"Физика. Базовый уровень", Андрюшечкин С.М.
Ядро атома — его плотная центральная часть, в которой сосредоточена почти вся масса и положительный заряд атома. Оно состоит из протонов и нейтронов, а их количество определяет свойства ядра и вид изотопа. Некоторые ядра нестабильны и самопроизвольно превращаются, испуская альфа-, бета- или гамма-излучение. По массовому и зарядовому числам можно описывать ядра и составлять уравнения радиоактивных превращений.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Ядро атома — центральная часть атома, состоящая из протонов и нейтронов. Протоны имеют положительный заряд, нейтроны заряда не имеют, поэтому заряд ядра равен +Ze. Обозначение ядра записывают в виде ᴬ_ZX, где X — символ химического элемента.
Нуклон — общее название протона и нейтрона. Почти вся масса атома сосредоточена именно в нуклонах, потому что масса электронов намного меньше их массы. Это понятие удобно, когда нужно описать состав ядра без отдельного перечисления двух видов частиц.
Массовое число A — число всех нуклонов в ядре. Зарядовое число Z равно числу протонов, а число нейтронов находят по формуле N = A − Z. Эти обозначения позволяют определить состав ядра по одной записи.
Радиоактивность — самопроизвольное превращение нестабильных ядер, сопровождаемое испусканием частиц или излучения. При таком превращении исходное ядро становится другим ядром или переходит в более устойчивое состояние. Понятие радиоактивности нужно, чтобы описывать виды распада и свойства испускаемого излучения.
Число протонов Z определяет заряд ядра: каждый протон вносит заряд +e, поэтому общий заряд равен +Ze. В нейтральном атоме ему компенсирует равное число электронов, и число электронов совпадает с Z. Поэтому изменение числа протонов означает уже другой химический элемент, а не просто другой вариант того же атома.
Массовое число складывается из протонов и нейтронов: A = Z + N. Нейтроны не влияют на заряд ядра, но увеличивают его массу, поэтому ядра одного элемента могут иметь разные A. Такие разновидности называют изотопами: у них одинаковое Z, но различаются N и массовое число.
Нуклоны удерживаются в ядре сильным взаимодействием, однако устойчивость зависит от соотношения протонов и нейтронов. Если это соотношение или внутренняя энергия ядра неблагоприятны, состояние оказывается нестабильным. Тогда ядро самопроизвольно переходит в другое состояние, не ожидая внешнего воздействия; заранее предсказать момент распада отдельного ядра нельзя.
При альфа-распаде ядро испускает частицу ⁴₂He, состоящую из двух протонов и двух нейтронов. Поэтому у исходного ядра A уменьшается на 4, а Z — на 2. Бета-излучение обычно является потоком электронов: при бета-распаде A не меняется, а Z увеличивается на 1, поскольку нейтрон превращается в протон.
Гамма-излучение не состоит из ядерных частиц, а представляет собой электромагнитное излучение высокой энергии. Оно возникает, когда возбуждённое ядро отдаёт избыток энергии и переходит в состояние с меньшей энергией. Число протонов и нуклонов при этом не меняется, поэтому A и Z сохраняются.
| Вид излучения | Что представляет собой | Заряд | Изменение ядра при испускании | Проникающая способность |
|---|---|---|---|---|
| Альфа-излучение | Поток ядер гелия ⁴₂He | +2e | A уменьшается на 4, Z — на 2 | Низкая; задерживается листом бумаги и верхним слоем кожи |
| Бета-излучение | Поток электронов | −e | A не меняется, Z увеличивается на 1 | Средняя; ослабляется тонким слоем металла |
| Гамма-излучение | Электромагнитное излучение | 0 | A и Z не изменяются | Высокая; для ослабления нужны толстые слои плотного вещества |
При решении задач сначала определите вид излучения, а затем примените соответствующее изменение A и Z. Если записывается полное ядерное уравнение, проверяйте отдельно сохранение массовых и зарядовых чисел. Проникающая способность показывает, насколько трудно излучение задержать веществом, но сама по себе не определяет знак его заряда.
