58. Состав и строение ядерного ядра

Определения и обозначения

Нуклон — общее название протона и нейтрона как частиц, входящих в состав атомного ядра. Протоны и нейтроны различаются зарядом, но вместе составляют почти всю массу ядра. Слово «нуклон» удобно, когда нужно говорить о частицах ядра без уточнения их вида.

Протонное число Z — число протонов в ядре; оно определяет заряд ядра и порядковый номер химического элемента. Каждый протон имеет положительный заряд, поэтому заряд ядра равен +Ze, где e — заряд одного протона. По Z можно установить, какому элементу принадлежит ядро.

Массовое число A — общее число нуклонов в ядре, равное сумме числа протонов и нейтронов. Оно показывает, сколько частиц двух видов вместе находится в ядре, а не только сколько там нейтронов. Если известны A и Z, можно вычислить число нейтронов.

Изотопы — разновидности атомов одного элемента с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов. Поэтому у них совпадает Z, но различаются A и состав ядер. Понятие изотопов помогает описывать ядра, принадлежащие одному элементу, но имеющие неодинаковую массу.

Как это устроено

Представления о составе ядра складывались по мере изучения атома и его превращений: стало ясно, что одного положительно заряженного протона недостаточно, чтобы объяснить массу многих ядер. Модель ядра, включающего протоны и нейтроны, объясняет, почему число частиц в ядре больше числа протонов. Поскольку обе частицы находятся внутри ядра, их объединяют термином «нуклоны».

Ядро обозначают символом химического элемента X, рядом с которым записывают два числа: массовое A сверху, протонное Z снизу. Например, запись ¹⁶₈O означает ядро кислорода с A = 16 и Z = 8. Число Z задаёт количество положительных элементарных зарядов, поэтому заряд ядра равен +Ze, а не просто числу Z в кулонах.

Все нуклоны ядра можно разделить на две группы: Z протонов и N нейтронов. Их общее количество — массовое число A, следовательно, A = Z + N. Перенеся Z в другую часть равенства, получаем N = A − Z; значит, для определения нейтронов из числа, стоящего сверху у символа элемента, нужно вычесть число снизу.

У одного химического элемента заряд ядра и порядковый номер неизменны, а значит, неизменно и число протонов. Однако в ядрах могут находиться разные количества нейтронов: они не меняют заряд ядра, но меняют его массовое число. Такие разновидности атомов называются изотопами; например, изотопы кислорода имеют одинаковое Z, но могут отличаться N и A.

Размер атома составляет примерно 10⁻¹⁰ м, а размер ядра — порядка 10⁻¹⁵ м, то есть ядро примерно в сто тысяч раз меньше атома по линейному размеру. При этом протоны и нейтроны намного массивнее электронов. Поэтому почти вся масса атома сосредоточена в его крошечном ядре, хотя пространство атома в основном занимает область вокруг него.

Частицы атомного ядра и их характеристики

Сначала найдите в обозначении ядра числа A и Z: верхнее показывает общее число нуклонов, нижнее — число протонов. Затем вычислите N как разность A − Z. Таблица также помогает отделить заряд ядра от его массы: нейтроны увеличивают число нуклонов, но не заряд.

Разбор задач

Задача 1. Для ядра кислорода с массовым числом 16 и протонным числом 8 определить число протонов и нейтронов. Сначала устанавливаем, что Z непосредственно задаёт количество протонов. Затем используем связь между A, Z и N, чтобы найти оставшуюся часть состава ядра.

1. Число протонов равно Z = 8.
2. Число нейтронов: N = A − Z = 16 − 8 = 8.
3. Проверка: 8 протонов + 8 нейтронов = 16 нуклонов, то есть заданному A.

Ответ: в ядре 8 протонов и 8 нейтронов. Проверка суммы нужна, чтобы не перепутать массовое число с числом нейтронов.

Задача 2. Определить состав ядра изотопа натрия с массовым числом 23, зная, что порядковый номер натрия равен 11. Порядковый номер элемента совпадает с протонным числом, поэтому сначала получаем число протонов. После этого массовое число позволяет найти нейтроны как остаток нуклонов.

1. Протонное число натрия Z = 11, следовательно, в ядре 11 протонов.
2. Вычисляем число нейтронов: N = A − Z = 23 − 11 = 12.
3. Сверяем результат: 11 + 12 = 23 нуклона.

Ответ: ядро натрия-23 содержит 11 протонов и 12 нейтронов. Нейтроны не влияют на принадлежность ядра натрию, поскольку элемент определяется числом протонов.

Задача 3. Сравнить ядра двух изотопов хлора с массовыми числами 35 и 37: определить, какие характеристики у них одинаковы, а какие различаются. У хлора порядковый номер Z = 17, значит, в обоих ядрах одинаковое количество протонов. Различие в массовых числах должно объясняться разным числом нейтронов.

1. Для обоих ядер Z = 17, поэтому в каждом по 17 протонов и заряд каждого ядра равен +17e.
2. Для хлора-35: N = 35 − 17 = 18. Для хлора-37: N = 37 − 17 = 20.
3. Массовые числа различаются: 35 и 37; число нейтронов также различается: 18 и 20.

Ответ: у ядер одинаковы число протонов, заряд и принадлежность к хлору; различаются массовое число и число нейтронов. Поэтому они являются изотопами одного химического элемента.

Типичные ошибки

Принимать массовое число A за число нейтронов. Такую ошибку допускают, потому что A часто связывают с массой, но оно считает все нуклоны сразу. Проверьте себя равенством A = Z + N: число нейтронов — только часть A, а не всё массовое число.

Путать протонное число Z с зарядом ядра в кулонах. Z — это количество протонов, тогда как заряд ядра равен +Ze. Число Z без единицы заряда не является зарядом в кулонах; чтобы проверить запись, умножьте его на элементарный заряд e.

Считать, что изотопы одного элемента различаются числом протонов. Это неверно: различие протонов означало бы другой заряд ядра и другой элемент. У изотопов Z одинаково, а неодинаково число нейтронов; сравните сначала порядковые номера, затем вычислите N.

Находить число нейтронов как A + Z. Сложение увеличивает общее число нуклонов, хотя A уже включает и протоны, и нейтроны. Используйте A = Z + N и выразите из него N = A − Z; результат можно проверить, сложив N и Z обратно.

Связь с другими темами

Для изучения состава ядра нужно знать строение атома, заряд протона и то, что атом в целом электрически нейтрален. В нейтральном атоме число электронов связано с числом протонов, но заряд ядра определяется именно протонами. Массовое и протонное числа понадобятся при изучении радиоактивности и ядерных реакций: по ним записывают ядра до и после превращений и проверяют сохранение числа нуклонов и заряда.

Что запомнить

• Ядро состоит из протонов и нейтронов; обе частицы называют нуклонами.
• Протонное число Z равно числу протонов в ядре.
• Массовое число A равно сумме протонов и нейтронов.
• Число нейтронов находят по формуле N = A − Z.
• Изотопы имеют одинаковое Z и разное число нейтронов.
• Почти вся масса атома сосредоточена в его ядре.