Количество электронов в атоме не случайно - оно соответствует атомному номеру данного элемента, который определяет его место в периодической таблице Менделеева, а суммарный отрицательный заряд всех электронов равен положительному заряду ядра. Двигаются электроны по орбитам, располагающимся отдельными группами, называемыми слоями, или оболочками. Количество слоев у тяжелых атомов с большим количеством электронов может доходить до семи. Электроны, расположенные на внешней, наиболее удаленной от ядра оболочке, слабее всего связаны с ядром, и поэтому легко могут вступать во взаимодействие с другими атомами. Количество этих электронов определяет химические свойства данного элемента, т. е. способность его образовывать соединения с другими элементами.

Ядро атома имеет сложное строение; в состав его входят частицы двух видов - протоны и нейтроны. Протоны - ядра атомов водорода - обладают положительным электрическим зарядом, равным заряду электрона, и массой, равной единице. Масса нейтрона, так же как и протона, равна единице. Но в отличие от протонов нейтроны не имеют электрического заряда, а потому они нейтральны.

Протон и нейтрон имеют сложное строение и могут превращаться друг в друга. В составе ядра протоны и нейтроны прочно удерживаются ядерными силами, природа которых еще окончательно не выяснена. Отличительная особенность ядерных сил - проявление только на очень близких расстояниях (не более 10 - 13 см), в то время как силы тяготения или электрического взаимодействия проявляются на любом расстоянии.

Количество протонов, входящих в состав ядра, равняется количеству электронов в оболочке атома. Это объясняется тем, что атом в целом нейтрален, а заряды электрона и протона равны по величине, но противоположны по знаку. Количество нейтронов, входящих в состав ядра, равно разности между атомной массой элемента и его атомным номером, определяющим количество протонов. Так, ядро атома железа (атомный номер 26, атомная масса 56) содержит 26 протонов и 30 нейтронов.

Атомы одного и того же элемента не одинаковы. Исследования показали, что большинство химических элементов имеют изотопы, атомы которых обладают одинаковыми химическими свойствами, но отличаются друг от друга по атомной массе. Изотопы одного и того же элемента имеют одинаковое количество протонов и электронов, но отличаются друг от друга количеством нейтронов, входящих в состав ядра.

В настоящее время известно более 1300 изотопов 104 элементов, входящих в таблицу Менделеева. Из общего числа изотопов только 250 стабильные, а остальные радиоактивные. Для удобства изотопы принято обозначать химическим символом элемента, к которому внизу добавлен атомный номер, а вверху - атомная масса. Например, изотопы водорода обозначаются H₁¹, Н₁² H₁³; изотопы хлора - Cl¹⁷₃₅ и Cl¹⁷₃₆ и т. д.

В связи с тем, что химические свойства изотопов одного и того же элемента одинаковы, разделить их химическим путем невозможно. Для этой цели пользуются некоторыми их физическими свойствами, зависящими от массы атома.

Выше мы уже отмечали, что в нормальном состоянии атом нейтрален. Однако при некоторых процессах, когда атому сообщается дополнительная энергия, один или несколько внешних, наиболее слабо связанных с ядром электронов, можно либо удалить за пределы атома, либо передвинуть с одной оболочки на другую (ближе к внешней). Атом, у которого удален один или несколько электронов, называется ионизированным, или ионом. Такой атом в целом будет иметь положительный заряд, так как заряд его ядра останется прежним, а отрицательный заряд оболочки уменьшится. Ионы, сохраняя в общем все свойства данного элемента, отличаются от атомов тем, что могут образовывать иные химические соединения. Атом, электрон которого перемещен на внешнюю орбиту, называется возбужденным; в отличие от ионизированного он остается нейтральным.

Возбужденное и ионизированное состояния неустойчивы, так как атом стремится при первой возможности вернуться в свое нормальное состояние. Это может осуществиться либо в результате притяжения электрона извне (ионизированный атом), либо за счет перехода электронов с внешней орбиты на свободные места на внутренней орбите (возбужденный атом). И тот и другой процесс сопровождается выделением энергии в виде светового излучения, ультрафиолетовых или инфракрасных лучей (при переходе электронов в периферийной части атома) и рентгеновских лучей (при переходе электронов на внутреннюю орбиту и освобождении большего количества энергии).

