1. Строение атомного ядра

Определения и обозначения

Атомное ядро — центральная, очень плотная часть атома, состоящая из нуклонов и несущая положительный заряд. Оно занимает крошечную область по сравнению с атомом, но именно в нём сосредоточена почти вся масса. Знание о ядре помогает описывать состав атомов и объяснять, чем различаются атомы разных элементов.

Протон — положительно заряженная частица ядра с зарядом +e, где e — элементарный заряд. Именно протоны создают положительный заряд ядра. Их число указывают буквой Z; по нему определяют химический элемент.

Нейтрон — электрически нейтральная частица ядра с массой, близкой к массе протона. Он не добавляет ядру электрического заряда, но входит в его состав и вносит вклад в массу. Число нейтронов обычно обозначают N.

Нуклон — общее название протона и нейтрона как частиц, входящих в состав ядра. Это слово удобно, когда речь идёт об обеих разновидностях частиц сразу. Общее число нуклонов в ядре обозначают массовым числом A.

Как это устроено

Атом состоит из ядра и электронной оболочки. Размер ядра намного меньше размера атома, поэтому оболочка занимает почти весь его объём. При этом протоны и нейтроны намного тяжелее электронов, и их масса даёт почти всю массу атома; значит, большая масса может быть сосредоточена в очень малой области.

Состав ядра описывают количеством протонов и нейтронов. Протонный состав определяет, к какому химическому элементу относится атом: если изменить число протонов, получится ядро другого элемента. Нейтроны дополняют ядро, почти не меняя его суммарный заряд, но меняя его массу и конкретный состав.

Массовое число A равно общему числу протонов и нейтронов, потому что именно эти частицы составляют ядро: A = Z + N. Зарядовое число Z равно числу протонов, так как каждый протон имеет заряд +e, а нейтрон заряда не имеет. Поэтому заряд ядра равен +Ze, а количество нейтронов можно найти как N = A − Z.

Ядро обозначают записью ^A_ZX. Буква X — химический символ элемента, нижний индекс Z показывает число протонов, а верхний индекс A — общее число нуклонов. Например, запись ²³₁₁Na сообщает, что в ядре натрия 11 протонов, а всего частиц-нуклонов 23.

У ядер одного элемента число протонов одинаково, иначе это были бы ядра другого элемента. Но нейтронов может быть разное количество, поэтому различается и массовое число. Такие разновидности одного элемента называют изотопами: у них одно Z, но разные N и A.

Состав и основные характеристики атомного ядра

Сначала по столбцу атомного ядра определите, какие величины нужны, а затем сравните вклад протона и нейтрона. Для подсчёта состава используйте A = Z + N: зная любые две величины, можно найти третью. Заряд ядра зависит только от числа протонов, то есть равен +Ze.

Разбор задач

Задача 1. Для ядра ²³₁₁Na определим число протонов и нейтронов. Верхний индекс задаёт общее число нуклонов A = 23, нижний — число протонов Z = 11. Чтобы найти нейтроны, вычтем протоны из общего числа: N = A − Z = 23 − 11 = 12. Ответ: 11 протонов и 12 нейтронов.

Задача 2. Сравним ядра ³⁵₁₇Cl и ³⁷₁₇Cl. В обоих случаях Z = 17, значит, число протонов совпадает и оба ядра принадлежат хлору. Для первого ядра N = 35 − 17 = 18, для второго N = 37 − 17 = 20. Ответ: это изотопы хлора; у них одинаковы число протонов и элемент, но во втором ядре на два нейтрона больше.

Задача 3. Ядро содержит 92 протона и 143 нейтрона. Запишем обозначение нуклида и определим заряд ядра. Сначала Z = 92, а A = Z + N = 92 + 143 = 235. Элемент с зарядовым числом 92 — уран, его символ U, поэтому обозначение ядра — ²³⁵₉₂U; заряд равен +92e, поскольку каждый из 92 протонов несёт заряд +e. Ответ: ²³⁵₉₂U, заряд +92e.

Типичные ошибки

Путают массовое число A с массой ядра в килограммах. Ошибка возникает из-за слова «массовое», но A — это целое число нуклонов, а не величина массы в единицах СИ. Проверьте себя: в A складываются количества частиц, A = Z + N.

Считают число электронов равным числу нейтронов. Это неверно: в нейтральном атоме электронов столько же, сколько протонов, тогда как нейтронов может быть другое число. Для проверки сравните электронный заряд оболочки с положительным зарядом ядра — в нейтральном атоме они компенсируются.

Определяют элемент по числу нейтронов, хотя элемент задаёт Z. Такая ошибка появляется, когда A и N принимают за указание на разновидность элемента. Сверьте нижний индекс записи с периодической системой: именно Z, то есть число протонов, соответствует элементу.

При поиске нейтронов забывают вычесть число протонов из A или складывают A и Z. Причина — смешение общего числа нуклонов с одной из его частей. Проверка проста: используйте N = A − Z, а затем убедитесь, что Z + N снова даёт исходное A.

Связь с другими темами

Для изучения ядра нужны представления о строении атома, электрическом заряде и символах элементов в периодической системе. Эти знания позволяют связать запись ядра с его составом и зарядом. Понятия A, Z и N затем используют при записи уравнений ядерных превращений и расчёте состава ядер. Они необходимы для понимания изотопов, радиоактивности, ядерных реакций и энергетики атомного ядра.

Что запомнить

• Атомное ядро находится в центре атома и имеет положительный заряд.
• Ядро состоит из протонов и нейтронов.
• Протон и нейтрон называют нуклонами.
• Число протонов Z определяет химический элемент.
• Массовое число A равно числу всех нуклонов: A = Z + N.
• Число нейтронов находят по формуле N = A − Z.
• Изотопы имеют одинаковое число протонов, но разное число нейтронов.