1. Строение атомного ядра

Определения и обозначения

Атомное ядро — центральная часть атома, состоящая из протонов и нейтронов. Почти вся масса атома сосредоточена именно в ядре, хотя оно намного меньше атома по размерам. Знание состава ядра позволяет описывать атомы и объяснять, чем отличаются разновидности одного элемента.

Протон — частица ядра с положительным электрическим зарядом, равным элементарному заряду e. Протоны входят в состав каждого атомного ядра, а их количество задаёт зарядовое число Z. По этому числу определяют, к какому химическому элементу относится атом.

Нейтрон — частица, входящая в состав атомного ядра и не имеющая электрического заряда. Вместе с протонами нейтроны составляют почти всю массу ядра. Их количество важно для определения изотопа и может различаться у ядер одного элемента.

Массовое число A — общее число протонов и нейтронов в ядре. Его называют массовым, потому что масса ядра в основном складывается из масс этих частиц. Зная A и число протонов, можно найти число нейтронов, а значит, полностью описать состав ядра.

Как это устроено

Состав ядра задают два числа: Z — число протонов, N — число нейтронов. Их сумма даёт массовое число: A = Z + N, потому что других частиц, вносящих вклад в это число, в ядре не учитывают. Например, если Z = 6, а N = 6, то A = 12; такая запись сразу сообщает общее количество нуклонов — протонов и нейтронов.

Ядро принято обозначать так: ᴬ_ZX. Буква X — символ химического элемента, а нижний индекс Z указывает, сколько протонов находится в ядре. Верхний индекс A показывает общее число нуклонов; поэтому, вычитая нижний индекс из верхнего, получают N. Такая форма записи компактно передаёт и название элемента, и состав его ядра.

Каждый протон несёт заряд +e, а нейтрон заряда не имеет. Поэтому полный заряд ядра складывается из зарядов протонов и равен +Ze: если протонов больше, положительный заряд ядра больше. Число нейтронов на заряд не влияет, хотя оно увеличивает число частиц и массу ядра.

Атомы одного химического элемента имеют одинаковое число протонов, поскольку именно Z определяет элемент. Но нейтронов в ядрах этих атомов может быть разное количество, а значит, различается и массовое число A. Такие разновидности атомов одного элемента называют изотопами: например, у них одинаковый символ X и индекс Z, но разные A и N.

Протоны имеют положительный заряд и электрически отталкиваются, поэтому одного электромагнитного взаимодействия недостаточно, чтобы объяснить устойчивость ядра. На очень малых расстояниях между нуклонами действуют ядерные силы, которые удерживают протоны и нейтроны вместе. Их действие позволяет ядру сохраняться, несмотря на отталкивание протонов.

Частицы атомного ядра и характеристики ядра

Сначала используйте строку с обозначением и числами Z и A, чтобы определить, какие данные известны. Затем найдите недостающее число нейтронов по разности A − Z, а заряд — по числу протонов. Масса в таблице указана приближённо: масса каждой частицы ядра близка к массе одного нуклона.

Разбор задач

Задача 1. Запишите состав ядра углерода-12, если его зарядовое число Z = 6. Нужно определить не только число протонов, которое задаётся зарядовым числом, но и число нейтронов. Для этого используем массовое число A = 12 и равенство A = Z + N.

1. Число протонов равно зарядовому числу: Z = 6, значит, в ядре 6 протонов.
2. Вычислим число нейтронов: N = A − Z = 12 − 6 = 6.
3. Состав ядра — 6 протонов и 6 нейтронов; символическая запись — ¹²₆C.

Ответ: в ядре углерода-12 находятся 6 протонов и 6 нейтронов. Проверка: 6 + 6 = 12, то есть сумма частиц совпадает с массовым числом.

Задача 2. Для ядра натрия ²³₁₁Na определите число протонов, нейтронов и электрический заряд. Индексы в записи уже содержат массовое число A и зарядовое число Z. Сначала прочитаем их, затем вычислим недостающие характеристики по формулам.

1. Верхний индекс даёт A = 23, нижний индекс — Z = 11. Следовательно, в ядре 11 протонов.
2. Найдём число нейтронов: N = A − Z = 23 − 11 = 12.
3. Заряд ядра равен +Ze, поэтому q = +11e. В кулонах это приблизительно +1,76 · 10⁻¹⁸ Кл, так как e ≈ 1,60 · 10⁻¹⁹ Кл.

Ответ: 11 протонов, 12 нейтронов, заряд +11e. Нейтроны в подсчёте заряда не участвуют, так как они электрически нейтральны.

Задача 3. Сравните ядра ³⁵₁₇Cl и ³⁷₁₇Cl: определите, чем они различаются и почему относятся к одному элементу. У них одинаковый нижний индекс, поэтому число протонов совпадает. Чтобы сравнение было полным, вычислим число нейтронов каждого ядра.

1. Для обоих ядер Z = 17, значит, в каждом содержится по 17 протонов. Это число определяет принадлежность к хлору.
2. Для первого ядра N = 35 − 17 = 18, для второго N = 37 − 17 = 20.
3. Массовые числа и числа нейтронов различаются, а число протонов одинаково. Следовательно, это изотопы одного элемента — хлора.

Ответ: в ядре хлора-35 — 17 протонов и 18 нейтронов, в ядре хлора-37 — 17 протонов и 20 нейтронов. Они относятся к одному элементу, потому что у обоих Z = 17.

Типичные ошибки

Ошибка — считать массовое число количеством нейтронов. Её допускают, потому что слово «массовое» может отвлечь от того, что в ядре есть два вида частиц. Проверьте себя равенством A = Z + N: в A входят и протоны, и нейтроны. Если нужно найти только нейтроны, используйте N = A − Z.

Ошибка — путать верхний и нижний индексы в записи ядра. Тогда число протонов принимают за общее число нуклонов или наоборот. Запомните: нижний индекс Z связан с зарядом и показывает протоны, верхний A — полное число частиц. Самопроверка проста: A должно быть не меньше Z, а разность A − Z даёт неотрицательное число нейтронов.

Ошибка — считать изотопы разными химическими элементами, если у них разная масса. Различие массовых чисел заметно, поэтому легко забыть, что название элемента задаёт не масса, а число протонов. Сравните нижние индексы Z: одинаковые Z означают один элемент, а разное число нейтронов — разные изотопы.

Ошибка — полагать, что ядро удерживается только электрическим притяжением. На самом деле протоны заряжены одинаково и отталкиваются, а нейтроны не создают электрического притяжения. Устойчивость ядра объясняют ядерными силами, действующими между нуклонами на малых расстояниях. Проверяйте объяснение вопросом: какая сила должна компенсировать отталкивание протонов?

Связь с другими темами

Чтобы разбирать состав ядра, нужно представлять строение атома, знать, что такое электрический заряд, и понимать обозначение элементарного заряда e. Эти знания помогают связать число протонов с зарядом ядра. Позже сведения о протонах и нейтронах пригодятся при изучении радиоактивности и ядерных реакций. По изменению состава ядер в таких процессах определяют, какие частицы образовались и сколько энергии выделилось или поглотилось.

Что запомнить

• Ядро состоит из протонов и нейтронов.
• Протоны и нейтроны вместе называют нуклонами.
• Зарядовое число Z равно числу протонов в ядре.
• Массовое число A равно сумме протонов и нейтронов: A = Z + N.
• Число нейтронов находят по формуле N = A − Z.
• Изотопы одного элемента имеют одинаковое Z и разные числа нейтронов.
• Ядерные силы удерживают нуклоны в ядре.