§ 56 Состав атомного ядра. Ядерные силы

Определения и обозначения

Протон — положительно заряженная частица атомного ядра с зарядом +1,6 · 10⁻¹⁹ Кл. Его число определяет, к какому химическому элементу относится атом. Поэтому изменение числа протонов означает уже не другой изотоп, а другой элемент.

Нейтрон — электрически нейтральная частица, входящая в состав атомного ядра. У него нет электрического заряда, но есть масса и способность участвовать в ядерном взаимодействии. Число нейтронов влияет на массу ядра и его устойчивость.

Нуклон — общее название протона и нейтрона. Такое слово удобно использовать, когда рассматривают состав ядра без разделения частиц на два вида. Все нуклоны вместе образуют основную массу атомного ядра.

Ядерные силы — силы взаимодействия между нуклонами, удерживающие их внутри ядра. Они действуют только на очень малых расстояниях и не зависят от того, является нуклон протоном или нейтроном. Благодаря им ядро не распадается сразу под действием внутренних взаимодействий.

Как это устроено

Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов, поэтому его состав можно описать двумя числами. Число протонов обозначают Z, а число нейтронов — N. Число протонов определяет заряд ядра и химический элемент, потому что каждому элементу соответствует своё значение Z.

Общее число нуклонов называют массовым числом и обозначают A. Оно складывается из протонов и нейтронов: A = Z + N. Если известны A и Z, число нейтронов находят так: N = A − Z, поэтому состав ядра можно определить по его обозначениям.

Все протоны имеют положительный заряд, поэтому электрически отталкиваются друг от друга. Если бы в ядре действовало только это отталкивание, несколько протонов не смогли бы оставаться рядом. Но на ядерных расстояниях ядерные силы намного сильнее электрических и удерживают протоны вместе с нейтронами.

Ядерные силы отличаются большой интенсивностью, но действуют лишь в очень малой области — примерно на расстояниях порядка 10⁻¹⁵ м. На обычных расстояниях между нуклонами они проявляются как притяжение. При чрезмерном сближении те же силы становятся отталкивающими, поэтому нуклоны не сжимаются в одну точку.

Ядерное взаимодействие существует между любыми двумя нуклонами. Оно примерно одинаково для пар протон—протон, нейтрон—нейтрон и протон—нейтрон. Электрическое отталкивание добавляется только для двух протонов, поскольку нейтрон электрического заряда не имеет.

Состав атомного ядра и характеристики его частиц

В таблице сначала находят число протонов по порядковому номеру элемента, а затем используют A = Z + N. Строка о силах помогает не смешивать электрическое отталкивание протонов и ядерное взаимодействие. Для нейтрона отсутствие заряда не означает отсутствие ядерного взаимодействия.

Разбор задач

Задача 1

Условие: ядро углерода-14 содержит 6 протонов. Определить число нейтронов. Массовое число 14 показывает общее количество нуклонов, а число протонов равно Z = 6.

1. Записываем формулу: N = A − Z.
2. Подставляем значения: N = 14 − 6 = 8.
3. Проверяем: 6 протонов + 8 нейтронов дают 14 нуклонов.

Ответ: в ядре углерода-14 содержится 8 нейтронов.

Задача 2

Условие: определить состав ядра натрия-23, если его порядковый номер равен 11. Порядковый номер сразу даёт число протонов, а число нейтронов находится по разности массового и порядкового номеров.

1. Число протонов: Z = 11.
2. Число нейтронов: N = A − Z = 23 − 11 = 12.
3. Значит, ядро содержит 11 протонов и 12 нейтронов.

Ответ: состав ядра натрия-23 — 11 протонов и 12 нейтронов.

Задача 3

Условие: объяснить устойчивость ядра с несколькими протонами. Нужно сравнить силы, действующие между близкими нуклонами, а не учитывать только заряд протонов.

1. Протоны отталкиваются электрическими силами.
2. На расстояниях внутри ядра ядерные силы сильнее этого отталкивания.
3. Их притяжение удерживает нуклоны, а отталкивание на сверхмалых расстояниях не даёт ядру сжаться.

Ответ: ядро может быть устойчивым, потому что на ядерных расстояниях притяжение ядерных сил преобладает над электрическим отталкиванием протонов.

Типичные ошибки

Массовое число A иногда принимают за число протонов Z. Ошибка возникает потому, что оба числа связаны с ядром, но A включает все нуклоны, а Z — только протоны. Проверка проста: число нейтронов должно вычисляться как N = A − Z.

Нейтрон иногда считают отрицательно заряженным, поскольку он находится рядом с положительными протонами. На самом деле его электрический заряд равен нулю, хотя он участвует в ядерных силах. Проверьте себя: заряд ядра создают только протоны.

Некоторые считают, что ядерные силы действуют на любых расстояниях. Это неверно: у них очень малый радиус действия, поэтому далеко от ядра они практически не проявляются. Вспомните условие их заметного действия — расстояния порядка размеров ядра.

Устойчивость ядра иногда объясняют только отталкиванием или только притяжением. На деле электрические силы раздвигают протоны, ядерные силы удерживают нуклоны, а их отталкивание при сверхмалом расстоянии ограничивает сближение. Полное объяснение должно учитывать все эти взаимодействия.

Связь с другими темами

Для понимания состава ядра нужны знания о строении атома, электрическом заряде, порядковом и массовом номерах элемента. Порядковый номер даёт Z, а массовое число используется вместе с ним для нахождения N.

Эти сведения понадобятся при изучении изотопов, радиоактивности и ядерных реакций. Изотопы имеют одинаковое число протонов, но различное число нейтронов. При ядерных реакциях состав ядер может изменяться.

Понятие ядерных сил помогает объяснить устойчивость атомных ядер. Оно также связано с тем, откуда берётся ядерная энергия. При изменениях состава ядра часть энергии взаимодействия может выделяться или поглощаться.

Что запомнить

• Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов.
• Протон имеет положительный заряд, нейтрон электрически нейтрален.
• Протоны и нейтроны называют нуклонами.
• Число протонов Z определяет химический элемент.
• Массовое число A равно сумме числа протонов и нейтронов: A = Z + N.
• Ядерные силы действуют на малых расстояниях и удерживают нуклоны в ядре.
• На очень малых расстояниях ядерные силы проявляются как силы отталкивания.