§ 7.1. Атомное ядро и элементарные частицы

Определения и обозначения

Атомное ядро — центральная часть атома, состоящая из протонов и нейтронов и несущая положительный заряд. В ядре сосредоточена почти вся масса атома, а его заряд определяет строение электронной оболочки. Поэтому без понятия ядра нельзя объяснить свойства химических элементов.

Нуклон — общее название протона и нейтрона как частиц, входящих в состав ядра. Такое название удобно, когда рассматривают их общее свойство: обе частицы образуют ядерное вещество и участвуют в сильном взаимодействии. Число нуклонов помогает описывать состав ядра.

Изотоп — разновидность атомов одного химического элемента с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов. Изотопы имеют один и тот же заряд ядра, однако их массы и ядерные свойства могут различаться. Это понятие нужно для записи и сравнения разных вариантов одного элемента.

Элементарная частица — частица, которая в современной физике не считается состоящей из более простых частиц. К основным классам относят лептоны и адроны: первые не участвуют в сильном взаимодействии, а вторые участвуют и состоят из кварков. Примеры — электрон, нейтрино, протон и нейтрон.

Как это устроено

Состав ядра задают два числа: Z и A. Число Z равно количеству протонов, поэтому оно одновременно определяет положительный заряд ядра и порядковый номер элемента в таблице Менделеева. Число A равно общему количеству протонов и нейтронов, поэтому число нейтронов вычисляют по формуле N = A − Z.

Протон и нейтрон называют нуклонами, потому что они являются двумя основными видами частиц ядерного вещества. Протон имеет положительный заряд +e, а нейтрон электрически нейтрален; при этом их массы близки и намного больше массы электрона. Такое сходство важно для описания ядра как системы частиц, хотя электрические свойства протона и нейтрона различны.

Ядро записывают в виде ᴬZX, где X — символ химического элемента, A — массовое число, а Z — зарядовое число. Если у атомов одного элемента меняется только число нейтронов, Z остаётся прежним, а A изменяется: это изотопы. Если изменяется число протонов, меняется заряд ядра и получается уже другой химический элемент.

Протоны в ядре отталкиваются электростатическими силами, поскольку имеют одинаковый положительный заряд. На очень малых расстояниях между нуклонами действует сильное взаимодействие: оно значительно превосходит кулоновское отталкивание и удерживает частицы вместе. Его радиус действия мал, поэтому крупные ядра требуют особого соотношения числа протонов и нейтронов для устойчивости.

Элементарные частицы классифицируют по их свойствам и взаимодействиям. Лептоны, к которым относятся электрон и нейтрино, не участвуют в сильном взаимодействии; адроны участвуют в нём и состоят из кварков. Протон и нейтрон — адроны, а электронное нейтрино — лептон, поэтому называть протон элементарной частицей в том же смысле, что электрон, неправильно.

Состав и основные характеристики частиц и ядер

Таблица позволяет быстро сопоставить заряд, относительную массу и внутреннее строение объектов. В графе «масса покоя» приведены приближённые значения относительно массы протона; для составных объектов масса указана ориентировочно. У кварка масса зависит от его типа, а у нейтрино она очень мала.

Разбор задач

Задача 1. Для ядра железа ⁵⁶₂₆Fe определить число протонов, нейтронов, нуклонов и заряд ядра. Верхний индекс показывает A, а нижний — Z, поэтому сначала нужно отделить общее число частиц от числа протонов. Заряд ядра выражается через элементарный заряд e.

1. Число протонов равно нижнему индексу: Z = 26.
2. Число нейтронов: N = A − Z = 56 − 26 = 30.
3. Число нуклонов равно A = 56, а заряд ядра равен +Ze = +26e.

Ответ: 26 протонов, 30 нейтронов, 56 нуклонов; заряд ядра +26e.

Задача 2. Записать обозначения изотопов углерода, содержащих 6 протонов и 6 либо 8 нейтронов, и сравнить их заряды. Символ углерода C и число протонов Z = 6 одинаковы для обоих атомов. Сначала найдём A сложением протонов и нейтронов, затем сравним Z.

1. При 6 нейтронах A = 6 + 6 = 12, поэтому ядро обозначается ¹²₆C.
2. При 8 нейтронах A = 6 + 8 = 14, поэтому ядро обозначается ¹⁴₆C.
3. У обоих изотопов Z = 6, значит, заряд каждого ядра равен +6e.

Ответ: ¹²₆C и ¹⁴₆C; заряды ядер одинаковы, а массовые числа различаются.

Задача 3. В реакции ¹⁴₇N + ⁴₂He → ¹⁷₈O + X определить неизвестную частицу. В ядерной реакции сохраняются и массовое число A, и зарядовое число Z. Поэтому для X нужно отдельно вычесть известные числа в левой и правой частях.

1. По числу нуклонов: Aₓ = 14 + 4 − 17 = 1.
2. По заряду: Zₓ = 7 + 2 − 8 = 1.
3. Частица с A = 1 и Z = 1 — это протон, ¹₁p.

Ответ: X — протон ¹₁p. Проверка: слева и справа получается 18 нуклонов и зарядовое число 9.

Типичные ошибки

Путают массовое число A с массой ядра. Ошибка возникает из-за похожего названия: A действительно связано с массой, но показывает число нуклонов, а не массу в килограммах. Проверка проста: A всегда равно целому числу протонов и нейтронов.

Считают, что изотопы имеют разное число протонов. Так рассуждают, если смешивают признаки элемента и его разновидности. У изотопов одного элемента Z одинаково, а различается число нейтронов и массовое число A.

Приравнивают нулевой заряд нейтрона к нулевой массе. Нейтрон электрически нейтрален, но имеет массу, близкую к массе протона. Чтобы проверить себя, разделяйте характеристики: заряд измеряют в единицах e, а массу сравнивают с массой протона.

Называют протон элементарной частицей в том же смысле, что электрон. Причина ошибки — привычка считать все частицы ядра неделимыми. Протон и нейтрон являются адронами и состоят из кварков, тогда как электрон относится к лептонам.

Связь с другими темами

До изучения темы нужно знать строение атома, электрический заряд, относительную атомную массу и символы химических элементов. Это позволяет понимать, что именно обозначают числа Z и A и как связаны ядро и электронная оболочка.

Знания о ядре понадобятся при изучении радиоактивности, ядерных реакций, дефекта масс и энергии связи. Во всех этих темах важно уметь определять состав ядра и отслеживать изменения его зарядового и массового чисел.

Классификация частиц и законы сохранения переходят в физику элементарных частиц и квантовую физику. Они помогают устанавливать, какие частицы участвуют в реакции и какие величины сохраняются.

Что запомнить

• Ядро состоит из протонов и нейтронов — нуклонов.
• Z — число протонов и зарядовое число ядра.
• A — общее число нуклонов в ядре.
• Число нейтронов определяется формулой N = A − Z.
• Изотопы имеют одинаковое Z, но разные A и число нейтронов.
• Протон и нейтрон являются адронами и состоят из кварков.
• Электрон и нейтрино относятся к лептонам.