"Физика", Грачёв А.В., Погожев В.А., Боков П.Ю.
Атомное ядро — небольшая центральная часть атома, в которой сосредоточена почти вся его масса. Оно состоит из протонов и нейтронов, вместе называемых нуклонами. Число протонов задаёт зарядовое число Z и определяет, какой это химический элемент, а сумма протонов и нейтронов образует массовое число A. По записи нуклида можно найти состав ядра, а у нейтрального атома — и число электронов. Эти сведения помогают различать изотопы и описывать ядерные превращения.
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 и содержащая почти всю массу атома. Электроны находятся вокруг ядра, а его состав помогает описывать свойства атома. Поэтому, говоря о строении атома, отдельно рассматривают ядро и электронную оболочку.
Нуклон — общее название протона и нейтрона, частиц, из которых состоит ядро. Протон имеет положительный электрический заряд +e, а нейтрон не имеет электрического заряда. Термин «нуклон» удобен, когда нужно назвать или подсчитать все частицы ядра вместе.
Зарядовое число Z — число протонов в ядре. Оно определяет химический элемент: ядра с разным Z принадлежат разным элементам, а заряд ядра равен +Ze. По Z можно понять, сколько протонов входит в ядро и сколько электронов будет у нейтрального атома.
Массовое число A — общее число протонов и нейтронов в ядре. Нуклид записывают так: ⁽ᴬ⁾₍Z₎X, где X — символ элемента, A пишут сверху слева, а Z — снизу слева. Из записи можно найти число нейтронов: N = A − Z, поэтому она сразу сообщает состав ядра.
Представление об атоме как о маленьком плотном ядре с электронами вокруг связано с тем, что атом почти целиком состоит из пустого пространства, а его положительный заряд и основная масса собраны в очень малой центральной области. Если бы положительный заряд был равномерно размазан по всему атому, такое сосредоточение массы и заряда объяснить было бы нельзя. Поэтому модель включает компактное положительно заряженное ядро и окружающие его электроны.
Протоны и нейтроны удерживаются вместе в ядре, образуя его частицы-нуклоны. Масса каждого нуклона намного больше массы электрона, поэтому вклад электронной оболочки в массу атома очень мал. Именно поэтому при подсчёте основной массы атома достаточно знать число протонов и нейтронов.
Протоны заряжены положительно, а нейтроны электрически нейтральны. Заряды протонов складываются, поэтому ядро с Z протонами имеет заряд +Ze; нейтроны к нему ничего не прибавляют. В нейтральном атоме суммарный отрицательный заряд электронов компенсирует заряд ядра, следовательно, число электронов равно числу протонов.
Массовое число складывается из двух количеств: протонов Z и нейтронов N, поэтому A = Z + N. Если известны A и Z, число нейтронов можно найти, перенеся Z из суммы: N = A − Z. Например, при A = 23 и Z = 11 в ядре 12 нейтронов.
Химический элемент определяется числом протонов, а число нейтронов у его атомов может различаться. Такие атомы одного элемента называют изотопами: у них одинаковое Z, но разные N. Поскольку A складывается из Z и N, у изотопов отличаются массовые числа, хотя символ элемента остаётся тем же.
| Объект или величина | Обозначение | Что показывает | Основная связь |
|---|---|---|---|
| Протон | p | Положительно заряженная частица ядра | Заряд +e |
| Нейтрон | n | Нейтральная частица ядра | Заряд 0 |
| Атомное ядро | — | Центральная часть атома из протонов и нейтронов | Состоит из нуклонов |
| Зарядовое число | Z | Число протонов и номер элемента | Заряд ядра +Ze |
| Массовое число | A | Общее число протонов и нейтронов | A = Z + N |
| Число нейтронов | N | Количество нейтронов в ядре | N = A − Z |
Сначала найдите в условии или записи Z и A, затем используйте строки таблицы, чтобы определить нужную частицу или величину. Если требуется число нейтронов, вычтите Z из A; если требуется заряд ядра, учитывайте только протоны. Для нейтрального атома число электронов берут равным Z.
