§ 72. Состав атомных ядер

Определения и обозначения

Протон — положительно заряженная частица, входящая в состав атомного ядра; его обозначают p, а заряд равен +e. Здесь e — элементарный электрический заряд. Количество протонов нужно знать, чтобы определить заряд ядра и химический элемент.

Нейтрон — электрически нейтральная частица атомного ядра, обозначаемая n. Его масса близка к массе протона, хотя электрического заряда у него нет. Нейтроны вместе с протонами составляют почти всю массу ядра и влияют на его состав.

Нуклон — общее название протона и нейтрона как частиц, из которых состоит ядро. У этих частиц близкие массы, но разные электрические заряды. Термин удобен, когда нужно говорить о числе частиц в ядре, не разделяя их на два вида.

Массовое число A — общее число нуклонов в ядре. Если Z — число протонов, а N — число нейтронов, то A = Z + N. По массовому числу и Z можно восстановить состав ядра, найдя нейтроны как N = A − Z.

Как это устроено

Заряд ядра складывается из зарядов частиц, которые в него входят. Каждый из Z протонов имеет заряд +e, поэтому вместе они дают +Ze. Нейтрон имеет нулевой заряд и не изменяет эту сумму, хотя входит в состав ядра.

Состав ядра принято записывать в виде ᴬ_ZX, где X — символ химического элемента. Нижний индекс Z показывает число протонов, а верхний A — общее число нуклонов. Поэтому количество нейтронов находят вычитанием: N = A − Z; это следует из равенства A = Z + N.

Почти вся масса атома находится в ядре, потому что массы протона и нейтрона намного больше массы электрона. Электроны образуют оболочку вокруг ядра, но их вклад в общую массу атома мал. Массу ядра в первом приближении связывают с числом нуклонов, поскольку массы протона и нейтрона близки.

Химический элемент определяется числом протонов Z. Именно протоны задают заряд ядра, а заряд ядра связан с порядковым номером элемента в таблице Менделеева. Поэтому ядра с одинаковым Z относятся к одному элементу, даже если число нейтронов у них различается.

У одного элемента могут существовать ядра с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов. Такие разновидности называют изотопами. Поскольку Z у них одинаково, заряд ядра и принадлежность к элементу не меняются, зато массовое число A отличается.

Частицы, составляющие атомное ядро

Сначала по строке таблицы определите заряд частицы и её обозначение, а затем сравните массы. Относительная масса дана по отношению к протону, принятому за единицу. Из таблицы видно, почему нейтрон увеличивает число нуклонов и массу ядра, но не меняет его заряд.

Разбор задач

Задача 1. Определить число протонов и нейтронов в ядре натрия ²³₁₁Na. В записи нижний индекс 11 — это Z, а верхний индекс 23 — A. Нужно найти число нейтронов по разности этих чисел.

1. Считываем Z = 11 и A = 23.
2. Число протонов равно Z, то есть 11.
3. Вычисляем N = A − Z = 23 − 11 = 12.

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

Задача 2. Записать обозначение ядра, в котором 17 протонов и 18 нейтронов, и определить элемент. Сначала складываем числа протонов и нейтронов, чтобы получить A. Элемент находим по числу протонов, потому что оно равно порядковому номеру.

1. Записываем Z = 17 и N = 18.
2. Находим A = Z + N = 17 + 18 = 35.
3. Элемент с порядковым номером 17 — хлор, символ Cl.
4. Записываем обозначение ядра: ³⁵₁₇Cl.

Ответ: это ядро хлора ³⁵₁₇Cl, его массовое число равно 35. Обратная проверка: 35 − 17 = 18 нейтронов.

Задача 3. Сравнить число протонов, нейтронов и массовые числа ядер ³⁵₁₇Cl и ³⁷₁₇Cl. У обоих ядер нижний индекс одинаков: Z = 17. Верхние индексы разные, поэтому числа нейтронов нужно вычислить для каждого ядра отдельно.

1. В обоих ядрах по 17 протонов.
2. Для ³⁵₁₇Cl: N = 35 − 17 = 18.
3. Для ³⁷₁₇Cl: N = 37 − 17 = 20.
4. Сравниваем: A равны 35 и 37, число нейтронов — 18 и 20.

Ответ: ядра содержат одинаковое число протонов, но различаются числом нейтронов и массовыми числами. Это изотопы одного элемента — хлора.

Типичные ошибки

Не следует принимать массовое число A за число нейтронов: A — это сумма протонов и нейтронов. Путаница возникает из-за того, что нейтроны напрямую находят по A, но для этого нужно учесть ещё и Z. Проверьте себя равенством A = Z + N.

Формула N = A + Z неверна, потому что при сложении число протонов учитывается повторно. Чтобы выделить N из равенства A = Z + N, нужно вычесть Z: N = A − Z. Проверка простая: число нейтронов вместе с протонами должно дать A.

Порядковый номер элемента задаёт число протонов, а не нейтронов. Ошибку легко допустить, если считать, что номер описывает все частицы ядра. Сверьте обозначение: Z стоит внизу, и нейтроны находятся только после того, как из A вычли Z.

Заряд ядра не равен заряду нейтрального атома. Ядро имеет заряд +Ze, а электронная оболочка может компенсировать его отрицательными зарядами электронов. Чтобы не смешивать эти понятия, определите, о чём спрашивают: о ядре или об атоме целиком.

Связь с другими темами

Для понимания состава ядра нужны знания о строении атома, электрических зарядах протона и электрона и порядковом номере элемента в таблице Менделеева. Эти понятия позволяют отличить заряд ядра от заряда атома и определить число протонов по Z. Состав ядра пригодится при изучении радиоактивности и ядерных реакций. Зная, какие частицы входят в ядра, можно анализировать превращения ядер и энергетический выход ядерных процессов.

Что запомнить

• Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов.
• Протоны и нейтроны вместе называют нуклонами.
• Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента Z.
• Массовое число A равно сумме числа протонов и нейтронов: A = Z + N.
• Число нейтронов находят по формуле N = A − Z.
• Изотопы имеют одинаковое число протонов, но разное число нейтронов.