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 вероятностного облака, демонстрируя нам не место, где находится частица в данный момент, а то, где она, возможно, будет находиться, если вы за ней понаблюдаете. В настоящее время такая картинка также считается чрезмерным упрощением некой чрезвычайно сложной математической модели, согласно которой электрон одновременно находится везде и нигде.
Эти три частицы (электрон, протон и нейтрон) связывают физику и химию. С их помощью была расшифрована вся таблица химических элементов – от простого водорода и наиболее сложного природного элемента калифорния до куда более странных короткоживущих синтезированных элементов. Всё, что требуется, чтобы вполне определить материю во всём богатстве её разнообразия, – это коротенький список «фундаментальных» частиц, то есть таких, которые невозможно расщепить на более мелкие. Вроде бы просто и понятно.
