§81. Состав атомного ядра

Определения и обозначения

Протон — положительно заряженная частица атомного ядра, обозначаемая p. Его заряд равен +e, где e — элементарный заряд, приблизительно 1,6·10⁻¹⁹ Кл. Число протонов определяет заряд ядра и химический элемент, поэтому при описании ядра протонное число особенно важно.

Нейтрон — электрически нейтральная частица ядра, обозначаемая n. Его заряд равен нулю, однако нейтрон имеет массу и участвует в формировании ядра. Учитывая нейтроны, можно отличить ядра одного элемента с разным составом.

Нуклон — общее название протона и нейтрона как частиц, составляющих ядро. Термин помогает говорить о числе частиц в ядре, не перечисляя отдельно протоны и нейтроны. Именно количество нуклонов задаёт массовое число.

Зарядовое число Z — число протонов, массовое число A — общее число протонов и нейтронов, а число нейтронов N — количество нейтральных частиц ядра. Эти величины связаны формулой A = Z + N. Если известны две из них, третью можно найти, поэтому формула удобна для определения состава ядра.

Как это устроено

Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов, потому что именно эти частицы образуют компактную центральную область атома и вместе называются нуклонами. Электроны находятся вне ядра, в электронной оболочке: их поведение и распределение описывают как отдельную часть строения атома. Поэтому в подсчёте состава ядра электроны не участвуют, хотя они важны для электрических свойств атома.

Каждый протон несёт заряд +e, а нейтрон заряда не имеет. Если в ядре Z протонов, их суммарный заряд равен +Ze; нейтроны его не изменяют. Число Z совпадает с порядковым номером элемента в периодической таблице, потому что именно количество протонов определяет, какой это элемент: ядра с разным числом протонов относятся к разным элементам.

Массовое число считают по количеству частиц в ядре, а не взвешиванием ядра. Поскольку ядро содержит Z протонов и N нейтронов, общее число нуклонов равно A = Z + N. Перенеся Z в другую часть равенства, получаем N = A − Z; так можно определить нейтроны, если известны массовое и зарядовое числа.

Ядро записывают в виде ᴬ_ZX: символ X показывает химический элемент, верхний индекс A — массовое число, а нижний индекс Z — зарядовое число. Например, в записи ²³₁₁Na число 11 означает 11 протонов, а 23 — общее число нуклонов. Разность этих индексов даёт число нейтронов: 23 − 11 = 12.

У атомов одного элемента одинаковое число протонов, иначе это были бы атомы разных элементов. При этом количество нейтронов может меняться, не меняя зарядовое число. Такие разновидности одного элемента называются изотопами; у них одинаковое Z, но разные N и массовое число A.

Частицы атомного ядра и величины, описывающие ядро

Сначала определите, что именно дано: частицу или числовую характеристику ядра. Для вычислений используйте A = Z + N и помните, что заряд ядра зависит только от Z. Таблица также помогает не путать число нуклонов с зарядом.

Разбор задач

Задача 1. Для ядра ²³₁₁Na определите число протонов и нейтронов, а также заряд ядра. Верхний индекс задаёт A = 23, нижний — Z = 11. Поскольку Z показывает число протонов, а нейтроны дополняют нуклоны до A, применим связь N = A − Z.

1. Число протонов равно Z: 11.
2. Число нейтронов равно 23 − 11 = 12.
3. Заряд ядра равен +Ze = +11e, или приблизительно +1,76·10⁻¹⁸ Кл.

Ответ: 11 протонов, 12 нейтронов, заряд +11e. Число протонов сразу читается по нижнему индексу, а нейтроны и заряд находятся разными действиями, поэтому их не следует смешивать.

Задача 2. Запишите обозначение ядра изотопа кислорода, содержащего 8 протонов и 10 нейтронов. Чтобы оформить запись, сначала найдём зарядовое число по протонам, затем массовое число как сумму протонов и нейтронов. По Z = 8 в периодической таблице определяем символ кислорода O.

1. Z = 8, потому что в ядре 8 протонов.
2. A = Z + N = 8 + 10 = 18.
3. Ставим A верхним индексом, а Z нижним: ¹⁸₈O.

Ответ: ¹⁸₈O. Проверка проста: нижний индекс совпадает с количеством протонов, а верхний равен сумме протонов и нейтронов.

Задача 3. Ядро имеет заряд +3,2·10⁻¹⁸ Кл и массовое число 40. Определите элемент и число нейтронов. Заряд дан в кулонах, поэтому сначала нужно найти, сколько элементарных положительных зарядов его составляет; полученное число будет Z. Затем установим элемент по таблице и применим формулу для N.

1. Z = (3,2·10⁻¹⁸ Кл) / (1,6·10⁻¹⁹ Кл) = 20.
2. Элемент с порядковым номером 20 — кальций, Ca.
3. N = A − Z = 40 − 20 = 20.

Ответ: это ядро кальция, в нём 20 нейтронов. Деление зарядов даёт именно число протонов, а не нейтронов; нейтронное число вычисляется только после определения Z.

Типичные ошибки

Первая ошибка — считать A числом нейтронов. Её допускают, когда смешивают массовое число и одну из составляющих ядра; на деле A включает и протоны, и нейтроны. Проверьте себя равенством A = Z + N: если записали A = N, протоны потерялись из подсчёта.

Вторая ошибка — принимать Z за число нейтронов. Нижний индекс в записи ядра иногда воспринимают просто как ещё одну характеристику состава, забывая, что он равен числу протонов и порядковому номеру элемента. Проверка: умножение Z на e должно давать модуль заряда ядра.

Третья ошибка — вычислять N как A + Z. Она возникает из-за неверного переноса слагаемого в формуле A = Z + N. Подставьте результат обратно: при правильном ответе сумма Z и N должна восстановить A, значит N = A − Z.

Четвёртая ошибка — считать, что изотопы одного элемента отличаются числом протонов. Тогда изменился бы сам элемент, потому что вместе с Z изменились бы порядковый номер и заряд ядра. Сверьте записи изотопов: одинаковый символ элемента означает одинаковое Z, а отличаться могут A и N.

Связь с другими темами

Чтобы уверенно разбирать состав ядра, нужно знать строение атома: электроны образуют оболочку, а ядро занимает центральную область. Также понадобятся представление об элементарном заряде и умение находить порядковый номер элемента в периодической таблице. Эти знания позволяют связать заряд ядра с числом протонов и определить химический символ по Z.

Обозначения A и Z используются дальше при изучении радиоактивности и ядерных реакций, где важно отслеживать состав ядер до и после превращения. Сравнение масс частиц и ядер пригодится при разборе дефекта массы. Поэтому навык чтения изотопной записи становится основой для понимания ядерных процессов.

Что запомнить

• Ядро состоит из протонов и нейтронов; обе частицы называют нуклонами.
• Число протонов в ядре равно зарядовому числу Z.
• Заряд ядра равен +Ze.
• Массовое число A равно общему числу нуклонов.
• Число нейтронов находят по формуле N = A − Z.
• У изотопов одного элемента одинаковое Z, но разное число нейтронов.