§ 48. Состав атомного ядра

Определения и обозначения

Протон — положительно заряженная частица атомного ядра, её обозначают p. Заряд протона равен +e, где e — элементарный электрический заряд. Именно протоны создают положительный заряд ядра, поэтому их количество важно для определения элемента.

Нейтрон — частица ядра, не имеющая электрического заряда; её обозначают n. По электрическому свойству он отличается от протона, хотя обе частицы входят в ядро. Число нейтронов помогает описать состав ядра и отличить один изотоп от другого.

Нуклоны — общее название протонов и нейтронов, составляющих ядро. Это слово удобно, когда нужно говорить о частицах ядра вместе, не перечисляя их по отдельности. Подсчёт нуклонов позволяет определить массовое число.

Массовое число — общее число нуклонов в ядре, его обозначают A. Буква Z обозначает зарядовое число — количество протонов, а N — количество нейтронов; поэтому A = Z + N. В записи ядра ᴬ_ZX символ X обозначает элемент, A пишут сверху, а Z — снизу слева от символа.

Как это устроено

Атом состоит из ядра и электронов вокруг него, но почти вся масса атома сосредоточена именно в ядре. Это связано с тем, что протоны и нейтроны намного массивнее электронов. Поэтому, описывая массу атома, прежде всего считают число частиц в ядре — протонов и нейтронов.

Число протонов Z определяет положительный заряд ядра: каждый протон вносит один элементарный положительный заряд. По этой же причине Z определяет порядковый номер элемента в таблице Менделеева. Если число протонов изменится, изменится и заряд ядра, а значит, перед нами будет уже другой химический элемент.

Массовое число A складывается из числа протонов Z и числа нейтронов N: A = Z + N. Это равенство следует из смысла массового числа: оно считает все нуклоны, а других частиц в принятом описании состава ядра не учитывает. Если известны A и Z, число нейтронов находят вычитанием: N = A − Z.

В записи ᴬ_ZX верхнее число показывает количество всех нуклонов, нижнее — число протонов. Поэтому сначала по Z определяют число протонов, затем вычисляют нейтроны по разности A − Z. Для нейтрального атома число электронов равно числу протонов: отрицательный заряд электронов компенсирует положительный заряд ядра.

У атомов одного элемента число протонов одинаково, потому что именно оно задаёт элемент. Однако число нейтронов может быть разным, а вместе с ним меняется и A. Такие разновидности атомов одного элемента называют изотопами: у них одинаковое Z, но различаются N и массовые числа.

Частицы атомного ядра и характеристики ядра

Пользуясь таблицей, сначала выясните, какие обозначения даны в условии: Z, A или N. Затем примените связь A = Z + N, чтобы найти недостающее число, и помните, что Z относится только к протонам. Заряд ядра определяется числом протонов, а не массовым числом.

Разбор задач

Задача 1. В ядре атома натрия ²³₁₁Na определить число протонов и нейтронов.

В записи ядра верхний индекс A равен 23, а нижний индекс Z равен 11. Сначала определим протоны: их число совпадает с зарядовым числом. Нейтроны найдём по разности между общим числом нуклонов и протонов.

1. Число протонов: Z = 11.
2. Число нейтронов: N = A − Z = 23 − 11 = 12.

Ответ: в ядре 11 протонов и 12 нейтронов. Проверка: 11 + 12 = 23, то есть число нуклонов совпадает с A.

Задача 2. Записать обозначение ядра, в котором 8 протонов и 10 нейтронов, и назвать соответствующий химический элемент.

Сначала нужно определить зарядовое число: оно равно числу протонов, поэтому Z = 8. Элемент с порядковым номером 8 — кислород. Чтобы поставить верхний индекс в обозначении ядра, сложим числа протонов и нейтронов.

1. Находим массовое число: A = Z + N = 8 + 10 = 18.
2. Записываем символ элемента O, сверху указываем A = 18, снизу — Z = 8.

Ответ: ядро обозначается ¹⁸₈O, это ядро атома кислорода. Проверка состава: 18 − 8 = 10 нейтронов.

Задача 3. Сравнить атомы ³⁵₁₇Cl и ³⁷₁₇Cl: определить состав их ядер и объяснить, почему это атомы одного элемента.

У обеих записей нижний индекс равен 17, значит, в каждом ядре по 17 протонов. Число нейтронов отдельно найдём для каждого атома, вычитая Z из A. После этого сравним результаты: число протонов указывает на элемент, а разное число нейтронов — на его изотопы.

1. Для ³⁵₁₇Cl: N = 35 − 17 = 18.
2. Для ³⁷₁₇Cl: N = 37 − 17 = 20.
3. В обоих ядрах Z = 17, поэтому оба атома относятся к хлору; их массовые числа и числа нейтронов различаются.

Ответ: первое ядро содержит 17 протонов и 18 нейтронов, второе — 17 протонов и 20 нейтронов. Это изотопы одного элемента — хлора, так как число протонов у них одинаковое.

Типичные ошибки

Иногда массовое число A принимают за число нейтронов. Ошибка возникает потому, что нейтроны тоже входят в A, но туда входят и протоны. Проверьте себя равенством A = Z + N: если известны A и Z, нейтроны равны A − Z.

Не путайте массовое число A с зарядовым числом Z: первое считает все нуклоны, второе — только протоны. Буквы похожи по смыслу, потому что обе относятся к ядру, но обозначают разные величины. Проверка проста: число протонов должно равняться Z, а A не может быть меньше Z.

Число нейтронов не является порядковым номером элемента. Такую ошибку допускают, когда видят, что нейтроны тоже находятся в ядре, и связывают с ними название элемента. Сверьте атом с обозначением: элемент определяется нижним индексом Z, а не результатом A − Z.

Неверно считать, что все атомы одного элемента обязательно имеют одинаковое число нейтронов. У элемента неизменно число протонов, но возможны разные значения N, а значит, и A. Чтобы проверить, изотопы ли это, сравните Z: одинаковое Z при разном A означает разные изотопы одного элемента.

Связь с другими темами

Для понимания состава ядра нужно знать строение атома и различать электрические заряды. Также важно помнить связь порядкового номера элемента с зарядом его ядра: номер показывает число протонов. Эти знания помогают правильно читать запись ядра и находить число частиц.

Состав ядра и изотопы понадобятся при изучении радиоактивности и ядерных реакций. В этих темах рассматривают превращения ядер и изменения числа частиц в них. Понимание состава ядра также помогает разбираться в энергетических превращениях, происходящих в ядре.

Что запомнить

• Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов.
• Протоны и нейтроны вместе называют нуклонами.
• Заряд ядра положителен и определяется числом протонов Z.
• Массовое число A равно общему числу нуклонов.
• Число нейтронов находят по формуле N = A − Z.
• Изотопы одного элемента имеют одинаковое число протонов и разное число нейтронов.