Физика элементарных частиц началась со скромного оборудования и большой идеи. Слово «атом» на греческом означает «неделимый». Термин оказался заложником судьбы с самого начала его применения. Больше века назад физики «клюнули» на гипотезу о существовании атомов, но многие тут же начали сомневаться в правильности выбора столь буквалистского термина. И в 1897 году Джозеф Джон Томсон доказал, что сомневающиеся были правы, открыв «катодные лучи» – микроскопические частицы, испускаемые атомами. Они получили название «электроны».
Вы можете сколько угодно бродить вокруг атома, ожидая, когда он начнёт излучать новые частицы. Можете просить его об этом, а можете сделать ему такое предложение, от которого он не сможет отказаться, а именно стукнуть его так, чтобы он разлетелся на кусочки, и посмотреть, куда что полетит. В 1932 году Джон Кокрофт и Эрнест Уолтон соорудили небольшой ускоритель частиц и в один знаменательный день «расщепили атом». Вскоре выяснилось, что атомы состоят всего из трёх типов частиц: электронов, протонов и нейтронов. Они невероятно малы, их не разглядеть даже в самые мощные микроскопы, тогда как сами атомы можно всё-таки «увидеть» в чувствительный микроскоп, использующий квантовые эффекты.
Итак, все элементы – водород, гелий, углерод, сера и так далее – состоят из этих трех частиц. Химические свойства элементов отличаются потому, что их атомы содержат различное количество электронов, протонов и нейтронов. Существует ряд основных правил. В частности, две частицы обладают электрическими зарядами: электрон – «негативным», протон – «позитивным», нейтрон же заряда не имеет. Таким образом, чтобы суммарный заряд оказался нулевым, количество протонов и электронов должно совпадать. Самый простой из атомов – атом водорода – имеет один электрон и один протон. У гелия два протона и два нейтрона.
Химические свойства атома зависят от количества электронов, поэтому нейтронов можно добавлять сколько угодно: свойства вещества почти не изменятся. Вот именно что – «почти». Это слово обуславливает существование изотопов, то есть вариантов какого-либо элемента с почти неуловимыми отличиями. Например, атом самой распространённой формы углерода имеет 6 электронов, 6 протонов и 6 нейтронов, тогда как у его изотопов – от 2 до 16 нейтронов. Углерод-14, который археологи используют для датировки древних органических материалов, имеет 8 нейтронов. Атом обычной серы состоит из 16 электронов, 16 протонов и 16 нейтронов, при этом известно 25 её изотопов.
Электроны имеют особенно важное значение для химических свойств атома, поскольку находятся на внешней его оболочке и могут вступать в контакт с другими атомами, образуя молекулы. Протоны и нейтроны группируются в центре атома, формируя его ядро. Ранее считалось, что электроны движутся вокруг ядра по орбитам, словно планеты вокруг Солнца. Затем эта модель была заменена другой, в которой электрон был представлен в виде смазанного