§ 29. Ядро атома

Определения и обозначения

Ядро атома — центральная часть атома, состоящая из протонов и нейтронов. Оно имеет положительный заряд, потому что в нём есть положительно заряженные протоны. Почти вся масса атома сосредоточена в ядре, поэтому его состав помогает понять, откуда берётся масса атома.

Протон — частица ядра с положительным электрическим зарядом. Заряд каждого протона одинаков, поэтому общий заряд ядра зависит от того, сколько протонов в нём находится. По их числу можно определить химический элемент.

Нейтрон — частица ядра, не имеющая электрического заряда. Его масса близка к массе протона, поэтому нейтроны заметно увеличивают массу ядра. Число нейтронов помогает описать состав ядра, но не меняет химический элемент.

Нуклоны — общее название протонов и нейтронов, из которых состоит ядро. Число нуклонов находят, складывая число протонов и число нейтронов. Это понятие удобно, когда нужно кратко указать общее количество частиц в ядре.

Как это устроено

Открытие ядра изменило представление о строении атома: атом оказался не однородным шариком, а системой с очень маленьким плотным центром. Почти вся масса сосредоточена в этом центре, потому что протоны и нейтроны намного массивнее электронов. Электроны занимают область вокруг ядра, но их масса настолько мала, что её обычно не учитывают при оценке массы атома.

Ядро имеет положительный заряд из-за протонов. У каждого протона заряд положительный, и при подсчёте заряда ядра эти заряды складываются. Нейтрон электрически нейтрален, поэтому он добавляет ядру массу, но не меняет его заряд.

Число протонов в ядре связано с порядковым номером химического элемента. Например, у любого атома кислорода в ядре 8 протонов, а у любого атома хлора — 17. Поэтому изменение числа протонов означает, что перед нами уже ядро другого элемента, а не просто иной вариант прежнего.

Массу ядра связывают с общим числом протонов и нейтронов, потому что массы этих частиц близки и намного больше массы электрона. Если сложить число протонов и нейтронов, получится число нуклонов. Электроны тоже входят в состав атома, но их вклад в массу настолько мал, что в таких школьных подсчётах его обычно не принимают во внимание.

Состав ядра можно найти, если известны число протонов и общее число нуклонов. Сначала запоминают, что в число нуклонов входят обе частицы: и протоны, и нейтроны. Затем из общего количества вычитают протоны: число нейтронов = число нуклонов − число протонов. Например, при 16 нуклонах и 8 протонах в ядре остаётся 8 нейтронов.

Частицы, входящие в состав атома и его ядра

Чтобы сравнить частицы, сначала посмотрите, где они находятся и какой заряд имеют. Столбец с относительной массой показывает, почему основную массу атома связывают с ядром. Последний столбец помогает не путать частицу, входящую в ядро, с электроном, который находится вне него.

Разбор задач

В ядре атома содержится 6 протонов и 6 нейтронов. Найдите число нуклонов. Нуклоны — это все протоны и нейтроны ядра, поэтому нужно учесть обе группы частиц. Складываем их количества: 6 + 6 = 12.

1. Определяем, какие частицы даны: 6 протонов и 6 нейтронов. Обе разновидности входят в состав ядра.
2. Чтобы получить общее число нуклонов, складываем их количества: 6 + 6 = 12. Проверяем, что ничего не потеряли: учтены и протоны, и нейтроны.

Ответ: в ядре 12 нуклонов.

Ядро имеет зарядовое число 8 и содержит 16 нуклонов. Определите число протонов и нейтронов. Зарядовое число показывает число протонов, а число нуклонов включает протоны вместе с нейтронами. Значит, сначала находим протоны, а затем вычитаем их из общего количества.

1. Записываем число протонов: оно равно зарядовому числу, то есть 8. Это следует из того, что положительный заряд ядра создают именно протоны.
2. Вычитаем число протонов из числа нуклонов: 16 − 8 = 8. Полученное число — количество нейтронов.

Ответ: 8 протонов и 8 нейтронов.

У двух атомов одного химического элемента в ядрах одинаковое число протонов — 17, но числа нейтронов равны 18 и 20. Сравните число нуклонов и объясните, почему атомы относятся к одному элементу. Для каждого ядра складываем протоны и нейтроны, а затем отдельно проверяем число протонов. Так можно увидеть и различие в составе, и причину принадлежности к одному элементу.

1. Для первого ядра складываем частицы: 17 + 18 = 35 нуклонов. Для второго получаем 17 + 20 = 37 нуклонов.
2. Сравниваем результаты: во втором ядре на 2 нуклона больше, потому что в нём на 2 нейтрона больше. Число протонов в обоих ядрах одинаково — 17.
3. Делаем вывод: атомы относятся к одному элементу, поскольку элемент определяется числом протонов. Разное число нейтронов меняет состав и массу ядра, но не число элемента.

Ответ: числа нуклонов равны 35 и 37; оба атома относятся к одному элементу, так как в каждом ядре 17 протонов.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что ядро состоит только из протонов. Так можно подумать, если ориентироваться только на положительный заряд ядра, однако в большинстве ядер есть также нейтроны. Проверяйте себя вопросом: перечислены ли в условии обе разновидности нуклонов, а не только частицы, отвечающие за заряд?

Ошибка: приписывать нейтрону электрический заряд. Его масса близка к массе протона, и из-за этого иногда ошибочно предполагают, что похожи и остальные свойства частиц. Чтобы проверить себя, отдельно вспомните заряд: у протона он положительный, у нейтрона — нулевой.

Ошибка: путать число протонов с общим числом нуклонов. Число протонов учитывает только один вид частиц, а нуклоны включают и протоны, и нейтроны. Проверка проста: если нейтроны есть, общее число нуклонов должно быть больше числа протонов.

Ошибка: считать, что химический элемент определяется числом нейтронов. Нейтроны меняют состав и массу ядра, но элемент задаёт число протонов. Сверьте в задаче именно количество протонов: если оно одинаковое, атомы принадлежат одному элементу, даже когда нейтронов разное число.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужно знать, что атом состоит из ядра и электронов, а также различать электрические заряды. Эти знания объясняют, почему положительный заряд связывают с протонами, а электроны располагают вне ядра. Полезно также уметь складывать и вычитать целые числа: так находят количество нуклонов и нейтронов.

Представление о составе ядра понадобится при изучении изотопов — атомов одного элемента с разным числом нейтронов. Оно также поможет разбираться в радиоактивности и ядерных превращениях, где меняется состояние или состав ядра. Знание числа протонов позволяет при этом отличать изменение ядра от смены химического элемента.

Что запомнить

• Ядро находится в центре атома.
• Ядро состоит из протонов и нейтронов.
• Протон имеет положительный заряд, нейтрон не имеет заряда.
• Протоны и нейтроны вместе называют нуклонами.
• Число протонов определяет химический элемент.
• Число нейтронов равно числу нуклонов минус число протонов.