1. Строение атомного ядра

Определения и обозначения

Атомное ядро — центральная часть атома, состоящая из протонов и нейтронов и несущая положительный электрический заряд. Почти вся масса атома сосредоточена именно здесь. Изучение ядра помогает понять состав вещества и ядерные превращения.

Нуклон — общее название протона и нейтрона как частиц, входящих в состав ядра. Протон заряжен положительно, а нейтрон электрически нейтрален. Такое слово удобно использовать, когда свойства обеих частиц рассматривают вместе.

Зарядовое число Z — число протонов в ядре; оно определяет химический элемент и заряд ядра. Например, Z = 8 означает ядро кислорода с восемью протонами. Заряд ядра равен +Ze, где e — элементарный электрический заряд.

Массовое число A — общее число нуклонов в ядре: протонов и нейтронов. Символ ядра записывают как ᴬZX, где X — обозначение элемента. По числам A и Z можно восстановить состав ядра.

Как это устроено

Ядро состоит из протонов и нейтронов, потому что именно эти частицы являются тяжёлыми составляющими атома и могут быть связаны ядерным взаимодействием. Электроны образуют электронную оболочку вокруг ядра, но их масса примерно в 1840 раз меньше массы протона. Поэтому вклад электронов в массу атома очень мал, а практически вся масса сосредоточена в ядре.

Число протонов находят по зарядовому числу Z, стоящему слева внизу от символа элемента. Оно не просто описывает заряд ядра: это ещё и порядковый номер элемента в периодической системе. Поэтому по Z сразу устанавливают, какому химическому элементу принадлежит ядро.

Массовое число A показывает общее количество нуклонов, а не массу в килограммах. Если известны A и Z, состав ядра определяется однозначно: протонов Z, нейтронов N = A − Z. Следовательно, между тремя величинами действует связь A = Z + N.

Положительно заряженные протоны отталкиваются электрическими силами, но ядро не распадается из-за сильных ядерных сил. Они действуют между протонами и нейтронами, намного сильнее электрического отталкивания на расстояниях порядка размеров ядра. Однако эти силы короткодействующие: за пределами ядра быстро ослабевают.

Изотопы одного элемента имеют одинаковое Z, поэтому одинаковый заряд ядра и одинаковую принадлежность к элементу. Их различие связано с числом нейтронов: при изменении N меняется и массовое число A. Поэтому изотопы записывают с одним символом элемента и одним нижним числом, но с разными верхними числами.

Основные характеристики атомного ядра

В таблице нижнее число Z связывает состав ядра с химическим элементом, а верхнее число A — с общим количеством нуклонов. Для нахождения нейтронов используйте разность A − Z. Единица измерения не указывается у чисел и состава, а заряд выражают в кулонах.

Разбор задач

Задача 1

Определим состав ядра ²³₁₁Na. В записи уже указаны оба главных числа: A = 23 и Z = 11. Нужно применить определения и найти недостающее число нейтронов.

1. Число протонов равно нижнему числу: Z = 11.
2. Число нуклонов равно верхнему числу: A = 23.
3. Число нейтронов: N = A − Z = 23 − 11 = 12.

Ответ: в ядре 11 протонов, 12 нейтронов и 23 нуклона. Символ Na подтверждает, что это натрий.

Задача 2

Ядро содержит 17 протонов и 18 нейтронов. Сначала определим зарядовое число, затем сложим частицы для нахождения массового числа. После этого по Z установим элемент.

1. Z = 17, потому что зарядовое число равно числу протонов.
2. A = Z + N = 17 + 18 = 35.
3. Элемент с Z = 17 — хлор, поэтому запись ядра: ³⁵₁₇Cl.

Ответ: это ядро хлора-35, ³⁵₁₇Cl. В нём 17 протонов и 18 нейтронов.

Задача 3

Сравним ядра ³⁵₁₇Cl и ³⁷₁₇Cl. Нижние числа одинаковы, значит, число протонов и химический элемент совпадают. Различие найдём по числу нейтронов.

1. Для первого ядра N = 35 − 17 = 18.
2. Для второго ядра N = 37 − 17 = 20.
3. Второе ядро содержит на два нейтрона больше, поэтому его A больше на два.

Ответ: это изотопы хлора, потому что у них одинаковое Z = 17, но разные A и N. Первый содержит 18, а второй 20 нейтронов.

Типичные ошибки

Путают массовое число с массой ядра. A — это целое число нуклонов, а масса измеряется, например, в килограммах или атомных единицах массы. Проверьте себя: если величина отвечает на вопрос «сколько частиц?», это массовое число.

Считают Z числом нейтронов. Такое происходит из-за смешения обозначений состава ядра. Нижнее число показывает только протоны; нейтроны нужно находить по N = A − Z.

Неверно вычисляют разность A − Z. Иногда результат принимают за число протонов, хотя протоны уже заданы числом Z. Самопроверка проста: после вычисления должно выполняться равенство A = Z + N.

Называют изотопами ядра с одинаковыми A. Изотопы имеют один и тот же Z, но разные массовые числа A, потому что отличаются числом нейтронов. Сравнивайте сначала нижние, а затем верхние числа в записи ядер.

Связь с другими темами

До изучения темы нужны представления о строении атома, электрическом заряде и обозначениях элементов в периодической системе. Дальше эти знания применяются при изучении радиоактивности, ядерных реакций и законов сохранения массового и зарядового чисел. В химии понятие изотопов связано с относительной атомной массой и положением элемента в периодической системе.

Что запомнить

• Ядро состоит из протонов и нейтронов.
• Протон имеет положительный заряд, нейтрон электрически нейтрален.
• Нуклоны — это протоны и нейтроны.
• Z — число протонов и порядковый номер элемента.
• A — число всех нуклонов: A = Z + N.
• Число нейтронов вычисляют по формуле N = A − Z.
• Изотопы имеют одинаковое Z, но различное число нейтронов и разные A.