§ 8.1. Атомное ядро

Определения и обозначения

Атомное ядро — центральная часть атома, состоящая из протонов и нейтронов и несущая положительный заряд. Оно содержит почти всю массу атома и определяет, к какому химическому элементу относится его атом. Поэтому сведения о ядре помогают описывать состав и свойства атома.

Нуклон — общее название протона и нейтрона, частиц, входящих в состав ядра. Протоны и нейтроны различаются зарядом, но обе частицы учитывают при подсчёте состава ядра. Термин «нуклоны» удобен, когда речь идёт о них вместе.

Массовое число A — общее число нуклонов в ядре, то есть сумма числа протонов Z и нейтронов N: A = Z + N. Оно показывает, сколько частиц этих двух видов находится в ядре. Если известны A и Z, число нейтронов можно найти вычитанием: N = A − Z.

Изотопы — разновидности атомов одного химического элемента с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов. Элемент у них один и тот же, поскольку число протонов не меняется. Понятие изотопов позволяет различать ядра этого элемента по составу и массовому числу.

Как это устроено

Положительный заряд ядра создают протоны: каждый из них несёт элементарный заряд +e, а нейтрон электрически нейтрален. Поэтому заряды всех протонов складываются, и при Z протонах получается заряд ядра +Ze. Число нейтронов на величину заряда не влияет, хотя они входят в состав ядра.

Число протонов Z определяет химический элемент, потому что каждому элементу соответствует своё число протонов в ядре. Массовое число A учитывает и протоны, и нейтроны, поэтому по нему одному нельзя определить элемент. Если известны оба числа — A и Z, недостающую часть состава находят по формуле N = A − Z: из всех нуклонов вычитают протоны.

Ядро обозначают символом элемента X, перед которым указывают A сверху, а Z снизу: ᴬZX. Такое расположение позволяет сразу увидеть и общее число нуклонов, и число протонов, не смешивая эти величины. Например, в записи ²³₁₁Na число 23 показывает количество нуклонов, а 11 — количество протонов; число нейтронов отдельно не записано.

Почти вся масса атома сосредоточена в ядре, поскольку протоны и нейтроны намного тяжелее электронов. Масса электронов настолько мала по сравнению с массой нуклонов, что при обычной оценке массы атома ею пренебрегают. Именно поэтому массовое число связано с числом частиц ядра, а не с общим числом всех частиц атома.

У атомов одного элемента число протонов одинаково, но число нейтронов может быть разным. Такое изменение не меняет заряд ядра и принадлежность к элементу, зато меняет массовое число. Поэтому ядра с одинаковым Z и разными N называют изотопами этого элемента.

Сравнение протона и нейтрона

Сравнивая частицы, обращайте внимание на заряд: именно он отличает протон от нейтрона и объясняет положительный заряд ядра. Обе частицы входят в число нуклонов, поэтому обе учитываются при определении массового числа. Их относительные массы близки, так что для подсчёта состава ядра достаточно считать каждую за одну частицу.

Разбор задач

Задача 1. Для ядра ²³₁₁Na определите число протонов и нейтронов, а также заряд ядра. В обозначении даны оба нужных числа: массовое A = 23 и зарядовое Z = 11. Сначала прочитайте их по положению индексов, затем примените формулы состава и заряда.

1. Число протонов равно нижнему индексу: Z = 11.
2. Число нейтронов вычисляем как разность массового числа и числа протонов: N = A − Z = 23 − 11 = 12.
3. Заряд ядра равен +Ze, значит, при Z = 11 он составляет +11e.

Ответ: в ядре 11 протонов и 12 нейтронов, его заряд равен +11e. Проверка состава: 11 + 12 = 23, что совпадает с массовым числом. Такая проверка помогает заметить ошибку в вычитании.

Задача 2. Запишите обозначение ядра атома с 17 протонами и 18 нейтронами и укажите его массовое число. Сначала нужно найти общее число нуклонов, а затем определить элемент по числу протонов. Порядок действий важен: символ элемента выбирают по Z, не по A.

1. Число протонов Z = 17, число нейтронов N = 18.
2. Массовое число A = Z + N = 17 + 18 = 35.
3. Элемент с 17 протонами — хлор, его символ Cl; обозначение ядра — ³⁵₁₇Cl.

Ответ: массовое число равно 35, ядро записывается как ³⁵₁₇Cl. В записи нижний индекс 17 сохраняет число протонов, а верхний 35 показывает сумму протонов и нейтронов. Проверка: 35 − 17 = 18 нейтронов.

Задача 3. Сравните ядра ³⁵₁₇Cl и ³⁷₁₇Cl по числу протонов, нейтронов и нуклонов. Одинаковый нижний индекс указывает на одинаковое число протонов. Верхние индексы различаются, поэтому нужно отдельно вычислить число нейтронов каждого ядра.

1. В обоих ядрах Z = 17, значит, в каждом по 17 протонов.
2. Для первого ядра N = 35 − 17 = 18; для второго N = 37 − 17 = 20.
3. Число нуклонов равно верхнему индексу: соответственно 35 и 37.

Ответ: в ядрах по 17 протонов, но 18 и 20 нейтронов; всего в них 35 и 37 нуклонов. Это изотопы хлора, потому что число протонов у них одинаково, а число нейтронов различается. Разные массовые числа подтверждают различие состава.

Типичные ошибки

Путать массовое число A с числом нейтронов — значит забывать, что A включает и протоны, и нейтроны. Такая ошибка возникает, когда в записи смотрят на верхний индекс, но не учитывают нижний. Проверьте себя равенством A = Z + N: если оно не выполняется, состав посчитан неверно.

Нижний индекс Z иногда принимают за число всех частиц ядра, хотя он показывает только число протонов. Путаница появляется из-за того, что оба индекса относятся к одному ядру. Сверьтесь с обозначением: Z стоит снизу, а общее число нуклонов A — сверху.

При поиске нейтронов нельзя складывать A и Z: такое действие увеличит уже общее число частиц вместо выделения его части. Ошибку предотвращает смысл формулы: из всех нуклонов нужно убрать протоны. Используйте N = A − Z и проверьте результат сложением Z + N = A.

Изотопы не являются атомами разных элементов: у изотопов одинаково число протонов, а меняется число нейтронов. Ошибку могут вызвать разные массовые числа в обозначениях. Сравните нижние индексы: если Z различны, это разные элементы, а не изотопы одного элемента.

Связь с другими темами

Для понимания строения ядра нужно знать, как устроен атом, чем отличаются протон, нейтрон и электрон, и что такое элементарный заряд. Эти знания объясняют состав ядра и происхождение его заряда. Массовое число и изотопы понадобятся при изучении радиоактивности и ядерных реакций: состав ядра помогает описывать его превращения. При расчёте энергетического выхода реакций также важно учитывать, какие ядра вступают в реакцию и образуются в результате.

Что запомнить

• Ядро состоит из протонов и нейтронов.
• Протоны и нейтроны называют нуклонами.
• Число протонов Z определяет химический элемент.
• Массовое число A равно сумме числа протонов и нейтронов: A = Z + N.
• Число нейтронов находят по формуле N = A − Z.
• Изотопы имеют одинаковое Z и разное число нейтронов.