"Физика (базовый уровень)", Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Чаругин В.М. / Под ред. Парфентьевой Н.А.
Атомное ядро — компактная центральная часть атома, в которой сосредоточена почти вся его масса. Оно состоит из протонов и нейтронов, вместе называемых нуклонами. Число протонов задаёт заряд ядра и химический элемент, а общее число нуклонов показывает его массовое число. Протоны отталкиваются электрически, но ядро сохраняется благодаря короткодействующим ядерным силам, которые притягивают нуклоны и действуют главным образом между ближайшими соседями.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Атомное ядро — центральная часть атома, состоящая из протонов и нейтронов. Оно имеет положительный заряд, потому что протоны заряжены положительно, а нейтроны не имеют электрического заряда; ядро обозначают символом химического элемента с числами A и Z. Это обозначение позволяет сразу увидеть состав и заряд ядра.
Нуклон — общее название протона и нейтрона, частиц, из которых состоит ядро. У протона есть положительный электрический заряд, а нейтрон электрически нейтрален. Термин «нуклон» удобен, когда речь идёт об общих свойствах этих частиц и их взаимодействии в ядре.
Зарядовое число Z — число протонов в ядре, равное порядковому номеру химического элемента. Например, у элемента с Z = 11 в ядре 11 протонов. По этому числу определяют, какому элементу принадлежит ядро.
Массовое число A — общее число нуклонов в ядре, то есть протонов и нейтронов вместе. Если N — число нейтронов, то A = Z + N, а значит, N = A − Z. Эта связь позволяет восстановить состав ядра, когда известны A и Z.
Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов: электроны образуют окружающую его оболочку и не относятся к ядру. Вместе протоны и нейтроны называют нуклонами, потому что при описании ядра важно учитывать обе разновидности частиц. В записи ядра символ элемента сопровождают массовым числом A сверху слева и зарядовым числом Z снизу слева. Такая запись компактно сообщает и общее число нуклонов, и число протонов.
Число протонов находят по Z, а число нейтронов — по разности A − Z. Причина в том, что A складывается из двух частей: Z протонов и N нейтронов. Например, если A = 23, а Z = 11, то нейтронов 23 − 11 = 12. Проверка проста: сложите найденные протоны и нейтроны — должно получиться A.
Все протоны имеют положительный заряд, поэтому электрически отталкиваются. Если бы в ядре действовало только это отталкивание, протоны разлетелись бы, а ядро не сохраняло бы целостность. Однако на малых расстояниях между нуклонами возникает гораздо более сильное притяжение — действие ядерных сил. Оно удерживает ядро, несмотря на кулоновское, то есть электрическое, отталкивание протонов.
Ядерные силы действуют между нуклонами и на ядерных расстояниях намного превосходят электрическое отталкивание протонов. Но они короткодействующие: заметно проявляются только на очень малых расстояниях, сравнимых с размерами ядра. Поэтому их нельзя считать силами, которые одинаково влияют на частицы, находящиеся далеко друг от друга. Именно сильное притяжение в пределах ядра позволяет нуклонам оставаться связанными.
Ядерное притяжение действует между протонами и нейтронами; оно приблизительно не зависит от того, заряжен нуклон или нет. Это объясняет, почему нейтроны тоже участвуют в удержании ядра, хотя электрического заряда у них нет. Для ядерных сил характерно насыщение: каждый нуклон взаимодействует преимущественно с ближайшими соседями, а не одинаково со всеми частицами ядра. Поэтому у ядерных сил есть одновременно сильное притяжение, малый радиус действия и ограниченное число значимых взаимодействий для каждого нуклона.
| Объект или взаимодействие | Заряд | Роль в ядре | Особенности взаимодействия |
|---|---|---|---|
| Протон | Положительный | Входит в состав ядра; определяет его зарядовое число | Отталкивается от других протонов электрически; притягивается ядерными силами |
| Нейтрон | Нулевой | Входит в состав ядра | Участвует в ядерном взаимодействии, хотя не имеет электрического заряда |
| Ядерные силы | Не являются электрическим зарядом | Удерживают нуклоны вместе | Притягивают, короткодействуют, обладают насыщением |
| Электростатическое взаимодействие протонов | Между положительно заряженными протонами | Не удерживает ядро, а противодействует его сохранению | Протоны отталкиваются; взаимодействие дальнодействующее |
Сначала найдите в таблице нужную частицу или взаимодействие, затем сопоставьте заряд и роль в ядре. Так видно, почему нейтроны участвуют в удержании ядра, а электрическое отталкивание протонов ему противодействует. При объяснении устойчивости учитывайте, что ядерные силы сильны, но действуют на малых расстояниях.
Условие. Записать обозначение ядра натрия с массовым числом 23 и определить число протонов и нейтронов. Чтобы составить запись, нужны массовое число A и зарядовое число Z. Массовое число дано, а Z определяется по порядковому номеру натрия в таблице химических элементов.
Находим для натрия Z = 11. Значит, в ядре 11 протонов. Число протонов задаёт элемент, поэтому здесь нельзя выбирать его по массовому числу.
Вычисляем число нейтронов по формуле N = A − Z. Получаем N = 23 − 11 = 12. Проверяем: 11 + 12 = 23, как и требует определение массового числа.
Записываем ядро как ²³₁₁Na. Индекс 23 показывает общее число нуклонов, а 11 — число протонов. Эта запись соответствует натрию, потому что его зарядовое число равно 11.
