное числу протонов в ядре атома. Внутри ядра имеют место особые силы связи между протонами и нейтронами. Важную роль во взаимодействии между ядерными частицами играют мезоны. В процессе ядерных превращений рождаются электроны, позитроны, нейтрино и фотоны. Атомы образуют более сложные материальные формы: молекулы и обычные видимые тела.
Следует заметить, что само название "элементарная" частица совсем не означает, что наука достигла предела делимости материи. Известные в настоящее время мельчайшие частицы материи являются "элементарными", неделимыми только на данном уровне развития науки. Нет никакого сомнения в том, что физика пойдёт дальше в глубь материи и обнаружит "сложное" строение этих частиц. Конечно, сложность "элементарных" частиц будет иметь совершенно другую природу по сравнению, скажем, со сложностью атома.
Одной из особенностей известных физике "элементарных" частиц является глубокое различие в их существенных свойствах, позволяющее разделить их на две группы. Одни из них (протоны, нейтроны, электроны, позитроны, мезоны, нейтрино) относятся к вещественным частицам. Они обладают так называемой "массой покоя", могут двигаться с самыми различными скоростями. Другие частицы, например фотоны, качественно отличаются от вещественных частиц. Они могут двигаться только с очень большой скоростью (скоростью света). В связи с этим они имеют массу другой природы, "масса покоя", имеющаяся у вещественных частиц, отсутствует у фотонов.
В отличие от вещества фотоны называются частицами поля. Современная физика показала, что исследуемые ею виды материи существуют в двух качественно своеобразных формах - в форме поля и вещества. Физике известны электромагнитное и гравитационное поля. Введено также понятие внутриядерного поля. Специфические закономерности внутриядерного поля ещё необходимо глубоко исследовать. Поле и вещество - две неразрывно связанные формы материи. При всех своих специфических особенностях они обладают общими для всех материальных объектов свойствами. Фотоны, например, представляющие собой своеобразную разновидность электромагнитного поля, вместо с тем обладают такими общими для всех частиц свойствами, как масса и энергия.
