49. Состав атомного ядра

Определения и обозначения

Протон — положительно заряженная частица, входящая в состав атомного ядра; его обозначают p, а заряд равен +e. Здесь e — элементарный электрический заряд. Число протонов позволяет определить заряд ядра и химический элемент.

Нейтрон — электрически нейтральная частица в составе ядра, её обозначают n. У нейтрона нет электрического заряда, поэтому он не увеличивает заряд ядра. Однако он входит в состав ядра и учитывается при подсчёте его частиц.

Нуклон — общее название протона и нейтрона как частиц, из которых состоит ядро. Это слово удобно, когда речь идёт о них вместе, без уточнения вида частицы. Например, общее количество нуклонов в ядре задаёт массовое число.

Массовое число A — общее число нуклонов в ядре. Если Z — число протонов, а N — число нейтронов, то A = Z + N. Эта связь помогает определить неизвестное количество частиц, если известны два остальных значения.

Как это устроено

Представление о составе ядра складывалось благодаря опытам по рассеянию частиц: по изменению их движения учёные заключили, что в атоме есть маленькая плотная область с положительным зарядом. Затем было открыто электрически нейтральное ядерное излучение, которое не удавалось объяснить, считая ядро состоящим только из протонов. Открытие нейтрона позволило описать ядро как систему из протонов и нейтронов. Так стало понятно, почему масса ядра связана с большим числом частиц, чем число положительных зарядов.

Заряд ядра зависит от количества протонов: каждый протон вносит заряд +e, а нейтрон не вносит электрического заряда. Поэтому при Z протонах заряд ядра равен +Ze. Число протонов совпадает с порядковым номером элемента в таблице Менделеева: именно оно отличает ядра разных элементов. Если изменить Z, получится ядро другого элемента, даже если число нейтронов останется прежним.

Массовое число считают по числу всех частиц двух видов, входящих в ядро, а не только по числу нейтронов. Протоны и нейтроны в этом подсчёте складываются, поэтому A = Z + N. Чтобы найти нейтроны, из общего числа нуклонов вычитают протоны: N = A − Z. Например, при A = 23 и Z = 11 в ядре 12 нейтронов.

Ядро записывают в виде ᴬ_ZX. Буква X обозначает химический элемент, верхнее число A показывает количество нуклонов, а нижнее Z — число протонов. Такая запись позволяет быстро восстановить состав ядра: нейтроны находят как разность A − Z. Например, для ²³₁₁Na число протонов равно 11, а нейтронов — 23 − 11 = 12.

У атомов одного элемента одинаковое число протонов, потому что именно оно определяет элемент. Но число нейтронов в ядрах может различаться, и тогда различается также массовое число. Такие разновидности атомов называют изотопами. Например, ядра изотопов одного элемента имеют одинаковый Z, но разные N и A.

Частицы, входящие в состав атомного ядра

Чтобы заполнить строку для конкретного ядра, сначала определите Z по символу элемента, затем найдите N как A − Z. Строка «Все нуклоны» показывает общий итог, а заряд ядра в ней зависит только от числа протонов.

Разбор задач

Задача 1. Определите число протонов и нейтронов в ядре ²³₁₁Na. Нижний индекс 11 сразу задаёт число протонов, а верхний индекс 23 — общее число нуклонов. Значит, для подсчёта нейтронов нужно убрать из общего числа протоны.

1. В записи ядра Z = 11, поэтому в ядре 11 протонов.
2. Массовое число A = 23; вычисляем N = A − Z = 23 − 11 = 12.
3. Проверяем сумму: 11 + 12 = 23, она совпадает с A.

Ответ: 11 протонов и 12 нейтронов.

Задача 2. В ядре содержится 17 протонов и 18 нейтронов. Определите массовое число и запишите обозначение ядра. Сначала складываем оба вида нуклонов, а затем по числу протонов выбираем элемент. Порядковый номер 17 соответствует хлору, символ которого — Cl.

1. Находим массовое число: A = Z + N = 17 + 18 = 35.
2. Число протонов Z = 17, поэтому зарядовое число в записи ядра равно 17.
3. Записываем символ элемента с A сверху и Z снизу: ³⁵₁₇Cl.

Ответ: A = 35; ядро ³⁵₁₇Cl.

Задача 3. Ядро элемента имеет массовое число 40 и заряд +20e. Определите число протонов и нейтронов, назовите элемент и запишите обозначение ядра. Заряд нужно сопоставить с зарядом одного протона: коэффициент при e показывает число протонов. После этого остаётся вычесть их из A.

1. Из заряда +20e находим Z = 20, значит, в ядре 20 протонов.
2. Элемент с порядковым номером 20 — кальций, его символ Ca.
3. Вычисляем число нейтронов: N = A − Z = 40 − 20 = 20.
4. Записываем ядро: ⁴⁰₂₀Ca. Проверка: 20 + 20 = 40.

Ответ: 20 протонов и 20 нейтронов; кальций, ядро ⁴⁰₂₀Ca.

Типичные ошибки

Ошибка: считать массовое число количеством нейтронов. Так могут сделать, если сосредоточиться на том, что нейтроны тоже входят в массу ядра, и забыть о протонах. Но A включает оба вида нуклонов. Проверьте себя равенством A = Z + N: в нём должны учитываться и протоны, и нейтроны.

Ошибка: находить нейтроны сложением A + Z. При таком действии число протонов прибавляется к общему числу, хотя оно уже входит в A. Чтобы выделить оставшиеся частицы, используйте N = A − Z. Самопроверка: после вычисления сложите Z и N — результат должен быть равен A.

Ошибка: путать заряд ядра с числом нуклонов. Это происходит потому, что оба значения описывают ядро, но зависят от разного состава: заряд создают только протоны, а A учитывает протоны и нейтроны. Сверьте число с нужной формулой: заряд равен +Ze, массовое число — Z + N.

Ошибка: считать, что у всех атомов одного элемента одинаковое количество нейтронов. Элемент определяется числом протонов, поэтому это число постоянно, но нейтронов может быть разное количество. Такие атомы являются изотопами. Для проверки сравните Z: одинаковый Z означает один элемент, даже если N различается.

Связь с другими темами

Для этой темы нужны знания о строении атома, электрическом заряде и порядковом номере элемента в таблице Менделеева. Они помогают понять, где находится ядро, откуда берётся его заряд и как определить Z. Состав ядра пригодится при изучении изотопов, радиоактивных превращений и ядерных реакций. В этих темах важно отслеживать, как меняется число протонов и нейтронов.

Что запомнить

• Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов.
• Протон и нейтрон вместе называют нуклонами.
• Порядковый номер элемента Z равен числу протонов в ядре.
• Заряд ядра равен +Ze.
• Массовое число A — сумма числа протонов и числа нейтронов.
• Число нейтронов находят по формуле N = A − Z.