"Физика", Изергин Э.Т.
Атомное ядро — маленькая центральная часть атома, в которой сосредоточена почти вся его масса. Оно состоит из протонов и нейтронов, вместе называемых нуклонами. Число протонов определяет, к какому химическому элементу относится атом, а число нейтронов может меняться: так возникают изотопы. При ядерной реакции ядра превращаются, но массовое число и электрический заряд сохраняются. Эти правила помогают находить состав ядра и неизвестные частицы в реакциях.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Нуклон — общее название протона и нейтрона, входящих в состав атомного ядра. Протоны имеют положительный заряд, а нейтроны не имеют заряда. Слово «нуклон» удобно, когда нужно говорить о частицах ядра вместе и подсчитать их общее количество.
Атомное ядро — центральная часть атома, состоящая из протонов и нейтронов и несущая положительный заряд. Заряд ядра создают протоны, а нейтроны вносят вклад в его массу. Зная устройство ядра, можно объяснить, почему атомы разных элементов отличаются друг от друга.
Изотоп — разновидность атомов одного химического элемента с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов. Например, изотопы имеют одинаковый заряд ядра, но неодинаковое массовое число. Это понятие позволяет различать ядра одного элемента по их составу.
Ядерная реакция — превращение атомных ядер при взаимодействии с другими ядрами или частицами. В результате могут появляться новые ядра и частицы. Понятие реакции помогает описывать такие превращения с помощью уравнений и законов сохранения.
Число протонов определяет химический элемент, потому что именно оно задаёт заряд ядра. Атом с одним протоном — водород, а с двумя — гелий; изменится число протонов — изменится и элемент. Число нейтронов на название элемента не влияет, но вместе с числом протонов характеризует конкретное ядро. Поэтому для полного описания ядра нужно учитывать оба вида нуклонов.
Массовое число A равно сумме протонов и нейтронов, поскольку эти частицы составляют ядро: A = Z + N. Здесь Z — число протонов, N — число нейтронов. Чтобы найти N, из общего числа нуклонов вычитают протоны: N = A − Z. Например, если A = 40, а Z = 20, в ядре 20 нейтронов.
Ядро обозначают записью ᴬZX, где X — символ химического элемента, A — массовое число, а Z — зарядовое число. A пишут сверху слева от символа, Z — снизу слева. Такое обозначение сразу сообщает общий состав ядра: Z показывает число протонов, а разность A − Z — число нейтронов. Символ X можно проверить по таблице химических элементов, найдя элемент с номером Z.
Изотопы существуют потому, что у ядер одного элемента может быть разное число нейтронов. Их число протонов и зарядовое число одинаковы, поэтому сохраняется принадлежность к одному элементу. Но добавление или удаление нейтронов меняет общее число нуклонов, а значит, и массу ядра. Например, ядра углерода-12 и углерода-14 — изотопы углерода.
В ядерной реакции частицы и ядра превращаются, однако суммарные массовое число и электрический заряд не исчезают и не возникают заново. Поэтому при составлении уравнения отдельно складывают числа A слева и справа, а затем так же сравнивают числа Z. Если неизвестна частица, обе суммы дают уравнения для её массового и зарядового чисел. Только проверка обоих законов позволяет правильно определить результат.
| Объект или величина | Обозначение | Что показывает | Связь с составом ядра |
|---|---|---|---|
| Протон | p | Положительно заряженную частицу ядра | Количество протонов равно Z |
| Нейтрон | n | Незаряженную частицу ядра | Количество нейтронов равно N |
| Массовое число | A | Общее число нуклонов в ядре | A = Z + N |
| Зарядовое число | Z | Число протонов в ядре | Определяет заряд ядра и элемент |
| Число нейтронов | N | Количество нейтронов | N = A − Z |
| Изотоп | ᴬZX | Разновидность атома элемента | Имеет то же Z, но иное N |
Чтобы определить состав ядра по таблице, сначала найдите Z — это число протонов, затем вычислите N = A − Z. Запись изотопа позволяет сопоставить оба числа с символом элемента. Для нейтрального атома число электронов равно числу протонов, но электроны в состав ядра не входят.
