1. Строение атомного ядра

Определения и обозначения

Атомное ядро — центральная положительно заряженная часть атома, состоящая из протонов и нейтронов. Почти вся масса атома находится именно в ядре, а электроны образуют окружающую его оболочку. Понимание состава ядра позволяет определить заряд атома и его принадлежность к химическому элементу.

Нуклон — общее название протона и нейтрона как частиц, образующих атомное ядро. Протон имеет положительный заряд, а нейтрон электрически нейтрален. Это слово удобно, когда рассматривают свойства частиц ядра в целом, не разделяя их на два вида.

Нуклид — разновидность атомных ядер с определёнными числом протонов и числом нуклонов. Иными словами, нуклид однозначно задаётся значениями Z и A. Такое понятие нужно, чтобы различать конкретные виды ядер, например ядра углерода-12 и углерода-14.

Изотопы — нуклиды одного химического элемента с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов. Поэтому у изотопов совпадает атомный номер, но отличаются массовые числа. Это объясняет, почему они относятся к одному элементу, хотя могут иметь разную устойчивость и массу.

Как это устроено

Размер ядра намного меньше размера атома, но почти вся масса сосредоточена в нём. Причина в том, что масса протона или нейтрона примерно в 2000 раз больше массы электрона. Электроны занимают объём атома, однако их суммарная масса обычно очень мала по сравнению с массой нуклонов, поэтому массу атома приближённо связывают с ядром.

Число протонов определяет химический элемент, потому что именно оно задаёт заряд ядра и число электронов в нейтральном атоме. Например, любое ядро с 6 протонами относится к углероду, а с 13 протонами — к алюминию. Массовое число A показывает не массу в килограммах, а количество нуклонов: A = Z + N.

Состав ядра записывают в виде ^A_ZX, где X — символ химического элемента, Z — число протонов, а A — число протонов и нейтронов вместе. Нижний индекс помогает определить элемент, а верхний — общий состав ядра. Если нужно найти нейтроны, из массового числа вычитают атомный номер: N = A − Z.

Ядро имеет положительный заряд, потому что каждый протон несёт заряд +e. Нейтрон электрически нейтрален, поэтому он не добавляет и не уменьшает заряд ядра. В результате заряд ядра равен сумме зарядов всех протонов: q = +Ze, где e — элементарный заряд.

У одного элемента могут существовать разные изотопы, потому что число нейтронов в его ядрах не обязано быть одинаковым. При неизменном Z добавление или удаление нейтронов меняет A, массу и иногда устойчивость ядра. Электронная оболочка нейтральных атомов при этом остаётся почти одинаковой, поэтому химические свойства изотопов близки.

Состав и характеристики атомного ядра

В таблице сопоставлены свойства протона, нейтрона и ядра. По строке «связь» удобно проверить, что Z считает только протоны, а A — все нуклоны. Для конкретного ядра сначала находят Z, затем вычисляют число нейтронов N = A − Z и заряд q = +Ze.

Разбор задач

Задача 1

Для ядра атома алюминия ²⁷₁₃Al нужно определить число протонов, нейтронов и нуклонов. В записи уже указаны атомный номер Z = 13 и массовое число A = 27. Используем связь между этими величинами и составом ядра.

1. Число протонов равно нижнему индексу: Z = 13.
2. Число нейтронов находим вычитанием: N = A − Z = 27 − 13 = 14.
3. Общее число нуклонов равно массовому числу: A = 27.

Ответ: 13 протонов, 14 нейтронов и 27 нуклонов. Проверка: 13 + 14 = 27, значит состав определён правильно.

Задача 2

Ядро содержит 8 протонов и 10 нейтронов. Требуется записать символ нуклида и определить его заряд. Сначала по числу протонов находим элемент, затем вычисляем массовое число.

1. Атомный номер Z = 8 соответствует кислороду, его символ — O.
2. Массовое число A = Z + N = 8 + 10 = 18.
3. Запись ядра имеет вид ¹⁸₈O, а его заряд равен q = +8e.

Ответ: нуклид ¹⁸₈O, заряд ядра +8e. В кулонах это примерно +1,28 · 10⁻¹⁸ Кл, если e = 1,6 · 10⁻¹⁹ Кл.

Задача 3

Сравним изотопы углерода ¹²₆C и ¹⁴₆C. Нужно выяснить, чем отличаются их ядра и почему оба нуклида относятся к углероду. Сопоставляем сначала Z, затем вычисляем число нейтронов для каждого ядра.

1. В обоих случаях Z = 6, поэтому оба ядра содержат по 6 протонов и относятся к углероду.
2. Для углерода-12: N = 12 − 6 = 6; для углерода-14: N = 14 − 6 = 8.
3. Различие состоит в двух дополнительных нейтронах у углерода-14, поэтому его массовое число больше.

Ответ: ¹²₆C содержит 6 протонов и 6 нейтронов, а ¹⁴₆C — 6 протонов и 8 нейтронов. Одинаковое Z делает их изотопами одного элемента.

Типичные ошибки

Путают атомный номер Z с числом нейтронов. Так происходит из-за того, что оба числа входят в запись ядра, но Z всегда обозначает протоны. Проверьте себя: если Z меняется, меняется химический элемент.

Находят число нейтронов как A + Z. Это неверно, потому что A уже включает и протоны, и нейтроны. Правильная проверка такова: после вычисления должно выполняться A = Z + N, поэтому N = A − Z.

Считают изотопами любые ядра с разными массовыми числами. Одного различия A недостаточно: у изотопов обязательно совпадает число протонов. Сначала сравните нижние индексы Z, а затем верхние индексы A.

Приписывают ядру отрицательный или нейтральный заряд. Ошибка возникает, если забывают, что протоны положительны, а нейтроны не имеют заряда. Заряд можно проверить формулой q = +Ze: при Z > 0 он всегда положительный.

Связь с другими темами

Для изучения строения ядра нужны знания о строении атома, элементарном электрическом заряде и символах химических элементов. Состав ядра используется при изучении радиоактивности и ядерных реакций, где отслеживают сохранение массового числа и заряда. Эти сведения также необходимы для понимания устойчивости изотопов, дефекта массы и энергии связи.

Что запомнить

• Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов.
• Протон положительно заряжен, нейтрон электрически нейтрален.
• Число протонов Z определяет химический элемент.
• Массовое число A равно сумме числа протонов и нейтронов.
• Число нейтронов определяется формулой N = A − Z.
• Изотопы имеют одинаковое число протонов и разное число нейтронов.
• Заряд ядра равен Ze, где e — элементарный заряд.