49. Состав атомного ядра

Определения и обозначения

Нуклон — общее название протона и нейтрона. Эти частицы входят в состав ядра, поэтому, говоря о числе нуклонов, мы считаем обе разновидности вместе. Понятие помогает описывать ядро как совокупность частиц.

Протон — положительно заряженная частица ядра, обозначаемая p. Его заряд равен +e, где e — элементарный заряд. Число протонов позволяет определить заряд ядра и химический элемент.

Нейтрон — электрически нейтральная частица ядра, обозначаемая n. У него нет электрического заряда, но он входит в число нуклонов. Зная количество нейтронов, можно отличить ядра одного элемента с разным составом.

Зарядовое число — число протонов в ядре; его обозначают Z. Заряд ядра равен +Ze, поэтому Z показывает, насколько велик этот положительный заряд. По Z также определяют порядковый номер элемента.

Как это устроено

Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов, а электроны в него не входят: они находятся вокруг ядра. Такое разделение важно, потому что при описании состава ядра учитывают только частицы, составляющие его. Протоны и нейтроны вместе называют нуклонами, а электроны относятся к электронной оболочке атома.

Число протонов Z определяет заряд ядра: каждый протон вносит одинаковый положительный заряд +e, поэтому общий заряд равен +Ze. У химического элемента это число постоянно, иначе перед нами уже был бы другой элемент. Поэтому Z совпадает с порядковым номером элемента в периодической таблице и служит его «паспортом».

Массовое число A показывает, сколько всего нуклонов находится в ядре. Оно складывается из числа протонов Z и числа нейтронов N: A = Z + N. Чтобы найти нейтроны, сумму нужно преобразовать: N = A − Z. Массовое число не включает электроны, поскольку они не являются частицами ядра.

Ядро записывают с символом химического элемента, массовым числом A сверху слева и зарядовым числом Z снизу слева: ²³₁₁Na. Нижнее число сразу показывает количество протонов, а верхнее — общее количество нуклонов. Чтобы узнать состав, вычти нижнее число из верхнего: у этого ядра 11 протонов и 23 − 11 = 12 нейтронов. Символ элемента можно проверить по Z в периодической таблице.

Атомы одного элемента могут иметь разное число нейтронов. Число протонов у них одинаково, поэтому Z и сам элемент не меняются, а массовое число A становится разным. Такие разновидности атомов называют изотопами. Например, ядра с Z = 17 и A = 35 или A = 37 относятся к одному элементу, но содержат разное количество нейтронов.

Частицы атомного ядра и характеристики ядра

Для подсчёта состава сначала найди в записи A и Z. Затем используй A = Z + N или N = A − Z. Заряд в таблице указан для отдельной частицы, а не для характеристик ядра.

Разбор задач

Задача 1. Для ядра натрия записано ²³₁₁Na. Определим число протонов и нейтронов. Верхний индекс задаёт массовое число A = 23, а нижний — зарядовое число Z = 11. Эти числа позволяют восстановить состав ядра без дополнительных данных.

1. Считаем число протонов: оно равно Z, значит, в ядре 11 протонов.
2. Находим число нейтронов по формуле N = A − Z: 23 − 11 = 12.
3. Проверяем сумму: 11 + 12 = 23, что совпадает с массовым числом.

Ответ: 11 протонов и 12 нейтронов.

Задача 2. Нужно записать ядро, в котором 8 протонов и 10 нейтронов, и определить элемент. Сначала число протонов используем как зарядовое число: Z = 8. Затем складываем протоны и нейтроны, чтобы получить массовое число.

1. Находим массовое число: A = Z + N = 8 + 10 = 18.
2. По зарядовому числу 8 определяем элемент в периодической таблице: это кислород, O.
3. Записываем символ с A сверху и Z снизу слева: ¹⁸₈O.

Ответ: ядро кислорода ¹⁸₈O. В нём 8 протонов и 10 нейтронов.

Задача 3. Даны два ядра одного элемента с массовыми числами 35 и 37 и зарядовым числом 17. Найдём число нейтронов в каждом и сравним ядра. Одинаковое Z означает одинаковое число протонов, а значит, речь идёт об одном химическом элементе.

1. В каждом ядре по 17 протонов, так как Z = 17.
2. Для первого ядра N = 35 − 17 = 18; для второго N = 37 − 17 = 20.
3. Одинаковое число протонов и разное число нейтронов показывают, что это изотопы одного элемента. При Z = 17 это хлор.

Ответ: ядра хлора содержат соответственно 17 протонов и 18 нейтронов, а также 17 протонов и 20 нейтронов. Различие между ними — два нейтрона.

Типичные ошибки

Массовое число иногда принимают за число нейтронов. Это происходит потому, что нейтроны не имеют заряда и кажутся «лишними» при подсчёте, но A включает и протоны, и нейтроны. Проверь себя сложением: Z + N должно дать A.

Не путай Z и A: первое показывает число протонов, второе — число всех нуклонов. Ошибка возникает, когда оба числа воспринимают просто как индексы в записи ядра. Перед вычислением подпиши их значения и проверь: Z не может быть больше A.

Число нейтронов находят вычитанием, а не сложением: N = A − Z. При сложении получится число больше общего количества нуклонов, что невозможно. Проверка простая: после вычисления сложи N и Z — результат должен совпасть с A.

Изотопам одного элемента ошибочно приписывают разное число протонов. Путают изменение состава ядра с изменением самого элемента, хотя именно Z определяет его название. Сравни зарядовые числа: у изотопов они одинаковы, а различаться должны A и число нейтронов.

Связь с другими темами

Чтобы разобраться в составе ядра, нужно знать строение атома, заряд электрона и ядра, а также понимать, что порядковый номер элемента равен числу протонов. Эти сведения связывают устройство атома с положением элемента в периодической таблице. Позже состав ядра понадобится для изучения радиоактивности, ядерных превращений и ядерных реакций: в таких процессах ядра меняются, а их состав помогает описать происходящее.

Что запомнить

• Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов.
• Протон имеет положительный заряд, нейтрон не имеет электрического заряда.
• Протоны и нейтроны вместе называют нуклонами.
• Зарядовое число Z равно числу протонов в ядре.
• Массовое число A равно сумме числа протонов и нейтронов.
• Число нейтронов находят по формуле N = A − Z.
• Изотопы имеют одинаковое число протонов, но разное число нейтронов.