Задача 1. Для ядра кальция ⁴⁰₂₀Ca определите число протонов и нейтронов, число электронов в нейтральном атоме и состав ядра. Здесь A = 40, а Z = 20. Нужно не принять массовое число за число нейтронов: сначала оно задаёт сумму протонов и нейтронов.
Ответ: 20 протонов, 20 нейтронов, 20 электронов; ядро состоит из 20 протонов и 20 нейтронов. Электроны указаны для атома, а не для ядра.
Задача 2. Дополните реакцию ¹⁴₇N + ⁴₂He → ¹⁷₈O + X. Неизвестную частицу нельзя определить только по одному из её чисел: нужно учесть и число нуклонов, и заряд. Сначала сравним суммы массовых чисел, затем — зарядовых.
Ответ: X — протон; реакция записывается так: ¹⁴₇N + ⁴₂He → ¹⁷₈O + ¹₁p. Проверка показывает, что обе суммы по сторонам уравнения совпадают.
Задача 3. В реакции деления ²³⁵₉₂U + ¹₀n → ¹⁴¹₅₆Ba + X + 3·¹₀n найдите неизвестное ядро и химический элемент. Коэффициент 3 означает, что справа вылетает три нейтрона. Учитываем их все при подсчёте массовых чисел; их зарядовые числа равны нулю.
Ответ: X — ядро криптона ⁹²₃₆Kr. Подстановка найденных A и Z подтверждает сохранение обеих величин.
Массовое число A иногда считают числом нейтронов, потому что оно связано с массой ядра. Но A включает и протоны, и нейтроны, тогда как число нейтронов равно N = A − Z. Проверка проста: сложите найденные протоны и нейтроны — сумма должна дать A.
Зарядовое число Z путают с зарядом всего атома. Z показывает число протонов в ядре; нейтральность атома достигается равным числом электронов, а не нулевым числом протонов. Чтобы проверить ответ, отдельно назовите заряд ядра и заряд атома: ядро положительно, нейтральный атом в целом не заряжен.
Изотопы порой принимают за разные элементы из-за неодинаковой массы их ядер. Однако элемент определяется числом протонов, поэтому у изотопов Z одинаково, а различается число нейтронов. Сверьте нижние числа в записи ядер: если Z совпадают, это изотопы одного элемента.
При составлении реакции могут проверить только сохранение массового числа или только заряда. Этого недостаточно: разные частицы способны совпасть по одной характеристике, но не по другой. После нахождения неизвестного ядра отдельно сложите A и Z слева и справа — обе пары сумм должны совпасть.
Для понимания темы нужны знания о строении атома, составе ядра, химических элементах и относительной атомной массе. Химический элемент различают по заряду ядра, а изотопы объясняют, почему атомы одного элемента могут иметь разные массы. Состав ядра и законы сохранения пригодятся при изучении радиоактивности, альфа- и бета-распада, ядерной энергетики и цепных реакций. Так физическое описание ядра связывает свойства атома с химическими обозначениями элементов.
Почему нейтрон не влияет на химический символ элемента?
Химический элемент определяется числом протонов в ядре, то есть зарядовым числом Z. Нейтрон не имеет электрического заряда, поэтому изменение их числа не меняет элемент.
Чем массовое число отличается от относительной атомной массы?
Массовое число A — целое число нуклонов в конкретном ядре: протонов и нейтронов. Относительная атомная масса элемента учитывает массы его изотопов и их распространённость в природе, поэтому обычно не является целым числом.
Как быстро определить число нейтронов по записи ядра?
В записи ᴬZX верхнее число A — массовое, а нижнее Z — зарядовое. Вычтите из A число Z: N = A − Z.
Почему изотопы одного элемента имеют разные массы?
У изотопов одинаковое число протонов, но различное число нейтронов. Поэтому различается общее число нуклонов и масса их ядер.
Какие величины нужно сохранять при составлении уравнения ядерной реакции?
Нужно одновременно проверять сохранение массового числа A и зарядового числа Z. Суммы этих чисел слева и справа от стрелки должны совпадать.
§ 36. Состав ядра атома. Ядерные реакции