В результате многих лет упорной работы физикам, наконец, удалось найти разгадку явления радиоактивности. Помогла им в этом планетарная теория атома.

Прежде всего удалось решить вопрос о природе лучей, испускаемых радиоактивными атомами. Было установлено, что это сложное излучение, в состав которого входят лучи трех видов, отличающиеся друг от друга проникающей способностью. Наименее проникающие лучи получили название альфа-лучей (α-лучей), более проникающие - бета-лучей (β-лучей), и, наконец, лучи, имеющие наибольшую проникающую способность - гамма-лучей (γ-лучей).

Альфа-лучи оказались потоком частиц с массой, равной четырем, и двойным положительным зарядом, т. е. потоком ядер атомов гелия. Эти частицы вылетают из ядра со скоростью 15 000 - 20 000 км/сек, имея энергию 2 - 9 Мэв[4]. Альфа-частицы обладают очень малой проникающей способностью. В зависимости от энергии частиц в воздухе они могут пройти путь 2 - 9 см, в биологической ткани - 0,02 - 0,06 мм; они полностью поглощаются листом писчей бумаги.

Бета-лучи - это поток бета-частиц (электронов), вылетающих из ядер со скоростью, близкой к скорости света. Максимальная энергия бета-частиц радиоактивных изотопов может различаться в широких пределах - от нескольких тысяч до нескольких миллионов электрон-вольт. В табл. 1 приведены значения максимальной энергии бета-частиц для некоторых изотопов, применяемых при биологических исследованиях. Проникающая способность этих частиц значительно больше, чем у альфа-частиц. Бета-частицы с энергией 3 Мэв (наибольшая энергия этих частиц изотопов, применяемых при биологических исследованиях) могут пройти в воздухе до 15 м, в воде и биологической ткани - до 12 мм и в алюминии до 5 мм.

Гамма-лучи представляют собой электромагнитное излучение с длиной волны 10^-8- 10^-11см. Проникающая способность гамма-лучей очень велика - значительно больше, чем у альфа- и бета-частиц. Чтобы ослабить гамма-излучение радиоактивного кобальта вдвое, нужно взять слой свинца толщиной 1,6 см или слой бетона толщиной 10 см. Чем короче длина волны, тем большую проникающую способность имеют гамма-лучи.

Альфа- и бета-лучи относятся к корпускулярным излучениям, т. е. они представляют собой поток быстро летящих заряженных частиц (корпускул). Гамма-лучи - электромагнитное излучение (подобно рентгеновским лучам); они характеризуются длиной волны и частотой. К электромагнитным излучениям относятся также радиоволны, видимый свет, инфракрасные и ультрафиолетовые лучи, отличающиеся друг от друга только длиной волны. Все эти излучения распространяются со скоростью 300 000 км/сек,.

Деление ядерных излучений на корпускулярные и волновые хотя практически и удобно, но не совсем правильно, так как корпускулярные излучения имеют в определенной степени свойства волновых излучений, и наоборот. Так, электронные пучки, представляющие собой поток быстро летящих частиц - электронов, ведут себя подобно световым волнам. Они также могут преломляться и собираться с помощью электронных линз. На этом свойстве основано устройство одного из широко применяемых в научных исследованиях приборов - электронного микроскопа, с помощью которого можно получать огромные увеличения (в десятки и сотни тысяч раз), недоступные обычным световым микроскопам. Согласно квантовой теории, энергия, связанная с электромагнитными излучениями, в данном случае рентгеновскими и гамма-лучами, излучается и поглощается не непрерывно, а отдельными порциями - квантами (или фотонами). При этом величина квантов будет тем больше, чем больше частота и, следовательно, чем меньше длина волны излучения. Энергия квантов Е, выраженная в электрон-вольтах, связана с длиной волны λ соотношением