Протон представляет собой частицу, несущую положительный электрический заряд. Этот заряд равен по величине заряду электрона. Протон обладает ничтожно малой массой, равной 0,000 000 000 000 000 000 000 001 672 г.

Так как в обычных условиях атомы электронейтральны, то это значит, что число протонов в ядре равно числу электронов, т. е. равно порядковому номеру элемента в периодической системе Д. И. Менделеева.

Нейтрон — частица нейтральная, т. е. не имеющая электрического заряда. Масса нейтрона ничтожна, практически равна массе протона и составляет 0,000 000 000 000 000 000 000 001 674 г. Таким образом, присутствие нейтронов в ядре, не сказываясь на его заряде, влияет на массу. Следовательно, масса ядра определяется суммой масс протонов и нейтронов и выражается в целых числах. Эта сумма называется массовым числом. Вычитая из этой величины число протонов (порядковый номер), легко определить и число нейтронов для любого элемента.

Условились ядра элементов обозначать теми же символами, что и соответствующие им атомы элементов, указывая цифрой слева внизу от символа число протонов, а справа вверху от символа — массовое число. Ядро атома гелия в такой записи будет изображаться: 2He4.

Сложностью строения ядра объясняется наличие у одного и того же химического элемента разного вида атомов, отличающихся массовым числом. Такие разновидности атомов одного и того же химического элемента называются изотопами — равноместными (от греческих слов «изо» — равный и «топос» — место). Название объясняется тем, что изотопы определенного элемента, отличаясь по массовому числу, имеют одинаковый заряд ядра и, следовательно, одинаковые химические свойства. Поэтому они занимают в периодической системе элементов одно и то же место. Каждый химический элемент представляет собой смесь нескольких изотопов. Число изотопов у различных химических элементов не одинаково. Так, например, олово имеет 10 изотопов, платина — 6, уран — 3 и т. д. Изотопы делятся на устойчивые, нерадиоактивные изотопы, и неустойчивые, или радиоактивные. Количество устойчивых изотопов достигает 250, количество радиоактивных изотопов приближается к тысяче.

Радиоактивностью называется явление самопроизвольного испускания атомами некоторых веществ невидимых, но сравнительно легко обнаруживаемых лучей. От латинского слова «радиус», что значит луч, такие вещества стали называть радиоактивными, «лучедействующими». Радиоактивные лучи обладают совершенно необычными, многообразными свойствами. Воздух, пронизываемый радиоактивными лучами, становится электропроводным. Радиоактивные лучи вызывают почернение светочувствительных материалов (фотопленки, пластинки, бумаги); проникают через толщу непрозрачных тел, изменяют цвет окрашенных веществ и окрашивают бесцветное стекло в различные цвета; вызывают свечение тел; разлагают воду на составляющие ее элементы; производят сильное биологическое действие: убивают микроорганизмы, разрушают ткани животных и в зависимости от дозы активизируют или угнетают жизненные процессы.

Изучение радиоактивности показало, что известные науке обычные воздействия: нагревание, охлаждение, давление, действие активных химических веществ — не изменяют силы радиации. Зная, что химические свойства атомов связаны с их внешними электронами, оставалось допустить, что радиоактивность — явление, связанное с глубинными частями атомов; что это не обычный химический, а глубокий — ядерный процесс. А так как радиоактивные излучения сопровождаются внезапным выделением энергии, то это свидетельствовало также и о том, что в атомных ядрах скрыты огромные запасы внутриатомной, или ядерной, энергии.

По природе и свойствам радиоактивные излучения делятся на три вида, называемые по первым буквам греческого алфавита альфа-, бета- и гамма-лучами. Из них только гамма-лучи действительно являются лучами, т. е. очень короткими электромагнитными волнами, распространяющимися со скоростью света (300 000 км в сек). Они обладают, подобно рентгеновским лучам, большой проникающей способностью, которая для воздуха измеряется сотнями метров. Для полного поглощения гамма-лучей требуется слой свинца не менее 15–20 см. Для ослабления действия гамма-лучей в два раза необходим слой свинца в 1,5 см или слой железа в 3 см; слой бетона должен иметь уже 10 см, а дерева — 25 см.

Бета-лучи — это поток отрицательно заряженных частиц, одинаковых по природе, величине заряда, массе с электронами. Проникающая способность бета-лучей значительно меньше, чем гамма-лучей, и для воздуха измеряется 18–20 м. Слой свинца в 3 мм толщиной полностью задерживает бета-лучи.

Альфа-лучи — это поток положительно заряженных частиц, называемых альфа-частицами и представляющих собой ядра атомов гелия. Каждая альфа-частица содержит 2 протона и 2 нейтрона, т. е. массовое число ее равняется четырем, а заряд — двум единицам. Скорость распространения альфа-частиц достигает 20 000 км в сек. Проникающая способность альфа-лучей еще меньше, чем бета-лучей. В воздух альфа-лучи проникают на 10–12 см, а лист обыкновенной писчей бумаги задерживает их почти полностью. В состав радиоактивного излучения не обязательно входят все три вида лучей одновременно.

В настоящее время различают естественную и искусственную радиоактивность. Естественной называют радиоактивность естественных, т. е. встречающихся в природе, химических элементов, или их изотопов. Радиоактивность, которой обладают элементы, или их изотопы, полученные искусственным путем, называется искусственной радиоактивностью.

Изучение радиоактивности показывает, что испускание тех или иных лучей сопровождается распадом атомов одних химических элементов и образованием других. Иными словами, атомы элементов могут превращаться друг в друга. Так, например, твердый радиоактивный элемент радий в процессе излучений переходит в другой, тоже радиоактивный, но уже газообразный элемент — радон. Последний в процессе излучения, вновь распадаясь, превращается в новый элемент полоний и т. д.

Все образующиеся в процессе излучения продукты можно расположить в единый радиоактивный ряд, или семейство элементов. Такое превращение одного радиоактивного элемента в другой происходит до тех пор, пока в результате радиоактивного распада не образуются атомы устойчивого нерадиоактивного элемента. В настоящее время известны 4 радиоактивных ряда: ряд урана, ряд тория, ряд актиния и ряд нептуния. Каждый ряд заканчивается нерадиоактивным изотопом свинца. Поэтому все элементы, расположенные в таблице Д. И. Менделеева за свинцом, как правило, обладают естественной радиоактивностью. Для характеристики продолжительности существования, или, как говорят, «жизни» радиоактивного элемента, пользуются специальным понятием, называемым периодом полураспада. Периодом полураспада называется время, в течение которого количество радиоактивного вещества уменьшается наполовину. Так, например, период полураспада радия с массовым числом 226 равен 1590 лет. Это значит, что от одного грамма радия через 1590 лет останется полграмма, через следующее 1590 лет — четверть грамма и т. д. Периоды полураспада могут колебаться в весьма широких интервалах. Так, период полураспада урана с массовым числом 238 равен 4,5 млрд. лет, в то время, как полоний с массовым числом 213 имеет период полураспада, равный одной миллионной доле секунды.