Условие: для ядра ²³₁₁Na определить число протонов и нейтронов. В записи верхний индекс — это A, а нижний — Z. Нужно использовать их как характеристики состава ядра.
Ответ: в ядре натрия 11 протонов и 12 нейтронов.
Условие: записать уравнение альфа-распада ядра ²³⁸₉₂U и определить образовавшееся ядро. При альфа-распаде испускается ядро гелия ⁴₂He. Значит, у дочернего ядра нужно уменьшить A на 4, а Z на 2.
Ответ: образуется ядро тория ²³⁴₉₀Th.
Условие: дополнить уравнение ¹⁴₆C → ¹⁴₇N + … и определить испускаемую частицу. Массовое число справа уже равно 14, поэтому дополнительная частица должна иметь A = 0. Зарядовое число слева равно 6, а у азота — 7, значит, частица должна иметь зарядовое число −1.
Ответ: испускается электрон; это бета-распад.
Массовое число принимают за массу в килограммах. Так происходит из-за слова массовое, хотя A — это просто целое число нуклонов. Проверяйте себя: массовое число всегда равно сумме Z и N и не имеет единиц СИ.
Зарядовое число Z путают с числом нейтронов. Нижний индекс показывает число протонов и задаёт элемент, а нейтроны находятся как A − Z. Для проверки сложите найденные протоны и нейтроны: результат должен дать A.
При альфа-распаде A и Z уменьшают на одинаковое число. Ошибка возникает, если помнить только положительный заряд альфа-частицы. Ядро гелия содержит два протона и два нейтрона, поэтому A уменьшается на 4, а Z — на 2.
Гамма-излучение считают потоком заряженных частиц. На самом деле это электромагнитное излучение с нулевым зарядом. Если после гамма-распада вы изменили A или Z, значит, перепутали испускание энергии с изменением состава ядра.
До изучения ядра нужны представления о строении атома, химических элементах, электрическом заряде и законах сохранения. Они помогают понимать запись ᴬ_ZX и проверять ядерные уравнения.
Изотопы и запись ядерных реакций станут основой для изучения ядерных реакций, деления тяжёлых ядер и синтеза лёгких ядер. В этих темах сохраняются те же массовые и зарядовые числа.
Знания о радиоактивном излучении используются при изучении дозиметрии, радиационной защиты и применений радиоактивных изотопов. Вид излучения определяет способы его регистрации и экранирования.
Почему атом в целом нейтрален, если в его ядре есть положительно заряженные протоны?
В нейтральном атоме число электронов равно числу протонов. Отрицательные заряды электронов по модулю компенсируют положительный заряд ядра, поэтому общий заряд атома равен нулю.
Чем изотопы одного элемента отличаются друг от друга?
Изотопы имеют одинаковое число протонов и поэтому относятся к одному химическому элементу. Они отличаются числом нейтронов, а значит, их массовые числа различны.
Как быстро определить число нейтронов в ядре?
Нужно из массового числа A вычесть зарядовое число Z: N = A − Z. Например, в ядре ²³₁₁Na содержится 23 − 11 = 12 нейтронов.
Почему радиоактивный распад называют самопроизвольным?
Нестабильное ядро превращается без внешнего запуска: ему не нужно предварительно облучение или нагревание. Момент распада отдельного ядра случаен, хотя для большого количества ядер можно описать распад закономерностями.
Чем альфа-, бета- и гамма-излучение отличаются друг от друга?
Альфа-излучение состоит из ядер гелия, бета-излучение обычно представляет собой поток электронов, а гамма-излучение является электромагнитным излучением. Они различаются зарядом, проникающей способностью и влиянием на массовое и зарядовое числа ядра.
§ 19. Ядро атома. Радиоактивность