Определим число протонов, нейтронов и электронов в атоме натрия, а также заряд его ядра. В записи верхнее число A = 23 означает общее число нуклонов, а нижнее Z = 11 — число протонов. Атом не обозначен как ион, поэтому считаем его нейтральным.
Ответ: 11 протонов, 12 нейтронов и 11 электронов; заряд ядра +11e. Проверка: 11 + 12 = 23, то есть сумма протонов и нейтронов совпадает с массовым числом.
Нужно определить элемент, массовое число его ядра и обозначение соответствующего нейтрального атома. Число протонов сразу задаёт зарядовое число Z = 17, а по периодической системе элемент с таким Z — хлор, Cl. Затем сложим число протонов и нейтронов, чтобы получить A.
Ответ: это ядро хлора с массовым числом 37, запись атома — ³⁷₁₇Cl. Если атом нейтрален, в нём 17 электронов; это следует из равенства числа электронов и протонов.
Сравним состав ядер и нейтральных атомов углерода с массовыми числами 12 и 14. У обоих символов нижний индекс одинаков: Z = 6, значит, в каждом ядре по шесть протонов. Для нейтральных атомов это также означает по шесть электронов, а нейтроны нужно найти отдельно.
Ответ: оба атома — изотопы углерода; у первого 6 нейтронов, у второго 8. Массовые числа равны 12 и 14, а число протонов в обоих ядрах равно 6.
Путают зарядовое и массовое числа: Z считают числом всех частиц ядра, а A — числом протонов. Так происходит, когда забывают, что в ядре есть и нейтроны. Проверка простая: Z должно совпадать с числом протонов, а A — с суммой протонов и нейтронов.
Считают, что массовое число — это масса атома в килограммах или атомных единицах массы. Путаница возникает из-за слова «массовое», но A является целым количеством нуклонов, а не значением массы с единицей измерения. Проверьте, что в формуле A = Z + N складываются именно количества частиц.
Находят нейтроны по формуле N = A + Z. Обычно знак путают, хотя массовое число уже включает протоны, поэтому для выделения оставшихся нейтронов их нужно вычесть. Проверьте результат сложением: Z + N должно снова дать A.
Называют изотопами атомы разных химических элементов, если у них отличаются массовые числа. Различие A само по себе не доказывает, что атомы — изотопы: у изотопов обязательно совпадает Z и различается число нейтронов. Сверьте нижние индексы в записи; если они разные, это разные элементы.
Для понимания состава ядра нужны знания о протоне, электроне и их зарядах, а также условие электрической нейтральности атома. Различия в числе нейтронов приводят к изучению изотопов и помогают перейти к радиоактивности и законам радиоактивных превращений. Числа A и Z используют при записи ядерных реакций и проверке состава ядер до и после превращения. Так описание ядра связывает строение атома с изменениями вещества на уровне частиц.
Почему нейтрон не влияет на заряд ядра?
У нейтрона нет электрического заряда, поэтому он не добавляет заряд ядру. Заряд ядра определяется только положительно заряженными протонами и равен Ze.
Чем зарядовое число отличается от массового?
Зарядовое число Z показывает, сколько протонов находится в ядре, и определяет химический элемент. Массовое число A — это общее число протонов и нейтронов: A = Z + N.
Как по записи ядра определить число протонов и нейтронов?
В записи ⁽ᴬ⁾₍Z₎X нижнее число Z — число протонов, а верхнее A — число всех нуклонов. Число нейтронов находят вычитанием: N = A − Z.
Почему у изотопов одного элемента разные массовые числа?
У изотопов одного элемента одинаковое число протонов, но разное число нейтронов. Поэтому различается общее число нуклонов A, хотя химический элемент остаётся тем же.
Равно ли число электронов числу протонов у любого атома?
У нейтрального атома число электронов равно числу протонов, чтобы отрицательный и положительный заряды компенсировались. У заряженного атома — иона — эти числа могут различаться.
§ 54. Строение атомного ядра. Зарядовое и массовое число
