§ 8.2. Нуклонная модель ядра

Определения и обозначения

Нуклон — общее название протона и нейтрона как частиц, входящих в состав атомного ядра. Протоны и нейтроны вместе составляют почти всю массу атома. Термин позволяет говорить о частицах ядра, не перечисляя каждый раз оба их вида.

Протонное число Z — число протонов в ядре. Оно определяет заряд ядра и порядковый номер химического элемента в таблице. Поэтому по Z можно установить, какому элементу принадлежит ядро.

Массовое число A — общее число нуклонов в ядре, то есть сумма протонов и нейтронов. Оно не показывает массу в граммах или килограммах, а служит целочисленной характеристикой состава ядра. Зная A и Z, можно найти число нейтронов.

Изотопы — разновидности атомов одного химического элемента с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов. Их химическая принадлежность одинакова, поскольку она определяется зарядом ядра. Понятие изотопов нужно, чтобы различать ядра одного элемента с неодинаковым составом.

Как это устроено

В нуклонной модели ядро рассматривают как совокупность протонов и нейтронов, а электронную оболочку — отдельно от него. Причина такого разделения в том, что электроны находятся вне ядра и не относятся к его составу. Протоны и нейтроны занимают центральную область атома и определяют основные характеристики ядра. Поэтому, описывая его нуклонный состав, считают только эти две частицы.

Число протонов обозначают Z, число нейтронов — N, а их общее количество — A. Массовое число получают сложением обоих видов нуклонов: A = Z + N. Если известны A и Z, равенство можно перестроить и получить N = A − Z. Вычитание работает потому, что из общего количества нуклонов убирают известные протоны, и остаются только нейтроны.

Ядро обозначают записью ^A_ZX, где X — символ химического элемента. Нижний индекс Z указывают потому, что он фиксирует число протонов и тем самым определяет элемент; верхний индекс A показывает полное число нуклонов. Например, в записи ^23_11Na нижнее число означает 11 протонов, а верхнее — 23 частицы в ядре. Если нужно узнать число нейтронов, вычисляют разность 23 − 11.

Если у двух ядер одинаковое Z, в них поровну протонов, поэтому они принадлежат одному химическому элементу. Но при разных A общее количество нуклонов неодинаково. Поскольку число протонов одинаковое, различие приходится на нейтроны: в одном ядре их больше, чем в другом. Такие разновидности одного элемента и называют изотопами.

Протон имеет положительный электрический заряд, равный по модулю элементарному заряду, а нейтрон не имеет электрического заряда. При этом массы протона и нейтрона близки, поэтому и те и другие вносят вклад в массовое число. Это различие объясняет, почему протоны определяют заряд ядра, но при подсчёте A нужно учитывать также нейтроны. Массовое число при этом является счётной характеристикой, а не точным измерением массы ядра.

Частицы нуклонной модели и характеристики ядра

В таблице собраны обозначения и свойства, которые понадобятся при чтении записи ядра. Сначала определите, относится ли величина к отдельной частице или ко всему ядру. Затем используйте Z и A вместе: их разность даёт число нейтронов.

Разбор задач

Задача 1. Для ядра ^23_11Na определите число протонов и нейтронов. Нижний индекс сразу даёт протонное число, а верхний — массовое число. Чтобы найти неизвестное количество нейтронов, воспользуемся связью A = Z + N.

1. Считываем из обозначения Z = 11 и A = 23.
2. Число протонов равно Z, поэтому в ядре 11 протонов.
3. Находим число нейтронов: N = A − Z = 23 − 11 = 12.

Ответ: 11 протонов и 12 нейтронов. Проверка: 11 + 12 = 23, что совпадает с массовым числом.

Задача 2. Запишите обозначение ядра атома хлора, в котором 17 протонов и 18 нейтронов. Для записи нужны и порядковый номер элемента, и общее количество нуклонов. Число протонов уже известно, а A сначала необходимо вычислить.

1. Протонное число Z = 17, поскольку в ядре 17 протонов.
2. Вычисляем массовое число: A = Z + N = 17 + 18 = 35.
3. Символ хлора — Cl; помещаем A сверху, а Z снизу: ^35_17Cl.

Ответ: ^35_17Cl. Проверка: в записи 35 − 17 = 18 нейтронов, как указано в условии.

Задача 3. Сравните ядра ^35_17Cl и ^37_17Cl по числу протонов, нейтронов и нуклонов и объясните, как они называются. Совпадающие нижние индексы означают одинаковое число протонов. Верхние индексы различаются, поэтому найдём N отдельно для каждого ядра.

1. Для обоих ядер Z = 17, значит, в каждом по 17 протонов.
2. Для ^35_17Cl: N = 35 − 17 = 18; для ^37_17Cl: N = 37 − 17 = 20.
3. Число нуклонов равно A: соответственно 35 и 37. Одинаковое Z и разное A означают, что это изотопы хлора.

Ответ: в первом ядре 17 протонов, 18 нейтронов и 35 нуклонов; во втором — 17 протонов, 20 нейтронов и 37 нуклонов. Это изотопы одного элемента, потому что число протонов совпадает, а число нейтронов различается.

Типичные ошибки

• Принимают массовое число A за число нейтронов. Так ошибаются, потому что слово «массовое» может отвлечь от состава числа: A включает и протоны, и нейтроны. Для проверки выпишите A = Z + N: если посчитали только нейтроны, равенство не сойдётся.

• Считают, что Z показывает число всех частиц ядра. Путаница возникает из-за того, что Z и A оба записывают рядом с символом элемента. Проверьте смысл индексов: Z — только протоны, а общее число нуклонов обозначено A.

• При вычислении числа нейтронов складывают A и Z. Это неверно, потому что A уже включает протоны, а складывание увеличивает общее число вместо выделения нейтронов. Самопроверка проста: используйте N = A − Z, а затем убедитесь, что Z + N снова равно A.

• Полагают, что изотопы одного элемента имеют одинаковую массу или одинаковое число всех нуклонов. У них совпадает Z, но количество нейтронов может различаться, поэтому различается и A. Сверьте записи ядер: одинаковые нижние индексы и разные верхние указывают на изотопы.

Связь с другими темами

Для работы с нуклонной моделью нужно знать строение атома, положительный заряд протона и нейтральность нейтрона. Эти сведения позволяют отличать заряд ядра от его нуклонного состава. Позже Z и A пригодятся при изучении радиоактивности и ядерных реакций. Они помогают читать таблицу нуклидов, записывать ядерные реакции и разбирать энергетический баланс ядерных превращений.

Что запомнить

• Ядро состоит из протонов и нейтронов.
• Протон и нейтрон вместе называют нуклонами.
• Протонное число Z равно числу протонов в ядре.
• Массовое число A равно сумме числа протонов и нейтронов.
• Число нейтронов находят по формуле N = A − Z.
• Изотопы имеют одинаковое Z и разные A.