§ 29. Строение атома

Определения и обозначения

Атомное ядро — центральная положительно заряженная часть атома. В нём сосредоточена почти вся масса атома, хотя по размеру оно намного меньше самого атома. Именно ядро определяет основные свойства атома, связанные с его составом.

Протон — положительно заряженная частица ядра. Его заряд равен +e, где e = 1,6·10⁻¹⁹ Кл, а масса примерно равна 1,67·10⁻²⁷ кг. Число протонов показывает, к какому химическому элементу относится атом.

Нейтрон — электрически нейтральная частица ядра. Его заряд равен нулю, а масса близка к массе протона и составляет примерно 1,675·10⁻²⁷ кг. Нейтроны увеличивают массу ядра, но не меняют его положительный заряд.

Нуклон — общее название протона и нейтрона как частиц, образующих атомное ядро. Такое слово удобно использовать, когда рассматривают ядро без отдельного перечисления его составляющих. Число нуклонов в ядре равно массовому числу A.

Как это устроено

Резерфорд направлял альфа-частицы на тонкую металлическую фольгу и наблюдал их отклонения. Большинство частиц проходило прямо, поэтому основной объём атома оказался пустым. Редкие сильные отклонения объясняются столкновением с маленькой областью, где сосредоточены положительный заряд и почти вся масса, — с ядром.

В ядерной модели электроны находятся вне ядра, потому что они имеют отрицательный заряд и значительно меньшую массу. Их удерживает электрическое притяжение к положительному ядру, хотя электроны не падают на него в устойчивом атоме. В нейтральном атоме отрицательный заряд всех электронов по модулю равен положительному заряду ядра.

Ядро состоит из протонов и нейтронов, удерживаемых ядерными силами. Число протонов называют зарядовым числом Z, а заряд ядра записывают как +Ze. Поскольку именно число протонов задаёт Z, оно однозначно определяет химический элемент.

Состав ядра записывают символом элемента X с верхним индексом A и нижним индексом Z: ᴬZX. Массовое число A показывает общее число нуклонов, то есть протонов и нейтронов. Поэтому при числе протонов Z число нейтронов находят так: N = A − Z.

Размер ядра примерно в 100 000 раз меньше размера атома, поэтому почти весь объём атома приходится на пространство между ядром и электронами. Однако масса ядра велика, поскольку протон и нейтрон намного тяжелее электрона. Так объясняется сочетание двух фактов: атом почти пуст, но его масса в основном сосредоточена в очень маленьком ядре.

Частицы атома и характеристики ядра

Сначала определите, идёт ли речь об отдельной частице или обо всём ядре. Затем используйте Z для подсчёта протонов и электронов в нейтральном атоме, а A и формулу N = A − Z — для подсчёта нейтронов.

Не следует путать обозначение Z с электрическим зарядом: Z — это число протонов, а заряд ядра равен +Ze. Массовое число A также не является массой в килограммах, а показывает количество нуклонов.

Разбор задач

Задача 1

Для нейтрального атома лития дано зарядовое число Z = 3. Требуется найти число протонов и электронов. Используем свойства зарядового числа и условие электрической нейтральности.

1. Число протонов равно зарядовому числу: Z = 3.
2. В нейтральном атоме число электронов равно числу протонов, поэтому оно также равно 3.

Ответ: в атоме лития 3 протона и 3 электрона.

Задача 2

Ядро натрия обозначено как ²³₁₁Na. Верхний индекс показывает массовое число, а нижний — зарядовое число. Нужно определить состав ядра, поэтому сначала находим протоны, затем нейтроны.

1. Число протонов равно нижнему индексу: Z = 11.
2. Массовое число A = 23 равно сумме протонов и нейтронов.
3. Число нейтронов N = A − Z = 23 − 11 = 12.

Ответ: ядро натрия содержит 11 протонов и 12 нейтронов.

Задача 3

Ядро содержит 17 протонов и 18 нейтронов. Нужно записать его обозначение для атома хлора и найти число электронов в нейтральном атоме. Для записи нужны символ элемента, A и Z.

1. Число протонов задаёт Z: Z = 17, что соответствует хлору Cl.
2. Массовое число равно сумме нуклонов: A = 17 + 18 = 35.
3. Обозначение ядра — ³⁵₁₇Cl.
4. В нейтральном атоме число электронов равно числу протонов: 17.

Ответ: ³⁵₁₇Cl; в нейтральном атоме хлора 17 электронов.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что массовое число A равно числу нейтронов. Так происходит из-за того, что нейтроны действительно вносят вклад в массу ядра, но A учитывает все нуклоны. Проверка: используйте формулу A = Z + N.

Ошибка: путать зарядовое число Z с числом нейтронов. Z связано только с протонами и определяет химический элемент, поэтому по нему нельзя сразу назвать число нейтронов. Проверка: нейтроны находят вычитанием N = A − Z.

Ошибка: полагать, что нейтроны имеют нулевую массу. Нулевым является их электрический заряд, а масса нейтрона близка к массе протона. Проверка: разделяйте характеристики «заряд» и «масса».

Ошибка: представлять ядро сопоставимым по размеру с атомом. Ядро очень мало, хотя именно в нём сосредоточена почти вся масса. Проверка: держите в памяти различие размеров: атом в основном пуст, а ядро занимает его малую центральную область.

Связь с другими темами

Для понимания строения атома нужны представления об электрическом заряде и простейшей модели атома. Особенно важно условие электрической нейтральности: в незаряженном атоме положительный и отрицательный заряды компенсируются.

Состав ядра и обозначения A и Z понадобятся при изучении изотопов, радиоактивности и ядерных реакций. По этим числам можно отслеживать превращения ядер и проверять сохранение числа нуклонов и заряда.

Что запомнить

• Атом состоит из ядра и электронов.
• В ядре находятся протоны и нейтроны.
• Заряд ядра равен +Ze, где Z — число протонов.
• В нейтральном атоме число электронов равно числу протонов.
• Массовое число A равно сумме числа протонов и нейтронов.
• Число нейтронов в ядре равно A − Z.
• Почти вся масса атома сосредоточена в ядре.