"Физика (базовый уровень)", Генденштейн Л.Э., Булатова А.А., Корнильев И.Н., Кошкина А.В.
Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов, а его обозначение сразу показывает их общее число и число протонов. Эти числа помогают различать изотопы, описывать радиоактивный распад и проверять ядерные реакции. В главе важно понять, как при превращениях меняется состав ядра и почему химический элемент определяется числом протонов. Изменение энергии связи объясняет, откуда при ядерных процессах берётся энергия или куда она поглощается.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Атомное ядро — система протонов и нейтронов, называемых нуклонами. Ядро записывают как ᴬ_ZX: X — символ химического элемента, A — массовое число, Z — зарядовое число. Массовое число показывает общее количество нуклонов, а зарядовое — число протонов. Такое обозначение позволяет восстановить состав ядра и использовать его в уравнениях распада и реакций.
Изотопы — разновидности атомов одного химического элемента с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов. Например, у изотопов углерода число протонов равно шести, но число нейтронов может различаться. Поэтому массовые числа изотопов различны, хотя символ элемента и его зарядовое число совпадают. Понятие изотопов помогает описывать ядра одного элемента с разными свойствами и массой.
Радиоактивность — самопроизвольное превращение нестабильных ядер, сопровождаемое испусканием частиц и излучения. Нестабильное ядро переходит в другое состояние, иногда превращаясь в ядро нового элемента. При этом изменяются его состав и, в зависимости от вида распада, массовое или зарядовое число. Термин нужен, чтобы отличать самопроизвольные ядерные превращения от реакций, вызываемых внешним воздействием.
Ядерная реакция — превращение атомных ядер при взаимодействии с частицами или друг с другом. В ходе реакции исходные ядра могут объединиться или распасться на другие ядра и частицы. Запись реакции показывает, какие частицы вступили во взаимодействие и что образовалось. Это определение позволяет применять законы сохранения и выяснять, возможна ли предложенная запись превращения.
В обозначении ᴬ_ZX зарядовое число Z равно числу протонов, а массовое число A — сумме протонов и нейтронов. Поэтому количество нейтронов находят вычитанием: N = A − Z. Например, если A = 238, а Z = 92, в ядре 238 − 92 = 146 нейтронов. Такой способ работает потому, что каждый нуклон — это либо протон, либо нейтрон, а массовое число учитывает их всех.
Химический элемент определяется зарядом ядра, то есть числом протонов. Если у атомов одинаковое Z, они относятся к одному элементу, даже когда в их ядрах разное число нейтронов. Нейтроны не изменяют заряд ядра, поэтому различие в их количестве не превращает атом в другой элемент. Из-за разного числа нуклонов изотопы имеют разные массовые числа и массы.
При альфа-распаде ядро испускает альфа-частицу ⁴₂He, содержащую два протона и два нейтрона. Поэтому у исходного ядра A уменьшается на 4, а Z — на 2: например, ²¹⁰₈₄Po → ²⁰⁶₈₂Pb + ⁴₂He. Суммы массовых чисел равны 210 = 206 + 4, а суммы зарядовых чисел — 84 = 82 + 2. При бета-минус-распаде нейтрон превращается в протон и испускается электрон ⁰₋₁e; число нуклонов не меняется, а Z увеличивается на 1. Тогда заряд также сохраняется: зарядовое число дочернего ядра плюс заряд электрона дают заряд исходного.
Уравнение ядерной реакции составляют из символов ядер и частиц, указывая у каждого массовое и зарядовое числа. Чтобы проверить запись, складывают A слева и справа, а затем отдельно складывают Z: обе пары сумм должны совпасть. Это следует из сохранения числа нуклонов и электрического заряда в реакции. Если число неизвестного ядра ещё не задано, равенства позволяют найти его массовое и зарядовое числа.
Энергия связи — энергия, которой нужно сообщить ядру, чтобы разделить его на отдельные нуклоны. При превращении ядер меняется их суммарная энергия связи, а значит, меняется и энергия системы. Если продукты реакции оказываются энергетически выгоднее исходных частиц, разность энергий может выделиться; в другом случае её приходится поглощать. Поэтому источник энергии ядерного превращения связан не с исчезновением вещества, а с изменением энергии связи.
