§ 50. Состав атомного ядра

Определения и обозначения

Протон — положительно заряженная частица атомного ядра, обозначаемая p; её заряд равен +e, где e — элементарный заряд. Положительный заряд протонов определяет заряд ядра. Зная число протонов, можно установить, к какому химическому элементу относится атом.

Нейтрон — электрически нейтральная частица ядра, обозначаемая n. У него нет электрического заряда, но он входит в состав ядра и вносит вклад в его массу. Число нейтронов помогает различать ядра одного и того же элемента.

Нуклоны — общее название протонов и нейтронов, составляющих атомное ядро. Это слово удобно, когда нужно говорить о частицах ядра вместе, не разделяя их по заряду. Подсчёт всех нуклонов даёт массовое число ядра.

Массовое число A показывает общее число нуклонов, а зарядовое число Z — число протонов в ядре. Число нейтронов обозначают N и находят по формуле N = A − Z. Эти обозначения нужны, чтобы кратко записывать состав ядра и восстанавливать неизвестное число частиц.

Как это устроено

В атоме протоны и нейтроны собраны в ядре, а электроны находятся вне него. Такое разделение важно: ядро содержит положительно заряженные протоны, тогда как электроны несут отрицательный заряд и образуют электронную оболочку. Поэтому, говоря о составе ядра, учитывают только протоны и нейтроны, а не электроны. Состав ядра определяет его заряд и значительную часть свойств атома.

Ядро записывают в виде ᴬ_ZX: рядом с символом химического элемента X сверху ставят массовое число A, а снизу — зарядовое число Z. Нижний индекс указывает количество протонов, верхний — число всех частиц ядра, то есть протонов и нейтронов. Например, в записи ²³₁₁Na символ Na означает натрий, Z = 11 показывает число протонов, а A = 23 — число нуклонов. Такая запись позволяет прочитать состав ядра без отдельного перечисления частиц.

Массовое число складывается из числа протонов и числа нейтронов, потому что других частиц ядра при таком подсчёте не учитывают. Поэтому A = Z + N, а переставив слагаемые, получаем N = A − Z. Если известны A и Z, из первого вычитают второе и получают N; если известны A и N, находят Z = A − N. Когда известны Z и N, их складывают, чтобы вычислить A.

Химический элемент определяется числом протонов: именно оно задаёт заряд ядра. Поэтому одинаковое Z означает, что ядра относятся к одному элементу, даже если число нейтронов у них различно. Такие разновидности атомов называют изотопами данного элемента. У изотопов одинаковое зарядовое число Z, но разные N и, следовательно, разные A.

Почти вся масса атома сосредоточена в ядре, потому что протоны и нейтроны гораздо массивнее электронов. Электроны тоже имеют массу, но она настолько мала по сравнению с массами нуклонов, что их вкладом часто пренебрегают при оценке массы атома. Поэтому при сравнении массы атомов основное внимание уделяют составу ядра. Массовое число при этом служит удобным целым числом нуклонов, а не точным значением массы.

Частицы атомного ядра и характеристики ядра

Чтобы определить состав ядра, найдите в записи числа A и Z, а затем вычислите N = A − Z. Если требуется проверить результат, сложите найденное число нейтронов с числом протонов: сумма должна совпасть с A. Заряд частицы и обозначения величин помогают не спутать свойства отдельных частиц с характеристиками всего ядра.

Разбор задач

Задача 1. Для ядра ²³₁₁Na определить число протонов и нейтронов. В записи нижний индекс указывает зарядовое число, а верхний — массовое число. Сначала читаем эти значения, затем используем связь A = Z + N.

1. Считываем зарядовое число: Z = 11, значит, в ядре 11 протонов.
2. Считываем массовое число: A = 23, то есть в ядре всего 23 нуклона.
3. Находим нейтроны: N = A − Z = 23 − 11 = 12.

Ответ: ядро натрия содержит 11 протонов и 12 нейтронов. Проверка: 11 + 12 = 23, что совпадает с массовым числом.

Задача 2. Записать обозначение ядра с 17 протонами и 18 нейтронами и определить элемент. Число протонов сразу задаёт зарядовое число Z, а массовое число нужно получить сложением протонов и нейтронов. Затем по Z устанавливаем символ элемента.

1. Записываем Z = 17, поскольку в ядре 17 протонов.
2. Вычисляем массовое число: A = Z + N = 17 + 18 = 35.
3. Элементу с зарядовым числом 17 соответствует хлор, символ Cl; помещаем A сверху, Z снизу.

Ответ: обозначение ядра — ³⁵₁₇Cl, это ядро хлора. Число нуклонов в нём равно 35, из которых 17 — протоны и 18 — нейтроны.

Задача 3. У ядер двух атомов одного элемента массовые числа равны 35 и 37, зарядовое число обоих равно 17. Нужно сравнить состав ядер и выяснить, являются ли атомы изотопами. Для этого при каждом A отдельно вычислим N, сохраняя одинаковое Z.

1. В первом ядре число нейтронов N₁ = 35 − 17 = 18.
2. Во втором ядре N₂ = 37 − 17 = 20.
3. Сравниваем результаты: число протонов одинаково и равно 17, а нейтронов разное количество.

Ответ: в первом ядре 17 протонов и 18 нейтронов, во втором — 17 протонов и 20 нейтронов. Это изотопы одного элемента, потому что у них одинаковое Z и различное число нейтронов.

Типичные ошибки

Не следует путать массовое число A с массой атома. A — целое число нуклонов, а не масса в килограммах или атомных единицах; такое смешение возникает из-за слова «массовое». Проверка проста: A получают сложением количества частиц, а не измерением массы. Например, для ядра с 11 протонами и 12 нейтронами A = 23.

Иногда A принимают за число нейтронов, хотя оно включает и протоны, и нейтроны. Ошибку провоцирует то, что нейтроны отдельно не видны в короткой записи ядра. Чтобы себя проверить, вычтите из A число протонов Z: только разность N = A − Z даёт количество нейтронов. Затем убедитесь, что N + Z снова равно A.

В записи ядра можно переставить местами верхний и нижний индексы. Тогда число протонов ошибочно принимают за общее число частиц или наоборот. Запомните смысл обозначений: нижнее Z связано с зарядом ядра и показывает протоны, верхнее A считает все нуклоны. Подстановка в формулу N = A − Z поможет обнаружить ошибку: число нейтронов не должно быть отрицательным.

Неверно считать, что изотопы одного элемента имеют разное число протонов. Так думают, если сравнивают только массовые числа и не проверяют зарядовое число. У изотопов Z одинаково, а N различается; следовательно, отличаются и A. Сверьте нижние индексы в обозначениях: разные Z означают разные элементы, а не изотопы одного элемента.

Связь с другими темами

Чтобы разбираться в составе ядра, нужно знать строение атома и понимать, что заряд ядра связан с числом протонов. Массовое и зарядовое числа используют при записи ядерных реакций и определении состава участвующих ядер. Представление о протонах и нейтронах понадобится при изучении изотопов, ядерных сил и энергии связи ядра. Таким образом, подсчёт частиц становится основой для дальнейшего изучения ядерных процессов.

Что запомнить

• Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов.
• Протоны и нейтроны вместе называют нуклонами.
• Зарядовое число Z равно числу протонов в ядре.
• Массовое число A равно общему числу нуклонов.
• Число нейтронов N = A − Z.
• Изотопы одного элемента имеют одинаковое Z и разное число нейтронов.