§ 7.11. Строение атомного ядра

Определения и обозначения

Атомное ядро — центральная часть атома, состоящая из протонов и нейтронов и содержащая почти всю его массу. Размер ядра очень мал по сравнению с размером атома, но именно в нём сосредоточены основные масса и положительный заряд. Понимание строения ядра нужно для описания свойств атомов и ядерных превращений.

Протон — положительно заряженная частица ядра с элементарным положительным зарядом. Число протонов определяет заряд ядра и химический элемент: у всех ядер одного элемента это число одинаково. Поэтому протон задаёт порядковый номер элемента в таблице Менделеева.

Нейтрон — электрически нейтральная частица ядра, имеющая массу, близкую к массе протона. Он не создаёт электрического заряда ядра, но входит в число частиц, составляющих его массу. Количество нейтронов может различаться у ядер одного и того же элемента.

Нуклон — общее название протона и нейтрона как частиц, образующих атомное ядро. Такое название удобно, когда рассматривают их общие свойства и взаимодействие внутри ядра. Общее число нуклонов обозначают массовым числом A.

Как это устроено

Ядро имеет положительный заряд, потому что его протоны несут элементарные положительные заряды, а нейтроны заряда не имеют. Если в ядре Z протонов, его заряд равен +Ze, где e — элементарный заряд. Поэтому зарядовое число Z одновременно показывает заряд ядра в единицах e и число протонов.

Состав ядра записывают как ^A_ZX. Верхний индекс A — массовое число, то есть общее количество нуклонов, а нижний индекс Z — зарядовое число, или число протонов. Если N — число нейтронов, то A = Z + N, следовательно, N = A − Z; символ X обозначает химический элемент.

Почти вся масса атома сосредоточена в ядре, поскольку масса протона и нейтрона примерно в 1840 раз больше массы электрона. Электроны образуют оболочку, но их суммарная масса мала по сравнению с массой нуклонов. Поэтому при оценке массы атома главным вкладом считают массу ядра.

Протоны и нейтроны удерживаются вместе сильным ядерным взаимодействием. Оно действует между нуклонами на очень малых расстояниях и на таких расстояниях сильнее электрического отталкивания протонов. Это взаимодействие короткодействующее: за пределами размеров ядра оно быстро ослабевает.

Атомы одного элемента могут иметь разное число нейтронов, потому что устойчивое ядро иногда возможно при нескольких значениях N. Такие разновидности называют изотопами; у них одинаковое Z, но различаются A и число нейтронов. Химические свойства определяются в основном электронной оболочкой, а в нейтральных атомах число электронов равно числу протонов, поэтому изотопы одного элемента химически похожи.

Частицы атомного ядра и характеристики ядра

При работе с таблицей сначала найдите Z: оно сразу даёт число протонов и химический элемент. Затем используйте A = Z + N, чтобы определить число нейтронов или проверить уже найденный состав. Заряд ядра находят по формуле +Ze.

Разбор задач

Задача 1. Состав ядра железа

Для ядра железа записано ⁵⁶₂₆Fe. Нужно определить число протонов и нейтронов. Нижний индекс показывает Z, а верхний — A, поэтому сначала считываем эти два числа, а затем находим недостающее количество частиц.

1. Число протонов равно зарядовому числу: Z = 26.
2. Число нейтронов находим вычитанием: N = A − Z = 56 − 26 = 30.
3. Проверяем результат: 26 + 30 = 56, то есть число нуклонов совпадает с A.

Ответ: ядро железа содержит 26 протонов и 30 нейтронов. Всего в нём 56 нуклонов.

Задача 2. Запись ядра по составу

Ядро содержит 8 протонов и 10 нейтронов. Требуется записать его обозначение и определить массовое число. Число протонов сначала позволяет установить элемент, а затем сумма протонов и нейтронов даёт A.

1. Зарядовое число равно числу протонов: Z = 8. Элемент с порядковым номером 8 — кислород, его символ O.
2. Массовое число равно общему числу нуклонов: A = Z + N = 8 + 10 = 18.
3. Записываем ядро: ¹⁸₈O.

Ответ: обозначение ядра — ¹⁸₈O, его массовое число A = 18.

Задача 3. Сравнение изотопов углерода

Рассмотрим ядра ¹²₆C и ¹⁴₆C. Нужно установить, чем они похожи и чем отличаются. Одинаковый нижний индекс указывает на один элемент, а разные верхние индексы — на разное общее число нуклонов.

1. У обоих ядер Z = 6, значит, в каждом по 6 протонов и оба ядра относятся к углероду.
2. Для первого ядра N = 12 − 6 = 6, для второго N = 14 − 6 = 8.
3. Следовательно, различие связано с двумя дополнительными нейтронами во втором ядре, а не с числом протонов.

Ответ: это изотопы углерода: у них одинаковы число протонов и зарядовое число, но различаются число нейтронов и массовое число. У ¹²C шесть нейтронов, у ¹⁴C — восемь.

Типичные ошибки

Путают A с массой ядра. Массовое число показывает количество нуклонов, а не массу в килограммах; путаница возникает из-за похожего названия. Проверьте себя: A должно быть целым числом и равно сумме протонов и нейтронов.

Считают Z числом нейтронов. Зарядовое число связано с протонами и порядковым номером элемента, потому что именно протоны создают заряд ядра. Найдите химический символ по Z: если число не совпадает с его порядковым номером, рассуждение неверно.

Вычитают или складывают числа неправильно. Число нейтронов находят по формуле N = A − Z, а не A + Z, поскольку A уже включает и протоны, и нейтроны. Проверка проста: после вычисления должно выполняться A = Z + N.

Приписывают изотопам разное число протонов. У изотопов одного элемента Z одинаково, а меняется только N, поэтому различаются и A. Сравните нижние индексы в записях: одинаковые индексы означают один элемент.

Связь с другими темами

Для изучения ядра нужны знания о строении атома, элементарном заряде и связи порядкового номера с числом электронов в нейтральном атоме. Эти сведения позволяют перейти от состава атома к составу его ядра.

Понятия A, Z и N используются при изучении радиоактивности и ядерных реакций, где отслеживают сохранение массового и зарядового чисел. Нуклоны и ядерное взаимодействие становятся основой объяснения энергии связи и дефекта массы.

Что запомнить

• Ядро состоит из протонов и нейтронов — нуклонов.
• Протон имеет положительный заряд, нейтрон электрически нейтрален.
• Зарядовое число Z равно числу протонов в ядре.
• Массовое число A равно общему числу нуклонов.
• Число нейтронов определяется формулой N = A − Z.
• Изотопы имеют одинаковое число протонов и разное число нейтронов.
• Нуклоны удерживаются в ядре сильным ядерным взаимодействием.