Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента, а сумма чисел протонов и нейтронов соответствует его массовому числу. Последнее положение было сформулировано после то­го, как в 1920 г. Э. Резерфорд открыл протон, а в 1932 г. Дж. Чедвик — нейтрон. Различные виды атомов имеют общее название — нук­лиды. Нуклиды достаточно характеризовать любыми дву­мя числами из трех фундаментальных параметров: А — мас­совое число, Z — заряд ядра, равный числу протонов, и N— число нейтронов в ядре.

Эти параметры связаны между со­бой соотношениями: Z = A -N , N = A - Z , A = Z + N . Нуклиды с одинаковым Z , но различными А и N , назы­вают изотопами. Сформулированные выше положения составляют суть теории, описывающей движение микрочастиц, — квантовой механики. Фундаментальным принципом квантовой механики, наряду с соотношением неопределенностей, является прин­цип дополнительности, который Н. Бор сформулировал сле­дующим образом.

Понятие частицы и волны дополняют друг друга и в то же время противоречат друг другу, они являются дополняющими картинами происходяще­го. Смелая мысль Л. де Бройля о всеобщем «дуализме» ча­стицы и волны позволила построить теорию, с помощью ко­торой можно было охватить свойства материи и света в их единстве. Кванты света являлись при этом объединяющим элементом строения микромира.

Убедительным свидетель­ством существования волновых свойств материи стало об­наружение в 1927 году дифракции электронов американски­ми физиками К. Дэвисоном и Л. Джермером. В дальнейшем были выполнены опыты по обнаружению дифракции нейтро­нов, атомов и даже молекул. Во всех случаях результаты полностью подтверждали гипотезу де Бройля. Законы движения электронов в квантовой механике вы­ражаются уравнением Шредингера, которое играет в кван­товой механике ту же роль, что и законы Ньютона в класси­ческой механике.

Начало современным представлениям о микромире было положено исследованиями М. Планка, благодаря которым он пришел к выводу о том, что в процессах излучения энер­гия может быть отдана или поглощена не непрерывно и не в любых количествах, а лишь в известных неделимых порци­ях-квантах. Сумма энергий этих мельчайших порций энер­гий-квантов определяется через число колебаний соответ­ствующего вида излучения и универсальную естественную константу, которую М.

Планк ввел в науку под символом h : E =hn , где n — частота, а Е — энергия кванта. День опубли­кования этой формулы — 14 декабря 1900 года считается днем рождения квантовой теории. А поскольку понятие элементарного кванта послужило основой для понимания свойств атомной оболочки и ядра, то этот день следует рас­сматривать как день рождения атомной физики и начало новой эры естествознания. В 1905 году А.

Эйнштейн пере­нес идею квантованного поглощения и отдачи энергии при тепловом излучении на излучение вообще и, таким образом, представил новое учение о свете. Представление о свето­вых квантах помогло понять и наглядно представить явле­ние фотоэлектрического эффекта, суть которого заключается в выбивании электронов из вещества под действием электромагнитных волн.

Эксперименты показали, что явле­ние фотоэффекта обусловлено воздействием света опреде­ленной частоты, а не интенсивностью светового воздействия. Эффект возникает лишь в том случае, если энергия фотона, а следовательно, и его частота достаточно велика для пре­одоления сил связи электрона с веществом. Открытое в 1923 году американским физиком А.Х. Комптоном явление (эффект Комптона)

, которое отмечается при воздействии очень жесткими рентгеновскими лучами на ато­мы со свободными электронами, вновь окончательно под­твердило квантовую теорию света. Противоречия корпускулярно-волновых свойств микро­объектов являются лишь кажущимися. Это результат не­контролируемого взаимодействия микрообъектов и макро­приборов. Имеется два класса приборов: в одних квантовые объекты ведут себя как волны, в других — подобно части­цам.

В экспериментах мы наблюдаем не реальность как таковую, а лишь квантовое явление, включающее результат взаимодействия прибора с макрообъектом. М. Бори образ­но заметил, что волны и частицы — это «проекции» физичес­кой реальности на экспериментальную ситуацию. Обе картины, корпускулярная и волновая оправданы, они дополняют друг друга, т. е. комплиментарны и вместе дают картину микромира.

На основе системы формул волновой механики были предсказаны новые элементарные частицы. Исследова­ния в области элементарных частиц представляют собой изу­чение глубинного уровня структурной организации материи. Элементарные частицы как глубинный уровень структурной организации материи Своего рода первокирпичики имеются для каждой фор­мы движения материи.

На уровне, изучаемом физикой, роль таких первокирпичиков выполняют фундаментальные час­тицы — кварки, которые не имеют внутренней структуры. Это мельчайшие частицы вещества — поля, точное местонахождение которых трудно определить даже самыми точ­ными приборами. В качестве первой элементарной частицы в конце XIX в. был открыт электрон, а затем в первые десятилетия XX ве­ка — фотон, протон, позитрон и нейтрон.

Термин «элемен­тарные» по отношению к мельчайшим частицам первона­чально означал их неделимость. Однако вскоре ученые осоз­нали всю условность этого названия. В 1932 году был открыт нейтрон и создана нейтронно-протонная модель атомного ядра. В результате из атомной физики выделилось самостоятельное, бурно развивающее­ся направление ядерная физика.

Ядерная физика изучает структуру и свойства атомных ядер. Она исследует также взаимопревращения атомных ядер, происходящие в результате как радиоактивных распа­дов, так и различных ядерных реакций. К ядерной физике тесно примыкают физика элементарных частиц, физика и техника ускорителей заряженных частиц, ядерная энергети­ка. Ядерно-физические исследования имеют огромное чис­то научное значение, позволяя продвигаться в понимании строения материи и в то же время чрезвычайно важны в практическом отношении (в энергетике, медицине и т. д.).