§ 48. Состав атомного ядра

Определения и обозначения

Атомное ядро — центральная часть атома, состоящая из протонов и нейтронов и несущая положительный электрический заряд. Почти вся масса атома сосредоточена в ядре, а его заряд влияет на строение атома. Поэтому сведения о составе ядра помогают понять, к какому элементу относится атом и чем он отличается от других.

Нуклон — общее название протона и нейтрона, частиц, входящих в состав ядра. У протона есть положительный заряд, а нейтрон электрически нейтрален. Общий термин удобен, когда речь идёт о частицах ядра без уточнения их вида.

Массовое число A — общее число нуклонов в ядре; оно равно сумме числа протонов Z и числа нейтронов N. Поэтому A = Z + N, а число нейтронов можно найти как N = A − Z. Это позволяет восстановить состав ядра, если известны массовое число и число протонов.

Изотопы — разновидности атомов одного химического элемента с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов. Так как Z у них совпадает, сохраняется принадлежность к одному элементу. Разное количество нейтронов приводит к различию массовых чисел.

Как это устроено

В модели атома ядро образовано двумя видами частиц — протонами и нейтронами. Одних протонов недостаточно, чтобы описать состав большинства ядер: в них присутствуют и нейтральные частицы. Поэтому для подсчёта всех частиц ядра вводят общее название «нуклоны», а отдельно учитывают количество каждого вида.

Число протонов Z задаёт положительный заряд ядра: каждый протон несёт заряд +e, поэтому весь заряд равен +Ze. Число протонов также определяет, какой это химический элемент: изменение Z означает уже другой элемент. Число нейтронов может меняться без изменения Z, поэтому у одного элемента возможны ядра разного состава.

Массовое число A связывает оба вида частиц, потому что складывает число протонов и число нейтронов: A = Z + N. Если известны A и Z, число нейтронов находится вычитанием: N = A − Z. Например, при A = 23 и Z = 11 получается N = 12; результат стоит проверить сложением: 11 + 12 = 23.

Ядро записывают в форме ᴬ_ZX. Буква X — химический символ элемента, нижний индекс Z показывает число протонов, а верхний индекс A — число всех нуклонов. Такое расположение индексов позволяет сразу определить два значения, а затем вычислить недостающее число нейтронов по разности A − Z.

У изотопов одного элемента Z одинаково, потому что именно число протонов закрепляет химическую принадлежность. Если нейтронов становится больше или меньше, меняется состав ядра и вместе с ним массовое число A, но символ элемента остаётся прежним. Например, у ³⁵₁₇Cl и ³⁷₁₇Cl одинаково по 17 протонов, но соответственно 18 и 20 нейтронов.

Частицы атомного ядра и характеристики его состава

Пользуйся таблицей, чтобы не смешивать свойства отдельной частицы и всего ядра: заряд ядра складывается из зарядов протонов, а нейтроны в него не добавляют. Для определения элемента ищи число протонов Z, для полного подсчёта частиц используй массовое число A. Если известны A и Z, число нейтронов находят вычитанием.

Разбор задач

Задача 1

В ядре атома содержится 8 протонов и 8 нейтронов. Найдите Z и A. Сначала отделим число протонов от общего числа частиц: Z обозначает именно протоны, а не все нуклоны. Затем применим формулу массового числа.

1. По условию число протонов равно 8, поэтому Z = 8.
2. Сложим протоны и нейтроны: A = Z + N = 8 + 8 = 16.
3. Проверим: в ядре действительно 16 нуклонов, из которых 8 — протоны.

Ответ: Z = 8, A = 16. Здесь число нейтронов не равно массовому числу: A учитывает обе разновидности частиц.

Задача 2

Для ядра ²³₁₁Na укажите число протонов, нейтронов и нуклонов. В записи уже указаны массовое число A и число протонов Z, поэтому сначала прочитаем индексы, а затем вычислим недостающий параметр. Символ Na обозначает натрий.

1. Нижний индекс равен 11, следовательно, Z = 11 и в ядре 11 протонов.
2. Верхний индекс равен 23, значит, A = 23 и всего в ядре 23 нуклона.
3. Вычтем число протонов: N = A − Z = 23 − 11 = 12 нейтронов.

Ответ: 11 протонов, 12 нейтронов, 23 нуклона. Сложение 11 + 12 = 23 подтверждает результат.

Задача 3

Ядро содержит 17 протонов и 20 нейтронов. Запишите обозначение ядра и определите, является ли оно изотопом ядра ³⁵₁₇Cl. Найдём сначала массовое число нового ядра, а затем сравним число протонов двух ядер: для изотопов оно должно совпадать.

1. Число протонов Z = 17, поэтому элемент — хлор, его символ Cl.
2. Вычислим массовое число: A = Z + N = 17 + 20 = 37.
3. Запишем ядро как ³⁷₁₇Cl и сравним его с ³⁵₁₇Cl: у обоих ядер Z = 17, но массовые числа различны.

Ответ: ³⁷₁₇Cl; это изотоп ядра ³⁵₁₇Cl. Одинаковое Z сохраняет принадлежность к хлору, а различие A означает разное число нейтронов.

Типичные ошибки

Массовое число принимают за число нейтронов. Путаница возникает потому, что именно нейтроны нужно найти в задачах, где уже дано A. Проверяй определение: A включает протоны и нейтроны, поэтому для поиска N используй N = A − Z.

В записи ядра путают верхний и нижний индексы. Можно запомнить числа, но перепутать, какое из них относится к протонам: нижний индекс Z показывает их количество, верхний A — общее число нуклонов. Проверь себя равенством A = Z + N: если найденное количество нейтронов отрицательно, индексы или вычисления нужно проверить.

Считают, что химический элемент определяет число нейтронов. Такая ошибка появляется, если сосредоточиться на изменении состава ядра и забыть, что элемент связан с зарядом. Сверь число протонов Z: одинаковое Z означает один элемент, даже если N различается.

Изотопами называют ядра с одинаковым A. Но совпадение массовых чисел само по себе не означает, что это один элемент: для изотопов необходимо одинаковое Z и разное число нейтронов. Сначала сравнивай нижние индексы, затем проверяй, различаются ли A или N.

Связь с другими темами

Чтобы разбирать состав ядра, нужно знать строение атома и понимать, что химический элемент определяется числом протонов. Это связывает ядерную запись с таблицей химических элементов: значение Z позволяет установить символ X. Числа A, Z и N затем дают количественное описание ядра.

Состав ядра понадобится при изучении радиоактивности и ядерных реакций, где ядра могут превращаться и изменять свой состав. Подсчёт протонов и нуклонов помогает применять законы сохранения электрического заряда и массового числа. Поэтому умение читать обозначение ядра станет основой для решения задач по ядерной физике.

Что запомнить

• Ядро состоит из протонов и нейтронов.
• Протон и нейтрон называют нуклонами.
• Число протонов Z определяет химический элемент.
• Заряд ядра равен +Ze.
• Массовое число A = Z + N.
• Число нейтронов N = A − Z.
• Изотопы имеют одинаковое Z, но разное число нейтронов.