После открытия периодического закона долгое время оставалось неясным, почему свойства элементов находятся в периодической зависимости от их относительной атомной массы. Была непонятна сама причина периодичности. Необходимо было выяснить физический смысл периодического закона.
Это стало возможным после установления строения атома. Долгое время в науке господствовало представление о том, что атомы являются неделимыми частицами. Однако в конце девятнадцатого века были зафиксированы факты, свидетельствующие о сложное строение атома. Особую роль сыграло открытие радиоактивности (самотеком распада атомов некоторых элементов).
В 1896 году французский физик А. Беккерель определил, что материалы, содержащие уран засвитлюють в темноте фотопластинку, вызывают свечение веществ, которые способны флуоресцировать. Такое явление самопроизвольного излучения стали называть радиоактивностью. Потом выяснилось, что способность излучать имеет не только уран. Польской химик Склодовская-Кюри вместе с французским физиком П. Кюри открыли два новых радиоактивных элемента: полоний и радуйся. Впоследствии английский физик Э. Резерфорд обнаружил, что радиоактивное излучение неоднородно и под воздействием электрического поля разделяется на ?-, ?-и ?-лучи. ?-частицами являются ядра атомов гелия, ?-частицы являются электронами, ?-частицы - электромагнитными волнами. Изучение радиоактивности подтвердило сложность строения атома.
В 1911 году Э. Резерфорд при проведении опытов с ?-частицами выяснил, что в центре атома находится очень маленькая по объему положительно заряженная частица, которую он назвал ядром атома. Резерфорд предложил ядерную (планетарную) модель атома, согласно которой атом состоит из положительно заряженного ядра, вокруг ядра вращаются электроны, как планеты вокруг солнца.
Экспериментальные факты подтвердили сложность строения атома и показали, что атом состоит из отрицательно заряженных частиц - электронов и положительно заряженного ядра. В 1932 году российские физики Д. Д. Иваненко и Е. М. Гапон и независимо от них немецкий физик Гейзенберг предложили протонно-нейтронную строение ядра атома. Согласно этой теории атомное ядро состоит из протонов и нейтронов. Эти частицы имеют общее название - нуклоны. Протон p - это частица с относительной массой примерно равной единице и относительным зарядом +1. Нейтрон n - это электронейтральна частица с относительной массой примерно равной единице. Масса протона практически равна массе нейтрона и в 1836 раз превышает массу электрона. В ядре сосредоточена почти вся масса атома. Протоны, нейтроны, так же как и электроны, относятся к элементарным частицам.
Многочисленные экспериментальные исследования показали, что заряд ядра атома равен порядковому номеру элемента в периодической системе. Это физическим содержанием порядкового номера.
Весь положительный заряд ядра создается протонами. Поскольку заряд протона +1, то заряд ядра равен общему числу протонов. Любой атом электронейтральный, т.е. число протонов с зарядом +1 всегда равно числу электронов с зарядом -1. Если в ядро атома входит 12 протонов, то заряд такого ядра должна равняться +12. Для того, чтобы атом электронейтральной частицей, вокруг ядра должно вращаться 12 электронов.
Исследование строения атома доказали, что важнейшей характеристикой атома положительный заряд ядра. Так химические элементы в периодической таблице расположены по возрастанию зарядов ядер их атомов. Поэтому согласно современным формулировкой периодического закона Д. И. Менделеева свойства химических элементов и их соединений находятся в периодической зависимости от зарядов ядер атомов элементов. Таким образом, исследование строения атомов создали научную основу периодического закона.