Ответ: ²³₁₁Na; 11 протонов и 12 нейтронов.
Условие. В ядре содержится 17 протонов и 18 нейтронов. Требуется определить A, Z и химический элемент. Здесь сначала находим общее число нуклонов, а затем устанавливаем элемент по числу протонов.
Зарядовое число равно числу протонов: Z = 17. Это ключ к определению элемента, так как каждому порядковому номеру соответствует свой химический элемент. Нейтроны на значение Z не влияют.
Складываем число протонов и нейтронов: A = 17 + 18 = 35. Сложение нужно потому, что массовое число включает все нуклоны. Быстрая проверка — A должно быть больше каждого из двух слагаемых.
В таблице химических элементов порядковому номеру 17 соответствует хлор, символ Cl. Поэтому обозначение ядра — ³⁵₁₇Cl. Оно показывает 17 протонов и 35 − 17 = 18 нейтронов.
Ответ: A = 35, Z = 17, это ядро хлора ³⁵₁₇Cl.
Условие. Нужно сравнить электрическое отталкивание протонов и притяжение нуклонов ядерными силами, а затем объяснить устойчивость ядра с заданными A и Z. Эти числа позволяют определить, сколько в ядре протонов и нейтронов, но сами по себе не являются подробным расчётом устойчивости. Для качественного ответа сопоставим свойства двух взаимодействий.
Считаем состав: протонов Z, нейтронов N = A − Z. Положительно заряженные протоны отталкиваются друг от друга, причём электростатическое взаимодействие является дальнодействующим. Значит, в ядре существует фактор, который стремится раздвинуть протоны.
Учитываем ядерные силы: они притягивают нуклоны и значительно сильнее электрического отталкивания на ядерных расстояниях. Поэтому близкие нуклоны могут оставаться связанными. Взаимодействие действует и между нейтронами, хотя у них нет электрического заряда.
При ответе учитываем короткодействие и насыщение ядерных сил: каждый нуклон взаимодействует преимущественно с ближайшими соседями. Это объясняет, как ядро удерживается, но для строгого вывода об устойчивости конкретного ядра одного сравнения сил недостаточно. Здесь задача требует качественного объяснения механизма удержания.
Ответ: ядерное притяжение на малых расстояниях преодолевает электрическое отталкивание протонов и связывает нуклоны. Заданные A и Z позволяют определить состав ядра, но сами по себе не дают полного критерия его устойчивости.
Путать A с числом нейтронов. Массовое число включает и протоны, и нейтроны, а не только нейтроны. Ошибка возникает из-за того, что нейтроны часто ищут отдельно; проверка — использовать равенство A = Z + N.
Считать Z числом всех нуклонов. Зарядовое число показывает только количество протонов, тогда как общее количество частиц в ядре задаёт A. Путаница появляется потому, что оба числа записывают рядом с символом элемента. Проверьте себя: из A и Z нейтроны находятся вычитанием N = A − Z.
Думать, что нейтрон не участвует во взаимодействиях ядра. Нейтрон действительно не имеет электрического заряда, но это не означает отсутствия ядерного взаимодействия. Ошибка возникает из-за смешения электрических и ядерных сил. Проверка: отделите свойство «нейтрален» от свойства «участвует в ядерных силах».
Представлять ядерные силы дальнодействующими и одинаковыми для всех пар нуклонов. На самом деле они короткодействующие, а насыщение означает преимущественное взаимодействие с ближайшими соседями. Такое заблуждение может возникнуть из-за того, что силы удерживают всё ядро. Проверьте объяснение: в нём должны быть упомянуты и малый радиус действия, и ограниченное число значимых соседей.
Для работы с ядрами нужны знания о составе атома, заряде протона, нейтральности нейтрона и порядковом номере элемента. Ядро вместе с электронной оболочкой образует атом, а положительный заряд ядра определяет число электронов в нейтральном атоме. Понятия A и Z пригодятся при изучении изотопов, радиоактивности и ядерных реакций. Представление о взаимодействии нуклонов станет основой для темы энергии связи ядра.
Чем массовое число отличается от числа нейтронов?
Массовое число A — это общее количество протонов и нейтронов в ядре. Число нейтронов N можно найти как разность A − Z, где Z — число протонов.
Как по записи ядра определить число протонов и нейтронов?
В записи ядра символ элемента сопровождается числами A и Z: Z показывает количество протонов, а A — общее число нуклонов. Чтобы найти число нейтронов, вычислите N = A − Z.
Почему протоны в ядре не разлетаются из-за электрического отталкивания?
Протоны отталкиваются, поскольку имеют одинаковый положительный заряд. На очень малых ядерных расстояниях притяжение ядерных сил значительно сильнее этого отталкивания и удерживает нуклоны вместе.
Действуют ли ядерные силы между нейтронами?
Да. Ядерные силы действуют между нуклонами, в том числе между нейтронами, хотя у нейтрона нет электрического заряда.
Что означает, что ядерные силы обладают свойством насыщения?
Это означает, что каждый нуклон заметно взаимодействует не со всеми нуклонами ядра, а главным образом с ближайшими соседями. Поэтому увеличение числа нуклонов не делает взаимодействие каждого нуклона одинаково сильным со всеми остальными.
§ 104. Строение атомного ядра. Ядерные силы
