Протоны и нейтроны почти одинакового размера, и намного больше, чем электроны. В отличие от нейтрона, который электрически нейтрален, каждый протон имеет одну единицу электрического заряда (произвольно названного положительным), который точно уравновешивает отрицательный заряд одного электрона "на орбите" вокруг ядра. Протон может быть преобразован в нейтрон, если он поглощает электрон, отрицательный заряд которого нейтрализует положительный заряд протона. В свою очередь нейтрон может преобразоваться в протон, выбросив единицу отрицательного заряда – один электрон. Такие преобразования служат примерами ядерных реакций, в отличие от химических реакций. Химические реакции оставляют ядро нетронутым. Ядерные реакции его изменяют. Они обычно подразумевают намного больший обмен энергией, чем химические реакции, потому ядерное оружие настолько более разрушительно при одинаковом весе, чем обычные (то есть химические) взрывчатые вещества. Поиски алхимиков по превращению одного металлического элемента в другой потерпели неудачу только потому, что они пытались сделать это химическими, а не ядерными средствами.
У каждого элемента есть характерное число протонов в ядре его атома и такое же число электронов "на орбите" вокруг ядра: один для водорода, два для гелия, шесть для углерода, 11 для натрия, 26 для железа, 82 для свинца, 92 для урана. Именно это число, так называемое атомное число, (действуя через электроны) в значительной степени определяет химическое поведение элемента. Нейтроны имеют небольшое влияние на химические свойства элемента, но они влияют на его массу и на его ядерные реакции.
У ядра обычно примерно такое же число нейтронов, как и протонов, или несколько больше. В отличие от количества протонов, которое фиксировано для любого конкретного элемента, число нейтронов варьируется. Обычный углерод имеет шесть протонов и шесть нейтронов, что дает общее "массовое число" 12 (так как масса электронов незначительна, и нейтрон весит приблизительно столько же, как протон). Его поэтому называют углеродом 12.
У углерода 13 есть один дополнительный нейтрон, у углерода 14 – два дополнительных нейтрона, но у них у всех по шесть протонов. Такие различные "версии" элемента называют "изотопами". Причина, по которой все три этих изотопа имеют одно и то же название, углерод, в том, что у них одно и то же атомное число, 6, и поэтому все они имеют одни и те же химические свойства. Если бы ядерные реакции были обнаружены до химических, возможно, изотопам дали бы другие названия. В некоторых случаях изотопы достаточно несхожи, чтобы заслужить различные названия. У обычного водорода нейтронов нет. Водород 2 (один протон и один нейтрон) называют дейтерием. Водород 3 (один протон и два нейтрона) называют тритием. Все ведут себя химически как водород. Например, дейтерий объединяется с кислородом, создавая форму воды, названную тяжелой водой, известную своим использованием в изготовлении водородных бомб.
Изотопы, в таком случае, отличаются только по числу содержащихся в них нейтронов, наряду с фиксированным числом протонов, характеризующих элемент. Среди изотопов элемента, у некоторых может быть нестабильное ядро, что означает, что оно имеет тенденцию превращаться в непредсказуемый момент, хотя с предсказуемой вероятностью, в другой вид ядер. Другие изотопы стабильны: вероятность их превращения равна нулю. Другое название для нестабильного – радиоактивный. У свинца есть четыре стабильных изотопа и 25 известных нестабильных. Все изотопы очень тяжелого металла, урана, нестабильны – все радиоактивны. Радиоактивность – ключ к абсолютному датированию горных пород и их окаменелостей: и это отступление необходимо, чтобы его разъяснить.
Что обычно случается, когда нестабильный, радиоактивный элемент превращается в другой элемент? Есть различные способы, которыми это может случиться, но два самых известных называют альфа-распадом и бета-распадом. При альфа-распаде исходное ядро теряет "альфа-частицу", состоящую из двух протонов и двух нейтронов, склеенных вместе. Массовое число, поэтому, понижается на четыре единицы, но атомное число снижается только на две единицы (соответствующие этим двум потерянным протонам). Так элемент превращается, говоря химическим языком, в какой-либо элемент, имеющий на два протона меньше. Уран 238 (с 92 протонами и 146 нейтронами) распадается в торий 234 (с 90 протонами и 144 нейтронами).
