§ 74. Состав ядра

Определения и обозначения

Протон — положительно заряженная частица, входящая в состав атомного ядра. Его обозначают p, а заряд равен +e, где e = 1,6·10⁻¹⁹ Кл. Число протонов определяет заряд ядра и химический элемент.

Нейтрон — электрически нейтральная частица ядра, обозначаемая n. Его заряд равен нулю, а масса близка к массе протона и составляет примерно 1,67·10⁻²⁷ кг. Нейтроны увеличивают число нуклонов и массу ядра, не изменяя его заряд.

Нуклоны — общее название протонов и нейтронов, из которых состоит атомное ядро. Такое слово удобно, когда нужно говорить о частицах ядра без перечисления двух видов. И протон, и нейтрон учитываются при определении общего числа частиц в ядре.

Массовое число — общее число нуклонов в ядре; его обозначают A. Если Z — число протонов, а N — число нейтронов, то A = Z + N. По этой формуле можно найти неизвестное число нейтронов: N = A − Z.

Как это устроено

Существование ядра установили благодаря опытам Резерфорда по рассеянию частиц. Большинство частиц проходило через фольгу почти прямо, но некоторые резко отклонялись, значит, положительный заряд и почти вся масса атома сосредоточены в очень малой области. Так возникло представление о компактном положительно заряженном ядре, окружённом электронами.

Одних протонов для объяснения состава ядра оказалось недостаточно. Масса ядра значительно больше массы, соответствующей только его протонам, а положительный заряд определяется не всеми частицами одинаково. Открытие нейтрона показало, что в ядре есть нейтральные частицы: они добавляют массу и участвуют в ядерном взаимодействии, но не увеличивают заряд.

Заряд одного протона равен +e, поэтому заряд ядра с Z протонами равен +Ze. Если заряд ядра измерен в единицах элементарного заряда, полученное число и есть Z. В периодической таблице Z совпадает с порядковым номером элемента, поэтому по зарядовому числу можно определить, какому элементу принадлежит ядро.

Массовое число A считают не измерением массы, а подсчётом нуклонов. В него входят и протоны, и нейтроны, поэтому A = Z + N. Перенеся Z в другую часть равенства, получают N = A − Z; именно так находят число нейтронов, если известны A и элемент.

Ядро записывают в виде ⁽ᴬ⁾₍Z₎X, где X — символ химического элемента. Верхний индекс A показывает общее число нуклонов, а нижний индекс Z — число протонов. Значит, из такой записи сразу можно узнать Z и A, а затем вычислить N = A − Z.

Частицы, входящие в состав ядра

Таблица помогает сравнить частицы по трём главным признакам: обозначению, заряду и массе. Для вычислений особенно важны две идеи: Z — число протонов, а A учитывает обе частицы. Если требуется найти нейтроны, используют разность A − Z.

Разбор задач

Задача 1. Углерод-12

Условие. Определите число протонов и нейтронов в ядре углерода-12. Число 12 означает массовое число A, а порядковый номер углерода в таблице Менделеева равен 6.

1. Число протонов равно порядковому номеру элемента: Z = 6.
2. Массовое число равно 12, поэтому в ядре всего 12 нуклонов.
3. Находим нейтроны: N = A − Z = 12 − 6 = 6.

Ответ: ядро углерода-12 содержит 6 протонов и 6 нейтронов. Его запись можно представить как ⁽¹²⁾₆C.

Задача 2. Дано Z = 17 и A = 37

Условие. Ядро имеет зарядовое число Z = 17 и массовое число A = 37. Требуется найти число нуклонов и нейтронов, не смешивая эти две характеристики.

1. Число всех нуклонов непосредственно задаётся массовым числом: A = 37.
2. Число протонов равно зарядовому числу: Z = 17.
3. Число нейтронов вычисляем по формуле N = A − Z = 37 − 17 = 20.

Ответ: в ядре 37 нуклонов, из них 20 нейтронов и 17 протонов. Элемент с Z = 17 — хлор.

Задача 3. 26 протонов и 30 нейтронов

Условие. Ядро содержит 26 протонов и 30 нейтронов. Нужно записать его обозначение и определить химический элемент по числу протонов.

1. Число протонов задаёт зарядовое число: Z = 26.
2. Массовое число равно сумме нуклонов: A = Z + N = 26 + 30 = 56.
3. В таблице Менделеева элементу с Z = 26 соответствует железо Fe.

Ответ: это ядро железа, его обозначение — ⁽⁵⁶⁾₂₆Fe. В нём 26 протонов и 30 нейтронов.

Типичные ошибки

Считать A массой ядра в килограммах. Ошибка появляется из-за слова «массовое», хотя A является целым числом нуклонов, а не единицей массы. Проверьте себя: если A = 12, это означает 12 частиц, а не 12 кг.

Принимать число нейтронов за массовое число. Так происходит, когда учитывают только нейтральные частицы и забывают о протонах. Проверьте равенство A = Z + N: массовое число должно включать оба вида нуклонов.

Путать Z с числом всех частиц ядра. Зарядовое число показывает только количество протонов, потому что именно они имеют заряд. Для проверки сопоставьте величины: общее число частиц — A, а число протонов — Z.

Считать, что нейтроны не входят в ядро из-за отсутствия заряда. Электрический заряд не определяет, является ли частица частью ядра: нейтрон имеет массу и участвует в ядерных взаимодействиях. Проверьте состав по формуле A = Z + N, где N обязательно учитывает нейтроны.

Связь с другими темами

До изучения состава ядра нужно знать строение атома, свойства электрона и протона, а также смысл порядкового номера элемента в периодической таблице. Эти знания объясняют, почему заряд ядра связан именно с числом протонов.

Состав ядра необходим для изучения изотопов, радиоактивных превращений и ядерных реакций. В этих темах сравнивают числа протонов и нейтронов до и после превращения и проверяют сохранение массового и зарядового чисел.

Что запомнить

• Ядро состоит из протонов и нейтронов.
• Протоны и нейтроны вместе называют нуклонами.
• Число протонов Z определяет заряд ядра и химический элемент.
• Массовое число A равно числу всех нуклонов.
• Число нейтронов N = A − Z.
• В записи ядра нижний индекс обозначает Z, верхний — A.