СЧЕТЧИКИ НЕВИДИМЫХ ЧАСТИЦ И ИЗЛУЧЕНИЙ

СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА Как устроен атом

Цтобы понять работу газоразрядного ионизационного ^счетчика, необходимо познакомиться со строением ве­щества.

Всякое вещество, будь то газообразное, жидкое или твердое, состоит из мельчайших материальных частиц — атомов, долгое время считавшихся неделимыми[1]). Размеры и вес атомов чрезвычайно малы. Так, например, атом железа весит 0,000 ООО ООО ООО ООО ООО ООО 093 128 грамма, а его радиус составляет всего лишь 0,000 000 0127 см. Но несмотря на свою ничтожную величину, атом имеет слож­ное устройство.

По современным представлениям в центре атома распо­ложено атомное ядро. Размер ядра примерно в 100 000 раз меньше размера самого атома, но основной вес послед­него сосредоточен именно в этом ядре. Плотность всех ядер приблизительно одинакова и выражается она огром­нейшим числом порядка 100 000 000 000 000 гсмг (граммов в кубическом сантиметре), т. е. один кубический сантиметр ядерного вещества должен был бы весить около 100 мил­лионов тонн. Ядро в свою очередь не является элементарной, неделимой частицей, а состоит из электрически незаряжен­ных (нейтральных) частиц — нейтронов — и положительно заряженных частиц — протонов. В целом электрический заряд ядра положителен.

Вокруг ядра на огромных по сравнению с его разме­рами расстояниях движутся с большими скоростями, около 2000 километров в секунду, материальные частицы — элект­роны. Масса электрона в 1835 раз меньше массы атома са­мого легкого химического элемента— водорода. Электроны заряжены отрицательным электричеством. Заряд их равен 0,000 000000 000 000 000 16 кулона или 0,000 000 000 48 абсолютных электростатических единиц[2]). Насколько эта величина мала, можно судить по тому, что для создания тока силой в 1 ампер по проводнику должно в каждую се­кунду протекать 6 250 000 000 000 000 000 электронов.

Число электронов в каждом атоме равно числу поло­жительных зарядов в ядре, то есть числу протонов. Таким образом, атом в целом — электрически нейтральная час­тица.

Известно, что две частицы, заряженные разноименным электричеством, притягиваются. Тем не менее отрицатель­ные электроны, притягиваемые положительным ядром, не падают на него. Это происходит потому, что, обладая огромными круговыми скоростями, они стремятся отор­ваться от ядра и тем самым уравновешивают силу при­тяжения.

В 1869 году русским ученым Д. И. Менделеевым был открыт один из важнейших законов природы — закон пе­риодичности свойств химических элементов. Вы, вероятно, уже читали, что Менделеев расположил все элементы в таб­лице в строгом порядке, определяемом их химическими свойствами. Так вот, теперь мы знаем, что число электро­нов в атоме равно порядковому номеру элемента в этой таблице. Например, на первом месте таблицы расположен химический элемент водород. Это значит, что атом водорода состоит из ядра, вокруг которого движется один электрон. Химический элемент аргон занимает восемнадцатое место, у него 18 электронов; неон имеет порядковый номер 10; значит, атом неона содержит 10 электронов.

Электроны вокруг ядра располагаются слоями, которые называют оболочками. Эти оболочки обозначены буквами латинского алфавита, начиная с буквы /(, которой обо­значена ближайшая к ядру оболочка (рис. 1). За ней идет L-оболочка, далее М-оболочка и т. д. Каждая оболочка в свою очередь состоит из подоболочек. /(-оболочка состоит из одной s-подоболочки, L-Оболочка — из двух: 2S и 2р-под - оболочек; TW-оболочка— из трех: 3s-, Зр- и &/-подоболочек; iV-оболочка — из четырех: 4S-, 4р-, 4D- и ^/-подоболочек, О-оболочка — также из четырех: 5s-, 5р-, 5D- и 5/-подобо - лочек. На каждой оболочке может располагаться строго определенное число электронов. Так, на /(-оболочке у ато­ма любого элемента может быть расположено не более двух электронов, на L-оболочке — не более восьми, на М-обо­лочке — не более восемнадцати и т. д. Внутри оболочек на подоболочках может располагаться также строго опре­деленное число электронов.

Электроны, движущиеся вокруг ядра по орбитам, опре­деляемым соответствующими подоболочками, обладают оп­ределенным запасом энергии. Чем ближе к ядру распола­гается электрон, тем меньше запас его энергии и тем проч­нее он связан с ядром; и наоборот, чем дальше от ядра находится электрон, тем больше запас его энергии и тем слабее он удерживается положительным зарядом ядра. Следовательно, каждой оболочке соответствует определен­ный запас энергии, соответствующий как бы определенному уровню, на котором может находиться электрон в спокой­ном, т. е. нормальном, состоянии. Поэтому подоболочки принято называть энергетическими уровнями.

Если число электронов в атоме таково, что оно не может образовать законченную наружную оболочку, то атом такого элемента является химически активным, т. е. он может вступать в реакцию с атомами других элементов, имеющих также незаконченную (неукомплектованную) на­ружную оболочку. Например, водород имеет один электрон,

Расположенный на /(-оболочке. А законченная /(-оболочка должна содержать два электрона. Поэтому водород может вступать во взаимодействие с другим элементом и образо­вать устойчивую заполненную двухэлектронную К-обо­лочку.

Атомы, имеющие внешнюю оболочку, полностью укомп­лектованную полагающимся числом электронов, являются химически нейтральными, или, как их называют, инерт­ными, так как они не могут ни принять электрон, ни от­дать его другому атому. К таким элементам относятся инертные (или, как их иногда называют, благородные) газы: гелий (порядковый номер 2) с заполненной /(-оболочкой, неон (порядковый номер 10) с заполненными К и L-оболоч - ками, аргон (порядковый номер 18), криптон (порядковый номер 36) и т. д. Устойчивыми оболочками являются только те, которые содержат либо два (как у гелия), либо восемь (как у неона, аргона, криптона, ксенона и радона). У всех этих элементов полностью заполнены s - и р-подоболочки.

Электроны, расположенные на внешней оболочке, при­нято в химии называть валентными, так как они опреде­ляют взаимодействие с другими атомами, а в физике — оптическими. Последний термин станет ясным из даль­нейшего изложения.