§ 32. Атомное ядро

Определения и обозначения

Атомное ядро — центральная часть атома, состоящая из протонов и нейтронов и содержащая почти всю его массу. Размер ядра очень мал по сравнению с размером атома, но именно в нём сосредоточена основная масса. Это понятие нужно, чтобы отделять внутреннюю структуру атома от его электронной оболочки.

Нуклон — общее название протона и нейтрона как частиц, входящих в состав ядра. Такое название подчёркивает, что обе частицы относятся к одному классу ядерных составляющих. Оно удобно, когда говорят об общем числе частиц в ядре, не разделяя их на протоны и нейтроны.

Зарядовое число Z — число протонов в ядре, определяющее химический элемент и заряд ядра. Если в ядре Z протонов, его заряд равен +Ze, где e — элементарный заряд. По Z находят элемент в периодической системе и понимают, сколько протонов нужно учитывать.

Массовое число A — общее число нуклонов в ядре. Оно складывается из протонов и нейтронов: A = Z + N, поэтому N = A − Z. Эта формула позволяет по записи ядра быстро определить, сколько в нём нейтронов.

Как это устроено

Атом почти пуст внутри: ядро занимает ничтожную часть его объёма, а электроны образуют разреженную внешнюю оболочку. Масса протона и нейтрона примерно в 1840 раз больше массы электрона, поэтому вклад электронов в массу атома очень мал. Так компактное ядро содержит почти всю массу, хотя оболочка определяет размеры атома и многие его химические свойства.

Ядро записывают в виде ^A_ZX, где X — символ химического элемента, A — массовое число, а Z — зарядовое число. Верхний индекс показывает общее количество нуклонов, нижний — количество протонов. Например, запись ²³₁₁Na означает ядро натрия с 11 протонами и 23 нуклонами.

Протон имеет положительный электрический заряд +e, а нейтрон заряда не имеет. Их массы близки, причём масса нейтрона немного больше массы протона; обе они намного превосходят массу электрона. Протон и нейтрон считают нуклонами потому, что оба участвуют в образовании атомного ядра и взаимодействуют в нём.

Положительно заряженные протоны отталкиваются благодаря электромагнитному взаимодействию. Однако на расстояниях порядка размеров ядра между протонами и нейтронами действует сильное ядерное взаимодействие. Оно имеет малый радиус действия, но на таких расстояниях достаточно велико, чтобы связать нуклоны и не дать ядру разлететься.

Одного условия сильного притяжения недостаточно для устойчивости любого ядра. При увеличении числа протонов растёт их электрическое отталкивание, поэтому для компенсации нужны нейтроны, участвующие в ядерном взаимодействии, но не добавляющие электрического отталкивания. Ядра одного элемента с одинаковым Z и разным числом нейтронов называют изотопами; часть из них устойчива, а часть самопроизвольно превращается в другие ядра.

Состав и характеристики частиц атома и ядра

Таблицу удобно использовать для сравнения положения частиц, их зарядов и масс. Для подсчёта нуклонов учитывают только протон и нейтрон, а электрон в массовое число не входит. При определении заряда ядра смотрят только на число протонов.

Разбор задач

Задача 1. Ядро натрия

Для ядра ²³₁₁Na требуется определить число протонов, нейтронов и нуклонов. В записи уже указаны оба главных числа, поэтому дополнительная информация не нужна. Нужно правильно связать каждый индекс с его физическим смыслом.

1. Нижний индекс даёт зарядовое число: Z = 11, значит, протонов 11.
2. Верхний индекс даёт массовое число: A = 23, значит, нуклонов всего 23.
3. Число нейтронов находим по формуле N = A − Z = 23 − 11 = 12.

Ответ: 11 протонов, 12 нейтронов, 23 нуклона.

Задача 2. Ядро с 17 протонами и 18 нейтронами

Известно, что ядро содержит 17 протонов и 18 нейтронов. Сначала определим химический элемент по числу протонов, затем найдём массовое число как общее число нуклонов. После этого можно составить стандартную запись ядра и указать его заряд.

1. Зарядовое число равно числу протонов: Z = 17. В периодической системе элемент с Z = 17 — хлор, его символ Cl.
2. Массовое число равно сумме нуклонов: A = 17 + 18 = 35.
3. Заряд ядра создают протоны: q = +Ze = +17e.

Ответ: запись ядра — ³⁵₁₇Cl, его заряд равен +17e.

Задача 3. Сравнение изотопов углерода

Сравним ядра ¹²₆C и ¹⁴₆C. Одинаковый нижний индекс подсказывает, что нужно сначала сопоставить число протонов, а затем сравнить верхние индексы. Разность массовых чисел покажет различие в составе ядер.

1. В обоих ядрах Z = 6, поэтому в каждом по 6 протонов и оба ядра относятся к углероду.
2. Для первого ядра N = 12 − 6 = 6, для второго N = 14 − 6 = 8.
3. Массовые числа различаются: 12 и 14, потому что второе ядро содержит на два нейтрона больше.

Ответ: ¹²C содержит 6 протонов и 6 нейтронов, а ¹⁴C — 6 протонов и 8 нейтронов. Это изотопы одного элемента, поскольку их Z одинаковы.

Типичные ошибки

Массовое число A путают с массой ядра в килограммах, потому что слово «массовое» похоже на обозначение физической массы. На самом деле A — безразмерное целое число нуклонов. Проверка: если число выражено в килограммах, это уже не массовое число.

Иногда считают, что нейтронов в ядре A, забывая о протонах. Число A включает оба вида нуклонов, поэтому нужно использовать N = A − Z. Проверка проста: после вычисления должно выполняться A = Z + N.

Изотопами ошибочно называют ядра с одинаковым A. У изотопов, наоборот, одинаково Z, а различается число нейтронов и потому A. Проверяйте сначала нижние индексы, а затем верхние.

Заряд ядра иногда приписывают и нейтронам, поскольку они находятся рядом с протонами. Нейтрон электрически нейтрален, поэтому заряд определяется только протонами и равен +Ze. Для самопроверки нужно умножить элементарный заряд на Z, не учитывая N.

Связь с другими темами

До изучения темы нужны представления о строении атома, электрическом заряде, элементарном заряде и периодической системе. В химии число протонов определяет порядковый номер элемента и его место в таблице. Позже сведения о ядре понадобятся при изучении радиоактивности, ядерных реакций, дефекта массы и энергии связи ядра.

Что запомнить

• Ядро состоит из протонов и нейтронов.
• Протон имеет положительный заряд, нейтрон электрически нейтрален.
• Протон и нейтрон называют нуклонами.
• Зарядовое число Z равно числу протонов и определяет химический элемент.
• Массовое число A равно сумме протонов и нейтронов.
• Число нейтронов N = A − Z.
• Изотопы имеют одинаковое Z, но разные A.