§ 71. Атомное ядро

Определения и обозначения

Атомное ядро — центральная часть атома, состоящая из протонов и нейтронов и несущая положительный заряд. Электроны находятся вокруг ядра, а его заряд равен суммарному заряду протонов. Понимание состава ядра позволяет объяснить свойства атомов и превращения элементов.

Нуклон — общее название протона и нейтрона как частиц, входящих в состав ядра. Протон заряжен положительно, а нейтрон не имеет электрического заряда. Термин нужен, чтобы говорить о частицах ядра вместе, не перечисляя их каждый раз.

Зарядовое число Z — число протонов в ядре. Оно определяет положительный заряд ядра и химический элемент: например, у алюминия Z = 13. Если число протонов изменилось, перед нами уже другое химическое вещество.

Массовое число A — общее число протонов и нейтронов в ядре. Ядро записывают так: ᴬ_ZX, где X — символ элемента, A ставят слева сверху, а Z — слева снизу. По этой записи можно сразу найти состав ядра.

Как это устроено

Ядро складывается из протонов и нейтронов, расположенных в очень малом объёме. Электроны намного легче нуклонов: масса электрона примерно в 1836 раз меньше массы протона. Поэтому почти вся масса атома сосредоточена в ядре, хотя размер самого атома определяется в основном электронной оболочкой.

Число протонов определяет химический элемент, потому что именно оно задаёт заряд ядра и число электронов в нейтральном атоме. Электроны распределяются по энергетическим уровням в зависимости от этого заряда, а строение электронной оболочки определяет химические свойства. Если добавить или убрать нейтроны, заряд ядра не изменится, поэтому название элемента останется прежним.

В ядре Z протонов и N нейтронов, поэтому общее число нуклонов равно A = Z + N. Отсюда число нейтронов находят вычитанием: N = A − Z. Например, если A = 27 и Z = 13, то в ядре находятся 14 нейтронов.

Изотопы — это ядра одного элемента с одинаковым Z, но разным числом нейтронов. Их массовые числа различаются, поэтому различаются и массы атомов. Химические свойства изотопов близки, поскольку определяются главным образом одинаковым числом электронов, но устойчивость ядер и радиоактивность могут быть разными.

Нуклоны удерживаются вместе ядерными силами. Эти силы очень интенсивны, но действуют только на расстояниях порядка размеров ядра, поэтому за его пределами быстро ослабевают. На малых расстояниях ядерное притяжение между нуклонами может превысить электрическое отталкивание протонов, однако в слишком тяжёлых ядрах устойчивость становится хуже.

Частицы атомного ядра и характеристики ядра

В таблице сопоставлены свойства отдельных нуклонов и ядра в целом. Для определения элемента прежде всего смотрите на строку о роли протона: именно его число равно Z. Строка о числе нуклонов связывает состав ядра с формулой A = Z + N.

Разбор задач

Ядро ²⁷₁₃Al

Условие. Для ядра ²⁷₁₃Al нужно определить число протонов, нейтронов и нуклонов. Верхний индекс показывает массовое число, а нижний — зарядовое. Поэтому сначала считываем A и Z, а затем используем связь между ними.

1. Число протонов равно зарядовому числу: Z = 13.
2. Число нейтронов находим по формуле N = A − Z: N = 27 − 13 = 14.
3. Общее число нуклонов равно массовому числу: A = 27.

Ответ: 13 протонов, 14 нейтронов и 27 нуклонов. Проверка: 13 + 14 = 27.

Ядро с 8 протонами и 10 нейтронами

Условие. В ядре содержатся 8 протонов и 10 нейтронов. Нужно записать обозначение ядра и определить элемент. Число протонов сразу даёт Z, а сумма частиц — A.

1. Находим зарядовое число: Z = 8.
2. Находим массовое число: A = Z + N = 8 + 10 = 18.
3. По периодической таблице элемент с Z = 8 — кислород, его символ O.
4. Записываем ядро: ¹⁸₈O.

Ответ: это ядро кислорода ¹⁸₈O. В нём 8 протонов и 10 нейтронов, всего 18 нуклонов.

Сравнение ядер ³⁵₁₇Cl и ³⁷₁₇Cl

Условие. Нужно выяснить, являются ли ядра ³⁵₁₇Cl и ³⁷₁₇Cl изотопами, и сравнить их состав. Сначала сопоставим нижние индексы, затем вычислим число нейтронов в каждом ядре.

1. У обоих ядер Z = 17, значит, в каждом по 17 протонов и это один элемент — хлор.
2. Для первого ядра N₁ = 35 − 17 = 18.
3. Для второго ядра N₂ = 37 − 17 = 20.
4. Одинаковое Z и разное число нейтронов означают, что это изотопы.

Ответ: ядра являются изотопами хлора. ³⁵₁₇Cl содержит 17 протонов и 18 нейтронов, а ³⁷₁₇Cl — 17 протонов и 20 нейтронов.

Типичные ошибки

Массовое число A путают с массой ядра в килограммах, потому что слово «массовое» звучит как обозначение физической массы. На самом деле A — безразмерное целое число нуклонов. Проверьте себя: если требуется масса в килограммах, должны присутствовать единицы измерения.

Зарядовое число иногда принимают за число нейтронов, поскольку обе величины относятся к составу ядра. Но Z показывает только протоны, а нейтроны находят по формуле N = A − Z. Проверка проста: заряд ядра равен +Ze и не зависит от нейтронов.

Некоторые вычисляют нейтроны как A + Z, забывая, что A уже включает протоны. Такой результат завышает состав ядра. Всегда восстановите равенство A = Z + N: из него следует именно вычитание N = A − Z.

Изотопами называют любые ядра с разными массовыми числами, не проверяя Z. Изотопы обязаны иметь одинаковое зарядовое число и различаться числом нейтронов. Сначала сравните нижние индексы записи, затем верхние.

Связь с другими темами

Для изучения ядра нужны представления о строении атома, электрическом заряде, протоне, нейтроне и периодической системе. Периодическая таблица позволяет по Z определить символ химического элемента. Эти знания дают основу для чтения ядерных обозначений.

Понятия состава ядра применяются при изучении радиоактивности и ядерных реакций. В таких процессах отслеживают сохранение электрического заряда и числа нуклонов. Изменение числа протонов может привести к превращению одного элемента в другой.

Ядерные силы понадобятся при объяснении энергии связи и дефекта массы. Эти явления показывают, почему масса связанного ядра отличается от суммы масс свободных нуклонов. От них также зависит устойчивость различных ядер.

Что запомнить

• Ядро состоит из протонов и нейтронов.
• Протон имеет положительный заряд, нейтрон электрически нейтрален.
• Число протонов Z определяет химический элемент.
• Массовое число A равно сумме числа протонов и нейтронов.
• Число нейтронов в ядре равно A − Z.
• Изотопы имеют одинаковое Z, но разное число нейтронов.
• Ядерные силы удерживают нуклоны вместе и действуют на малых расстояниях.