"Физика (базовый и профильный уровни)", Тихомирова С.А., Яворский Б.М.
Атомное ядро — центральная часть атома, в которой сосредоточена почти вся его масса. Оно состоит из положительно заряженных протонов и электрически нейтральных нейтронов; вместе их называют нуклонами. Число протонов задаёт заряд ядра и определяет химический элемент, а общее число протонов и нейтронов называют массовым числом. По записи ядра можно определить состав частиц, сравнить разные ядра и понять, какие из них являются изотопами одного элемента.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Протон — положительно заряженная частица в составе ядра; его обозначают p, а заряд равен +e, где e — элементарный заряд. Протоны удерживаются в ядре вместе с нейтронами. Число протонов помогает определить, к какому химическому элементу относится ядро.
Нейтрон — электрически нейтральная частица ядра, обозначаемая n. Его масса немного больше массы протона, но обе массы близки и составляют примерно одну атомную единицу массы. Нейтроны входят в состав ядер и влияют на их массу и устойчивость.
Нуклон — общее название протона или нейтрона, входящего в состав атомного ядра. Это слово позволяет говорить о двух видах ядерных частиц вместе. Например, общее количество нуклонов находят, складывая протоны и нейтроны.
Массовое число A показывает число всех нуклонов, а зарядовое число Z — число протонов. Ядро элемента X записывают как ᴬ_ZX: A ставят слева сверху, Z — слева снизу от символа. Такая запись нужна, чтобы сразу обозначить элемент и состав его ядра.
Атом состоит из компактного ядра и электронов вокруг него. Массы электронов очень малы по сравнению с массами протонов и нейтронов, поэтому почти вся масса атома сосредоточена в ядре. Именно ядро задаёт основную массу атома и его ядерные свойства.
Каждый протон несёт положительный заряд +e, а нейтрон заряда не имеет. Поэтому суммарный заряд ядра зависит только от числа протонов: если их Z, заряд ядра равен +Ze. Это число неслучайно называют зарядовым: по нему определяют элемент, ведь у всех ядер одного элемента одинаковое количество протонов.
Протоны и нейтроны имеют близкие массы и составляют ядро, а вклад электронов в массу атома мал. Поэтому для подсчёта нуклонов достаточно сложить число протонов и нейтронов. Получившееся целое число обозначают A и называют массовым числом: A = Z + N, где N — число нейтронов. Отсюда следует формула N = A − Z.
Ядро обозначают символом химического элемента X с числами A и Z слева: ᴬ_ZX. Чтобы определить состав, число внизу принимают за количество протонов, а число вверху — за общее количество нуклонов. Разность A − Z даёт число нейтронов; символ X можно проверить по периодической таблице по значению Z.
Изотопы — атомы одного элемента, ядра которых имеют одинаковое число протонов, но разное число нейтронов. Одинаковое Z означает, что это один и тот же элемент, а различие N меняет массовое число A. Поэтому у изотопов сохраняется химическая принадлежность, но могут различаться масса и свойства ядра.
| Частица | Обозначение | Электрический заряд | Масса относительно нуклона | Место в ядре |
|---|---|---|---|---|
| Протон | p | +e | примерно 1 | В составе ядра |
| Нейтрон | n | 0 | примерно 1; немного больше массы протона | В составе ядра |
Сравнивая строки, можно увидеть, что обе частицы входят в ядро и имеют близкие массы, но их заряды различаются. Для расчёта заряда учитывают протоны, а для подсчёта массового числа — и протоны, и нейтроны. В графе массы указано приблизительное соотношение: точные значения здесь не требуются.
Нужно определить число протонов, нейтронов и нуклонов. В обозначении ядра нижний индекс Z равен 11, а верхний индекс A равен 23. Следовательно, число протонов сразу известно, а число нейтронов найдём как разность общего количества нуклонов и протонов.
Ответ: 11 протонов, 12 нейтронов и 23 нуклона. Проверка: 11 + 12 = 23, значит, найденные числа согласуются с массовым числом.
Сначала нужно определить массовое число, сложив количества обоих видов нуклонов. Зарядовое число совпадает с числом протонов, поэтому Z = 8. По периодической таблице элемент с зарядовым числом 8 — кислород, его символ O; после этого можно записать ядро в стандартной форме.
Ответ: массовое число A = 18, зарядовое число Z = 8, обозначение ядра — ¹⁸₈O. Проверка по формуле N = A − Z даёт 18 − 8 = 10 нейтронов, как указано в условии.
Чтобы проверить, являются ли ядра изотопами, сравним их зарядовые числа: у обоих Z = 17. Значит, они относятся к одному элементу — хлору. Затем отдельно найдём число нейтронов в каждом ядре, используя его массовое число.
Ответ: ядра являются изотопами хлора. В первом 18 нейтронов, во втором 20; второе ядро содержит на два нейтрона больше.
Массовое число A иногда принимают за массу ядра в килограммах, потому что в названии есть слово «массовое». Но A — целое число нуклонов, а не значение массы в единицах СИ. Проверка: по смыслу A должно равняться сумме протонов и нейтронов.
Зарядовое число Z могут ошибочно считать числом всех частиц ядра. Оно показывает только число протонов, тогда как общее количество частиц равно A. Чтобы проверить ответ, сопоставьте Z с символом элемента: ему соответствует порядковый номер в периодической таблице.
При поиске нейтронов иногда складывают A и Z, хотя A уже включает протоны. Такое действие увеличивает число частиц вместо того, чтобы выделить нейтральные частицы. Проверка проста: используйте N = A − Z, а затем убедитесь, что Z + N снова даёт A.
Изотопами считают любые ядра с разными массовыми числами, забывая проверить элемент. Однако изотопы обязательно имеют одинаковое Z, иначе это ядра разных элементов. Сначала сравните нижние индексы в записи, затем — массовые числа и количество нейтронов.
Для понимания строения ядра понадобятся знания о составе атома, зарядах электрона и протона, символах элементов и относительной атомной массе. Заряд ядра связан с числом протонов, а сравнение масс частиц помогает понять, почему основной вклад в массу атома дают нуклоны. Умение читать запись ядра позволяет быстро находить его состав.
Далее эти сведения применяют при изучении радиоактивности и ядерных превращений: при превращениях меняются состав или состояние ядра. Понятия протонов, нейтронов и массового числа также нужны для разбора деления и синтеза ядер, где ядра распадаются или объединяются.
Почему ядро атома имеет положительный заряд?
В ядре находятся положительно заряженные протоны и нейтральные нейтроны. Поэтому суммарный заряд ядра положителен и равен сумме зарядов всех протонов.
Как по обозначению ядра найти число нейтронов?
В записи ᴬ_ZX массовое число A показывает общее число нуклонов, а зарядовое число Z — число протонов. Число нейтронов находят вычитанием: N = A − Z.
Почему массовое число называют числом нуклонов?
Массовое число A равно сумме протонов и нейтронов в ядре. Эти частицы вместе называются нуклонами, поэтому A показывает их общее количество, а не массу ядра в килограммах.
Чем изотопы одного элемента отличаются друг от друга?
У изотопов одного элемента одинаковое число протонов, то есть одинаковое зарядовое число Z. Они отличаются числом нейтронов, поэтому у них разные массовые числа.
Может ли атомное ядро состоять только из нейтронов?
Обычные атомные ядра содержат протоны и нейтроны, а ядро без протонов не задавало бы химический элемент. Свободные нейтроны существуют вне ядра, но нестабильны и со временем распадаются.
§ 67. Строение атомного ядра