В таблице указаны изменения характеристик ядра-источника при обычных альфа- и бета-минус-распадах. В графе о массовом и зарядовом числах сравнивайте значение до превращения со значением после него. Для гамма-излучения числа остаются прежними, потому что испускается фотон, а не частица, меняющая состав ядра.
| Превращение | Что испускается | Изменение массового числа | Изменение зарядового числа |
|---|---|---|---|
| Альфа-распад | Альфа-частица ⁴₂He | Уменьшается на 4 | Уменьшается на 2 |
| Бета-распад | Электрон ⁰₋₁e (β⁻) | Не меняется | Увеличивается на 1 |
| Гамма-излучение | Гамма-квант | Не меняется | Не меняется |
Нужно определить состав ядра ²³⁸₉₂U. В обозначении уже указаны массовое число A = 238 и зарядовое число Z = 92. Зарядовое число непосредственно даёт количество протонов, а для нейтронов требуется вычесть число протонов из общего числа нуклонов. Так мы используем оба числа и не путаем их значения.
Ответ: в ядре урана-238 92 протона и 146 нейтронов.
Ядро полония-210 испускает альфа-частицу, в которой два протона и два нейтрона. Значит, дочернее ядро теряет четыре нуклона и два протона. Чтобы найти его символ, нужно определить новые A и Z, а затем по зарядовому числу установить химический элемент. Проверка сумм в уравнении покажет, что частицы учтены правильно.
Ответ: образуется ядро свинца-206, ²⁰⁶₈₂Pb.
Ядро ¹⁴₇N взаимодействует с альфа-частицей ⁴₂He, а среди продуктов есть протон ¹₁p и неизвестное ядро. Неизвестные A и Z можно найти без догадок, отдельно составив баланс массовых и зарядовых чисел. Слева находятся азот и альфа-частица, справа — протон и новое ядро. После вычислений нужно определить элемент по найденному зарядовому числу.
Ответ: образуется ядро кислорода-17, ¹⁷₈O.
Массовое число иногда принимают за число нейтронов, потому что нейтроны не имеют электрического заряда. Но A включает и протоны, и нейтроны, а количество нейтронов равно A − Z. Проверяйте, что сумма найденных протонов и нейтронов возвращает массовое число. Если результат не совпал, значит, при вычислении или чтении обозначения допущена ошибка.
Изотопы порой считают ядрами одинаковой массы, потому что у них один и тот же символ элемента. На самом деле одинаково у них число протонов, а число нейтронов и массовое число могут различаться. Ошибка возникает, если химическую принадлежность смешивают с массой ядра. Сверьте зарядовые числа: они должны совпадать, тогда как массовые числа могут быть разными.
При записи распада можно забыть проверить зарядовое число и массовое число продуктов. Обычно внимание сосредоточено на том, какой элемент образуется, и один из балансов остаётся незамеченным. Проведите две отдельные проверки: сложите все A и все Z слева и справа. Если хотя бы одна сумма не совпадает, уравнение записано неверно.
Гамма-излучение иногда представляют как поток частиц, меняющих состав ядра. Гамма-квант действительно уносит энергию, но не содержит протонов или нейтронов, поэтому A и Z ядра остаются прежними. Такое смешение возникает из-за того, что гамма-излучение сопровождает ядерный процесс. Проверьте обозначение: для гамма-кванта A = 0 и Z = 0, а у ядра после испускания сохраняются оба числа.
Чтобы разбирать ядерные превращения, нужно знать строение атома и различать электрон, протон и нейтрон. Навык применения закона сохранения электрического заряда помогает проверять реакции, а умение составлять уравнения позволяет находить неизвестное ядро. Понятия энергии связи и радиоактивности пригодятся при изучении ядерной энергетики и дозиметрии. Те же идеи помогают объяснить происхождение энергии звёзд, где происходят превращения ядер.
Как определить число нейтронов в ядре?
Вычтите зарядовое число из массового: N = A − Z. Например, в ядре урана-238 число нейтронов равно 238 − 92 = 146.
Чем изотопы отличаются друг от друга?
У изотопов одного элемента одинаковое число протонов, но разное число нейтронов. Поэтому у них разные массовые числа.
Почему при альфа-распаде меняется химический элемент?
Ядро испускает альфа-частицу, в которой два протона и два нейтрона. Число протонов уменьшается на два, поэтому ядро становится ядром другого элемента.
Как проверить, правильно ли записано уравнение ядерной реакции?
Сложите массовые числа отдельно слева и справа, затем так же проверьте зарядовые числа. Обе суммы должны совпасть.
Меняет ли гамма-излучение состав атомного ядра?
Нет. При гамма-излучении ядро испускает фотон и теряет энергию, но число протонов и нейтронов не меняется.
Главное в главе VII
