1. Строение атомного ядра

Определения и обозначения

Атомное ядро — центральная часть атома, в которой сосредоточены почти вся его масса и положительный электрический заряд. Вокруг ядра находятся электроны, но именно ядро определяет основную массу атома. Изучение ядра помогает понять свойства атомов, радиоактивность и ядерные реакции.

Протон — положительно заряженная частица ядра. Число протонов задаёт заряд ядра и показывает, какой это химический элемент. Например, шесть протонов означают, что перед нами ядро углерода.

Нейтрон — электрически нейтральная частица, входящая в состав атомного ядра. Он не увеличивает заряд ядра, но вносит вклад в его массу и влияет на устойчивость. Поэтому ядра одного элемента могут различаться числом нейтронов.

Нуклон — общее название протона и нейтрона. Значит, ядро состоит из нуклонов, а его массовое число равно общему числу таких частиц. Это слово удобно использовать, когда не нужно отдельно считать протоны и нейтроны.

Как это устроено

Положительный заряд ядра возникает из-за протонов: каждый протон несёт элементарный положительный заряд +e, а нейтрон электрически нейтрален. Поэтому заряды нейтронов не изменяют общий результат. Если в ядре Z протонов, его заряд равен +Ze.

Состав ядра описывают двумя числами. Зарядовое число Z равно числу протонов и одновременно является порядковым номером элемента, а массовое число A показывает общее число нуклонов. Поэтому A = Z + N, где N — число нейтронов.

Состав ядра записывают так: ᴬZX. Буква X обозначает химический элемент, верхний индекс A — массовое число, а нижний индекс Z — зарядовое число. Число нейтронов можно найти сразу: N = A − Z.

Протоны в ядре электрически отталкиваются, потому что имеют одинаковый положительный заряд. Однако на расстояниях порядка размеров ядра действуют ядерные силы: они значительно сильнее электрического отталкивания и притягивают нуклоны друг к другу. Благодаря этому протоны и нейтроны могут образовать связанное ядро.

Изотопы — это разновидности одного химического элемента с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов. Одинаковое Z сохраняет принадлежность к одному элементу, а различие N меняет A и массу ядра. Например, углерод-12 и углерод-14 имеют по шесть протонов, но разное число нейтронов.

Состав и характеристики атомного ядра

При решении задач сначала найдите в записи A и Z, а затем используйте связь A = Z + N. Для заряда ядра достаточно знать только Z, поскольку нейтроны электрического заряда не имеют.

Таблица помогает не смешивать свойства отдельных частиц со свойствами всего ядра. Например, протон и нейтрон имеют массу, но именно их общее количество задаёт массовое число.

Разбор задач

Задача 1

Для ядра атома углерода записано обозначение ¹²₆C. Требуется определить число протонов, нейтронов и нуклонов. Используем нижний индекс как Z, а верхний как A.

1. Число протонов равно нижнему индексу: Z = 6.
2. Число нуклонов равно верхнему индексу: A = 12.
3. Число нейтронов N = A − Z = 12 − 6 = 6.

Ответ: 6 протонов, 6 нейтронов и 12 нуклонов. Проверка: 6 + 6 = 12.

Задача 2

Рассмотрим ядро изотопа урана ²³⁵₉₂U. Нужно определить его состав и заряд. В записи уже указаны массовое число A = 235 и зарядовое число Z = 92.

1. Число протонов равно Z, поэтому в ядре 92 протона.
2. Число нейтронов N = A − Z = 235 − 92 = 143.
3. Заряд ядра равен +Ze, то есть +92e.

Ответ: ядро содержит 92 протона и 143 нейтрона, всего 235 нуклонов; его заряд равен +92e. Знак «плюс» показывает, что заряд создают положительно заряженные протоны.

Задача 3

Ядро содержит 56 нуклонов, из них 30 нейтронов. Требуется определить химический элемент и записать обозначение ядра. Здесь известно A = 56 и N = 30, поэтому сначала найдём число протонов.

1. По формуле Z = A − N получаем Z = 56 − 30 = 26.
2. Элемент с порядковым номером 26 — железо, его символ Fe.
3. Подставляем A и Z в запись ядра: ⁵⁶₂₆Fe.

Ответ: это ядро железа, содержащее 26 протонов и 30 нейтронов. Его обозначение — ⁵⁶₂₆Fe.

Типичные ошибки

Путают A с числом нейтронов. Ошибка возникает из-за того, что оба числа относятся к составу ядра. Проверьте себя формулой N = A − Z: A включает и протоны, и нейтроны.

Считают, что заряд зависит от нейтронов. Нейтрон не имеет электрического заряда, поэтому он не влияет на заряд ядра. Для проверки используйте формулу q = +Ze и учитывайте только протоны.

Путают Z и A. Нижний индекс Z показывает число протонов и номер элемента, а верхний A — число всех нуклонов. Можно мысленно подписать: «Z — заряд», «A — все частицы».

Считают изотопы разными элементами. Разное число нейтронов меняет массу, но не меняет число протонов. Если Z одинаково, изотопы относятся к одному химическому элементу.

Связь с другими темами

До изучения темы нужно знать строение атома, электрический заряд, элементарный заряд и обозначения химических элементов. Эти знания позволяют понимать запись заряда ядра и состав атома.

Связь с химией проявляется через число протонов: оно равно порядковому номеру элемента и определяет его место в Периодической системе. Поэтому физическая характеристика ядра помогает распознавать химический элемент.

Дальше сведения о ядре понадобятся при изучении радиоактивности, ядерных реакций, дефекта массы и энергии связи атомного ядра. Во всех этих темах важно различать протоны, нейтроны, A и Z.

Что запомнить

• Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов.
• Протон имеет положительный заряд, нейтрон электрически нейтрален.
• Протоны и нейтроны называют нуклонами.
• Зарядовое число Z равно числу протонов в ядре.
• Массовое число A равно общему числу нуклонов: A = Z + N.
• Число нейтронов находят по формуле N = A − Z.
• Изотопы имеют одинаковое число протонов и разное число нейтронов.